Chapter 4 Bluetooth

Table of contents

Bluetooth

• 전화, 노트북, 컴퓨터, 카메라, 프린터, 커피 제조기 등과 같은 다양한 기능의 기기들을 연결하기 위해 고안된 무선랜 기술.
• A Bluetooth LAN은 ad hoc network(AP가 따로 존재하지 않는다.)이다.
  • 네트워크는 자발적(spontaneously)으로 형성된다.
  • 때때로 gadget이라고 불리는 장치들은 서로를 찾아서 piconet라고 불리는 네트워크를 만든다.
• IEEE 802.15 표준은 무선 개인 영역 네트워크(PAN) 를 정의한다.

Architecture

• Bluetooth는 piconet와 scatternet의 두 가지 네트워크 유형을 정의한다.
• 블루투스 장치에는 근거리 무선 송신기가 내장되어 있다.
• 버전 5.2의 현재 date rate는 $2.4GHz$ 대역폭을 가진 $2Mbps$이다.
  • 이는 IEEE 802.11be 무선랜과 블루투스 랜 사이에 간섭이 발생할 가능성이 있음을 의미한다.(그래서 frequency hopping이라s는, 무선 주파수를 뛰어 넘는 방법을 사용한다.)

• 5.x 버전에서는 거리가 200m까지 가능하다. 그래서 거리를 짧게 쓰면 속도를 높일 수 있다. ($50mbps$까지)
• 거리를 멀리하면 속도가 느려지고…

Piconets

• piconet은 최대 8개의 station을 가질 수 있으며, 그 중 하나는 primary(master) 라고 불리고, 나머지는 secondary(slaves) 라고 불린다.(하나는 primary, 나머지 7개는 secondary) (추가적으로 8대를 더 붙일 수 있다. 그렇게 하더라도, active한 station은 8개만 가능하다. 결국 동시에 가능한 거는 8개이다.)
• 모든 secondary station들은 그들의 clock과 hopping sequence를 primary와 동기화한다.
• piconet은 오직 하나의 primary station을 가질 수 있다.
• primary와 secondary 사이의 통신은 1대1 또는 1대多가 될 수 있다.
• piconet은 최대 7개의 secondary station을 가질 수 있지만, 추가로 8개의 secondary station이 parked state에 있을 수 있다.
• parked state의 secondary station은 parked state로부터 이동될 때까지 통신에 참여할 수 없다.
• piconet에서 8개의 station만이 활성화될 수 있다.

Scatternet

• piconet은 scatternet이라고 불리는 것을 형성하기 위해 결합될 수 있다.
• 하나의 piconet 내의 secondary station은 다른 piconet 내의 primary station이 될 수 있다.
• 이 스테이션은(slave로서) 첫 번째 piconet의 primary station으로부터 메시지를 수신할 수 있고, primary station으로서 동작하여 두 번째 piconet의secondary들에게 전달할 수 있다.
• 상기 그림처럼 오른쪽 Piconet에 있는 Secondary가 동그라민 친 station을 타고 왼쪽 Primary와 통신을 한다.(대신 많이 느리다.)

Bluetooth Layers

• Radio layer: 무선으로 쏘는 부분
• Baseband layer: radio layer 바로 위에 있는 layer. 데이터를 어떻게 보낼 것인가.

Radio Layer

• Bluetooth device는 저전력(low-power)이며 범위는 10m이다.
  • 범위는 power-class-dependant이지만, 실제로는 $1m$에서 $100m$까지 다양하다.
• Bluetooth는 $2.4-GHz$ ISM band를 각각 $1MHz$의 79개 채널로 분할하여 사용한다. (FHSS를 사용하며, 주파수를 뛰어다니기 위해, 79개의 채널로 분할한다.)
• Bluetooth는 다른 디바이스 또는 다른 네트워크로부터의 간섭을 피하기 위해, physical layer에서 frequency-hopping spread spectrum (FHSS) 방법을 사용한다.
• Bluetooth는 1초에 1600번 도약한다(hop).
• bit를 signal로 변환하기 위해 bluetooth는 GFSK(FSK with Gaussian bandwidth filtering) 라는 정교한 버전의 FSK를 사용한다.

