BLE (4) - BLE 디바이스는 어떻게 연결할까?
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4. BLE 무선연결 과정
이전 포스트에서 BLE 시스템의 연결 및 advertising 동작을 관리하는 최상위 레이어는 GAP (Generic Access Profile)이고, 서로 다른 BLE 디바이스 사이의 상호작용을 관리하는 모듈이라고 소개한 바 있다 (BLE 프로토콜 스택). 이번 포스트에서는 BLE 연결 과정에 대해 조금 더 자세하게 소개하고자 한다.
4.1 Advertising
BLE 무선연결의 시작은 GAP periphral로 동작하는 디바이스에서 advertising 동작을 수행하는 것으로 시작된다. Advertising 이란, 해당 디바이스의 정보 (Device Name, Mac Address, Tx Power, .etc)를 GAP central로 동작하는 근처 BLE 디바이스에 알리는 동작이다.
아래 그림과 같이 advertising을 수행하는 디바이스는 PHY (Physical Layer)의 40 개의 채널 중 3개의 advertising 채널(37번-39번)을 이용하며, 각 채널은 2.4 GHz 대역 중에서도 WiFi 와의 간섭이 가장 적을 것으로 예상되는 주파수를 중심 주파수로 갖는다.
Advertising interval: 20 ms ~ 10.24 secs.
4.2 Scanning
다음으로, GAP central로 동작하는 디바이스는 BLE 무선연결을 위해 근처에 연결 가능한 디바이스가 있는지 찾아본다 (scanning). 이는 즉, 근처에 advertising 하고 있는 디바이스가 있는지를 확인하는 작업이므로, scanning 또한 40개의 채널 중 advertising 채널에 대해 수행하게 된다.
위 그림에서 볼 수 있듯이, 일반적으로 Advertiser = peripheral 디바이스는 한 번에 3개의 채널로 advertising 하고, Scanner = central 디바이스는 일정 간격으로 하나의 채널을 scanning 한다. 주요 scanning 파라미터로는 scan interval 과 scan window 가 있는데, 그림에서 볼 수 있듯이 scan interval 은 scanning 시작시간 사이의 간격을 정의하고, scan window 는 한 채널에서 실제로 scanning 하는 시간 (구간)을 정의하고 있다.
advertising 채널과 scanning 채널이 일치하는 경우에만
Scanner에서 advertising 데이터를 수신할 수 있으며, advertising 시간은 수 ms 인 반면Scanner에서는 수십에서 수백 ms 동안 scanning 동작을 수행한다. 따라서,Scanner에서는 기본적으로Advertiser에 비해 보다 많은 양의 전류를 소비하게 된다.
4.3 Connection
다음의 그림은 peripheral 디바이스에서의 BLE 연결 과정을 보여준다.
앞서 BLE 무선연결은 peripheral 디바이스에서 advertising 동작을 수행하는 것으로 시작된다고 언급한 바 있는데, 실제로 연결 가능한 peripheral 디바이스는 위 그림에서처럼 advertising 직후 잠깐동안 해당 채널의 신호를 수신하는 시간을 갖는다. 그림에서 볼 수 있듯이 peripheral 디바이스에서 advertising 주기와 scanning 주기가 겹치는 시점에 해당 채널(38번)을 통해 central 디바이스의 연결 요청 신호 (CREQ: connection request)를 수신하게 되면, 두 디바이스 사이의 무선연결이 시작된다.
무선연결이 시작되고나면, 데이터를 교환에 앞서 연결 파라미터를 주고 받는다. BLE 에서는 통신 과정에서 advertising 채널을 제외한 37개의 채널을 이용해 FHSS 방식으로 데이터를 주고 받는다. 즉, 중심 주파수 (frequency)를 바꿔가면서(hopping) 데이터를 주고 받는 것인데, 처음 연결시 동기화 (synchronization) 작업이 필요하지만, 방해 전파나 잡음의 간섭을 줄일 수 있으며, 호핑 코드 (hopping code)만 다르면, 같은 공간 내에서도 무선 디바이스 사이의 간섭을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
hopping code: Frequency Hopping Spread Spectrum 통신 기술에서 어떤 순서로 주파수 대역을 변경할 것인지에 대한 정보.
BLE 연결 직후에는 호핑 코드와 같이 하드웨어 단에서 필요한 파라미터를 포함해 무선연결과 관련된 파라미터를 교환하게 된다. 또한, 이 시점에 연결 주기, 타임아웃 시간 (일정 시간 통신이 되지 않을 경우 연결이 끊어졌다고 판단하는 시간) 등의 정보를 주고 받으며, 이러한 파라미터는 대부분 central 디바이스에서 의해 결정된다.
무선연결 파라미터를 정하는데 있어서 우선적인 결정 권한은 central 디바이스가 가지고 있지만, peripheral 디바이스에서도 다음의 연결 파라미터를 제안할 수 있다.
- minimum connection interval
- maximum connection interval
- slave latency
- connection supervision timerout
Connection interval: 7.5 ms ~ 4 secs.
Reference
https://microchipdeveloper.com/wireless:ble-link-layer-channels
https://microchipdeveloper.com/wireless:ble-link-layer-discovery
https://devzone.nordicsemi.com/f/nordic-q-a/28058/what-is-connection-parameters
https://devzone.nordicsemi.com/nordic/short-range-guides/b/bluetooth-low-energy/posts/bluetooth-smart-and-the-nordics-softdevices-part-2
https://www.argenox.com/library/bluetooth-low-energy/ble-advertising-primer/
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