블루투스 기능이란 무엇인가요? 구체적으로 말하라

범주: 전자 디지털

분석:

Bluetooth 기술 소개

1.1 너트 쉘의 Bluetooth

Bluetooth 무선 기술은 소형 모바일 장치에 사용하도록 특별히 설계된 무선 기술 유형입니다. Bluetooth 무선 기술은 기술 사양입니다. 이는 작은 범위 내의 모바일 장치 통신을 위해 특별히 설계되었습니다. 기능적으로 Bluetooth는 케이블과 같습니다. 주요 차이점은 Bluetooth가 케이블이 아닌 무선 신호를 사용하여 장치를 서로 연결한다는 것입니다. 이런 의미에서 Bluetooth는 애플리케이션이 아니라 "활성화" 기술입니다. 이 기술의 가장 흥미로운 점은 현재 다양한 장치를 연결하는 데 사용되는 케이블이 없다는 것입니다. 예를 들어, 디지털 카메라에서 PC로 이미지를 전송하려면 카메라를 PC에 연결하는 케이블이 필요합니다. PC와 카메라가 모두 Bluetooth 무선 기술을 사용한다고 상상해 보십시오. 이 경우 케이블은 필요하지 않습니다. 대신 데이터는 무선 연결을 통해 이동할 수 있습니다. 이 아이디어를 모든 휴대용 장치로 확장하면…

Bluetooth를 사용하면 기기에 케이블을 연결할 필요가 없을 뿐만 아니라 기기가 피코라고 하는 작은 무선 네트워크를 자발적으로 형성할 수도 있습니다. 이러한 무선 네트워크 연결은 Bluetooth 장치의 무선 트랜시버를 통해 구현됩니다. 전파는 글로벌 표준인 2.4GHz ISM(Industrial, Scientific, Medical) 대역에서 작동합니다[1]. Bluetooth 무선은 소음이 많은 환경에 내장되어 있으며 빠르고 강력하며 안전한 장치 연결을 제공합니다. TTD(Time-Division Duplex)를 사용하면 최대 데이터 교환 속도는 1Mb/s에 도달할 수 있습니다. 안정성은 장치가 데이터 패킷을 수신하고 보낼 때 다른 무선 신호의 간섭을 받지 않도록 보장합니다. 블루투스의 보안 성능은 하드웨어 계층에서 적용되며 3가지 보안 모드를 제공합니다.

1.2 Bluetooth 제품군

Bluetooth 무선 기술은 고유한 특성을 많이 갖고 있지만 여전히 기존의 다른 무선 기술로부터 많은 것을 차용하고 있습니다. 포함: Motorola의 피아노, IrDA, IEEE 802.11 및 DECT(Digital Enhanced Cordless Telemunications)는 자발적인 네트워크 개념인 "개인 영역 네트워크"입니다. 이 개념은 Bluetooth SIG에서 채택되었으며 케이블 교체 솔루션에 국한되지 않고 원래 Bluetooth 개념으로 확장되었습니다. Bluetooth의 음성 데이터 전송 기능도 DECT 사양을 계승합니다. 개체 교환 기능(명함, 연락처 정보, 메시지 등 공유)은 모두 IrDA에서 개발되었습니다. Bluetooth는 또한 2.4GHz ISM 대역, FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), 인증, 개인, 전원 관리 및 IEEE 802.11 LAN 기능을 상속합니다.

1.3 블루투스 무선 LAN 솔루션의 구성요소

블루투스 무선 기술에는 무선 포인트 유닛, 베이스밴드 유닛, 소프트웨어 스택, 애플리케이션 소프트웨어라는 네 가지 중요한 구성요소가 있습니다. 무선 포인트 장치는 실제 무선 송수신 장치입니다. Bluetooth 장치 간의 무선 연결을 가능하게 합니다. 베이스밴드 유닛은 플래시 메모리와 CPU를 포함한 하드웨어일 뿐만 아니라 무선 포인트 유닛과 주요 하드웨어 서비스 장비 사이의 인터페이스이기도 합니다. 베이스밴드 하드웨어는 Bluetooth 장치에 대한 모든 연결 및 유지 관리 기능을 제공합니다. 소프트웨어 스택은 애플리케이션이 베이스밴드 장치와 인터페이스할 수 있게 해주는 핵심 소프트웨어 드라이버입니다. 응용 소프트웨어는 사용자의 변명입니다. 전체 인터페이스와 기능에 대한 제어를 제공합니다.

2.0 블루투스 전파

블루투스 무선 인터페이스는 2.4GHz ISM 대역에서 사용되는 무선 송수신기입니다. Bluetooth 무선 규정은 미국 FCC 및 국제 ISM 대역 관행을 준수합니다. Bluetooth 라디오는 대역폭 확장을 지원하므로 100mW 이상의 대역에서 작동할 수 있습니다. 대역폭 확장은 2.402GHz에서 시작하여 1MHz의 79배 점프하고 2.480GHz에서 끝납니다. 최대 주파수 점프는 1600hops/s일 수 있습니다.

프랑스와 스페인의 규정으로 인해 주파수 호핑 횟수는 해당 국가의 특정 조건에 따라 결정됩니다. 이 특별한 상황은 무선 장치의 주파수 홉 수를 제한하기 위해 국제 소프트웨어 전환을 통해 제한될 수 있습니다. Bluetooth 무선 포인트 장치의 최소 및 최대 거리는 10cm~10미터입니다. 그러나 방출 에너지를 증가시키면 100미터까지 확장될 수 있습니다.

3.0 블루투스 베이스밴드

이 부분에 더 적합한 단어는 '연결 제어 장치'라고 해야 할 것 같습니다. 블루투스의 기술 사양에서 링크 컨트롤러(LC)는 하드웨어 단위입니다. Bluetooth 장치 간에 물리적인 RF 연결을 설정하고 베이스밴드 프로토콜 및 연결 관리(Link Manager, LM)를 적용합니다. LM은 장치 간 연결을 설정하고 관리할 수 있으며 호스트 장치가 Bluetooth 무선 연결을 사용할 수 있도록 하는 활성 인터럽트 인터페이스를 제공합니다.

3.1 연결 설정

모든 Bluetooth 장치는 기본적으로 대기 모드에 있습니다. 대기 모드에서는 연결되지 않은 장치가 때때로 메시지를 수신합니다. 이 프로세스를 스캔이라고 합니다. 스캔은 페이지 스캔과 조회 스캔의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 페이지 스캔은 연결의 하위 상태입니다. 이 상태에서 장치는 스캔 창(11.25ms) 동안 장치 액세스 코드(DAC)를 사용하여 수신 대기하고 두 장치 간의 실제 연결을 설정합니다. 조회 스캐닝은 이 하위 상태에서 수신 장치가 IAC(조회 액세스 코드) 스캔을 사용한다는 점을 제외하면 페이지 스캐닝과 매우 유사합니다. 쿼리 스캔은 범위 내에 있는 셀, 해당 장치 주소 및 클럭 사이클을 검색하는 데 사용됩니다. 스캔이 성공하면 활성, 보류, 스니핑 및 파크의 네 가지 가능한 연결 중 하나가 설정될 수 있습니다. 스캔이 실패하거나 둘 중 하나가 연결 설정을 원하지 않으면 연결이 설정되지 않습니다.

