Bluetooth 4.1, 4.2 기술은 ‘빠른 전송 속도’, ‘사물인터넷을 위한 연결성 강화’, ‘개인정보보호’의 3가지 측면에서 업데이트를 추진하며, 사물인터넷 세상의 중요한 통신 방식으로서 기능을 강화하고 있다. 이번 호에서는 블루투스 4.1 및 4.2의 기술 및 최신 동향에 대해 살펴보고 응용 방법에 대한 내용을 살펴보도록 하겠다.

애플의 아이폰 4, 안드로이드 운영체제 4.3 버전부터는 BLE(Bluetooth Low Energy)에 대한 지원을 하고 있어 쉽게 안드로이드와 아이폰에 호환되는 앱세서리 장치를 개발할 수 있게 됐다. BLE의 지원은 아이폰에서는 애플의 MFi(Made for iPhone) 규격을 준수하지 않고도 블루투스 기반의 장치를 만들 수 있는 가능성을 열어준 것이 가장 큰 이슈였다. 또한 코인 배터리 하나로 6개월 이상 갈 수 있는 장치들을 만들 수 있다는 점도 중요한 이슈였다. 

BLE 기술을 스마트폰과 연결하는 기술에서 벗어나 아이비콘과 같은 사물인터넷을 위한 기술로 발전했으며 BLE에서 사용하는 Blutooth 4.0 기술을 발전시켜 Blutooth 4.1, Blutooth 4.2 규격을 탑재한 제품이 출시되어 여러 영역으로 기술을 확대하고 있다.

그림 1. 블루투스 4.2의 출시 광고

그림 2. 블루투스의 내부 구조

Bluetooth 4.1, 4.2 기술의 가장 주된 업데이트는 ‘빠른 전송 속도’, ‘사물인터넷을 위한 연결성 강화’, ‘개인정보보호’ 이 3가지라고 하겠다. 사물인터넷 세상의 중요한 통신 방식으로서 기능을 강화하여 주요 역할을 하려고 하는 것이 목적일 것이다. 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.

•블루투스 4.2 버전은 기존 4.0 규격 대비 전송 속도가 2.5배 증가하여 전송 효율 및 배터리 소모량을 줄이는 데 목적이 있다.

•IPv5나 6LoWPAN을 지원하여 본격적으로 사물인터넷을 사용하는 데 한계를 없애는 데 있다. 또한 올해 지원 예정인 IPSP(Internet Protocol Support Profile) 기술이 채택이 되어 기존 IP 방식의 인터넷 통신 방식을 지원할 수 있는 기능을 탑재할 예정이다. 따라서 기존보다 더 유연하게 스마트 장치 혹은 사물인터넷 기술을 구현할 수 있도록 지원할 예정이다.

•개인정보보호 기능의 향상 : 기존에 애플의 아이비콘과 같이 임의로 사용자의 위치를 추적하는 기술의 보안성을 높여 사용자의 동의 없이는 사용자의 위치를 마음대로 추적할 수 없도록 기능을 향상할 예정이다. 

블루투스는 저렴한 가격으로 연결할 수 있는 기술의 하나다. 하지만 웨어러블 컴퓨팅을 위한 통신 방식으로서 중요한 역할을 하고 있다. 스마트폰이 웨어러블 컴퓨팅의 핵심이라고 하면 블루투스는 여러 웨어러블 장치들을 연결하는 가교라고 볼 수 있을 것이다. 

하지만 아직까지는 이 웨어러블 장치들을 연결하고 운용하는 데 있어 매끄럽지 않은 건 사실이다. 배터리의 한계로 인한 사용 시간, 소프트웨어나 하드웨어가 기대에 못 미치는 점 등이 있다. 하지만 이제 시작이기 때문에 이러한 점은 점차 해결될 것이다.

블루투스는 그림 2와 같은 내부 소프트웨어 구조로 구성된다. 물리적인 연결 영역(Physical Layer), 연결 영역(Link Layer), 프로토콜의 보안을 담당하는 보완 매니저(Security Manager), 속성 프로파일(Generic Attribute Profile), 접근 프로파일(Generic Access Profile) 등이 있다. 그 중에서도 속성 프로파일과 접근 프로파일이 블루투스 4.0의 중요한 역할을 담당한다.

그림 3. 온도계의 정보를 다루는 프로파일

그림 4. 온도계에 대한 정보 속성

이전의 블루투스 스펙에서는 L2CAP, RFCOMM, SCO 같은 프로파일 바탕 위에 통신을 하기 위한 프로파일들이 특정하게 정의된 구조를 취했다. 하지만 블루투스 4.0은 다양한 장치를 지원하기 위해 새로운 프로파일을 정의하고 사용할 수 있게 하는 유연한 구조를 가지고 있다. 그림 3은 온도계의 정보를 다루는 프로파일의 예다. 

