Bluetooth

Czyli jak to działa?

Czym jest Bluetooth?

Historia powstania technologi Bluetooth

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 (ang. Special

Interest Group) celem standaryzacji
bezprzewodowej technologii cechującej się
niewielkim zasięgiem, małym poborem prądu,
niskim poziomem mocy promieniowanej oraz
niską ceną. W lipcu 1999 Bluetooth SIG
opublikowało 1500-stronicową specyfikację
pierwszej wersji technologii Bluetooth.

Jak działa 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 mogą być
ze sobą połączone przy pomocy
węzła typu bridge. 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.

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.

Istnieją 3 klasy mocy urządzeń Bluetooth które

determinują jest zasięg

Klasa 1 (100mW) ma największy zasięg, do

100m

Klasa 2 (2,5mW) jest najpowszechniejsza w

użyciu, zasięg do 10 m

Klasa 3 (1mW) rzadko używana, z zasięgiem do

1m

Warstwy protokołu w systemie Bluetooth

Standard Bluetooth określa wiele

protokołów, pogrupowanych w
warstwy. Struktura warstw nie
odpowiada żadnemu znanemu
modelowi

Najniższa warstwa – fizyczna warstwa radiowa – odpowiada

warstwie fizycznej łącza danych. 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. Link control adaptation protocol, często

nazywany L2CAP, zajmuje się szczegółowymi parametrami

transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe warstwy od tego

obowiązku. Jak wskazują nazwy, protokoły audio i control

zajmują się dźwiękiem oraz kontrolą. RFcomm 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.

Warstwa radiowa odpowiedzialna jest za transport

danych od urządzenia master do slave i

odwrotnie. Jest to system o małym poborze mocy,

działający w zależności od klasy na różnych

zasięgach, operujący w paśmie 2,4 GHz. Pasmo

jest podzielone na 79 kanałów, po 1MHz każdy.

System wykorzystuje modulacje FSK, 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/s).

Sekwencję skoków dyktuje węzeł master.

Warstwa L2CAP spełnia trzy główne funkcje:

1. Przyjmuje pakiety o maksymalnym rozmiarze

do 64 KB od wyższych warstw i dzieli je na ramki

w celu transmisji. Na końcu ramki są ponownie

składane w całość.

2. Zajmuje się multipleksacją i demultipleksacją

złożonych pakietów. Gdy pakiet jest składany w

całość, warstwa L2CAP określa, któremu

protokołowi warstwy wyższej go przekazać, np. do

RFcomm lub telephony.

3. Zajmuje się wymaganiami na jakość usługi,

zarówno podczas zestawiania połączenia oraz

podczas realizacji usługi.

Struktura ramki

Istnieje kilka formatów ramki w systemie Bluetooth. Ramka w systemie Bluetooth

zaczyna się kodem dostępu, który identyfikuje mastera, tak aby slave znajdujący się
w zasięgu dwóch urządzeń master mógł określić, do którego odbywa się transmisja.
Następne 54 bity stanowią nagłówek ramki, który zawiera standardowe pola
podwarstwy MAC. Na końcu pojawia się maksymalnie do 2744 bitów zawierających
dane. Pole adres nagłówka identyfikuje jedno z ośmiu aktywnych urządzeń, dla
którego przeznaczona jest ramka. Pole Flow jest ustawiane przez slave, gdy jego
bufory są pełne i 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.

Zegar urządzenia Bluetooth

Moduł Bluetooth wyposażony jest w 28-bitowy

wewnętrzny zegar, który determinuje synchronizację i
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.

Bluetooth 3.0

Bluetooth 3.0+HS to ulepszona wersja standardu

Bluetooth. Została ona przyjęta 21 kwietnia

2009r. Teoretyczna prędkość standardu

Bluetooth 3.0 wynosi 24Mbit/s czyli około

3MB/s

Taką prędkość uzyskano dzięki zastosowaniu

protokołu radiowego 802.11 używanego w

sieciach WiFi.

Główną zmianą jest wprowadzenie AMP

(Alternate MAC/PHY). Umożliwia to użycie

alternatywnie warstwy fizycznej i podwarstwy
warstwy łącza danych dla przesyłu jednego z

profili. Warstwa radiowa nadal jest

odpowiedzialna za wyszukiwanie urządzeń,

nawiązywanie połączeń i konfiguracji profilów

jednakże gdy mamy do wysłania duże ilości

danych to za przesył danych będzie

odpowiadać właśnie AMP.

Zezwala na transmisje danych bez

ustalenia otwartego/sprecyzowanego

kanału L2CAP. Jest on przeznaczony do

użytku przez aplikacje wymagające

małych opóźnień między akcjami

użytkownika i transmisją danych. Jest to

odpowiednie tylko dla małej ilości danych.

Unicast Connectionless Data

Bluetooth

3.0 wprowadza zwiększoną kontrolę

mocy (Enhanced Power Control

) usuwając

sterowanie mocą w otwartej pętli oraz do

wyjaśnienia niejasności kontroli mocy

wprowadzonych przez nowe modulacje EDR.

Wprowadzono również zapotrzebowanie na

pracę z maksymalną mocą urządzenia. Było to

wymagane aby zlikwidować problemy z

transmisją zaobserwowane podczas

korzystania z headset-

ów.

Dziękujemy za uwagę!

Patryk Samulewicz, Łukasz Cendrowski

Kl. 4i