WO2016175471A1 - 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크에서 데이터를 송수신하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

블루투스를 이용한 메쉬 네트워크에서 데이터를 송수신하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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임진권
권영환
최진구
송태영
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엘지전자(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for transmitting and receiving data in a mesh network using Bluetooth, which is a short-range technology in a wireless communication system, and more particularly, to a method and apparatus for changing a relay role of a relay device for relaying data in a Bluetooth mesh network. It is about.
  • Bluetooth is a short-range wireless technology standard that can transmit and receive data by wirelessly connecting various devices in a short distance.
  • a user When performing wireless communication between two devices using Bluetooth communication, a user performs a procedure of searching for a Bluetooth device and requesting a connection. do.
  • the device may mean an apparatus and an apparatus.
  • the user may perform a connection after searching for the Bluetooth device according to the Bluetooth communication method to use using the Bluetooth device.
  • the Bluetooth communication method includes a basic rate / enhanced data rate (BR / EDR) method and a low energy (LE) method, which is a low power method.
  • the BR / EDR scheme may be referred to as Bluetooth Classic.
  • the Bluetooth classic includes Bluetooth technology that has been adopted since Bluetooth 1.0 using Basic Rate and Bluetooth technology that has used Enhanced Data Rate supported since Bluetooth 2.0.
  • Bluetooth Low Energy (hereinafter referred to as Bluetooth LE) technology has been applied since Bluetooth 4.0, and can consume hundreds of kilobytes (KB) of information stably with low power consumption.
  • the Bluetooth low energy energy technology uses an attribute protocol to exchange information between devices. This Bluetooth LE method can reduce energy overhead by reducing the header overhead and simplifying the operation.
  • Some Bluetooth devices do not have a display or a user interface.
  • the complexity of connection / management / control / disconnection between various kinds of Bluetooth devices and similarly applied Bluetooth devices is increasing.
  • Bluetooth can achieve a relatively high speed at a relatively low power, low cost, but the transmission distance is generally limited to a maximum of 100m, it is suitable for use in a limited space.
  • An object of the present invention is to provide a method for transmitting and receiving data by using Bluetooth Low Energy (LE) technology.
  • LE Bluetooth Low Energy
  • Another object of the present invention is to provide a method for setting a role of a relay device when forming a mesh network using Bluetooth.
  • Another object of the present invention is to provide a method for changing the role of data relay between devices in a mesh network using Bluetooth.
  • Another object of the present invention is to provide a method for setting a relay role by comparing capacities between devices in forming a mesh network using Bluetooth.
  • Another object of the present invention is to provide a method for setting a device suitable for relaying data as a relay device by comparing capacities between devices in forming a mesh network using Bluetooth.
  • the present invention in forming a mesh network using Bluetooth, by comparing the capability (capability) between devices to set the device suitable for the relay of data as a relay device and the other device is set to not relay the traffic Its purpose is to provide a method for reducing and preventing data collisions between relay devices.
  • the present invention provides a method for changing a relay role of a relay device in a mesh network of Bluetooth for solving the above-mentioned problems, the method comprising: a first capability indicating a capability of the first device from a first device; Receiving a first message comprising Capability information; Comparing the first capability information with second capability information indicating the capability of the relay device; Determining whether the first device performs a relay role based on the comparison result; And transmitting a notification message including a result of the determination to at least one device connected to the relay device.
  • the present invention further includes transmitting a second message including the second capability information to the second device.
  • the first message and the second message are transmitted through a data channel.
  • each of the first message and the second message further includes a channel ID indicating the advertising channel.
  • the first message and the second message are transmitted using an attribute protocol.
  • the first message is transmitted through an advertising channel.
  • the present invention may further include receiving a termination message indicating termination of the relay role of the relay device from the first device when the first device plays a relay role.
  • the present invention further includes performing a connection termination procedure with the at least one device.
  • each of the first capability information and the second capability information includes at least one of received signal strength, battery remaining information, transmit power information, or received power information.
  • the present invention also provides a method comprising: transmitting a first message including first capability information indicating capability of the first device to a relay device serving as a relay; Receiving a second message from the relay device, the second message comprising second capability information indicating the capability of the relay device; Comparing the first capability information with the second capability information; And determining whether the first device performs a relay role based on the comparison result.
  • the present invention may further include transmitting a termination message indicating termination of the relay role of the relay device to the relay device when the first device performs the relay role.
  • the present invention further includes the step of performing a connection with at least one device that has been connected with the relay device.
  • the performing of the connection may include: receiving an advertisement message from the at least one device; And transmitting a connection request message to the at least one device based on the advertisement message.
  • each of the first capability information and the second capability information includes at least one of received signal strength, battery remaining information, transmit power information, or received power information.
  • the communication unit for communicating with the outside by wireless or wired;
  • It provides a device for controlling to transmit a notification message containing the result of the determination to at least one device connected to the relay device.
  • the present invention has the effect of efficiently transmitting data over a long distance by setting the devices that act as a relay by comparing the capabilities (capability) between devices in forming a mesh network using Bluetooth.
  • the present invention provides a mesh network using Bluetooth, and compares the capability between the devices (devices) to configure the devices that act as a relay to reduce data traffic, hops required for data transmission and data collision There is an effect that can be reduced.
  • the present invention is to form a mesh network using Bluetooth, by comparing the capabilities (capability) between devices by setting the devices that act as a relay to reduce the number of relay devices data is transmitted in an infinite loop There is an effect that can be prevented.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a wireless communication system using a Bluetooth low power energy technology to which the present invention can be applied.
  • FIG. 2 shows an example of an internal block diagram of a device to which the present invention can be applied.
  • FIG. 3 shows an example of a Bluetooth low power energy topology.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which the present invention can be applied.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a structure of a GATT (Generic Attribute Profile) based profile of Bluetooth low power energy.
  • GATT Generic Attribute Profile
  • 6 and 7 are schematic diagrams showing an example of a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a protocol stack of a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a method for a device to which the present invention may be applied to participate in a Bluetooth mesh network.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a procedure of establishing a bearer based on advertisements to which the present invention may be applied.
  • 11 and 12 are flowcharts illustrating an example of an operation of a relay device in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 13 and 14 are flowcharts illustrating an example of an operation of an edge device in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating an example of a method for changing a relay role between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • 16 and 17 illustrate an example of a method and a message format for comparing capacities between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIGS. 18 and 19 illustrate another example of a method and a message format for comparing capacities between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • 20 is a flowchart illustrating an example of a method for notifying devices of a change in relay role in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of applying a method of changing a relay role in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a wireless communication system using a Bluetooth low power energy technology to which the present invention can be applied.
  • the wireless communication system 100 includes at least one server device 120 and at least one client device 110.
  • the server device and the client device perform Bluetooth communication using Bluetooth Low Energy (BLE) technology.
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • BLE technology Compared to Bluetooth Basic Rate / Enhanced Data Rate (BR / EDR) technology, BLE technology has a relatively small duty cycle, enables low-cost production, and significantly reduces power consumption through low data rates. If you use a coin cell battery, it can operate for more than a year.
  • BR / EDR Bluetooth Basic Rate / Enhanced Data Rate
  • the BLE technology simplifies the connection procedure between devices, and the packet size is smaller than that of the Bluetooth BR / EDR technology.
  • the number of RF channels is 40
  • the data rate supports 1Mbps
  • the topology is a scatternet structure
  • latency is 3ms
  • (6) output power is less than 10mW (10dBm)
  • (7) is mainly used in applications such as mobile phones, watches, sports, healthcare, sensors, device control.
  • the server device 120 may operate as a client device in relation to other devices, and the client device may operate as a server device in relation to other devices. That is, in the BLE communication system, any one device may operate as a server device or a client device, and if necessary, operate as a server device and a client device.
  • the server device 120 may include a data service device, a slave device device, a slave, a server, a conductor, a host device, a gateway, and a sensing device.
  • a sensing device a monitoring device (monitoring device), the first device, the second device, etc.
  • the client device 110 is a master device (master device), master (master), client, member (Member) ), A sensor device, a sink device, a collector, a control device, a first control device, a second control device, and the like.
  • the server device and the client device correspond to the main components of the wireless communication system, and the wireless communication system may include other components in addition to the server device and the client device.
  • the server device When the server device receives data from the client device and directly communicates with the client device, and receives a data request from the client device, the server device provides the data to the client device through a response.
  • the server device sends a notification message and an indication message to the client device to provide data information to the client device.
  • the server apparatus transmits an instruction message to the client apparatus, the server apparatus receives a confirmation message corresponding to the instruction message from the client.
  • the server device provides data information to the user through a display unit or receives a request input from the user through a user input interface in the process of transmitting and receiving notification, instruction, and confirmation messages with the client device. can do.
  • the server device may read data from a memory unit or write new data to a corresponding memory in a process of transmitting and receiving a message with the client device.
  • one server device may be connected to a plurality of client devices, and may be easily reconnected (or connected) with client devices by using bonding information.
  • the client device 110 refers to a device that requests data information and data transmission from a server device.
  • the client device receives data from the server device through a notification message, an instruction message, and the like, and when receiving an instruction message from the server device, sends a confirmation message in response to the instruction message.
  • the client device may provide information to the user through an output unit or receive an input from the user through an input unit in the process of transmitting and receiving messages with the server device.
  • the client device may read data from a memory or write new data to a corresponding memory in a process of transmitting and receiving a message with the server device.
  • Hardware components such as an output unit, an input unit, and a memory of the server device and the client device will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • the wireless communication system may configure Personal Area Networking (PAN) through Bluetooth technology.
  • PAN Personal Area Networking
  • the wireless communication system by establishing a private piconet between devices, files, documents, and the like can be exchanged quickly and securely.
  • FIG. 2 shows an example of an internal block diagram of a device to which the present invention can be applied.
  • the server device may include an output unit 111, a user input interface 112, a power supply unit 113, a processor 114, and a memory unit. , 115), a Bluetooth interface 116, another communication interface 117, and a communication unit (or a transceiver unit 118).
  • the output unit 111, the input unit 112, the power supply unit 113, the processor 114, the memory 115, the Bluetooth interface 116, the other communication interface 117 and the communication unit 118 are proposed herein. It is functionally linked to perform the method.
  • the client device may include a display unit 121, a user input interface 122, a power supply unit 123, a processor 124, a memory unit 125, and a Bluetooth interface. (Bluetooth Interface) 126 and a communication unit (or a transceiver unit 127).
  • Bluetooth Interface Bluetooth Interface
  • the output unit 121, the input unit 122, the power supply unit 123, the processor 124, the memory 125, the Bluetooth interface 126, and the communication unit 127 are used to perform the method proposed in this specification. Functionally connected
  • the Bluetooth interface 116, 126 refers to a unit (or module) capable of transmitting data or request / response, command, notification, indication / confirmation message, etc. between devices using Bluetooth technology.
  • the memories 115 and 125 are units implemented in various types of devices and refer to units in which various kinds of data are stored.
  • the processor 114, 124 refers to a module that controls the overall operation of the server device or the client device, and controls to process a message request and a received message through a Bluetooth interface and another communication interface.
  • the processors 114 and 124 may be represented by a controller, a control unit, a controller, or the like.
  • the processors 114 and 124 may include application-specific integrated circuits (ASICs), other chipsets, logic circuits, and / or data processing devices.
  • ASICs application-specific integrated circuits
  • the processor 114, 124 controls the communication unit to receive an advertising message from a server device, transmits a scan request message to the server device, and scans in response to the scan request from the server device.
  • the communication unit controls the communication unit to receive a scan response message, and controls the communication unit to transmit a connect request message to the server device for establishing a Bluetooth connection with the server device.
  • the processor 114 and 124 may also read or write data from the server device using a property protocol after a Bluetooth LE connection is formed through the connection procedure. To control.
  • the memories 115 and 125 may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory cards, storage media, and / or other storage devices.
  • ROM read-only memory
  • RAM random access memory
  • flash memory memory cards, storage media, and / or other storage devices.
  • the communication unit 118 and 127 may include a baseband circuit for processing a radio signal.
  • the above-described technique may be implemented as a module (process, function, etc.) for performing the above-described function.
  • the module may be stored in memory and executed by a processor.
  • the memories 115 and 125 may be inside or outside the processors 114 and 124, and may be connected to the processors 114 and 124 by various well-known means.
  • the output units 111 and 121 refer to modules for providing device status information and message exchange information to a user through a screen.
  • the power supply unit refers to a module for supplying power required for the operation of the components by receiving the external power, the internal power under the control of the controller.
  • BLE technology has a small duty cycle, and the low data rate can greatly reduce power consumption, so that the power supply is required for the operation of each component with less output power (10 mW (10 dBm or less)). Can supply power.
  • the input units 112 and 122 refer to a module that provides a user's input to the controller like a screen button so that the user can control the operation of the device.
  • FIG. 3 shows an example of a Bluetooth low power energy topology.
  • device A corresponds to a master in a piconet (piconet A, shaded portion) having device B and device C as slaves.
  • a piconet means a set of devices occupying a shared physical channel in which any one of a plurality of devices is a master and the remaining devices are connected to the master device.
  • the BLE slave does not share a common physical channel with the master and other slaves. That is, each slave communicates with the master through a separate physical channel.
  • piconet F Another piconet with master device F and slave device G.
  • a scatternet means a group of piconets in which connections between other piconets exist.
  • Device K is a master of device L and a slave of device M.
  • Device O is also on scatternet O.
  • Device O is a slave of device P and a slave of device Q.
  • Device D is an advertiser and device A is an initiator (group D).
  • Device E is a scanner and device C is an advertiser (group C).
  • Device H is an advertiser and devices I and J are scanners (group H).
  • Device K is also an advertiser and device N is an initiator (group K).
  • Device R is the advertiser and device O is the initiator (group R).
  • Devices A and B use one BLE piconet physical channel.
  • Devices A and C use another BLE piconet physical channel.
  • device D advertises using an advertisement event connectable onto an advertising physical channel, and device A is an initiator.
  • Device A may establish a connection with device D and add the device to piconet A.
  • device C advertises on the ad physical channel using some type of advertisement event captured by scanner device E.
  • Group D and Group C may use different advertising physical channels or use different times to avoid collisions.
  • Piconet F has one physical channel. Devices F and G use one BLE piconet physical channel. Device F is the master and device G is the slave.
  • Group H has one physical channel. Devices H, I and J use one BLE advertising physical channel. Device H is an advertiser and devices I and J are scanners.
  • devices K and L use one BLE piconet physical channel.
  • Devices K and M use another BLE piconet physical channel.
  • device K advertises using an advertisement event connectable onto an advertising physical channel
  • device N is an initiator.
  • Device N may form a connection with device K.
  • device K becomes a slave of two devices and simultaneously becomes a master of one device.
  • devices O and P use one BLE piconet physical channel.
  • Devices O and Q use another BLE piconet physical channel.
  • device R advertises using an advertisement event connectable onto an advertising physical channel, and device O is an initiator.
  • Device O may form a connection with device R.
  • device O becomes a slave of two devices and simultaneously becomes a master of one device.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which the present invention can be applied.
  • FIG. 4 shows an example of a protocol stack of Bluetooth Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR), and (b) shows a protocol stack of Bluetooth Low Energy (LE). An example is shown.
  • BR Basic Rate
  • EDR Enhanced Data Rate
  • LE Bluetooth Low Energy
  • the Bluetooth BR / EDR protocol stack has an upper controller stack 10 and a lower controller stack based on a host controller interface (HCI) 18. It may include a host stack (20) of.
  • HCI host controller interface
  • the host stack (or host module) 20 refers to a wireless transceiver module for receiving a 2.4 GHz Bluetooth signal and hardware for transmitting or receiving a Bluetooth packet.
  • the host stack (or host module) 20 is connected to a Bluetooth module which is the controller stack 10 to connect a Bluetooth module. Control and perform actions.
  • the host stack 20 may include a BR / EDR PHY layer 12, a BR / EDR baseband layer 14, and a link manager layer 16.
