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10/29/2025

Nordic BLE Channel Sounding

1. Nordic BLE Channel Sounding 

RF-RTLS(TI Channel Sounding)
RTLS의 이해 필요 와 이전 TI BLE Channel Sounding 참고 (아참 Beacon 기반이 아님,주의)
각 Chip 제조사 별로 나중에 각 비교를 해보자. 

RF Radar 와 RF Communication 비교 
Range 측정은 Radar 1개 가능하지만, RF Communication 최소 2개 이상 필요 



  • BLE 6.0 BLE Channel Sounding 소개 
글을 읽어보면, BLE 6.0 Key Feature이며, PBR을 이용하여 거리 감지 가능하다. 
처음에는 자료가 못 구해서, 이게 Beacon 기반인 줄 착각했다. (Beacon 암호화 <-이곳에 꽂혀서)
쉽게 설명하면, BLE Channel을 생성하여, Sound 즉 일종의 Tone(PBR) 신호를 보내서 Radar처럼 거리를 감지하는 기술이다.  
물론 좀 확장되면, Radar 처럼 AoA도 가능할 것이지만, 매번 BLE Demo에는 빠져있다. 
RF 통신 기반이므로, 당연히 기기는 2개 이어야 가능하다. 

  • BLE 의 Nordic Channel Sounding Demo
아래 Nordic Demo를 보면, AoA까지는 안되는 듯하며, Range만 즉 거리만 가능한 것 같다.  


  • Nordic BLE Channel Sounding 
BT/BLE를 개발을 해본 사람이라면, 모르는 회사는 아닐 듯하다.
저번에 TI BLE Channel Sounding 데모를 보고, AoA 언급을 한 것 같은데, Noridc도 아직 AoA는  안될 듯하다.



  • Nordic 3rd Party Product 
관련 제품 군들을 나중에 이곳에서 찾아 보자 


  • Nordic BLE Channel Sounding 
  1. BLE Chip 정보 와 EVM 확인 
  2. 내가 가지고 있는 nRF7002DK는 안됨 
아래는 Initiator /Reflector 이며, 아래 이해하려면 우선 상위 이전 RTLS의 TI BLE Channel Sounding부터 이해하고 각 역할을 좀 더 보도록하자.

Initiator 

Reflector 
  https://docs.nordicsemi.com/bundle/ncs-latest/page/nrf/samples/bluetooth/channel_sounding_ras_reflector/README.html

  • Nordic 의 BLE Channel Sounding
  1. Ranging Service Specification  각 확인 
  2. Ranging Profile Specification  각 확인 
  3. IFFT SIZE 즉 Sampe 갯 수 확인 
    1. Inverse 사용하는 이유는 보통 신호복구 


  • Nordic BLE Channel Sounding TEST Result
Anthena 4개이면, AoA도 될 듯한데, 언급이 없으며, 문서를 좀 자세히 읽어 보면, 각 Anthena를 Switch를 진행을 한다.
아직 AoA / AoD에 대한 언급 아직 없다. 



2. Nordic BT/BLE Tools

BLE를 다시 개발하면, 그 때 다시 사용해보도록 하겠으며, 항상 Nordic Tool들은 추천한다. 

보통 nRF Connect Tool 가장 많이 이용하지 않나 싶다. 
관련 BLE Profile 분석 확인 
ESP32로 BLE 개발을 해도, 필요하다. 

  • Mobile 용 BT/BLE Tools
  1. nRF Connect Device Manager : 각 Profile 분석/ Scan 기능 부터 다양하게 제공 
  2. nRF Edge Impuse 지원: Edge AI(TinyML)
https://docs.nordicsemi.com/category/nrf-tools


   

  • Nordic BT/BLE Tools
개인적으로 너무 좋으며, 이외 다양하게 최근에 다양하게 제공을 해주는 듯하다. 
나도 나중에 다시 개발을 할 경우, 다시 써보고 나서 말을 하는 것이 좋겠다. 
  1. nRF Sniffer의 경우, 나중에 Wireshark와 연결되는 지 확인 
    1. 왠지 Wireshark과 될 듯하다. 
https://docs.nordicsemi.com/category/nrf-tools



nRF 관련 Tool 
이게 더 Mobile 과 Desktop 같이 나오니 더 편하게 Download 가능할 듯하다.

BLE Sniffer 
나중에 이 부분은 가능하다면, 비교를 해보도록 하겠다. 
  https://novelbits.io/bluetooth-low-energy-ble-sniffer-tutorial/


2.1 BLE Sniffer 과 Wireshark

Wireshark는 Ethernet /USB/ WIFI 비롯하여 거의 pCap만 되면, 거의 된다.
꼼수로 기존 것을 이용해서 본인이 만들어도 좋다. 

  • ESP32 BLE Sniffer
참고로, WIFI Sniffer도 별도로 만드는 것도 가능 한듯하다. (별도로 테스트를 안 해봄) 


2.2 WIFI Sniffer 와 Wireshark

WIFI와 BLE는 항상 거의 같이부터 다니므로, 이 부분도 같이 기술을 하도록 한다. 

  • ESP32 Wireshark(WIFI)
EspressIF Manual은 전제는 PC의 WIFI가 monitor 모드가 지원될 경우이다. (착각하시지 마시길)
PC의 WIFI의 경우, Driver에 따라 동작 모드가 제한이 있으므로 반드시 확인하시길 
특히, Broadcom WIFI는 제공을 안 하며, 제공하지 않는 칩 제조사도 많다. 


WLAN
참고로, 상위내용을 더 설명하면, 각 WIFI의 경우, MLME로  걸쳐서, Ethernet2로 나오는 경우가 많다.
각 세부 사항을 알고 싶다면, WIFI Driver 내부까지 알아야 하며, 각 칩 제조사의 WIFI Driver는 대충알아야 할 듯하다. 
(요즘 WIFI Driver 직접 개발하지 않아 잘 모르겠으나, 예전에는 다 달랐으며, 아래참조)


  • ESP32 WIFI Sniffer
본인이 ESP32에서 Sniffer 직접 만들어서, tcpdump를 이용해서 적용 하는 방법도 존재한다. 
ESP32 WIFI 의 경우, 거의 모든 WIFI 기능을 마음대로 제공해서, 최적의 Sniffer가 아닐지 생각이 쉽다. 
(솔직히 이렇게 WIFI를 마음대로 Control하게 해주는 곳은 Chip 제조사 거의 본 적이 없는 듯하다)
나중에 시간이 되면, 이것을 만들도록 하겠다. 
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11/15/2024

RF RTLS 의 개념

1. RTLS  개념 

주로 RF 통신기반으로 나오는 이야기 이며, 위치를 파악하는 기술이다. 

  • RTLS(Real Time Location System, Real Time Tracking System)
RF에서 가끔 나오는 이야기이며, GPS 없이 위치를 파악하는 기능

  • AoA(Angle of Arrival)
최소 2개 이상의 Anthena를 이용하여 들어오는 신호 위상(Phase)차이를 이용하여 방향을 감지하는 방법이다.
Anthena 의 설계에 따라 다르겠지만, 좀 깊게 들어가면, Angle-Azimuth 와 Angle-Elevation 으로 2가지 방향으로 설계가 가능하며, Radar를 보면 쉽게 이해가 간다. 

  • Radar 의 AoA 이해 
Radar의 AoA를 이해를 하면  최근 BLE의 AoA도 금방이해가능하며, 구지 깊게 설명 

Radar의 전반 이해 (Antena)
Radar 에 전반적인 이해 



2. BLE의 RTLS 

최근에 TI가 Channel Sounding과 함께 Demo를 보여줘서 RTLS 부분을 간단히 정리한다.
아래에서 한글자료들을 찾았으며, 간단히 링크만 


  • RTLS의 용어 및 설명 
  1. Angle of Arrival (AoA)    -> Radar 와 거의 동일  
    1. N 개의 RX Anthena 를 이용하여, 도착시간의 차이를 Phase 차이로 계산 
  2. Time of Arrival (ToA)      -> Network Ping과 유사
    1. ToF라고도 하며, 왕복거리를 걸린 시간으로 나누면 됨 
  3. Time Difference of Arrival (TDOA)  -> Time Sync를 어떻게 맞출지가? 
    1. 2개 이상에서 Anchor들 사이 ToA or ToF 기반으로 위치 측정 , 삼각측량과 비슷 
  4. Received Signal Strength (RSS)      -> 거의 이제 잘 사용하지 않는 것 같음 
    1. 각 Channel의 RX 신호 세기
  5. Time of Flight (ToF)                     -> RF의 경우, Beacon Packet RTT 계산? 


  • RTLS AoA BLE Beacon 기반으로 설명 
BLE기반으로 한글로 잘 설명해주셔 감사 

  • TI Wireless connectivity->RTLS
  1. AoA(Angle-of-Arrival):  
    1. RX의 Anthena 는 최소 2개 이상필요하며, Radar 거의 유사 
    2. n개의 RX Anthena의 Phase 차이로 위치를 파악 
  2. AoD(Angle of Departure)
    1. TX의 Anthen 최소 2개 이상 필요  
    2. RX에서 아래 그림 같은 구조 
    3. Beaforming으로 TX 다중 안테나를 이용하여 하는 것 같음



  1. AoA(Angle-of-Arrival) :  수신측(RX) 기반으로 안테나 최소 2개 이상으로 RX에서 Angle 파악 
  2. AoD(Angle of Departure): 송신측(TX) 기반으로 방향감지 Packet 전송에서 RX Angle 파악 

AoA의 결론 
RX 의 안테나 최소 2개 이상으로, 아래와 같이 Radar 와 거의 동일하게 측정하는 것 같다.

https://dev.ti.com/tirex/explore/node?node=A__AQ0TYkLXd7cPWtNUtMqjSw__com.ti.SIMPLELINK_ACADEMY_CC13XX_CC26XX_SDK__AfkT0vQ__LATEST 



1.2 BLE 의 Channel Sounding (RTLS) 

BLE의 새로운 기술  Channel Sounding 이라고 하며 거의 Radar와 비슷하다. 

RF Radar 와 RF Communication 비교 
Radar 1개이면 Range 측정이 가능하지만, RF Communication 2개 이상 필요 

  • Channel Sounding
BLE에서 2개로 통신을 하면서 Beacon 기반?으로 Radar처럼 Range 와 방향을 찾는 기술인 것 같으나, 현재 아래 TI 데모를 보면, Range만 측정가능 하다   
Radar 의 Chirp처럼 지속적인 신호를 보내는 것을 명시 되었으면 좋은데, 아직 별다른 명시가 되어 있지 않아, 추후 좀 더 이 부분은 찾아보도록 하겠다. 


Channel Sounding Range 측정방법  
  1. Phased-Based Ranging (PBR)
  2. Round-Trip Time (RTT) 

아래의 TI 데모 자료에도 AoA의 언급이 없음 
링크도 깨짐

  • Phased-Based Ranging (PBR)
FMCW Radar 처럼 Phase 차이로 손쉽게 Range를 측정
아래의 initiator 가 되돌아온 Frequency Phase 차이로 Range 파악가능 
거의 Radar와 비슷하며, 다만 통신이기에 2개의 Device를 사용을 해야 한다. 
제대로만 된다면, AoA도 괜찮게 될 듯하다. 


https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/feature-enhancements/channel-sounding/

  • Round-Trip Time (RTT) 
Packet의 ToF 기반으로 거리를 추정하는 것으로 모든 곳에서 사용이 되어지며, 사실 BLE 가 아니더라도 WIFI 비롯하여 어디듯 사용가능하다. 
https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/feature-enhancements/channel-sounding



  • Phase 차이로 쉽게 Radar 처럼 Range 측정 (TI 자료,AoA 설명은 없음)
4 Bluetooth Channel Sounding Flow for Phase-Based Ranging
Appendix A: Basics of Phase Based Ranging and Multi-Carrier Phase Ranging
LO initiator 와 LO Refrector 의 Clock Sync? 누가 맞추는지?


https://www.ti.com/lit/an/swra791/swra791.pdf


  • Channel Sounding Flow 
  1. CS Step Mode 0  :  양쪽 Clock Sync  (상위 문제는 이곳에서?)
  2. CS Step Mode 2  :  PBR 시작 
  3. BLE Data : 반사파 받아 이를 Range 측정 

  • Channel Sounding 와 Clock Sync 
상위 의 Clock Sync의 답일 듯하며, 다만 Calibration 방식으로 2개 가 일정 거리를 유지해야 보정이 될 듯하다.  
예를 들면, 10m 로 하고 RF Calibration 방식으로 2개의 Clock의 Sync를 맞추는 것이다. 

  • Channel Sounding PBR 신호 
FMCW Radar의 Chirp 과 유사하지만 다름  
아래를 봐도 Ramp 신호기반 PM 방식?  FMCW 의 Chirp 거의 유사하지만, 아래를 그림보면 X축이 시간 축이 없어서 일단 나도 확실히 장담을 못함 (Y: Phase , X: Frequency)



  • Channel Sounding Security 
거리 기반으로 보안을 높인다고 하는 것 같은데, 이 부분은 추후 더 확인을 해봐야 할 듯하다.
현재 생각으로는 RTT를 범위를 벗어나 것을 무시? (현재 생각?)

RTT
  1. Initiator ToD -> Reflector ToA = ToF
  2. Reflector ToD -> Initiator ToA = ToF

https://www.ti.com/lit/an/swra791/swra791.pdf

  • TI의 Channel Sounding 기술 Demo 
자세한 설명이 없어, BLE의 Phy칩에서 Beacon기반으로 상위 Refletor로 반사파를 보내주는 것으로 생각?? (추측, 근데 지속성은?, 특정채널?) 
일단 Initiator 와 Refector 와 Clock Sync를 어떻게 맞추는지는 잘 모르겠으며, TI에서 제공하는 상위 Channel Souding Draft Specfication 의 링크도 깨짐  
현재 결론은, 
PBR TX 신호를 보내기 전에, Clock Sync 통신으로 맞추고,  이후 특정 채널을 이용하여 그냥 Signal Reflecting 되어서 이를 Phase 감지하는 기술로 생각하면 될 것으로 추측되어짐  
다만 FMCW Radar처럼 Chirp Design이나 이런 부분은 별도로 거의 설명이 없고, BT의 어느패킷 과 채널 인지도 세부 내용은 더 찾아 봐야 할 듯하다  

FMCW Radar처럼 AoA까지 된다고 하면, RX 의 안테나 설계에 따라 방향도 감지 가능할 것이다.
아쉬운 점은 상위 TI에서도 RTLS의 AoA 를 문서로 남겼지만, BLE Channel Sounding에는 별도 언급이 없고,  Range만 측정 가능한 걸로 보인다.   


  • WIFI 의 의문?
현재는 왜 WIFI는 비슷한 기술이 나올 만 한데, 나중에 시간이 되면 좀 더 찾아 보도록 하겠다. 
 

  • TI BLE Channel Sounding 기술 시연
아래 기술시연을 보면, AoA는 아직 아닌 것 같으며, Range만 가능 
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6/22/2021

ESP32 BT(Bluetooth) Host Stack 정리

1. BT의 Host Stack 구조 

BT의 Host Stack과 Profile의 전부 파악하기 힘들므로, 각각의 기능에 따라 분리하여 각 항목별로 Stack 구조파악을 하자.

ESP32 BT Stack 동작과 비교 


1.1 BT Audio기반 Stack 구조

  • Bluetooth Classic Stack
  1. Profiles: GAP, A2DP(SNK), AVRCP(CT)
  2. Protocols: L2CAP, SDP, AVDTP, AVCTP 
Bluetooth의 경우 중요한것은 Profile들이며, 대부분 Protocol들이 지원하므로, 관련부분은 참조만 하자.
더불어 Profile의 지원여부들을 확인하자.
https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_en.pdf


  • L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)
OSI Layer 2 계층이며, Packet 재전송과 Flow Control 이외 Packet 분할과 재조립부터 다양한 기능들을 제공해주고 있으며, 상위 Protocol Multiplexing 도 제공 
  1. Basic L2CAP Mode
  2. Flow Control Mode
  3. Retransmission Mode
  4. Enhanced Retransmission Mode
  5. Streaming Mode
  6. LE Credit-Based Flow Control Mode

  • SDP(Service Discovery Protocol)
L2CAP기반에 주 역할은 상대의 Service를 찾는것이며, Server 와 Client형태로 구성이되어 Server는 각 Service들을 유지하고 있다.

  • GAP(General Access Profile) 
GAP의 경우, description의 mode와 device discoverability, connection and security 의 절차를 제공한다고 한다.
GAP의 경우 기본으로 사용되므로 사용방법을 알아두며, GATT를 사용시에도 사용되므로 중요.

  • A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)
BT에서 Audio를 사용한다면, A2DP일 것이며, ACL Channel를 통해 제공하며, SRC -> SINK형태로 Audio를 제공 

AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile)를 보면 대충 Remocon 기능으로 동작될 것 같으며, CT(Controller) 와 TG(Target)으로 동작되어진다고 한다.

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_en.pdf


1.2 BT의 GAP/GATT 기반의 Stack 구조 


GAP(General Access Profile)
GATT(Generic Attribute Profile) 
ATT(Attribute Protocol)
SM(Security Manager)
L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol)


https://smartits.tistory.com/18?category=693936


https://igotit.tistory.com/entry/BLE-Protocol-Stack-Bluetooth-Low-Energy



  • BLE의 GAP(General Access Profile)
BLE와 BT에서 GAP의 동작이 다르지는 않을 것이라고 생각되지만, 일단 아래의 BLE기반이라고 하므로 추후에 비교분석을 별도로 해야함

  • BLE의 GAP의 역할 
  1. Broadcaster : Advertising Packet을 보내는 역할로 Observer가 이를 찾아주길 바란다.
  2. Observer: Broadcaster의 정보를 찾고 App에게 이를 보고는하지만 연결은 못함
  3. Peripheral: connectable advertising packets 이용하여 advertise하고 연결가능하며 slave로 연결동작 
  4. Central: Peripheral과 연결가능하며, Master로 동작 

GAP의 Status이며, GATT를 연결하여 동작하면 쉽게 이해할 수 있다. 

  • Device-A 에서는 GAP 기반의 GATT Server 의 동작  
  1. BT Device-A(미밴드) Advertising Packet를 보내 다른 BT Device-B(핸드폰)들이 발견해주기를 바란다.
  2. BT Device-A는 GATT Server를 동작하고 있으며, BT Device-B가 Peripheral(Slave)연결가능하며 연결진행 
  3. 연결된 후 BT Device-A는 GATT Server로 Master(Central)로 동작 


  • GAP의 상태로 상위에서 Slave 와 Master까지 표시 

http://software-dl.ti.com/lprf/simplelink_cc2640r2_sdk/1.35.00.33/exports/docs/ble5stack/ble_user_guide/html/ble-stack/gap.html


핸드폰(Client)에서 Device(Server)로 연결한 후 각 Characteristic 값들을 변경하여 반영한다.
아래는 단방향이지만, 양방향으로 가능 (Notify Server-> Client)



2.  BT의 Stack 의 동작 및 구현정보

현재 Audio 관련부분은 경험이 없으므로, 생략하며, GAP 과 GATT Service기반으로 간단히 설명하고 정리한다.


2.1 GGS(GAP GATT Service) 동작 및 확인

Device에서 GATT Server로 Service를 구현하여, 핸드폰에서 이 Device를 발견하고 연결한 후 Characteristic Value를 변경한다.

  

  • GATT(General Attribute Profile) Client

http://software-dl.ti.com/lprf/simplelink_cc2640r2_sdk/1.35.00.33/exports/docs/ble5stack/ble_user_guide/html/ble-stack/gatt.html#gap-gatt-service-ggs


  • GATT Client-> Server 연결 후 Server 값들 확인 
아래의 16bite UUID의 값은 역할이 정해져 있으므로, 각 값은 반드시 정확한 의미를 알고 사용해야한다.

    Type             UUID       Allocated for 
//GATT Service 등록시 Primary or Secondary Service 설정 
//Service 등록되면 Characteristic 설정하여 값 이름 과 값 설정 등등
GATT Declarations 0x2800   Primary Service
GATT Declarations 0x2801   Secondary Service
GATT Declarations 0x2802   Include
GATT Declarations 0x2803   Characteristic

//설명으로 옵션으로 설정
GATT Descriptor 0x2900 Characteristic Extended Properties
GATT Descriptor 0x2901 Characteristic User Description
GATT Descriptor 0x2902 Client Characteristic Configuration
GATT Descriptor 0x2903 Server Characteristic Configuration
GATT Descriptor 0x2904 Characteristic Presentation Format
GATT Descriptor 0x2905 Characteristic Aggregate Format
GATT Descriptor 0x2906 Valid Range
GATT Descriptor 0x2907 External Report Reference
GATT Descriptor 0x2908 Report Reference
GATT Descriptor 0x2909 Number of Digitals
GATT Descriptor 0x290A Value Trigger Setting

