Что такое Bluetooth 

Основное назначение Bluetooth

- обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого питания) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.

Происхождение названия

Согласитесь, довольно странное название для технологии - "Синий зуб", как можно дословно перевести с английского "Bluetooth".
Король Харальд Блютус (Harald Bluetooth) был предводителем викингов, вошедшим в историю как король-объединитель скандинавских земель. Он жил в Дании в 910-940 гг. и был королем Норвегии и Дании в 10 столетии нашей эры. Как сын Горма, он назывался Харальдом Гормссоном, однако чаще его называли прозвищем, вошедшим в английские летописи как Bluetooth - " Синезубый". На самом деле его прозвище звучало на староскандинавском как " Blatand" и не имело ничего общего с синими зубами. А означало оно что-то вроде "Чернявый", поскольку Гаральд имел весьма нетипичную для викингов-скандинавов смуглую кожу, черные волосы (" bla" в переводе означает "темнокожий") и могучее телосложение (словом "tan" называли высокого хорошо сложенного человека). Вероятно, английские летописцы не захотели ломать язык и придумали королю "кличку" попроще.
Нетипичность Харальда для викингов не исчерпывалась одной внешностью. Король Харальд принес в Скандинавию христианство, а также объединил Данию и Норвегию. Жизнь его была полна великих походов и приключений, что уже более типично для викингов. Однако в конце концов удача изменила ему, и он закончил свою жизнь в изгнании.
Большая часть истории правления Харальда была почерпнута потомками из древнескандинавских надписей, высеченных на двух камнях, установленных в его память в городе Jelling в Дании. Первая концепция технологии Bluetooth, видимо, за свою "обединяющую" миссию получившей в качестве названия имя древнескандинавского короля, появилась в Лунде, в Швеции в 1994 году, и компания Ericsson решила воздвигнуть там новый камень в память о Харальде Блютусе. Надпись на этом новом памятнике гласит (на древнескандинавском языке): "Компания Ericsson Mobile Communications AB установила этот камень в честь Харальда Блютуса, давшего свое имя новой беспроводной технологии для мобильных коммуникаций". Похоже на то, что Ericsson не только освежает в памяти потомков эпизоды мировой истории, но и создает новую историю.

Общее представление о стандарте

В настоящее время технология Bluetooth является твердо устоявшимся коммуникационным стандартом для беспроводной связи на малых расстояниях. Она заменяет целую кучу отдельных кабелей, присоединяющих одно устройство к другому посредством одной универсальной радиолинии с малым радиусом действия. Например, радиотехнология Bluetooth, встроенная и в сотовый телефон, и в ноутбук, заменяет кабель, используемый в настоящее время для присоединения ноутбука к сотовому телефону. Принтеры, персональные компьютеры, факсы, клавиатуры, джойстики и практически любые другие цифровые устройства могут быть частью системы Bluetooth.
Радиотехнология Bluetooth также обеспечивает универсальный мост к существующим сетям передачи данных, интерфейсу периферийных устройств, а также обеспечивает механизм для формирования небольших частных специальных групп соединяемых устройств вне инфраструктуры фиксированной сети.
Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.

История развития стандарта

В 1995 году такие отрасли промышленности как телекоммуникации и информационные технологии осознали, что недорогая по стоимости и экономичная по потреблению энергии радиосвязь, или беспроводная связь, уже реальна и достижима. Поэтому на близких расстояниях она вполне может заменить собой кабельную связь. Это обеспечила бы также базис для того, чтобы небольшие портативные устройства можно было связывать между собой специальным способом (ad hoc), задаваемым для конкретных целей.
Были проведены исследования, и вскоре определились общие очертания технологии под кодовым названием " Bluetooth". Целью создателей технологии было обеспечение надежного сервиса для мобильных абонентов и бизнес-пользователей в рамках компактной радиотехнологии, действующей на малых расстояниях. Данную технологию предполагалось интегрировать в ряд модельных линий широкого диапазона различных устройств.
Цель создателей состояла в том, чтобы технология соответствовала таким спецификациям, которые оптимизируют пользование всеми мобильными компьютерными и коммуникационными устройствами, а также обеспечивают:

1.Использование по всему миру
2.Работу с голосом и передачей данных
3.Возможность установки ad hoc соединений (для специальных целей)
4.Возможность противостоять помехам от других источников в открытой полосе
5.Очень компактный размер, для обеспечения удобной интеграции с различными устройствами
6.Ничтожное энергопотребление, в сравнении с другими устройствами, предназначенными для подобных целей
7.Открытый интерфейсный стандарт
8.Низкая стоимость

Технология Bluetooth специально разработана для обеспечения дешевой, устойчивой, эффективной, высокоемкой связи, для работы с голосом и передачи данных, со следующими характеристиками:

