Беспроводные сети связи 16 11 15

ется утерянным и его передача повторяется. В этом случае производительность обмена данными ниже возможной; передатчик обязан ждать прихода подтверждения.

Технология Bluetooth

1994 г. - начало работ производителя телекоммуникационного оборудования Ericsson по созданию Bluetooth как беспроводной альтернативы кабелям RS-232.

1998 г. – разработка спецификации Bluetooth группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG): Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia.

14 июня 2002 г. – соглашение между Bluetooth SIG и IEEE, по которому спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1.

Технология Bluetooth использует частотный диапазон ISM (англ. Industry, Science and Medicine) 2,4÷2,4835 ГГц.

Модуляция: GFSK – основная, π/4-DQPSK, 8DPSK.

Максимальная скорость передачи данных в канале: 1 Мбит/с – для GFSK

2 Мбит/с – для π/4-DQPSK

3 Мбит/с – для 8DPSK.

Применяется метод FHSS, производится 1600 переключений частоты в секунду, т.е. каждые 625 мкс (один временной слот).

В полосе частот выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый. В некоторых странах используется меньшее число каналов (например, во Франции - 23). Слоты нумеруются последовательно, чѐтные слоты используются для передачи от М к S, а нечѐтные – от S к М. Данные передаются пакетами длиной 1, 3 или 5 слотов. При передаче многослотовых пакетов частота остаѐтся постоянной в течение всей длительности пакета.

По мощности передатчики делятся на три класса:

-100 мВт (для связи до 100 м; 20 дБм)

-2 мВт (до 10м; 4 дБм)

-1 мВт (~10 см; 0 дБм).

Топология сетей Bluetooth

Все устройства сети делятся на ведущие M (master) и подчинѐнные S (slave). Устройство S может сообщаться только с M.

Основу сети Bluetooth составляют пикосети, состоящие из одного ведущего устройства и 1-7 активных подчинѐнных устройств. В одну пикосеть может входить неогра-

21

ниченное количество устройств в неактивном режиме. Устройство м.б. ведущим в одной пикосети и подчинѐнным – в другой (M/S).

Обмен данными может идти только между двумя устройствами в одном направлении. Любое устройство одной пикосети может также входить в другую пикосеть в качестве как подчинѐнного, так и ведущего. Схема с перекрытием пикосетей называется рассеянной сетью.

Соединение между устройствами

Если нет информации об устройстве, используются прцедуры inquiry и page. Если информация имеется, то достаточно процедуры page.

Процедура inquiry определяет, какие устройства доступны, позволяет выяснить адреса и осуществить синхронизацию.

Этап 1:

Посылаются пакеты inquiry и получаются отклики.

Получатель переходит в состояние inquiry response и посылает отправителю пакетотклик.

После inquiry соединение может быть установлено с помощью paging. Устройство, выполняющее процедуру paging, становится хозяином этого соединения.

22

Этап 2:

Посылается пакет paging Адресат получает этот пакет

Получатель посылает отправителю пакет-отклик (находится в состоянии Slave

Response).

Инициатор посылает адресату пакет FHS (находится в состоянии Master Response) Получатель посылает отправителю второй пакет-отклик (находится в состоянии Slave

Response).

Получатель и отправитель устанавливают параметры канала заданные инициатором

(находятся в состоянии Master Response & Slave Response)

После установления соединения главный узел (master) посылает пакет POLL, чтобы проверить, синхронизовал ли клиент свои часы и настроился ли на коммутацию частот. Клиент отликается любым пакетом.

Режимы работы устройств Bluetooth

Устройство Bluetooth при установлении соединения может работать в четырех режимах: Active, Hold, Sniff и Park (активный, удержание, прослушивание и пассивный, соответственно).

23

Стек протоколов Bluetooth

Внутренние протоколы (образуют ядро системы Bluetooth).

• Протокол радиопередачи (часть PHY-уровня).

Описывает детали радиоинтерфейса (используемые частоты,

тип модуляции, мощность передачи).

• Протокол передачи в базовой полосе частот (PHY- и MAC-уровни).

Описывает некоторые функции физического уровня и функции управления доступом к среде

(установление соединения, распределение временных интервалов, адресация,

проверка и исправление ошибок, кодирование/декодирование аудиопотока, аутентификация и шифрование,

различные состояния устройства Bluetooth и режимы передачи данных, реализация схемы ARQ).

24

• Протокол администратора канала связи (LMP – Link Manager Protocol).

Отвечает за установление логического канала связи между устройствами Bluetooth и его текущее администрирование (аутентификация, шифрование), согласование размеров пакетов, параметров качества передачи, управление излучаемой мощностью.

•Протокол управления логическим каналом и адаптации (L2 CAP – Logical Link Control and Adaptation Protocol).

Адаптирует протоколы высших уровней к уровню передачи в базовой полосе частот (MAC-уровню). Согласовывает и обеспечивает заданное качество обслуживания на уровне логических каналов и реализует расширенную схему повторной передачи

ARQ.

•Протокол обнаружения службы (SDP – Service Discovery Protocol).

Служит для запроса приложением информации о службах, предоставляемых устройством Bluetooth или через него, и их характеристиках.

Протокол замещения кабеля – виртуальный последовательный порт (RS-232). Про-

токол управления телефонией (TCS BIN – Telephony Control Specification – Binary).

Определяет передачу сигналов управления вызовами для установления сеансов передачи речи и данных, когда Bluetooth используется радиотелефоном или базовой станцией.

