차세대 인터페이스 블루투스 기술

동역메카트로닉스연구소

차세대 인터페이스 bluetooth의 기술 동향

자료집필/제공: 동역메카트로닉스연구소  
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블루투스 시스템 설계 기술  

1. Bluetooth의 개요와 개발기술 동향

■ Bluetooth SGI 발족의 목적

지난 수년동안 세계적으로 휴대전화가 급속히 보급됨에 따라 이것을 이용하여, 전자우편을 송수신을 하는 모바일 컴퓨팅(mobile computing)도 활발하게 실시되고 있으며, 대부분의 경우, 노트북 PC와 휴대전화간의 접속에 케이블을 사용하고 있다.
지금 해외에서는 "IrDA냐 블루투스(Bluetooth)냐."하는 차세대 무선 인터페이스 규격을 두고 IrDA 진영과 블루투스 진영간의 논쟁이 한창이다. 블루투스는 각종 전자기기간의 통신에 물리적인 케이블없이 무선주파수를 이용, 고속으로 데이터를 주고받을 수 있는 규격이다.
현재 이동통신단말기를 이용해 인터넷에 접속하기 위해서는 데이터 통신 기능을 갖춘 단말기와 노트북, 그리고 이 둘을 연결하는 별도의 케이블이 필요하다. 그러나 블루투스가 상용화하면 기기간의 데이터 통신이 무선통신으로 이뤄지며 블루투스 기능을 갖춘 디지털카메라, 프린터 등 각종 기기에도 케이블 연결이 필요없게 된다.

이와 같은 기기를 무선으로 케이블없이(cableless) 접속하는 표준규격을 책정하는 것을 목적으로, 에릭슨, 노키아, IBM, 도시바, 인텔의 5사가 중심 멤버가 되어 1998년 5월에 Bluetooth SIG(Special Interest Group)이라는 컨소시엄을 구성했고 1999년 6월 영국에서 개최한 1차 포럼에서 "Bluetooth 1.0" 규격을 정했다. 블루투스 1.0은 데이터 전송속도 1Mbps, 전송거리는 10∼100m로 규정하고 있다. 그리고 회원사도 1년여만에 1000여개로 늘어났으며, 업계의 관심은 날로 높아지고 있다.

Bluetooth라는 이름은 10세기의 북유럽에서 두 지역을 통일한 왕과 관련된 명칭이다. 왼쪽 사진은 SIG의 심벌마크를 나타낸 것이다. Bluetooth가 퍼스널컴퓨터와 휴대전화를 연결하고 있는 것을 나타내고 있다.
멤버십에 대한 정보 등, 자세한 사항은,
http://www.bluetooth.com/ 을 참고하기 바란다.

■ IrDA와 Bluetooth 진영간의 치열한 논쟁

앞에서도 언급했듯이, 지금 무선 인터페이스 규격을 두고 IrDA 진영과 블루투스 진영간의 치열한 논쟁이 일고 있다.
IrDA도 같은 개념에서 출발했지만 IrDA는 적외선을 이용한다는 점이 다르다. IrDA와 비교하면 통신거리가 길어졌고 2.4GHz의 높은 무선주파수를 이용하기 때문에 방해물이 있을 경우에도 통신이 가능하다. 게다가 블루투스는 소비전력이 2.7V 전압에서 100mW 이하에 불과하다.

경쟁제품인 IrDA는 150mW 정도. 이는 배터리 용량 한계 때문에 소비전력을 아껴야 하는 휴대기기에서 확실한 장점으로 부각된다. 또 음성통신 기능을 지원, 전화를 이용하지 않고 블루투스를 내장한 PC간에는 음성통화도 할 수 있다. 통신기기간의 보안을 위해 암호기술을 채택하고 있다.
단점은 200년 2월 현재, 가격이 20∼30달러로 고가라는 점. 그러나 블루투스 진영에서는 가격은 2, 3년 안에 5달러 이내로 떨어질 수 있어 문제가 안된다는 반응이다.
국내에서는 이동통신단말기 생산업체들이 블루투스 기술을 채택하는 데 적극적이다. 대부분의 이동통신단말기 업체들이 이미 기술 검토를 마치고 2000년 중반을 목표로 제품 생산에 나설 준비를 하고 있다. 또 PC업체들도 이 기술을 적극 검토, 2000년 하반기부터는 국내에서도 블루투스 기술을 응용한 다양한 제품이 출시될 것으로 기대되고 있다.
미국의 시장조사 업체 데이터퀘스트는 오는 2002년까지 디지털 휴대폰의 79%와 2억대 이상의 PC가 블루투스 기술을 탑재할 것으로 예상하고 있어 이 기술의 업계 표준 등장은 전망이 밝은 편이다.

