Технология блютуз. Интерфейс Bluetooth: разберемся с нюансами

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам общаться, на расстоянии от 1 до 100 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Происхождение названия Bluetooth

Слово Bluetooth - перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Это прозвище носил король Харальд I, правивший в X веке Данией и частью Норвегии и объединивший враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт.

С чего начался Bluetooth?

Первая концепция технологии Bluetooth появилась в небольшом городке Швеции Лунде, в 1994 году, где компания Ericsson решила воздвигнуть там новый камень (своеобразный ритуал) в память о великом человеке. Надпись на этом памятнике гласит (в оригинале - на древнескандинавском языке): «Компания Ericsson Mobile Communications АВ установила этот камень в честь Гаральда Блютуса, который дал свое имя новой беспроводной технологии для мобильных коммуникаций».

Далее, в начале 1998 года, пять крупных компаний - Ericsson, Nokia, IBM, Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая этого же года для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG). Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В настоящее время в SIG входит более трех тысяч компаний, среди которых есть и старые представители, давшие начало развитию данного стандарта, и новые - например, такие гиганты, как Lucent, Microsoft, Motorola и др.

Основные положения технологии Bluetooth

Bluetooth – это, как уже было сказано выше, современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства. Соединить можно все, что соединяется, то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth. Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.

Bluetooth - это маленький чип (рис. 1), представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик.

Рис. 1 Чип Bluetooth

Энергопотребление (мощность передатчика) не должно превышать 10 мВт. Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Как радиотехнология, Bluetooth способен "обходить" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими).

Рис. 2 Bluetooth -чип и спичка рядом

Чип Bluetooth реализован с учетом всех современных тенденций. Размер чипа (рис. 2) - менее одного квадратного сантиметра. Применяемая частота позволяет ограничить потребляемую мощность 1мВт. Подобные характеристики позволяют интегрировать чипы Bluetooth в таких устройствах, как мобильные телефоны и карманные компьютеры.

Принцип работы Bluetooth

Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную - ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка - точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка - много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.

Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов – 140-175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.

Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону 1600 раз в секунду. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.

Рис. 3. Частотно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth

На рис. 3 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трёх Bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приёма.

Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть (рис. 4).

Одно из них, выполняющее функции ведущего устройства, формирует сигналы синхронизации частоты и ее изменения. Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер. Все другие устройства являются ведомыми.

Рис. 4 Пикосеть

Пикосеть является фундаментальной формой коммуникации в технологии Bluetooth. Пикосеть может содержать до 7 активных ведомых устройств. Кроме того, в окрестности (зоне уверенного приема) ведущего устройства могут находиться неактивные ведомые устройства, которые также синхронизированы на общие часы и общую последовательность смены частот, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не активирует их. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Несколько (до 10) независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей, между которыми возможен обмен информацией, могут объединяться в так называемую большую сеть Scatternel. Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет главным в одной и подчиняемым в другой. Таким образом, в пределах отдельной Scatternet может быть одновременно связано максимум 71 устройство.

Структурная схема архитектуры Bluetooth

Рис. 5 Архитектура Bluetooth

Важной частью архитектуры (рис. 5) является Host to Controller интерфейс (HCI), обеспечивающий взаимодействие софтовой подсистемы Host с железной подсистемой Controller. Всё взаимодействие верхних уровней Bluetooth системы с ее аппаратной частью происходит через HCI-команды, инициируемые драйвером.

Основные блоки архитектуры:
RF
Блок Radio занимается преобразованием битовой последовательности в радио сигналы. Вопросы модуляции, спектральных характеристик и физики процессов обеспечения битовой скорости - все это решается на нижнем уровне модели.

Baseband Layer = Link Controller + Baseband Manager + Device Manager
Уровень baseband представлен в виде трех блоков, совместная задача которых состоит в управлении физическими каналами, поверх которых устанавливаются физические соединения. Bluetooth-адресация, синхронизации генераторов устройств, управление кодами доступа к физическим каналам, поиск устройств и установление физического канала между ними - все это задачи Baseband-уровня.

Link Manager

После того, как два нижних уровня обеспечили нас физическим соединением между устройствами, дело становится за организацией логических каналов, которые впоследствии и станут базой для передачи трафика приложений. Link Managerв ответе за установление, изменение и освобождение логических соединений между устройствами, а так же за обновление параметров физических соединений. Для этих целей Link Manager использует Link Management протокол (LMP).