1.Скорость передачи/приема 1 Мбит/с, при использовании канала с максимально возможной шириной полосы. 2.Быстрые переключения частоты во избежание интерференции.
3.Адаптивная выходная мощность для минимизации помех.
4.Короткие пакеты данных для минимизации мощности во время помех.
5.Быстрое опознавание (подтверждение).
6.CVSD ( Continuous Variable Slope Delta Modulation) голосовое кодирование, которое дает возможность работы с высокими частотами ошибок по битам.
7.Гибкие типы пакетов, поддерживающие широкий спектр приложений.
8.Ненапряженный "бюджет связи", поддерживающий недорогую интеграцию отдельных элементарных сигналов.
9.Интерфейс передачи/приема, специально приспособленный для минимизации энергопотребления.

Эти свойства дают технологии Bluetooth возможность обеспечивать чрезвычайно гибкую связь с высокими скоростями передачи данных даже при наличии серьезных помех. При заведомо хорошем приеме в благоприятных условиях передачи сигнала, по мере усиления помех, падение качества передаваемого сигнала будет оставаться минимальным и постепенным, что дает возможность сохранения стабильной связи.

Bluetooth имеет RF (Radio Frequency) спецификации для передачи голоса и данных на короткие расстояния, " точка-мультиточка". Устройство Bluetooth может передавать сигнал через твердые неметаллические объекты. Его номинальный диапазон составляет от 10 см до 10 м , но может быть расширен до 100 метров путем увеличения мощности передаваемого сигнала (подробнее см. ниже). Этот эффект основан на радиосвязи в коротком диапазоне, он облегчает создание специальных соединений для стационарного и мобильного коммуникационного окружения.

Использование Bluetooth

Понятно, что функциональность данной технологии распространяется далеко за пределы сотовых телефонов. Основным направлением использования Bluetooth станет создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи и холодильники. Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подключения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в получении информации или обладающие необходимой информацией.

Если же обратиться к карманным компьютерам, то тут возможности Bluetooth практически безграничны. Во-первых, беспроводную технологию передачи данных можно использовать для синхронизации ПК и КПК. Теперь для того чтобы скачать последнюю почту на портативный компьютер, пользователю не придется тратить время на подключение карманного ПК: при поддержке Bluetooth в обоих устройствах пользователь может просто запустить необходимые приложения - все остальное будет сделано автоматически.

Однако использование Bluetooth не ограничивается миниатюрными компьютерами и различными модными технологическими устройствами. Чипы также могут использоваться и в бытовой электронике, а это означает, что теперь с карманного ПК или мобильного телефона можно будет дать команду микроволновой печи или видеомагнитофону. Если же говорить о прогрессивных пользователях, то их, несомненно, приведет в восторг тот факт, что, к примеру, цифровые камеры позволят теперь моментально отсылать снимки на карманный ПК, где на них можно будет взглянуть, или же на мобильный телефон, который сразу же отправит нужные кадры по электронной почте. Пользователи же ноутбуков получат возможность работать с принтером или другим периферийным устройством без необходимости кабельного подключения.

На прошедшей в 2000 году выставке Comdex продукты с использованием Bluetooth были представлены на стендах более чем 40 компаний. Сегодня же в консорциум, кроме пяти компаний-основателей, входят такие корпорации, как 3Com, Microsoft, Motorola, Lucent Technologies. Общее число участников Special Interest Group приближается к 2 тыс.

Технология

Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, каковым является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.
Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Технология Bluetooth изначально была предназначена для работы в шумном радиочастотном окружении. Радиомодули Bluetooth избегают помех от других сигналов путем перескока на новую частоту после передачи или приема пакета. По сравнению с другими системами, работающими на той же самой полосе частот, Bluetooth обычно прыгает быстрее и использует более короткие пакеты. Это позволяет избавиться от воздействия микроволновых печей и других источников помех. Использование Forward Error Correction (FEC) ограничивает влияние случайного шума при связи на большие расстояния. Протокол узкополосной передачи Bluetooth является комбинацией принципов коммутации каналов и пакетной коммутации. Тайм-слоты могут быть зарезервированы для синхронных пакетов. Частотный скачок производится для каждого передаваемого пакета.
Номинально пакет покрывает единичный тайм-слот, но может быть расширен для покрытия до пяти слотов. Bluetooth может поддерживать асинхронные каналы данных, до трех синхронных голосовых каналов одновременно или канал, который одновременно поддерживает асинхронную передачу данных и синхронную голосовую связь.

Функциональные составляющие системы Bluetooth:

· радиоустройство
· устройство управления каналом связи
· управление линиями передачи данных
· функции программного обеспечения

Используемые определения

· Пиконет - " пикосеть":
набор устройств, соединенных через технологию Bluetooth специальным способом. Пиконет начинается с двух соединенных устройств, таких как портативный ПК и сотовый телефон, и может разрастаться до восьми соединенных устройств вот почему требуемое адресное пространство ограничено 3 битами). Все устройства Bluetooth являются одноранговыми устройствами и имеют идентичную реализацию. Однако при установке пиконет одно устройство будет действовать как мастер для целей синхронизации, а другое(ие) - как слэйв(ы) для поддержания пиконет-соединения.

· Scatternet - "сеть разброса": Две или более независимых и несинхронизованных сети пиконет, взаимодействующих между собой. Как показано на , устройство-слэйв, так же, как и устройство-мастер в одной сети пиконет могут устанавливать такое соединение, становясь слэйвом в другой сети пиконет.

· Устройство мастер: устройство в пиконет, в котором генерация синхронизирующих импульсов и последовательность скачков используются для синхронизации всех других устройств в пиконет.

· Устройство слэйв: все устройства в пиконет, не являющиеся мастером (до 7 активных устройств на каждое устройство мастер).

· MAC-адрес: 3-битный Media Access Control адрес, используемый для различения устройств, включенных в пиконет.

· Паркованные устройства: устройства в пиконет, которые синхронизованы, но не имеют MAC-адресов.

· Sniff Mode и Hold Mode: устройства, синхронизованные в пиконет и имеющие временно введенные режимы сохранения энергии, в которых активность устройств снижена.

· Ad-hoc network (специальная сеть) - просто сеть, в которой взаимодействия устанавливаются между комплексными станциями в данной области покрытия без использования точки доступа или сервера.
· Link Manager Protocol - сообщения LMP используются для настройки связи, безопасности и управления.

Пользовательские модели

Пользовательские модели описывают, каким образом можно использовать устройства Bluetooth. Для каждой пользовательской модели существует один или более соответствующих профилей, определяющих уровни протоколов и функции, которые должны быть использованы. Приведенное ниже описание - не детальное, и эти сведения нельзя считать полными. Для получения дополнительной информации обратитесь к документации по спецификациям Bluetooth.

Internet Bridge

Пользовательская модель Internet Bridge описывает, каким образом мобильный телефон или беспроводный модем обеспечивает dial-up соединение персонального компьютера без необходимости физического соединения с ПК. Этот сценарий соединения требует использования сети протоколов, состоящей из двух частей - одна для команд AT, для управления процессом передачи необходимых данных с мобильного телефона и других устройств.

Three-in-One

Пользовательская модель Three-in-One Phone описывает, каким образом телефонная трубка может присоединяться к трем разным провайдерам мобильных услуг. Телефон может работать как при беспроводном телефонном соединении с общественной коммутируемой телефонной сетью в домашних условиях, которое оплачивается по фиксированной таксе оператора телефонной связи. Этот сценарий включает осуществление звонков через голосовую базовую станцию и прямых звонков между двумя терминалами через базовую станцию. По другому сценарию телефон может присоединяться напрямую к другим телефонам, работая как "walkie-talkie" или как некоторое расширение телефона - для такого способа никакой дополнительной оплаты не требуется. Наконец, модель Three-in-One Phone может работать как сотовый телефон, присоединяясь к сотовой инфраструктуре. Беспроводный сценарий и сценарий двусторонней связи используют одну и ту же сеть протоколов.

Ultimate Headset

Пользовательская модель Ultimate Headset определяется как беспроводная трубка, оборудованная Bluetooth. Эта модель может работать в условиях удаленного входного и выходного аудио-интерфейса устройства. Этим устройством может быть мобильный телефон или ПК для аудио-входа или выхода. Как и в случае пользовательской модели Internet Bridge, данная модель требует набора протоколов, состоящего из двух частей; одна для команд AT, чтобы управлять передачей необходимых данных, например речи, с мобильного телефона и другого устройства. Команды AT контролируют телефоны применительно, например, к процессу ответа и к прерыванию звонков.

LAN Access

Пользовательская модель LAN Access похожа на пользовательскую модель Internet Bridge. Различие состоит в том, что пользовательская модель LAN Access не использует протоколы для команд AT. Данная пользовательская модель описывает, каким образом терминалы ввода данных используют место доступа LAN в качестве беспроводного соединения с локальной сетью. При установлении соединением терминалы ввода данных работают, как если бы это они были присоединены к LAN через соединение dial-up.

File Transfer

Пользовательская модель File Transfer предлагает возможность передачи данных с одного устройства Bluetooth на другое. В данной пользовательской модели поддерживаются файлы, целые папки, директории и разноформатные потоки данных. Данная модель также предлагает возможность просмотра содержимого папок на удаленном устройстве. Более того, в данной пользовательской модели поддерживаются операции обмена, например, визитными карточками с использованием формата vCard. Модель File Transfer базируется на GOEP.

Synchronisation

Пользовательская модель Synchronisation обеспечивает возможности для автоматической синхронизации между, например, настольным ПК, портативным ПК, мобильным телефоном и ноутбуком. Данная пользовательская модель позволяет производить передачу визитных карточек, списка задач, записей из ежедневника и т.д., и работать далее с этой информацией при помощи компьютера, сотового телефона и КПК, используя обычные протоколы и форматы.

Как работает Bluetooth

Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Bluetooth работает на нелецензируемой во всем мире частоте в 2.45 ГГц (частота ISM, или ′свободная полоса′, зарезервированная для промышленного, научного и медицинского использования) и обеспечивает низкое по стоимости и по энергопотреблению, надежное, защищенное, эффективное и высокоемкое "специальное" сетевое соединение для передачи голоса и данных со скоростью до 1 Мбита/с, в радиусе 10 метров. В отличие от IRDA, Bluetooth не требует прямой видимости, т.е. одно Bluetooth устройство может взаимодействовать с другим через различные препятствия - находясь в кармане, сумке или за углом здания.
При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму, обеспечивается простая интеграция с TCP/IP. Временные интервалы ( тайм-слоты) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала. Энергопотребление устройств Bluetooth должно быть в пределах 0.1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Обеспечиваемые сервисы:

1.Отправка и прием данных
2.Запрос имени. Link Manager может запрашивать и сообщать имя или     идентификационный ключ устройства - длиной до 16 знаков.
3.Запросы адреса связи.
4.Настройка соединения.
5.Аутентификация.
6.Согласование и настройка режима связи, например, данные или данные/голос. Эти настройки могут быть изменены в процессе соединения. Link Manager принимает решение о реальном типе фрейма на попакетной основе.
7.Установка устройства в режим sniff mode. В sniff mode рабочий цикл слэйв-устройства сокращен: оно прослушивает только каждый M слот, где M согласуется в Link manager. Устройство мастер может только начать передачу в указанные промежутки времени.
8.Установка устройства связи в режим hold mode. В режиме hold mode выключение приемника на более длительные периоды времени позволяет экономить энергию.
Любое устройство может снова включиться в связь, со средним временем задержки 4 секунды. Это определяется Link Manager и осуществляется Link Controller.
9.Установка устройства в режим ожидания, когда нет необходимости в его участии в коммуникациях в данный момент, но желательно, чтобы оно оставалось синхронизованным. Устройство периодически включается, чтобы прослушать канал связи для ре-синхронизации с остальной частью пиконет и проверить страничные сообщения.

Аутентификация и безопасность

Часто приходится сталкиваться с мнением, что находящиеся в пределах действия связи Bluetooth-устройства могут просто соединиться и начать обмениваться информацией, которая, возможно, не предназначена для сторонних ушей или глаз. На самом деле автоматический обмен информацией между Bluetooth-устройствами ведется лишь на уровне аппаратного обеспечения, т.е. исключительно для определения самого факта возможности соединения. А вот на уровне приложений пользователь сам решает, ввести или запретить автоматическую установку связи. Таким образом, использование Bluetooth становится не опаснее подключения к интернет, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.
Узкополосная передача Bluetooth обеспечивает механизмы защиты пользователя и информационной безопасности на физическом слое. Аутентификация и кодирование осуществляется в каждом устройстве Bluetooth одним и тем же путем, соответствующим специфике данной пользовательской сети. Соединения могут требовать односторонней или двусторонней аутентификации, либо совсем ее не требовать. Аутентификация основывается на алгоритме отклик-отзыв. Аутентификация является ключевым компонентом любой системы Bluetooth, позволяя пользователю развить между своими собственными устройствами Bluetooth "область доверия" (установить одно- или двусторонние связи, позволяющие осуществлять сквозную аутентификацию), например, пользователь может дать разрешение на взаимодействие своего ноутбука со своим же сотовым телефоном. Кодирование используется для обеспечения безопасности соединения. Bluetooth использует потоковый шифр, хорошо подходящий для реализации в виде ИС с секретным ключом длиной порядка 0, 40 или 64 бит. Управление ключом осуществляется на более высоком слое программного обеспечения.

Ширина полосы Bluetooth

Bluetooth не ставило первоочередной задачей передачу больших объемов данных. WLAN, который также использует стандарт IEEE 802.11, демонстрирует лучшие результаты в этом отношении. Скорость передачи в Bluetooth порядка 720 кбит/с между мастером и любым одним слэйвом. Как можно видеть на рисунке 5, этого достаточно для телефонии, но недостаточно для видеоконференций и радио. Такие сервисы, наряду с видео и телевидением, должны обеспечиваться при помощи других технических средств.