Bluetooth: принципи побудови і функціонування

Bluetooth: принципи побудови і функціонування

Содержание

Вступ

Історія створення і розвитку

Принцип роботи bluetooth

Профілі bluetooth

Безпека

Застосування

Bluetooth: принципи побудови і функціонування

Перспективи bluetooth

Література

Приложение

Вступ

Слово Bluetooth - сформульований на англійській мові варіант датського "Bl tand", епітет короля X століття Харальда I (Harald I) з Данії і частин Норвегії, який об'єднав данські племена, що ворогували, в єдине королівство. Сенс полягає в тому, що Bluetooth робить те ж саме з протоколами зв'язку, об'єднуючи їх в один універсальний стандарт. Хоча "bl " у сучасних скандінавських мовах означає "синій", за часів вікінгів воно також могло означати "чорного кольору". Так історично правильним переказ старого норвезького Харальд Blátönn швидше є Харальд Blacktooth чим Харальд Bluetooth.

Логотип Bluetooth є поєднанням двох нордичних рун: "хаглаз"  (Hagall) - аналог латинської H і "беркана"  (Berkanan) - латинська B. Логотип схожий на старіший логотип для Beauknit Textiles, підрозділи корпорації Beauknit. У нім використовується злиття відбитої K і В для "Beauknit", він ширше і має кути, що округляють, але загалом він такий же.

Історія створення і розвитку

На початку 1998 року Ericsson, IBM, Intel, Toshiba і Nokia - найбільші компанії комп'ютерного і телекомунікаційного ринку - об'єдналися для спільної розробки технології безпровідного з'єднання мобільних пристроїв.20 травня 1998 року сталося офіційне представлення спеціальної робочої групи (SIG - Special Interest Group), покликаній забезпечити безперешкодне впровадження технології, що отримала назву Bluetooth. Незабаром до групи увійшли 3COM/Palm, Axis Communication, Motorola, Compaq, Dell, Qualcomm, Lucent Technologies, UK Limited, Xircom. Зараз група включає більше 1400 компаній, що беруть участь в роботі над безкоштовною відкритою специфікацією Bluetooth. Завдяки простоті і витонченості цієї технології, багато фахівців упевнені, що Bluetooth не має конкуренції в області створення невеликих локальних мереж і безпровідного об'єднання пристроїв в межах будинку, офісу або, скажімо, машини.

На відміну від технології інфрачервоного зв'язку IRDA (Infrared Direct Access), що працює за принципом "крапка-крапка" в зоні прямої видимості, технологія Bluetooth розроблялася для роботи як за принципом "крапка-крапка", так і як багатоточковий радіоканал, керований багаторівневим протоколом, схожим на протокол мобільного зв'язку GSM.

Bluetooth стала конкурентом таким технологіям, як IEEE 802.11, HOMERF і IRDA, хоча остання і не призначена для побудови локальних мереж, але є найпоширенішою технологією безпровідного з'єднання комп'ютерів і периферійних пристроїв.

Основний ідей нової технології було надання можливості легкого і зручного безпровідного з'єднання різних пристроїв і організації безпровідної локальної мережі. Технологія повинна дозволити користувачеві організовувати обмін інформацією і голосом між всілякими пристроями, наприклад настільним комп'ютером, КПК і стільниковим телефоном. Тобто, скажімо, приходите ви в офіс, а ваш КПК тут же автоматично синхронізує адресну книгу і календар з настільним ПК і передає нові контакти на ваш мобільний телефон. У перспективі, технологія дозволить об'єднувати будь-які електронні пристрої, аж до холодильників, пральних машин, мікрохвильових печей і дверних замків (тільки представте - ваш холодильник передає на ваш стільниковий, що у нього закінчилося молоко, а той у свою чергу, відправляє вашому КПК вказівка додати молоко в список покупок). При цьому, одними з важливих параметрів нової технології повинні були стати низька вартість пристрою зв'язку - в межах 20 доларів, відповідно невеликі розміри (адже мова йде про мобільних пристроях) і, що важливо, сумісність, простота вбудовування в різні пристрої. Власне ради цього і була організована група SIG, яка, окрім всього іншого, дозволила безлічі виробників об'єднатися, а не розробляти власні, несумісні один з одним платформи. Тобто в недалекому майбутньому Bluetooth може стати "стандартом де-факто" для безпровідних комунікацій.

Принцип роботи bluetooth

Технологія використовує невеликі приймачі малого радіусу дії, або безпосередньо вбудовані в пристрій, або що підключаються через вільний порт або РС-карту. Адаптери працюють в радіусі 10 метрів і, на відміну від IRDA, не обов'язково в зоні прямої видимості, тобто, між пристроями, що сполучаються, можуть бути різні перешкоди, або стіни.

Bluetooth працює на частоті, що не ліцензується у всьому світі, 2.45 Ггц (смуга промислового, наукового і медичного застосування ISM - Industry, Science, Medicine), що дозволяє вільно використовувати пристрої Bluetooth у всьому світі. Радіоканал забезпечує швидкість 721Кбит/с і передачу 3 голосових каналів. Технологія використовує FHSS - стрибкоподібну перебудову частоти (1600 скачков/с) з розширенням спектру. При роботі передавач переходить з однієї робочої частоти на іншу по псевдовипадковому алгоритму. Для повнодуплексної передачі використовується дуплексний режим з тимчасовим розділенням (TDD). Підтримується ізохронна і асинхронна передача даних і забезпечується проста інтеграція з TCP/IP. Тимчасові інтервали (Time Slots) розгортаються для синхронних пакетів, кожен з яких передається на своїй частоті радіосигналу.

Енергоспоживання пристроїв Bluetooth має бути в межах 0.1 Вт. Кожен пристрій має унікальна 48-бітова мережева адреса, сумісна з форматом стандарту локальних мереж IEEE 802.

Bluetooth 1.0

Пристрої версій 1.0 (1998) і 1.0B мали погану сумісність між продуктами різних виробників. У 1.0 і 1.0B була обов'язковою передача адреси пристрою (BD_ADDR) на етапі встановлення зв'язку, що робило неможливою реалізацію анонімності з'єднання на протокольному рівні і було основним недоліком даної специфікації.

Bluetooth 1.1

У Bluetooth 1.1 було виправлено безліч помилок, знайдених в 1.0B, додана підтримка для нешифрованих каналів, індикація рівня потужності сигналу, що приймається (RSSI).

Bluetooth 1.2

У версії 1.2 була додана технологія адаптивної перебудови робочої частоти (AFH), що поліпшило опірність до електромагнітної інтерференції (перешкодам) шляхом використання рознесених частот в послідовності перебудови. Також збільшилася швидкість передачі і додалася технологія eSCO, яка покращувала якість передачі голосу шляхом повторення пошкоджених пакетів. У HCI додалася підтримка трьох-провідного інтерфейсу UART.

Головні поліпшення включають наступне:

Швидке підключення і виявлення.

Адаптивна перебудови частоти з розширеним спектром (AFH), яка підвищує стійкість до радіоперешкод.

Вищі швидкості чим в 1.1 передач даних, практично до 721 кбит/сек.

Розширені Синхронні Підключення (eSCO), які покращують якість передачі голосу в аудіопотоці, дозволяючи повторну передачу пошкоджених пакетів, і при необхідності можуть збільшити затримку аудіо, щоб подати кращу підтримку для паралельної передачі даних.

У Host Controller Interface (HCI) додана підтримка трьох-провідного інтерфейсу UART.

Затверджений як стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005

Введені режими управління потоком даних (Flow Control) і повторної передачі (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR

Bluetooth версії 2.0 був випущений 10 листопада 2004 р. Має зворотну сумісність з попередніми версіями 1. x. Основним нововведенням стала підтримка EDR (Enhanced Data Rate) для прискорення передачі даних. Номінальна швидкість EDR близько 3 Мбіт/с, проте на практиці це дозволило підвищити швидкість передачі даних тільки до 2,1 Мбіт/с. Додаткова продуктивність досягається за допомогою різних радіо технологій для передачі даних.

Стандартна (або Базова) швидкість передачі даних використовує Гаусове Кодування із зрушенням частот (GFSK) модуляцію радіо сигналу, при швидкості передачі в 1 Мбіт/s. EDR використовує поєднання GFSK і PSK-модуляцию з двома варіантами, /4-DQPSK і 8DPSK. Вони мають великі швидкості передачі даних по повітрю 2 - і 3 Mbit/s відповідно.

Bluetooth SIG видала специфікацію як "Технологія Bluetooth 2.0 + EDR", яка має на увазі, що EDR є додатковою функцією. Окрім EDR є і інші незначні удосконалення до 2.0 специфікації, і продукти можуть відповідати "Технологія Bluetooth 2.0", не підтримуючи вищу швидкість передачі даних. Принаймні один комерційний пристрій, HTC TYTN Pocket РС, використовує "Bluetooth 2.0 без EDR" в своїх технічних специфікаціях.

Згідно 2.0 + EDR специфікації, EDR забезпечує наступні переваги:

Збільшення швидкості передачі в 3 рази (2.1 Мбіт/с) в деяких випадках.

Нижче споживання енергії завдяки зменшенню навантаження.

Bluetooth 2.1

2007 рік. Додана технологія розширеного запиту характеристик пристрою (для додаткової фільтрації списку при сполученні), енергозбережна технологія Sniff Subrating, яка дозволяє збільшити тривалість роботи пристрою від одного заряду акумулятора в 3-10 разів. Крім того оновлена специфікація істотно спрощує і прискорює встановлення зв'язку між двома пристроями, дозволяє проводити оновлення ключа шифрування без розриву з'єднання, а також робить вказані з'єднання захищенішими, завдяки використанню технології Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

У серпні 2008 року Bluetooth SIG представив версію 2.1+EDR. Нова редакція Bluetooth знижує споживання енергії в 5 разів, підвищує рівень захисту даних і полегшує розпізнавання і з'єднання Bluetooth-устройств завдяки зменшенню кількості кроків за яких воно виконується.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0 + HS специфікація <#"1.files/image003.gif">

На прикладі Bluetooth-зв’язку за типом "крапка - крапка" показана інформаційна взаємодія двох хостов. Кожен Bluetooth-модуль містить формуючу і приймально-передавальну апаратуру, а також вбудоване або "зашите" програмне забезпечення (Firmware). До останнього відноситься інтерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер зв'язку (Link Manager), а також контроллер частоти (Baseband). Зв’язок модуля, що несе, з хостом на фізичному і канальному рівнях здійснюється з допомогою шин USB, UART, РС Card і відповідного вбудованого ПО. До фізичного рівня відноситься також радіолінія між модулями.

Модуль підтримує прийом - передачу даних і мовних сигналів. Зв'язок між модулем і хост-контроллером проводиться за допомогою високошвидкісного USB-интерфейса або UART/PCM-интерфейса. Коли використовується USB-интерфейс, модуль є USB-ведомим приладом і тому не вимагає ресурсів персонального комп'ютера.

Інтерфейс хост-контроллера (ІХК) в модулі є командним інтерфейсом. Хост через ІХК направляє команди, а у відповідь приймає від модуля повідомлення про їх виконання. Менеджер зв'язку встановлює необхідну конфігурацію ІХК.

Технологія Вluetooth передбачає два види зв'язку: синхронну - SCO (Synchronous Connection Oriented) і асинхронну - ACL (Аsynchronous Connectionless). Перший вигляд, SCO, розрахований на встановлення симетричного з'єднання "крапка - крапка" і служить переважно для передачі мовних повідомлень. Швидкість передачі інформації SCO дорівнює 64 Кит/с. Другий, ACL, призначений для пакетної передачі даних. Він підтримує симетричні і асиметричні з'єднання типа "крапка - багато крапок". Швидкість передачі пакетної інформації при ACL складає порядка 721 Кбіт/с. Пакети даних мають фіксований формат. На початку блоку знаходиться 72-бит код доступу. Він може застосовуватися, зокрема, для синхронізації пристроїв. За ним слідує 54-бит заголовок пакету, що містить контрольну суму пакету і інформацію про його параметри (наприклад, про повторну передачу блоку даних). Замикає пакет область, що безпосередньо містить інформацію, що пересилається. Розмір цієї області варіюється від 0 до 2745 битий.

Основоположним принципом побудови систем Bluetooth є використання методу розширення спектру при стрибкоподібній зміні частоти (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь виділений для Bluetooth-радіозв'язку частотний діапазон 2,402.2,480 Ггц розбитий на N частотних каналів (мал.2а). Смуга кожного каналу 1 Мгц, рознесення каналів - 140.175 кГц. Для кодування пакетної інформації використовується частотна маніпуляція (рис.2б).

Рис 2. Частотний діапазон Bluetooth (а) і спосіб кодування пакетної інформації

Для США і Европи N = 79. Виняток становлять Іспанія і Франція, де для Bluetooth застосовується 23 частотних каналу. Зміна каналів проводиться по псевдовипадковому закону з частотою 1600 Гц. Постійне чергування частот дозволяє радіоінтерфейсу Bluetooth транслювати інформацію по всьому діапазону ISM і уникнути дії перешкод з боку пристроїв, що працюють в цьому ж діапазоні. Якщо даний канал зашумлений, то система перейде на іншій, і так відбуватиметься до тих пір, поки не виявиться канал, вільний від перешкод. На мал.3 показана частотно-тимчасова плоскість, що ілюструє одночасну роботу трьох Bluetooth-модулів. Модулі працюють тактами (слотами), тривалістю 625 мкс. Кожному модулю в межах кожного такту призначається відповідний частотний канал і режим передачі або прийому.

Рис 3. Частотно-тимчасова діаграма роботи модулів Bluetooth

Коли пара будь-яких Bluetooth-устройств з'єднується, то вони утворюють пікомережу. Апарат, що ініціює зв'язок, є таким, що веде (host, master), а останні - веденими (slaves). Зазвичай ведучим є той модуль, який розміщений в найбільш потужному пристрої, такому, як персональний комп'ютер або плата CPU МІНІ-ЕОМ. Число модулів в пікомережі не обмежується, але у будь-який момент часу активні мають бути не більше восьми. Не існує різниці як в апаратній, так і в програмній частці між ведучими і веденими пристроями. Будь-яке з них може бути і тим і іншим. Те, що веде формує пікомережа (у кожній мережі воно тільки одне) і повністю контролює трафік. Ведені можуть посилати повідомлення тільки в інтервалі "ведені - ведучому" після того, як до них звернувся в попередній слот "ведучий - веденим". Якщо в цьому інтервалі у ведучого немає ніякої інформації для відправки веденим, то він передає пакет тільки з кодом доступу і заголовком. Якщо в мережі опиняється більше 8 пристроїв, то буде сформована друга пікомережа і так далі. Передбачена координація трафіку і між мережами.

Безліч пікомереж, здатних взаємодіяти один з одним, формують розподілену мережу (Scatternet) (рис.4).

Рис 4. Пікосеті і розподілена мережа BLUETOOTH

Не дивлячись на FHSS, пристрої Bluetooth не завжди можуть виключити проблеми, пов'язані з дією перешкод в діапазоні 2,4 Ггц. Тому окрім FHSS використовується спеціальне кодування сигналів. По-перше, кодування трафіку помітно підвищує рівень захищеності зв'язку. По-друге, кодування дозволяє за допомогою спеціальних алгоритмів виявляти і коректувати помилки передачі даних. Крім того, щоб бути упевненим в тому, що пристрої вступають в зв'язок тільки з авторизованими на те пристроями, передбачена також вбудована процедура аутентифікації. Цим присікається несанкціонований доступ до даних.

Модуль ROK 101 007 виробництв ERICSSON Microelectronics є базовим для здійснення Bluetooth-связи. Він відповідає вимогам специфікації Bluetooth v.1.0b. Розміри модуля 32,8х16,8х2,75 мм. Він може бути вбудований в будь-який електронний пристрій.

На рис.5 показана структурна схема модуля.

Рис 5. Структурна схема модуля BLUETOOTH ROK 101 007

Модуль містить контроллер частоти (baseband controller), що несе, флэш-пам’ять, радіомодуль PBA 313 01/2, а також регулятор напруги і кварцевий генератор на 13 Мгц. Для повноцінного функціонування радіомодуль має бути приєднаний до baseband або до приладу, який може його емулювати. Baseband побудований на основі процесора ARM7. Його важливими функціями є читання і запис інформації у внутрішні регістри радіоконтроллера ASIC. Ці регістри використовуються для установки частоти, налаштування і управління.

PBA 313 01/2 є крайовим каскадом системи Bluetooth-связи. У нім використані кульові роз'єми BGA, а всі дискретні елементи змонтовані на одній стороні плати, яка побудована на основі технології LTCC - низькотемпературної спільно обпалюваної кераміки. Плата складається з 6 шарів цієї кераміки і 7 металевих шарів. Спеціалізована мікросхема Radio ASIC - радіоконтроллер за допомогою роз'ємів BGA підключена до підкладки радіомодуля, а мікросмужний резонатор VCO для забезпечення необхідних характеристик оброблений за допомогою лазера. Спільний вид радіомодуля і спосіб кріплення чіпа радіоконтроллера на його платі показаний на мал.6.

Малюнок 6. Спільний вид радіомодуля PBA 313 01/2 (а) і спосіб кріплення радіомодуля і ASIC до спільної плати ROK 101 007/2 (б)

Зв'язок між baseband і радіоконтроллером здійснюється через послідовний інтерфейс. Для PBA 313 01/2 потрібні зовнішня антена і кварц на 13 Мгц або вхідний тактовий сигнал. Проблема живлення вирішується так: одне джерело 2,8 В живить VCO (генератор керований напругою), а друге джерело 2,2 В - решта всіх ланцюгів. Обидва формуються з вхідної напруги 3,3 В. Джерела мають бути розв'язані по низькій частоті.

Передавач має три класи потужності: 1-й клас - 100 мВт (20 дБ), 2-ою клас - 2,5 мВт (4 дБ), 3-ий клас - 1 мВт (0 дБ). Чутливість приймача не гірша - 70 дБ.

Для розробки пристроїв на основі модуля ROK 101 007 необхідно використовувати налагоджувальний (EBDK) і стартовий (EBSK) набори, що діють за принципом plug&play.

У Росії до технології Bluetooth виявляється величезний інтерес. Найбільш перспективними є ті області промисловості і народного господарства, де потрібний збір і обробка великої кількості одночасно вимірюваних параметрів, наприклад, нафтопромисли, металургійні заводи, житлово-комунальне господарство і так далі.

Додаткову інформацію можна отримати в Технічно-консультаційному центрі "Ерікссон".

Офіційним дистриб'ютором продукції ERICSSON Microelectronics в Росії є фірма "Петроїнтрейд".

Перспективи bluetooth

Технологія Bluetooth вже упевнено розглядується багатьма розробниками як партнерська технологія універсального радіозв'язку для локальних мереж. Bluetooth вже активно діє на світовому ринку нових технологій як каталізатор лави інших дуже важливих і перспективних мережевих ініціатив. Технологія Bluetooth вже висунута разом з Jini на премію 1999 р. за кращу технологічну інновацію (щорічні премії журналу Discover).

У найближчий рік пристрою Bluetooth вбудовуватимуться в 80% стільникових телефонів. Зараз вже з'явилися передавачі, що підключаються через РС-карту і USB. Ericsson випустила комплект мікрофону з навушниками, що використовує технологію Bluetooth для зв'язку з мобільним телефоном, дозволяючи розмовляти по телефону не тримаючи його в руках. На тому ж CEBIT компанія Toshiba продемонструвала пристрій, використовуюче Bluetooth і відеостандарт MPEG-4 для проведення відео-конференції - зображення з камери передавалося на комп'ютер і потім на ще один комп'ютер. NEC, а слідом за нею IBM, заявили про свій намір зачати в середині 2000 року випуск ноутбуків з вбудованими чіпами Bluetooth. Корпорація Intel вже розробила спеціальне ПО, яке дозволить передавати по радіомережах Bluetooth комп'ютерні файли. Все більше і більше компаній звертають увагу на технологію. В найближчому майбутньому повинні з'явитися різні периферійні пристрої, такі як принтери, клавіатури, миші, що працюють з новою технологією.

У травні 99 року Ericsson зачав постачання першого інструментального набору Bluetooth для розробників додатків. Вартість набору близько 450 дол. (дві системні плати, програмні модулі, тести радіоканалів). Доступність специфікацій Bluetooth дозволяє вже сьогодні сотням розробників приступити до створення прототипних радіосистем.

Література

1.      Ericsson: Preliminary ROK 101 007.

3.      Bluetooth Specification. V.1.1 part H:

4.      1. Host Controller Interface.

5.      Киселев В. Прорезался Bluetooth // Мир ПК. 2001. № 2.

Приложение