온도계에서 필요한 정보는 온도/시간 정보다. 스마트폰에서는 온도에 대한 정보를 블루투스를 통해 온도계에 요청하고 측정된 온도/시간 정보를 전달받는다. 이것은 마치 클라이언트/서버 구조에서 요청하고 정보를 받는 구조와 유사한 구조로 동작한다.

온도계와 같은 장치는 종류나 사양이 다양하기 때문에 하나의 프로파일로 정의하기가 어렵다. 따라서 블루투스 4.0에서는 온도계와 같은 다양한 장치를 정의하기 위해 사용자가 프로파일을 정의하고 사용할 수 있게 하는 사용자 정의 프로파일을 만들 수 있는 구조를 제공한다. 다양한 장치에 대한 프로파일을 정의하고 구현할 수 있는 기능을 제공한다. 사용자 정의 프로파일을 이용해 다양한 장치를 지원하는 기능은 대단히 유용하게 사용된다.

그림 5. 온도계 프로파일의 세부 정의

우선 사용자 정의 프로파일은 속성 프로토콜(ATT, Attribute Protocol)을 통해 어떤 정보를 전달할 것인지에 대한 정보를 교환한다. 그림 3은 온도계 정보에 대한 정의로, 온도계 정보를 정의하기 위한 UUID(universally unique identifier), 배터리의 잔량을 알려주는 배터리 상태, 그리고 온도에 대한 정보 등으로 구성됐다. 

블루투스 4.0에서는 프로파일에 대한 고유성을 확보하기 위해 UUID를 많이 사용하는데, 이는 온도계에 관한 정보를 지정하는 프로파일이다. 온도계나 심박계와 같은 일부 장치의 경우에는 사전 스펙에 정의된 프로파일을 통해 사용할 수도 있다.

앞서 설명한 온도계 프로파일은 속성 정의 프로파일(Generic Attribute Profile)의 세부 정의에 의해 구현된다. 

이 프로파일을 통해 초기에 스마트폰과 장치가 통신할 때 어떤 정보가 전달될 것인지 확인되며, 정보 또한 전송/수신된다.
속성 정의 프로파일은 장치에 대한 정보, 센서, 세부 속성 정보 등을 제공하며 스마트폰에서 실제 데이터를 전달받아 처리할 수 있도록 구성돼 있다.

그림 6은 블루투스 프로파일의 내부 구성을 보여주는 그림이다. 앞에서 설명한 것처럼 L2CAP, ATT, GATT와 같은 프로파일의 내부 구조가 중요한 역할을 하게 된다.

그림 6. 블루투스 프로파일의 구조

L2CAP : 블루투스 관련 내부 패킷을 합치거나 나누어 분석할 수 있는 레이어 

ATT : 정의한 프로파일에 대한 속성 값을 관리하는 레이어, 앞에서 설명한 것처럼 BLE 프로파일은 세부 내용을 정의하는 구성하고 이 속성의 조합하여 하나의 프로파일이 만들어진다.

GATT : 위의 속성들을 하나로 모은 레이어. BLE 장치는 여러 개의 속성(ATT)이 있고, 이것을 모아서 하나의 프로파일처럼 관리할 수 있다. 따라서 블루투스 장치에 대한 제어는 이 장치에 대한 제어로 부터 시작된다고 하겠다.

BLE 장치는 매우 단순한 상태 구조를 가지고 있다. 그림 7은 BLE 장치의 상태 변이 과정을 보여준다.

그림 7. BLE 장치의 상태변이 다이어그램

■ ‌대기 상태(Standby) : BLE 장치는 초기화 이후 대기 상태와 탐색(Scanning)를 반복하게 된다.

■ ‌광고 상태(Advertising) : BLE 장치는 스마트폰과 연결하기 위해서 주기적으로 장치에 대한 정보를 전송한다. 애플의 아이비콘은 1초에 한 번씩 광고 패킷을 전송, 다른 장치들 역시 비슷한 주기로 장치에 대한 정보를 전송하게 된다.

■ ‌연결 상태(Connection) : BLE 장치는 장치의 역할에 따라 클라이언트/서버로서 역할을 할 수 있다. 일반적인 앱세서리 장치는 클라이언트로 역할을 하고 스마트폰은 서버로서의 역할을 하며 연결이 이루어진다. 내부에 있는 장치에 따라, 앱세서리 장치의 역할에 따라 서버로서 혹은 클라이언트로서 역할을 준비하고 연결 및 통신하게 된다. 

BLE의 장점은 빠른 연결 및 저전류 소비에 있다. 기존의 블루투스에 비해 적은 용량을 가지고 있는 코인 형태의 배터리를 장착하고 2년에서 3년 가는 장치를 만들 수 있다는 점이다. BLE 장치의 소비 전류는 매우 작다. 그 특성을 보면 다음과 같이 확인할 수 있다.

- 20mA이하의 최대 소비 전류
- 5uA의 평균 소비 전류
- 1uA의 대기 전류

위의 경우처럼 소모하며 운영할 수 있기 때문에 작은 코인형 배터리를 사용하고도 오랜 시간 사용할 수 있는 것이다.

또한 BLE 장치는 기존의 블루투스 장치처럼 많은 양의 데이터나 음성을 전달할 수 있도록 구성하는 것이 아니라 작은 크기의 송수신 패킷을 사용하여 통신을 하기 때문에 효율적으로 전류를 소비할 수 있도록 구성하는 것이다.

단순한 계산이지만 BLE는 다음과 같은 정책을 사용하고 있다.

•작은 크기의 송신 데이터는 전송에 필요한 최대 전류 소비를 줄일 수 있다.
•작은 크기의 수신 데이터는 수신에 필요한 전류 소비를 줄일 수 있다.
•통신 채널의 크기를 줄여서 통신 탐색과 연결에 필요한 시간을 줄인다.
•상태를 변이를 단순화 하고, 하나의 프로토콜을 사용하여 동작을 단순화 한다.
•최대 전송 속도는 1Mbps이나 파일 전송과 같은 형태의 통신은 지원하지 않음

그림 8은 BLE에서 사용하는 통신 채널 및 주파수의 할당 상태를 보여준다. BLE의 경우 총 37개의 데이터 통신을 위한 주파수와 3개의 광고 채널을 통해 운영된다.

그림 8. BLE의 통신 채널

Bluetooth 4.1, 4.2의 기술들

4.0 및 4.1 버전은 2MHz 채널 40개를 사용하여 저전력 이점을 획득하므로 1Mbit/s의 링크 비트율 및 270kbit/s의 애플리케이션 처리량을 제공하고 있다. 이는 Bluetooth Classic보다 느리지만, 응용 제품의 비트율은 대기 시간을 100ms에서 6ms로 줄이는 장점이 있다. 이는 제어 신호 보내기 또는 데이터 요청에 대해 보다 빠른 응답을 제공하므로 네트워킹 및 IoT 구현에 중요한 요소다.

그림 9. 메쉬 방식을 이용한 장치 연결

최대 송신 전력도 10mW로 줄어 해당 범위가 50미터 미만으로 감소되지만, 여러 IoT 응용 제품에 사용할 수 있다. 4.1 버전에서는 장치가 여러 역할을 동시에 지원할 수 있으므로 Bluetooth Smart Ready 제품은 동시에 허브 및 주변 장치로 작동할 수 있다. 

기타 무선 기술, 특히 동일한 2.4GHz 대역에서 Wi-Fi와의 공존성이 향상되고 전용 채널이 추가되어 IoT 응용 제품에 매우 적합하다고 볼 수 있다.

또한 사용자를 위한 추가적 지원이 제공된다. 4.1에서는 연결이 자동으로 재설정되므로 사용자가 실내로 들어오면 연결이 복구 된다. 

또한 4.1은 데이터의 벌크 전송을 지원하는 데 지속적 연결을 유지해야 하는 대신 대용량 파일에 대한 링크를 설정하고 다운로드할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 4.1에서 확장되는 영역 중 하나는 일반 속성 프로파일(GATT)이다. 

이 프로파일은 서비스, 특성 및 설명자와 함께 운영 체제 내에서 클라이언트 서버 응용 프로그래밍 인터페이스(API)를 제공한다.

그림 10. 메쉬 방식을 응용한 LED 전등의 활용 그림

이 GATT는 혈압, 맥박수, 체온계, 근접 및 내 위치 찾기 등 최신 응용 제품의 데이터를 처리하는 데 사용된다. IoT 응용 제품을 위한 새로운 프로파일은 다양한 방법으로 데이터를 수집한다. 칩 및 모듈 제조업체는 시스템 개발자가 이러한 프로파일을 사용하여 고유한 소프트웨어를 개발할 수 있도록 GATT의 위에 계층을 추가하고 있다. 그러면 시스템 업그레이드에 따라 4.0 및 4.1을 사용하는 모든 기존 칩 및 모듈과 해당 소프트웨어 호환이 가능해 진다. 

지금까지 블루투스 4.0, 및 4.1, 4.2의 기술적인 특성에 대해 살펴봤다. 다음 회에는 실제 이 기술을 활용하여 어떻게 사물인터넷을 구현하고 응용하는지에 대해 살펴본다.

라영호 _ 테뷸라 대표