Bluetooth


Bezdrátová komunikace na krátkou vzdálenost

Bluetooth je specifikace bezdrátové komunikace určené zejména pro malou vzdálenost (je to vlastně náhrada hardwarově a softwarově nekompatibilních kabelových řešení). Toto bezdrátové řešení je specifické několika klíčovými vlastnostmi:

- miniaturní velikostí
- nízkou cenou (při vysokých objemech produkce)
- robustním spojením
- krátkým dosahem (standardně 10m)
- malým příkonem (vyplývajícího z tohoto omezeného dosahu)
- automatickou konfigurací (uživatelsky jednoduchá technologie)


Z výše uvedených vlastností vyplývá určení - tato komunikace je vhodná (tak jako kabel) pro spojení mobilních počítačů, mobilních telefonů, PDA, tiskáren, fotoaparátů a dalších přenosných zařízení. Bezdrátový přístup k internetu je dnes základní aplikací pro tuto komunikaci.
Technologie je založena na radiovém spojení v pásmu s generální licencí (2,4GHz). Spojení může přenášet spolehlivě a poměrně rychle jak data, tak i hlasový signál. Současně lze přenášet až tři zvukové kanály, celkové přenosové pásmo je 723kbps a lze ho využít i v poměrně silně zarušeném prostředí. Stejně tak jako většina jiných specifikací, i Bluetooth specifikace zahrnuje jak pravidla pro implementaci rozhraní, tak i pro návrh periferií.


Standard

První návrh byl vypracován firmou Ericsson v r. 1994, specifikace jako taková byla vytvořena v roce 1998 (Rev. 0.7), v prosinci následujícího roku byla vytvořena kompletní definice standardu 1.0. O rok později, v prosinci 2000 byla doplněna řadou změn a byly odstraněny nepřesnosti, vznikla specifikace 1.1. V roce 2003 byla schválena vylepšená specifikace ver. 1.2. Nová specifikace je plně zpětně kompatibilní s 1.1.
Bluetooth Special Interest Group (SIG), organizace zastřešující tvorbu standardu a jeho propagaci (založená roku 1998) provádí i certifikační program pro zajištění kompatibility jednotlivých zařízení. Naše společnost dováží produkty od členů této skupiny, což zaručuje jejich vysokou kompatibilitu.


Specifikace

Spojení probíhá v ISM (Industrial Scientific Medicine) pásmu 2,4 GHz na frekvencích 2400 MHz - 2483,5 MHz. Toto pásmo je definováno jako bezlicenční (s generální licencí) ve většině států (kromě např. Francie, kde je omezený frekvenční rozsah).
Jednotlivá pásma mají šířku 1 MHz (kromě nejvyššího a nejnižšího).


Podle maximálního výstupního výkonu definuje specifikace 3 třídy zařízení:

10 mW (20 dBm) - dosah cca 100m
2,5 mW (4 dBm) - dosah cca 50m
1 mW (0 dBm) standardní specifikace - dosah cca 10m

Všechna zařízení jsou samozřejmě kompatibilní z hlediska spojení, rozdíl je potom jen v maximální vzdálenosti komunikace (a samozřejmě ve spotřebě). Při uváděném dosahu je třeba vzít v úvahu vysokou frekvenci nosného pásma a tedy i odpovídající útlumy při průchodu signálu zdí nebo masivní konstrukcí.

Díky velice nízkým vysílacím výkonům je tato technologie bezpečná a je použitelná i v citlivých provozech (nemocnice...).

Vysílání probíhá v rozprostřeném spektru SSFH (Spread Spectrum Frequency Hoping) na 79 kanálech s 1600 frekvenčními změnami za sekundu. Tato vysoká hodnota zabezpečuje vyšší bezpečnost a vyšší odolnost vůči rušení (pokud dojde např. ke kolizi s DECT paketem, Bluetooth je blokován 1/1600s, DECT 1s).

Pro přenos se používá modulace GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying).

Bluetooth dovoluje přenos:

- asynchronního datového kanálu
- současně až tří synchronních zvukových kanálů
- současně asynchronního datového a synchronního zvukového kanálu

Každý synchronní zvukový kanál má přenosovou rychlost 64 kb/s, asynchronní datový kanál podporuje maximálně 723,2 kb/s v asymetrickém přenosu (současně 56,7 kb/s v opačném směru) nebo 433,9 kb/s symetricky.

Bluetooth systém umožňuje spojení dvou zařízení mezi sebou (point-to-point) nebo jednoho zařízení s více stranami (point-to-multipoint). Přenosový kanál je potom sdílen mezi těmito jednotkami. Soustava dvou a více jednotek, které sdílejí stejný kanál se potom nazývá piconet. V rámci piconetu je jedno zařízení (master) nadřazeno ostatním (slave). V rámci piconetu může být až sedm aktivních podřízených zařízení, navíc další mohou být přiřazena k této síti (k masteru) a zůstávají v pohotovostním režimu (parked state). Přístup ke komunikačnímu kanálu řídí pro všechny jednotky master.

Více sítí piconet, které se vzájemně překrývají, tvoří scatternet. Každá piconet síť obsahuje jeden master, slave však může figurovat ve více sítích současně. Navíc master v jedné síti (piconetu) může být slave v druhé. Každý piconet však používá vlastní kanál.
Komunikačním kanálem je myšleno unikátní schéma sekvence frekvenčních skoků v rámci piconetu. Kanál je dělen na 625us dlouhé time sloty.

Technické řešení

Bluetooth systém se skládá ze 3 komponent

1. Bluetooth radio - vysílač, přijímač, analogová radio elektronika
2. Bluetooth Link Controller - řídí navázání spojení a komunikaci, identifikaci, přístup
3. Bluetooth Link Manager - připravuje data a zaručuje komunikaci se zařízením, kde je Bluetooth modul umístěn

Návrh rádiové části je koncipován jako levné řešení s minimem analogových vysokofrekvenčních součástek,neobsahuje žádné rozměrné a drahé komponenty (filtry, zesilovače). Pro řízení radio přenosu je využit mikroprocesor, který je schopen i slabý a zarušený analogový signál z levného přijímače korigovat a zpracovávat.

Programové řešení

Možné aplikace jsou definovány tzv. profily, které tvoří základní část specifikace. Zajišťují vzájemnou slučitelnost zařízení na nejvyšší sw úrovni. Profily určují způsob komunikace a možné využití Bluetooth zařízení.

Aby zařízení mohla smysluplně komunikovat, musí podporovat obě komunikující strany stejný profil (Sériový, Dial-up, Headset..). Je logické, že například bezdrátový headset bude podporovat Headset profil a bude moci komunikovat s GSM přístrojem podporujícím stejný profil a nebude komunikovat s digitálním fotoaparátem).

Pokud Master po identifikaci zjistí, že Slave nepodporuje požadovaný profil, komunikace není možná (tiskárna nepodporuje Headset profil).



Ve verzi 1.1. je definováno základních 13 profilů, řada z nich je povinných (Generic access):

Generic Access Profile (GAP)
základní procedury připojení, řízení a bezpečnost

Service Discovery Application Profile (SDAP)
rozpoznání služeb a jejich výměna mezi zařízeními

Cordless Telephony Profile
definuje použití BT zařízení jako bezdrátového telefonu

Intercom Profile
profil spojený s předchozím, definuje přímý způsob vzájemné komunikace dvou BT telefonů

Serial Port Profile
definuje nastavení virtuálních sériových portů pomocí BT - klasická náhrada sériového propojení s rychlostí do 128kbps

Headset Profile
definuje komunikaci BT headsetu

Dial-up Networking Profile
definuje propojení přes BT mezi modemem a BT terminálem (notebookem...)
populární pro připojení k internetu přes BT GSM telefony

Fax Profile
obdoba Dial-up Networking Profilu, ale pro faxové spojení

LAN Access Profile
definuje spojení mezi BT terminálovými zařízeními (notebookem, PDA...) a LAN pro následné připojení k internetu (PPP)

Generic Object Exchange Profile (GOEP)
definuje řadu protokolů a procedur pro přenos dat mezi dvěma BT zařízeními (OBEX-standard)
na tomto profilu jsou založeny další modely jako File Transfer a Synchronizace

Object Push Profile
tento profil využívající GOEP je využit k přenosu malých objektů, např. elektronické vizitky

File Transfer Profile
tento profil využívající GOEP je využit k přenosu souborů mezi dvěma BT zařízeními

