12. Канал ближней беспроводной связи bluetooth. Назначение, основные принципы работы и характеристики.

История разработки и назначение канала Bluetooth.

Развитие технологии беспроводной связи, Bluetooth, началось в компании Эрикссон в 1994 году исследованиями, целью которых была реализация экономически и технологически эффективного радио интерфейса, предназначенного для работы на малых расстояниях, с низким потреблением энергии для мобильных устройств. Название Bluetooth выбрано в честь датского короля Гарольда, по прозвищу Синий Зуб (Harald Bluetooth), жившего в 910-940 годах и прославившегося объединением Дании и Норвегии.

В 1998 году создана особая интересная группа, SIG (SpecialInterest Group), для развития и стандартизации интерфейса Bluetooth. Эта группа сегодня насчитывает свыше 2000 членов, а возглавляют ее специалисты компании Ericsson, Nokia, Toshiba, Intel и IBM. Спецификация этой технологии объявлена в 1999 году. В марте 2002 года институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, IEEE, рабочая группа 802.15.1 по стандартизации персональных сетей, PAN (Personal Area Network), усвоила беспроводный стандарт Bluetooth.

Базовые принципы. Стеки протоколов. Профили.

Беспроводная технология связи Bluetooth обеспечивает соединение портативных и стационарных компьютеров, вычислительного оборудования, мобильных телефонов, камер и других цифровых устройств с помощью беспроводных связей, на сравнительно малых расстояниях.

Другими словами, эта технология обеспечивает коммуникацию между устройствами и беспроводную связь этих устройств посредством Bluetooth точек доступа с сетью для передачи речи, или с сетью Интернет, с применением больших скоростей. Это предполагает, что Bluetooth радио и контроллер основной полосы могут быть встроены в устройство (камера, клавиатура, наушники, мобильный телефон), или соединены посредством универсальной последовательной шины USB и последовательного подключения, или с помощью карты-адаптера для подключения к портативному компьютеру или какому-то другому устройству пользователя (Рисунок 2.1). Основными характеристиками этой технологии являются надежность и значительная экономическая эффективность, а также малое потребление мощности и энергии.

Рисунок 4 – Беспроводная схема Bluetooth

Стандарт Bluetooth включает в себя множество протоколов, довольно свободно разбитых на уровни, как показано на рисунке 2.5. Структура на первый взгляд не следует ни модели OSI, ни TCP/IP, ни 802 ни какой-либо другой известной модели.

Рисунок 5 – Архитектура протоколов Bluetooth версии 802.15

В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, который вполне соответствует моделям OSI и 802. На нем описывается радиосвязь и применяемые методы модуляции. Многое здесь направлено на то, чтобы сделать систему как можно дешевле и доступнее массовому покупателю.

Далее следуют два протокола, которые используют протокол управления каналом связи. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы между устройствами, управляет режимами энергопотребления, сопряжением и шифрованием, а также качеством обслуживания. Он находится ниже линии интерфейса хост-контроллера. Этот интерфейс – удобство для реализации: как правило, протоколы ниже линии реализуются на чипе Bluetooth, а протоколы выше линии — на устройстве Bluetooth, где чип размещен.

Протокол канального уровня — это L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol — протокол управления логическими каналами и согласования). Он собирает сообщения переменной длины и при необходимости обеспечивает надежность. L2CAP используется многими протоколами, в том числе и двумя описанными ранее служебными протоколами.

Протокол обнаружения сервисов используется для определения местонахождения служб в пределах сети. Протокол RFcomm эмулирует работу стандартного последовательного порта ПК, к которому обычно подключаются клавиатура, мышь, модем и другие устройства.

На самом верхнем уровне находятся приложения. Профили представлены вертикальными прямоугольниками, потому что каждый из них определяет часть стека протокола для конкретной цели. Специфические профили, например профили для устройств типа гарнитур, используют только те протоколы, которые необходимы для их работы. Например, профили могут включать L2CAP, если у них есть пакеты для отправки, и пропустить L2CAP в случае, если у них есть только фоновые аудиоотсчеты. Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообразный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней ВТ. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информации о состоянии и собственно передачи данных. Через этот интерфейс происходит взаимодействие протокола L2CAP с аппаратурой ВТ. Физически аппаратура ВТ может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечивающая независимость HCI от способа подключения.

Основные особенности, технические характеристики и возможности.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для Bluetooth используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота каналов F-2402+k (МГц), где к - 0...78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные) возможен сокращенный вариант с F-2454+k (k - 0...22). Кодирование простое – логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю – отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии. Полоса каждого подканала 1 МГц, разнос подканалов - 140…175 кГц.

Рисунок 6 – Частотный диапазон Bluetooth

Так как радио Bluetooth действует в открытом радиочастотном спектре, предназначенном для некоммерческого использования, радио интерфейс должен быть оптимизирован таким образом, чтобы был в состоянии решать проблемы интерференции и затухания сигнала. Для уменьшения влияния интерференции используется следующее:

• технология скачкообразной смены рабочей частоты большой скорости (1600 переключений/сек) в комбинации с короткими пакетами, (если пакет потеряется, потеряна лишь малая часть сообщения);

• схема упреждающей коррекции ошибок FEC;

• схема автоматической ретрансляции, т.е. повторной передачи пакетов при передаче данных;

• надежная схема кодирования речи, которая никогда не передается повторно, основывается на дельта-модуляции с переменной крутизной

• Новая спецификация беспроводной технологии связи, Bluetooth, усвоена в ноябре 2003 года. Ревизия Bluetooth стандарта 1.2 совместима с ревизией стандарта 1.1, а содержит следующие улучшения:

• анонимный способ работы, обеспечивающий скрытие адреса Bluetooth устройства с целью защиты пользователя от отслеживания;

• адаптивная скачкообразная перестройка частоты (AFH - Adaptive Frequency Hopping), которая улучшает стойкость к ошибкам радио интерфейса, что постигается избеганием передачи многократно занятым частотным каналам;

• более качественная передача голоса, полученная лучшей обработкой сигнала и использованием разных методов кодирования;

• уменьшено время, требуемое для нахождения Bluetooth устройства и установления связи, которое сейчас составляет в среднем 1 секунду.

В ноябре 2004 года группа, занимающаяся разработкой Bluetooth беспроводного стандарта (Bluetooth SIG), представила новую ревизию Bluetooth стандарта, версию 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate – Улучшенная скорость передачи данных). Новая ревизия стандарта мотивирована улучшением существующих сценариев использования, которые требовали большую пропускаемость данных, таких как передача звука с CD качеством, передача цифровых фотографий, а также быстрая передача данных на лазерные принтеры, и т.п. Ниже перечислены основные улучшения, вносимые версией 2.0 + EDR Bluetooth стандарта:

• скорость передачи данных увеличена в три раза;

• меньшее потребление энергии;

• улучшено качество передачи данных (меньшая частота ошибок по битам, BER - Bit Error Rate).

После того, как стабилизировались начальные протоколы, в 2004 году к Bluetooth 2.0 были добавлены более высокие скорости передачи данных. Версия Bluetooth 3.0 2009 года может использовать для сопряжения устройств в комбинации с 802.11 для высокоскоростной передачи данных [4].

Организация Bluetooth Special Interest Group (SIG) в 2009 году приняла спецификацию беспроводной связи Bluetooth Core Specification Version 4.0. Основной особенностью новой версии стандарта стала технология Bluetooth с пониженным энергопотреблением.

Скоростью передачи данных Bluetooth 4.0 не очень велика – всего 1 Мбит/с. Но его главное преимущество не в скорости. Новая технология отличается низким энергопотреблением и малой стоимостью. Стандарт предназначен для использования в небольших устройствах с ограниченным запасом энергии, таких как наручные часы, калькуляторы, пульты дистанционного управления и т.п.