Chapter 13

공존: 2.4 GHz를 나눠 쓰는 법

휴대폰 하나에는 무선 송수신기가 여럿 들어 있다. 블루투스, Wi-Fi, LTE·5G 모뎀, GPS, 요즘은 UWB와 Thread까지. 이들의 안테나는 손바닥만 한 몸체 안에서 몇 cm 떨어져 있을 뿐이다. 무선 이어폰으로 음악을 들으며 Wi-Fi로 영상을 받고, 동시에 LTE로 영상 통화를 하는 일은 사실 아슬아슬한 줄타기다. 4장에서는 바깥의 Wi-Fi를 피하는 주파수 도약을 봤다. 이 장에서는 같은 기기 안의 이웃과 함께 사는 법을 다룬다. 핵심은 두 가지다. 주파수를 떼어 놓거나, 시간을 나눠 쓰거나. 그리고 시간을 나누려면 서로의 시간표를 알려 주는 약속된 신호가 필요하다.

2.4 GHz ISM 대역 안팎의 이웃(Wi-Fi, 802.15.4, LTE·5G 대역 40·41·7)과 같은 기기 안의 “공존 배치(collocated)”가 왜 특히 어려운지 안다.
사양이 분류한 네 가지 간섭 완화 방식(주파수 분할, 시간 분할, 시간 정렬, 혼합)과 순수 TDM 모드·하이브리드 모드를 구분한다.
필터 감쇠와 안테나 격리로 LTE 송신이 블루투스 수신기의 차단(blocking) 한도를 넘는지 계산한다.
LTE TDD 프레임에 블루투스 슬롯을 맞추는 FRAME_SYNC, 외부 프레임 설정, 피코넷 시계 조정, SAM의 역할을 시뮬레이터로 확인한다.
Core 6.3 Vol 7의 공존 신호 10가지와 WCI-1·WCI-2 메시지를 비트 단위로 만들고, Wi-Fi와의 공존이 사양 밖의 구현(PTA)에 맡겨진 이유를 안다.

이웃은 누구인가: 대역 안과 대역 옆

블루투스의 이웃은 두 부류다. 2장에서 본 대로 같은 2.4 GHz ISM 대역 안에는 Wi-Fi, IEEE 802.15.4(Zigbee·Thread), 무선 키보드 동글, 전자레인지가 있다. 모두 면허 없이 같은 대역을 나눠 쓰는 처지다. 그리고 대역 바로 옆에는 면허 대역의 이동통신이 붙어 있다. LTE·5G의 TDD 대역 40(2,300~2,400 MHz)은 ISM 대역 아래쪽 끝과 맞닿아 있고, TDD 대역 41(2,496~2,690 MHz)과 FDD 대역 7(상향 2,500~2,570 MHz)은 위쪽 끝에서 10~20 MHz 남짓 떨어져 있다(대역 번호와 범위는 3GPP 표준).

그림 13-1. 2.4 GHz 블루투스의 이웃. ISM 대역(2400~2483.5 MHz) 안에서는 Wi-Fi, 802.15.4, 전자레인지와 함께 쓰고, 바로 옆에는 면허 대역의 이동통신이 붙어 있다. 아래쪽은 TDD 대역 40이 맞닿고, 위쪽은 TDD 대역 41과 FDD 대역 7 상향이 10~20 MHz 남짓 떨어져 있다(대역 번호와 범위는 3GPP 표준). 같은 휴대폰 안의 이 모뎀이 이 장의 주인공이다.

멀리 있는 이웃은 거리가 손실을 만들어 준다(2장의 링크 버짓). 문제는 같은 기기 안의 이웃이다. 사양은 같은 제품 안에서 활동을 조정할 수 있는 무선들을 공존 배치(collocated)되었다고 하고, 그런 제품을 다중 무선 단말(MRT, Multi-Radio Terminal)이라 부른다. 휴대폰의 LTE 모뎀이 +23 dBm으로 송신하는 순간, 몇 cm 옆 블루투스 수신기에 들어오는 세기는 안테나 사이의 격리(보통 10~20 dB)만큼만 줄어든다. 2장에서 블루투스가 받으려는 신호는 −70~−95 dBm이었다. 100 dB 가까이 센 이웃이 바로 옆에서 소리치는 셈이다.

