Bluetooth(블루투스) 어떻게 동작하는지 알아보기

블루투스 이어폰을 사용한다면 .. 사람이 많은곳이나 특정 장소에서 굉장한 간섭이 일어나고 듣고있는 음악이 끊기는 현상을 가끔 느낄 수 있습니다.

동작원리가 어떻게 되고 이런 간섭현상은 왜 일어나는지.. 알아보기로 합니다.

 

(이전 편 - Wi-fi(와이파이) 어떻게 동작하는지 알아보기→)

이전 편을 보시면 와이파이 무선연결은 2.4GHz 주파수 대역을 사용한다고 적혀져있습니다.

블루투스 역시 2.4GHz 주파수 대역을 사용하지만 와이파이와 완전히 다른 방식으로 동작합니다.

 

블루투스는 인터넷을 사용하는 것이 아니라, 두 기기가 직접 데이터를 주고 받는 방식(Peer-To-Peer)을 의미합니다.

주요 특징은 다음과 같습니다.

• 2.4GHz 주파수 대역 사용 (Wi-Fi와 동일한 주파수 대역)
• 주파수 호핑(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)을 사용해 간섭 최소화
• IP 주소 없음 (3계층 네트워크 사용 안 함)
• TCP/UDP 포트 개념 없음 → 대신 L2CAP(논리적 링크) 사용
• 소형 데이터 전송에 적합 (음악, 파일, 키보드 입력, IoT 제어 등)

마찬가지로, 어려운 용어들이 마구 쏟아져 나오는데, 하나씩 살펴봅시다.

1. 주파수 호핑(FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Wi-Fi는 하나의 특정 주파수 채널(예: 2.437GHz → 무선 대역의 6채널 등)에 고정해서 통신을 했습니다.

하지만 블루투스는 2.4GHz 채널 전체(2.402GHz ~ 2.480GHz)를 "빠르게 변경" 하면서 통신합니다.

초당 1600번 주파수를 바꿔가면서 데이터를 주고 받습니다(AFH: Adaptive Frequency Hopping 기술)

왜냐? Wi-Fi, 전자리인지 등과 주파수 간섭을 피하기 위한 목적입니다.

간섭을 피하기 위해 주파수 호핑 기술을 사용하면서 .. 왜 블루투스 신호 끊김이 자주 발생하는가 ?
- 블루투스의 한계 + 무선 환경의 복잡한 요소들이 겹쳐서 발생하는 문제입니다.
1. Wi-Fi와의 간섭(가장 흔한 원인)
    블루투스와 Wi-Fi가 같은 주파수 대역을 공유하고, 간섭을 피하기위해 FHSS를 사용하지만, Wi-Fi 채널이 너무 많이 사용되면, 아무리 주파수를 바꿔도 간섭에서 벗어나지 못합니다.😂
(카페, 스타벅스, 지하철, 공항 등 Wi-Fi AP가 너무 많은 환경)
2. 반사 및 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)
    사람이 많은 곳에서는 벽, 유리, 금속, 몸(물체)등이 신호를 반사하면서 같은 신호가 여러 경로로 이동하다가 서로 충돌하는 문제가 발생합니다. 특히 2.4GHz 대역은 파장이 약 12cm라서 작은 장애물에도 영향을 쉽게 받습니다.
3. 블루투스 장치간 충돌(Coexistence 문제)
    블루투스는 한 번에 하나의 장치와만 데이터를 주고 받을 수 있는데, 여러 개의 블루투스 장치를 동시에 사용하면 장치간 충돌이 발생합니다.
4. 블루투스 기기의 송신 출력이 낮음(Low Power Mode)
    블루투스 기기가 낮은 전력 소모를 위해 송신 출력을 낮추는 경우(배터리 부족 등) 신호 세기가 낮아져서 끊김이 발생합니다.

 

2. IP, TCP/UDP 포트 개념이 없다 ?

블루투스는 "논리적 채널"을 사용합니다.

네트워크 계층(3계층, IP) 없이, 데이터링크 계층(2계층)에서 직접 데이터를 교환합니다. (OSI 7계층 알아보기→)

[L2CAP]

Wi-Fi는 IP 주소 + 포트로 데이터를 구별하지만, 블루투스는 L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 논리적 링크 제어 프로토콜)을 사용해  데이터를 분류합니다.

• 예: 블루투스 스피커, 파일 전송, 키보드 입력 → 각각 다른 채널로 분류해 각 채널에 서비스 ID를 할당합니다.
  (PSM, Protocol/Service Multiplexer)
  오디오 → PSM 0x0017 (A2DP 프로파일)
  파일전송 → PSM 0x0003 (OBEX 파일 전송, FTP )
  키보 입력 → PSM 0x0011 (HID 프로파일)
  ...
• 각 기기가 "이 채널은 오디오용, 이 채널은 파일 전송용..." 이라고 인식하고 데이터를 전송합니다.

