Bluetooth

grafika zawierająca logo Bluetooth

słuchawka Bluetooth do telefonu komórkowego

adapter Bluetooth dla USB

słuchawka Nokia BH-208 od środka

port Bluetooth w formie adaptera USB

Bluetooth /ˈbluːtuːθ/ – technologia bezprzewodowej komunikacji krótkiego zasięgu pomiędzy różnymi urządzeniami elektronicznymi, takimi jak klawiatura, komputer, laptop, palmtop, telefon komórkowy oraz wieloma innymi.

Jest to otwarty standard opisany w specyfikacji IEEE 802.15.1. Jego specyfikacja zawiera w sobie trzy klasy mocy nadawczej 1-3 o zasięgu 100, 10 oraz 1 metra w otwartej przestrzeni. Najczęściej spotykaną klasą jest klasa druga. Technologia wykorzystuje z fal radiowych w paśmie ISM 2,4 GHz.

Urządzenie umożliwiające wykorzystanie tej technologii to adapter Bluetooth.

Bluetooth zawiera patenty, z których da się korzystać bezpłatnie w produktach zakwalifikowanych jako zgodne z Bluetooth. Kwalifikacja kosztuje 5-10 tys. USD,^[1] za to potencjalni klienci-użytkownicy potrafią łatwo znaleźć nowy produkt na opublikowanej w tym celu liście.^[2]

Pochodzenie nazwy

Nazwa technologii pochodzi od przydomka króla duńskiego Haralda Sinozębego (Blåtand), który ok. roku 970 podporządkował sobie Norwegię oraz tym samym przyczynił się do zjednoczenia rywalizujących plemion z Danii oraz Norwegii^[3]. Podobnie Bluetooth, który stał się zaprojektowany, aby "zjednoczyć" zróżnicowane technologie jak: komputery, telefonię komórkową, drukarki, aparaty cyfrowe.

Logo Bluetooth łączy znaki alfabetu runicznego (Haglaz) oraz (Berkanan), będące odpowiednikami liter alfabetu łacińskiego H oraz B.

Historia powstania

W 1994 roku firma L. M. Ericsson zainteresowała się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla. Wspólnie z czterema innymi firmami (IBM, Intel, Nokia oraz Toshiba) uformowała SIG (ang. Special Interest Group) celem standaryzacji bezprzewodowej technologii cechującej się niewielkim zasięgiem, małym poborem prądu, niskim poziomem mocy promieniowanej oraz niską ceną. Pierwotny zamiar wyeliminowania kabli połączeniowych szybko przekształcił się w prace na obszarze bezprzewodowych sieci LAN. Dzięki temu standard stał się bardziej praktyczny oraz stał się konkurencją dla standardu 802.11.

W lipcu 1999 Bluetooth SIG opublikowało 1500-stronicową specyfikację pierwszej wersji technologii Bluetooth (Bluetooth V1.0). Wkrótce potem grupa standaryzacyjna IEEE zajmująca się bezprzewodowymi sieciami osobistymi 802.15 przyjęła dokument organizacji SIG jako podstawę dalszych prac. Należy zaznaczyć, że standard grupy SIG zawiera w sobie kompletny system, od warstwy fizycznej do warstwy aplikacji, natomiast standard IEEE zawiera w sobie tylko warstwę fizyczną oraz łącza danych. Pomimo że IEEE zatwierdziło pierwszy standard PAN (personal area network), 802.15.1, w 2002 roku, organizacja SIG ciągle pracuje nad jego poprawą.

Architektura systemu Bluetooth

Podstawową jednostką technologii Bluetooth jest pikosieć (ang. piconet), która zawiera węzeł typu master oraz maksymalnie 7 węzłów typu slave. Wiele pikosieci może istnieć w jednym pomieszczeniu, a nawet bywają ze sobą połączone przy pomocy węzła typu bridge, jak pokazano na rysunku nr 1. Połączone ze sobą pikosieci wyznacza się mianem scatternet.

Połączone dwie pikosieci – scatternet.