3.1.1 페이지 스캐닝, 페이지 및 페이지 응답

페이지 스캐닝 프로세스 동안 장치는 마스터 또는 슬레이브입니다. 슬레이브 장치는 11.25ms마다 자체 DAC를 수신합니다. 슬레이브 유닛이 수행하는 스캔은 주파수 호핑 시간 내에 완료됩니다. 주파수 호핑 시간 간격은 내부 하드웨어 장치에 의해 결정됩니다. 기본 마스터 유닛은 페이지 대기열을 사용합니다. 장치의 경우 페이지 대기열은 가능한 32개의 가능한 주파수를 모두 포함하며[2] 어떤 슬레이브 장치가 어떤 주파수를 듣고 있는지 결정합니다. 1.28초마다 마스터 장치는 다른 주파수 간격을 스캔합니다. 페이지 큐 스캔에는 두 개의 페이지 큐가 포함됩니다. 대기열 A는 절반을 담당하고 대기열 B는 나머지 절반을 담당합니다. 큐 A 스캔을 통해 장치를 찾지 못한 경우 기본적으로 큐 B 스캔이 사용됩니다.

페이지 상태에서 마스터는 슬레이브의 DAC를 반복적으로 보내 장치 간 연결을 설정합니다. 이 전송은 페이지가 바운스될 때마다 페이지 대기열에서 발생합니다. 슬레이브 장치로부터 응답이 있으면 마스터는 마스터 응답 모드로 들어갑니다.

전체 과정을 더 빠르게 설명하기 위해 마스터 응답과 슬레이브 응답에 대해서는 나중에 다루도록 하겠습니다. 페이지 응답은 마스터와 슬레이브 장치가 중요한 정보를 교환하고 지속적인 연결을 설정하는 매우 중요한 단계입니다.

3.1.2 쿼리 검색, 쿼리 및 쿼리 응답

쿼리 프로세스와 페이지 프로세스의 메커니즘은 동일합니다. 차이점은 교환되는 정보입니다. 상태를 쿼리할 때 마스터 유닛은 가능한 슬레이브를 찾고 연결을 설정하기 위해 DAC가 필요하지 않습니다. 쿼리 프로세스를 통해 마스터 장치는 가능한 슬레이브로부터 DAC를 얻습니다. 쿼리 과정에서 교환되는 정보는 슬레이브 유닛의 주소 정보뿐입니다. 성공적인 쿼리 스캔 후 마스터 유닛은 페이지 스캔 프로세스를 시작하고 연결 설정을 준비합니다.

3.1.3 연결 모드

네 가지 모드 중 첫 번째 모드는 활성 모드입니다. 활성 모드에서는 Bluetooth 장치가 채널 협력에 참여합니다. 채널의 트래픽은 피코의 각 활성 장치의 수요에 따라 결정됩니다.

Mater는 또한 모든 슬레이브를 채널에서 동기화된 상태로 유지하기 위해 일반 전송 모드를 지원할 수 있습니다. Bluetooth 장치가 채널 활동에 참여하면 3비트를 차지하는 활성 멤버 태그(활성 멤버 주소, AM_ADDR)가 할당됩니다. 따라서 총 7개의 활성 슬레이브만 있을 수 있습니다. 모든 비트 0은 예약되어 있습니다.

다음 연결 모드는 보류 모드입니다. 홀드 모드는 블루투스 기기의 에너지 소비를 줄이는 세 가지 모드 중 하나입니다. 보류 모드에서는 장치가 AM_ADDR을 유지하고 동기 패킷을 지원할 수 있지만 비동기 패킷은 지원할 수 없습니다. 이 모드를 사용하면 장치가 페이지 및 쿼리 검색을 포함한 다른 작업을 수행할 수 있습니다.

에너지를 줄이는 다음 모드는 스니프 모드입니다. 이는 슬레이브의 청취 활동 주기를 줄입니다. 이 모드를 사용하면 장치가 동기 및 비동기 패킷을 지원하고 AM_ADDR을 유지할 수 있습니다. 이 모드를 사용하면 장치가 더 적은 에너지를 소비하고 두 피코의 협력에 참여할 시간을 가질 수 있습니다.

마지막 모드는 파크 모드입니다. 이를 통해 장치는 채널 활동에 참여하지 않지만 채널 동기화를 유지하고 방송 정보를 청취할 수 있습니다. 파크 모드에서 슬레이브 장치는 AM_ADDR을 포기하고 8비트 파크 멤버 주소(PM_ADDR)를 지정합니다. 8비트이므로 255개의 슬레이브가 있을 수 있으며 PM_ADDR을 사용하여 장치를 표시할 수 있습니다(모든 비트 0은 특별한 의미를 갖습니다). 단, 블루투스 장치 주소(BD_ADDR)를 사용하는 경우 슬레이브의 파크 번호에는 제한이 없습니다.

3.2 연결 및 패킷 유형

블루투스 베이스밴드는 연결 지향 동기 연결(Synchronous Connection-Oriented, SCO)과 비연결 비동기 연결(Asynchronous Connectionless, ACL)이라는 두 가지 유형의 물리적 연결을 제공합니다. ). SCO 및 ACL 연결은 동일한 채널 또는 RF 물리적 연결에서 사용될 수 있습니다. SCO 연결은 무선 및 데이터 전송에 사용될 수 있습니다. 슬레이브 장치는 SCO 연결이 전송 시간 슬롯을 예약했기 때문에 폴링 없이 SCO 패킷을 전송할 수 있습니다. ACL 연결은 데이터 전송에만 사용할 수 있으며 슬레이브는 데이터를 전송하기 전에 폴링을 통과해야 합니다. ACL 연결은 동기 및 비동기 트래픽도 지원하며 브로드캐스트 정보를 전송하는 데 사용됩니다.

모든 Bluetooth 장치는 ACL 채널 1개, SCO 채널 3개 또는 동시 ACL 및 SCO 채널을 지원할 수 있습니다. 피코의 트래픽은 마스터 유닛에 의해 제어됩니다. 마스터 유닛은 애플리케이션의 상태와 가능한 대역폭을 기반으로 대역폭을 할당합니다. 피코에서는 각 마스터와 슬레이브 간의 연결이 다를 수 있습니다. 또한, 마스터와 슬레이브 사이의 연결 상태는 적용 조건에 따라 조정될 수 있습니다.

3.3 Bluetooth 무선 네트워크 기술

Bluetooth 무선 시스템은 지점간 및 지점대다 연결을 지원합니다. 특히 여러 개의 피코를 연결해 블루투스 스캐터러를 구성할 수 있다. Pico는 하나 이상의 마스터와 하나의 슬레이브로 구성된 장치 그룹으로 정의됩니다. 그들은 동일한 주파수 호핑 시퀀스를 공유합니다. 스캐터는 서로 다른 주파수 호핑 시퀀스를 사용하여 여러 피코를 연결하여 형성됩니다. Bluetooth 장치는 두 개의 피코에 연결될 수 있으며 동시에 두 개의 다른 피코의 슬레이브가 될 수도 있습니다. 또한, 한 피코에서는 마스터일 수도 있고, 다른 피코에서는 슬레이브일 수도 있습니다. 현재 규정에서는 분산기의 피코 수를 10으로 제한합니다. 스캐터에는 최대 10피코가 있으며 최대 데이터 처리량은 6Mb/s를 초과할 수 있습니다.

3.4 Bluetooth 무선 오디오 전송

Bluetooth 무선 기술의 오디오는 CVSD(Continuous Variable Slope Delta Modulation) 사운드 코딩 방법을 사용합니다. CVSD를 선택하는 주된 이유는 샘플의 손실 및 손상을 처리할 수 있는 견고성 때문입니다. 오디오는 전송 속도가 64kb/s인 SCO 연결을 사용합니다.

3.5 오류 처리

블루투스 베이스밴드 제어에는 세 가지 오류 수정 방법이 있습니다. 1/3 속도 FEC(순방향 오류 수정 코드), 2/3 속도 FEC 코드, 자동 반복 요청(자동 반복 요청, ARQ). FEC를 사용하는 목적은 중복 전송을 줄이고 오류 없는 환경을 만드는 것입니다. 애플리케이션 확장성을 허용하기 위해 FEC를 사용하여 Bluetooth 패킷 사양에서 데이터 페이로드를 늘릴 필요는 없습니다. 데이터 패킷 헤더는 연결 정보를 포함하고 내결함성이 있어야 하기 때문에 1/3 속도 FEC로 보호되는 경우가 많습니다. 번호가 지정되지 않은 ARQ 방법은 한 시간 슬롯에서 전송되고 헤더 오류 감지 및 CRC 검증과 함께 다른 시간 슬롯에서 응답을 기다립니다.

4.0 블루투스 보안

블루투스 사양은 비보안, 서비스 수준 보안, 링크 수준 보안이라는 세 가지 보안 모드를 정의합니다. 비보안 모드에서는 장치에 보안 절차가 없습니다. 서비스 수준 보안 모드에서는 더 많은 애플리케이션 유연성이 허용됩니다. 서비스 수준 안전 모드는 여러 병렬 프로그램이 서로 다른 안전 모드에서 실행될 때 가장 유용합니다. 링크 수준 보안 모드는 연결이 설정되기 전에 장치에서 설정하는 보안 프로세스입니다. 링크 수준 보안 모드는 인증, 권한 및 암호화 서비스를 제공합니다.

인증은 모든 Bluetooth 시스템에서 중요한 부분입니다. 이를 통해 사용자는 Bluetooth 장치에 신뢰 도메인을 설정할 수 있습니다. 인증 서비스를 사용하면 두 장치가 이를 기반으로 하드웨어 연결 설정 여부를 결정할 수 있습니다. 연결이 설정되면 데이터 전송에 추가 기밀 보안이 적용됩니다. 비밀유지 과정은 두 기기 간 연결이 이루어진 이후에 이루어지지만, 연결 여부에 관계없이 확인 과정이 필요합니다.

내장된 Bluetooth 보안 메커니즘은 대부분의 애플리케이션의 보안을 보장하기에 충분합니다. 그러나 어떤 경우에는 더 강력한 기밀 유지 조치가 필요합니다. 이때 애플리케이션 레이어에 기밀성 조치를 추가할 수 있습니다.

5.0 블루투스 연결 관리

LM(Link Manager)은 베이스밴드의 소프트웨어 엔터티입니다. 이는 다른 프로토콜, 연결 설정, 연결 확인 및 연결 구성에 적용됩니다. LM이 다른 원격 LM을 발견하면 LMP(Link Manager Protocol)를 사용하여 해당 LM에 접속합니다. 서비스 제공 역할을 실현하기 위해 LM은 LC(링크 컨트롤러)(하드웨어 엔터티)를 사용하여 다른 장치와 물리적 연결을 설정합니다.

Link Manager가 제공하는 서비스에는 데이터 수신 및 전송

원격 장치 이름 요청

원격 장치 연결 주소 쿼리(조회 스캔 절차)

연결 및 연결 모드(ACL 및/또는 SCO 링크) 알림 및 설정

확인

패킷 간 프레임 유형 결정

설정 장치를 저전력 모드로 설정(홀드, 스니프 및 ​​파크)

마스터가 특별히 지정된 시간 슬롯 내에서만 데이터를 전송하는지 확인하세요.

6.0 Bluetooth 애플리케이션 소프트웨어

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Bluetooth 무선 기술을 사용하는 모든 장치는 최소한 몇 가지 기본 요구 사항을 충족합니다. 이러한 요구 사항은 Bluetooth 사양에 정의되어 있습니다. 이러한 요구 사항에는 매우 가벼운 요구 사항이 포함되며 장치의 기능에 따라 달라질 수 있습니다.

예를 들어, Bluetooth 기술을 사용하여 LAN 서비스를 제공하는 장치는 Bluetooth 기술을 사용하여 휴대용 장치에 서비스를 제공하는 장치와 매우 다를 수 있습니다. 그러나 Bluetooth 로고가 표시된 장치는 확실히 다른 장치와 혼합될 수 있다는 것이 보장됩니다. Bluetooth 기술을 사용하는 모든 장치는 서로를 인식하고 더 높은 수준의 서비스를 지원합니다.