BLE (14) - 새로운 무선 오디오 시장의 시작: Bluetooth 5.2
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14. 새로운 무선 오디오 시장의 시작: Bluetooth 5.2
14.1 Background for LE Isochronous Channels (ISOC)
Notice : 다음은 https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2020/01/Bluetooth_5.2_Feature_Overview.pdf 의 3.1 절 내용을 의역한 것이며, 보다 자세한 내용은 자료 원문 혹은 Bluetooth Core Specification 문서를 참조하십시오.
블루투스 5.2 에서 추가된 ISOC 특징을 알아보기 전, 블루투스 5.1 까지 소개된 BLE 프로토콜의 대략적인 채널 특성은 다음과 같다.
- BLE 물리 계층 (PHY,
Physical Layer)은 전송 속도(방식) 기준LE 1M,LE 2M,LE Coded로 구분되며,LE Coded계층의 파라미터는 FEC (forward error correction) 방식에 따라S=2또는S=8으로 나뉜다. - 무선 통신 시 데이터 충돌을 방지하기 위해 시간 영역을 특정 간격 (
Slots)으로 구분해서 여러 데이터를 송신하는TDMA (Time Division Multiple Acess)기법과 채널 (Channels)을 구분해서 데이터를 송신하는FDMA (Frequency Division Multiple Acess) 기법이 사용된다. 2.4 GHz대역의 주파수를 사용하는 BLE 는2 MHz간격으로 구분된 40 개의 채널이 이용하며,0부터39번 까지의 40 개의 채널 중37, 38, 39세 개의 채널은 게시 (Advertising) 채널로 사용되고, 나머지 37 개 채널이 데이터 채널로 사용된다.- 연결 없이 게시 데이터를 이용해 정보를 전달하는 브로드캐스트 (
Broadcast) 시스템의 활용을 위해Extended Advertising관련 기법이 고안되었으며, 앞서 언급한37~39채널을 primary advertising 채널로 구분하고, 나머지 37 개의 채널을 secondary advertising 채널로 활용하는 것이 가능하다. - 또한, 기본적으로 Advertising 간격은 데이터 충돌을 방지하기 위해 임의의 랜덤한 지연 (
delay) 시간이 존재하는데,Periodic Advertising이라고 불리는 동작 모드에서는 이러한 지연 시간을 제거하여 완전히 고정된 (fixed and deterministic) 간격으로 데이터를 게시하는 것이 가능하다.
14.2 Whats the New Features of Blueetoth 5.2
블루투스 5.2 (Bluetooth Core Specification v5.2) 에서 추가된 기능은 크게 다음과 같다.
Enhanced Attribute Protocol (EATT)LE Power Control (LEPC)Isochronous Channels (ISOC)
EATT 는 기존의 Attribute Protocol (ATT) 의 업그레이드 버전으로, 두 연결된 디바이스 (GATT Client and Server) 간에 데이터 교환을 순차적으로 처리하는 ATT 와는 달리 EATT 는 동시에 병렬로 처리하기 위해 도입된 것으로 보인다 🎢. 특히, 여러 종류의 응용 프로그램 (Application)을 제어하는 경우, 서로 다른 응용 프로그램과 관련된 패킷 (packet)을 처리할 때 이를 한 번에 처리 가능한 단위로 효율적으로 관리하여 전반적인 지연속도를 낮출 수 있도록 고안된 것 같다.
LEPC 는 연결된 두 디바이스 사이의 송수신 파워를 제어하는 기술인데, 각 디바이스의 수신 강도 (RSSI) 정보를 기반으로 적정 레벨의 전력으로 데이터를 송신하도록 하는 기법이다. 두 디바이스 간의 거리가 가깝다면 (혹은 수신 강도가 클 경우) 송신 파워 (📡)를 적정 수준까지 줄여서 전력 효율을 높일 수 있을 것이다. 또한, 반대로 거리가 멀거나 장애물 등으로 인해 수신 강도가 낮게 측정되는 경우 송신 파워를 올리도록 요청하여 두 디바이스 간의 통신 상태가 원활하도록 조율할 수 있을 것이다.
ISOC 는 LE Audio 와 관련된 기술로 블루투스 5.2 에서 새롭게 추가된 PHY (Physical Layer) 의 특징이다. ISOC 의 경우 우리나라말로 번역하면 등시성 채널 정도가 될 텐데, 완전 별개의 물리 계층이라기 보다는 기존 물리 계층 (LE 1M, LE 2M, LE Coded)에 추가되는 등시성 특성이라고 보면 될 것 같다. ISOC 의 대략적인 개념을 이해하는데는 아래 그림 하나만 살펴봐도 충분할 것 같다.
ISOC 에서 구현하고자하는 것은 쉽게 말해 “에어팟”을 “스마트폰”에 연결해 음악을 듣거나 유튜브를 보려고 할 때 기존 블루투스 대신 BLE 를 이용할 수 있도록 하는 것이다. 이게 단순한 문제라고 여겨질 수도 있지만 에어팟이나 갤럭시 버즈 같은 무선 이어폰은 좌(L)/우(R) 이어폰이 서로 분리되어 있고, 각각의 이어폰이 음원 데이터를 받아서 동일한 시간에 재생이 되어야 한다.
무선 이어폰에서 음원 데이터를 받는 시점을 생각해보면, 결국에는 위 그림의 event A 처럼 어떤 기기는 먼저 데이터를 받을 것이고, event B 나 event C 처럼 어떤 기기는 나중에 데이터를 받을 것이다. 우리가 음악을 듣거나 유튜브 영상을 볼 때 어색함을 느끼지 않으려면 음원 데이터를 먼저 받은 이어폰은 다른 한 쪽이 동일한 데이터를 받을 때까지 대기했다가 동시에 이를 재생해야 하는 것이다. ISOC 는 대략적으로 이러한 기능을 구현하기 위해 고안된 기술이라고 생각하면 된다.
“다시 말해서, ISOC 는 하나의 소스에서 생성된 데이터를 여러 싱크 노드 (Receiver)에서 동시에 렌더링하기 위한 기술이다.”
블루투스 5.2 관련 기술적인 내용은 아래 참조 (Reference) 에 소개한 링크에서 보다 자세히 소개하고 있다.
14.3 Wireless Audio Application
블루투스 클래식 (BR/EDR)은 초창기 무선 마우스를 시작으로 다양한 분야에서 활용되었는데, 특히 에어팟이나 갤럭시 버즈 같은 무선 (스테레오) 이어폰 또는 무선 스피커 시장에서 적극 활용되고 있다.
블루투스 클래식의 경우 A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) 를 이용해 무선 스트리밍 서비스를 제공하는데, 이와 같은 기능이 BLE 에서는 아직까지 이러한 어플리케이션이 제공되지 않았었다. BLE 에서 아직까지 무선 Audio 어플리케이션을 출시하지 않은 것에 있어서는 여러 이유가 있겠지만, 기본적으로 BR/EDR 의 전송 속도는 2~3 MHz 인데 반해, 저전력 센서 네트워크 시장에 초점을 맞췄던 BLE 는 런칭 당시 1 MHz 의 전송 속도만을 제공했던 것이 가장 큰 한계점이지 않았을까 싶다.
무선 오디오 어플리케이션 구현을 위해 음성 데이터를 압축 (인코딩)하고, 다시 재생 (디코딩)하기 위한 코덱 (Codec)이 필요한데, 지금까지도 보편적으로 사용되는 SBC 코덱의 경우 약 345 Kbps 의 유효 데이터 전송률 (Throughput)을 달성할 수 있어야 하는데, 데이터 패킷에 포함되는 각종 헤더 (Header)를 제외하면 초창기 1 MHz 의 전송 속도로는 초당 345 Kbit ~= 43 KBytes 의 유효 데이터를 보내는 것이 불가능하다 ☔️.
지금의 BLE 프로토콜은 통신 속도와 Throughput 이 Bluetooth 4.0 런칭 당시와 비교했을 때 상당히 증가했으며, ISOC 같은 특성과 함께 LE Audio 어플리케이션에 사용 가능한 고퀄리티의 저전력 코덱인 LC3 (Low Complexity Communications Coded) 코덱도 개발되었다.
14.4 New Features of LE Audio
LE Audio 는 기존에 BR/EDR 기반으로 제공되던 무선 오디오 기능을 BLE 기반으로 제공하는 것 이외에 어떤 의미가 있을까? 다음은 블루투스 공식 홈페이지에서 소개하는 LE Audio 의 적용 예시이다.
- Personal Audio Sharing : 하나의 소스에서 나오는 음원 데이터를 특정 그룹에게만 전달하여 공유.
- Public Assisted Hearing : 청각 보조 어플리케이션 (e.g. 보청기). 특히, 극장이나 영화관 같은 곳에서 청력 안 좋은 사용자들에게 LE Audio 이어폰을 이용해 음성 데이터를 들을 수 있도록 어플리케이션 제공.
- Public Television : 운동장이나 체육관 등지에서 전광판에서 나오는 음성 데이터를 LE Audio 이용해서 수신.
- Multi-Language Flight Announcements : 여객기 탑승 전 여행객 정보를 등록 후 각 좌석에 비치된 이어폰을 이용해 음성 안내 방송을 들을 때 선호하는 언어로 번역된 안내 방송을 들을 수 있도록 제공.
그 외에도 여러 적용 분야가 있을 수 있는데, 핵심은 하나의 소스에서 다수의 구별된 그룹에게 동기화된 음원 데이터를 제공하는데 있다.
현재 최신 iOS 가 탑재된 아이폰의 경우 두 세트의 에어팟과 연결이 가능한데,
LE Audio어플리케이션을 이용해 이런 기능을 다양한 BLE 제품에 대해서도 활용할 수 있게 되지 않을까 싶다.
Reference
“블루투스 5.2 특징”
https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2020/01/Bluetooth_5.2_Feature_Overview.pdf
https://www.novelbits.io/bluetooth-version-5-2-le-audio/
https://www.telink-semi.com/need-to-know-bluetooth-version-5-2/
“LE Audio 소개”
https://www.youtube.com/watch?v=KxI1-NdmHU8&t=225s
“무선 오디오 코덱 (Codec) 이란?”
https://m.blog.naver.com/zzoggopai/221791121828
https://m.blog.naver.com/koreasmp/221978250920
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