카페 바로 옆 공연장

지금까지 블루투스의 카페(2.4 GHz)에는 다른 손님들(Wi-Fi, Zigbee)이 있었다. 이 장의 새 이웃은 벽 하나를 사이에 둔 공연장(LTE·5G)이다. 공연장은 면허를 받은 곳이라 자기 시간표(기지국이 정한다)대로 움직이고, 블루투스 때문에 공연을 멈추지 않는다. 블루투스가 할 수 있는 일은 둘이다. 벽에 방음재를 붙이거나(필터와 격리), 공연이 쉬는 시간에 말하는 것(시간 나누기). 쉬는 시간을 알려면 공연장이 시간표를 알려 줘야 한다(공존 신호).

사양은 간섭을 줄이는 방법을 네 가지로 나눈다.

방식	내용	언제 쓰나
주파수 분할	필터와 격리로 여러 무선을 동시에 쓴다	주파수가 충분히 떨어져 있고 격리가 클 때
시간 분할	스케줄링이나 우선순위로 한 번에 하나만 송수신한다	격리가 부족하거나 안테나를 나눠 쓸 때
시간 정렬	송신끼리, 수신끼리 같은 시각에 모아 “한쪽 송신 중 다른 쪽 수신”만 피한다	상대가 고정된 프레임 구조를 가질 때(LTE TDD 등)
혼합	주파수 차이·필터·격리에 따라 위 셋을 섞는다	대부분의 실제 휴대폰

공존 배치·MRT, 간섭 완화 방식(Table 7.1): [Vol 1] Part A §7 · 격리가 충분하면 FDD, 부족하거나 안테나를 공유하면 TDD 기법이 필요하다는 설명: 같은 절

주파수로 떼어 놓기: 필터, 격리, 차단 한도

먼저 주파수로 해결할 수 있는지 따져 보자. 블루투스 수신기는 대역 밖의 강한 신호를 어느 정도 견뎌야 한다. 사양은 이를 대역 외 차단(out-of-band blocking) 요구로 정한다. LE 수신기는 원하는 신호가 감도보다 3 dB 센 상태에서, 2,003~2,399 MHz와 2,484~2,997 MHz의 방해 신호가 −35 dBm이어도 비트 오류율 0.1% 이하를 지켜야 한다(BR/EDR은 −27 dBm). 이 값을 넘는 이웃이 바로 옆에서 송신하면 수신기가 포화되어 감도가 무너진다.

블루투스 수신기 입력의 LTE 세기 = LTE 송신 전력 − 안테나 격리 − 필터 감쇠(주파수 간격)

예: +23 dBm − 격리 15 dB = +8 dBm. 차단 한도 −35 dBm 아래로 내리려면 필터가 43 dB 이상 깎아야 한다. 필터는 통과 대역 끝에서 멀어질수록 더 많이 깎으므로 주파수 간격이 결정적이다. 대역 40의 위쪽 끝(2,400 MHz)과 블루투스 채널 0(2,402 MHz)은 2 MHz밖에 떨어져 있지 않다.

LE 대역 외 차단(Table 4.7: 30~2,000 MHz −30 dBm, 2,003~2,399 MHz −35 dBm, 2,484~2,997 MHz −35 dBm, 3~12.75 GHz −30 dBm): [Vol 6] Part A §4.3 · BR/EDR(−27 dBm): [Vol 2] Part A §4 · 필터 권고 백서 언급: [Vol 1] Part A §7.4