즉, 블루투스는 TCP/UDP 포트 대신 L2CAP 채널과 PSM(Service ID)로 데이터를 분류합니다.

 

3. 블루투스 데이터 전송 과정

예: 블루투스 헤드셋이 스마트폰에서 음악을 받는 과정

1. 스마트폰과 블루투스 헤드셋이 페어링 됩니다(HCI:Host Control Interface) 프로토콜을 사용합니다.)
2. 스마트폰이 "음악 데이터를 보내겠습니다!" 라고 L2CAP 채널을 생성합니다.
3. L2CAP PSM 0x0017(A2DP 프로파일)로 오디오 데이터를 송신합니다.
4. 헤드셋이 수신 후 DAC(디지털-아날로그 변환)하여 소리를 출력합니다.

HCI 프로토콜 ?
블루투스 장치와 운영체제(스마트폰, PC)사이에서 데이터를 주고받는 인터페이스(프로토콜) 입니다.
즉, 블루투스 칩(하드웨어)과 스마트폰/PC(소프트웨어) 사이의 통신을 담당하는 역할을 합니다.

블루투스 장치 탐색, 데이터 전송 요청, 블루투스 장치의 신호 세기, 배터리 상태 등 정보를 제공하고, 처리한 데이터를 OS가 이해할 수 있도록 변환합니다.

 

4. 블루투스 동글

블루투스 동글은 PC나 노트북에 블루투스 기능을 추가하는 USB 장치입니다.

동글은 작동방식에 따라 두가지 유형이 있습니다.

 

1) HCI 모드 지원 블루투스 동글(Host Controlled)

- HCI 프로토콜을 이용해 블루투스 칩을 직접 제어합니다.

PC/노트북/스마트폰의 운영체제(OS)가 블루투스 스택(소프트웨어)로 직접 관리합니다.

 

2) 자체 블루투스 프로토콜 처리 블루투스 동글(Standalone Mode)

- HCI 모드를 사용하지 않습니다.

OS가 블루투스 스택을 관리하지 않고, 동글 내부에서 자체적으로 블루투스 프로토콜을 처리합니다.

 

쉽게 생각하면, 이어폰 연결하려고 다이소에서 사는 블루투스 동글 → HCI 모드 지원 블루투스 동글

무선 키보드, 마우스를 사면 딸려오는 블루투스 동글  → 자체 블루투스 프로토콜 동글

로 이해하면 될 것 같습니다 !

 

 

5. 블루투스 버전?

블루투스 관련 기기를 구매할 때 보면, 예를들어 스마트폰 사양에 '블루투스 x.x버전 지원'과 같은 문구가 적혀있습니다.

블루투스 버전은 해당 기기가 지원하는 블루투스 기술 수준을 이야기합니다.

버전이 높을수록 속도 증가, 연결 안정성 개선, 저전력 지원 확대 등의 새로운 기능이 추가됩니다.

 

버전별 주요 변화만 간단하게 정리해 봅니다.

• 4.0 (BLE: Bluteooth Low Energe)
  : 초 저전력 블루투스(BLE)최초 도입, 스마트워치, 스마트밴드, IoT 기기에서 배터리 소모 줄이는 핵심 기술이 추가됩니다. 그러나 4.0 BLE는 오디오(음악 스트리밍)을 지원하지 않아 오디오용은 기존 방식(클래식 블루트스)을 사용합니다.
• 5.0 (가장 큰 변화)
  : 속도 x2배 (1Mbps → 2Mbps), 연결 거리 x4배 (50m → 200m, 장애물 없을 때), 무선 간섭 최소화 → Wi-Fi 간섭 감소, 연결 안정성 향상, 멀티 디바이스 연결 가능(듀얼 오디오: 스마트폰에서 블루투스 이어폰 2개를 동시에 연결)
• 5.2 (LE Audio & LC3 코덱)
  : LE Audio(저전력 오디오) 지원  → 블루투스 오디오 배터리 절약 가능
  LC3 코덱(Low Complexity Communication Codec) 추가(더 낮은 지연시간, 고음질, 배터리 절약)
• 6.0 (24년 9월 3일 발표)
  : 채널 사운딩(실제 거리 인식 기능 도입), Find My 기능 개선, 디지털 키 보안 강화, 광고주 모니터링(중복 광고 패킷 필터링, 장치의 범위 내/외 상태 실시간 확인 등)

 

내가 쓰는 버즈 프로는 블루투스 5.0 버전.. 무선 간섭 최소화 버전인데 그래도 오래되서 그런건지 .. 왜 간섭이 ..