Guide to WPAN WPAN 부품 WPAN 관련용어쉽게이해하기 Announcement 교육정보, SoC 산업진흥센터지원사업안내

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욱철 백
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1 Guide to WPAN WPAN 부품 WPAN 관련용어쉽게이해하기 Announcement 교육정보, 산업진흥센터지원사업안내

Guide to WPAN WPAN 부품 휴대전화단말기 및 PDA, PMP 등의 휴대 정보기기를 중심으로 이 종 무선망 기술간의 복합화, 융합화가 가속화되고 있으며, 사용자의 편 의성을 증대시키기 위한 무선네트워크 부품이 확산 추세이다.

WPAN 기술은 개인 휴대기기에 초점을 두고 반경 10m 내외에서 각종 기기간의 무선 접속이 가능한 기술로 Bluetooth가 대표적이며, 최근 Zigbee 및 UWB기술이 관심을 받고 있다. 본 절에서는 WPAN의 대표적 기술이라 할 수 있는 Bluetooth와 Zigbee를 구성하는 부품과 개발 로드맵을 소개한다.

Baseband Processor o Baseband는 우리말로 기저대역이란 표현을 쓰는데, 고주파 반 송파를 down converting한 최종적 신호처리밴드, 즉 실제 정 보를 담고 있는 음성,영상,데이터 등의 최종 원천신호주파수 영 역을 말하며, 이것을 처리해주는 부분이 Baseband <그림 1> 무선네트워크 기술 및 부품 Processor(디지털

2 Guide to WPAN WPAN 부품 휴대전화단말기 및 PDA, PMP 등의 휴대 정보기기를 중심으로 이 종 무선망 기술간의 복합화, 융합화가 가속화되고 있으며, 사용자의 편 의성을 증대시키기 위한 무선네트워크 부품이 확산 추세이다. 일반적으 로 무선네트워크 기술은 인식 거리에 따라 크게 WPAN(Wireless Personal Area Network), WLAN(Wireless Local Area Network) 그리고 WWAN(Wireless Wide Area Network)로 구분된다 (그림 1). WPAN 기술은 개인 휴대기기에 초점을 두고 반경 10m 내외에서 각종 기기간의 무선 접속이 가능한 기술로 Bluetooth가 대표적이며, 최근 Zigbee 및 UWB기술이 관심을 받고 있다. 본 절에서는 WPAN의 대표적 기술이라 할 수 있는 Bluetooth와 Zigbee를 구성하는 부품과 개발 로드맵을 소개한다. <그림 2> Bluetooth 모듈 구성도 신호를 받아서 디지털신호로 변환하여 처리가 가능하게 하거나 디 지털신호를 고주파신호로 바꾸어 전송하는 기능을 하는 부분이다. Baseband Processor o Baseband는 우리말로 기저대역이란 표현을 쓰는데, 고주파 반 송파를 down converting한 최종적 신호처리밴드, 즉 실제 정 보를 담고 있는 음성,영상,데이터 등의 최종 원천신호주파수 영 역을 말하며, 이것을 처리해주는 부분이 Baseband <그림 1> 무선네트워크 기술 및 부품 Processor(디지털 IC)이다. o 모든 Bluetooth 디바이스는 하드웨어적으로는 모두 같지만, 그 1. Bluetooth 상황에 따라 마스터(master) 또는 슬레이브(slave)라 부르는 상 태를 취한다. 그림 3에 나타낸 바와 같이, 그들이 최소 구성 단 가. 정의 : 휴대전화나 PC 등의 통신기기, 가전기기들을 케이블없이 전파를 사용하여 데이터를 주고 받을 수 있도록 한 무선디지털통신 규격으로 2.4GHz의 주파수를 사용하며 저가격(5$), 저전력(100mW이하)으로 근 거리(10~100m) 무선통신 가능하도록 해주는 핵심 부품 위인 피코넷(PICONET)이라는 네트워크를 형성하여 제일 먼저 마스터가 된 1대의 기기를 중심으로 최대 7개 기기의 접속이 가 능하다. 또 소비전력의 저감을 의식한 대기(standby) 상태도 정 의되어 있다. 처음에 통신을 개시한 블루투스 디바이스가 마스 터로 되어, 피코넷 내의 슬레이브와 호핑 패턴의 동기 등을 행 하는 Baseband 레이어로 구성으로 되어 있다. 마스터 및 슬 나. Bluetooth 모듈 레이브는 동시에 다른 피코넷의 슬레이브가 될 수 있으며 최대 RF Transceiver 10개의 피코넷으로 스캐터넷을 구성하여 최대 71대의 디바이스 o RF 부분에서는 고주파신호와 디지털신호를 변환시켜준다. 고주파 가 동시에 통신이 가능하다. Guide to WPAN _57

o 이러한 이유 때문에 Zigbee로 네트워크를 구축한 경우 다른 솔루 션에 비해 유지보수 비용이 저렴하다고 이야기 할 수 있다. o 국내업체 : 삼성전기, LG이노텍 o 해외업체 : Murata, ALPS, Mitsumi, Toshiba, SONY(이하 일 본), Philips(네덜란드), Agilent, ST-Micro(이하 미국) 다.

3 Guide to WPAN <그림 3> Bluetooth 개념도 다. Bluetooth 모듈 생산업체 o 선두권 업체는 Murata, ALPS 등으로 자체 보유한 RF 기술을 바 탕으로 각각 핸드폰 및 PC/PDA 시장으로 모듈 사업을 전개하나 북미, 유럽 업체는 자체 반도체 기술을 바탕으로 모듈 사업을 전개 <그림 4> Zigbee IC 외부에 LNA 및 PA 등을 추가한 다이어그램 를 재구성 한다. o 이러한 이유 때문에 Zigbee로 네트워크를 구축한 경우 다른 솔루 션에 비해 유지보수 비용이 저렴하다고 이야기 할 수 있다. o 국내업체 : 삼성전기, LG이노텍 o 해외업체 : Murata, ALPS, Mitsumi, Toshiba, SONY(이하 일 본), Philips(네덜란드), Agilent, ST-Micro(이하 미국) 다. Zigbee 모듈 생산업체 o Motorola의 반도체 부분이 분사된 Freescale사는 Zigbee, UWB 등의 칩셋 분야에서 선도적 역할을 하고 있으며, 덴마크 회 2. Zigbee 사인 Chipcon은 Zigbee용 RFIC인 CC2420이 가장 많은 플랫 폼에 사용되고 있다. 가. 정의 : Zigbee는 2003년 IEEE 에서 표준화된 PHY/MAC 층을 기반으로 상위 Protocol 및 Application을 규격화 한 무선 표준규격으 로 저전력, 저가격, 빠른 인식 등이 강점이다. o 국내에서는 (주) 맥스포, 누리텔레콤, 레디오펄스 등이 개발하고 있다. 3. Bluetooth와 Zigbee 기기-부품-기술개발 로드맵 WPAN의 대표적 기술이라 할 수 있는 Bluetooth와 Zigbee를 기술 발전의 관련선상에서 나열하면 <그림 5>와 같다. 각각의 특성상 적용기 나. Zigbee 모듈 o 2.4GHz를 지원하는 및 (System in Package) 기반의 기가 다소 차이가 있으나 기본적으로 휴대전화 단말기 중심으로 발전 할 가능성이 높을 것으로 예상된다. IC솔루션이 많이 출시되었으며, IEEE 및 Zigbee 규격 2005 을 만족하는 칩셋이 많이 출시되었다 G G, 지능형 무선 PAN 복합 단말기 3.5G, FMC/UMA 지원 2010 Ubiquitos 단말기 