Guide to WPANWPAN 부품

WPAN 관련 용어 쉽게 이해하기

Announcement교육정보, SoC산업진흥센터 지원사업 안내

휴 전화단말기 및 PDA, PMP 등의 휴 정보기기를 중심으로 이

종 무선망 기술간의 복합화, 융합화가 가속화되고 있으며, 사용자의 편

의성을 증 시키기 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 휴 기기에 초점을 두고 반경 10m 내외에서

각종 기기간의 무선 접속이 가능한 기술로 Bluetooth가 표적이며,

최근 Zigbee 및 UWB기술이 관심을 받고 있다. 본 절에서는 WPAN의

표적 기술이라 할 수 있는 Bluetooth와 Zigbee를 구성하는 부품과

개발 로드맵을 소개한다.

1. Bluetooth

가. 정의

: 휴 전화나 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

나. Bluetooth 모듈

□ RF Transceiver

o RF 부분에서는 고주파신호와 디지털신호를 변환시켜준다. 고주파

신호를받아서디지털신호로변환하여처리가가능하게하거나디

지털신호를고주파신호로바꾸어전송하는기능을하는부분이다.

□ Baseband Processor

o Baseband는 우리말로 기저 역이란 표현을 쓰는데, 고주파 반

송파를 down converting한 최종적 신호처리밴드, 즉 실제 정

보를 담고 있는 음성, 상,데이터 등의 최종 원천신호주파수

역을 말하며, 이것을 처리해주는 부분이 Baseband

Processor(디지털 IC)이다.

o 모든 Bluetooth 디바이스는 하드웨어적으로는 모두 같지만, 그

상황에 따라 마스터(master) 또는 슬레이브(slave)라 부르는 상

태를 취한다. 그림 3에 나타낸 바와 같이, 그들이 최소 구성 단

위인 피코넷(PICONET)이라는 네트워크를 형성하여 제일 먼저

마스터가 된 1 의 기기를 중심으로 최 7개 기기의 접속이 가

능하다. 또 소비전력의 저감을 의식한 기(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

레이브는 동시에 다른 피코넷의 슬레이브가 될 수 있으며 최

10개의 피코넷으로 스캐터넷을 구성하여 최 71 의 디바이스

가 동시에 통신이 가능하다.

WPAN 부품

Guide toWPAN

<그림 1> 무선네트워크 기술 및 부품

<그림 2> Bluetooth 모듈 구성도

Guide to WPAN _57

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

o 국내업체 : 삼성전기, LG이노텍

o 해외업체 : Murata, ALPS, Mitsumi, Toshiba, SONY(이하 일

본), Philips(네덜란드), Agilent, ST-Micro(이하 미국)

2. Zigbee

가. 정의

: Zigbee는 2003년 IEEE 802.15.4에서 표준화된 PHY/MAC 층을

기반으로 상위 Protocol 및 Application을 규격화 한 무선 표준규격으

로 저전력, 저가격, 빠른 인식 등이 강점이다.

나. Zigbee 모듈

o 2.4GHz를 지원하는 SoC 및 SiP(System in Package) 기반의

IC솔루션이 많이 출시되었으며, IEEE 802.15.4 및 Zigbee 규격

을 만족하는 칩셋이 많이 출시되었다.

o 실외 환경에서 사용하기 위해서는 출력 및 수신감도를 증 하기

위하여 외부에 Power Amp(PA) 및 LNA을 사용하여 통신거리

(Line of Sight)를 개선해야 한다.

o Tx Power가 0dBm 및 수신감도가 -94dBm(1% PER)인 경우

LOS 기준으로 74미터까지 통신이 가능하나, Tx Power를

10dBm 및 수신감도를 -103dBm(1% PER)으로 설계 하는 경우

1Km이상 통신이 가능하다. 이와 같은 조건을 만족하는 제품을 생

산하는 회사로는 미국에 1개사 및 국내에 2개사 정도가 있다.

o 그림 4는 Zigbee IC에 LNA 및 PA를 적용하는 다이어그램으로,

LNA 및 PA 선정은 Node에 적용된 전원의 종류, 전송 거리등을

고려하여 적절한 것을 선정하여야 한다.

o 한개 네트워크에 최 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 중간에있는Node가사용불가능할경우자동으로네트워크

를재구성한다.

o 이러한 이유 때문에 Zigbee로 네트워크를 구축한 경우 다른 솔루

션에 비해 유지보수 비용이 저렴하다고 이야기 할 수 있다.