Synchronization Profile
tento profil využívající GOEP je využit k synchronizaci (kalendář a kontakty) mezi dvěma BT zařízeními

Navíc další specifické profily pro jednotlivá řešeni mohou být implementovány dokud není ustanoven standardní profile. To je případ i tiskového profilu, kde si tento profil WPP (Wireless Printing Profile) vytvořila firma Wireless Solutions (Bluetooth tiskové adaptéry AnyCom). Časem však vznikl SPP (Serial Printing Profile) s částečně omezenými funkcemi, byl však jednodušší pro implementaci např. do mobilních telefonů (Bluetooth tiskové adaptéry AnyCom dnes podporují oba tyto profily).

Po spojení dochází k autorizaci a identifikaci zařízení. První připojení poskytuje možnost detekce blízkých zařízení, rozpoznání a definování vzájemné komunikace (stejné profily).
Další připojení (pro známá zařízení již dříve připojená) umožní automatické rozpoznání a uvolnění funkcí - automaticky / na vyžádání / nikdy. Konkrétní chování závisí na nastavení zařízení.

Nový standard Bluetooth 1.2 z roku 2003 přináší několik výhod

- výrazně eliminuje problémy kompatibility
- definuje rychlejší spojení
- přidává Adaptive Frequency Hopping (AFH) protokol zvyšující odolnost proto interferencím, zarušené-obsazené frekvence jsou vyloučeny z používání zvýšení kvality se týká i hlasových funkcí
- podporuje více současných připojení a není tedy problém telefonovat přes BT headset a současně synchronizovat data s notebookem.

Díky vyřešení interference s WLAN jsou již dostupné nové hardwarové moduly se současnou podporou Bluetooth a WLAN. Problém spočíval v BT a 802.11b Wireless LAN (WLAN) modulu, sdílejícím stejné 2.4GHz radio spektrum.
Zpětná kompatibilita zaručuje, že že např. GSM telefon s Bluetooth 1.1 bude bez problémů pracovat s Bluetooth 1.2 headsetem.

Použití

Bluetooth je dnes využíván na řadu aplikací, nejčastější jsou:

- komunikace s mobilním telefonem (přístup na internet, fax, SMS, správa kontaktů, synchronizace)
- synchronizace PDA s notebookem / desktopem
- bezdrátový tisk na Bluetooth tiskárnu n. tiskárnu s Bluetooth modulem
- headset pro mobilní telefony
- přenos souborů
- síťové aplikace (Access Point pro přístup k internetu...)
- Bluetooth GPS
- Bluetooth myš a klávesnice (HID)

V budoucnu aplikační možnosti závisí víceméně na fantazii vývojářů a integrátorů, mohou to být:

- posílání digitálních fotografií z Bluetooth fotoaparátu přes mobilní telefon
- identifikační systémy (založené na malém dosahu Bluetooth) - bude se možno automaticky identifikovat např. mobilním telefonem
- platební systémy spojené s identifikací (garážová stání)
- automatická záloha dat (přenosný Bluetooth disk)
- automatické nastavení / vypnutí zvonění (v kostele, na koncertu...)
- skryté události přenosu informací (mobilní telefon po přijetí faxu/mailu probudí notebook ze sleep modu, provede přenos a zase ho uspí)

Bluetooth není ve své podstatě bezdrátovou sítí v rámci jejího standardního pojetí. Na to je standard 802.11 a podobné. Přestože i tento způsob provozu je možný, těžištěm je komunikace na menší vzdálenost (náhrada kabelu). Toto směrování technologie je zvoleno zcela záměrně, zabraňuje interferenci zařízení, v určitých aplikacích je vhodná lokalizace jednotky a tento přístup výrazně přispívá k minimální spotřebě, která je jednou z klíčových vlastností technologie. Další velkou výhodou hovořící pro výraznější rozšíření je velmi nízká cena čipů (při vyšší produkci pod 5 USD).

Vzhledem k inteligenci spojení (automatická konfigurace), bezpečné autentikaci (každý přístupový bod má svoje jedinečné číslo) a propracované řadě profilů (komunikačních platforem) má toto bezdrátové připojení velice širokou oblast použití

školní rok : 2004 -2005
Tato stránka je testovací a vznikla pro účely výuky Programování webu v Dreamweaveru MX 2004