Dodatkowo, oprócz siedmiu węzłów typu slave, w jednej pikosieci może pracować do 255 węzłów, pozostających w stanie synchronizacji z urządzeniem typu master (jest to tzw. tryb wyczekiwania oraz niskiego poboru mocy). Urządzenia te nie uczestniczą w wymianie danych. Potrafią tylko otrzymać sygnał aktywacyjny albo nawigacyjny od węzła typu master. Istnieją jeszcze dwa przejściowe stany hold oraz sniff. Przyczyną podziału węzłów na master oraz slave jest minimalizacja kosztów technologii. Konsekwencją tego jest fakt, że węzły typu slave są w 100% podporządkowane węzłom master. Pikosieć jest scentralizowanym systemem TDM, urządzenie master kontroluje zegar oraz określa, które urządzenie oraz w którym slocie czasowym (szczelina czasowa) może się z nim komunikować. Wymiana danych może nastąpić tylko pomiędzy węzłem master oraz slave. Komunikacja slave – slave nie jest możliwa.

Zasięg

Zasięg urządzenia determinowany jest przez klasę mocy:

• klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, do 100 m
• klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m
• klasa 3 (1 mW) sporadycznie używana, z zasięgiem do 1 m

Przepustowość

• Bluetooth 1.0 – 21 kb/s
• Bluetooth 1.1 – 124 kb/s
• Bluetooth 1.2 – 328 kb/s
• Bluetooth 2.0 – transfer maksymalny przesyłania danych na poziomie 2,1 Mb/s, wprowadzenie Enhanced Data Rate wzmocniło transfer do 3,1 Mb/s
• Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) – 24 Mb/s (3 MB/s)
• Bluetooth 3.1 + HS (High Speed) – 40 Mb/s(5 MB/s)

Profile systemu Bluetooth

 Osobny artykuł: Profile systemu Bluetooth.

Przeważajaca ilość protokołów sieciowych, w przeciwieństwie do systemu Bluetooth, wyznacza tylko kanały pomiędzy komunikującymi się jednostkami oraz dopuszcza projektantom aplikacji na dowolne ich użycie. Wersja 1.1 Bluetooth wyznacza 13 specjalnych aplikacji, zwanych profilami systemu Bluetooth, w których system bywa używany.

Warstwy protokołu w systemie Bluetooth

Standard Bluetooth wyznacza wiele protokołów, pogrupowanych w warstwy. Struktura warstw nie odpowiada żadnemu znanemu modelowi (OSI, TCP/IP, 802). IEEE prowadzi prace nad zmodyfikowaniem systemu Bluetooth, aby dopasować go do modelu określonego standardem 802. Architekturę warstw systemu Bluetooth przedstawia rysunek nr 2:

Architektura protokołów Bluetooth.

Najniższa warstwa – fizyczna warstwa radiowa – odpowiada warstwie fizycznej łącza danych. Definiuje ona transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie. Warstwa druga – baseband layer – jest zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI, ale zawiera także elementy warstwy fizycznej. Definiuje ona w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe oraz jak sloty są grupowane w ramki. Kolejna warstwa grupuje powiązane ze sobą protokoły. Link manager zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów pomiędzy urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi(QoS). Link control adaptation protocol, wielokrotnie nazywany L2CAP, zajmuje się szczegółowymi parametrami transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe warstwy od tego obowiązku. Protokół ten jest analogiczny do podwarstwy LLC standardu 802, ale technicznie jest całkowicie inny. Jak wskazują nazwy, protokoły audio oraz control zajmują się dźwiękiem oraz kontrolą. Aplikacje potrafią z nich korzystać pomijając protokół L2CAP. Kolejna warstwa jest warstwą przejściową, zawierającą mieszaninę wielorakich protokołów. Podwarstwa LLC standardu 802, była wstawiona tu przez IEEE, w celu zapewnienia kompatybilności z sieciami 802. RFcomm (Radio Frequency communication) jest protokołem, który emuluje standardowy port szeregowy do podłączenia klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń. Protokół telephony jest protokołem czasu rzeczywistego, używanym w profilach zorientowanych na rozmowy. Zarządza także zestawieniem oraz rozłączeniem połączenia. Protokół discovery service jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci. W ostatniej warstwie umiejscowione są aplikacje oraz profile. Używają one protokołów warstw niższych. Każda aplikacja ma swój podzbiór używanych protokołów, zwykle wykorzystuje tylko z nich oraz pomija inne.

Warstwa radiowa

Warstwa ta odpowiedzialna jest za transport danych od urządzenia master do slave oraz vice versa. Jest to system o małym poborze mocy, działający w zależności od klasy na wielorakich zasięgach, operujący w paśmie ISM 2,4 GHz. Pasmo jest podzielone na 79 kanałów, po 1MHz każdy. System wykorzystuje modulacje FSK (Frequency Shift Keying), dając prędkości transmisji 1 Mbit/s, jednak duża cześć tego widma jest zajęta przez nagłówek. Aby przydzielić kanały sprawiedliwie, wykorzystuje się skakanie częstotliwości (1600 skoków na sekundę). Sekwencję skoków dyktuje węzeł master. Systemy 802.11 oraz Bluetooth operują na tych samych częstotliwościach z takim samym podziałem pasma na 79 kanałów. Z tego powodu zakłócają się wzajemnie. Gdyż skoki częstotliwości są wydatnie szybsze w systemie Bluetooth, jest wydatnie bardziej prawdopodobne, że system ten będzie zakłócał transmisje w 802.11.

Baseband layer

Warstwa ta jest zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI. Upakowuje ona luźne bity w ramki. Master w każdej pikosieci definiuje sloty czasowe o długości 625 μs. Transmisja mastera zaczyna się od slotów parzystych natomiast transmisja slave od slotów nieparzystych. Jest to tradycyjna multipleksacja w dziedzinie czasu (TDM), gdzie master zajmuje polowe slotów, a slave pozostałą ich część. Ramki potrafią posiadać długość jednego, trzech albo pięciu slotów czasowych. Skakanie częstotliwości dopuszcza ustawić czas 250 – 260 μs na skok, aby umożliwić stabilizacje układów radiowych. Dla ramki składającej się z jednego slotu czasowego, po tym czasie, zostaje 366 z 625 bitów. 126 z nich zawierają kod dostępu oraz nagłówek, pozostałe 240 są dla danych. Gdy ramka składa się z pięciu slotów, tylko jeden okres stabilizacji jest wymagany oraz dla warstwy baseband pozostaje 2781 bitów, więc dłuższe ramki są wydatnie bardziej efektywne niż ramki zbudowane z jednego slota czasowego. Każda ramka jest transmitowana przez kanał logiczny, nazywany z angielskiego link, pomiędzy masterem oraz urządzeniem slave. Istnieją dwa rodzaje kanałów logicznych. Pierwszy nazywa się ACL (Asynchronous Connection-Less), używany w połączeniu z komutacją pakietów, gdzie dane są dostępne w nieregularnych odstępach czasu. Dane te pochodzą od warstwy L2CAP po stronie nadawczej oraz są dostarczane do warstwy L2CAP po stronie odbiorczej. W tej wersji kanału logicznego nie ma żadnych gwarancji, ze ramka dotrze do celu. Ramki potrafią zostać utracone oraz wymagać retransmisji. Urządzenie slave może posiadać tylko jeden kanał typu ACL z urządzeniem master. Drugi typ kanału logicznego nazywa się SCO (Synchronous Connection Oriented) oraz jest używany do transmisji w czasie rzeczywistym, np. rozmowy telefonicznej. Ramki transmitowane w tego typu kanale, nie bywają retransmitowane. Zamiast tego da się stosować korektę błędów, aby zapewnić wysoką niezawodność. Urządzenie slave może korzystać z maksymalnie trzech kanałów typu SCO w kierunku mastera. Każde łącze SCO może transmitować jeden kanał telefoniczny (PCM, 64 kbit/s).

Warstwa L2CAP

Warstwa L2CAP spełnia trzy główne funkcje:

1. przyjmuje pakiety o maksymalnym rozmiarze do 64 KB od wyższych warstw oraz dzieli je na ramki w celu transmisji. Na końcu ramki są ponownie składane w całość.
2. zajmuje się multipleksacją oraz demultipleksacją złożonych pakietów. Gdy pakiet jest składany w całość, warstwa L2CAP określa, któremu protokołowi warstwy wyższej go przekazać, np. do RFcomm albo telephony.
3. zajmuje się wymaganiami na jakość usługi, zarówno podczas zestawiania połączenia oraz podczas realizacji usługi.