기기 o 실외 환경에서 사용하기 위해서는 출력 및 수신감도를 증대하기 Bluetooth Stereo Headset 위하여 외부에 Power Amp(PA) 및 LNA을 사용하여 통신거리 Wireless Multi Controller(음성/영상) Ver.1.2 (Line of Sight)를 개선해야 한다. Ver.X Ver.2.0 Class1 EDR AV Stream 부품 Zigee Single o Tx Power가 0dBm 및 수신감도가 -94dBm(1% PER)인 경우 Zigee + Module LOS 기준으로 74미터까지 통신이 가능하나, Tx Power를 Ver.2.0 EDR (3Mbps) QoS, Security 10dBm 및 수신감도를 -103dBm(1% PER)으로 설계 하는 경우 AV Contol Network Multi Module Ver.X UWB Adaptation (100Mbps) High Quality Video 기술 1Km이상 통신이 가능하다. 이와 같은 조건을 만족하는 제품을 생 Zigbee(250Kbps) 초저전력 Zigbee 산하는 회사로는 미국에 1개사 및 국내에 2개사 정도가 있다. o 그림 4는 Zigbee IC에 LNA 및 PA를 적용하는 다이어그램으로, <그림 5> Bluetooth와 Zigbee 기기-부품-기술개발 로드맵 LNA 및 PA 선정은 Node에 적용된 전원의 종류, 전송 거리등을 고려하여 적절한 것을 선정하여야 한다. o 한개 네트워크에 최대 300개의 센서를 구성하여 서비스가 가능 하며, Star, full Mesh 및 hybrid Mesh Topology로 구성이 가능 하다. o Mesh로 구성하면 중계 통신이 가능하며, 12단 이상의 중계 통신 이 가능하다. 또한 Self Organization 기능이 있어 주변의 Node 를 자동으로 찾아 목적지까지 최적의 라우팅 경로를 구성하며, Self Healing 기능이 있어 중계 통신이 되고 있는 경우, 어떤 사 유로 중간에 있는 Node가 사용 불가능 할 경우 자동으로 네트워크 58_ IT Magazine [참고문헌] [1] 한국전자산업진흥회, [기술동향] 블루투스모듈, 전자정보센터(EIC), 2005년 1월 [2] LG이노텍 장기철, KETI 사업기획개발센터, 네트워크부품(블루투 스, Zigbee) TRM, 전자정보센터(EIC), 2005년 10월 [3] 동역메카트로닉스연구소 기술정보팀, Bluetooth의 사양과 시제품 사례 [4] 누리텔레콤 기술연구소 Zigbee팀, 지그비 적용 분야 및 사례, 홈네트 워크산업 정보 전문지 HNFOCUS, 2006년 5월