다. Zigbee 모듈 생산업체

o Motorola의 반도체 부분이 분사된 Freescale사는 Zigbee,

UWB 등의 칩셋 분야에서 선도적 역할을 하고 있으며, 덴마크 회

사인 Chipcon은 Zigbee용 RFIC인 CC2420이 가장 많은 플랫

폼에 사용되고 있다.

o 국내에서는 (주) 맥스포, 누리텔레콤, 레디오펄스등이개발하고있다.

3. Bluetooth와Zigbee 기기-부품-기술개발로드맵

WPAN의 표적 기술이라 할 수 있는 Bluetooth와 Zigbee를 기술

발전의 관련선상에서 나열하면 <그림 5>와 같다. 각각의 특성상 적용기

기가 다소 차이가 있으나 기본적으로 휴 전화 단말기 중심으로 발전

할 가능성이 높을 것으로 예상된다.

[참고문헌]

[1] 한국전자산업진흥회, [기술동향] 블루투스모듈, 전자정보센터(EIC),

2005년1월

[2] LG이노텍 장기철, KETI 사업기획개발센터, 네트워크부품(블루투

스, Zigbee) TRM, 전자정보센터(EIC), 2005년10월

[3] 동역메카트로닉스연구소 기술정보팀, Bluetooth의 사양과 시제품

사례

[4] 누리텔레콤기술연구소Zigbee팀, 지그비적용분야및사례, 홈네트

워크산업정보전문지HNFOCUS, 2006년5월

Guide to WPAN

<그림 3> Bluetooth 개념도

<그림 4> Zigbee IC 외부에 LNA 및 PA 등을 추가한 다이어그램

2005 2006 2007 2008 2009 2010

기기

부품

기술

3G 4G,�지능형�무선�PAN�복합�단말기 Ubiquitos�단말기

BluetoothStereo�Headset Wireless�Multi�Controller(음성/ 상)

Bluetooth�Ver.2.0�Singer�Chip�SoC

Class1�SiP EDR�SiP AV�Stream�SiP

3.5G,�FMC/UMA�지원

Bluetooth�Ver.1.2Singer�Chip�SoC Bluetooth�Ver.X�Singer�Chip�SoC

Sensor�Network�SoCZigee�Single�Chip�SoC

Zigee�+�Sensor�Module�SiP Multi�Sensor�Module�SiP

Bluetooth�Ver.XUWB�Adaptation�(100Mbps)

Bluetooth�Ver.2.0EDR�(3Mbps)

QoS,�Security AV�Contol High�Quality�Video

Zigbee(250Kbps) 초저전력�Zigbee

<그림 5> Bluetooth와 Zigbee 기기-부품-기술개발 로드맵

58_ IT SoC Magazine

Guide toWPAN

1. 피코넷

Bluetooth 기기들은 최소 2개에서 최 8개까지 즉석에서 네트워크를

만들 수 있는데, 이런 기본 네트워크를 피코넷(Piconet)이라 한다.

주로 수십 미터 이내의 좁은 공간에서 네트워크를 형성하는 점과 정지 또

는 이동 중에 있는 장치를 모두 포함하는 특징을 가지고 있다. WLAN과 달

리 전송을 위한 기반 구조가 미리 설정되지 않고 상황에 따라 기기들 간에

조정 프로토콜에 의하여 네트워크를 형성한다.

2. 스캐터넷

여러 피코넷은 함께 공존할 수 있으며, 복수의 피코넷이 상호 연결된 망

을 스캐터넷(Scatternet)이라고 한다. 10개까지의 피코넷으로 구성되며 각

피코넷에는 각각 주장치가 존재하고, 각 주장치에는 종속 장치들이 연결되

는데, 각 주장치를 통해 상 쪽 종속 장치와 통신하며, 각 장치는 비동기로

각자의 주장치에 따라 서로 독립적인 채널을 갖는다. 양 주장치에 연결되는

것 외에 한 장치가 주장치 역할도 하면서 다른 피코넷의 종속 장치가 되는

구조도 가능하다.

3. 마스터와 슬레이브

모든 피코넷은 하나의 마스터(master)와 하나 이상의 슬레이브(slave)를

갖고 있다. 마스터는 통신을 시작하는 블루투스 기기로 피코넷의 데이터량

을 조절하고, 피코넷에 접근하는 슬레이브들을 통제해 데이터의 충돌을 막

는 역할을 한다. 슬레이브는 자신의 시각을 마스터의 시각과 일치시키며, 스

케터넷은 서로 다른 기기가 슬롯 타이밍, 호핑 순서를 통해서 구분할 수 있

도록 한다. 이 과정에서 각 슬롯마다 하나의 패킷이 전송되게 되는 것이

Bluetooth 기술의 원리이다.

4. Standby ( 기)

같은 피코넷 내에 있지 않은 장치들은 기 모드로 연결된다. 이 모드에

서는 각 장치들은 매 1.28초 동안 32 hop 주파수(일본, 스페인, 프랑스에서

는 더 적다)동안 메시지를 기다리게 된다.

5. 주파수 호핑(hopping) 방식

Bluetooth는 다른 기기와의 간섭을 없애기 위해 스펙트럼 확산 방식의

일종인‘ 주파수 호핑’이라는 방식을 채용하고 있다. 이 방식은 1 슬롯(단위

마다) 무작위로 주파수를 전환하여 고정 송신 주파수에 의한 간섭을 방지하

는 동작을 하게 된다. Bluetooth의 경우는 1슬롯이 625μsec이므로 1600회

/초의 주파수 전환을 하게 된다. 그림과 같이 송신과 수신을 교 로 행하는

TDD(Time Division Duplex)라는 방식으로 양방향 통신을 한다.

6. TDD (Time Division Duplex, 시분할 이중통신)

송수신기가 하나의 안테나를 통하여 송수신 할때 송수신을 동시에 하지

않고 송신과 수신을 번갈아 함으로써 송수신간의 간섭을 없애주는 통신방식

7. 블루투스 프로토콜 스택 (Protocol Stack)

블루투스의 프로토콜 스택은 아래 그림에서 보여지는 바와 같이 하위 계

층부터 상위 계층까지 쌓아올린 프로토콜의 집합을 말한다. 이 프로토콜 스

택은 보통 HCI(Host Controller Interface)를 기준으로 호스트 컨트롤러

(Host Controller) 프로토콜과 호스트(Host) 프로토콜로 나뉘게 된다. 그림

을 보면 HCI가 두 개의 계층에 위치하는데 바로 아래쪽 HCI가 호스트 컨트

롤러에 포함되는 것이고, 위쪽의 HCI가 호스트에 포함되는 것이다. 여기서

호스트 컨트롤러에 포함되는 HCI를 `HCI Bottom', 호스트에 포함되는 HCI

를 `HCI Top'이라고 말하기도 하며, 두 개의 HCI 사이는 물리 링크인

UART, USB, PCMCIA 등의 인터페이스로 연결된다.

WPAN 관련 용어쉽게이해하기

Guide to WPAN _59

8. HCI (Host Controller Interface)

HCI(Host Controller Interface)는 블루투스 Protocol의 인터페이스, 즉 상

위프로토콜이하드웨어를억세스하기위한절차나방법등의규격을뜻한다.

9. Host Controller, Host Controller Protocol

Host는 L2CAP/RFCOMM 등의 상위 프로토콜 측의 호칭이며, Host

Controller는 LM/Baseband 등 하드웨어측의 호칭이다. Host Controller는

바로 블루투스 모듈에 해당한다. 그리고 Host Controller Protocol은 보통 베

이스밴드(Baseband), 링크 매니저(LM), HCI Bottom 정도가 포함된다. 부

분이세개의프로토콜이펌웨어(Firmware) 형태로모듈내부에포함된다.

Host는 호스트 컨트롤러인 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을

제어하고 어플리케이션을 수행하 는 곳으로 그 종류는 시스템에 따라 달라질

수 있다. 보통 PC, PDA, 핸드폰 등이 모두 호스트가 될 수 있고, 임베디드

시스템의 경우 마이크로 프로세서가 호스트가 된다. 또 호스트에 포함되는

프로토콜은 HCI Top부터 그 상위 계층 프로 토콜(L2CAP, RFCOMM,

SDP, TCS, OBEX) 모두에 해당된다. 그렇다고 항상 상위 계층 프로토콜이

모두 포함되는 것은 아니고, 어플리케이션의 종류나 프로파일(Profile)에 따라

포함되는 프로토콜이 달라진다.

