Bluetooth

Bluetooth (wym. /)/ – standard bezprzewodowej komunikacji krótkiego zasięgu pomiędzy różnymi urządzeniami elektronicznymi, takimi jak klawiatura, komputer, laptop, palmtop, smartfon i wieloma innymi.

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

Urządzenie umożliwiające wykorzystanie tego standardu to adapter Bluetooth.

Bluetooth zawiera patenty, z których można korzystać bezpłatnie w produktach zakwalifikowanych jako zgodne z Bluetooth. Kwalifikacja kosztuje 5–10 tys. USD, za to potencjalni klienci-użytkownicy mogą łatwo znaleźć nowy produkt na opublikowanej w tym celu liście.

Pochodzenie nazwy Autorem koncepcji był mieszkaniec Skanii (płd. Szwecja), Jim Kardach, zafascynowany pierwszym królem duńskim Haraldem Sinozębym (), który ok. roku 970 podporządkował sobie Norwegię i tym samym przyczynił się do zjednoczenia rywalizujących rodów oraz poszczególnych jarlów z Danii i Norwegii. Harald panował również nad południową częścią Szwecji, Skanią. Podobnie Bluetooth, który został zaprojektowany, aby „zjednoczyć” różne technologie jak: komputery, telefonię komórkową, drukarki oraz aparaty cyfrowe.

W logo standardu Bluetooth umieszczone są runy wiązane z fuþarku młodszego: (ᚼ) oraz (ᛒ), będące odpowiednikami wielkich liter h oraz b.

Berkanan – (ᛒ) to właśnie pierwsza litera przydomku króla Haralda Blåtand.

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 i Toshiba) uformowała SIG () celem standaryzacji bezprzewodowego standardu cechującego 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 i stał się konkurencją dla standardu 802.11.

W lipcu 1999 Bluetooth SIG opublikowało 1500-stronicową specyfikację pierwszej wersji standardu 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 obejmuje kompletny system, od warstwy fizycznej do warstwy aplikacji, natomiast standard IEEE obejmuje tylko warstwę fizyczną i łącza danych. Pomimo że IEEE zatwierdziło pierwszy standard PAN (ang. ), 802.15.1, w 2002 roku, organizacja SIG ciągle pracuje nad jego poprawą.

Architektura systemu Bluetooth Podstawową jednostką standardu 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 mogą być ze sobą połączone przy pomocy węzła typu bridge, jak pokazano na rysunku nr 1. Połączone ze sobą pikosieci określa się mianem scatternet.

mały|upright=2.0|centruj|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 i niskiego poboru mocy). Urządzenia te nie uczestniczą w wymianie danych. Mogą tylko otrzymać sygnał aktywacyjny lub nawigacyjny od węzła typu master. Istnieją jeszcze dwa przejściowe stany hold oraz sniff. Przyczyną podziału węzłów na master i slave jest minimalizacja kosztów standardu. Konsekwencją tego jest fakt, że węzły typu slave są w 100% podporządkowane węzłom master. Pikosieć jest scentralizowanym systemem TDM, urządzenie master kontroluje zegar i określa, które urządzenie i w którym slocie czasowym (szczelina czasowa) może się z nim komunikować. Wymiana danych może nastąpić tylko pomiędzy węzłem master i slave. Komunikacja slave – slave nie jest możliwa.

Zasięg Zasięg urządzenia determinowany jest przez klasę mocy: klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, teoretycznie do 100 m klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, teoretyczny zasięg do 10 m klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z teoretycznym zasięgiem do 1 m.

Wersje standardu i przepustowość Bluetooth 1.0 – 22 kb/s Bluetooth 1.1 – 124 kb/s Bluetooth 1.2 – 328 kb/s Bluetooth 2.0 + EDR – wprowadzenie enhanced data rate zwiększyło transfer teoretyczny do 2,1 Mb/s (około 3 Mb/s wliczając narzut protokołu) Bluetooth 2.1 + EDR – uproszczenie i ujednolicenie procesu parowania urządzeń BT, wsparcie dla przyszłych implementacji NFC, zmniejszenie zużycia energii Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) – 24 Mb/s (3 MB/s) Bluetooth 3.1 + HS (High Speed) – 40 Mb/s (5 MB/s) Bluetooth 4.0 + LE (Low Energy) – 1 Mb/s znacząco ograniczono pobór energii (np. praca czujnika temperatury, przez wiele miesięcy na baterii pastylkowej), kosztem obniżonego transferu oraz zwiększono realny zasięg działania do 100 m Bluetooth 4.1 – standard opracowany do zastosowania w tzw. „internecie rzeczy” (urządzenia typu „wearables”), umożliwiający bezpośrednią łączność przedmiotów z internetem Bluetooth 4.2 – w stosunku do poprzednich wersji: szybszy transfer, wyższy poziom bezpieczeństwa, nawiązanie łączności z przedmiotami – łatwiejsze Bluetooth 5.0 – ujednolicenie wersji, szybszy transfer – 2 Mb/s dla urządzeń typu „wearables” i 3 Mb/s do normalnych, realny zasięg działania do 140 m Bluetooth 5.2 – dodaje funkcje połączenia 2 urządzeń jednocześnie Bluetooth 5.3 – zmniejszony pobór energii, ulepszony przesył bardzo małej ilości danych. Bluetooth 5.4 – Okresowa Rozgłaszanie z Odpowiedziami (PAwR), Szyfrowane Dane Rozgłoszeniowe, Charakterystyka Poziomów Bezpieczeństwa LE GATT oraz Wybór Kodowania Rozgłaszania Bluetooth 6.0 – Bluetooth Channel Sounding dla precyzyjnego pomiaru odległości między urządzeniami, Decision-based Advertising Filtering umożliwiające inteligentne filtrowanie rozgłaszanych pakietów, oraz Monitoring Advertisers do śledzenia aktywności rozgłaszanych pakietów

Profile systemu Bluetooth

Większość protokołów sieciowych, w przeciwieństwie do systemu Bluetooth, określa tylko kanały pomiędzy komunikującymi się jednostkami i pozwala projektantom aplikacji na dowolne ich użycie. Wersja 1.1 Bluetooth określa 13 specjalnych aplikacji, zwanych profilami systemu Bluetooth, w których system może być używany.

Warstwy protokołu w systemie Bluetooth Standard Bluetooth określa 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:

mały|upright=2.0|centruj|Architektura protokołów Bluetooth

Najniższa warstwa – fizyczna warstwa radiowa – odpowiada warstwie fizycznej modelu OSI. Określa 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. Określa ona w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki. Kolejna warstwa grupuje powiązane ze sobą protokoły. Link manager zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi (QoS). Link control adaptation protocol, często 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 zupełnie inny. Jak wskazują nazwy, protokoły audio i control zajmują się dźwiękiem oraz kontrolą. Aplikacje mogą z nich korzystać pomijając protokół L2CAP.

Kolejna warstwa jest warstwą przejściową, zawierającą mieszaninę różnych protokołów. Podwarstwa LLC standardu 802, została 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 również zestawieniem i 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, zazwyczaj korzysta tylko z nich i pomija inne.

Warstwa radiowa Warstwa ta odpowiedzialna jest za transport danych od urządzenia master do slave i vice versa. Jest to system o małym poborze mocy, działający w zależności od klasy na różnych zasięgach, operujący w paśmie częstotliwości ISM 2,4 GHz. Pasmo jest podzielone na 79 kanałów, po 1 MHz każdy. System wykorzystuje modulację FSK (Frequency Shift Keying), dając prędkości transmisji 1 Mbit/s, jednak duża część 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. Ponieważ skoki częstotliwości są znacznie szybsze w systemie Bluetooth, jest znacznie bardziej prawdopodobne, że system ten będzie zakłócał transmisje w 802.11. Gdy nowe urządzenie szuka sieci do której mogłoby się przyłączyć skacze po kanałach w sposób losowy. Połączenie zostaje nawiązane, dopiero gdy trafi na ten sam kanał co master. Algorytm wybierania kanału przez mastera jest inny niż algorytm przełączania kanału przez slave’a szukającego mastera. Oba algorytmy opierają się na losowości co powoduje, że nigdy nie ma pewności po jakim czasie slave znajdzie mastera.

Baseband layer

Bluetooth

Czytaj w krótszych częściach

Źródło i licencja