BLE (7) - 연결 파라미터
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7. BLE 무선 연결 파라미터
이번 포스트에서는 BLE 무선 연결과정에서 GAP central과 GAP peripheral 사이에 주고 받는 연결 파라미터 (connection parameter)에 대해 소개한다. 연결 파라미터는 두 개의 BLE 디바이스가 무선 연결 되었을 때, 데이터 패킷 (packet)을 얼마나 빠르게 주고 받을 것인지, 얼마 동안 통신이 되지 않을 경우 연결이 끊어졌는가를 판단할 것인지 등을 결정한다.
Notice: 본 포스트에서 다루는 연결 파라미터에 관한 내용은 GAP peripheral 디바이스를 기준으로 작성되었습니다. 또한, BLE 무선 연결 프로세스에 대한 자세한 내용은 이전에 게재한 BLE(4) 포스트를 참고하시길 바랍니다.
7.1 Connection Interval
일반적으로 BLE 무선 연결을 시작하는 디바이스를 GAP central, 연결 요청을 받는 디바이스를 GAP peripheral 이라고 부른다. GAP peripheral의 경우 다음의 연결 파라미터 정보를 가지고 있으며, 이는 GAP central과 연결된 직후 연결 파라미터 변경을 제안하고자 할 때 사용된다.
- minimum connection interval
- maximum connection interval
- slave latency
- connection supervision timerout
먼저, connection interval 은 BLE packet 을 주고받는 시간 간격을 가리킨다. 해당 파라미터의 경우 GAP central 에서 임의의 값을 설정해 사용하거나, GAP peripheral 로부터 전달받은 파라미터 중 하나를 선택하기도 한다. GAP peripheral 에서는 connection interval 파라미터에 대해 최소값과 최대값을 저장하도록 되어있고, 각각의 값은 7.5 ms ~ 4 secs 사이의 값을 가져야 하고, 1.25 ms 간격으로 설정 가능하다. 다음은 해당 파라미터에 대한 블루투스 표준 (Core Specification 5.1)에서 명시된 내용이다.
connIntervalMin(Max) = Interval Min(Max) * 1.25 ms. Interval Min(Max) range: 6 to 3200 frames where 1 frame is 1.25 ms. (…) Interval Min shall be less than or equal to Interval Max. (BLUETOOTH CORE SPEFICIFATION Version 5.1 | Vol 3, Part A, 4.20)
BLE 시스템의 유효 데이터 통신 속도에 대해 설명한 BLE(5) 포스트에서 잠깐 언급하였는데, BLE 디바이스가 무선으로 연결된 상태에서는 무선 연결 상태를 유지하기 위해 유효한 데이터가 포함되지 않은 더미 패킷 (Dummy or Empty packet)을 주고 받는다. 더미 패킷은 두 디바이스 사이의 유효한 데이터 교환이 없을 때에도 서로 주고 받기 때문에, connection interval 은 사실상 더미 패킷의 교환 주기를 결정한다고 볼 수도 있다.
7.2 Connection Supervision Timeout
이름을 보고 짐작할 수 있듯이 connection supervision timeout 은 BLE 디바이스가 연결된 상태에서 얼마동안 패킷을 교환하지 못했을 때 연결이 끊어졌다고 판단할 것인지를 결정하는 파라미터이다. 두 BLE 디바이스 사이의 거리가 멀어지거나 전파 간섭 등으로 인해 connection supervision timeout 시간 이상으로 패킷을 교환하지 못할 경우, 각각의 디바이스는 무선 연결이 끊어진 것으로 판단한다.
connSupervisionTimeout = Timeout Multiplier * 10 ms. The Timeout Multiplier field shall have a value in the range of 10 to 3200. (BLUETOOTH CORE SPEFICIFATION Version 5.1 | Vol 3, Part A, 4.20)
블루투스 표준 문서에 명시된 위 내용에 따르면, connection supervision timeout 값은 최대 32 secs 로 설정이 가능하다. 그렇다면 여기서 다음과 같은 의문이 생길 수 있다.
“어차피 최대 연결 주기 (maximum connection interval)는 4 secs 이므로 정상적으로 연결된 상태라면 그 시간을 초과해서 패킷을 주고 받는 경우가 없을텐데, connection supervision timeout 값을 왜 그 이상으로 입력할 수 있게 해놓은 것일까?
위와 같은 의문점은 다음 파라미터에 대해 알고 나면 해소될 것이다.