//GATT 기본서비스로 Device Name 설정 및 기타기능설정 
GATT Service 0x1800 Generic Access

//GATT 기본서비스 속성으로 Service 동작방식제어
GATT Service 0x1801 Generic Attribute

// Device Information Service로 아래에 있는 것처럼 Device 관련된 정보출력
GATT Service 0x180A Device Information

// Heart Rate Service (Notify를 이용하여 각 정보제공)
GATT Service 0x180D Heart Rate

// Battery Service 
GATT Service 0x180F Battery

BT관련정보들 


** 주의해야할 것은 Handle 과 UUID를 혼동하지말자.
http://software-dl.ti.com/lprf/simplelink_cc2640r2_sdk/1.35.00.33/exports/docs/ble5stack/ble_user_guide/html/ble-stack/gatt.html#gap-gatt-service-ggs


UUID의 경우 16bit 이외에도 128bit 생성하여 Custom UUID로 사용가능하며, 이 값도 설정가능 


  • GATT Service 구현시 
  1. ATT(Attribute Protocol):  Server or Client 설정 및 각 Type 과 권한설정 
  2. GATT(General Attribute Profile) : 아래 기능들을 설정하여 구현 
    1. Services:  Server에서 동작할 Service ( Service UUID 찾기)
    2. Characteristics: Service에서 사용되는 값 정의  및 설정 등 (Char UUID 찾기)
    3. Descriptor: 관련설명 명시 

https://www.novelbits.io/bluetooth-gatt-services-characteristics/

  • GAP/GATT Service에서 가장 기본예제 (Heart Rate)
아래 사이트를 찾아봐도 쉽게 다양한 자료를 검색가능하며,  핸드폰으로 Device의 GATT Server로 접속하여 Hear Rate 정보를 받는다.


https://www.cypress.com/file/179851/download


  • BLE GATT(Generic Attribute Profile) 구현 및 테스트 예제 
아래의 사이트가 가장도움이 되었으며, 쉽게 Android에서 nRF Connect를 이용하여 테스트가 가능하였다.

아래사이트 반드시 참조


  • GATT의 Device Info or Battery Service 구현할 경우 예제 
각 필요한 GATT의 Profile 내부에서 사용되는 Service확인 
  1. GATT 사용될 Service의 UUID
  2. 상위 Service의 Characteristics의 UUID를 찾아 정의하고 값 설정 
  3. Description도 필요하다면 설정 

/* Device Information Service UUID */
#define GATT_DEVICE_INFO_UUID                   0x180A

/* Device Information Service's Characteristics  */
#define GATT_MANUFACTURER_NAME_UUID             0x2A29
#define GATT_MODEL_NUMBER_UUID                  0x2A24
#define GATT_SERIAL_NUMBER_UUID                 0x2A25
#define GATT_HARDWARE_REVISION_UUID             0x2A27
#define GATT_FIRMWARE_REVISION_UUID             0x2A26
/* Heart-rate configuration  Service */ 
#define GATT_HRS_UUID                           0x180D

/* Heart-rate configuration 's Characteristics  */ 
#define GATT_HRS_MEASUREMENT_UUID               0x2A37
#define GATT_HRS_BODY_SENSOR_LOC_UUID           0x2A38
/* Battery Service UUID */
#define GATT_BATTERY_SERVICE_UUID               0x180F

/*  Battery Service 's Characteristics  */ 
#define GATT_BATTERY_LEVEL_UUID                 0x2A19
//#define GATT_BATTERY_LEVEL_STATE_UUID           0x2A1B
//#define GATT_BATTERY_POWER_STATE_UUID           0x2A1A
 
구현하고자 하는 Service의 Spec을 아래에서 찾은 후 확인

3.  ESP32 OS 관련정보 

ESP32 기본개발환경은 expressif가 제공을 해주고 있으며, VSCode로 연결하여 Download도 가능하다.
기본으로 FreeRTOS를 사용하고 있으며, 많은 예제를 제공을 해주고 있다. 

  • ESP32 개발환경 문서 
  • ESP32 개발환경소스 


3.1 AWS FreeRTOS

AWS FreeRTOS는 AWS가 주관으로 FreeRTOS에서 부족한 Library와 버그들을 수정을해가면서 제공을 해주고 있다. 
만약 ESP32 혹은 다른 MCU기반으로 AWS FreeRTOS기반으로 연결하여 쉽게 테스트는 가능하지만, 현재 테스트 결과 ESP32의 경우 
Heap 관련부분에 좀 문제가 존재하지만, 추후에 이 부분은 보강이 될것이라고 생각된다.