SIMULATOR

대역 옆 LTE: 필터와 격리로 버틸 수 있나

이웃 LTE·5G 대역

LTE 채널 위치 (대역 끝에서) 블루투스 LE 채널 안테나 격리

블루투스 대역 선택 필터

주파수 간격—

필터 감쇠—

수신기 입력의 LTE 세기—

판정—

위: 주파수 지도(MHz). 회색 띠가 ISM 대역, 주황 띠가 LTE 채널(20 MHz), 파란 막대가 고른 블루투스 채널. 해볼 것: ① 대역 40에서 LTE 채널을 위쪽 끝(2,380~2,400 MHz)에 두고 블루투스 채널 37(2,402 MHz)을 고르면 간격이 2 MHz뿐이라 필터가 거의 못 깎는다. 채널 39(2,480 MHz)로 옮기면 간격이 80 MHz로 늘어 통과한다. AFH로 대역 끝 채널을 빼는 이유다. ② 대역 41·7은 ISM 위쪽 끝(2,483.5 MHz)과 10 MHz 넘게 떨어져 있어, 급한 필터와 충분한 격리(약 25 dB)가 있으면 버틸 여지가 있다. 이것이 사양이 말하는 “하이브리드 모드”의 조건이다. 가정(단순화 모델): LTE 단말 송신 +23 dBm(3GPP 전력 등급 3). 블루투스 채널과 LTE 채널 사이 간격 × 기울기만큼 감쇠하고 최대 50 dB로 본다. 대역 선택 필터의 감쇠와, 멀어질수록 줄어드는 LTE 송신 잡음을 하나의 숫자로 묶은 것이다. 판정 기준은 사양의 LE 최소 차단 한도 −35 dBm이며, 실제 칩은 이보다 좋은 경우가 많다. 실제 설계에서는 차단과 잡음 유입을 따로 계산한다.

시간으로 나누기: 순수 TDM과 하이브리드

필터와 격리로 부족하면 시간을 나눠야 한다. 그런데 LTE·5G는 블루투스에 맞춰 주지 않는다. 사양이 짚는 대로 이동통신은 면허 대역에서 기지국이 중앙에서 스케줄링한다. 단말의 모뎀은 언제 송신하고 언제 수신할지 스스로 정할 수 없다. 그러니 맞추는 쪽은 블루투스다. 사양은 두 가지 해법을 구분한다.

순수 TDM 모드(Pure TDM): 블루투스의 송신과 수신 모두 이동통신의 활동에 맞춰 제한된다. 이동통신이 받는 동안(하향, downlink) 블루투스는 송신하면 안 되고, 이동통신이 보내는 동안(상향, uplink) 블루투스는 받을 수 없다.
하이브리드 모드(Hybrid): 가파른 대역 선택 필터로 블루투스 송신이 이동통신 수신을 방해하지 않게 만들어, 블루투스 수신만 시간으로 보호한다. 주파수 간격과 양쪽 필터에 조건이 붙는다(위 시뮬레이터).

순수 TDM이 왜 아픈지 계산해 보자. 클래식 블루투스의 센트럴은 짝수 슬롯에서 보내고 페리페럴의 답을 다음 슬롯에서 받는다(4장). 이 한 쌍(1.25 ms)이 쓸모 있으려면 센트럴의 송신 슬롯이 이동통신 상향 동안(이동통신은 보내는 중이라 방해받지 않는다)에, 받는 슬롯이 하향 동안(이동통신이 조용하다)에 있어야 한다. 상향에서 하향으로 넘어가는 경계 근처의 한 쌍만 조건을 만족한다. 사양은 그 결과를 이렇게 적는다. 5 ms 프레임이면 슬롯 쌍 네 개 중 세 개, 10 ms 프레임이면 여덟 개 중 일곱 개를 이동통신 때문에 잃을 수 있다.

순수 TDM 모드·하이브리드 모드, 중앙 스케줄링, 4개 중 3개(5 ms)·8개 중 7개(10 ms) 슬롯 쌍 손실: [Vol 1] Part A §7.4

시간표 맞추기: FRAME_SYNC와 외부 프레임 설정

손해를 최소로 줄이려면 블루투스의 슬롯 경계를 이동통신의 프레임 경계에 정확히 맞춰야 한다. 그 도구가 다음과 같다.

외부 프레임 설정: 호스트가 HCI_Set_External_Frame_Configuration 명령으로 이동통신 프레임의 길이와 구간 목록(하향 0x00, 상향 0x01, 양방향 0x02, 보호 구간 0x03, 각 구간의 µs 길이)을 컨트롤러에 알려 준다. 구간 길이의 합은 프레임 길이와 같아야 한다. 프레임이 1.25 ms의 배수면 블루투스 시계와 안정적으로 맞출 수 있다.
FRAME_SYNC: 모뎀이 프레임이 시작되는 순간을 실시간 신호로 알린다. 컨트롤러는 이것을 기준점(앵커)으로 삼는다.
피코넷 시계 조정(4.1): 센트럴이 자기 블루투스 시계를 외부 프레임에 맞춰 옮긴다. 센트럴에게 가장 쓸모 있는 기준점은 “상향 → 다음 하향” 경계다. 상향 동안 보내고 바로 이어지는 하향 동안 받으면 되기 때문이다. 페리페럴은 반대로 “하향 → 상향” 경계가 쓸모 있다.
SAM(Slot Availability Mask, 5.0): 두 블루투스 기기가 서로에게 “내 슬롯 중 어디서 보낼 수 있고 어디서 받을 수 있는지”를 지도로 알려 준다. 슬롯마다 0(송수신 모두 불가), 1(송신만), 2(수신만), 3(둘 다) 중 하나다. 상대가 내 사정을 알면 쓸 수 없는 슬롯에 보내 헛수고하지 않는다.