  • the BR / EDR PHY layer 12 is a layer for transmitting / receiving a 2.4 GHz radio signal and may transmit data by hopping 79 RF channels when using Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) modulation.
  • GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
  • the BR / EDR baseband layer 14 plays a role of transmitting a digital signal, selects a channel sequence hopping 1400 times per second, and transmits a 625us length time slot for each channel.
  • the link manager layer 16 controls the overall operation (link setup, control, security) of the Bluetooth connection by using a link manager protocol (LMP).
  • LMP link manager protocol
  • the link manager layer 16 may perform the following functions.
  • the host controller interface layer 18 provides an interface between the host module and the controller module so that the host can provide commands and data to the controller, and the controller can provide events and data to the host.
  • the host stack (or host module) 20 may include a logical link control and adaptation protocol (L2CAP, 21), an attribute protocol (Protocol, 22), a generic attribute profile (GATT, 23), and a generic access profile. Profile, GAP, 24), BR / EDR profile 25.
  • L2CAP logical link control and adaptation protocol
  • Protocol 22
  • GATT generic attribute profile
  • GAP BR / EDR profile
  • the logical link control and adaptation protocol (L2CAP) 21 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 21 may multiplex various protocols, profiles, etc. provided by a higher layer of Bluetooth.
  • L2CAP of Bluetooth BR / EDR uses dynamic channel, supports protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode, and provides segmentation, reassembly, per-channel flow control, and error control.
  • the generic attribute profile (GATT) 23 may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 22 is used in the construction of services.
  • the general attribute profile 23 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with the services.
  • the generic attribute profile 23 and the attribute protocol ATT 22 may use features to describe the state and services of a device and to describe how features relate to each other and how they are used.
  • the attribute protocol 22 and the BR / EDR profile 25 define a service (or profile) using Bluet's BR / EDR and an application protocol for sending and receiving these data, and the Generic Access Profile , GAP, 24) define how devices are discovered, connected, and informed, and provide privacy.
  • the Bluetooth LE protocol stack is a controller stack 30 operable to handle timing-critical radio interface and a host operable to process high level data. It contains a stack (Host stack, 40).
  • the controller stack 30 may be implemented using a communication module that may include a Bluetooth radio, for example, a processor module that may include a processing device such as a microprocessor.
  • the host stack may be implemented as part of an OS running on a processor module, or as an instance of a package on the OS.
  • controller stack and the host stack can be operated or executed on the same processing device in the processor module.
  • the controller stack 30 includes a physical layer (PHY) 32, a link layer 34, and a host controller interface 36.
  • PHY physical layer
  • link layer 34 link layer
  • host controller interface 36 host controller interface
  • the physical layer (PHY) 32 is a layer that transmits and receives a 2.4 GHz radio signal and uses GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation and a frequency hopping technique composed of 40 RF channels.
  • GFSK Gausian Frequency Shift Keying
  • the link layer 34 which transmits or receives a Bluetooth packet, creates a connection between devices after performing advertising and scanning functions using three advertising channels, and generates up to 257 bytes of data packets through 37 data channels. Provides the ability to send and receive.
  • the host stack includes a generic access profile (GAP) 40, a logical link control and adaptation protocol (L2CAP, 41), a security manager (SM, 42), an attribute protocol (ATT, 440), and a general attribute profile.
  • GAP generic access profile
  • L2CAP logical link control and adaptation protocol
  • SM security manager
  • ATT attribute protocol
  • 440 general attribute profile
  • GATT Generic Attribute Profile
  • GATT Generic Access Profile
  • LE profile 466
  • the host stack 40 is not limited to this and may include various protocols and profiles.
  • the host stack uses L2CAP to multiplex the various protocols, profiles, etc. provided by Bluetooth.
  • L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol 41 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 41 may be operable to multiplex data among higher layer protocols, segment and reassemble packages, and manage multicast data transmission.
  • Bluetooth LE uses three fixed channels (one for the signaling channel, one for the Security Manager, and one for the Attribute protocol).
  • BR / EDR Base Rate / Enhanced Data Rate
  • the SM (Security Manager) 42 is a protocol for authenticating a device and providing key distribution.
  • Attribute Protocol (ATT) 43 defines a rule for accessing data of a counterpart device in a server-client structure. ATT has six message types (Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation).
  • the Request message is a message for requesting specific information from the client device to the server device
  • the Response message is a response message to the request message, which is a message transmitted from the server device to the client device.
  • Command message A message sent from the client device to the server device to indicate a command of a specific operation.
  • the server device does not transmit a response to the command message to the client device.
  • Notification message This message is sent from the server device to the client device for notification such as an event.
  • the client device does not transmit a confirmation message for the notification message to the server device.
  • Indication and Confirm message This message is transmitted from the server device to the client device for notification such as an event. Unlike the notification message, the client device transmits a confirmation message for the Indication message to the server device.
  • the present invention transmits a value for the data length when a long data request is made in the GATT profile using the attribute protocol (ATT, 43) so that the client can know the data length clearly, and from the server using the UUID (Characteristic) Can receive the value.
  • ATT attribute protocol
  • UUID Consumer User Data
  • the General Access Profile (GAP) 45 is a newly implemented layer for Bluetooth LE technology, and is used to control role selection and multi-profile operation for communication between Bluetooth LE devices.
  • the general access profile 45 is mainly used for device discovery, connection creation, and security procedures, and defines a method of providing information to a user, and defines the type of an attribute as follows.
  • UUID Universal Unique Identifier, value type
  • the LE profile 46 is mainly applied to a Bluetooth LE device as profiles having a dependency on GATT.
  • the LE profile 46 may be, for example, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time, Object Delivery Service, and the like. Details of GATT-based Profiles are as follows.
  • the generic attribute profile GATT 44 may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 43 is used in the construction of services.
  • the generic attribute profile 44 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with the services.
  • the generic attribute profile 44 and the attribute protocol may use features to describe the state and services of a device, and how features relate to each other and how they are used.
  • the BLE procedure may be classified into a device filtering procedure, an advertising procedure, a scanning procedure, a discovery procedure, a connecting procedure, and the like.
  • the device filtering procedure is a method for reducing the number of devices performing a response to a request, an indication, a notification, and the like in the controller stack.
  • the controller stack can control the number of requests sent, reducing power consumption in the BLE controller stack.
  • the advertising device or scanning device may perform the device filtering procedure to limit the device receiving the advertising packet, scan request or connection request.
  • the advertising device refers to a device that transmits an advertising event, that is, performs an advertisement, and is also referred to as an advertiser.
  • the scanning device refers to a device that performs scanning and a device that transmits a scan request.
  • the scanning device when the scanning device receives some advertising packets from the advertising device, the scanning device should send a scan request to the advertising device.
  • the scanning device may ignore the advertisement packets transmitted from the advertisement device.
  • the device filtering procedure may also be used in the connection request process. If device filtering is used in the connection request process, it is not necessary to transmit a response to the connection request by ignoring the connection request.
  • the advertising device performs an advertising procedure to perform a non-directional broadcast to the devices in the area.
  • undirected advertising is advertising directed to all (all) devices, not broadcast to a specific device, and all devices scan advertising to request additional information. You can make a connection request.
  • the device designated as the receiving device can scan an advertising and request an additional information or a connection request.
  • the advertising procedure is used to establish a Bluetooth connection with a nearby initiating device.
  • the advertising procedure may be used to provide periodic broadcast of user data to the scanning devices that are listening on the advertising channel.
  • the advertising devices may receive a scan request from listening devices that are listening to obtain additional user data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a response to the scan request to the device that sent the scan request through the same advertising physical channel as the received advertising physical channel.
  • Broadcast user data sent as part of an advertisement packet is dynamic data, while scan response data is generally static data.
  • the advertising device may receive a connection request from the initiating device on the advertising (broadcast) physical channel. If the advertising device used a connectable advertising event and the initiating device was not filtered by the device filtering procedure, the advertising device stops the advertising and enters the connected mode. The advertising device may start advertising again after the connected mode.
  • the device performing the scanning i.e., the scanning device, performs a scanning procedure to listen to the non-directional broadcast of the user data from the advertising devices using the advertising physical channel.
  • the scanning device sends a scan request to the advertising device via the advertising physical channel to request additional user data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a scan response that is a response to the scan request, including additional user data requested by the scanning device over the advertising physical channel.
  • the scanning procedure can be used while connected to other BLE devices in the BLE piconet.
  • the scanning device If the scanning device is in an initiator mode that can receive the broadcasted advertising event and initiate a connection request, the scanning device sends the connection request to the advertising device via the advertising physical channel to the advertising device. You can start a Bluetooth connection with.
  • the scanning device When the scanning device sends a connection request to the advertising device, the scanning device stops initiator mode scanning for further broadcast and enters the connected mode.
  • Bluetooth devices Devices capable of Bluetooth communication (hereinafter referred to as “Bluetooth devices”) perform an advertisement procedure and a scanning procedure to find devices that are nearby or to be found by other devices within a given area.
  • the discovery procedure is performed asymmetrically.
  • a Bluetooth device that attempts to find another device around it is called a discovering device and listens for devices that advertise a scannable advertisement event.
  • Bluetooth devices discovered and available from other devices are referred to as discoverable devices, and actively broadcast advertising events so that other devices can scan through an advertising (broadcast) physical channel.
  • Both the discovering device and the discoverable device may already be connected with other Bluetooth devices in the piconet.
  • connection procedure is asymmetric, and the connection procedure requires the other Bluetooth device to perform the scanning procedure while the specific Bluetooth device performs the advertisement procedure.
  • the advertising procedure can be the goal, so that only one device will respond to the advertising.
  • the connection may be initiated by sending a connection request to the advertising device via the advertising (broadcast) physical channel.
  • the link layer LL enters the advertisement state by the instruction of the host (stack). If the link layer is in the advertisement state, the link layer sends advertisement packet data units (PDUs) in the advertisement events.
  • PDUs advertisement packet data units
  • Each advertising event consists of at least one advertising PDU, which is transmitted via the advertising channel indexes used.
  • the advertisement event may terminate when the advertisement PDU is transmitted through each of the advertisement channel indexes used, or may terminate the advertisement event earlier when the advertisement device needs to make space for performing another function.
  • the link layer enters the scanning state by the indication of the host (stack). In the scanning state, the link layer listens for advertising channel indices.
  • scanning states There are two types of scanning states: passive scanning and active scanning, each scanning type being determined by the host.
  • ScanInterval is defined as the interval (interval) between the starting points of two consecutive scan windows.
  • the link layer must listen for completion of all scan intervals in the scan window as instructed by the host. In each scan window, the link layer must scan a different advertising channel index. The link layer uses all available advertising channel indexes.
  • the link layer When passive scanning, the link layer only receives packets and does not transmit any packets.
  • the link layer When active scanning, the link layer performs listening to rely on the advertising PDU type, which may request advertising PDUs and additional information related to the advertising device from the advertising device.
  • the link layer enters the initiation state by the indication of the host (stack).
  • the link layer When the link layer is in the initiating state, the link layer performs listening for the advertising channel indexes.
  • the link layer listens for the advertising channel index during the scan window period.
  • the link layer enters the connected state when the device performing the connection request, i.e., the initiating device, sends the CONNECT_REQ PDU to the advertising device or when the advertising device receives the CONNECT_REQ PDU from the initiating device.
  • connection After entering the connected state, the connection is considered to be created. However, it does not need to be considered to be established at the time the connection enters the connected state. The only difference between the newly created connection and the established connection is the link layer connection supervision timeout value.
  • the link layer that performs the master role is called a master, and the link layer that performs the slave role is called a slave.
  • the master controls the timing of the connection event, and the connection event is the point in time when the master and the slave are synchronized.
  • BLE devices use the packets defined below.
  • the link layer has only one packet format used for both advertisement channel packets and data channel packets.
  • Each packet consists of four fields: Preamble, Access Address, PDU, and CRC.
  • the PDU When one packet is sent on an advertising physical channel, the PDU will be an advertising channel PDU, and when one packet is sent on a data physical channel, the PDU will be a data channel PDU.
  • Advertising channel PDU (Advertising Channel PDU )
  • the advertising channel PDU Packet Data Unit
  • PDU Packet Data Unit
  • the PDU type field of the advertising channel PDU included in the header indicates a PDU type as defined in Table 1 below.
  • Advertising PDU (Advertising PDU )
  • advertising channel PDU types are called advertising PDUs and are used in specific events.
  • ADV_IND Connectable Non-Oriented Ads Event
  • ADV_DIRECT_IND Connectable Directional Advertising Event
  • ADV_NONCONN_IND Non-Connectable Non-Oriented Ads Event
  • ADV_SCAN_IND Scannable Non-Oriented Ads Event
  • the PDUs are transmitted at the link layer in the advertisement state and received by the link layer in the scanning state or initiating state.
  • the advertising channel PDU type below is called a scanning PDU and is used in the state described below.
  • SCAN_REQ Sent by the link layer in the scanning state and received by the link layer in the advertising state.
  • SCAN_RSP Sent by the link layer in the advertising state and received by the link layer in the scanning state.
  • the advertising channel PDU type below is called the initiating PDU.
  • CONNECT_REQ Sent by the link layer in the initiating state and received by the link layer in the advertising state.
  • the data channel PDU has a 16-bit header, payloads of various sizes, and may include a message integrity check (MIC) field.
  • MIC message integrity check
  • the procedure, state, packet format, etc. in the BLE technology may be applied to perform the methods proposed herein.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a structure of a GATT (Generic Attribute Profile) based profile of Bluetooth low power energy.
  • GATT Generic Attribute Profile
  • the GATT Generic Attribute Profile
  • a peripheral device for example, a sensor device serves as a GATT server, and has a definition of a service and a characteristic.
  • the GATT client sends a data request to the GATT server, and all transactions begin at the GATT client and receive a response from the GATT server.
  • the GATT-based operating structure used in the Bluetooth LE is based on Profile, Service, and Characteristic, and may form a vertical structure as shown in FIG. 5.
  • the profile consists of one or more services, and the service may consist of one or more features or other services.
  • the service divides data into logical units and may include one or more characteristics or other services.
  • Each service has a 16-bit or 128-bit identifier called the Universal Unique Identifier (UUID).
  • UUID Universal Unique Identifier
  • the characteristic is the lowest unit in the GATT based operation structure.
  • the property contains only one data and has a UUID of 16 bits or 128 bits similar to the service.
  • the property is defined as a value of various pieces of information and requires one attribute to contain each piece of information. Multiple properties of the above properties can be used.
  • the attribute consists of four components and has the following meaning.
  • Type the type of the attribute
  • Bluetooth LE has a variable link quality due to the characteristics of wireless transmission, and may cause a shadow area exceeding the radio propagation distance due to the one-to-one connection characteristic. Therefore, in order to solve such a problem, Bluetooth can form a mesh network with devices equipped with Bluetooth as a method for controlling a multi-hop connection between multiple devices.
  • 6 and 7 are schematic diagrams showing an example of a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • the mesh network refers to a network in which a plurality of devices are connected like a network through Bluetooth to transmit and receive data.
  • the Bluetooth mesh network technology relays (or relays) a message between a source device 200-1 transmitting data and a destination device 200-2 receiving data. 4) This exists.
  • edge node 200-1 and 200-2 may be distinguished from the edge node 200-1, 200-2 and the relay node 200-3, 200-4.
  • Each node contains a message cache of recently received messages. If the received message already exists in the message cache, the message is not relayed.
  • the message is relayed and the message is stored in the message cache.
  • Edge nodes are usually powered by a battery and can normally sleep and then wake up or interact periodically.
  • the edge node can process the received message if the following conditions are met.
  • the message is authenticated by a known network key.
  • the destination of the message is the unicast address of the edge node, or the broadcast address or group address is the address to which the edge node belongs.
  • Relay nodes are usually mains powered devices that are always awake and can transmit data they receive for other nodes.
  • the relay node may retransmit the received message to another node if the following conditions are met.
  • the message is authenticated by a known network key.
  • a field indicating whether or not the message is relayed is a value that allows relaying.
  • the destination address is not a unicast address assigned to the relay node.
  • the data may be classified into a floating method and a routing method according to a data transmission method of the relay nodes 200-3 and 200-4.
  • the source device 200-1 transmits a message to a specific relay node, and the specific relay node which has received the message has information of another relay node or destination node 200-2 to resend the message. Will be sent.
  • the routing method uses a broadcasting channel or a point-to-point connection method for receiving and retransmitting a message.
  • the routing device receiving the message determines the best routing route (s) for sending the message to an intermediate device or a destination device, and to which route to send the message based on the determined routing table. Determine whether or not.
  • the floating method refers to a method in which relay nodes receiving a message shoot the air again in the air by using a property in which radio waves spread in all directions in the air.
  • the source device 200-1 transmits a message to the relay nodes 200-3 and 200-4 through broadcast channels, and the relay nodes 200-3 and 200-4 that receive the message are sent to the relay nodes 200-3 and 200-4.
  • a broadcasting channel is used to receive and retransmit a message, and the transmission range of the message can be extended.
  • the mesh network of the floating scheme is a dynamic network, and in the floating mesh network, a device may be able to receive and transmit (or retransmit) a message at any time as long as the device's density is satisfied.
  • the floating scheme has an advantage of being easy to implement, since a message is transmitted without direction, scalability problems may occur as the network expands.
  • a device when a device transmits a message, a plurality of devices receive the message and transmit the received message to another plurality of devices.
  • the number of devices constituting the mesh network can be adjusted between 100 and 1000, and the exact number of devices can be determined by various factors.
  • it may be determined by network capacity, traffic load of data sources, network latency and reliability requirements, and the like.
  • the floating method can easily deliver a message without establishing a routing table, but the relay devices 200-3 and 200-4 that receive the message retransmit the received message again. Due to this, there is a disadvantage of increasing network traffic.
  • the two edge nodes 200-2 are provided.
  • a new relay node B 200-4 approaches a connectable range of 1 and 200-2
  • the two edge nodes 200-1 and 200-2 are connected to the new relay node B 200-4. It can be connected with.
  • the relay node B 200-4 has better performance (eg, RSSI, battery capability, transmit / receive capability, etc.) than the relay node A 200-3, the two edge nodes 200-2 are better. 1 and 200-2 do not need to continue to connect with the relay node A 200-3.
  • relay devices A 200-3 that are not necessary for message delivery in the floating scheme, thereby increasing network traffic and increasing the possibility of message collision.
  • the present invention proposes a method of changing a relay device that is not necessary for message transmission to a mode that does not perform a relay operation.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a protocol stack of a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • the protocol stack of the mesh network includes a bearer layer 81, a network layer 82, a transport layer 83, and an application layer 84.
  • the bearer layer 81 defines how messages are transmitted between nodes. That is, it determines the bearer to which the message is transmitted in the mesh network.
  • a mesh network there are an advertising bearer and a GATT bearer for transmitting a message.
  • the network layer 82 defines how a message is sent to one or more nodes in a mesh network and the format of network messages transmitted by the bearer layer 81.
  • the network layer 82 also defines whether the message is to be relayed or forwarded and how to authenticate and encrypt network messages.
  • the transport layer 83 provides the confidentiality of application messages to define the encryption and authentication of application data.
  • the application layer 84 defines a method, an application operation code and parameters related to how the upper layer application uses the transport layer 73.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a method for a device to which the present invention may be applied to participate in a Bluetooth mesh network.
  • a new device or a non-provisioned device must go through a provisioning procedure in order to join and operate in the mesh network.
  • the provisioning procedure refers to a procedure for authenticating an unauthenticated device and providing basic information (eg, a unicast address, various keys, etc.) for participating in a mesh network.
  • the provisioning procedure is a procedure for providing a provisioner (second device 400) of the mesh network to participate in the mesh network
  • the first device 300 is a network through the provisioning procedure
  • the address, keys, device identifier and various information for operating as part of the mesh network can be obtained.
  • the provisioning procedure is composed of an invitation step, an exchanging public key step, an authentication step, and a provisioning data distribution step.
  • the provisioning procedure may be performed through various kinds of bearers. For example, it may be performed by an advertising-based bearer, a mesh provisioning service-based bearer, or a mesh-based bearer.
  • the bearer based on the advertisement is a bearer that is essentially established and does not support the bearer based on the advertisement, or the bearer based on the provisioning service or the mesh based bearer when the provisioning data cannot be transmitted through the bearer based on the advertisement. It can be used for provisioning procedures.
  • the bearer based on the provisioning service means a bearer for exchanging and receiving provisioning data through the GATT Protocol of the existing Bluetooth LE, and the bearer based on the mesh is directly connected by the first device 300 and the second device 400. If there is no distance to send and receive data, it means a bearer that can send and receive provisioning data through a mesh network.
  • the first device 300 may be provisioned through the following provisioning procedure.
  • the inviting step begins with the second device 400 scanning the first device 300.
  • the first device transmits a beacon message to the second device 400 (S9010).
  • the beacon message includes the UUID of the first device 300.
  • the second device 400 scanning the first device 300 through the beacon message transmits an invitation message to the first device 300 (S9020).
  • the invitation message asks whether the first device 300 performs a provisioning procedure. If the first device 300 does not want the first device 300 to perform the provisioning procedure, the invitation message is ignored.
  • the first device 300 when the first device 300 wants to perform the provisioning procedure, that is, when it wants to participate in the mesh network, the first device 300 transmits a capability message in response thereto. (S9030).
  • the capability message includes information indicating whether the first device 300 supports setting of a security algorithm, a public key, information indicating whether a value can be output to a user, and whether a value can be input from the user. It may include information indicating the.
  • the second device 400 transmits a start message for starting provisioning to the first device 300 (S9040).
  • the second device 400 and the first device 300 exchange public keys (S9050, S9060).
  • the second device 400 transmits an epoxy public key to the first device 300 and the first device 300.
  • Static public keys can be read from using out-of-band technology.
  • the second device 400 authenticates the first device 300 by performing an authentication procedure with the first device 300 (S9070).
  • the second device 400 and the first device 300 calculates and generates a session key.
  • the second device 400 transmits provisioning data to the first device 300 (S9080).
  • the provisioning data may include an application key, a device key, a network key, an IVindex, a unicast address, and the like.
  • the first device 300 Upon receiving the provisioning data, the first device 300 transmits a completion message in response to the provisioning data, and the provisioning procedure is terminated (S9090).
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a procedure of establishing a bearer based on advertisements to which the present invention may be applied.
  • the provisioner (second device 400) may establish a bearer based on the advertisement described in FIG. 8 before performing a provisioning procedure with a new device (first device 300). have.
  • a bearer based on the advertisement (hereinafter referred to as a link) is established between the second device 400 and the first device 300 to transmit and receive messages of a provisioning procedure.
  • the first device 300 and the third device 500 that are not provisioned devices transmit a beacon message to the second device 400 (S10010).
  • the beacon message may be transmitted to peripheral devices including the second device 400 in a broadcast format, and may include a universal unique identifier (UUID) of the device.
  • UUID universal unique identifier
  • the second device 400 serving as the provisioner may receive the beacon message and identify a device that has transmitted the beacon message through the UUID included in the beacon message.
  • the second device 400 may select the first device 300 as a device to perform a provisioning procedure based on a received signal strength indicator (RSSI) among the identified devices.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the second device sends a link open message including a UUID of the selected first device 300 and an ID of a link established to the first device 300 and the second device 400. Can be transmitted to (S10020).
  • the link open message may be transmitted to peripheral devices in a broadcast form.
  • the first device 300 may know that it wants to form a link with itself through the UUID included in the link open message. In response, the first device 300 may include a response message including the ID of the link. It may be transmitted to the second device 400 (S10030).
  • a link may be formed between the second device 400 and the first device 300, and the provisioning procedure described with reference to FIG. 9 may be performed through the formed link.
  • 11 and 12 are flowcharts illustrating an example of an operation of a relay device in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • a relay device when a relay device receives a message from an adjacent device (edge device or relay device) in a Bluetooth mesh network, the relay device transmits the received message back to the adjacent device (edge device or relay device).
  • the relay device transmits an advertisement message in order to be connected to a neighboring relay device or edge device or to transmit data (S11010).
  • the advertisement message may be transmitted through an advertisement channel.
  • the advertisement message is an example and may be called with various expressions such as an advertising message, an advertisement PDU, an advertisement packet, and the like.
  • the relay device When the relay device does not receive the connection request message in response to the advertisement message (S11020), it determines whether it is possible to additionally transmit the advertisement message (S11060).
  • step S11010 If the additional advertisement message can be transmitted, the process returns to step S11010 to transmit the advertisement message.
  • the mode may be changed to the scanning mode to scan the messages transmitted from the surrounding area (S11070).
  • the relay device When the relay device receives the connection request message in response to the advertisement message (S11020), the relay device is connected to the device that has transmitted the connection message through a connection procedure.
  • the relay device may provide information requested by the another relay device (S11050).
  • an address may be allocated from the connected device (S11040).
  • the relay device determines whether it is possible to transmit an additional advertisement message, and when it is possible to transmit the additional advertisement message, the relay device returns to step S11010 to transmit the additional advertisement message.
  • the relay device changes the mode to the scanning mode as shown in step S12010 of FIG. 12 to receive a message transmitted from the surroundings (S12010).
  • the relay device When the advertisement message including data is transmitted during the scanning operation (S12020), the relay device performs a relay operation to retransmit the advertisement message to the adjacent device (S12030).
  • the relay device may determine whether the scanning operation may be additionally performed (S12040).
  • step S12010 If an additional scanning operation is possible, the process returns to step S12010 to perform a scanning operation.
  • the relay device may return to the advertisement mode again and transmit an advertisement message (S12050).
  • FIG. 13 and 14 are flowcharts illustrating an example of an operation of an edge device in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • an edge device may transmit or receive data to a relay device. If data is received, the edge device drops data if the destination address is not its own address. can do.
  • the edge device is basically in a standby state (S13010). In the standby state, the edge device does not transmit or receive any data.
  • the edge device determines whether there is data to be transmitted to another device (S13020), and if there is data to be transmitted, enters an advertising state and transmits an advertisement message (S13030).
  • the mobile station enters the scanning state and performs scanning in order to receive a message transmitted from another device (S13050).
  • the edge device includes the data to be transmitted in the advertisement message and transmits the data to the adjacent relay device or the edge device.
  • the edge device If the data transmitted by being included in the advertisement message does not need a response (S13040), the edge device enters the standby state again and does not transmit or receive data (S13010).
  • the edge device enters a scanning state and performs scanning in order to receive the response (S13050).
  • the edge device entering the scanning state receives a message transmitted from another device and determines whether data is included in the received message (S13060).
  • the edge device may perform step S14010 of FIG. 14 (S13070). That is, it is determined whether or not the new network address is included in the message (S14010), and if not included, enters the standby state as shown in step S13010 of FIG. 13 (S14050).
  • the edge device prepares to configure a new network (S14020) and generates an address through self configuration (S14030).
  • the generated address is broadcasted to other devices in the mesh network (S14040), and the mobile station enters the standby state again (S14050).
  • the edge device determines whether a value of the Dst field indicating a destination address of the data is its own address (S13080).
  • the edge device drops the received message (S13090).
  • the edge device determines whether the value of the src field, which is a field indicating the address of the device (source device) that has transmitted the message, is its own address (S13100).
  • the edge device enters the standby state again (S13010).
  • the edge device may perform step S14030 of FIG. 14. That is, an address is generated through self setting (S14030).
  • the generated address is broadcasted to other devices of the mesh network (S13040), and enters the standby state again (S14050).
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating an example of a method for changing a relay role between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • the relay device may stop or continue a relay operation by comparing a capability with the new relay device.
  • the first device 400, the second device 500, the third device 600, and the relay device 700 form a mesh network.
  • the relay device 700 and the first device 400 are in a relay mode, and the second device 500 and the third device 600 are edge devices.
  • the relay mode may be set by an initial setting of a user, and the relay mode is entered when the Bluetooth function of the relay device is turned on.
  • the relay device When the relay device receives the message in the relay mode, the relay device performs a relay operation of retransmitting the message to another adjacent relay device or an edge device.
  • the relay device 700 in the relay mode is connected to the second device 500 and the third device 600 through Bluetooth LE (S15010).
  • the relay device 700 transmits an advertising message to the second device 500 and the third device 600.
  • the second device 500 and the third device 600 discovers the relay device through the advertisement message, and transmits a connection request message for connection to perform the connection procedure.
  • the third device 600 is to be connected.
  • a new relay device accesses a network and transmits an advertisement message for connection with surrounding devices (S15020).
  • the relay device 700 receiving the advertisement message performs a capability comparison procedure for changing the relay role with the first device 400 to determine whether a device is suitable for the relay role. (S15030).
  • the peripheral devices (second device 500 and third device 600) are notified of the newly changed relay device through a change notification procedure. It becomes (S15040).
  • the relay device 700 no longer performs a relay operation, and the first device 400 performs the second device 500 and the third device ( 600 and the relay device 700 are connected to perform a relay operation (S15050).
  • the number of relay nodes in the Bluetooth mesh network can be prevented from being excessively large, thereby reducing network traffic and collision due to relay operation.
  • a device suitable for relay operation may be configured to act as a relay.
  • 16 and 17 illustrate an example of a method and a message format for comparing capacities between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIG. 16 illustrates a detailed procedure when the capability comparison procedure of FIG. 15 is performed in a connectionless state.
  • the relay device 700 and the first device 400 change roles to perform a procedure for changing a role when the first device 400 transmits an advertisement message to the relay device 700. Enter the mode (Role Change Mode).
  • the role change mode refers to a mode in which a role change with a neighboring relay node is possible when there is a relay device around.
  • the expression “role change mode” is one example and may be used as another expression.
  • the first device 400 entering the role change mode transmits an advertisement message (first message) for capability comparison to the relay device (S16010).
  • the advertisement message is transmitted through an advertisement channel and may have a format as shown in FIG. 17.
  • the advertisement message may include a preamble field, an access address field, a packet data unit (PDU) field, and a cyclic redundancy check (CRC) field.
  • PDU packet data unit
  • CRC cyclic redundancy check
  • the preamble field may have a value of “10101010” or “01010101” of 8 bits, and may be used to perform frequency synchronization and symbol timing evaluation at a receiver.
  • the access address field has a value of 32 bits and may have a fixed value (for example, 0x8E89BED6) of an advertising channel packet.
  • the CRC field represents a check value for checking whether there is an error in data when transmitting data through a network.
  • a 24-bit CRC code which can be calculated based on the PDU field.
  • the PDU field may consist of a header field and a payload field.
  • the header field is a field including information of the advertisement message.
  • Table 2 below shows an example of the header field.
  • the PDU Type field indicates type information of the advertisement message and may indicate whether the advertisement message is an advertising type, a scanning type, or an initiating type.
  • the TxAdd field indicates whether the address of the device that transmits the advertisement message is public or random. For example, if the TxAdd value is '1', it is Random, and if it is '0', it is public.
  • the RxAdd field indicates whether an address of a device that receives the advertisement message is public or random. For example, if the TxAdd value is '1', it is Random, and if it is '0', it is public.
  • the payload field may include a PDU Type field indicating the type of the PDU field and an AD data field including specific data.
  • the first device 400 may include and transmit capability information (capability information) in a payload field.
  • capability information capability information
  • the AD Type field may indicate a type of capability information
  • the AD Data field may indicate a specific value of the capability information.
  • the capability information may include a received signal strength indication, a battery level or state, a transmit power (Tx Power), a receive power (Rx Power), and the like.
  • Table 3 below shows an example of the payload field.
  • the relay device receiving the advertisement message compares the capability information included in the advertisement message with its own capability information (second capability information) to determine which device is suitable for the role of relay (for example, the received signal strength Higher, or better battery condition) (S16020).
  • second capability information for example, the received signal strength Higher, or better battery condition
  • the relay device 700 may compare the capability of the first device 400, which is a new relay device, with its own capability.
  • FIGS. 18 and 19 illustrate another example of a method and a message format for comparing capacities between devices in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • FIGS. 18 and 19 unlike FIG. 16 and FIG. 17, when the capability comparison procedure of FIG. 15 is performed in a connection state, a detailed procedure is shown. have.
  • the relay device 700 receiving the advertisement message from the first device 400 in step S15020 of FIG. 15 transmits a connection request message to the first device 300 and performs a connection procedure. It may be connected to the first device 300 (S18010).
  • the relay device 700 After the relay device 700 and the first device 400 are connected to each other, the relay device 700 enters the role change mode described with reference to FIG. 15.
  • the relay device 700 receives a first data channel PDU (first message) including capability information (first capability information) of the first device 400 from the first device 400 ( In operation S18020, a second data channel PDU (second message) including capability information (second capability information) of the relay device is transmitted to the first device 400 (S18030).
  • the first data channel PDU and the second data channel PDU may be configured as shown in FIG. 19.
  • the channel ID field is a field indicating an ID of a channel through which the data channel PDU is transmitted.
  • the information payload field is a field that includes specific data and may include the capability information.
  • the format of the information payload field may be configured in an attribute structure as shown in Table 4 below to transmit and receive the data channel PDU using an attribute protocol. .
  • Attribute Handle (2byte) Attribute Type (2byte or 16byte) Attribute value (Fixed or Variable) Attribute Permission (GATT Profile)
  • the “Attribute Type” of Table 4 may include a value of the same type as the AD Type of FIG. 16, and the “Attribute Value” may include a value of the same type as the AD Data.
  • the relay device 700 and the first device 400 compare the first capability information with the second capability information to determine which device is suitable for the role of the relay (eg, the received signal strength is higher). It may be determined whether the battery state is better) (S18040).
  • 20 is a flowchart illustrating an example of a method for notifying devices of a change in relay role in a Bluetooth mesh network to which the present invention can be applied.
  • a relay device that determines a device suitable for a relay role through the capability comparison procedure described with reference to FIGS. 15 to 18 notifies neighboring devices of the determined device.
  • the relay device 700 that has determined a device suitable for the relay role through the capability comparison procedure described with reference to FIGS. 16 to 19 may inform the first device 400 and the notification of the determined device through a notification message.
  • the second device 500 and the third device 600 are notified (S20010 and S20020).
  • the relay device may be connected to the second device 500 and the third device 600 to continue serving as a relay.
  • the first device 400 enters a non-relay mode that does not act as a relay.
  • the relay device 700 transmits the notification message, the second device 500 and the third device 600 are transmitted. ) And the non-relay mode is entered.
  • the first device 400 transmits a relay termination message indicating that the role of the relay device 700 is terminated to the relay device 700 (S20030).
  • the expression relay termination message is one example and may be referred to as another expression.
  • the relay device 700 receiving the relay end message may serve as an edge device that does not serve as a relay.
  • the second device 500 and the third device 600 which are connected to the relay device 700, and the relay device 700 serving as an edge device newly perform the role of the first relay. It will be connected to the device 400 (S20040)
  • the relay device 700, the second device 500 and the third device 600 transmits an advertisement message to the first device 400, the first device 400 is the relay A connection request message is transmitted to the device 700, the second device 500, and the third device to perform a connection procedure.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example in which a relay role change method is applied to a Bluetooth mesh network in a real life to which the present invention may be applied.
  • FIG. 21 an example in which the method described with reference to FIGS. 15 through 20 is used in real life will be described.
  • the TV 700 which is a relay device
  • the TV 700 and the bulb 400 perform the capability comparison procedure described with reference to FIGS. 14 to 19. .
  • the TV 700 notifies this to the user device 1 500 and the user device 2 600, and the user device 1 500 and the user. Terminating the Bluetooth LE connection with the device 2 (600).
  • the TV 700 does not play a role of a relay but plays a role of an edge device.
  • the TV 700, the user device 1 500, and the user device 2 700 are connected to the bulb 400 that newly plays a relay role through Bluetooth LE.
  • the present specification relates to Bluetooth data transmission and reception, and more particularly, to a method and apparatus for transmitting a message between devices in a mesh network using Bluetooth Low Energy (LE) technology.
  • LE Bluetooth Low Energy

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Abstract

블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 릴레이 디바이스가 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 제 1 디바이스로부터 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 수신하고, 상기 제 1 능력 정보와 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 비교하며, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하고, 상기 결정 결과를 포함하는 통지 메시지(Notification message)를 상기 릴레이 디바이스와 연결된 적어도 하나의 디바이스로 전송하는 방법 및 장치를 제공한다.

Description

블루투스를 이용한 메쉬 네트워크에서 데이터를 송수신하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 무선 통신시스템에서 근거리 기술인 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크에서 데이터를 송수신하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로써, 특히 블루투스 메쉬 네트워크에서 데이터를 릴레이 하기 위한 릴레이 디바이스가 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
블루투스는 근거리에서 각종 디바이스들을 무선으로 연결하여 데이터를 주고 받을 수 있는 근거리 무선 기술 규격이다. 블루투스(Bluetooth) 통신을 이용하여 두 기기간 무선 통신을 수행하고자 하는 경우, 사용자(User)는 통신하고자 하는 블루투스(Bluetooth) 디바이스(Device)들을 검색(Discovery)하고 연결(Connection)을 요청하는 절차를 수행한다. 본 발명에서 디바이스는 기기, 장치를 의미할 수 있다.
이때, 사용자는 블루투스 디바이스를 이용하여 사용하고자 하는 블루투스 통신방법에 따라 블루투스 디바이스를 검색한 후 연결을 수행할 수 있다.
블루투스 통신방법에는 BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate)방식과 저전력 방식인 LE (Low Energy)방식이 있다. BR/EDR 방식은 블루투스 클래식 (Bluetooth Classic)라고 호칭될 수 있다. 블루투스 클래식 방식은 베이직 레이트(Basic Rate)를 이용하는 블루투스 1.0부터 이어져온 블루투스 기술과 블루투스 2.0에서부터 지원되는 인핸스드 데이터 레이트(Enhanced Data Rate)를 이용하는 블루투스 기술을 포함한다.
블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low energy, 이하 블루투스 LE라고 한다.)기술은 블루투스 4.0부터 적용되어 적은 전력을 소모하여 수백 키로바이트(KB)의 정보를 안정적으로 제공할 수 있다. 이러한 블루투스 저전력 에너지 기술은 속성 프로토콜(Attribute Protocol)을 활용해서 디바이스(Device) 간 정보를 교환하게 된다. 이러한 블루투스 LE 방식은 헤더의 오버헤드(overhead)를 줄이고 동작을 간단하게 해서 에너지 소비를 줄일 수 있다.
블루투스 기기들 중에는 디스플레이(Display)나 유저인터페이스(User Interface)가 없는 제품들도 있다. 다양한 종류의 블루투스 기기들과 그 중에서도 유사기술이 적용된 블루투스 기기들 간의 연결 / 관리 / 제어 / 분리 (Connection / Management / Control / Disconnection)의 복잡도가 증가하고 있다.
또한, 블루투스는 비교적 저전력, 저비용으로 비교적 빠른 속도를 낼 수 있으나, 전송 거리가 일반적으로 최대 100m로 한정적이므로, 한정된 공간에서 사용하기 적합하다.
본 발명은, 블루투스 LE(Low Energy) 기술을 이용하여 데이터를 송수신하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용하여 메쉬 네트워크(mesh network)를 형성할 때, 릴레이 디바이스의 역할을 설정하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network)에서 디바이스간 데이터 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스간 능력(Capability)을 비교하여 릴레이 역할을 설정하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스간 능력(Capability)을 비교하여 데이터의 릴레이에 적합한 디바이스를 릴레이 디바이스로 설정하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스간 능력(Capability)을 비교하여 데이터의 릴레이에 적합한 디바이스를 릴레이 디바이스로 설정하고 다른 디바이스는 릴레이를 하지 않도록 설정하여 트래픽을 감소 시키고 릴레이 디바이스들 간의 데이터 충돌을 방지하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 명세서에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 릴레이 디바이스가 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법에 있어서, 제 1 디바이스로부터 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 수신하는 단계; 상기 제 1 능력 정보와 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 결정 결과를 포함하는 통지 메시지(Notification message)를 상기 릴레이 디바이스와 연결된 적어도 하나의 디바이스로 전송하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 제 2 능력 정보를 포함하는 제 2 메시지를 상기 제 2 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지는 데이터 채널(Data Channel)을 통해서 전송된다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지 각각은 상기 광고 채널을 나타내는 채널 ID를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지는 속성 프로토콜(Attribute Protocol)을 이용하여 전송된다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 메시지는 광고 채널을 통해서 전송된다.
또한, 본 발명은, 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행하는 경우, 상기 제 1 디바이스로부터 상기 릴레이 디바이스의 릴레이 역할의 종료를 나타내는 종료 메시지(Termination message)를 수신하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 적어도 하나의 디바이스와 연결 종료 절차를 수행하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 능력 정보 및 상기 제 2 능력 정보 각각은 수신 신호 세기, 배터리 잔량 정보, 전송 파워 정보 또는 수신 파워 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 본 발명은, 릴레이 역할을 수행하는 릴레이 디바이스로 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 전송하는 단계; 상기 릴레이 디바이스로부터 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 2 메시지를 수신하는 단계; 상기 제 1 능력 정보와 상기 제 2 능력 정보를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행하는 경우, 상기 릴레이 디바이스로 상기 릴레이 디바이스의 릴레이 역할의 종료를 나타내는 종료 메시지(Termination message)를 전송하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 릴레이 디바이스와 연결되었던 적어도 하나의 디바이스와 연결을 수행하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 연결을 수행하는 단계는, 상기 적어도 하나의 디바이스로부터 광고 메시지를 수신하는 단계; 및 상기 광고 메시지에 기초하여 상기 적어도 하나의 디바이스로 연결 요청 메시지를 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 제 1 능력 정보 및 상기 제 2 능력 정보 각각은 수신 신호 세기, 배터리 잔량 정보, 전송 파워 정보 또는 수신 파워 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 본 발명은, 외부와 무선 또는 유선으로 통신하기 위한 통신부; 및
상기 통신부와 기능적으로 연결되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
제 1 디바이스로부터 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 수신하고,
상기 제 1 능력 정보와 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 비교하며,
상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하고,
상기 결정 결과를 포함하는 통지 메시지(Notification message)를 상기 릴레이 디바이스와 연결된 적어도 하나의 디바이스로 전송하도록 제어하는 디바이스를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 릴레이 디바이스가 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법에 따르면, 데이터 릴레이를 위한 메쉬 네트워크를 효율적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스들 간 능력(capability)을 비교하여 릴레이 역할을 하는 디바이스들을 설정함으로써 원거리로 데이터를 효율적으로 전송할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스들 간 능력(capability)을 비교하여 릴레이 역할을 하는 디바이스들을 설정함으로써 데이터 트래픽 감소, 데이터 전송에 필요한 홉 수 및 데이터 충돌을 감소 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블루투스를 이용한 메쉬 네트워크(mesh network) 형성에 있어서, 디바이스들 간 능력(capability)을 비교하여 릴레이 역할을 하는 디바이스들을 설정하여 릴레이 디바이스들의 수를 줄임으로써 데이터가 무한 루프로 전송되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 저전력 에너지 기술을 이용하는 무선 통신 시스템의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 디바이스의 내부 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 3은 블루투스 저전력 에너지 토폴로지(Topology)의 일 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 5는 블루투스 저전력 에너지의 GATT(Generic Attribute Profile)기반 프로파일(Profile)의 구조의 일 예를 나타낸 도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명이 적용될 수 있는 디바이스가 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에 참여하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명이 적용될 수 있는 광고에 기초한 베어러의 설립 절차의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 디바이스(Relay Device)의 동작의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 엣지 디바이스(Edge Device)의 동작의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 15는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스간 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 16 및 도 17은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스 간 능력(Capability)를 비교하기 위한 방법 및 메시지 포맷의 일 예를 나타낸 도이다.
도 18 및 도 19는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스 간 능력(Capability)를 비교하기 위한 방법 및 메시지 포맷의 또 다른 일 예를 나타낸 도이다.
도 20은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 역할의 변경을 디바이스들에게 통지하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 21은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 역할의 변경 방법이 적용되는 일 예를 나타낸 도이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명과 관련된 방법 및 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 저전력 에너지 기술을 이용하는 무선 통신 시스템의 일 예를 나타낸 개략도이다.
무선 통신 시스템(100)은 적어도 하나의 서버 디바이스(Server Device, 120) 및 적어도 하나의 클라이언트 디바이스(Client Device, 110)를 포함한다.
서버 장치와 클라이언트 장치는 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE, 이하 편의상 ‘BLE’로 표현한다.) 기술을 이용하여 블루투스 통신을 수행한다.
먼저, BLE 기술은 블루투스 BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate) 기술과 비교하여, 상대적으로 작은 duty cycle을 가지며 저 가격 생산이 가능하고, 저속의 데이터 전송률을 통해 전력 소모를 크게 줄일 수 있어 코인 셀(coin cell) 배터리를 이용할 경우 1년 이상 동작이 가능하다.
또한, BLE 기술에서는 디바이스 간 연결 절차를 간소화하였으며, 패킷 사이즈도 블루투스 BR/EDR 기술에 비해 작게 설계되어 있다.
BLE 기술에서, (1) RF 채널수는 40개이며, (2) 데이터 전송 속도는 1Mbps를 지원하며, (3) 토폴로지는 스캐터넷 구조이며, (4) latency는 3ms 이며, (5) 최대 전류는 15mA이하이며, (6) 출력 전력은 10mW(10dBm)이하이며, (7) 휴대폰, 시계, 스포츠, 헬스케어, 센서, 기기제어 등의 어플리케이션에 주로 사용된다.
상기 서버 장치(120)는 다른 장치와의 관계에서 클라이언트 장치로 동작할 수 있고, 상기 클라이언트 장치는 다른 장치와의 관계에서 서버 장치로 동작할 수 있다. 즉, BLE 통신 시스템에서 어느 하나의 장치는 서버 장치 또는 클라이언트 장치로 동작하는 것이 가능하며, 필요한 경우, 서버 장치 및 클라이언트 장치로 동시에 동작하는 것도 가능하다.
상기 서버 장치(120)는 데이터 서비스 장치(Data Service Device), 슬레이브 디바이스(slave device) 디바이스, 슬레이브(slave), 서버, 컨덕터(Conductor), 호스트 디바이스(Host Device), 게이트웨이(Gateway), 센싱 장치(Sensing Device), 모니터링 장치(monitoring device), 제 1 디바이스, 제 2 디바이스 등으로 표현될 수 있으며, 상기 클라이언트 디바이스(110)는 마스터 디바이스(master device), 마스터(master), 클라이언트, 멤버(Member), 센서 디바이스, 싱크 디바이스(Sink Device), 콜렉터(Collector), 제어 디바이스, 제 1 제어 디바이스, 제 2 제어 디바이스 등으로 표현될 수 있다.
서버 장치와 클라이언트 장치는 상기 무선 통신 시스템의 주요 구성요소에 해당하며, 상기 무선 통신 시스템은 서버 장치 및 클라이언트 장치 이외에도 다른 구성요소를 포함할 수 있다.
상기 서버 장치는 클라이언트 장치로부터 데이터를 제공 받고, 클라이언트 장치와 직접 통신을 수행함으로써, 클라이언트 장치부터 데이터 요청을 수신하는 경우, 응답을 통해 클라이언트 장치로 데이터를 제공하는 장치를 말한다.
또한, 상기 서버 장치는 클라이언트 장치로 데이터 정보를 제공하기 위해 클라이언트 장치에게 알림(Notification) 메시지, 지시(Indication) 메시지를 보낸다. 또한, 상기 서버 장치는 상기 클라이언트 장치로 지시 메시지를 전송하는 경우, 상기 클라이언트로부터 상기 지시 메시지에 대응하는 확인(Confirm) 메시지를 수신한다.
또한, 상기 서버 장치는 알림, 지시, 확인 메시지들을 클라이언트 디바이스와 송수신하는 과정에서 출력부(Display Unit)을 통해서 사용자에게 데이터 정보를 제공하거나 입력부(User Input Interface)를 통해 사용자로부터 입력되는 요청을 수신할 수 있다.
또한, 상기 서버 장치는 상기 클라이언트 장치와 메시지를 송수신하는 과정에서 메모리(memory unit)로부터 데이터를 읽어 오거나 새로운 데이터를 해당 메모리에 쓸 수 있다.
또한, 하나의 서버 장치는 다수의 클라이언트 장치들과 연결될 수 있으며, 본딩(Bonding) 정보를 활용하여 클라이언트 장치들과 쉽게 재 연결(또는 접속)이 가능하다.
상기 클라이언트 장치 (110)는 서버 장치에게 데이터 정보 및 데이터 전송을 요청하는 장치를 말한다.
클라이언트 장치는 상기 서버 장치로부터 알림 메시지, 지시 메시지 등을 통해 데이터를 수신하고, 지시 메시지를 상기 서버 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 지시 메시지에 대한 응답으로 확인 메시지를 보낸다.
상기 클라이언트 장치도 마찬가지로 상기 서버 장치와 메시지들을 송수신하는 과정에서 출력부를 통해서 사용자에게 정보를 제공하거나 입력부를 통해서 사용자로부터의 입력을 수신할 수 있다.
또한, 상기 클라이언트 장치는 상기 서버 장치와 메시지를 송수신하는 과정에서 메모리로부터 데이터를 읽어 오거나 새로운 데이터를 해당 메모리에 쓸 수 있다.
상기 서버 장치 및 클라이언트 장치의 출력부, 입력부 및 메모리 등과 같은 하드웨어 구성요소에 대해서는 도 2에서 구체적으로 살펴보기로 한다.
또한, 상기 무선 통신 시스템은 블루투스 기술을 통해 개인 영역 네트워킹(Personal Area Networking:PAN)을 구성할 수 있다. 일 예로, 상기 무선 통신 시스템에서는 디바이스 간 개인적인 피코넷(private piconet)을 확립함으로써 파일, 서류 등을 신속하고 안전하게 교환할 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 디바이스의 내부 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 서버 디바이스는 출력부(Display Unit, 111), 입력부(User Input Interface, 112), 전력 공급부(Power Supply Unit, 113), 프로세서(Processor, 114), 메모리(Memory Unit, 115), 블루투스 인터페이스(Bluetooth Interface, 116), 다른 통신 인터페이스(Other Interface, 117) 및 통신부(또는 송수신부, 118)를 포함한다.
상기 출력부(111), 입력부(112), 전력 공급부(113), 프로세서(114), 메모리(115), 블루투스 인터페이스(116), 다른 통신 인터페이스(117) 및 통신부(118)는 본 명세서에서 제안하는 방법을 수행하기 위해 기능적으로 연결되어 있다.
또한, 클라이언트 디바이스는 출력부(Display Unit, 121), 입력부(User Input Interface, 122), 전력 공급부(Power Supply Unit, 123), 프로세서(Processor, 124), 메모리(Memory Unit, 125), 블루투스 인터페이스(Bluetooth Interface, 126) 및 통신부(또는 송수신부, 127)를 포함한다.
상기 출력부(121), 입력부(122), 전력 공급부(123), 프로세서(124), 메모리(125), 블루투스 인터페이스(126), 및 통신부(127)는 본 명세서에서 제안하는 방법을 수행하기 위해 기능적으로 연결되어 있다.
상기 블루투스 인터페이스(116,126)는 블루투스 기술을 이용하여 디바이스들 간의 요청/응답, 명령, 알림, 지시/확인 메시지 등 또는 데이터 전송이 가능한 유닛(또는 모듈)을 말한다.
상기 메모리(115,125)는 다양한 종류의 디바이스에 구현되는 유닛으로서, 다양한 종류의 데이터가 저장되는 유닛을 말한다.
상기 프로세서(114,124)는 서버 디바이스 또는 클라이언트 디바이스의 전반적인 동작을 제어하는 모듈을 말하며, 블루투스 인터페이스 및 다른 통신 인터페이스로 메시지를 전송 요청 및 수신받은 메시지를 처리하도록 제어한다.
상기 프로세서(114,124)는 제어부, 제어 유닛(Control Unit), 컨트롤러 등으로 표현될 수 있다.
상기 프로세서(114,124)는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(114,124)는 서버 디바이스로부터 광고(Advertising) 메시지를 수신하도록 상기 통신부를 제어하며, 상기 서버 디바이스로 스캔 요청(Scan Request) 메시지를 전송하고, 상기 서버 디바이스로부터 상기 스캔 요청에 대한 응답으로 스캔 응답(Scan Response) 메시지를 수신하도록 상기 통신부를 제어하며, 상기 서버 디바이스와 블루투스 연결 설정을 위해 상기 서버 디바이스로 연결 요청(Connect Request) 메시지를 전송하도록 상기 통신부를 제어한다.
또한, 상기 프로세서(114,124)는 상기 연결 절차를 통해 블루투스 LE 커넥션(Connection)이 형성된 이후, 상기 서버 디바이스로부터 속성 프로토콜을 이용하여 데이터를 읽어오거나(Read), 기록(Write)할 수 있도록 상기 통신부를 제어한다.
상기 메모리(115,125)는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다.
상기 통신부(118,127)는 무선 신호를 처리하기 위한 베이스밴드 회로를 포함할 수 있다. 실시 예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
상기 메모리(115,125)는 프로세서(114,124) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(114,124)와 연결될 수 있다.
상기 출력부(111,121)는 디바이스의 상태 정보 및 메시지 교환 정보 등을 화면을 통해서 사용자에게 제공하기 위한 모듈을 말한다.
상기 전력 공급부(전원 공급부, 113, 123)는 제어부의 제어 하에 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급해주는 모듈을 말한다.
앞에서 살핀 것처럼, BLE 기술에서는 작은 duty cycle을 가지며, 저속의 데이터 전송률을 통해 전력 소모를 크게 줄일 수 있어, 상기 전력 공급부는 적은 출력 전력으로도(10mW(10dBm)이하) 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
상기 입력부(112,122)는 화면 버튼과 같이 사용자의 입력을 제어부에게 제공하여 디바이스의 동작을 사용자가 제어할 수 있게 하는 모듈을 말한다.
도 3은 블루투스 저전력 에너지 토폴로지(Topology)의 일 예를 나타낸다.
상기 도 3을 참조하면, 디바이스 A는 디바이스 B와 디바이스 C를 슬레이브(slave)로 가지는 피코넷(피코넷 A, 음영부분)에서 마스터(master)에 해당한다.
여기서, 피코넷(Piconet)이란, 다수의 디바이스들 중 어느 하나가 마스터이고, 나머지 디바이스들이 마스터 디바이스에 연결되어 있는 공유된 물리 채널을 점유하고 있는 디바이스들의 집합을 의미한다.
BLE 슬레이브는 마스터 및 다른 슬레이브와 공통 물리 채널을 공유하지 않는다. 즉, 각각의 슬레이브는 별개의 물리 채널을 통해 마스터와 통신한다. 마스터 디바이스 F와 슬레이브 디바이스 G를 가지는 또 다른 피코넷(피코넷 F)이 있다.
디바이스 K는 스캐터넷(scatternet K)에 있다. 여기서, 스캐터넷(scatternet)은 다른 피코넷들 간 연결이 존재하는 피코넷의 그룹을 의미한다.
디바이스 K는 디바이스 L의 마스터이면서, 디바이스 M의 슬레이브이다.
디바이스 O 역시 스캐터넷(scatternet O)에 있다. 디바이스 O는 디바이스 P의 슬레이브이면서, 디바이스 Q의 슬레이브이다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 5개의 다른 디바이스 그룹들이 존재한다.
1. 디바이스 D는 광고자(advertiser)이고, 디바이스 A는 개시자(initiator)이다(그룹 D).
2. 디바이스 E는 스캐너(scanner)이며, 디바이스 C는 광고자이다(그룹 C).
3. 디바이스 H는 광고자이며, 디바이스 I 및 J는 스캐너들이다(그룹 H).
4. 디바이스 K 또한 광고자이며, 디바이스 N은 개시자이다(그룹 K).
5. 디바이스 R은 광고자이며, 디바이스 O는 개시자이다(그룹 R).
디바이스 A와 B는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.
디바이스 A와 C는 또 다른 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.
그룹 D에서, 디바이스 D는 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고하며, 디바이스 A는 개시자이다. 디바이스 A는 디바이스 D와 연결을 형성할 수 있고, 피코넷 A로 디바이스를 추가할 수 있다.
그룹 C에서, 디바이스 C는 스캐너 디바이스 E에 의해 캡쳐되는 광고 이벤트의 어떤 타입을 사용하여 광고 물리 채널 상으로 광고를 한다.
그룹 D와 그룹 C는 충돌을 피하기 위해 서로 다른 광고 물리 채널을 사용하거나 다른 시간을 사용할 수 있다.
피코넷 F에는 하나의 물리 채널이 있다. 디바이스 F와 G는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 F는 마스터이고, 디바이스 G는 슬레이브이다.
그룹 H에는 하나의 물리 채널이 있다. 디바이스 H, I 및 J는 하나의 BLE 광고 물리 채널을 사용한다. 디바이스 H는 광고자이며, 디바이스 I 및 J는 스캐너이다.
스캐터넷 K에서, 디바이스 K와 L은 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 K와 M은 또 다른 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.
그룹 K에서, 디바이스 K는 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고를 하며, 디바이스 N은 개시자이다. 디바이스 N은 디바이스 K와 연결을 형성할 수 있다. 여기서, 디바이스 K는 두 디바이스들의 슬레이브가 되면서 동시에 한 디바이스의 마스터가 된다.
스캐터넷 O에서, 디바이스 O와 P는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 O와 Q는 또 다른 BLE 피코넷 물리채널을 사용한다.
그룹 R에서, 디바이스 R은 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고를 하며, 디바이스 O는 개시자이다. 디바이스 O는 디바이스 R과 연결을 형성할 수 있다. 여기서, 디바이스 O는 두 디바이스들의 슬레이브가 되면서 동시에 한 디바이스의 마스터가 된다.
도 4는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 4을 참고하면, 상기 도 4의 (a)는 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타내며, (b)는 블루투스 LE(Low Energy)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 상기 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 프로토콜 스택은 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI, 18)를 기준으로 상부의 컨트롤러 스택(Controller stack, 10)과 하부의 호스트 스택(Host Stack, 20)을 포함할 수 있다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈)(20)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, 상기 컨트롤러 스택(10)인 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 동작을 수행한다.
상기 호스트 스택(20)은 BR/EDR PHY 계층(12), BR/EDR Baseband 계층(14), 링크 매니저 계층(Link Manager, 16)을 포함할 수 있다.
상기 BR/EDR PHY 계층(12)은 2.4GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.
상기 BR/EDR Baseband 계층(14)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1400번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.
- ACL/SCO logical transport, logical link setup 및 control을 한다.
- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.
- Power control 및 Role switch를 한다.
- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.
상기 호스트 컨트롤러 인터페이스 계층(18)은 Host 모듈과 Controller 모듈 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈, 20)은 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21), 속성 프로토콜(Protocol, 22), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 23), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24), BR/EDR 프로파일(25)을 포함한다.
상기 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21)은 특정 프로토콜 또는 포로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(21)은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 멀티플렉싱(multiplexing)할 수 있다.
블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 23)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(22)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(23)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(23) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 22)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
상기 속성 프로토콜(22) 및 BR/EDR 프로파일(25)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스 (또는 프로파일)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의하며, 상기 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24)은 디바이스 발견, 연결, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, privacy를 제공한다.
상기 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 블루투스 LE 프로토콜 스택은 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작 가능한 컨트롤러 스택(Controller stack, 30)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작 가능한 호스트 스택(Host stack, 40)을 포함한다.
먼저, 컨트롤러 스택(30)은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
호스트 스택은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(package)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.
일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.
상기 컨트롤러 스택(30)은 물리 계층(Physical Layer, PHY, 32), 링크 레이어(Link Layer, 34) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, 36)를 포함한다.
상기 물리 계층(PHY, 무선 송수신 모듈, 32)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.
블루투스 패킷을 전송하거나 수신하는 역할을 하는 상기 링크 레이어(34)는 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 257bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.
상기 호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile, 40), 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 41), 보안 매니저(Security Manager, SM, 42), 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT, 440), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 44), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, 25), LE 프로파일(46)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 호스트 스택(40)은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.
호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.
먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 41)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(41)은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(package)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.
블루투스 LE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 사용한다.
반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.
SM(Security Manager, 42)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.
ATT(Attribute Protocol, 43)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 아래의 6가지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.
① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보를 요청하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송되는 메시지를 말한다.
② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.
③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.
④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지(Confirm message)를 서버 디바이스로 전송한다.
본 발명은 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)을 사용하는 GATT 프로파일에서 긴 데이터 요청 시 데이터 길이에 대한 값을 전송하여 클라이언트가 데이터 길이를 명확히 알 수 있게 하며, UUID를 이용하여 서버로부터 특성(Characteristic) 값을 전송 받을 수 있다.
상기 일반 접근 프로파일(GAP, 45)은 블루투스 LE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, 블루투스 LE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.
또한, 상기 일반 접근 프로파일(45)은 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.
① Service: 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의
② Include: 서비스 사이의 관계를 정의
③ Characteristics: 서비스에서 사용되는 data 값
④ Behavior: UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷
상기 LE 프로파일(46)은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 블루투스 LE 디바이스에 적용된다. LE 프로파일(46)은 예를 들면, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time, Object Delivery Service 등이 있을 수 있으며, GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.
① Battery: 배터리 정보 교환 방법
② Time: 시간 정보 교환 방법
③ FindMe: 거리에 따른 알람 서비스 제공
④ Proximity: 배터리 정보 교환 방법
⑤ Time: 시간 정보 교환 방법
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 44)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(43)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(44)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(44) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.
디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)
디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.
모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.
광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.
스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.
BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.
하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.
연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.
광고 절차(Advertising Procedure)
광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.
여기서, 비지향성의 브로드캐스트(Undirected Advertising)는 특정 디바이스를 향한 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 디바이스를 향한 광고(Advertising)이며, 모든 디바이스가 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
이와 달리, 지향성 브로드캐스트(Directed advertising)는 수신 디바이스로 지정된 디바이스만 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.
또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.
광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.
광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.
광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.
스캐닝 절차(Scanning Procedure)
스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.
스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 사용자 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.
상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.
만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.
스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.
디스커버링 절차(Discovering Procedure)
블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, ‘블루투스 디바이스’라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.
디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.
디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.
연결 절차(Connecting Procedure)
연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.
즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.
다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
광고 상태(Advertising State)
링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(Packet Data Unit)들을 전송한다.
각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.
스캐닝 상태(Scanning State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.
스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.
스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.
스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.
링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.
수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.
능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.
개시 상태(Initiating State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.
링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.
개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.
연결 상태(connection state)
링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.
연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.
두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.
마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.
이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.
패킷 포맷(Packet Format)
링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.
각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.
하나의 패킷이 광고 물리 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 물리 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.
광고 채널 PDU (Advertising Channel PDU )
광고 채널 PDU(Packet Data Unit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.
헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 1에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.
Figure PCTKR2016003469-appb-T000001
광고 PDU (Advertising PDU )
아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.
ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트
ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트
ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트
ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트
상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.
스캐닝 PDU (Scanning PDU )
아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.
SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
개시 PDU (Initiating PDU )
아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.
CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
데이터 채널 PDU (Data Channel PDU )
데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check:MIC) 필드를 포함할 수 있다.
앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.
도 5는 블루투스 저전력 에너지의 GATT(Generic Attribute Profile)기반 프로파일(Profile)의 구조의 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 5를 참조하면 블루투스 저전력 에너지의 프로파일 데이터(Profile Data) 교환을 위한 구조를 살펴볼 수 있다.
구체적으로, GATT(Generic Attribute Profile)는 블루투스 LE 장치간의 서비스(Service), 특성(Characteristic)을 이용해서 데이터를 주고 받는 방법을 정의한 것이다.
일반적으로, 페리페럴(Peripheral) 장치(예를 들면, 센서 장치)가 GATT 서버(Server)역할을 하며, 서비스(Service), 특성(Characteristic)에 대한 정의를 가지고 있다.
데이터를 읽거나 쓰기 위해서 GATT 클라이언트는 GATT 서버로 데이터 요청을 보내게 되며, 모든 동작(Transaction)은 GATT client에서 시작되어 GATT 서버로부터 응답을 받게 된다.
블루투스 LE에서 사용하는 GATT 기반 동작구조는 프로파일(Profile), 서비스(Service), 특성(Characteristic)에 기초하며, 상기 도 5와 같은 수직 구조를 이룰 수 있다.
상기 프로파일(Profile) 하나 또는 그 이상의 서비스들로 구성되어 있으며, 상기 서비스는 하나 이상의 특성 또는 다른 서비스들로 구성되어 있을 수 있다.
상기 서비스(Service)는 데이터를 논리적인 단위로 나누는 역할을 하며 하나 이상의 특성(Characteristic) 또는 다른 서비스들을 포함하고 있을 수 있다. 각 서비스는 UUID(Universal Unique Identifier)라 불리는 16bit 또는 128bit의 구분자를 가지고 있다.
상기 특성(Characteristic)은 GATT 기반 동작 구조에서 가장 하위 단위이다. 상기 특성은 단 하나의 데이터를 포함하며, 상기 서비스와 유사하게 16 bit 또는 128 bit의 UUID를 가지고 있다.
상기 특성은 여러 가지 정보들의 값으로 정의되고, 각각의 정보를 담기 위해서 속성(Attribute) 하나씩을 필요로 한다. 상기 특성 여러 개의 연속된 속성을 사용할 수 있다.
상기 속성(Attribute)는 네 개의 구성 요소로 이루어지며, 아래와 같은 의미를 가진다.
- handle: 속성의 주소
- Type: 속성의 유형
- Value: 속성의 값
- Permission: 속성에 대한 접근 권한
하지만, 블루투스 LE는 무선 전송의 특성상 링크 품질이 가변적이며 1대 1연결 특성상 무선 전파 거리를 초과하는 음영 지역이 발생할 수 있다. 따라서, 이런 문제점을 해결 하기 위해서 블루투스는 여러 기기간에 멀티 홉 연결을 통한 제어를 하기 위한 방안으로 블루투스가 탑재된 디바이스들로 메쉬 네트워크(mesh network)를 형성할 수 있다.
이하, 메쉬 네트워크에 대해 살펴보도록 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)의 일 예를 나타낸 개략도이다.
상기 도 6 및 상기 도 7에 도시된 바와 같이 메쉬 네트워크는 다수의 디바이스들이 블루투스를 통해서 그물망처럼 연결되어 데이터를 송수신할 수 있는 네트워크를 말한다.
블루투스 메쉬 네트워크 기술은 데이터를 전송하는 소스 디바이스(200-1)와 데이터를 수신하는 데스티네이션 디바이스(200-2) 중간에 메시지를 중계(또는 릴레이)하는 여러 릴레이 노드들(200-3, 200-4)이 존재한다.
또는, 엣지 노드(Edge node, 200-1, 200-2)와 릴레이 노드(Relay node, 200-3, 200-4)와 같이 구별될 수 있다.
각 노드들은 최근에 수신한 메시지의 메시지 캐시(message cache)를 포함하고 있다. 만약 수신된 메시지가 이미 메시지 캐시에 존재하는 경우, 상기 메시지는 릴레이 되지 않는다.
하지만, 상기 수신된 메시지가 메시지 캐시에 존재하지 않는 다면, 메시지는 릴레이 되고, 메시지는 메시지 캐시에 저장되게 된다.
엣지 노드는 일반적으로 배터리를 통해서 전력을 공급 받고, 평소에는 슬립 상태로 존재하다가 상호 작용 또는 주기적으로 깨어날 수 있다.
상기 엣지 노드는 아래의 조건을 만족하면 수신된 메시지를 처리할 수 있다.
- 메시지가 메시지 캐시에 존재하지 않음.
- 메시지가 알려진 네트워크 키에 의해서 인증됨.
- 메시지의 목적지가 상기 엣지 노드의 유니 캐스트 주소 이거나, 브로드캐스트 주소 또는 그룹 주소가 상기 엣지 노드가 속해 있는 곳의 주소인 경우.
릴레이 노드는 일반적으로 메인 파워를 공급 받는 디바이스로써, 항상 깨어 있으며, 다른 노드들을 위해서 수신한 데이터를 전송할 수 있다.
릴레이 노드는 아래의 조건을 만족하면 수신한 메시지를 다른 노드로 재 전송할 수 있다.
- 메시지가 메시지 캐시에 존재하지 않음.
- 메시지가 알려진 네트워크 키에 의해서 인증됨.
- 메시지의 릴레이 여부를 나타내는 필드(예를 들면, 릴레이 횟수 값)가 릴레이를 허용하는 값인 경우.
- 목적지 주소가 상기 릴레이 노드에게 할당된 유니 캐스트 주소가 아닌 경우.
블루투스 메쉬 네트워크에서는 릴레이 노드들(200-3, 200-4)의 데이터 전송 방식에 따라 플로딩(flooding) 방식과 라우팅(routing) 방식으로 구분할 수 있다.
상기 라우팅 방식은 소스 디바이스(200-1)는 특정 릴레이 노드로 메시지를 전송하고, 이를 수신한 상기 특정 릴레이 노드는 메시지를 재 전송할 다른 릴레이 노드 또는 데스티네이션 노드(200-2)의 정보를 가지고 메시지를 전송하게 된다.
상기 라우팅 방식은 메시지의 수신 및 재전송을 위해서 브로드캐스팅 채널 또는 Point-to-Point 연결 방식을 사용한다.
또한, 상기 라우팅 방식에서 메시지를 수신한 라우팅 디바이스는 중간 디바이스 또는 목적지 디바이스로 상기 메시지를 전송하기 위한 가장 최선의 라우팅 루트(들)를 결정하고, 결정된 라우팅 테이블에 기초하여 메시지를 어떤 루트로 전송할지 여부를 결정한다.
하지만, 상기 라우팅 방식에서 메시지들은 라우팅 테이블들을 유지하며 전송되어야 하기 때문에, 메시지가 증가함에 따라 복잡성(Complexity)이 커지고, 많은 메모리를 요구하며, 플로딩 방식보다 덜 동적이고 구현하는데 더 어렵다는 단점이 존재하지만 확장성이 좋다는 장점이 있다.
상기 플로딩 방식은 무선 전파가 공기 중에서 사방으로 퍼지는 특성을 이용하여 메시지를 수신하는 릴레이 노드들이 이를 다시 공기 중에 쏘는 방식을 말한다.
즉, 소스 디바이스(200-1)가 브로드캐스트 채널들을 통해서 메시지를 릴레이 노드들(200-3, 200-4)로 전송하고, 이를 수신한 릴레이 노드들(200-3, 200-4)은 상기 메시지를 다시 인접 릴레이 노드들로 전송하여 데스티네이션 디바이스(200-2)로 전송하는 방식을 말한다.
상기 플로딩 방식에서는 메시지의 수신 및 재전송을 위해서 브로드캐스팅 채널을 사용하며, 메시지의 전송범위를 확장 시켜줄 수 있다.
상기 플로딩 기법의 메쉬 네트워크는 동적 네트워크로써, 상기 플로딩 방식의 메쉬 네트워크에서 디바이스는 어느 때라도 디바이스의 밀도(density)가 만족하는 한 메시지를 수신하고 전송(또는 재 전송)하는 것이 가능할 수 있다.
상기 플로딩 기법은 구현이 쉽다는 장점이 있지만 메시지들이 방향성이 없이 전송되기 때문에 네트워크가 확장될수록 확장성 문제가 발생할 수 있다.
즉, 상기 플로딩 방식의 메쉬 네트워크는 디바이스가 메시지를 전송하면 다수의 디바이스들이 상기 메시지를 수신하고, 수신된 메시지를 다시 또 다른 다수의 디바이스들에게 전송한다.
이를 방지 하기 위해서, 메쉬 네트워크를 구성하는 디바이스들의 숫자는 100개에서 1000개 사이로 조절될 수 있으며, 정확한 디바이스들의 숫자는 여러가지 요소에 의해서 결정될 수 있다.
예를 들면, 네트워크 커패시티, 데이터 소스들의 트래픽 부하, 네트워크의 Latency 및 신뢰성 요구사항 등에 의해서 결정될 수 있다.
또한, 플로딩 방식은 라우팅 방식과 다르게 라우팅 테이블의 구축 비용 없이 쉽게 메시지의 전달이 가능하지만, 메시지를 받은 릴레이 디바이스들(200-3, 200-4) 모두가 다시 전송 받은 메시지를 재 전송하는 특성으로 인하여 네트워크 트래픽을 증가시키는 단점이 존재한다.
예를 들면, 상기 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 엣지 노드(200-1, 200-2)가 릴레이 노드 A(200-3)와 연결되어 있는 상태에서, 상기 두개의 엣지 노드(200-1, 200-2)의 연결 가능 범위에 새로운 릴레이 노드 B(200-4)가 접근하는 경우, 상기 두개의 엣지 노드(200-1, 200-2)는 상기 새로운 릴레이 노드 B(200-4)와 연결될 수 있다.
하지만, 상기 릴레이 노드 B(200-4)가 상기 릴레이 노드 A(200-3)보다 성능(예를 들면, RSSI, 배터리 능력, 송수신 능력 등)이 더 좋다면, 상기 두 개의 엣지 노드(200-1, 200-2)는 상기 릴레이 노드 A(200-3)와 연결을 계속할 필요가 없다.
이와 같이, 플로딩 방식에서 메시지 전달에 반드시 필요하지 않은 릴레이 디바이스 A(200-3)가 다수 존재함으로써, 네트워크 트래픽이 증가하고, 메시지의 충돌 가능성이 높아지는 문제점이 존재한다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 메시지 전달에 필요하지 않는 릴레이 디바이스들을 릴레이 동작을 수행하지 않는 모드로 변경하는 방법을 제안한다.
도 8은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 8을 참조하면, 메쉬 네트워크의 프로토콜 스택은 베어러 계층(81), 네트워크 계층(82), 전송 계층(83), 어플리케이션 계층(84)으로 구성된다.
상기 베어러 계층(81)은 노드간에 메시지가 전송되는 방법을 정의한다. 즉, 메쉬 네트워크에서 메시지가 전송되는 베어러를 결정한다.
메쉬 네트워크에서는 메시지 전송을 위한 애드버타이징 베어러(advertising bearer) 및 GATT 베어러(GATT Bearer)가 존재한다.
상기 네트워크 계층(82)은 메쉬 네트워크에서 메시지가 하나 또는 그 이상의 노드들로 보내지는 방법 및 상기 베어러 계층(81)에 의해서 전송되는 네트워크 메시지들의 포맷을 정의한다.
또한, 상기 네트워크 계층(82)은 메시지가 릴레이 또는 포워딩될지 여부 및 네트워크 메시지들의 인증 및 암호화 방법을 정의한다.
상기 전송 계층(83)은 어플리케이션 메시지의 기밀성(Confidentiality)을 제공하여 어플리케이션 데이터의 암호화 및 인증을 정의한다.
상기 어플리케이션 계층(84)은 상위 계층 어플리케이션이 상기 전송 계층(73)을 어떻게 사용하는지 여부와 관련된 방법 및 어플리케이션 동작 코드(Opcode), 파라미터들을 정의한다.
도 9는 본 발명이 적용될 수 있는 디바이스가 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에 참여하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
새로운 디바이스 또는 프로비저닝 되지 않은 디바이스가 메쉬 네트워크에 참여(join)하여 동작하기 위해서는 프로비저닝(Provisioning) 절차를 거쳐야 한다.
상기 프로비저닝 절차는 인증되지 않은 디바이스를 인증하고, 메쉬 네트워크에 참여하기 위한 기본적인 정보(예를 들면, 유니캐스트 주소(Unicast Address), 각종 키들 등)을 제공하기 위한 절차를 의미한다.
즉, 상기 프로비저닝 절차는 메쉬 네트워크의 프로비저너(Provisioner, 제 2 디바이스(400))가 메쉬 네트워크에 참여하기 위한 정보를 제공하는 절차로써, 상기 프로비저닝 절차를 통해서 상기 제 1 디바이스(300)는 네트워크의 주소, 키들, 디바이스 식별자 및 메쉬 네트워크의 일부로써 동작하기 위한 다양한 정보를 획득할 수 있다.
상기 프로비저닝 절차는, 초대 단계(Invitation Step), 공용 키 교환 단계(Exchanging Public Key Step), 인증 단계(Authentication Step) 및 프로비저닝 데이터 배포 단계(Distribution of Provisioning Step)으로 구성된다.
상기 프로비저닝 절차는 다양한 종류의 베어러들을 통해서 수행될 수 있다. 예를 들면, 광고에 기초한 베어러(advertising-based bearer), 메쉬 프로비저닝 서비스에 기초한 베어러(Mesh Provisioning Service-based bearer) 또는 메쉬에 기초한 베어러(Mesh-based bearer)에 의해서 수행될 수 있다.
상기 광고에 기초한 베어러는 필수적으로 설립되는 베어러로 상기 광고에 기초한 베어러를 지원하지 않거나, 프로비저닝 데이터가 상기 광고에 기초한 베어러를 통해서 전송될 수 없는 경우에 상기 프로비저닝 서비스에 기초한 베어러 또는 메쉬에 기초한 베어러가 프로비저닝 절차에 사용될 수 있다.
상기 프로비저닝 서비스에 기초한 베어러는 기존의 블루투스 LE의 GATT Protocol을 통해서 프로비저닝 데이터를 주고 받기 위한 베어러를 의미하며, 상기 메쉬에 기초한 베어러는 상기 제 1 디바이스(300)와 상기 제 2 디바이스(400)가 직접적으로 데이터를 주고 받을 수 있는 거리에 존재하지 않는 경우, 메쉬 네트워크를 통해서 프로비저닝 데이터를 주고 받을 수 있는 베어러를 의미한다.
상기 광고에 기초한 베어러의 설립 절차는 이후에 살펴보도록 한다.
상기 베어러가 제 1 디바이스(300)와 상기 제 2 디바이스(400)사이에 설립된 뒤에, 아래의 프로비저닝 절차를 통해서 상기 제 1 디바이스(300)는 프로비전될 수 있다.
초대 단계(Invitation Step)
상기 초대 단계는 상기 제 2 디바이스(400)가 상기 제 1 디바이스(300)를 스캐닝(Scanning)하면서 시작된다. 상기 제 1 디바이스는 비콘 메시지를 상기 제 2 디바이스(400)로 전송한다(S9010). 상기 비콘 메시지는 상기 제 1 디바이스(300)의 UUID를 포함한다.
상기 비콘 메시지를 통해서 상기 제 1 디바이스(300)를 스캐닝한 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(300)로 초대 메시지(Invite message)를 전송한다(S9020).
상기 초대 메시지는 상기 제 1 디바이스(300)가 프로비저닝 절차를 수행할 지 여부를 묻는 것으로써, 상기 제 1 디바이스(300)가 상기 프로비저닝 절차를 수행하는 것을 원하지 않을 경우, 상기 초대 메시지를 무시한다.
하지만, 상기 제 1 디바이스(300)가 상기 프로비저닝 절차를 수행하는 것을 원하는 경우, 즉, 메쉬 네트워크에 참여하려는 경우, 상기 제 1 디바이스(300)는 이에 대한 응답으로 능력 메시지(Capability message)를 전송한다(S9030).
상기 능력 메시지는 상기 제 1 디바이스(300)가 보안 알고리즘의 설정을 지원하는지 여부, 공개 키(Public Key), 사용자에게 값을 출력할 수 있는지 여부를 나타내는 정보 및 사용자로부터 값을 입력 받을 수 있는지 여부를 나타내는 정보 등을 포함할 수 있다.
공용 키 교환 단계(Exchanging Public Key Step)
이후, 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(300)로 프로비저닝 시작을 위한 시작 메시지를 전송한다(S9040).
만약, 대역 외 기술(Out of band technology)를 사용하여 공개 키(Public Key)를 이용할 수 없는 경우, 상기 제 2 디바이스(400)와 상기 제 1 디바이스(300)는 공개 키들을 교환한다(S9050, S9060).
하지만, 대역 외 메커니즘을 통해서 공개 키를 이용할 수 있는 경우, 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(300)로 임시 공개 키(ephemeral public key)를 전송하고, 상기 제 1 디바이스(300)로부터 대역 외 기술을 사용하여 스태틱 공개 키를 읽어올 수 있다.
이후, 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(300)와 인증 절차를 수행하여 상기 제 1 디바이스(300)를 인증한다(S9070).
프로비저닝 데이터 배포 단계(Distribution of Provisioning Data Step)
상기 제 1 디바이스(300)가 인증되면, 상기 제 2 디바이스(400)와 상기 제 1 디바이스(300)는 세션 키를 계산하여 생성한다.
이후, 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(300)로 프로비저닝 데이터를 전송한다(S9080).
상기 프로비저닝 데이터는 어플리케이션 키, 디바이스 키, 네트워크 키, IVindex, 및 유니캐스트 주소 등을 포함할 수 있다.
상기 프로비저닝 데이터를 수신한 상기 제 1 디바이스(300)는 이에 대한 응답으로 완료 메시지를 전송하고, 프로비저닝 절차는 종료되게 된다(S9090).
도 10은 본 발명이 적용될 수 있는 광고에 기초한 베어러의 설립 절차의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
상기 도 10을 참조하면, 프로비저너(제 2 디바이스(400))는 새로운 디바이스(제 1 디바이스(300))와 프로비저닝 절차를 수행하기 전에, 상기 도 8에서 설명한 광고에 기초한 베어러를 설립할 수 있다.
구체적으로, 상기 광고에 기초한 베어러(이하, 링크라고 한다)는 프로비저닝 절차의 메시지들을 송수신하기 위해서 상기 제 2 디바이스(400)와 상기 제 1 디바이스(300)사이에 설립된다.
먼저, 프로비저닝되지 않은 디바이스인 제 1 디바이스(300) 및 제 3 디바이스(500)는 비콘 메시지를 상기 제 2 디바이스(400)로 전송한다(S10010).
이때, 상기 비콘 메시지는 브로드캐스트 형식으로 상기 제 2 디바이스(400)를 포함한 주변의 디바이스들에게 전송될 수 있으며, 디바이스의 UUID(Universal Unique Identifier)를 포함할 수 있다.
상기 프로비저너 역할을 수행하는 상기 제 2 디바이스(400)는 상기 비콘 메시지를 수신하고, 상기 비콘 메시지에 포함되어 있는 UUID를 통해서 상기 비콘 메시지를 전송한 디바이스를 식별할 수 있다.
상기 제 2 디바이스(400)는 식별한 디바이스들 중 수신신호 세기(Received Signal Strength indicator, RSSI) 등을 기초로 프로비저닝 절차를 수행할 디바이스로 상기 제 1 디바이스(300)를 선택할 수 있다.
이후, 상기 제 2 디바이스는 선택된 상기 제 1 디바이스(300)의 UUID 및 설립되는 링크의 ID를 포함하는 링크 오픈 메시지(link open message)를 상기 제 1 디바이스(300) 및 상기 제 2 디바이스(400)로 전송할 수 있다(S10020).
이때, 상기 링크 오픈 메시지는 브로트캐스트 형식으로 주변의 디바이스들에게 전송될 수 있다.
상기 링크 오픈 메시지를 수신한 상기 제 1 디바이스(300)는 상기 링크 오픈 메시지에 포함된 UUID를 통해서 자신과 링크를 형성하고자 하는 것을 알 수 있으며, 이에 대한 응답으로 상기 링크의 ID를 포함하는 응답 메시지를 상기 제 2 디바이스(400)로 전송할 수 있다(S10030).
이와 같은 절차를 통해서 상기 제 2 디바이스(400)와 상기 제 1 디바이스(300) 사이에 링크가 형성될 수 있으며, 형성된 링크를 통해서 상기 도 9에서 살펴본 프로비저닝 절차가 수행될 수 있다.
도 11 및 도 12은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 디바이스(Relay Device)의 동작의 일 예를 나타낸 순서도이다.
상기 도 11 및 상기 도 12를 참조하면, 블루투스 메쉬 네트워크에서 릴레이 디바이스는 인접한 디바이스(엣지 디바이스 또는 릴레이 디바이스)로부터 메시지를 전송 받으면, 전송 받은 메시지를 다시 인접한 디바이스(엣지 디바이스 또는 릴레이 디바이스)로 전송한다.
구체적으로, 릴레이 디바이스는 주변의 릴레이 다비이스 또는 엣지 디바이스와 연결되기 위해서 또는 데이터를 전송하기 위해서 광고 메시지를 전송한다(S11010). 이때, 상기 광고 메시지는 광고 채널을 통해서 전송될 수 있다.
상기 광고 메시지라는 표현은 하나의 일 예이며, 애드버타이징 메시지, 광고 PDU, 광고 패킷 등 다양한 표현으로 호징될 수 있다.
상기 릴레이 디바이스는 상기 광고 메시지에 대한 응답으로 연결 요청 메시지가 수신되지 않는 경우(S11020), 추가적으로 광고 메시지를 전송할 수 있는지 여부를 판단한다(S11060).
만약, 추가적인 광고 메시지를 전송할 수 있는 경우, 상기 단계(S11010)로 돌아가 광고 메시지를 전송한다.
하지만, 추가적인 광고 메시지를 전송하지 못하는 경우, 상기 도 12의 단계(S12010)과 같이 스캐닝 모드로 모드를 변경해 주변에서 전송되는 메시지들을 스캔할 수 있다(S11070).
상기 릴레이 디바이스는 상기 광고 메시지에 대한 응답으로 연결 요청 메시지가 수신되면(S11020), 연결 메시지를 전송한 디바이스와 연결 절차를 통해 연결되게 된다.
만약, 연결된 디바이스가 또 다른 릴레이 디바이스인 경우(S11030), 상기 릴레이 디바이스는 상기 또 다른 릴레이 디바이스가 요청하는 정보를 제공할 수 있다(S11050).
하지만, 연결된 디바이스가 또 다른 릴레이 디바이스가 아닌 경우(S11030), 연결된 디바이스로부터 주소를 할당 받을 수 있다(S11040).
이후, 상기 릴레이 디바이스는 추가적인 광고 메시지를 전송할 수 있는지 여부를 판단하여, 상기 추가적인 광고 메시지를 전송할 수 있는 경우, 상기 단계(S11010)으로 돌아가 상기 추가 적인 광고 메시지를 전송하게 된다.
하지만, 추가적인 광고 메시지를 전송할 수 없는 경우, 상기 릴레이 디바이스는 상기 도 12의 단계(S12010)과 같이 스캐닝 모드로 모드를 변경해 주변에서 전송되는 메시지를 수신하게 된다(S12010).
상기 릴레이 디바이스는 스캐닝 동작 중 데이터를 포함한 광고 메시지가 전송되는 경우(S12020), 상기 광고 메시지를 다시 인접한 디바이스로 재전송하는 릴레이 동작을 수행한다(S12030).
하지만, 상기 스캐닝 동작 중에 광고 메시지를 수신하지 못한 경우(S12020), 상기 릴레이 디바이스는 스캐닝 동작을 추가적으로 수행할 수 있는지 여부를 판단할 수 있다(S12040).
만약, 추가적인 스캐닝 동작이 가능하면, 상기 단계(S12010)으로 돌아가 스캐닝 동작을 수행한다.
하지만 추가적인 스캐닝 동작을 할 수 없다면, 상기 릴레이 디바이스는 다시 광고 모드로 돌아가 광고 메시지를 전송할 수 있다(S12050).
도 13 및 도 14는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 엣지 디바이스(Edge Device)의 동작의 일 예를 나타낸 순서도이다.
상기 도 13 및 상기 도 14을 참조하면, 블루투스 메쉬 네트워크에서 엣지 디바이스는 릴레이 디바이스로 데이터를 송신하거나 수신할 수 있으며, 데이터를 수신한 경우, 목적지 주소가 자신의 주소가 아니면 데이터를 드랍(drop)할 수 있다.
구체적으로, 상기 엣지 디바이스는 기본적으로 스탠바이 상태로 존재하고 있는다(S13010). 상기 스탠바이 상태에서 상기 엣지 디바이스는 어떤 데이터도 송수신하지 않는다.
이후, 상기 엣지 디바이스는 다른 디바이스로 전송할 데이터가 존재 하는지 여부를 판단하여(S13020), 전송할 데이터가 존재하는 경우 광고 상태(Advertising state)로 진입하여 광고 메시지를 전송한다(S13030).
하지만, 전송할 데이터가 없는 경우, 다른 디바이스로부터 전송되는 메시지(message)를 수신하기 위해서 스캐닝 상태로 진입하여 스캐닝을 수행한다(S13050).
상기 단계(S13030)에서 상기 엣지 디바이스는 전송할 데이터를 상기 광고 메시지에 포함시켜서 인접한 릴레이 디바이스 또는 엣지 디바이스로 전송한다.
만약, 상기 광고 메시지에 포함시켜 전송한 데이터가 응답이 필요 없는 경우(S13040), 상기 엣지 디바이스는 다시 스탠바이 상태로 진입하여 데이터를 송수신 하지 않게 된다(S13010).
하지만, 상기 광고 메시지에 포함시켜 전송한 데이터가 응답이 필요한 경우(S13040), 상기 엣지 디바이스는 상기 응답을 수신하기 위해서 스캐닝 상태로 진입하여 스캐닝을 수행하게 된다(S13050).
상기 스캐닝 상태로 진입한 상기 엣지 디바이스는 다른 디바이스로부터 전송되는 메시지를 수신하고, 수신된 메시지에 데이터가 포함되어 있는지 여부를 판단한다(S13060).
만약, 데이터가 포함되어 있지않는 경우, 상기 엣지 디바이스는 도 14의 단계(S14010)를 수행할 수 있다(S13070). 즉, 상기 메시지에 새로운 네트워크 주소가 포함되어 있는지 여부를 판단하여(S14010), 포함되어 있지 않는 경우 상기 도 13의 단계(S13010)과 같이 스탠바이 상태로 진입하게 된다(S14050).
하지만, 새로운 네트워크 주소가 포함되어 있는 경우, 상기 엣지 디바이스는 새로운 네트워크를 설정(Configuration)할 준비를 하고(S14020), 셀프 설정(Self Configuration)을 통해서 주소를 생성하게 된다(S14030).
이후, 생성된 주소를 메쉬 네트워크의 다른 디바이스들에게 브로드캐스팅 하고(S14040), 다시 스탠바이 상태로 진입하게 된다(S14050).
상기, 단계(S13060)에서 수신된 메시지에 데이터가 포함되어 있는 경우, 상기 엣지 디바이스는 상기 데이터의 목적지 주소를 나타내는 Dst 필드의 값이 자신의 주소인지 여부를 판단한다(S13080).
상기 엣지 디바이스는 상기 Dst 필드의 값이 자신의 주소가 아니면 수신된 메시지를 드랍(drop)한다(S13090).
하지만, 상기 엣지 디바이스는 상기 DST 필드가 자신의 주소인 경우 메시지를 전송한 디바이스(소스 디바이스)의 주소를 나타내는 필드인 src 필드의 값이 자신의 주소인지 여부를 판단한다(S13100).
상기 SRC 필드의 값이 자신의 주소를 나타내지 않는 경우, 상기 엣지 디바이스는 다시 스탠바이 상태로 진입하게 된다(S13010).
하지만, 상기 SRC의 주소가 자신의 주소인 경우, 상기 엣지 디바이스는 도 14의 단계(S14030)를 수행할 수 있다. 즉, 셀프 설정을 통해서 주소를 생성하게 된다(S14030).
이후, 생성된 주소를 메쉬 네트워크의 다른 디바이스들에게 브로드캐스팅 하고(S13040), 다시 스탠바이 상태로 진입하게 된다(S14050).
도 15는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스간 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
상기 도 15를 참조하면, 릴레이 디바이스는 새로운 릴레이 디바이스가 접근한 경우, 새로운 릴레이 디바이스와 능력(Capability)을 비교하여 릴레이 동작을 중단 또는 계속할 수 있다.
먼저, 제 1 디바이스(400), 제 2 디바이스(500), 제 3 디바이스(600) 및 릴레이 디바이스(700)는 메쉬 네트워크를 형성하고 있다.
상기 릴레이 디바이스(700) 및 상기 제 1 디바이스(400)는 릴레이 모드(Relay Mode)이며, 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)는 엣지 디바이스이다.
상기 릴레이 모드는 사용자의 초기 설정에 의해 설정될 수 있으며, 릴레이 디바이스의 블루투스 기능을 ON하면 진입하게 되는 모드이다.
상기 릴레이 모드에서 릴레이 디바이스들은 메시지를 전송 받으면, 인접한 다른 릴레이 디바이스 또는 엣지 디바이스로 상기 메시지를 재 전송하는 릴레이 동작을 수행하게 된다.
상기 릴레이 모드인 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)와 블루투스 LE를 통해서 연결되어 있다(S15010).
즉, 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)로 광고 메시지(Advertising message)를 전송한다.
상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)는 상기 광고 메시지를 통해서 상기 릴레이 디바이스를 발견하고, 연결을 위한 연결 요청 메시지를 전송하여 연결 절차를 수행함으로써 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)와 연결되게 된다.
이후, 새로운 릴레이 디바이스(이하, 제 1 디바이스(400))가 네트워크에 접근하여, 주변의 디바이스들과의 연결을 위해서 광고 메시지를 전송한다(S15020).
상기 광고 메시지를 수신한 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 제 1 디바이스(400)와 릴레이 역할을 변경하고 위한 능력 비교 절차(Capability Comparison Procedure)를 수행하여, 어떤 디바이스가 릴레이 역할에 적합한지 여부를 판단한다(S15030).
상기 능력 비교 절차를 통해서 릴레이 역할을 하는 디바이스가 변경된 경우, 변경 통지 절차(Change Notification Procedure)를 통해서 새롭게 변경된 릴레이 디바이스를 주변 디바이스들(제 2 디바이스(500), 제 3 디바이스(600))에게 알리게 된다(S15040).
하지만, 만약 릴레이 역할을 하는 디바이스가 변경되지 않은 경우, 상기 변경 통지 절차는 수행되지 않는다.
이후, 역할 변경 절차(Role Change Procedure)를 통해서, 상기 릴레이 디바이스(700)는 더 이상 릴레이 동작을 수행하지 않고, 상기 제 1 디바이스(400)가 상기 제 2 디바이스(500), 상기 제 3 디바이스(600) 및 상기 릴레이 디바이스(700)와 연결되어 릴레이 동작을 수행하게 된다(S15050).
이와 같은 방법을 통해서 블루투스 메쉬 네트워크에서 릴레이 노드가 지나치게 많아지는 것을 방지할 수 있어 릴레이 동작으로 인한 네트워크 트래픽 및 충돌(Collision)을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 릴레이 동작에 적합한 디바이스가 릴레이 역할을 하도록 설정할 수 있다.
이하, 각 절차에 대해서 구체적으로 살펴본다.
능력 비교 절차(Capability Comparison Procedure)
도 16 및 도 17은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스 간 능력(Capability)를 비교하기 위한 방법 및 메시지 포맷의 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 16은 상기 도 15의 능력 비교 절차(Capability Comparison Procedure)가 비 연결(Connectionless) 상태에서 수행되는 경우, 구체적인 절차를 도시하고 있다.
구체적으로, 상기 릴레이 디바이스(700) 및 상기 제 1 디바이스(400)는 상기 제 1 디바이스(400)가 상기 릴레이 디바이스(700)로 광고 메시지를 전송하면 역할을 변경하기 위한 절차를 수행하기 위해서 역할 변경 모드(Role Change Mode)로 진입하게 된다.
상기 역할 변경 모드는 주변에 릴레이 디바이스가 존재하는 경우, 주변의 릴레이 노드와 역할 변경이 가능한 모드를 의미한다.
이때, 상기 역할 변경 모드라는 표현은 하나의 일 예이며, 다른 표현으로 사용될 수 있다.
상기 역할 변경 모드에 진입한 상기 제 1 디바이스(400)는 상기 릴레이 디바이스로 능력 비교를 위한 광고 메시지(제 1 메시지)를 전송한다(S16010).
상기 광고 메시지는 광고 채널을 통해 전송되며, 상기 도 17과 같은 포맷을 가질 수 있다.
상기 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 광고 메시지는 프리엠블(Preamble) 필드, 접속 주소(Access Address) 필드, PDU(Packet Data Unit) 필드, 및 CRC(Cyclic Redundancy Check) 필드로 구성될 수 있다.
상기 프리엠블 필드는 8bit의 “10101010” 또는 “01010101”의 값을 가질 수 있으며, 수신측에서 주파수 동기, 심볼 타이밍 평가를 수행하는데 사용될 수 있다.
상기 접속 주소 필드는 32bit의 값을 가지며, 광고 채널 패킷(Advertising Channel Packet)의 고정된 값(예를 들면, 0x8E89BED6)을 가질 수 있다
상기 CRC 필드는 네트워크를 통해서 데이터를 전송할 때 데이터에 오류가 있는지 여부를 확인하기 위한 체크 값을 나타낸다. 모든 링크 계층 패킷의 마지막에는 24bit의 CRC 코드를 넣고, PDU 필드를 기반으로 해서 계산될 수 있다.
상기 PDU 필드는 헤더(Header) 필드, 및 페이로드(Payload) 필드로 구성될 수 있다.
상기 헤더 필드는 상기 광고 메시지의 정보를 포함하는 필드로써, 아래 표 2는 상기 헤더 필드의 일 예를 나타낸다.
PDU TYPE Reserved TxAdd RxAdd Length Reserved
상기 PDU Type 필드는 상기 광고 메시지의 타입 정보를 나타내는 필드로써, 상기 광고 메시지가 Advertising 타입인지, Scanning 타입인지, Initiating 타입인지 여부를 나타낼 수 있다.
상기 TxAdd 필드는 상기 광고 메시지를 전송한 디바이스의 주소가 Public인지 random인지 여부를 나타낸다. 예를 들면, 상기 TxAdd 값이 ‘1’이면 Random 이고, ‘0’이면 public을 나타낸다.
상기 RxAdd 필드는 상기 광고 메시지를 수신한 디바이스의 주소가 Public인지 random인지 여부를 나타낸다. 예를 들면, 상기 TxAdd 값이 ‘1’이면 Random 이고, ‘0’이면 public을 나타낸다.
상기 페이로드 필드는 상기 PDU 필드의 타입을 나타내는 PDU Type 필드 및 구체적인 데이터가 포함되는 AD data 필드로 구성될 수 있다.
상기 제 1 디바이스(400)는 페이로드 필드에 능력정보(Capability information, 제 1 능력 정보)를 포함시켜 전송할 수 있다. 예를 들면, 상기 AD Type 필드는 능력 정보의 타입을 나타내며, 상기 AD Data 필드는 상기 능력 정보의 구체적인 값을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 능력 정보는 수신 신호 세기(Received Signal Strength Indication), 배터리 잔량 또는 상태, 전송 세기(Tx Power), 수신 세기(Rx Power) 등을 포함할 수 있다.
아래 표 3은 상기 페이로드 필드의 일 예를 나타낸 표이다.
AD Type AD Data
<<RSSI>> 10dBm, -20dBm
<<Battery>> Good, Bad 등
<<Tx Power>> 20dBm 등
<<Rx Power>> 20dBm 등
상기 광고 메시지를 수신한 릴레이 디바이스는 상기 광고 메시지에 포함되어 있는 능력 정보와 자신의 능력 정보(제 2 능력 정보)를 비교하여, 어떤 디바이스가 릴레이 역할에 적합한지(예를 들면, 수신신호 세기가 더 높은지, 배터리 상태가 더 좋은지 등) 여부를 판단할 수 있다(S16020).
이와 같은 방법을 통해서 상기 릴레이 디바이스(700)는 새로운 릴레이 디바이스인 상기 제 1 디바이스(400)의 능력과 자신의 능력을 비교할 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 디바이스 간 능력(Capability)를 비교하기 위한 방법 및 메시지 포맷의 또 다른 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 18 및 상기 도 19를 참조하면, 상기 도 16 및 상기 도 17과는 다르게, 상기 도 15의 능력 비교 절차(Capability Comparison Procedure)가 연결(Connection) 상태에서 수행되는 경우, 구체적인 절차를 도시하고 있다.
상기 도 15의 단계(S15020)에서 상기 제 1 디바이스(400)로부터 광고 메시지를 수신한 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 제 1 디바이스(300)로 연결 요청 메시지를 전송하고, 연결 절차를 수행하여 상기 제 1 디바이스(300)와 연결될 수 있다(S18010).
상기 릴레이 디바이스(700)와 상기 제 1 디바이스(400)는 서로 연결된 이후, 상기 도 15에서 살펴본 역할 변경 모드로 진입하게 된다.
이후, 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 제 1 디바이스(400)로부터 상기 제 1 디바이스(400)의 능력 정보(제 1 능력 정보)를 포함하는 제 1 데이터 채널 PDU(제 1 메시지)를 수신하고(S18020), 상기 제 1 디바이스(400)로 상기 릴레이 디바이스의 능력 정보(제 2 능력 정보)를 포함하는 제 2 데이터 채널 PDU(제 2 메시지)를 전송한다(S18030).
이때, 상기 제 1 데이터 채널 PDU 및 상기 제 2 데이터 채널 PDU는 상기 도 19와 같은 포맷으로 구성될 수 있다.
채널(Channel) ID 필드는 상기 데이터 채널 PDU가 전송되는 Channel의 ID를 나타내는 필드이다.
상기 정보 페이로드(Information Payload) 필드는 구체적인 데이터가 포함되는 필드로써, 상기 능력 정보를 포함할 수 있다.
이때, 상기 채널 ID 필드의 값을 0x0004로 설정하면, 상기 정보 페이로드 필드의 포맷을 아래 표 4와 같이 속성 구조(Attribute Structure)로 구성하여 속성 프로토콜을 이용하여 상기 데이터 채널 PDU를 송수신할 수 있다.
Attribute Handle (2byte)
Attribute Type (2byte or 16byte)
Attribute value (Fixed or Variable)
Attribute Permission (GATT Profile)
상기 표 4의 “Attribute Type”은 상기 도 16의 AD Type과 동일한 유형의 값을 포함할 수 있고, “Attribute Value”는 AD Data와 동일한 유형의 값을 포함할 수 있다.
이후, 상기 릴레이 디바이스(700)와 상기 제 1 디바이스(400)는 상기 제 1 능력 정보와 상기 제 2 능력 정보를 비교하여 어떤 디바이스가 릴레이 역할에 적합한지(예를 들면, 수신신호 세기가 더 높은지, 배터리 상태가 더 좋은지 등) 여부를 판단할 수 있다(S18040).
변경 통지 절차(Change Notification Procedure) 및 역할 변경 절차(Role Change Procedure)
도 20은 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 역할의 변경을 디바이스들에게 통지하기 위한 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
상기 도 20을 참조하면, 상기 도 15 내지 상기 도 18에서 설명한 능력 비교 절차를 통해 릴레이 역할에 적합한 디바이스를 결정한 릴레이 디바이스는 결정된 디바이스가 어떤 디바이스인지 인접 디바이스들에게 알리게 된다.
구체적으로, 상기 도 16 내지 상기 도 19에서 설명한 능력 비교 절차를 통해 릴레이 역할에 적합한 디바이스를 결정한 릴레이 디바이스(700)는 결정된 디바이스를 통지 메시지(Notification message)를 통해서 상기 제 1 디바이스(400), 상기 제 2 디바이스(500), 및 상기 제 3 디바이스(600)에게 알린다(S20010, S20020).
만약, 비교 결과 상기 릴레이 디바이스(700)의 능력(Capability)이 더 좋은 경우, 상기 릴레이 디바이스는 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)와 연결되어 계속해서 릴레이 역할을 수행할 수 있으며, 상기 제 1 디바이스(400)는 릴레이 역할을 하지 않는 넌 릴레이 모드(Non-Relay Mode)로 진입하게 된다.
하지만, 비교 결과 상기 제 1 디바이스(400)의 능력(Capability)이 더 좋은 경우, 상기 릴레이 디바이스(700)는 상기 통지 메시지를 전송한 이후, 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)와 연결을 종료하고 상기 넌 릴레이 모드로 진입하게 된다.
이후, 상기 제 1 디바이스(400)는 상기 릴레이 디바이스(700)에게 상기 릴레이 디바이스(700)의 역할이 종료되었음을 알리는 릴레이 종료 메시지(Relay Termination Message)를 전송한다(S20030).
상기 릴레이 종료 메시지라는 표현은 하나의 일 예이며 다른 표현으로 호칭될 수 있다.
상기 릴레이 종료 메시지를 수신한 상기 릴레이 디바이스(700)는 릴레이 역할을 하지 않는 엣지 디바이스의 역할을 수행할 수 있다.
상기 릴레이 디바이스(700)와의 연결이 종료된 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)와 엣지 디바이스의 역할을 수행하는 상기 릴레이 디바이스(700)는 새롭게 릴레이 역할을 수행하는 상기 제 1 디바이스(400)와 연결을 하게 된다(S20040)
구체적으로, 상기 릴레이 디바이스(700), 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스(600)는 상기 제 1 디바이스(400)로 광고 메시지를 전송하고, 상기 제 1 디바이스(400)는 상기 릴레이 디바이스(700), 상기 제 2 디바이스(500) 및 상기 제 3 디바이스로 연결 요청 메시지를 전송하여 연결 절차를 수행하여 연결되게 된다.
상기 도 15 내지 상기 도 20에서 설명한 방법을 통해서 최적의 릴레이 디바이스들만 남겨두고 나머지 릴레이 디바이스들은 릴레이 역할을 중지하게 함으로써, 릴레이 디바이스들의 숫자를 감소 시킬 수 있으며, 이로 인하여 네트워크 트래픽 및 충돌 발생이 줄어드는 효과가 있다.
도 21은 본 발명이 적용될 수 있는 실 생활에서 블루투스 메쉬 네트워크(Mesh Network)에서 릴레이 역할의 변경 방법이 적용되는 일 예를 나타낸 도이다.
상기 도 21을 참조하면, 상기 도 15 내지 상기 도 20에서 설명한 방법이 실생활에서 사용되는 일 예를 살펴볼 수 있다.
구체적으로 (a) 릴레이 디바이스인 TV(700)와 엣지 디바이스인 사용자 디바이스 1(500) 및 사용자 디바이스 2(600)는 블루투스 LE를 통해서 메쉬 네트워크를 형성하고 있다.
이때, 상기 메쉬 네트워크에 새로운 릴레이 디바이스로 전구(400)가 참여(join)하게 되면, 상기 TV(700)와 상기 전구(400)는 상기 도 14 내지 상기 도 19에서 설명한 능력 비교 절차를 수행하게 된다.
(b)비교 결과, 상기 TV(700)가 릴레이 역할에 더 적합하면, 상기 전구(400)는 릴레이 역할을 수행하지 않고 엣지 디바이스의 역할을 수행하게 된다.
하지만, 상기 전구(400)가 릴레이 역할에 더 적합하다면, 상기 TV(700)는 이를 상기 사용자 디바이스 1(500)과 상기 사용자 디바이스 2(600)에게 알리고, 상기 사용자 디바이스 1(500) 및 상기 사용자 디바이스 2(600)와의 블루투스 LE 연결을 종료하게 된다.
(c) 이후, 상기 TV(700)는 릴레이 역할을 수행하지 않고, 엣지 디바이스의 역할을 수행하게 된다.
또한, 상기 TV(700), 상기 사용자 디바이스 1(500) 및 상기 사용자 디바이스 2(700)는 새롭게 릴레이 역할을 수행하는 상기 전구(400)와 블루투스 LE를 통해서 연결되게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
나아가, 설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시 예들을 병합하여 새로운 실시 예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다.
본 명세서는 블루투스 데이터 송수신에 관한 것으로서, 특히 블루투스 LE(Low Energy) 기술을 이용하여 메쉬 네트워크에서 디바이스간 메시지를 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 릴레이 디바이스가 릴레이 역할을 변경하기 위한 방법에 있어서,
    제 1 디바이스로부터 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 수신하는 단계;
    상기 제 1 능력 정보와 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 결정 결과를 포함하는 통지 메시지(Notification message)를 상기 릴레이 디바이스와 연결된 적어도 하나의 디바이스로 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 능력 정보를 포함하는 제 2 메시지를 상기 제 2 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지는 데이터 채널(Data Channel)을 통해서 전송되는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지 각각은 상기 데이터 채널을 나타내는 채널 ID를 더 포함하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 메시지 및 상기 제 2 메시지는 속성 프로토콜(Attribute Protocol)을 이용하여 전송되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 메시지는 광고 채널을 통해서 전송되는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행하는 경우, 상기 제 1 디바이스로부터 상기 릴레이 디바이스의 릴레이 역할의 종료를 나타내는 종료 메시지(Termination message)를 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 디바이스와 연결 종료 절차를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 능력 정보 및 상기 제 2 능력 정보 각각은 수신 신호 세기, 배터리 잔량 정보, 전송 파워 정보 또는 수신 파워 정보 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  10. 블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행하기 위한 방법에 있어서,
    릴레이 역할을 수행하는 릴레이 디바이스로 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 전송하는 단계;
    상기 릴레이 디바이스로부터 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 2 메시지를 수신하는 단계;
    상기 제 1 능력 정보와 상기 제 2 능력 정보를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행하는 경우, 상기 릴레이 디바이스로 상기 릴레이 디바이스의 릴레이 역할의 종료를 나타내는 종료 메시지(Termination message)를 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 릴레이 디바이스와 연결되었던 적어도 하나의 디바이스와 연결을 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 연결을 수행하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 디바이스로부터 광고 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 광고 메시지에 기초하여 상기 적어도 하나의 디바이스로 연결 요청 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 능력 정보 및 상기 제 2 능력 정보 각각은 수신 신호 세기, 배터리 잔량 정보, 전송 파워 정보 또는 수신 파워 정보 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  15. 블루투스의 메쉬 네트워크(mesh network)에서 릴레이 역할을 변경하기 위한 릴레이 디바이스에 있어서,
    외부와 무선 또는 유선으로 통신하기 위한 통신부; 및
    상기 통신부와 기능적으로 연결되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는,
    제 1 디바이스로부터 상기 제 1 디바이스의 능력(Capability)을 나타내는 제 1 능력 정보(Capability information)를 포함하는 제 1 메시지를 수신하고,
    상기 제 1 능력 정보와 상기 릴레이 디바이스의 능력을 나타내는 제 2 능력 정보(Capability information)를 비교하며,
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 제 1 디바이스가 릴레이 역할을 수행할지 여부를 결정하고,
    상기 결정 결과를 포함하는 통지 메시지(Notification message)를 상기 릴레이 디바이스와 연결된 적어도 하나의 디바이스로 전송하도록 제어하는 디바이스.
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