Struktura ramki

Istnieje parę formatów ramki w systemie Bluetooth, jednak najważniejszą oraz najczęściej stosowaną jest ta przedstawiona na rysunku nr 3. Zaczyna się ona kodem dostępu, który identyfikuje mastera, tak aby slave znajdujący się w zasięgu dwóch urządzeń master mógł określić, do którego przebiega się transmisja. Następne 54 bity stanowią nagłówek ramki, który zawiera standardowe pola podwarstwy MAC. Na końcu ukazuje się maksymalnie do 2744 (dla ramki składającej się z 5 slotów) bitów zawierających dane. Dla transmisji jednoslotowej ramka zawiera 240 bitów pola danych.

Struktura ramki w systemie Bluetooth.

Pole adres nagłówka identyfikuje jedno z ośmiu aktywnych urządzeń, dla którego przeznaczona jest ramka. Pole typ wyznacza typ ramki (ACL, SCO, pool albo null), odmiana korekcji błędów używany w polu danych oraz liczbę slotów w ramce. Pole Flow jest ustawiane przez slave, kiedy jego bufory są pełne oraz nie może on przyjąć więcej danych. Bit Acknowledgement jest potwierdzeniem transmisji. Bit Sequence jest używany w celu numeracji ramek aby wykryć retransmisje. Ostatnie 8 bitów to suma kontrolna. 18 bitów nagłówka są powtarzane trzy razy dając w efekcie nagłówek 54 bitowy. Po stronie odbiorczej prymitywny układ sprawdza wszystkie trzy kopie każdego bitu. Jeśli wszystkie są takie same, wówczas bit jest zaakceptowany. Jeśli nie, to jeżeli otrzymano dwa zera oraz jedną jedynkę, wartość końcowa jest zerem, jeśli zaś dwie jedynki oraz jedno zero, to jedynka.

Podstawowe elementy urządzenia Bluetooth

Przeważajaca ilość procesów realizowanych przez pasmo podstawowe oparte jest na dwóch elementach urządzenia Bluetooth, do których zalicza się:

• adres urządzenia Bluetooth;
• zegar urządzenia Bluetooth;

Adres urządzenia Bluetooth

Wyróżnia się cztery pojęcia związane z adresem urządzenia:

• adres urządzenia Bluetooth (Bluetooth Device Address);
• adres urządzenia aktywnego (Active Member Address);
• adres zaparkowanego elementu pikosieci (Parked Member Address);
• adres żądania przyłączenia (Access Request Address);

Każde urządzenie ma 48 bitowy adres IEEE MAC (Bluetooth Device Address, BD_ADDR) oraz jest on używany do inicjowania pewnych operacji oraz obliczania kodu dostępu. Adres MAC dzieli się na trzy części:

• 16-bitową nieznaczącą cząstka adresu Non – significant Address Part (NAP) BD_ADDR [4732] – NAP [150], która jest używana do inicjowania szyfrowania;
• 8-bitową wyższą cząstka adresu Upper Address Part (UAP) BD_ADDR [3124] – UAP [70], która jest używana do inicjowania obliczeń HEC (Header Error Chec) oraz CRC oraz skoków częstotliwości ;
• 24-bitową niższą cząstka adresu Lower Address Part (LAP) BD_ADDR [230] – LAP [230], która jest używana do generowania słowa synchronizującego oraz skoków częstotliwości;