HCI_Set_External_Frame_Configuration(OCF 0x006F, Period_Type 0x00~0x03): [Vol 4] Part E §7.3.81 · FRAME_SYNC: [Vol 7] Part A §2.1.1 · LTE TDD와 시계 정렬 예: [Vol 1] Part A §7.5 · 공존 기능 표(AFH 1.2, 호스트 채널 분류 1.2, eSCO 1.2, MWS 공존 신호 CSA3, 피코넷 시계 조정 4.1, Train Nudging 4.1, Generalized Interlaced Scanning 4.1, SAM 5.0): [Vol 1] Part A §7.1 · SAM 슬롯 종류: [Vol 2] Part B §8.6.11

SIMULATOR

LTE TDD 프레임 위의 블루투스 슬롯: 몇 쌍이나 살아남나

LTE TDD 상하향 설정 (3GPP)

모드

블루투스 시계 오프셋

10 ms 안의 슬롯 쌍8쌍

쓸 수 있는 쌍—

LTE 수신을 방해한 송신—

블루투스가 남은 몫

위 줄: LTE 10 ms 프레임(D = 하향·LTE 수신, U = 상향·LTE 송신, S = 특수 서브프레임). 아래 줄: 블루투스 센트럴의 슬롯 쌍(앞 칸 = 센트럴 송신, 뒤 칸 = 페리페럴 응답 수신). 초록 = 쓸 수 있는 쌍, 빨강 테두리 = LTE 수신 중에 블루투스가 송신(LTE를 방해), 회색 = 쓸 수 없는 쌍. 해볼 것: ① 설정 #1, 순수 TDM에서 오프셋을 움직여 보자. 대부분의 위치에서 한두 쌍만 남는다. “최적 정렬”을 누르면 상향→하향 경계에 슬롯을 맞춰 가장 많은 쌍을 살린다. ② 하이브리드로 바꾸면 송신 제한이 풀려 받는 슬롯만 하향에 있으면 된다. ③ “조정 없음”은 블루투스가 제멋대로 보내는 경우다. 쌍은 많아 보이지만 LTE 수신을 망가뜨린다. 단순화: 특수 서브프레임은 하향 0.64 ms + 보호 0.29 ms + 상향 0.07 ms(특수 서브프레임 설정 #1 근사), 보호 구간은 양쪽 모두 허용, 보호 여유(오프셋 허용 오차) 없음.

예측해 보기

순수 TDM 모드에서 블루투스 센트럴의 시계를 LTE 프레임에 가장 잘 맞추려면 기준점(FRAME_SYNC 위치)을 어디에 두는 것이 좋을까?

센트럴은 먼저 보내고(송신 슬롯) 바로 다음 슬롯에서 받는다. 보내도 되는 때와 받아도 되는 때를 떠올려 보자.

LTE가 보내는 동안(상향)은 LTE 수신을 방해하지 않으니 블루투스가 송신해도 되고, LTE가 조용한 하향 동안은 블루투스가 받을 수 있다. 사양의 예도 센트럴에게는 상향→하향 경계가, 페리페럴에게는 하향→상향 경계가 가장 쓸모 있다고 설명한다([Vol 1] Part A §7.5).

찾기와 호출도 망가진다: Train Nudging과 Interlaced Scanning

슬롯을 잃으면 연결뿐 아니라 처음 만나는 과정도 흔들린다. 클래식의 조회(inquiry)와 호출(page)은 16개 채널을 한 묶음으로 반복하는데, 이 반복 주기가 5 ms라 이동통신 프레임과 박자가 맞아 떨어지면 같은 채널들만 계속 구멍이 난다. 4.1의 Train Nudging은 시계 비트에 오프셋을 더해 채널 순서를 밀어 이 맞물림을 깬다. 반대로 스캔하는 쪽은 받는 슬롯의 최대 절반을 잃을 수 있는데, Generalized Interlaced Scanning은 연달아 하는 두 번째 스캔의 위상을 조절해 구멍을 메운다.

조회·호출 실패와 Train Nudging, Generalized Interlaced Scanning: [Vol 1] Part A §7.4

공존 신호: 모뎀과 블루투스가 주고받는 열 가지 신호

시간을 나누려면 모뎀과 블루투스 컨트롤러가 µs 단위로 서로의 상태를 알아야 한다. 호스트(운영체제)를 거치면 수십 ms가 걸리므로, Core 사양 Vol 7은 두 칩 사이에 직접 오가는 MWS 공존 신호(MWS Coexistence Logical Signaling)를 정한다. MWS(Mobile Wireless Standards)는 LTE·5G 같은 이동통신 무선을 가리킨다.

신호	방향	뜻
FRAME_SYNC	MWS → BT	이동통신 프레임이 시작되는 순간. 블루투스의 기준점
MWS_RX	MWS → BT	지금 받고 있으니 송신을 멈추고 새로 시작하지 말라. 중요한 송신이면 가끔 무시할 수 있다
MWS_TX	MWS → BT	지금 송신 중이다 (블루투스 수신이 방해받을 수 있다)
MWS_PATTERN	MWS → BT	미리 정한 활동 패턴 0·1·2 중 무엇을 쓰는지. 3은 “바뀌지 않음”
MWS_INACTIVITY_DURATION	MWS → BT	앞으로 얼마 동안 쉬는지(그동안 블루투스가 마음껏 쓸 수 있다)
MWS_SCAN_FREQUENCY	MWS → BT	다른 주파수를 훑는 중이며 그 주파수의 표 번호. 0이면 끝
BLUETOOTH_RX_PRI	BT → MWS	중요한 수신을 기다리니 송신을 삼가 달라. 최소한으로 쓰고, 지켜진다는 보장은 없다
BLUETOOTH_TX_ON	BT → MWS	블루투스가 지금 송신 중이다
802_TX_ON	BT → MWS	같은 기기의 Wi-Fi가 송신 중이다(모뎀이 Wi-Fi 간섭과 블루투스 간섭을 구분하게 한다)
802_RX_PRI	BT → MWS	같은 기기의 Wi-Fi가 중요한 수신을 기다린다

앞의 여덟 개를 실시간 공존 신호라 부른다. 신호는 실제 사건보다 조금 일찍 와야 쓸모가 있으므로, 사양은 권장 오프셋과 흔들림(지터) 범위도 정한다. 예를 들어 MWS_RX는 실제 수신 시작보다 2 ms ~ 20 µs 앞서 올리고, BLUETOOTH_TX_ON은 송신 시작보다 최대 100 µs 앞서 올리며, 대부분의 지터는 5 µs 이내다. 신호의 세부 설정(패턴의 모양, 스캔 주파수 표, 이동통신 채널의 중심 주파수와 폭)은 호스트가 HCI 명령으로 미리 알려 준다.

공존 신호(Table 2.1)와 각 신호 정의: [Vol 7] Part A §2.1 · 오프셋·지터 권장값(Table 2.2·2.3): §2.2 · HCI MWS 명령: [Vol 4] Part E §7.3.80~§7.3.85 — HCI_Set_MWS_Channel_Parameters(0x006E), Set_MWS_Signaling(§7.3.82), Set_MWS_Transport_Layer(§7.3.83), Set_MWS_Scan_Frequency_Table(§7.3.84), Set_MWS_PATTERN_Configuration(0x0073, 구간 종류 0x00 불가·0x01 송신·0x02 수신·0x03 둘 다·0x04 MWS 프레임)

전선 한두 가닥으로: WCI-1과 WCI-2

두 칩을 잇는 물리적인 방법도 사양에 있다. 휴대폰처럼 모뎀과 블루투스가 서로 다른 칩이면 이 핀을 연결하고, 둘을 한 칩에 넣은 제품은 내부에서 처리해도 된다(외부로 신호를 뽑을 필요가 없다).

WCI-1: 반이중 UART를 전선 한 가닥에 실은 방식이다. 모뎀은 직접 구동하고 블루투스는 풀업/풀다운으로 구동해, 동시에 말해도 모뎀 쪽이 이긴다. 모뎀 → 블루투스 메시지 앞에는 빠른 속도의 5비트 프리앰블 ‘01011’이 붙는다.
WCI-2: 송신·수신 선을 엇갈려 연결한(null-modem) 표준 전이중 UART다. 두 가닥이면 된다.

두 방식의 전송 계층은 같다. UART 문자 하나(8비트)를 메시지 종류 3비트 + 내용 5비트로 나눈다. 비트 0(최하위)이 먼저 나간다. 종류 0은 실시간 신호(모뎀 → 블루투스는 FRAME_SYNC, MWS_RX, MWS_TX, MWS_PATTERN 2비트를, 블루투스 → 모뎀은 BLUETOOTH_RX_PRI, BLUETOOTH_TX_ON, 802_RX_PRI, 802_TX_ON을 한 문자에 담는다), 1은 전송 제어(실시간 신호를 다시 보내 달라), 2는 투명 데이터(한 바이트를 4비트씩 두 문자로), 3은 쉬는 시간(DURATION × 5 ms, 0은 취소, 31은 무한), 4는 스캔 주파수 표 번호, 6·7은 회사별 용도다.

BUILDER

WCI-2 메시지 만들기: UART 문자 한 개에 담긴 공존 신호

메시지

쉬는 시간 DURATION (종류 3)

문자 값—

전송 순서 비트—

뜻—

주황 칸 = 메시지 종류(b0~b2), 파란 칸 = 켜진 신호 비트. 해볼 것: ① 모뎀 → 블루투스 실시간 메시지에서 MWS_RX를 켜면 b4가 1이 된다(MSG[1]). ② 종류 3에서 DURATION을 31로 두면 “무한히 쉰다”는 뜻이 된다. 4면 20 ms다. ③ 종류 1의 RESEND_REAL_TIME은 인터페이스가 잠에서 깬 뒤 상대의 현재 신호 상태를 요청하는 데 쓴다. 상대가 깨어 있으면 UART 문자 4개 시간 안에 실시간 메시지로 답해야 하고, 답이 없으면 잠든 것으로 본다. 이 빌더는 사양의 Table 3.1·3.4·3.5·3.6·3.10 배치를 그대로 따른다.

WCI-1 물리 계층(단일 선, 프리앰블 01011): [Vol 7] Part B §2 · WCI-2 물리 계층(전이중 UART, null-modem): [Vol 7] Part C §2 · 전송 계층 형식(Table 3.1), 메시지 종류(Table 3.2), 실시간·전송 제어·투명 데이터·쉬는 시간·스캔 주파수 메시지: [Vol 7] Part B·C §3

Wi-Fi와의 공존: 사양 밖의 중재

놀랍게도 Core 사양은 블루투스와 Wi-Fi 사이의 신호를 정하지 않는다. 사양의 설명대로 둘의 공존은 전통적으로 AFH(4장)와 각 회사의 독자적인 우선순위 기법의 조합이었다. 이동통신 모뎀은 다른 회사의 칩인 경우가 많아 표준 인터페이스가 필요했지만, Wi-Fi와 블루투스는 대개 한 회사의 콤보 칩에 함께 들어가 내부에서 처리하기 때문이다. 위 표의 802_TX_ON·802_RX_PRI는 블루투스가 모뎀에게 Wi-Fi 상태를 대신 알려 주는 신호일 뿐이다.

콤보 칩 안의 중재기는 흔히 PTA(Packet Traffic Arbitration)라 부른다. 원리는 단순하다. 두 무선이 매 순간 “나 지금 보내고 싶다, 이건 중요하다”를 요청하고, 중재기가 우선순위 규칙에 따라 한쪽에 허락한다. 무엇을 앞세울지는 설계 선택이다. 이어폰 오디오처럼 늦으면 끊기는 블루투스 패킷과, 대역폭은 크지만 조금 늦어도 되는 Wi-Fi 다운로드 사이에서 줄다리기를 한다.

SIMULATOR

한 칩 안의 줄다리기: PTA 우선순위 (구현 예)

블루투스 일

Wi-Fi가 쓰려는 시간 비율

중재 규칙

블루투스 기한 안 성공—

Wi-Fi가 얻은 시간—

판정—

100 ms 동안의 시간표(가로 = 시간). 위 줄 = 블루투스가 원한 시각(진한 칸 = 기한이 있는 중요 패킷, 연한 칸 = 미뤄도 되는 패킷), 아래 줄 = 실제로 공중을 쓴 쪽(파랑 블루투스, 주황 Wi-Fi). 빨간 표시는 기한을 놓친 블루투스 패킷이다. 해볼 것: ① “Wi-Fi 우선”에서 Wi-Fi 비율을 70%로 두면 LE 오디오가 끊긴다. ② “블루투스 항상 우선”은 오디오를 지키지만 Wi-Fi가 잃는 시간이 커진다. ③ “중요 패킷만 우선”은 오디오를 지키면서 Wi-Fi 손실을 줄이는 절충이다. 이 모델은 사양이 아닌 구현 예다(사양은 BT–Wi-Fi 신호를 정하지 않는다). 가정: 공유 안테나·같은 칩이라 둘 중 하나만 공중을 쓸 수 있음, Wi-Fi는 1 ms 단위 전송을 무작위로 요청, 블루투스 패킷 하나의 공중 시간 약 0.6 ms, 중요 패킷은 재전송 기회가 한 번 더 있으며 그 뒤 기한 초과.

호스트도 거든다. Wi-Fi가 2.4 GHz의 어느 채널을 쓰는지 아는 운영체제는 HCI_Set_AFH_Host_Channel_Classification(클래식)과 HCI_LE_Set_Host_Channel_Classification(LE)으로 그 범위를 “나쁜 채널”로 알려, 블루투스의 채널 맵에서 빼게 한다(4장). 사양은 이 기능을 1.2의 공존 기능으로 꼽는다.

BT–WLAN 신호는 사양이 정하지 않음, AFH + 독자 우선순위 기법: [Vol 1] Part A §7.3 · 호스트 채널 분류: [Vol 4] Part E §7.3.46(BR/EDR), §7.8.19(LE) · AFH 최소 채널(BR/EDR 20, LE 2): [Vol 1] Part A §7.2

대역 안의 다른 이웃: 802.15.4, 그리고 블루투스 자신

Zigbee와 Thread가 쓰는 IEEE 802.15.4는 2.4 GHz에서 채널 11~26을 5 MHz 간격(2,405 + 5 × (k − 11) MHz), 폭 약 2 MHz로 쓴다(IEEE 802.15.4 표준). 연결을 자주 바꾸지 않고 한 채널에 머무는 경우가 많아, Wi-Fi 1·6·11번 사이의 틈인 15·20·25번이나 위쪽 끝의 26번을 고르는 것이 흔한 요령이다. 블루투스 LE 입장에서는 이들도 Wi-Fi와 마찬가지로 AFH로 피해 갈 대상이다. 스마트홈 허브처럼 한 기기에 Thread와 블루투스 LE가 함께 있으면, 둘 다 같은 2.4 GHz 무선부와 안테나를 시간으로 나눠 쓰는 설계도 많다.

마지막 이웃은 블루투스 자신이다. 휴대폰 하나가 이어폰 오디오(CIS), 시계 연결(ACL), 주변 스캔, 분실물 태그 광고 수신을 동시에 한다. 각 활동의 간격이 제각각이면 언젠가 반드시 같은 순간에 부딪힌다. 사양의 HCI_Set_Ecosystem_Base_Interval 명령은 호스트가 컨트롤러에게 “앞으로의 활동 간격은 대체로 이 값의 배수일 것”이라는 힌트를 준다. 예를 들어 15 ms 연결과 40 ms 주기적 광고를 계획하면 5 ms를 알려, 컨트롤러가 일정을 짜기 쉽게 한다.

HCI_Set_Ecosystem_Base_Interval(OCF 0x0082, 2.5 ms ~ 40.9 s, 15 ms·40 ms → 5 ms 예): [Vol 4] Part E §7.3.100 · 802.15.4 채널 배치는 Core 밖(IEEE 802.15.4)

제품을 만든다면: 공존 점검표

① 안테나 격리를 먼저 잰다. 격리 몇 dB가 필터 몇 dB보다 싸다. ② 이웃 이동통신 대역과 가장 가까운 블루투스 채널(0번 근처, 39번 근처)을 AFH로 뺄 수 있게 호스트 채널 분류를 연결한다. ③ 모뎀이 다른 칩이면 WCI-2 연결과 FRAME_SYNC·MWS_RX를 지원하는지 확인하고, 외부 프레임 설정을 HCI로 넣는다. ④ 오디오처럼 기한이 있는 블루투스 트래픽은 PTA에서 “중요”로 표시한다. ⑤ 실제 휴대폰과 LTE TDD·Wi-Fi 부하를 동시에 건 상태에서 끊김을 측정한다. 시뮬레이터의 숫자는 출발점일 뿐이다.

핵심 정리

블루투스의 이웃은 ISM 대역 안(Wi-Fi, 802.15.4, 전자레인지)과 대역 옆(LTE·5G 대역 40·41·7)이다. 같은 기기 안의 공존 배치 무선이 가장 어렵다. 격리가 10~20 dB뿐이라 이웃의 송신이 수신기에 100 dB 가까이 세게 들어온다.
사양의 간섭 완화 방식은 주파수 분할, 시간 분할, 시간 정렬, 혼합. 필터와 격리로 차단 한도(LE −35 dBm, BR/EDR −27 dBm) 아래로 못 내리면 시간을 나눠야 한다.
이동통신은 기지국이 시간표를 정하므로 블루투스가 맞춘다. 순수 TDM은 송수신 모두, 하이브리드는 수신만 제한한다. 순수 TDM에서는 5 ms 프레임마다 슬롯 쌍 4개 중 3개를 잃을 수 있다.
시간표 맞추기: 외부 프레임 설정(HCI, 하향·상향·양방향·보호 구간) + FRAME_SYNC + 피코넷 시계 조정(4.1) + SAM(5.0, 슬롯 종류 0~3). 찾기·호출에는 Train Nudging과 Interlaced Scanning(4.1).
Vol 7은 모뎀–블루투스 공존 신호 10가지(FRAME_SYNC, MWS_RX/TX, MWS_PATTERN, BLUETOOTH_RX_PRI/TX_ON, 802_TX_ON/RX_PRI, 쉬는 시간, 스캔 주파수)와 전송 방식 WCI-1(한 가닥, 반이중)·WCI-2(UART 전이중)을 정한다. UART 문자 하나 = 종류 3비트 + 내용 5비트.
사양은 블루투스–Wi-Fi 신호를 정하지 않는다. AFH·호스트 채널 분류와 칩 내부의 PTA 우선순위(구현 영역)로 푼다.

확인 퀴즈

휴대폰의 LTE 송신(+23 dBm)이 블루투스 수신을 방해하는 정도를 줄이는 방법으로 가장 거리가 먼 것은?

블루투스 송신을 키워도 블루투스 수신기에 들어오는 LTE 세기는 그대로다. 격리·필터(주파수)나 시간 나누기가 해법이다.

Core 6.3이 요구하는 LE 수신기의 대역 외 차단 한도(2,003~2,399 MHz)는?

[Vol 6] Part A Table 4.7. 원하는 신호가 감도보다 3 dB 센 상태에서 −35 dBm의 방해 신호를 견디며 BER 0.1% 이하여야 한다.

하이브리드 모드가 순수 TDM 모드와 다른 점은?

하이브리드는 주파수 보호대와 양쪽 필터 조건이 필요하지만, 블루투스가 이동통신 하향 시간에도 송신할 수 있어 슬롯 손실이 줄어든다([Vol 1] Part A §7.4).

WCI-2 UART 문자 하나의 구성은?

[Vol 7] Part B·C Table 3.1. 비트 0(최하위)이 먼저 전송된다.

WCI-2 쉬는 시간 메시지(종류 3)의 DURATION이 6이면?

MWS_INACTIVITY_DURATION = DURATION × 5 ms. 0은 취소, 31은 무한이다.

블루투스와 같은 칩의 Wi-Fi 사이 공존 신호에 대해 Core 6.3이 정한 것은?

[Vol 1] Part A §7.3: “The specification does not specify signaling between the Bluetooth Controller and a Wireless LAN device.” 802_TX_ON·802_RX_PRI는 모뎀에게 Wi-Fi 상태를 알리는 신호다.