4 Guide to WPAN WPAN 관련용어쉽게이해하기 1. 피코넷 Bluetooth 기기들은최소 2개에서최대 8개까지즉석에서네트워크를만들수있는데, 이런기본네트워크를피코넷 (Piconet) 이라한다. 주로수십미터이내의좁은공간에서네트워크를형성하는점과정지또는이동중에있는장치를모두포함하는특징을가지고있다. WLAN 과달리전송을위한기반구조가미리설정되지않고상황에따라기기들간에조정프로토콜에의하여네트워크를형성한다. 5. 주파수호핑 (hopping) 방식 Bluetooth는다른기기와의간섭을없애기위해스펙트럼확산방식의일종인 주파수호핑 이라는방식을채용하고있다. 이방식은 1 슬롯 ( 단위마다 ) 무작위로주파수를전환하여고정송신주파수에의한간섭을방지하는동작을하게된다. Bluetooth의경우는 1슬롯이 625μsec 이므로 1600회 / 초의주파수전환을하게된다. 그림과같이송신과수신을교대로행하는 TDD(Time Division Duplex) 라는방식으로양방향통신을한다. 2. 스캐터넷 여러피코넷은함께공존할수있으며, 복수의피코넷이상호연결된망을스캐터넷 (Scatternet) 이라고한다. 10개까지의피코넷으로구성되며각피코넷에는각각주장치가존재하고, 각주장치에는종속장치들이연결되는데, 각주장치를통해상대쪽종속장치와통신하며, 각장치는비동기로각자의주장치에따라서로독립적인채널을갖는다. 양주장치에연결되는것외에한장치가주장치역할도하면서다른피코넷의종속장치가되는구조도가능하다. 3. 마스터와슬레이브모든피코넷은하나의마스터 (master) 와하나이상의슬레이브 (slave) 를갖고있다. 마스터는통신을시작하는블루투스기기로피코넷의데이터량을조절하고, 피코넷에접근하는슬레이브들을통제해데이터의충돌을막는역할을한다. 슬레이브는자신의시각을마스터의시각과일치시키며, 스케터넷은서로다른기기가슬롯타이밍, 호핑순서를통해서구분할수있도록한다. 이과정에서각슬롯마다하나의패킷이전송되게되는것이 Bluetooth 기술의원리이다. 4. Standby ( 대기 ) 같은피코넷내에있지않은장치들은대기모드로연결된다. 이모드에서는각장치들은매 1.28초동안 32 hop 주파수 ( 일본, 스페인, 프랑스에서는더적다 ) 동안메시지를기다리게된다. 6. TDD (Time Division Duplex, 시분할이중통신 ) 송수신기가하나의안테나를통하여송수신할때송수신을동시에하지않고송신과수신을번갈아함으로써송수신간의간섭을없애주는통신방식 7. 블루투스프로토콜스택 (Protocol Stack) 블루투스의프로토콜스택은아래그림에서보여지는바와같이하위계층부터상위계층까지쌓아올린프로토콜의집합을말한다. 이프로토콜스택은보통 HCI(Host Controller Interface) 를기준으로호스트컨트롤러 (Host Controller) 프로토콜과호스트 (Host) 프로토콜로나뉘게된다. 그림을보면 HCI 가두개의계층에위치하는데바로아래쪽 HCI 가호스트컨트롤러에포함되는것이고, 위쪽의 HCI 가호스트에포함되는것이다. 여기서호스트컨트롤러에포함되는 HCI 를 `HCI Bottom', 호스트에포함되는 HCI 를 `HCI Top' 이라고말하기도하며, 두개의 HCI 사이는물리링크인 UART, USB, PCMCIA 등의인터페이스로연결된다. Guide to WPAN _59

