최근 개인용 정보통신기기인 스마트폰의 성능과 기능은 눈부시게 발전하고 있으며 응용범위도 크게 넓어지고 있다. 스마트폰에는 여러 가지 통신기술이 적용되어 있는데, 그중에서도 블루투스는 통신 모듈의 크기가 작고 전력소모가 적을 뿐 아니라 모듈의 가격 또한 저렴하여 활용 가능성이 매우 높은 근거리 통신기술이다[1]. 이 기술은 지금까지 주로 데스크탑 컴퓨터 혹은 포터블 컴퓨터와 주변기기 사이의 파일 전송, 각종 무선 음향기기 및 무선 입력장치 등에 많이 활용되었으며, 실생활과 밀접한 원격 제어 시스템의 통신수단으로도 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

본 연구에서는 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 이용하여 원격 조종 완구나 가전제품 등을 원격에서 조종하는 시스템에 통신오류 제어 프로토콜의 하나인 S/W ARQ(Stop-and-Wait Automatic Response reQuest)을 적용하는 방안을 검토하고 그 효율성을 실험한다.

블루투스 통신은 ISM 대역의 전파를 사용하는데, 이 대역의 전파는 반사, 산란, 회절되기 쉬운 한편[3], 전력 소모와 전파 간섭을 최소화하기 위해 출력전력은 제한된다[1]. 따라서 통신 거리가 멀어지거나 통신 경로에 장애물이 나타나면 전파 감쇠가 일어나 통신오류가 증가한다. 블루투스 원격 제어 시스템에서 이를 극복하기 위해서는 다음의 기능을 갖춘 통신오류 제어 프로토콜이 필요하다: 프레임 누락 및 비트 오류가 발생하였을 때 이를 빠르게 감지할 수 있고, 오류가 발생한 데이터가 반복하여 전송되어야 하며, 제어기와 제어대상 간의 통신연결 상태를 유지하고, 연결 상태를 지속적으로 점검하여 연결이 끊어지면 이를 즉시 감지하여야 한다.

블루투스 표준 규격에는 통신오류를 제어하기 위해 ARQ를 이용한 프로파일들이 있으며, 영상음향장비 제어 프로파일인 AVRCP[3]와 같은 원격장비 제어 프로파일이 그 대표적인 예이다. 완구나 가전제품을 원격 제어하기 위한 프로파일은 블루투스 표준 규격에 제정되어 있지 않으므로, 이들 장비에 대한 통신 체계와 오류 제어 프로토콜을 마련할 필요가 있다. S/W ARQ는 비교적 단순한 제어 구조를 가지면서도[4] 이러한 원격 제어 시스템에 요구되는 기능들을 갖추고 있다.

본 연구에서는 원격 제어 시스템에 S/W ARQ 프로토콜을 적용했을 때의 특성과 효용성을 알아보기 위해, 블루투스 모듈을 장착한 RC카(Remote control car)와 RC카를 조종하는 스마트폰 애플리케이션으로 이루어진 원격 제어 시스템(이하 블루투스 RC카 시스템)을 구현하고, 세 가지 환경에서 이를 구동하여 실험을 수행하였다. 실험결과 S/W ARQ를 적용한 경우 조종 가능 거리가 상당히 늘어났으며, 또한 RC카가 사용자의 제어 범위를 벗어나 통신이 두절되었을 때 RC카가 이를 감지하여 대처함을 확인하였다.

본고의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 본 연구에서 구현한 소프트웨어 및 하드웨어와 함께 스마트폰과 RC카에 구현된 S/W ARQ의 구조에 대해 설명한다. 제 3장에서는 제안하는 방안의 성능을 측정하기 위한 실험과 그 결과에 대해 설명한 다음 제 4장의 결론으로 끝맺는다.

RC카 시스템에 적용된 S/W ARQ의 효용을 검증하기 위해 3장의 설계에 따라 구현된 RC카 시스템을 시험하고 그 결과를 수집하였다.

블루투스가 사용하는 ISM 대역의 전파는 장애물에 의해 반사, 산란, 회절된다. 이 때문에 블루투스의 전파 수신율은 실내와 실외에서 많은 차이를 보이고, 실내에서도 공간의 넓이와 벽면의 재질, 내부 집기 등의 요인이 전파 수신율에 영향을 미친다[3]. 이를 고려하여 다양한 통신 환경에서 S/W ARQ의 효용을 시험하기 위해, 모두 세 가지 환경에서 시험을 시행하였다. 시험 환경 1 및 2를 Figure 7~8에 보였으며, 각 환경의 특성을 Table 2에 요약하였다.

Figure 7: 
Test environment 1

Figure 8: 
Test environment 2

S/W ARQ를 적용하였을 때 성능 향상 정도를 알기 위해, 모든 시험환경에서 S/W ARQ를 적용한 ARQ 모드와 S/W ARQ를 적용하지 않은 비 ARQ 모드의 시험을 같이 수행하여 그 결과를 비교하였다. ARQ 모드에서는 S/W ARQ를 통해 스마트폰과 RC카 사이에 프레임이 송수신된다. 이 모드에서 스마트폰 혹은 RC카가 프레임을 전송한 후 상대방의 확인응답 프레임을 대기하는 시간은 50ms이고, 최대 재전송 횟수 Nmax는 20이다. 또한 스마트폰은 프레임 송수신 간격을 조절하기 위해 RC카로부터 ACK를 수신한 후 조종 명령 프레임을 송신하기 전에 40ms동안 대기하며, RC카는 조종 명령 프레임을 송신하면 대기 시간 없이 ACK 프레임을 송신한다. 통신 오류 횟수가 Nmax에 달하면 모터의 작동이 중지되고 RC카의 LED와 Buzzer가 작동한다.