Część adresu NAP oraz wyższa cząstka adresu UAP stanowią wspólnie unikatowy identyfikator organizacji OUI (Organizational Unique Identifier), czyli wartość przyznawaną przez jednostkę administracyjną. Natomiast części LAP przypisywane są wewnętrznie w ramach konkretnych organizacji. Adres urządzenia aktywnego jest 3-bitowym adresem urządzenia podrzędnego (slave), znajdującego się w stanie połączenia, natomiast urządzenie nadrzędne (master) nie ma tego typu adresu. Adres tego typu jest nadawany urządzeniu podrzędnemu przez urządzenie nadrzędne na etapie zestawiania połączeń oraz jest ważny tak długo, jak długo pozostaje aktywne urządzenie typu „slave”. Adres zaparkowanego elementu pikosieci jest 8-bitowym adresem urządzenia podrzędnego, które aktualnie nie bierze udziału w transmisji (znajduje się w stanie nieaktywnym – park), ale jest zsynchronizowane z pikosiecią. Adres tego typu jest ważny tak długo, jak długo urządzenie pozostaje w trybie nieaktywnym. Ostatni typ adresu to adres żądania przyłączenia. To adres używany przez zaparkowane urządzenia podrzędne, zsynchronizowane z pikosiecią, do ustalenia, w której szczelinie czasowej dane urządzenie może przesłać żądanie przejścia w stan aktywny. Adres ten zatem nie musi być unikatowy w pikosieci, czyli zróżnicowane urządzenia podrzędne (slave) znajdujące się w trybie parkingowym potrafią posiadać ten sam adres tego typu.

Zegar urządzenia Bluetooth

Moduł Bluetooth wyposażony jest w 28-bitowy wewnętrzny zegar, który determinuje synchronizację oraz skakanie po częstotliwościach. Nigdy nie jest on dostrajany, ani wyłączany. Do synchronizacji z innym modułem Bluetooth wykorzystywana jest różnica (offset) pomiędzy zegarami jednostek chcących się komunikować. Częstotliwość zegara wynosi 3,2 kHz, czyli generuje on 3200 taktów na sekundę. Wartość ta odpowiada dwukrotnej szybkości przeskoków częstotliwościowych, która wynosi 1600 razy na sekundę. A okres zegara Bluetooth wynosi około 24 godzin.

Wewnętrzny zegar urządzenia Bluetooth

W zależności od trybu pracy urządzenia, jego zegar wewnętrzny może znajdować się w jednym z trzech trybów pracy oraz są to:

• Tryb standardowy (native clock), który jest punktem odniesienia przy tworzeniu pozostałych dwóch trybów pracy zegara. W stanach wysokiej aktywności dokładność zegara wynosi 20 ppm, natomiast w stanach pracy charakteryzujących się małą aktywnością oraz niskim zużyciem energii, takich jak stan oczekiwania (standby), parkingowy (park), wstrzymania (hold) oraz wyszukiwania (sniff) wykorzystywany jest oscylator o niskim poborze mocy, który steruje zegarem z dokładnością obniżoną do poziomu 250 ppm.
• Tryb szacowany (estimated clock), który powstaje poprzez dodanie do zegara pracującego w trybie standardowym różnicy (offset) pomiędzy zegarami dwóch urządzeń Bluetooth oraz umożliwiający urządzeniu podrzędnemu komunikację z jednostką typu „master”.
• Tryb zegara urządzenia nadrzędnego (master clock), który jest wykorzystywany do synchronizacji wszystkich urządzeń w pikosieci.

Przypisy

Sprawdź też

• IrDA
• Sieć bezprzewodowa
• GFSK
• Profile systemu Bluetooth
• Bluetooth A2DP
• Bluejacking
• Bluehacking
• Bluesnarfing
• Bluetooth marketing

Linki zewnętrzne

• Oficjalna strona Bluetooth
• Bluetooth Tutorial – informacje o architekturze, protokołach, bezpieczeństwie oraz porównania (ang.)
• Dokumenty IEEE 802.15

p • d • e Interfejsy sprzętowe komputera klasy PC wewnętrzne szeregowe Serial ATA • PCI Express równoległe AGP • ATA (IDE) • SCSI • UDMA • PCI-X • ATAPI (EIDE) • PCI • MiniPCI • ISA • MCA • VESA Local Bus • EISA zewnętrzne szeregowe RS-232 • PS/2 • USB • Ethernet (RJ-45, BNC) • fax/modem/DSL (RJ-11) • FireWire (IEEE 1394) • eSATA • DisplayPort • DVI • ExpressCard równoległe Port Centronics (IEEE 1284) • PCMCIA bezprzewodowe Bluetooth • IrDA • Wi-Fi (WLAN) • WiMAX analogowe Jack • D-Sub (monitor) • S-Video