  • AWS FreeRTOS
AWS FreeRTOS 문서

AWS FreeRTOS 소스


3.2 Zephyr

  • Zephyr
ESP32도 Zepheyr가 제공되기 시작했지만, 아직 테스트를 해보지는 못함

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6/19/2021

ESP32 BT(Bluetooth) 기본동작 및 BT Stack 비교

1. ESP32 Bluetooth 관련정보 

  • ESP32의 HCI(Host Control Interface)
다른 Bluetooth 처럼 Serial 기반으로 연결되어 HCI가 존재하며, 별도로 VHCI가 존재하고 있음 

  • ESP32 Bluetooth Control/VHCI Layer 함수
HCI(Host Control Interface) 대신 ESP32 Control 기반에 VHCI(Virtual Host Control Interface) 구현됨 
  1. ESP32 Bluetooth Control 함수 
  2. VHCI(Virtual Host Control Interface) Layer 

Bluetooth의 기본동작원리 


1.1  ESP32 Bluetooth 의 Host 구조 및 설정 


ESP32의 경우 BT(Bluetooth) Controller 연결상태에 따라 VHCI or HCI로 연결되어 동작된다.

  • ESP32의 Bluetooth Controller 와 VHCI/HCI 구조 
ESP32 Bluetooth Controller 기반으로 VHCI로 연결하여 Bluedroid를 사용하고 있으며, 외부로 UART로 확장가능 (UART로할 경우 HCI로 동작)
ESP32는 VHCI기반으로 동작되어지고 있으며, Nimble도 동일하며, HCI와 동일하다고 생각하면됨 


https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_en.pdf


HCI 관련정보

  • Bluetooth의 HCI의 ACL과 SCO Link 비교
  1. SCO(Synchronous Connection-Oriented) Link 
  2. ACL(Asynchronous Connection-Less)  Link
세부적인 내용은 아래내용참조


  • BT(Bluetooth) 의 HCI Packet 종류
https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200170709939787.pdf


  • ESP32 BT Classic(BR/EDR) 와 BT LE Controller 구조 
  1. SCO(Synchronous Connection-Oriented) Packet: HCI기반으로 동작 (Data)
  2. ACL(Asynchronous Connection-Less) Packet:  HCI기반으로 동작 (Data)
  3. C/E : (Command/Event) Packet : HCI 기반으로 동작 (Control) 

BT BR/EDR 과 BT LE 의 구조  
BT의 HCI는 아래와 같이 SCO 와 ACL Link가 존재하며, 이는 데이타를 전달(검정색)
Command/Event의 경우 Command와 Event 로 제어담당 (회색)

  https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_en.pdf

ESP32 BT Controller 와 VHCI(Virtual HCI)

H4/HCI Protocol

Bluetooth Controller / Host Stack 

  • 일반적인 BT Controller 와 Stack 전체구조 
HCI(Host Control Interface) 기준으로 일반적인 Host Controller 와 상위 Stack을 보도록하자.

** L2CAP를 걸쳐 RFCOMM 기반으로 PPP기반으로 통신도 가능

https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200170709939787.pdf


  • Bluetooth Version의 변화 (Dual Mode 와 BLE) 
  1. Bluetooth BR/EDR (2.x 기반)
  2. Bluetooth BLE (4.x 기반)
  3. Dual Mode (BR/EDR 와 BLE 모두사용)

BR/EDR 와 BLE 와 Dual Mode 차이와 비교
현재는 아래의 사이트로만으로 충분한 이해는 되지 않고 추후 관련부분을 더 조사

Dual Mode의 장점

BT의 Version 별 기능 


  • ESP32 CONFIG_BT_HOST 설정 
  1. Bluedroid (BT Dual Mode)
  2. Nimble (BLE Only)
  3. 상위외 다른 Stack을 사용하고자한다면 이용

ESP32 관련설정 BTDM (Dual Mode)

  • Bluetooth Classic (BR/EDR 2.x기반)
  1. BR : Basic Rate
  2. EDR : Enhanced  Data Rate



1.2 ESP32의 Bluetooth Core 사용 

  • ESP32의 Bluetooth Core 사용
주의해야할것은 ESP32는 Dual Core이지만, 기본적으로 1개의 Core만 사용하면서 동작되므로, Dual Core는 별도로 설정 및 Task로 분할해서 사용하도록하자.  
  1. PRO_CPU
  2. APP_CPU


2. Bluetooth Stack 종류 와 구조 

  • ESP32에서 제공하는 Bluetooth Stack Library
  1. BlueDroid/Fluoride
  2. Nimble(Apache Mynewt NimBLE)

현재 ESP32의 Bluetooth는 BlueDroid기반과 Nimble기반으로 구현이되어 두가지 방식으로 구현가능하다. 