Адаптированные протоколы определяются спецификациями, выпускаемыми другими организациями по стандартизации, и вводятся в общую архитектуру Bluetooth.

25

Пакеты Bluetooth делятся:

-на пакеты общего типа (системные управляющие пакеты): ID, NULL, POLL, FHS.

-ACL-пакеты (для передачи асинхронного трафика и сигналов управления)

-SCO/eSCO-пакеты (для передачи синхронных и изохронных данных).

Версии Bluetooth

Bluetooth 1.0, 1.0А, 1.0В (1998, 1999 г)

-плохая совместимость между продуктами различных производителей,

-обязательная передача адреса устройства на этапе установления связи (т.е. отсутствие анонимности соединения на протокольном уровне).

Теоретическая скорость ПД 732,2 Кбит/с с расстоянием действия до 100 м.

Bluetooth 1.1 (2001г)

-исправление ошибок 1.0B,

-добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала

С Bluetooth 1.1 до сих пор остаются совместимыми все более поздние версии.

Версия 1.2 (2003 г), улучшения:

быстрое подключение и обнаружение.

адаптивная перестройка частоты

улучшение качества передачи голоса в аудиопотоке

поддержка трѐхпроводного интерфейса UART

режимы управления потоком данных и повторной передачи для L2CAP.

Bluetooth 2.0+EDR (2004 г.)

EDR - метод распространения и разделения объема и типов Bluetooth-пакетов для увеличения максимальной пропускной способности, что обеспечивает стабильность

27

связи при большом количестве подключений, снижает потребляемую мощность, при этом не изменяет остальную архитектуру исходной технологии.

Нововведение: сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Достижение скорости ПД 2 и 3 Mбит/с.

Максимальное число устройств теперь не 8, а 256 (за счет повышения разрядности адресации).

Bluetooth 2.1 (2007 г)– это самая распространенная версия стандарта.

-снижение энергопотребления почти в 10 раз за счет добавления энергосберегающей технологии Sniff Subrating с оптимизированными циклами работы и ожидания,

-упрощено и ускорено установление связи между двумя устройствами, благодаря использованию технологии Near Field Communication NFC («коммуникация ближнего поля», «ближняя бесконтактная связь»). Для соединения устройств Bluetooth 2.1 и выше, поддерживающих NFC, достаточно сблизить их и принять соединение. Процесс активации Bluetooth с обеих сторон, поиска, ожидания, соединения и авторизации заменѐн простым «прикосновением» мобильных телефонов.

-обновление ключа шифрования без разрыва соединения

Версия Bluetooth 2.1+EDR (2008 г)

Снижение потребления энергии в 5 раз, повышен уровень защиты данных и облегчено распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.

Версия Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) (2009 г)

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы:

-передача данных со скоростью 3 Мбит/с (Bluetooth 2.0), низкое энергопотребление;

-дополнительный модуль, работающий по протоколу 802.11 со скоростью до 24 Мбит/с (аналогично Wi-Fi).

Выбор модуля для передачи данных зависит от размера передаваемого файла - небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному.

Bluetooth 4.0, 2010 г.

нет принципиальных изменений относительно скорости передачи данных, нововведения касаются лишь энергопотребления. Передатчик Bluetooth включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы модуля от одной часовой батарейки в течение нескольких лет! В таком режиме стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с. Соединение устанавливается за 5 мс и поддерживается на расстоянии до 100 м.

Bluetooth 4.1, 2013 г.

поддержка высокоскоростного прокола передачи данных на основе Wi-Fi, а также протокола с низким энергопотреблением (Low Energy).

28

Улучшения:

совместная работа Bluetooth и LTE.

защита от взаимных помех путѐм автоматического координирования передачи пакетов данных.

автоматическое переподключение устройств после потери связи.

Вцелом, выход Bluetooth 4.1 способствовать развитию концепции «Интернета вещей» — вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащѐнных встроенными средствами для взаимодействия друг с другом или с внешней средой.

Профиль Bluetooth

Любое устройство, оборудованное интерфейсом Bluetooth, поддерживает заданный его производителем набор профилей. Каждый профиль обеспечивает поддержку определенных функций (например, передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д.), которые могут быть задействованы при подключении двух или более устройств посредством Bluetooth. Таким образом, набор профилей определяет функциональные возможности устройства, доступные через

Bluetooth-соединение.

Чтобы задействовать Bluetooth-соединение для выполнения определенной задачи, требуется наличие поддержки соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства.

Профиль Bluetooth - это набор функций, основанных на протоколах Bluetooth. Для совместной работы Bluetooth-устройств необходимо, чтобы все они поддер-

живали общий профиль. Все профили делятся на базовые и прикладные.

GAP (Generic Access Profile) — общий профиль доступа Bluetooth - основа для функ-

ционирования всех остальных профилей. Поддерживается всеми без исключения Bluetooth-устройствами и;

SPP (Serial Port Profile) — профиль эмуляции последовательного порта. Описывает механизм обмена данными между двумя устройствами, аналогичный тому, который задействуется при подключении через последовательный проводной интерфейс (RS-

232, USB и пр.);

29

GOEP (Generic Object Exchange Profile) — общий профиль обмена объектами, базирующийся на GAP и SPP. Описывает механизм обмена данными между двумя устройствами с использованием протокола передачи OBEX (OBject EXchange) и требования к передаваемым объектам.

В настоящее время существует большое количество прикладных профилей. Ниже рассмотрены наиболее распространенные в ПК, периферийных устройствах и современных гаджетах: