14) Технология Bluetooth.

14.1) Радиоинтерфейс

Bluetooth – Wireless Connection, технология создания пикосотовых локальных сетей.

Стандарты IEEE 802.15.1; 1a (Bluetooth 1.2; Bluetooth EDR) Bluetooth был разработан как универсальный радиоинтерфейс ISM диапазона 2,4 ГГц, позволяющий производить беспроводной обмен информацией между электронными устройствами в персональных (Medium-Speed Wireless PAN) сетях с небольшими зонами охвата и служащими для соединения между собой офисных устройств без применения кабелей. Более 83 асовершенной является базовая спецификация Bluetooth EDR (Bluetooth Core Specification Version 2.0 + Enhanced Data Rate), пришедшая на смену версии Bluetooth 1.2.

Используется глобально, во всем мире. Основные характеристики приведены в таблице

Базовый диапазон частот	Диапазон ISM: 2,4 - 2,4835 ГГц
Разнос каналов	1 МГц со скачками по частоте FH (Frequency Hopping)
Модуляция, тип используемого фильтра	Bluetooth 1.2: SFSKc ВТ = 0,5 Bluetooth EDR: PI/4 QPSK; 8DPSK
Выходная мощность передатчика	Class 3. Максимальная мощность 1 мВт (0 дБм) (10 м в открытом пространстве). Class 2. Максимальная мощность 2,5 мВт (4 дБм), номинальная - 1 мВт (0 дБм), минимальная 0,25 мВт (-6 дБм), обеспечивающая связь до 20 м. Class 1. Максимальная мощность 100 мВт (20 дБм), минимальная - 1 мВт (0 дБм), связь с однотипным устройством - порядка 100 м.
Технология множественного доступа	ТDМА
Метод передачи данных	Коммутация пакетов; Синхронное соединение (Synchronous)
Символьная скорость	1 Мс/с
Пользовательская скорость передачи данных	Bluetooth: 1 Мбит/с Bluetooth EDR; 2 - 3 Мбит/с
Основные услуги	Речь и данные для абонентов с низкой подвижностью
Кодирование речи	Log PCM or CVSD (continuous variable slope delta)
Коммерческое использование	2000 - Bluetooth 2005 - Bluetooth EDR

Технология Bluetooth, которая, кроме ее основного разработчика – Ericsson, получила в настоящее время поддержку около 2000 компаний-производителей, служит для соединения между собой без применения кабелей офисных устройств: обыкновенных и мобильных телефонов, модемов, компьютеров, телефонных гарнитур, мышек, принтеров, проекторов. Для этого каждое из вышеперечисленных устройств должно снабжаться дешевым, экономичным радимодулем, имеющим настолько малые размеры, что он может быть легко размещен внутри любых электронных устройств. В системах Bluetooth используются маломощные радиоблоки с малым радиусом действия, работающие в нелицензируемом диапазоне ISM 2,4 ГГц, при использовании номинальной мощности в антенне 0дБм (low power radio standard). При использовании такой мощности радиус действия радиоблока составляет десять метров. В системе может быть достигнута связь между блоками на расстоянии 100 метров при использовании так наываемого стандара большой мощности, равной 20 дБм (high power radio standard). Данные передаются со скоростью до одного мегабита в секунду. Но непроизводительные затраты протокола связи ограничивают практическую скорость передачи данных немногим более 720 килобит в секунду.

В современных офисных устройствах обработки информации для связи друг с другом используется инфракрасный диапазон. Хотя инфракрасные приемопередатчики достаточно дешевы, они имеют ряд существенных недостатков:

- необходима точная ориентация устройств в пространстве (друг на друга);

- не должно быть никаких препятствий между соединяемыми устройствами;

- дальность взаимодействия устройств обычно ограничена расстоянием до двух метров;

- одновременная связь может быть организована только между двумя устройствами.

Технология Bluetooth представляет собой открытую спецификацию для беспроводной передачи речи и данных. Bluetooth была разработана как универсальный радиоинтерфейс диапазона 2,4 ГГц, позволяющий устанавливать беспроводной обмен информацией между электронными устройствами в небольшой зоне охвата. Каждое устройство может связываться одновременно с семью другими посредствам организации пикосети (piconet). Кроме того, каждое устройство может одновременно участвовать в нескольких пикосетях.

Кроме организации пикосетей технология Bluetooth представляет универсальную технологию радиодоступа к существующим сетям передачи данных в диапазоне частот 2,4 ГГц. Используя терминологию стандарта можно сказать, что технология Bluetooth обеспечивает интерфейс и механизм формирования маленьких частных специально создаваемых (эпизодических или виртуальных) групп (ad hoc grouping) подключаемых устройств вне инфраструктур стационарных сетей. Для того, чтобы система связи могла развиваться и быть востребованной во всем мире, требующийся для нее диапазон частот должен быть абсолютно доступен, по крайней мере, в большинстве индустриально развитых стран.

Кроме того, это должен быть открытый для любой системы радиосвязи диапазон, работа в котором не требует лицензирования (License-free band). Единственный диапазон частот, который удовлетворяет этим требованиям – это так называемый Индустриальный, научный и медицинский диапазон ISM (Industrial Scientific Medical), занимающий полосу частот от 2400 до 2483,5 МГц в США и Европе и от 2471 до 2497 МГц в Японии. В ряде стран, например, Франции и Испании доступны только части этой полосы частот. Следовательно, ISM система может быть использована во всем мире, при условии, что приемопередатчики функционируют в диапазоне частот между 2,4 и 2,5 ГГц и могут выбирать для использования надлежащий участок в этой полосе. Так как диапазон ISM открыт для свободного использования, работающие в этой полосе системы радиосвязи должны быть устойчивы к воздействию различных непредсказуемых источников помех: бытовых устройств наблюдения и управления, управляемых гаражных дверей, беспроводных телефонов и самых сильных источников помех – микроволновых печей. Помех можно избегать, например, применяя адаптивную систему, которая находит и использует свободную от различного рода помех часть спектра. Работа в условиях сильных помех может осуществляться с использованием методов расширения спектра (spectrum spreading). В США устройства, работающие в ISM полосе 2,45 ГГц, применяют методы расширения спектра (spectrum-spreading techniques), если уровень мощности их передатчика превышает 0дБм.

В любой Bluetooth системе имеются четыре основных части:

- радиотракт, осуществляющий прием и передачу речи и данных;

- информационный тракт (baseband) или устройство управления связью (link control unit), в котором обрабатываются переданные и полученные данные;

- программное обеспечение управления связью (link management software), которое управляет процессом организации радиоинтерфейса;

- программное обеспечение поддержки приложения (supporting application software).

Разработанные для использования в диапазоне с большим уровнем помех устройства Bluetooth используют для обеспечения устойчивой связи быстрое подтверждение приема (квитирование) (fast acknowledgement) и схему скачков по частоте (frequency hopping scheme). Радиомодули Bluetooth избегают воздействия помех от других устройств, перепрыгивая на новую рабочую частоту скачка (hop frequencies) после передачи или получения пакета данных. По сравнению с другими системами, работающими в том же частотном диапазоне, в устройствах Bluetooth используются более быстрые скачки по частоте (fast hopping) и применяются более короткие пакеты, что делает работу радиосистему Bluetooth более стабильной и ограничивает воздействие помех от бытовых и профессиональных СВЧ печей. Использование метода прямого исправления ошибок FEC (Forward Error Correction) уменьшает воздействие случайного шума при связи на большие расстояния.

Система кодирования оптимизирована для несогласованных внешних воздействий (uncoordinated environment).

Протокол информационного тракта (baseband protocol) Bluetooth представляет собой комбинацию методов коммутации каналов и пакетов (circuit and packet switching). Временные слоты могут быть зарезервированы для синхронных пакетов. Каждый пакет передается на различных несущих частотах. Пакет номинально занимает один слот, но может быть расширен до пяти слотов. Bluetooth может поддерживать асинхронный канал передачи данных, до трех одновременных синхронных речевых каналов, или канал, который содержит асинхронные данные и синхронные речевые данные одновременно. Каждый речевой канал поддерживает скорость синхронной передачи речи в 64 кбит/с. Асинхронный канал может поддерживать асимметричную связь с максимальной скоростью в 721 кбит/с в любом направлении при обратной передаче со скоростью в 57,6 кбит/с или скорость 432,6 кбит/с при симметричной связи.

Радиоинтерфейс

Радиоинтерфейс Bluetooth основан на использовании номинальной мощности в антенне, равной 0 дБм (1 мВт). Каналы Bluetooth организованы по схеме со скачками по частоте и дуплексным разделением по времени FH/TDD (Frequency Hop/Time Division Duplex).

Канал разделен на временные интервалы длительностью 625 мкс, называемые слотами (Slot), для каждого слота используется своя частота скачка. Номинальная скорость скачкообразного изменения частоты равна 1600 скачков в секунду. В слоте передается один информационный пакет (packet), слоты поочередно используются для передачи и приема, т.е. реализуется дуплексная схема с разделением по времени TDD. Для осуществления скачков по частоте в системе используются равноотстоящие (эквидистантные) несущие частоты скачков с шагом 1 МГц. При использовании гауссовской частотной манипуляции 2FSK с BT=0.5 и пиковой девиацией 175 кГц, может быть достигнута скорость передачи символов, равная 1 Мбит/с. Для стран, в которых ширина диапазона составляет 80 МГц и более, определены 79 несущих частот с шагом 1 МГц, начиная с 2,402 ГГц и заканчивая 2,480 ГГц, для стран с более узким диапазоном (Япония, Франция, и Испания), определены только 23 несущих частоты.

Основной диапазон: 2400–2483,5 МГц; f = 2402 + k МГц, k = 0,...,78

Испания: 2445–2475 МГц; f = 2449 + k МГц, k = 0,...,22

Франция: 2446,5–2483,5 МГц; f = 2454 + k МГц, k = 0,...,22

Япония: 2471–2497 Мгц; f = 2473 + k МГц, k = 0,...,22

Эта особенность учитывается внутренним программным обеспечением используемых устройств. В среднем, при осуществлении последовательности частотных скачков, каждая несущая частота используется с равной вероятностью. Номинальная дальность связи – от 10 сантиметров до 10 метров, но она может быть увеличена более чем до 100 метров при увеличении мощности передатчика. В каждом слоте главный (master) блок (устройство) и один из подчиненных (slave) блоков могут обменяться информационным пакетом.

Пакеты имеют фиксированный формат, показанный на рисунке 14.1. Каждый пакет начинается с 72-разрядного кода доступа (Access Code), который извлекается из идентификатора главного устройства (Master Identity) и является уникальным для канала. Получатели в пикосети сравнивают кода доступа поступающего сигнала со своим кодом доступа. Если эти два кода не совпадают, то полученный пакет не рассматривается, и остальная часть его содержания игнорируется. Помимо идентификации пакета, код доступа, являющийся очень помехоустойчивым, используется также для синхронизации и компенсации расстройки.

За кодом доступа следует заголовок пакета (Packet Header), размер которого фиксированный и равен 54

битам. Одна третья часть заголовка содержит код прямого исправления ошибок FEC (Forward Error Correction). За заголовком следует блок полезной информации (Payload), длина которого может изменяется от 0 до 2745 бит, т.е. информация в пакете может и не содержаться.

Заголовок, структура которого показана на рисунке 14.2, содержит такую важную информацию управления, как трехбитовый адрес управления информационным доступом MAC (Media Access Control Address), тип пакета (Packet Type), биты управления потоком данных (Flow Control Bit), биты для схемы автоматического запроса повторной передачи ARQ (Automatic Retransmission Query) и схемы последовательной нумерации SEQN (Sequential Numbering scheme), а также поле контроля ошибок заголовка HEC (Header Error Check).