ESP32의 경우 각 Stack마다 동작되는 BT의 기능이 다르므로 주의하도록하자.
Nimble은 BLE Only

  • ESP32의 BT Stack 기본비교 
  1. Bludroid: Android 기반의 BT/BLE로 크고 다양한 기능을 제공하며 Size가 큼 
  2. nimble : BLE만 지원가능하며 작은 Size로 제공가능하며, 아파치 라이센스
Bluedroid/Nibme 비교 

내 개인생각으로느 ESP32가 MCU이기때문에 거의 Nimble로 선택되어 구성될 것으로 생각되며, Bludroid는 다양한 기능을 구현할때 사용하면 될 꺼 같다.


2.1 ESP32 BlueDroid 기반구조(Dual Mode, BT/BLE) 

BlueDroid는 상위 wiki 설명을 보면, Broadcom에서 만들어졌으며, Android에서 처음 Linux에서 사용하던 Bluez를 사용하다가 
BlueDroid로 변경되었다고 하며, 현재 Fluoride라고 이름이 변경되어졌다고 한다.
세부사항은 상위 Wiki 참조 

  • ESP32 BlueDroid 의 구조
  1. BTC Task (Bluetooth Control layer) : BTA_API 와 ESP_API 통신하며, SDP/GAP/GATT 외 BLE/BT Profile Control 
  2. BTU Task :  BLE & BT Stack 정보를 BTA_API 에게 전달  

- GAP(General Access Profile)
- GATT(General Attribute Profile)
- SM(Security Manager)
- ATT(Attribute Protocol)
- L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol)
- SDP(Service Discovery Protocol)




  https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_bluetooth_architecture_en.pdf


  • Android Bluetooth 구조 
Android에서 BlueDroid가 사용되어진다고하니, 관련부분들을 링크


ESP32의 BlueDroid는 아래와 같이 Common/BLE/Classic로 구분되어지는 것 같으며, 각각의 부분을 알아야 할 것 같다.

  • ESP32 BlueDroid - BT Common
BlueDroid 기본 Control 부분


  • ESP32 BlueDroid - BLE
GAP/GATT/BLUFI



2.2 ESP32 Nimble 기반구조 (BLE Only)

ESP-Controller는 공유하지만, Nimble 전용 VHCI 가 별도로 존재하며, Nimble Host가 최종적으로 동작되어 Nimble전체를 동작시키는 구조




  • Host 관련부분 설정 
ESP32 Host 관련부분설정 


  • ESP32 Nimble API
세부기본 사용법은 아래의 Link를 참조 

  • Nimble BLE Host 와 Controller 구성
상위 BlueDroid와 동일하게 Host와 Controller 기본구성 (아래링크참조)

  • Nimble 의 reset/sync 함수 
nimble은 host 와 controller가 sync가 맞지않는동안 동작되지 않는다고 한다.
그래서 주기적으로 sync callback를 호출하여 sync를 맞추므로 중요
controller가 reset이 되면서 host역시 이를 reset를 해야하므로 중요


  • Nimble Host API
Nimble의 ATT(Attribute Protocol)함수 GAP 등 

  • ESP32 Bluetooth 구조 및 전체설명문서
ESP32의 Bluetooth에 관련된 내용에 대해 자세히 나오므로 필독



3. Bluetooth 관련 TEST App 

BT TEST를 위해 관련된 TEST Application의 자료수집이며, 현재 Android에서 nRF Connect로 쉽게 GAP/GATT를 테스트 및 디버그가 가능하다.

  • Window 11/10
nRF Connect for Desktop

  • Android BT/BLE 관련 Tool (Nordic Semiconductor)
nRF Connect for Mobile
가장 많이 사용되어지는 Program 

nRF Toolbox for BLE
Android BT GATT 부분 Debug 분석 

Android BT Tool 

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