10. L2CAP (Logical Link and Control Adaptation

Protocol)

L2CAP(Logical Link and Control Adaptation Protocol)은 논리적 링

크 제어 및 적응 프로토콜을 뜻한다. L2CAP은 베이스밴드의 물리 링크와

연결되어 상위 계층에 한 논리채널(Logical Channel)을 제공하는 일종의

링크 계층이다. 논리채널이란 L2CAP 상위의 계층 프로토콜이나 어플리케

이션에서 전달된 데이터를 위해 설정된 가상의 채널을 말한다. 실제로 블루

투스 프로토콜 스택을 보면 L2CAP 위로 3개의 프로토콜(RFCOMM, TCS,

SDP)이 존재한다. 결국 각각의 프로토콜과 베이스밴드 링크 사이의 멀티플

렉싱/디멀티플렉싱을 L2CAP에서 담당한다. 그렇다고 L2CAP이 복잡한 링

크 프로토콜은 아니다. PDA, 휴 폰, 조이스틱 등의 리소스가 제한된 호스

트에도 포팅이 가능하도록 설계되어 있다.

11. Service Discovery Protocol (SDP)

SDP는 연결된 블루투스 디바이스에서 어떠한 서비스가 가능하고, 그 가

능한 서비스의 특징에 관한 정보를 교환하기 위한 프로토콜이다. 즉 SDP를

통해 다양한 디지털 기기에 장착된 블루투스 디바이스들이 무선랜 억세스

포인트, 핸드폰, 팩스, 프린터 등의 지원되는 서비스의 종류에 각 서비스에

한 세부적인 정보를 교환할 수 있다. 또 각 서비스 및 프로토콜에 해서

는 UUID(Universally Unique Identifier)가 부여되어 있다. 이외에도 SDP

는 서버-클라이언트(Server-Client)의 구조를 지니고 있다. 서버 디바이스

는 가능한 서비스의 목록과 각 서비스에 한 세부사항을 데이터 베이스로

지니고 있다. 클라이언트는 이 서버에 요청하여 서비스에 관련된 정보를 얻

을 수 있다. 또 SDP는 서버-클라이언트(Server-Client)의 구조를 지니고

있다. 서버 디바이스는 가능한 서비스의 목록과 각 서비스에 한 세부사항

을 데이터 베이스로 지니고 있다. 클라이언트는 이 서버에 요청하여 서비스

에 관련된 정보를 얻을 수 있다.

12. Telephony Control Specification (TCS) 프로토콜

TCS는 블루투스의 어플리케이션의 하나인 3-in-1 Phone'을 구현하기

위해 필수적인 프로토콜로 주로 전화 회선(PSTN)이나 내선(Intercom)을 인

터페이스 하기 위한 콜 컨트롤(Call Control)을 담당한다. 실제로 `Cordless

Telephony Profile'과 Intercom Profile'는 TCS 프로토콜을 기반으로 한

프로파일이다. 이외에도 TCS 프로토콜은 TCS가 지원되는 블루투스 디바이

스들을 WUG(Wireless User Group)이라는 피코넷을 구성하여 관리한다.

13. RFCOMM (Cable Replacement Protocol)

RFCOMM은 Cable Replacement 프로토콜이라는 것에서도 알수 있듯

이 모뎀을 연결하는 RS-232C등의 시리얼 송신을 체하는 프로토콜이며,

블루투스의 표적인 어플리케이션인 무선헤드셋이나 무선랜 억세스 포인트

의 기반이 되는 시리얼 포트 프로파일에 RFCOMM이 사용되므로 블루투스

어플리케이션 개발을 위해서는 피해갈 수 없는 프로토콜이다. RFCOMM은

스펙상으로 동시에 60개의 포트를 열 수 있는 다중 에뮬레이션(Multiple

Emulation)을 지원하며, 이러한 다중 에뮬레이션은 두 개의 블루투스 디바

이스 사이에서 다중 시리얼 포트를 에뮬레이션 할 수도 있지만, 여러개의 블

루투스 디바이스와 다중 시리얼 포트 에뮬레이션을 하는 것도 가능하다.

14. 무선랜 억세스 포인트 (AP: Access Point)

무선랜 무선접속장치(AP)가 설치된 곳을 중심으로 일정 거리 이내에서

PDA나 노트북 컴퓨터를 통해 초고속 인터넷을 이용할 수 있다.

60_ IT SoC Magazine