7.3 Slave latency
BLE 디바이스가 무선으로 연결된 상태에서의 패킷 교환 주기는 최대 4 secs 이지만,
slave latency 파라미터를 활용하면 그 이상으로 연결 주기를 늘릴 수 있다. Slave latency 는 GAP peripheral 디바이스에 대한 설정 값으로, 무선 연결을 유지하기 위해 교환하는 더미 패킷을 몇 번까지 무시할 것인지를 결정하는 파라미터이다.
Slave latency 를 이용하면 GAP peripheral 디바이스에 전송할 유효한 데이터가 없는 경우, GAP central 디바이스에 더미 패킷을 전송하는 과정을 건너뛸 수 있고, 따라서 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있게 된다. 만약 connection interval 값을 4 secs 로 설정하고, slave latency 를 2 로 설정하는 경우, 유효한 데이터가 없는 상황에서는 GAP peripheral 디바이스의 더미 패킷 전송을 두 번 스킵할 수 있으므로 연결 주기가 12 secs 정도가 되는 셈이다.
상시 무선 연결이 유지되는 블루투스 키보드나 마우스의 경우 slave latency 를 이용해 전력 소모를 줄인 예라고 볼 수 있다. 블루투스 무선 마우스의 경우 항상 컴퓨터와 연결된 상태를 유지하는데, 실질적으로 의미있는 데이터는 사용자가 마우스를 움직이는 시점에만 발생한다. 이런 경우, slave latency 를 높은 값으로 설정해두면, 사용자가 마우스를 움직이지 않는 동안 마우스에서 더미 패킷을 전송하는 과정을 스킵하도록 하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
Slave latency 값은 최대 499 까지 설정할 수 있는데, 이렇게만 보면 GAP peripheral 디바이스에서의 불필요한 더미 패킷 전송 횟수를 무한정 줄일 수 있을 것처럼 느껴진다. 하지만, slave latency 를 설정하는데 있어서는 다음과 같은 조건이 있다.
The Slave Latency field shall have a value in the range of 0 to ((connSupervisionTimeout / (connIntervalMax * 2))-1). The Slave Latency field shall be less than 500. (BLUETOOTH CORE SPEFICIFATION Version 5.1 | Vol 3, Part A, 4.20)
예를 들어, maximum connection interval 값이 500 ms 이고, supervision timeout 값이 5000 ms (5 secs)인 경우 slave latency 값은 4 보다 작아야하므로, 0 부터 최대 3 까지만 설정이 가능하다. 따라서, 위의 표준 문서에서 명시된 규칙에 따라 slave latency 값을 설정해줘야 한다.
7.4 An example of the effect of slave latency
다음의 그림은 Nordic Semiconductor 사의 nRF52840 BLE 칩이 탑재된 보드의 소비 전류를 측정한 결과이다.
위의 예제에서 보드는 GAP peripheral 에 해당되고, GAP central 디바이스에 무선으로 연결되어 있는 상태이다. 그림에서 주기적으로 보이는 펄스 신호는 보드에서 더미 패킷을 송신할 때 발생하는 소비 전류이며, 해당 주기는 위의 예제에서 사용된 maximum connection interval 값과 동일한 200 ms 이고, connection supervision timeout 은 5000 ms, slave latency 값은 0 으로 설정하였다.
주어진 조건에서 connSupervisionTimeout / (connIntervalMax * 2) - 1 값은 (5000/400) - 1 = 11.5 이므로, slave latency 는 최대 11 까지 설정 가능하다. (해당 규칙을 따르지 않을 경우, Nordic BLE 펌웨어의 경우 컴파일은 되지만, run-time 상에서 error 가 발생한다.) 다음은 본 예제 조건에 대해 slave latency 값을 8 로 변경한 경우의 전류 파형이다.
실제 BLE 연결 상에서의 연결 주기는 200 ms 이지만, slave latency 에 의해 더미 패킷 교환 주기는 1.8 secs 로 변경된 것을 볼 수 있다. 소비 전류 측정 데이터를 살펴봤을 때, 경우에 따라서는 설정된 slave latency 보다 적은 횟수로 더미 패킷 전송을 건너뛰기도 하는 것 같다. BLE sniffer 를 이용해 전송 패킷 자체를 캡쳐할 수 있으면 보다 확실하게 확인이 가능할텐데, 이번 포스트에서는 이 정도만 다루고 넘어가려고 한다.
Reference
https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/bluetooth-core-specification-v5-1-feature-overview
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