2.3.7. Персональные сети и технология Bluetooth

Особенности персональных сетей. Персональные сети предназначены для взаимодействия устройств одного владельца на небольшом расстоянии, обычно в радиусе 10 и более метров. Такими устройствами могут быть ноутбук, мобильный телефон, принтер, карманный компьютер, телевизор, а также многочисленные устройства бытовой электроники (холодильник, стиральная машина, аудиовизуальная техника и т.п.). Персональные сети должны обеспечивать фиксированный доступ в пределах дома и мобильный – при перемещении владельца с ними между помещениями или даже городами. Будучи во многом похожими на ЛС, персональные сети имеют и свои особенности:

• многие устройства персональной сети гораздо проще ПК, имеют небольшие габариты и стоимость, потребляют небольшую энергию;

• область покрытия персональной сети меньше, чем ЛС, для взаимодействия узлов часто достаточно нескольких метров;

• протоколы персональных сетей должны обеспечивать высокие требования к безопасности (разнообразные методы аутентификации своих устройств и шифрования своих данных в мобильной обстановке);

• связывая малогабаритные устройства, персональные сети больше тяготеют к беспроводным решениям, чем ЛС;

• носимые устройства персональных сетей не должны причинять вред здоровью их владельца. Они должны излучать сигналы небольшой мощности (не более 100 мВт; для сравнения обычный сотовый телефон излучает сигналы мощностью от 600 мВт до 3 Вт).

Сегодня самой популярной технологией беспроводных персональных сетей является Bluetooth, которая в версии 1.x (1998 г.) обеспечивала взаимодействие 8 устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 ГГц со скоростью передачи данных 721 Кбит/c [6].

Архитектура Bluetooth. В технологии Bluetooth используется концепция пикосети. Название подчеркивает небольшую область покрытия, от 10 до 100 м, в зависимости от мощности передатчика устройства. В пикосеть может входить до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент времени быть активными и обмениваться данными. Одно из устройств в пикосети является главным, остальные – подчиненными.

Активное подчиненное устройство может обмениваться данными только с главным устройством, прямой обмен данными между подчиненными устройствами невозможен. Все подчиненные устройства данной пикосети, кроме 7 активных, должны находиться в режиме пониженного энергопотребления, когда они только периодически прослушивают команду главного устройства для своего перехода в активное состояние.

Главное устройство отвечает за доступ к разделяемой среде пикосети, представляющей собой нелицензируемые частоты диапазона 2,4 ГГц. Разделяемая среда передает данные со скоростью 1 Мбит/с, но из-за накладных расходов на заголовки пакетов и смену частот полезная скорость передачи данных не превышает 721 Кбит/с. Главное устройство разделяет среду передачи между 7 подчиненными устройствами на основе техники TDM. Такая архитектура позволяет применять более простые протоколы в подчиненных устройствах, например, радионаушниках, отводя более сложные функции управления пикосетью ее главному устройству – компьютеру.

Присоединение к пикосети происходит динамически. Главное устройство на основе опроса собирает информацию об устройствах, попадающих в зону его пикосети. Обнаружив новое устройство, главное устройство проводит с ним переговоры. При желании подчиненного устройства и положительном решении главного устройства (после проверки аутентичности и членства в списке разрешенных устройств) новое подчиненное устройство присоединяется к пикосети [6].

Рассредоточенная сеть образуется из нескольких пикосетей, обменивающихся данными. Взаимодействие в ее пределах осуществляется за счет того, что один узел (мост) одновременно является членом нескольких пикосетей. При этом мост может быть главным устройством в одной пикосети и подчиненным устройством в другой пикосети.

Чтобы сигналы разных пикосетей не интерферировали, каждое главное устройство использует собственную последовательность псевдослучайной перестройки частоты. Использование разных последовательностей перестройки частоты затрудняет общение пикосетей. Для преодоления этой проблемы мост должен при подключении к каждой своей пикосети соответствующим образом менять частоту.

Коллизии с очень небольшой вероятностью все же могут происходить, когда два или более устройства из разных пикосетей выберут для работы одинаковый частотный канал.

Рассредоточенная сеть реализует метод доступа CDMA на основе техники FHSS. Для надежной передачи данных в технологии Bluetooth может выполняться прямая коррекция ошибок, а получение кадра подтверждается квитанцией.

Сети Bluetooth используют разные методы передачи информации:

• для чувствительного к задержкам трафика (голоса) сеть поддерживает синхронный канал, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented link, SCO), работающий со скоростью 64 Кбит/с. Для канала SCO пропускная способность резервируется на все время соединения;

• для эластичного трафика (компьютерных данных) используется работающий с переменной скоростью до 721 Кбит/с асинхронный канал, не ориентированный на соединение (Asynchronous Connection-Less Link, ACL). Для канала ACL пропускная способность выделяется по запросу подчиненного устройства или по потребности главного устройства [6].

Принцип действия Bluetooth. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне индустрии, науки и медицины (Industry, Science and Medicine, ISM), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях. Это свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), который прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, требует недорогого оборудования. Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду, всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц (а в Японии, Франции и Испании – только 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (1 временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала 64 Кбит/с в обоих направлениях используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/с в обоих направлениях [28].

Развитие и спецификации Bluetooth. Основанием для развития технологии Bluetooth явились выросшие требования к скорости и удобству персональных сетей и желание разработчиков стандарта использовать его не только в персональных сетях. Пользователи персональных сетей хотят: быстро пересылать большие файлы с видео, аудио и фото-контентом, беспроблемно использовать беспроводную связь с различными устройствами одновременно, слушать стереофоническое аудио высокого качества через беспроводные наушники, и число подобных задач постоянно растёт.

В 2005 г. технология Bluetooth версии 1.2 вошла в стандарт 802.15.1. В Bluetooth 1.х использовалась одна из наиболее примитивных схем модуляции – Гауссово кодирование со сдвигом частот (Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK), простота которого была весьма привлекательна для разработчиков в 1998 году, когда даже скорость в 721 Кбит/с казалась избыточной.

Bluetooth 2.0 + EDR (2004 г.). Здесь используется несколько альтернативных схем модуляции, благодаря которым скорость передачи данных возрастает почти втрое. Основным нововведением стала поддержка ускоренной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, но реально это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляции с двумя вариантами, π/4-DQPSK (2 Mбит/с) и 8DPSK (3 Mбит/с). При этом GFSK продолжает поддерживаться из соображений совместимости. Скорость 2,1 Мбит/с всё ещё заметно не дотягивает даже до самых медленных беспроводных сетей, но для типичных задач мультимедиа её почти достаточно. Нужно учитывать, что разработчики Bluetooth были сильно ограничены требованиями к энергопотреблению и стоимости, которые были и остаются наиболее приоритетными для данного стандарта. Данная спецификация имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. и обеспечивает также уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания и более низкое потребление энергии, благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1 (2007 г.). Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того, обновленная спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR (2008 г.). Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств, благодаря уменьшению числа шагов этой процедуры.

Bluetooth 3.0 + HS (2009 г.). Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является «асимметричная мультипроцессорная обработка» (Asymmetrical Multi Processing, AMP) (альтернативно MAC/PHY) – дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с, сравнимой со скоростью технологии беспроводного подключения компьютера к сети (Wireless Fidelity, Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие – по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11, то есть не совместима со спецификациями Wi-Fi 802.11b/g и 802.11n.

Bluetooth 4.0 (конец 2009 г.). Технология, прежде всего, предназначена для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). В 4.0 достигается низкое энергопотребление за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а 128-битное AES-шифрование обеспечивает необходимый уровень безопасности. Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и другие. [28].