주파수 도약과 공존

왜 옮겨 다니나: 한 테이블에 앉으면 생기는 일

한 채널에만 머무는 무선 링크를 생각해 보자. 그 채널이 마침 옆집 Wi-Fi와 겹치면 Wi-Fi가 말하는 동안 블루투스 패킷은 계속 깨진다. 2장에서 본 다중 경로 페이딩의 골짜기에 빠져도 그 위치에 있는 한 계속 끊긴다. 재수 없는 채널을 고르면 계속 재수가 없다.

채널을 계속 바꾸면 이야기가 달라진다. 79개(또는 37개) 채널 가운데 Wi-Fi가 덮는 것이 20개라면, 무작위로 고른 다음 채널이 막혀 있을 확률은 20/79, 약 25%다. 하지만 그 손해는 그 패킷 하나로 끝나고, 다음 패킷은 다른 채널에서 성공할 가능성이 높다. 재전송 한 번이면 대부분 복구된다. 나쁜 채널의 피해를 모든 시간에 고르게 나눠, 큰 사고를 작은 손해 여러 번으로 바꾸는 것이다. 이것이 주파수 도약(frequency hopping)이다.

도약에는 숨은 장점이 하나 더 있다. 같은 방에 블루투스 연결이 여럿 있어도 각자 다른 순서로 도약하므로, 두 연결이 같은 순간 같은 채널에 있을 확률은 낮다. 특별한 조정 없이도 수십 개 연결이 한 공간에서 산다. 다만 기기 수가 늘수록 이 우연한 충돌도 늘어난다.

클래식: 625 µs마다 한 번, 79개 채널

클래식 블루투스의 시간은 625 µs 슬롯으로 나뉜다. 연결을 이끄는 센트럴(예전 용어로 마스터)이 짝수 슬롯에서 보내고, 페리페럴은 그다음 홀수 슬롯에서 답한다. 패킷이 한 슬롯짜리면 슬롯마다 채널을 바꾸므로 1초에 1/0.000625 = 1,600번 도약한다. 3슬롯, 5슬롯짜리 긴 패킷은 그동안 한 채널에 머문다.

도약 순서는 센트럴의 블루투스 주소와 시계로 정해진다. 같은 연결(피코넷)의 기기는 센트럴의 주소와 시계를 알기 때문에 다음 채널을 똑같이 계산할 수 있고, 다른 피코넷은 다른 순서를 따른다.

적응형 주파수 도약 (AFH)

2000년대 초 802.11b/g Wi-Fi가 퍼지자 무작위 도약만으로는 손해가 커졌다. Wi-Fi 하나가 20 MHz, 즉 클래식 채널 79개 중 20개 남짓을 막고, 공유기 세 대가 1·6·11번을 쓰면 60개 가까이가 시끄러워진다. 그래서 1.2(2003)에 AFH(Adaptive Frequency Hopping)가 들어왔다. 센트럴이 채널별로 패킷 오류율이나 잡음을 재서 나쁜 채널을 표시한 채널 맵을 만들고, 페리페럴에게 알린 뒤 둘 다 나쁜 채널을 빼고 도약한다. 단 너무 적은 채널로 도약하면 도약의 장점이 사라지고 규제(일부 지역의 도약 방식 요건)에도 걸리므로, 사양은 최소 20개 채널은 쓰도록 한다.

625 µs 슬롯: [Vol 2] Part B §2.2.3 · AFH 최소 채널 N_min = 20: [Vol 2] Part B §2.3.1 · 1.2의 새 기능 AFH: [Vol 1] Part C §2.1

간섭 실험: 고정, 도약, 적응형 도약

세 방식이 Wi-Fi와 섞였을 때 얼마나 손해를 보는지 직접 비교해 보자. 시뮬레이터는 LE 연결(범용 채널 37개)을 기준으로, Wi-Fi가 쓰는 채널은 일정 비율의 시간 동안 막혀 있다고 본다.

LE의 도약: 연결 이벤트마다 한 번

LE는 클래식처럼 슬롯마다 뛰지 않는다. 6장에서 보겠지만 LE 연결은 정해진 연결 간격마다 짧게 깨어나 이야기하는 연결 이벤트(connection event)로 이루어진다. LE는 연결 이벤트마다 한 번 채널을 바꾸고, 한 이벤트 안에서 주고받는 패킷들은 같은 채널을 쓴다. 광고 채널 37·38·39를 뺀 범용 채널 37개(0~36)가 도약 대상이다.

LE에서 AFH는 필수다. 센트럴은 범용 채널마다 “좋음·나쁨·알 수 없음”을 분류하고, 이를 바탕으로 쓸 채널(used)과 안 쓸 채널(unused)을 표시한 채널 맵(channel map)을 만든다. 채널 맵은 연결을 맺을 때(CONNECT_IND) 페리페럴에게 전달되고, 바뀌면 LL_CHANNEL_MAP_IND로 알린다. 사양이 요구하는 최소 사용 채널은 2개뿐이라 클래식보다 훨씬 공격적으로 나쁜 채널을 뺄 수 있다. 5.3부터는 페리페럴도 자기 쪽에서 본 채널 상태를 센트럴에게 보고할 수 있다(LL_CHANNEL_STATUS_IND).

범용 채널 AFH 필수, 채널 분류(unknown/bad/good), 최소 사용 채널 2개: [Vol 6] Part B §4.5.8.1 · 채널 맵 갱신 절차: [Vol 6] Part B §5.1.2

채널 선택 알고리즘 #1: 일정한 걸음

4.0부터 있던 방식이다. 연결을 맺을 때 5~16 사이의 무작위 수 hopIncrement를 정하고, 이벤트마다 그만큼 더한다.

알고리즘 #1은 단순하지만 약점이 있다. 순서가 너무 규칙적이라 엿듣는 쪽이 두세 개의 채널만 보고도 다음 채널을 예측할 수 있고, 같은 hopIncrement를 고른 두 연결은 한번 부딪히면 계속 같이 움직인다. 또 안 쓰는 채널을 다시 매핑할 때 일부 채널에 몰리는 치우침이 생긴다.

채널 선택 알고리즘 #2: 의사 난수

5.0에서 추가된 방식이다. 연결마다 고유한 접근 주소(6장)에서 16비트 channelIdentifier를 만들고(위 16비트 XOR 아래 16비트), 이를 이벤트 카운터와 섞어 의사 난수 prn_e를 만든다. 섞는 방법은 8비트씩 비트 순서를 뒤집기(permutation)와 “17을 곱하고 더한 뒤 2¹⁶으로 나눈 나머지”(MAM)를 세 번 반복하는 것이다. unmappedChannel = prn_e mod 37이고, 그 채널이 안 쓰는 채널이면 ⌊쓰는 채널 수 × prn_e ÷ 2¹⁶⌋번째 쓰는 채널로 바꾼다. 카운터만 알면 어느 이벤트의 채널이든 바로 계산할 수 있어서, 주기적 광고와 등시성 채널(10장)처럼 많은 수신자가 따라가야 하는 곳에 쓰기 좋다.

알고리즘 #1(hopIncrement 5~16): [Vol 6] Part B §4.5.8.2 · 알고리즘 #2: [Vol 6] Part B §4.5.8.3 · 샘플 데이터(Table 3.1·3.2): [Vol 6] Part C §3

공존: 한 휴대폰 안의 Wi-Fi와 블루투스

지금까지는 남의 Wi-Fi였다. 더 까다로운 경우는 같은 휴대폰 안의 Wi-Fi와 블루투스다. 요즘 휴대폰은 Wi-Fi와 블루투스를 칩 하나(콤보 칩)에 넣고 안테나도 나눠 쓰는 경우가 많다. 안테나가 몇 cm 떨어져 있어도, 한쪽이 +15 dBm으로 보내는 순간 다른 쪽 수신기에는 수신 감도보다 100 dB 가까이 센 신호가 들어온다. 이때는 도약으로도 피할 수 없다. 해결책은 시간을 나눠 쓰는 것이다.

• 패킷 교통 정리(PTA, Packet Traffic Arbitration): 칩 안의 중재기가 매 순간 누가 말할지 정한다. 블루투스 오디오 패킷처럼 늦으면 안 되는 것을 먼저 보내고, Wi-Fi는 그 틈을 쓴다.
• AFH 연동: Wi-Fi가 지금 쓰는 2.4 GHz 채널을 블루투스 쪽에 알려 그 범위를 채널 맵에서 뺀다. 사양은 호스트가 컨트롤러에게 나쁜 채널을 알려 주는 명령(HCI_LE_Set_Host_Channel_Classification)을 둔다.
• 다른 무선과의 신호: LTE·5G 모뎀의 일부 대역(예: 2.3 GHz, 2.5~2.6 GHz)은 2.4 GHz 바로 옆이다. Core 사양 Vol 7은 블루투스 칩과 셀룰러 모뎀이 “지금 송신 중” 같은 신호를 주고받는 공존 인터페이스를 정의한다.

이동통신 모뎀과의 표준 공존 신호(Vol 7), LTE TDD 프레임에 맞춘 시간표, 필터와 격리 계산, 칩 안의 중재는 13장 “공존”에서 자세히 다룬다.

호스트 채널 분류 명령: [Vol 4] Part E §7.8.19(HCI_LE_Set_Host_Channel_Classification) · 무선 공존 신호: [Vol 7] Part A(전송: Part B WCI-1, Part C WCI-2)