Baseband Layer

• Radio layer 바로 위에 있는 layer.
• 데이터를 어떻게 보낼 것인가에 관심이 있는 layer.
• access method는 TDMA이다.
• primary station과 secondary station는 time slot을 이용하여 서로 통신한다.
  • time slot의 길이는 dwell time $625\mu s$와 정확히 같다.
  • secondary station들은 서로 직접 소통할 수 없습니다.
• 블루투스는 TDD-TDMA(time-division duplex TDMA) 라고 불리는 TDMA의 형태를 사용한다.
• secondary station과 수신기가 데이터를 주고 받지만, 동시에 데이터를 받지 못하는 half-duplex communication의 일종이다.
• 그렇다면 TDD-TDMA(time-division duplex TDMA) 가 어떻게 동작하느냐? 하기 내용에서 계속.

Single-secondary Communication

• primary station은 짝수 슬롯을 사용하고, secondary station은 홀수 슬롯을 사용한다.
• 스마트폰이 Primary, 블루투스 헤드폰이 Secondary라고 생각하면 된다.
• 동시에 주고 받는 것은 안된다. 한 번 주고, 한 번 받아야 한다. (half-duplex communication)
• $625ms$단위로 time slot을 나누어 놓았다.
• 데이터를 실제로 보내는 것은 $366ms$이다.
• 그러면서 동시에 주파수가 달라진다.($f0$~$f78$까지 있다.) (1초에 1600번을 hop한다.)

Multiple-secondary Communication

• 이 방법은 reservation 있는 poll/select 작업과 유사하다.
• primary station은 secondary station을 선택할 때도 poll한다.
  • polled된 station은 프레임을 전송하기 위해 다음 time slot이 예약된다.
• polled된 secondary station이 전송할 프레임이 없는 경우, 채널은 silent 상태가 된다.
• Primary는 스마트폰, Secondary 1은 블루투스 헤드폰, Secondary 2는 블루투스 키보드라고 생각하면 쉽다.
• 한 번씩 Primary가 Secondary 1에게 데이터를 보내고, 다시 Secondary 1이 다시 Primary에게 데이터를 보내고, 그 다음 Primary가 Secondary 2에게 데이터를 보내고, 다시 Secondary 2가 Primary에게 데이터를 보낸다.
• 그러니 당연히 장치를 많이 붙이면, 순번이 늦게 오게 되고, 결국 속도가 느려진다. 한 번씩 돌아가면서 기회를 줄 수밖에 없으니, 느릴 수밖에 없다.

Physical Links

• primary station과 secondary station 사이에는 SCO link와 ACL link라는 두 가지 유형의 링크를 만들 수 있다.
• Synchronous Connection-Oriented(SCO) link
  • 지연 방지(데이터 전달 지연)가 무결성(무오류 전달)보다 더 중요할 때 사용된다.
  • 패킷이 손상되면 재전송되지 않는다.
  • SCO는 지연을 피하는 것이 가장 중요한 실시간 오디오에 사용된다.
  • 음악의 경우 데이터가 조금 깨져도 상관없고, 끊임 없이 듣는 것이 중요하기 때문에, SCO link로 통신한다.
• Asynchronous Connection-Less(ACL) Link
  • 지연 시간을 피하는 것보다 데이터 무결성이 더 중요할 때 사용된다.
  • 키보드의 경우 데이터 무결성이 중요하기 때문에 (타이핑한 대로 입력이 안된다면…), 조금 늦게 가도 에러가 안 나는 것이 중요하다. 그래서 ACL link로 통신한다.

Frame Format

• 강의 내용 상으로는 참고만 하라고 했다.
• A frame in the baseband layer can be one of three types: one-slot, three-slot, or flve-slot.

L2CAP

• The Logical Link Control and Adaptation Protocol, 또는 L2CAP는 LAN에서 LLC sublayer과 거의 동일하다.
• L2CAP은 multiplexing(다중화, 여러 개의 디바이스를 하나로 묶는 것) , segmentation(메시지를 자른다.) 및 reassembly, QOS(Quality of Service), group management 등의 구체적인 임무를 수행한다.
• ACL link에서 데이터 교환을 위해 사용되며, SCO 채널은 L2CAP을 사용하지 않는다. (왜냐면 에러가 나면 복구하고 그래야 되니, integrity가 중요해서 쓴다.)