■ 블루투스 대응 제품의 최근 동향

블루투스(Bluetooth)가 2000년 현재 전세계 1300개 이상의 업체로부터 지지를 받으며 무선인터페이스의 실질적인 주력으로 자리잡아 가고 있는 가운데 앞으로 그 대응 제품도 대거 쏟아져 나올 것으로 보인다.
블루투스는 현재 휴대폰, 노트북컴퓨터, 디지털카메라, 휴대 게임기 등 휴대기기 제조업체는 물론 자동차 제조업체 등 전자, 정보통신 이외 기업의 지지도 받고 있으며 채택 의사를 밝힌 업체수가 1300개사를 넘어섰다. 특히 그 동안 블루투스 진영 참여에 애매한 태도를 보여온 마이크로소프트(MS)를 비롯해 루슨트테크놀로지스, 모토롤러, 스리콤 등, 세계 유력 IT 업체들이 블루투스 보급 단체인 블루투스 SIG(Special Interest Group)의 주도 기업으로 참여하고 있다.

또, 1999년 영국 런던에서 열린 블루투스 개발자회의에서 정보단말기와 반도체 제조업체들은 곧 블루투스 규격 대응 제품을 시장에 투입할 계획임을 표명했으며, 에릭슨의 경우 무선주파수(RF) 부문과 컨트롤러 부문을 포함하는 블루투스 대응 모듈을 2000년 상반기에 35달러 가격에 양산, 출하할 예정이다. 에릭슨은 또 이 회의에서 필립스와 원칩 타입의 블루투스 대응 IC를 공동개발하기로 합의했다.
쓰리콤은 2000년 상반기에 노트북컴퓨터용 블루투스 모뎀카드를, 루슨트는 이미 샘플 출하에 들어간 블루투스 대응 칩을 2000년 중반부터 각각 양산할 예정이다. 이밖에도 세계적인 부품업체 일본 TDK도 PC카드나 USB 인터페이스의 블루투스 제품을 투입할 계획이다.

이에 따라 휴대폰을 시작으로 블루투스 대응 개인휴대단말기(PDA)도 2000년 중반부터는 본격적으로 상품화할 것으로 전망된다. 가장 활발한 움직임을 보이는 곳은 에릭슨과 노키아지만 더욱 정열을 쏟고 있는 일본의 관련 업체들도 블루투스 대응 제품을 속속 출하하고 있다.
일본 최대 이동통신사업자 NTT도코모는 2001년 3월로 예정돼 있는 차세대이동통신(IMT2000) 서비스 개시에 맞춰 블루투스 대응 기종를 투입할 계획이다. 일본이동통신(IDO)은 이에 앞서 2000년 중반 투입을 검토중이다.

미국 시장조사 회사 가트너가 영국회의를 토대로 발표한 "블루투스 시장의 3단계 발전 전망" 보고서를 보면, 첫단계에서는 어댑터카드나 USB 단자 부착 PC, 고기능 휴대폰 등에 채택돼 2001년까지 13억달러 규모의 시장을 형성할 것으로 예측된다. 두번째 단계에는 저가의 모바일 제품, 무선전화, 개인휴대단말기, 가정용 네트워킹기기, 자동차 등으로 블루투스 탑재 기기가 크게 늘고, 세번째 단계에는 거의 모든 휴대기기에 채택돼 2005년에 시장 규모가 32억달러로 확대될 전망이다.

 

2. Bluetooth의 사양과 시제품 사례

■ Bluetooth의 사양

Bluetooth 1.0 사양은 1999년 7월에 Bluetooth SIG에서 발표, 공개되었다. 책정한 규격에서는 전세계적으로 면허없이 사용할 수 있도록 2.4GHz대의 ISM 밴드를 이용하고 있다. ISM 밴드에서는 기본적으로 스펙트럼 확산 방식을 이용하는데, 회로 구성를 간략화할 수 있고, 전자레인지 등의 간섭에 비교적 강하다고 하는 주파수 호핑(FH: Frequency Hopping) 방식을 채용하고 있다.

[그림 1]에 사양의 대략적인 레이어 구성을 나타낸다. 물리층을 규정하는 RF, 호핑 패턴 등을 규정하는 베이스밴드, 패킷의 구성 등을 규정하는 링크 매니저, L2CAP와 그 위의 host system간의 인터페이스를 규정하는 HID와 RFCOMM의 부분으로 나누어진다. 전부 1000 페이지가 넘기 때문에 여기서는 각 부분의 포인트만을 설명한다.

물리층을 규정하는 RF 레이어

사용하는 주파수는 2400∼2483.5MHz이다. 현시점에서, 프랑스와 스페인, 일본에서는 이 주파수대가 법규제상 사용할 수 없지만, 각 나라마다 국제적 조화(Global Harmonization)를 지향하고 있으며, 검토가 적극적으로 진행되고 있다.
[표 1]에 주요
사양을 나타낸다. 특징으로는 저가격화를 강하게 의식하여 무선회선 설계에 여유를 가지도록 무선 부분에 대한 요구가 완화되어 있다는 점이다. 그 결과, 장래적으로는 무선 부분도 포함하여 CMOS 프로세스에 의한 원칩화를 시야에 넣은 기술 사양으로 되어 있다.

[표 1]주 요 사 양

사용 주파수

2400∼2483.5MHz

스펙트럼 확산방식

주파수 호핑

호핑 채널

1MHz 간격으로 79파(2402∼2480MHz)

호핑 속도

1600 호프/초

정보변조방식

GFSK

전송속도(물리층)

1Mbps

출력전력

1mW(0dBm), 단 100mW(20dBm)의 경우는 파워 컨트롤 회로가 필요

호핑 패턴 등을 규정하는 베이스밴드 레이어

 

모든 Bluetooth 디바이스는 하드웨어적으로는 모두 같지만, 그 상황에 따라 마스터(master) 또는 슬레이브(slave)라 부르는 상태를 취한다. [그림 2]에 나타낸 바와 같이, 그들이 최소 구성 단위인 PICONET를 구성한다. 또 소비전력의 저감을 의식한 standby 상태도 정의되어 있다.
처음에 통신을 개시한 블루투스 디바이스가 마스터로 되어, PICONET 내의 슬레이브와 hopping pattern 패턴의 동기 등을 행하는 구성으로 되어 있다. PICONET 내의 통신은 마스터가 관리한다.
[그림 3]에 나타낸 바와 같이, 기본적으로는 1호핑슬롯(625μs=1/1600초)를 단위로 하여 TDD(Time Division Duplex)로 송수신을 한다. 데이터 전송의 처리량으로는 단일방향/비대칭으로 최대 721kbps이다.

링크 매니저 L2CAP

베이스밴드의 상위에서 프레임을 구성하거나, 오류제어, 인증(Authentication), 암호화(Encryption) 등을 여기서 정의하고 있다.
Bluetooth에서는 Asynchronous 데이터의 지원은 물론이고, Isochronous 데이터, 즉 음성 데이터도 지원하고 있다. 음성 CODEC은 64kbps의 CSVD 및 logPCM을 채용하고 있다. 또 TCP/IP의 프로토콜 스택 등은 L2CAP의 상위에 실장하게 된다.


HID와 RFCOMM

호스트와의 인터페이스로서는 USB, EIA-232가 사양으로 탑재되어 있다. 그 외의 인터페이스, 예를 들면 IEEE1394, PCI 등에 대해서는 금후의 검토 결과에 따른다. 이 때문에 PC에 탑재에 할 경우는 USB가 많이 이용된다.

 

 

블루투스 대응 시제품 사례

[사진 2]에 시제품의 사례를 나타낸다. 이와 같이, 무선 부분과 호스트와의 인터페이스를 포함한 모듈을 작은 크기로 실현할 수 있다. 앞의 블루투스 대응 제품의 동향에서 언급했듯이, PC와 휴대전화의 접속을 비롯하여, 여러 가지 응용을 생각할 수 있다. 프린터, 디지털카메라 등과의 데이터의 송수신, PDA와의 데이터 동기 등, 사용의 편리성을 대폭 향상시키는 기술로 주목받고 있다.

