Технология Bluetooth

Bluetooth — это одна из современных, наиболее популярных технологий беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом мобильные телефоны, мини-компьютеры, ноутбуки, настольные ПК, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже бытовую технику (холодильники, микроволновые печи, кондиционеры). «Связать» можно любые устройства, лишь бы они были снабжены соответствующим микрочипом. Ну а поскольку технология стандартизована, проблемы с совместимостью аппаратов разных марок возникать не должны.

Происхождение названия
Свое необычное название (англ. «синий зуб») технология Bluetooth получила от скандинавского короля Харальда Блютуса, жившего в X веке и объединившего Данию и Норвегию. 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.

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. 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.

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 2.4465-2.4835 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.

Как работает Bluetooth
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:

Отправка и прием данных (разумеется!)
Запрос имени. Link Manager может запрашивать и сообщать имя или идентификационный ключ устройства - длиной до 16 знаков.
Запросы адреса связи.
Настройка соединения.
Аутентификация.
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.
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.
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.

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.

Конкуренты
У Bluetooth имеются конкуренты, IrDA OBEX и HomeRF. IrDA – технология инфракрасной (также беспроводной) связи. Спецификация HomeRF предназначена для связи бытовых аудио- и видеоустройств и построения домашних радиосетей. Передача данных также осуществляется на частоте 2.4 ГГц, но со скачками 50 раз в секунду. Пропускная способность HomeRF больше, чем у Bluetooth. Правда, количество подключаемых устройств ограничено – 127. Радиус действия – до 50 метров. Поэтому Bluetooth должна обеспечить сервис и средства для серьезной конкуренции.

Перспективы развития технологии
Они у Bluetooth огромны. Ожидается, что эта технология будет совместима с очень многими протоколами и системами. Низкая стоимость, высокая степень защиты, удобство и простота в использовании – очень весомые преимущества стандарта. Использование частоты 2,4 ГГц не требует лицензирования, да и распространение других лицензий на работу с Bluetooth производится за символическую плату. Помимо общедоступности, данная технология обещает стать и общепринятой, так как в ближайшее время мировое промышленное сообщество примет технологию как глобальный стандарт. Такое единство вызвано тем, что гораздо проще и дешевле снабжать все устройства стандартными чипами, нежели разрабатывать компьютеры под разные интерфейсные карты. Дешевизна сетевых адаптеров позволит их встраивать буквально во все средства связи, бытовые приборы, компьютеры и другую оргтехнику.

Удобства для пользователей, которые сулит внедрение технологии, крайне заманчивы и наверняка будут иметь огромную популярность. Скажем, когда вы приходите в офис, ваш карманный компьютер тут же автоматически синхронизируется с настольным ПК, передаются новые контакты на ваш мобильный телефон. Технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей и дверных замков. Только представьте, как ваш холодильник передает на ваш мобильный телефон информацию о том, что в нем закончились определенные виды продуктов, а тот, в свою очередь, пополняет список необходимых покупок на вашем PDA.

При написании статьи были использованы материалы следующих сайтов:
1. http://rix.com.ua/tech/441/404/748.html
2. http://www.nokia-n.org/article6.html
3. http://www.bluetoothshop.ru/bslist2.php?Id=172
4. http://fuflo.com.ua/