비 ARQ 모드에서는 조종 명령이 입력되었을 때 명령 프레임이 RC카로 1회 송신된다. 이 프레임이 RC카에 정상적으로 수신되면 RC카는 프레임의 명령대로 동작하고 응답신호는 송신하지 않으며, 프 레임 손상이나 유실 등의 오류에 대해서는 어떠한 처리도 하지 않는다.

ARQ 모드와 비 ARQ 모드로 각각 스마트폰과 RC카 사이의 연결을 설정한 뒤, 스마트폰으로 RC카 앞바퀴의 방향을 조작하는 명령을 전송하여 동작 여부를 확인하였다. 스마트폰과 RC카 사이의 거리를 10m씩 늘여가며 시험하였고, 각 시험당 10회씩 명령전송을 반복하면서 앞바퀴가 동작한 횟수를 계수하였다.

시험의 결과를 Figure 9 ~ Figure 11에 나타내었다. 우선 확인할 수 있는 것은, 오류 제어 프로토콜 사용 여부와는 별개로 주변 환경이 블루투스 통신의 통달 거리에 상당한 영향을 미친다는 것이다. 비 ARQ 모드로 시스템을 운용하였을 때 개활지인운동장(시험 환경 3)의 100% 통달 거리는 10m였다. 건물 내 복도인 시험 환경 1과 2의 100% 통달 거리는 이보다 더 길었는데, 두 벽면 대부분이 콘크리트로 이루어진 시험 환경 1의 통달 거리(40m)가, 벽면의 재질에서 유리창과 목재의 비율이 높은 시험 환경 2의 통달 거리(30m)보다 길었다.

ARQ 모드를 적용하였을 때의 통신 성공률은 모든 시험 환경의 모든 거리에서 비 ARQ 모드와 같거나 그보다 높았으며, 이에 따라 조종이 가능한 거리도 증가하였다. 특히 시험 환경 3의 경우, ARQ 모드에서 100%의 통신 성공률을 기록한 최장거리는 20m인데, 이것은 비 ARQ 모드에 비해 두 배로 증가한 것이다. 또 이 환경의 ARQ 모드에서 한 번이라도 통신이 성공한 최장거리는 30m인데, 이 또한 비 ARQ 모드에 비해 10m 증가하였다.

Figure 9:  
Result graph of test environment 1

Figure 10: 
Result graph of test environment 2

Figure 11: 
Result graph of test environment 3

ARQ 모드와 비 ARQ 모드의 성능 차이는 스마트폰과 RC카 사이의 거리가 어느 정도 떨어져서 비 ARQ 모드의 성능이 감소할 때 드러난다. 예를 들어 Figure 10의 시험 환경 2에서 40m 구간의 통신 성공 횟수를 비교하면, ARQ 모드의 경우 10회이고 비 ARQ 모드는 4회로, ARQ 모드를 적용하였을 때 250% 증가하였다. 같은 방법으로 비교하였을 때 50m 구간의 통신 성공률은 ARQ 모드 적용 시 350% 증가하였고, 60m 구간의 통신 성공률은 150% 증가하였다.

한편 ARQ 모드에서 시험 중 프레임 누락이 빈번히 일어나거나 통신이 두절될 경우, RC카의 모터 동작이 멈추고 LED와 Buzzer가 동작함을 확인하였다.

본 연구에서는 스마트폰의 블루투스 통신 기능으로 구성한 원격 제어 시스템에 오류 제어 프로토콜로 S/W ARQ를 적용하고 그 효용성을 시험하여 검증하고자 하였다. 이를 위해 RC카 시스템을 제작한 다음, S/W ARQ를 적용하여 원격 조종 시험을 수행한 결과와 S/W ARQ를 적용하지 않고 같은 시험을 수행한 결과를 비교하였다. S/W ARQ를 적용하였을 때 조종 명령의 수신율이 개선되었고, 이로 인하여 S/W ARQ를 적용하지 않았을 때에 비해 조종 명령의 전반적인 통달 거리가 증가하였다. 또한 S/W ARQ를 통해 RC카 시스템이 통신 상황을 감지하여, 통신 상태가 좋지 않을 경우 기동을 멈추고 Buzzer와 LED 신호를 발생시켜 대응할 수 있음을 확인하였다. 이처럼 S/W ARQ의 적용을 통해 조종 명령의 수신율과 통달 거리를 증가시키고 통신 상황에 대한 대응 능력을 부여하는 기법은, RC카와 같은 완구류와 여러 가전제품 등 실생활에 밀접한 전자제품을 스마트폰으로 제어할 때의 효용성을 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다. 또한 향후 본 연구의 결과를, 각종 원격 제어 시스템에 대한 블루투스 프로파일 제작에 응용할 수 있을 것이다.