 

3. Bluetooth 대응 LSI 기술(필립스사의 사례)

필립스의 Bluetooth 기술

필립스는 RF용 IC 분야에서 세계 1위의 점유율을 차지하고 있는데, 1999년 6월에 VLSI 테크놀리지사를 매수했다. VLSI사는 기저대역용 IC와 ASIC의 선두 회사로, 필립스로는 자사의 RF 제품과 VLSI의 기저대역 제품을 통합함으로써 이 분야의 선두 자리를 지향하고 있다. 또한 필립스는 금후의 RF CMOS 기술에도 주목하고 하고 있으며, VLSI사가 지닌 탄력적인 제조체제를 이용하여 개발을 가속하고자 하는 의도도 있다.

 

필립스사가 추진하고 있는 Bluetooth 개발은 현재 2단계에 있다(그림 5).
현재 공급중인 VWS26001(
그림 4)은 에릭슨의 블루투스 모듈의 기저대역(baseband)에 사용되고 있다. 필립스는 2000년 상반기에는 VWS26002를 선보일 예정이다. VWS26002도 에릭슨의 블루투스 모듈의 기저대역에 사용될 예정이지만, ASIC 기반의 인터페이스와 필립스가 개발한 DECT(유럽 무선전화규격) 기반의 송수신기 UAA3558과 조합해서 사용할 수도 있다. VWS26001/2는 VLSI사가 개발한 것으로, VWS26002는 양산이 가능하도록 설계되었다. 이후 필립스가 개발한 Blue Berry(PCD87550)과 UAA3558의 조합으로 이행될 수 있다.
제2세대인 PCD87750은 소프트웨어 기반의 기저대역 컨트롤러로 ARM 7 코어, Bluetooth 코어(링크 컨트롤러) 및 128k 바이트인 OTP, 8k 바이트인 SRAM을 1칩에 집적한 것이다(그림 6, 그림 7 참조).

 

데이터와 음성 지원

UART, USB, 시리얼 버스 등으로 사용할 수 있어 데이터와 음성을 지원하고 있다. 또한 다이버시티 안테나도 지원한다. 공급전압은 2.7V, 패키지는 로 프로파일 LFBGA 108핀이다. 이것을 송수신기 UAA3558과 조합해서 사용한다. Bluetooth가 처음 시장에 등장할 당시에는 Bluetooth 기저대역 LSI와 플래시 메모리, 송수신기(RF)의 3개의 칩으로 구성되었으나, 2세대에는 메모리가 통합되어 2개의 칩으로 구성된다. 이후 RF CMOS 기술 도입으로 기저대역 LSI와 RF가 통합되어 1개의 칩에 집적될 전망이다(그림 13 참조).

1칩화 개념과 흐름을 그림 8그림 9에 나타내었다. DECT 기반일 경우에는 외부 부품수가 약 50개에 달하나, 최종적으로는 기저대역부를 포함하여 우표 크기를 목표로 하고 있다. 그 경우 부품수는 37개로 줄어들며, 제조비용도 거의 1/2로 떨어진다.

 

개발 지원

Bluetooth 칩에 의한 개발 지원은 VLSI사의 Velocity RSP 플랫폼을 기반으로 도터카트와 개발 키트에 의해 실시되고 있다. 또 개발 키트의 무선부는 2개의 RF 모듈(옵션), 온보드 안테나가 안테나 커넥터에 부착된다. 기저대역에는 ARM 코어가 통합된 176핀 기저대역 칩, 플래시 메모리와 SRAM, debug를 위한 커넥터가 탑재되어 있다. 마더보더에는 오디오 인터페이스, 데이터 인터페이스용으로 USB, RS-232C, 이중 포트 메모리가 탑재되어 있다. 또한 소프트웨어도 제공하고 있다.

 

필립스의 Bluetooth 전략

필립스에서는 Bluetooth 보급의 열쇠는 말할 필요도 없이 비용이라고 생각하고 있으며, 지금까지의 DECT의 노하우를 이용해서 비용을 억제함과 동시에, 양산성 향상을 통한 비용 절감을 추구하고 있다. 등장 초기의 블루투스 비용은 20달러 정도였으나, 2000에는 10달러 내외, 2001년에는 5달러 내외, 그리고 2002년 이후에는 5달러 이하가 될 것으로 전망하고 있다. 또한 블루투스 시장은 송수신기와 링크 컨트롤러만으로 형성되는 하드웨어 시장과 RF와 기저대역을 통합 1칩 블루투스 시장으로 2분화될 것으로 전망하고, 이 방향에서 제품을 공급해 나갈 계획을 세우고 있다.

 

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