5 11. Service Discovery Protocol (SDP) 8. HCI (Host Controller Interface) HCI(Host Controller Interface) 는블루투스 Protocol의인터페이스, 즉상위프로토콜이하드웨어를억세스하기위한절차나방법등의규격을뜻한다. 9. Host Controller, Host Controller Protocol Host는 L2CAP/RFCOMM 등의상위프로토콜측의호칭이며, Host Controller는 LM/Baseband 등하드웨어측의호칭이다. Host Controller는바로블루투스모듈에해당한다. 그리고 Host Controller Protocol은보통베이스밴드 (Baseband), 링크매니저 (LM), HCI Bottom 정도가포함된다. 대부분이세개의프로토콜이펌웨어 (Firmware) 형태로모듈내부에포함된다. Host는호스트컨트롤러인블루투스모듈과연결되어블루투스모듈을제어하고어플리케이션을수행하는곳으로그종류는시스템에따라달라질수있다. 보통 PC, PDA, 핸드폰등이모두호스트가될수있고, 임베디드시스템의경우마이크로프로세서가호스트가된다. 또호스트에포함되는프로토콜은 HCI Top부터그상위계층프로토콜 (L2CAP, RFCOMM, SDP, TCS, OBEX) 모두에해당된다. 그렇다고항상상위계층프로토콜이모두포함되는것은아니고, 어플리케이션의종류나프로파일 (Profile) 에따라포함되는프로토콜이달라진다. 10. L2CAP (Logical Link and Control Adaptation Protocol) L2CAP(Logical Link and Control Adaptation Protocol) 은논리적링크제어및적응프로토콜을뜻한다. L2CAP은베이스밴드의물리링크와연결되어상위계층에대한논리채널 (Logical Channel) 을제공하는일종의링크계층이다. 논리채널이란 L2CAP 상위의계층프로토콜이나어플리케이션에서전달된데이터를위해설정된가상의채널을말한다. 실제로블루투스프로토콜스택을보면 L2CAP 위로 3개의프로토콜 (RFCOMM, TCS, SDP) 이존재한다. 결국각각의프로토콜과베이스밴드링크사이의멀티플렉싱 / 디멀티플렉싱을 L2CAP에서담당한다. 그렇다고 L2CAP이복잡한링크프로토콜은아니다. PDA, 휴대폰, 조이스틱등의리소스가제한된호스트에도포팅이가능하도록설계되어있다. SDP 는연결된블루투스디바이스에서어떠한서비스가가능하고, 그가능한서비스의특징에관한정보를교환하기위한프로토콜이다. 즉 SDP 를통해다양한디지털기기에장착된블루투스디바이스들이무선랜억세스포인트, 핸드폰, 팩스, 프린터등의지원되는서비스의종류에각서비스에대한세부적인정보를교환할수있다. 또각서비스및프로토콜에대해서는 UUID(Universally Unique Identifier) 가부여되어있다. 이외에도 SDP 는서버 -클라이언트(Server-Client) 의구조를지니고있다. 서버디바이스는가능한서비스의목록과각서비스에대한세부사항을데이터베이스로지니고있다. 클라이언트는이서버에요청하여서비스에관련된정보를얻을수있다. 또 SDP 는서버 -클라이언트(Server-Client) 의구조를지니고있다. 서버디바이스는가능한서비스의목록과각서비스에대한세부사항을데이터베이스로지니고있다. 클라이언트는이서버에요청하여서비스에관련된정보를얻을수있다. 12. Telephony Control Specification (TCS) 프로토콜 TCS 는블루투스의어플리케이션의하나인 `3-in-1 Phone' 을구현하기위해필수적인프로토콜로주로전화회선 (PSTN) 이나내선 (Intercom) 을인터페이스하기위한콜컨트롤 (Call Control) 을담당한다. 실제로 `Cordless Telephony Profile' 과 `Intercom Profile' 는 TCS 프로토콜을기반으로한프로파일이다. 이외에도 TCS 프로토콜은 TCS 가지원되는블루투스디바이스들을 WUG(Wireless User Group) 이라는피코넷을구성하여관리한다. 13. RFCOMM (Cable Replacement Protocol) RFCOMM은 Cable Replacement 프로토콜이라는것에서도알수있듯이모뎀을연결하는 RS-232C등의시리얼송신을대체하는프로토콜이며, 블루투스의대표적인어플리케이션인무선헤드셋이나무선랜억세스포인트의기반이되는시리얼포트프로파일에 RFCOMM이사용되므로블루투스어플리케이션개발을위해서는피해갈수없는프로토콜이다. RFCOMM은스펙상으로동시에 60개의포트를열수있는다중에뮬레이션 (Multiple Emulation) 을지원하며, 이러한다중에뮬레이션은두개의블루투스디바이스사이에서다중시리얼포트를에뮬레이션할수도있지만, 여러개의블루투스디바이스와다중시리얼포트에뮬레이션을하는것도가능하다. 14. 무선랜억세스포인트 (AP: Access Point) 무선랜무선접속장치 (AP) 가설치된곳을중심으로일정거리이내에서 PDA 나노트북컴퓨터를통해초고속인터넷을이용할수있다. 60_ IT Magazine

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN