Wojciech Dembek Szczecin 1.02.2008r.

Paweł Smakowski

Bartosz Keim

„ Technologia Bluetooth w komputerze PC ”

1. Wstęp

Już w roku 1994 koncern Ericsson rozpoczął prace nad projektem interfejsu radiowego, który miał służyć do komunikacji telefonu komórkowego z jego peryferiami. Łącze radiowe przede wszystkim nie wymagało widzenia się dwóch urządzeń, co stanowiło przewagę nad technologią IrDA - pierwszym popularnym interfejsem bezprzewodowym, opartym na transmisji danych w podczerwieni. Wymaganiem stawianym dla nowo tworzonego standardu była transmisja zarówno danych jak i sygnału mowy. Takie były początki nowej specyfikacji, której nazwa pochodzi od wielkiego monarchy krainy Wikingów, który w X wieku zjednoczył ziemie Danii i Norwegii -mowa o Haraldzie I Sinozębym. Jego zangielszczony przydomek, Bluetooth, w języku polskim jest często tłumaczony jako Błękitny Kieł. Pomysł na powszechny standard bezprzewodowej komunikacji urządzeń elektronicznych został oficjalnie przedstawiony w roku 1998. W tymże roku wspólne prace nad projektem rozpoczęły czołowe koncerny z branży telekomunikacyjnej i informatycznej: Ericsson. Intel, IBM. Toshiba, Nokia. Zaledwie kilka miesięcy później, w maju 1998 powołały one do życia grupę roboczą Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). mającą na celu opracowanie jednego, wspólnego interfejsu. Każda z firma zajęła się inną częścią projektu. Ericsson i Nokia opracowały system podstawowej łączności radiowej i oprogramowanie przeznaczone dla przenośnych urządzeń komunikacyjnych. Z kolei IBM z Toshiba skupiły swoje wysiłki na rozwiązaniu pozwalającym na zintegrowanie Bluetooth z dowolnym urządzeniem przenośnym. Zadaniem Intela było dostarczenie zaawansowanych technicznie mikroprocesorów, dzięki którym można było zminimalizować konstrukcję.

Do współpracy zaproszono również inne koncerny, które w zamian za zaangażowanie w projekcie mogłyby zaadoptować technologię Bluetooth do swoich produktów. W lipcu 1999 roku została opublikowana wersja 1.0 specyfikacji Bluetooth. W grudniu grupa SIG wzbogaciła się o cztery wielkie koncerny: Microsoft, Lucent, 3Com i Motorola. Obecnie stowarzyszonych w grupie SIG jest ponad 2000 firm. które wciąż rozwijają standard i implementują go w gotowych produktach rynkowych. Pierwszą polską firmą w SIG byl CT Creative Team S.A.. należąca do gnipy Elektrim, która członkostwo otrzymała w roku 2000.

W roku 2001 opublikowano dokumentację w wersji U, wprowadzającą drobne zmiany w szczegółach technicznych oraz ostatecznie zatwierdzającą istniejący standard. Od tego momentu na rynku zaczęły się pojawiać pierwsze komercyjne produkty pracujące w systemie Bluetooth, Obecnie trwają prace nad wersją 2.0 specyfikacji, która obejmie rozszerzenie istniejącego standardu o dodatkowe możliwości - między innymi zwiększenie prędkości transmisji do 1 Mbit/s.

2. Struktura i zasady działania systemów Bluetooth

Niekwestionowaną zaletą nowej technologii jest wykorzystanie właściwego pasma radiowego o szerokości prawie 80 MHz i częstotliwości około 2, 4 GHz, a dokładnie leżącego w zakresie 2,402-2,480 GHz (z niewielkimi odstępstwami w niektórych krajach), wolnego prawie na całym świecie od innych aplikacji). Ze względu na niewielki zasięg emitowanych sygnałów (o małej mocy) pasmo to zostało uznane za optymalne do transmisji na małych odległościach, ponadto nie wymaga ubiegania się o licencje dla urządzeń powszechnego użytku. Z tego powodu można również sądzić, że wpływ takiego promieniowania na organizm człowieka jest niewielki, chociaż autor nie ma na ten temat żadnych wiążących informacji

Zasięg można zwiększyć wewnątrz budynku do 100 m, przez instalację wyposażenia dodatkowego, którym jest dwukierunkowy wzmacniacz fal radiowych. Dzięki między innymi temu łączność bezprzewodowa na deklarowanym obszarze może objąć maks. 256 urządzeń cyfrowych (wyposażonych w łącze Bluetooth), z których tylko osiem może być jednocześnie czynnie zaangażowanych w transmisję danych .

Każde urządzenia wyposażone w łącze Bluetooth może komunikować się z wieloma innymi znajdującymi się w zasięgu odbioru, tworząc podsieć o charakterze łańcuchowym, przy czym nie istnieje jakakolwiek hierarchia w dokonywaniu konkretnych połączeń (struktura ad hoc). Wszystkie urządzenia aktywne współdzielą jedno łącze radiowe, określane jako nadrzędne (master), pozostałe zaś urządzenia działające w sieci, zwane podrzędnymi (slave), synchronizują tylko swoje sekwencje przeskakiwania częstotliwości (hopping), tak aby w razie potrzeby natychmiast podjąć łączność.

rys.1 - cechy łącza bluetooth

rys.2 - dwa rodzaje urządzeń i łączy

2.1 Klasy nadajników

Specyfikacja Bluetooth wyróżnia, ze względu na moc, trzy klasy nadajników:

Klasa 1 = 100 mW (20 dBm)

Klasa 2 = 2,5 mW (4 dBm)

Klasa 3 = 1 mW (0 dBm)

Poszczególne klasy nadajników pozwalają na dołączanie urządzeń znajdujących się w różnej odległości. Obecnie najpowszechniej stosowane są nadajniki klasy 3, których zasięg wynosi l0m. Jednakże w pomieszczeniach zamkniętych, takich jak pokoje mieszkalne, czy biura, gdzie dodatkowo znajdują się meble oraz ludzie, które absorbują mikrofale, realny zasięg dochodzi do ok. 5m.Nadajniki klasy 1 majązasięg nawet do 100m.

Nominalny poziom mocy nadajnika Bluetooth ustalono na 0 dBm zgodnie z zaleceniami ISM. według których moc emitowana nie powinna przekraczać wspomnianego poziomu. Pełny zakres mocy nadajnika rozciąga się od -30 do 20 dBm. Czułość odbiornika zdefiniowana jako poziom wejściowy sygnału, dla którego współczynnik błędu pojedynczego bitu (BER) osiąga 0,1%, wynosi -70 dBm. Maksymalny poziom sygnału na wejściu odbiornika wynosi -20 dBm.

Nadajniki Bluetooth nie powinny także znajdować się za blisko siebie, ponieważ powoduje to nasycenie odbiornika. Minimalna odległość pomiędzy dwoma urządzeniami Bluetooth wynosi l0cm.

rys.3 - Stany pracy nadajników w systemie bluetooth

2.2 Struktura warstw w systemie Bluetooth

W standardzie Bluetooth, oprócz komunikacji radiowej, zdefiniowany jest również protokół komunikacyjny, który składa się z odpowiednich warstw logicznych. Warstwy te mogą być odpowiednio implementowane w oprogramowaniu urządzeń komunikujących się przez moduły Bluetooth, co w zależności od potrzeb może pozwolić aplikacjom na znalezienie w okolicy innych urządzeń Bluetooth, sprawdzenie, jakie usługi mogą one zaoferować i oczywiście skorzystanie z nich. Na rys.4 przedstawiona została struktura warstw transmisyjnych Bluetooth

rys.4 - struktura warstw transmisyjnych bluetooth

moduł bluetooth

Przedstawiona powyżej struktura warstw transmisyjnych Biuetooth jest swoistym przewodnikiem, jak aplikacje mogą wykorzystywać moduł Bluetooth.Widać w nim wyraźny podział na warstwę logiczną (programową) oraz fizyczną (sprzętową). Za konfigurację połączenia, realizację ustawień sprzętowych oraz sprawdzenie autentyczności odpowiedzialny jest moduł Link Manager. Odnajduje on inne jednostki LM i komunikuje się z nimi za pomocą protokołu LMP. HCI (Host Controller Interfacc) to warstwa sterująca, obsługująca zarządzanie fizycznymi parametrami połączenia. L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol) pełni rolę warstwy usługowej i multipleksującej warstwy komunikacyjne. RFCOMM to warstwa transportowa, emulująca łącze szeregowe RS232. Wyróżniony moduł AUDIO oznacza dane cyfrowe z zewnętrznego kodeka. Opcjonalnie pozwala na obsługę danych audio z poziomu aplikacji użytkownika. Protokołem wymiany plików adoptowanym z IrDA jest OBEX. Dzięki WAE/WAP (Wireless Application Enviroment/Protoco!) mamy możliwość obsługi WML i HTML przez TCP/IP, co w rezultacie daje nam bezprzewodowy dostęp do Internetu. AT Commands pozwala na obsługę poleceń modemu AT. Protokół ustanawiania połączeń telefonicznych oznaczony został przez TCS BIN (Telephony Control protocol Specification Binary). Protokół SDP (Service Discovery Protocol) służy do wykrywania usług pomiędzy urządzeniami Bluetooth.

2.3 Oszczędne zasilanie

Rozpowszechnianie technologii Bluetooth następuje równocześnie z pojawieniem się na rynku nowej generacji szybszych, lżejszych i tańszych komputerów przenośnych, laptopów i telefonów komórkowych, zwykle potrzebujących mniejszych mocy zasilania. Jednocześnie wśród użytkowników narasta zapotrzebowanie na bezprzewodowe przesyłanie danych, handel elektroniczny e-commerce czy niestacjonarny dostęp do Internetu, co powoduje, że coraz większa część współczesnych końcowych urządzeń transmisyjnych ma charakter przenośny.
Ponieważ technologia Bluetooth jest przeznaczona głównie do stosowania w urządzeniach przenośnych, to zużycie mocy odgrywa tutaj zasadniczą rolę, decydującą o powodzeniu operacji. Podczas opracowania standardu wzięto tę okoliczność pod uwagę, obniżając maksymalnie pobór mocy przez łącze, tak aby prawie nie wpływał on na ogólne zużycie energii przez te urządzenia.

Moc transmitowanego sygnału w tej technologii zmienia się w zależności od dystansu, na jakim są przekazywane dane (do 10 m), podobnie jak dzieje się to w systemie komórkowym GSM (do 35 km). Nie ma wprawdzie zaleceń dotyczących minimalnych poborów mocy przez takie urządzenia, ale w pierwszych egzemplarzach urządzeń opracowanych przez Ericssona zmniejszono zapotrzebowanie na pobór prądu z akumulatora przez łącze Bluetooth do 30 mA w trybie uśpienia, do 60 mA w trybie oczekiwania i 300 mA w trybie gotowości. W trakcie transmisji (normalna praca urządzenia) zużycie prądu może jednak zwiększać się wielokrotnie, nawet do 3-30 mA. W porównaniu ze zwykłym telefonem komórkowym takie zużycie energii oznacza zwiększenie poboru mocy zaledwie o 3 proc.

2.4 Łącza radiowe i podczerwone

Największą konkurencję wobec radiowych łączy Bluetooth stanowią transmisje w pasmie podczerwieni za pomocą łączy IrDA (Infrared Data Association) o zbliżonych cechach eksploatacyjnych. Obydwie technologie bezprzewodowego przekazu są obecnie w użytkowaniu, jednak istnieją sytuacje (warunki i aplikacje), dla których każda z tych sieci nadaje się do komunikacji lepiej od swego konkurenta

rys.5 - Łańcuchowanie połączeń w technologii Bluetooth

Łącza na podczerwień lepiej działają podczas przesyłania danych w trybie pracy dwupunktowej typu P-P (Point to Point) na niewielkich odległościach bądź na większych przy bardzo skupionej wiązce promieniowania. Tak więc ograniczony zasięg, prostoliniowość rozchodzenia się promieni i wąski kąt nadawania, charakterystyczny dla współczesnych nadajników podczerwieni, stanowią bardzo pożądaną naturalną cechę zabezpieczenia się przed niepożądanym podsłuchem przesyłanej informacji. Z kolei radiowa technologia Bluetooth umożliwia przekaz danych przez ciała stałe, a brak kierunkowości przekazów i swoboda poruszania się wewnątrz "pikosieci" umożliwiają wymianę danych - prawie niemożliwą przy zastosowaniu promieniowania podczerwonego. Ponadto dookólna charakterystyka promieniowania w technologii Bluetooth umożliwia rozpoczęcie synchronizacji natychmiast po wprowadzeniu telefonu komórkowego w zasięg bezprzewodowego łącza komputera przenośnego lub stacjonarnego.

3. Zastosowanie technologii Bluetooth

Założeniem grupy firm pracujących nad systemem Bluetooth było stworzenie platformy sprzętowej, umożliwiającej bezprzewodowe przesyłanie różnorodnych danych pomiędzy urządzeniami przenośnymi i stacjonarnymi , Pierwotnie myślano przede wszystkim o wyeliminowaniu kabla w owych zestawieniach sprzętowych, jednakże szybko się okazało, iż opracowana technologia może mieć znacznie szersze zastosowanie. Dzisiaj niemalże w każdej dziedzinie życia możemy mnożyć przykłady wykorzystania urządzeń opartych na standardzie Bluetooth i z pewnością nie stanowią one jedynie alternatywy dla przewodu czy transmisji danych w podczerwieni. Zastąpienie tych dwóch mediów stanowi jedynie niewielki ułamek możliwości przesyłania zarówno danych jak i sygnału dźwięku pomiędzy urządzeniami, a także niezawodność takiej transmisji w różnorodnych warunkach. Ponadto fakt, że owa technologia jest wspierana, rozwijana i upowszechniania przez czołowe koncerny branży telekomunikacyjnej, daje możliwość współpracy różnorodnego sprzętu, pochodzącego od różnych producentów. Należy zaznaczyć, iż Bluetooth oferuje również wbudowane- zaawansowane mechanizmy zabezpieczeń i szyfrowania transmisji o bardzo wysokim stopniu bezpieczeństwa, co otwiera mu drogę choćby do usług związanych z płatnością bezgotówkową oraz bankowości elektronicznej. Dodatkowymi zaletami mogącymi się przyczynić do coraz częstszej obecności produktów Bluetooth w ofertach producentów sprzętu elektronicznego są małe wymiary modułów oraz niski pobór energii, uzyskane przez zastosowanie najnowocześniejszych technologii do ich miniaturyzacji oraz oczywiście niska cena, która uwarunkowana jest masową produkcją i powszechnością zastosowań. Warunkiem większego zainteresowania się Blutooth'em jest także zwiększenie prędkości transmisji danych, która w przypadku specyfikacji 1.1 jest na poziomie 720 kb/s, Transfer ten może być niewystarczający do niektórych zastosowań multimedialnych, wymagających szerszego pasma. Jest to istotny argument przy konfrontacji standardu Bluetooth z jego głównymi przeciwnikami w dziedzinie sieci bezprzewodowych - WLAN (Wireless Loca! Area Network, standard IEEE 802.11 b) oraz HomeRF, które oferują większe szybkości transmisji. W tym celu trwają właśnie prace nad wersją 2.0 specyfikacji, która ma między innymi zwiększyć transfer nawet do 10 Mb/s. Bluetooth z powodzeniem może znaleźć zastosowanie w pracy, podróży, domu, centrum handlowym, a także w wielu innych sytuacjach.

3.1 Profile zastosowań w systemie Bluetooth

Bardzo istotnym zagadnieniem w standardzie Bluetooth są profile, które zgodnie z zamierzeniami twórców służą zapewnieniu kompatybilności między aplikacjami oraz urządzeniami Bluetooth pochodzącymi od różnych producentów.

Na rys. 6 przedstawiono zależności pomiędzy różnymi profilami zastosowań systemu Bluetooth. Jeden profil zależy od drugiego, gdyż wykorzystuje częściowo jego mechanizmy. Jak widać najważniejszym jest podstawowy profil dostępu, z którego w mniejszym lub większym stopniu korzystają pozostałe profile. Podstawowy profil dostępu wprowadza definicje, zalecenia i wspólne wymagania dotyczące podstawowych trybów pracy i procedur dostępu. Określa on zachowanie urządzenia w stania oczekiwania i połączenia, które umożliwia zestawienie połączenia pomiędzy urządzeniami Bluetooth, analizę stanu otoczenia i zapewnia odpowiednią poufność.

Profil SDP (Service Discovery Protocol) umożliwia identyfikację usług realizowanych w innych urządzeniach i ściągnięcie dostępnych informacji dotyczących tych usług. Zasada podziału profili sterowania telefonu została zaprezentowana na rys. 6.

rys.6 - podstawoy profil dostępu

Profil telefonu bezprzewodowego, który definiuje właściwości i procedur;' wymagane do
współpracy pomiędzy różnymi elementami telefonu to rozwiązanie wprowadzające dodatkowy tryb pracy telefonu komórkowego jako radiotelefonu bliskiego zasięgu do połączeń z siecią stacjonarną poprzez stacją bazową.

Profil interkomu definiuje wymagania dla urządzeń Bluetooth dotyczące połączeń bezpośrednich pomiędzy telefonami typu „3 W 1", tzw. usługa inlerkomu.

Prolil portu szeregowego opisuje wymagania związane z realizacja emulowanego radiowego łącza szeregowego, np. pomiędzy dwoma komputerami. Wyróżnia się następujące typy profilu portu szeregowego;

- Profil słuchawki (handsei) umożliwia jej bezprzewodowe podłączenie i pełnienie roli urządzenia wejściowego i wyjściowego dla sygnałów dźwiękowych (audio),

- Profil komutowanego dostępu do sieci stosowany jest przez komputer do uzyskania
komputerowego dostępu do Internetu poprzez telefon komórkowy lub modem,

- Profil faksu.

Profile wymiany danych OBEX wykorzystują dwa urządzenia:

- Serwer - urządzenie realizujące wymianę danych,

- Klienta - urządzenie umożliwiające wysyłanie do serwera ipush) lub uzyskanie (puli) z
serwera obiektu danych.

Wyróżnia się trzy typy profili wymiany danych;

- Profil transferu danych - transfer odbywa się pomiędzy urządzeniami Bluetooth,

- Profil wymiany obiektu.

- Profil synchronizacji umożliwiający synchroniczną pracę terminali Bluetooth.

Źródła :

1. http://instalsystem.pl , tytuł artykułu: Technologia Bluetooth , autor: Paweł Jaworski i Radosław Figat

2. http://www.networld.pl , tytuł artykułu: Bezprzewodowy Bluetooth , autor: Adam Urbanek

3. P.Zbyński - ,,Bluetooth, lokalna łączność łaczność bezprzewodowa" Elektronika Praktyczna 4/2000

4. D.J. Bem, R.J. Zieliński - ,,Bezprzewodowa transmisja pakietowa" , KRRiT 2000r

5. A.Rudziński, A.Chabiński ,, Tłok w eterze" , Chip 8/2000

MODUŁ BLUETOOTH

11

---