L2CAP Layer = Channel Manager + L2CAP Resource Manager
Это высокоуровневый блок Bluetooth Host, оккупированный L2CAP уровнем. Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) - протокол, работающий поверх созданных логических соединений, обеспечивающий сегментацию и восстановление пакетных данных от всех вышележащих приложений.

Скачков Максим Константинович

Несмотря на то, что технология Bluetooth соединения достаточно старая и пользуется огромным распространением во всем мире, многие все же не знают, как работает Блютуз. При помощи такой связи вы можете обмениваться файлами, играть в совместные игры (к примеру, на телефонах), подключаться периферийное оборудование к ПК, передавать звук на аудиосистему и многое другое.

Но, чтобы знать, как создавать подключения и пользоваться технологией, вам нужно понять принцип работы Bluetooth. Технология достаточно проста и понятна. Более того, она дешевая. Благодаря этому Блютуз связь доступна абсолютно каждому. Каждый телефон, смартфон, планшет и ноутбук имеет встроенный адаптер беспроводной связи.

Что такое Bluetooth: Видео

Принцип работы Bluetooth

Многие задают вопрос, на какой расстоянии действует Bluetooth? Здесь все зависит от версии технологии. Но, прежде чем переходить к зоне покрытия, стоит отметить, что для передачи данных используются передатчики (приемники) весьма малых размеров. Они практически не занимают места.

Благодаря этому адаптер встраивается в самые миниатюрные телефоны. При этом радиус действия Блютуз достигает 10 метров. Если говорить о более новых стандартах, к примеру, Bluetooth 4.0, то радиус действия еще больше, около 100 метров на прямой видимости.

Работает приемник в диапазоне 2.4-2.48 Ггц. То есть это обычная радиосвязь, работающая в Скорость передачи данных в зависимости от версии может варьироваться от 721 Кбс (1.1), до 24 Мбс (3.0 и 4.0). Данная технология позволяет создавать частные сети, объединяя несколько устройств в группы. При этом вы можете не только передавать файлы, но и управлять оборудованием удаленно.

Ответ на вопрос, на каком расстоянии работает Блютуз - до 50 метров при прямой видимости и около 10-20 метров в зданиях. Конечно, производитель утверждает, что, начиная с версии 3.0, радиус действия может достигать 100 метров, но по факту область покрытия как минимум вдвое меньше.

При этом подключение происходить автоматически. Пользователям практически ничего настраивать не нужно. Стоит отметить, что многие современные устройства работают с такой связью. К примеру, наибольшим распространением пользуется беспроводная гарнитура, которую можно подключить к телефону или компьютеру.

Для переключения между частотами для каждого соединения используется псевдослучайная последовательность, которая известна только передатчику и приемнику. Они, в свою очередь, каждые 625 мкс синхронно переключаются с одной частоты на другую. 625 мкс - это один временной слот.

Благодаря такому алгоритму в случае, если рядом работает не одна пара (приемник-передатчик), они не мешают друг другу. Именно поэтому при подключении выполняется синхронизация. Более того, такая особенность позволяет повысить уровень безопасности и защищает систему конфиденциальности информации, которая передается между устройствами.

Как узнать версию Bluetooth: Видео

Как действуют беспроводные Bluetooth наушники

Благодаря широкому распространению беспроводной гарнитуры все чаще встречается вопрос, как работают Блютуз наушники?

Здесь очень просто. Гарнитура синхронизируется с телефоном (или другим источником звука) и воспроизводят получаемый звуковой сигнал. Суть заключается в том, что адаптер преобразует цифровой сигнал в аналоговый и передает его по радиоволнам. В наушниках Bluetooth модуль принимает радиоволны и преобразует их в цифровой сигнал.

Как подключить гарнитуру к телефону? Для этого вы зажимаете кнопку питания на наушниках и держите до тех пор, пока индикатор не начнет мигать синим и красным (цвета могут отличаться в зависимости от модели).

Выбираете нужное устройство и нажимаете «Подключить». После этого устройства синхронизируются.

Одна из устойчивых тенденций развития мобильных устройств - совершенствование средств беспроводных коммуникаций, которые обеспечивают возможность соединения с Интернетом, локальной сетью, а также c различным периферийным оборудованием (наушниками, гарнитурами, акустическими системами, принтерами и т.д.) и другими расположенными поблизости гаджетами. Технологии беспроводной связи, как, впрочем, и других компонентов мобильных устройств, - постоянно развиваются. Появляются новые версии спецификаций, увеличивается пропускная способность, расширяется набор функций и т.д. Благодаря этому обеспечивается качественное развитие, без которого немыслим технический прогресс. Впрочем, у прогресса есть и оборотная сторона: с каждым годом пользователям становится всё сложнее разобраться с тем, в чем же заключается различие разных моделей.

Обычно из краткого описания мобильного устройства можно почерпнуть лишь названия беспроводных интерфейсов, которыми оно оборудовано. В подробной спецификации, как правило, есть дополнительные сведения, в частности версии беспроводных интерфейсов (к примеру, Wi-Fi 802.11b/g/n и Bluetooth 2.1). Однако и этого далеко не всегда достаточно для того, чтобы в полной мере оценить возможности беспроводных коммуникаций рассматриваемого устройства. Например, чтобы понять, будет ли работать то или иное периферийное устройство, подключаемое по Bluetooth, с имеющимся в вашем распоряжении смартфоном или планшетом.

В данной статье мы расскажем о различных нюансах, на которые необходимо обратить внимание при оценке возможностей устройств, оборудованных интерфейсом Bluetooth.

Сфера применения

Беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, получивший название Bluetooth, был разработан в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. Начиная с 1998-го развитием и продвижением данной технологии занимается организация Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), основанная компаниями Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. К настоящему времени список членов Bluetooth SIG включает более 13 тыс. компаний.

Внедрение интерфейса Bluetooth в потребительских устройствах для массового рынка началось в первой половине минувшего десятилетия. В настоящее время встроенными адаптерами Bluetooth оснащаются многие модели портативных ПК и мобильных устройств. Кроме того, в продаже представлен широкий ассортимент периферийных устройств (беспроводных гарнитур, манипуляторов, клавиатур, акустических систем и т.д.), оборудованных этим интерфейсом.

Основной функцией Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Главными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет встраивать его даже в малогабаритные устройства с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования освобождены от выплаты лицензионных отчислений за установку в своих изделиях приемопередатчиков Bluetooth.

Подключение устройств

Посредством интерфейса Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка - точка», во втором - по схеме «точка - многоточка». Независимо от схемы соединения одно из устройств является ведущим (master), остальные - ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств (рис. 1 и 2). Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Рис. 1. Схема пикосети,
объединяющей два устройства

Рис. 2. Схема пикосети,
объединяющей несколько устройств

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (рис. 3). Пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Рис. 3. Схема распределенной сети, включающей три пикосети

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Отметим, что на практике потребность в создании распределенной сети возникает редко. При нынешней степени интеграции аппаратных компонентов сложно представить себе ситуацию, когда владельцу смартфона или планшета потребовалось бы подключить по Bluetooth более двух-трех устройств одновременно.

Радиус действия

В спецификации Bluetooth предусмотрены три класса приемопередатчиков (см. таблицу), различающихся по мощности, а значит, по эффективному радиусу действия. Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройств и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Разумеется, рассчитывать на стабильное беспроводное соединение между устройствами, удаленными на предельное расстояние (например, на 10 м в случае приемопередатчиков Class 2), можно лишь при отсутствии между ними крупногабаритных препятствий (стены, перегородки, двери и т.п.). Реальный радиус действия может варьироваться как в зависимости от особенностей помещения, так и от наличия в эфире радиопомех и источников сильного электромагнитного излучения.

Версии Bluetooth и их различия

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 - в ней исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с - в другую.

Также был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет применения механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. Одним из реализованных в ней новшеств стала энергосберегающая технология Sniff Subrating, позволившая значительно (от трех до десяти раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed (высокая скорость). Ее главное новшество - реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY, обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного (с невысоким энергопотреблением) и высокоскоростного. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в ситуациях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

Базовая спецификация Bluetooth 4.0 была утверждена в июне 2010 года. Ключевая особенность этой версии - применение технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Вопреки распространенному заблуждению, интерфейс Bluetooth 4.0 не обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с версией Bluetooth 3.0 + HS.

Профили Bluetooth

Возможности взаимодействия устройств при подключении по интерфейсу Bluetooth во многом определяются набором профилей, который поддерживает каждое из них. Тот или иной профиль обеспечивает поддержку определенных функций, например передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д. Сведения о некоторых профилях Bluetooth приведены во врезке.

Важно понимать, что задействовать Bluetooth-соединение для выполнения какой­либо задачи можно лишь при поддержке соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению «визитную карточку» или контакт с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и подключаемый к нему компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile).

Нередко возникают ситуации, когда Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, однако выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается. Одной из вероятных причин возникновения подобных проблем может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Таким образом, набор поддерживаемых профилей является важным фактором, который необходимо принимать во внимание при оценке возможностей того или иного устройства. К сожалению, в некоторых моделях мобильных устройств поддерживается минимальный набор профилей (например, только A2DP и HSP), что существенно ограничивает возможности беспроводного подключения к другому оборудованию.

Отметим, что набор поддерживаемых профилей определяется не только спецификой и конструктивными особенностями устройства, но и политикой производителя. Например, в некоторых аппаратах заблокирована возможность передачи файлов определенных форматов (изображения, видеоролики, электронные книги, приложения и т.д.) под предлогом борьбы с пиратством. Правда, на деле от подобных ограничений страдают отнюдь не любители контрафактного медиаконтента и программного обеспечения, а честные пользователи, вынужденные даже собственноручно снятые встроенной камерой фотографии передавать на ПК окольными путями (например, отсылая нужные файлы на собственный адрес электронной почты).

Производители постоянно внушают потребителям, что новые решения безусловно лучше старых. Новые процессоры обладают более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением по сравнению с предшественниками; новые дисплеи имеют более высокое разрешение и широкий цветовой охват и т.д. Однако применять подобный подход для оценки возможностей интерфейса Bluetooth вряд ли целесообразно.

Во­первых, необходимо принимать в расчет особенности уже имеющегося парка Bluetooth-устройств. Ведь, как уже было упомянуто, максимальная скорость передачи данных определяется устройством, оборудованным наиболее старой версией интерфейса. К тому же высокая скорость передачи данных требуется далеко не для всех задач. Если для копирования медиафайлов (звуковых записей, изображений) или трансляции звукового потока с низкой степенью компрессии это действительно важный фактор, то для нормального взаимодействия телефона с беспроводной гарнитурой или для обмена контактами с другим аппаратом вполне хватит возможностей Bluetooth 2.0.

Во­вторых, во многих случаях гораздо более важным фактором, нежели максимальная скорость беспроводного соединения, является набор поддерживаемых профилей Bluetooth. Ведь именно он фактически определяет круг оборудования, с которым способно взаимодействовать имеющееся устройство. К сожалению, эти сведения редко приводятся даже в полной спецификации устройства, и зачастую их приходится искать в тексте руководства по эксплуатации или на форумах пользователей.

Bluetooth: технология и ее применение

…и сказал он: "да воссоединятся все".

Вполне возможно, что именно с этими словами средневекового датского короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) связано его другое прозвище - "объединитель", через 1000 лет ставшее названием нового интерфейса беспроводной связи.

Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.

Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) 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.

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, коим 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.

Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (я еще не встречал корректного русского перевода этого термина, но один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master"ом в одной и slave"ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.

Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.

Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.

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 Интернету, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.

Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.

Основным направлением использования Bluetooth должно стать 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 с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть). 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 подсоединения 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 информации либо обладающие необходимой информацией.

Давайте сравним Bluetooth с другим не менее известным интерфейсом беспроводной связи - IEEE 802.11, тем более что оба решения уже доступны на широком рынке. Основные различия между ними можно свести к следующему:

Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум.

Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.

Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue . Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:

Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.

Характеристики:

• дальность действия - до 10 м,
• скорость передачи - 300-115200 Кбит,
• напряжение питания - 9-30 Вольт.

Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:

Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.

Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.

Есть даже адаптер для Palm V: Palm просто кладется в него, как в стандартную кроватку, после чего можно синхронизироваться с настольным компьютером или выходить в Интернет при помощи мобильного телефона, также снабженного Bluetooth интерфейсом. Данный адаптер питается от батареи самого Palm"а.

На выставке можно было найти даже Bluetooth адаптер для Compact Flash:

Компания Troy XCD представила адаптер для подключения принтера с интерфейсом Centronics к Bluetooth:

Компания обещает выпустить его на рынок в начале лета, примерная стоимость - около 195$.

Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M , представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:

А вот фотография его прототипа в работе:

3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.

Для расширения доступа к серверу могут использоваться малогабаритные точки доступа Red-M 1000AP:

Сервер автоматически определяет и конфигурирует все точки доступа, находящиеся в пределах дальности его действия. Внешние устройства могут быть подсоединены к точке доступа через 10/100 Мбит Ethernet.

Схожую систему представил MiTAC: их Bluetooth Access Point несет на борту 750МГц процессор Transmeta Crusoe TM5400, встроенный NAT и DHCP сервер и, как и предыдущий образец, мощный приемопередатчик дальностью действия до 100 м:

Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:

Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.

Распространенным вариантом является подключение стандартных устройств ввода через Bluetooth, например, вот так:

Sony представила на CeBIT специальный модуль в формате Memory Stick под названием InfoStick:

Очень неплохая идея, особенно учитывая наличие аналогичного устройства для Compact Flash.

Остается только заметить, что лицензирование поддержки Bluetooth бесплатно и необходимо только для заключения соглашения об использовании торговых марок. Так что в скором будущем мы вполне можем ожидать появление Bluetooth в лампочках и утюгах:). А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.

Передача данных посредством Bluetooth осуществляется на частоте 2.4 ГГц. Говоря еще точнее, диапазон работы находится в рамках 2402-2480 ГГц. При этом в большинстве стран мира для передачи данных выделены 79 каналов. Ширина одного такого канала составляет 1 МГц. Данный диапазон используется для гражданских целей.

Принцип работы

Принцип работы Bluetooth заключается в передаче данных посредством быстрой смены частот, которая происходит приблизительно 1600 раз в секунду. Данная схема работы обеспечивает отличную защищенность от помех и предоставляет возможность принимающим сигнал устройствам не мешать друг другу, в следствие смешивания частот. Кроме того, это обеспечивает практически полную безопасность пользователям внутренней сети, т.к. подключиться к принимающим устройствам не представляется возможным. К тому же, маленький радиус действия Bluetooth, не располагает к несанкционированному подключению, с возможностью остаться незамеченным.

Скачкообразное изменение частоты

Смена канала при передаче данных посредством Bluetooth происходит каждые 625 мкс. Эти 625 мкс одновременно являются интервалом времени, за который осуществляется передача данных, которая измеряется в пакетах. При этом, один пакет может быть передан не за один такой интервал, а за несколько. После завершения передачи пакета данных, происходит заранее определенная для каждого устройства смена канала (частоты).
Также, может применяться и адаптивное скачкообразное изменение частоты. Оно необходимо для того, чтобы ограничить передачу данных с устройств определенным количеством каналов. При этом, открывшийся частотный диапазон можно использовать для передачи данных другими устройствами. Таким образом уменьшается риск возникновения частотных помех для устройств пикосети.

Кроме того, необходимость ограничить диапазон частот для передачи данных может быть вызван, запретом использования определенных частотных каналов в ряде стран. К примеру, в некоторых европейских странах, в частности в Испании и Франции, разрешается использовать только 22 частоты, вместо обычных 79.

Основные стандарты Bluetooth

1. Серьезные нововведения были введены в стандарт 2.0. При этом, в нем наблюдалось значительное увеличение скорости передачи данных, что было связанно с поддержкой EDR. Передача данных в стандарте 2.0 была увеличена до 2.0-2.4 Мб/с . А кроме того, 2.0 спецификация серьезно увеличило безопасность и защищенность от возникновения помех.
2. Стандарт 3.0 поразил пользователей невиданной до того скоростью передачи данных, которая увеличилась до 24 Мб/с . Связанно это было в первую очередь с тем, что спецификация 3.0 поддерживала Wi-Fi. Однако, производители предпочитают устанавливать на свои устройства два стандарта, т.к. спецификация 3.0 расходует слишком много энергии.
3. Более специфической является стандарт 4.0, который совместил в себе небольшую скорость передачи данных, хорошую безопасность и невероятно малое расходование энергии, основанное на непостоянной работе передатчика. Устройства, использующие данный стандарт, как правило, применяются для спортивных, медицинских и иных целей, являются миниатюрными и не рассчитаны на большое количество передаваемых данных.

Преимущества Bluetooth 4.0:

1. Совмещает в себе предшествующие протоколы. Поддерживает основные функции предыдущих протоколов.
2. Увеличение скорости.
3. Значительное уменьшение энергопотребления устройства, использующего стандарт 4.0, достигнутое за счет измененного алгоритма работы (передатчик включается только в тот момент, когда происходит передача данных).

Как правило, стандарт 4.0 больше подходит для миниатюрных электронных датчиков. К примеру, для наручных измерителях давления, температуры, для тренажеров, различных миниатюрных устройств с небольшой энергоемкостью.