6000

к.т.н. Архипкин В.Я., Архипкин А.В.

Технология Bluetooth

Москва, 2002 г. 1

Содержание Введение

3

Установка соединения

3

Bluetooth изнутри

6

Безопасность

10

Протоколы и службы

10

Элементная база

16

Внедрение технологии

18

Приложения Bluetooth

19

Конкурирующие технологии

23

Заключение

24

2

Введение Bluetooth - это технология передачи данных по радио на малые (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м) расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии, не требуя прямой видимости. Разработку технологии Bluetooth еще в прошлом тысячелетии (в 1994 г.) начала компания Ericsson Mobile Communications. Первоначальной ее целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и гарнитурами. Кроме того, согласно концепции Ericsson, новый интерфейс предназначался для передачи данных и голосовых сообщений, причем из любой точки мира. В феврале 1998 г. Ericsson совместно с Intel, IBM, Toshiba и Nokia сформировали специальную группу по разработке и продвижению технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Сейчас в нее входит более 3000 различных фирм, в том числе такие крупные, как 3Com, Motorola, Compaq, Dell и Lucent Technologies. Эта технология полностью открыта, а поэтому любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на ее основе. Столь необычное название (“Голубой Зуб”) новая технология получила от английского прозвища датского короля Гарольда (Harold Bluetooth), объединившего в X веке Данию и Норвегию. Нечто подобное создатели Bluetooth планируют сделать с разбросанными в углах дома и офиса электронными устройствами — радиотелефонами, компьютерами, цифровыми камерами и так далее вплоть до кофеварок и холодильников.

Установка соединения Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400–2483,5 МГц ISM-диапазона. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (GFSK). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество 3

подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 1). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал. Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте. Разделение полосы частот на подканалы приведено в таблице 1. Таблица 1 Частота, MГц Диапазон, MГц Число каналов

Страна Европа* и 2400 – 2483,5 США Япония 2471 – 2497 Испания 2445 – 2475 Франция 2446,5 – 2483,5 *Кроме Испании и Франции

f = 2402 + k

k=0–78

f = 2473 + k f = 2449 + k f = 2454 + k

k=0–22 k=0–22 k=0–22

Мощность передатчика делится на три класса, приведенных в таблице 2. Таблица 2 Класс мощности Максимальная выходная мощность 1 100 mW (20 dBm) 2 2.5 mW (4 dBm) 3 1 mW (0 dBm) Протокол Bluetooth поддерживает как соединения типа точка-точка, так и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (мастер), а остальные – как подчиненные. В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных 4

устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии "парковки", оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют “распределенную сеть” (scatternet). В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 1). Таким образом, в распределенную сеть могут объединяться столько Bluetooth устройств, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно, в случае необходимости. Однако, различные пикосети, входящие в одну разпределенную сеть, должны иметь разные каналы связи, то есть работать на различных частотах и иметь различные последовательности частотных скачков. Частотные скачки - это регулярная смена частот, происходящая в определенной последовательности. В спецификации предусматрено 10 вариантов таких последовательностей. В одной пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Последовательность скачков является уникальной для каждой пикосети и определяется адресом и часами ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности – 227 элементов.

5

Рис. 1. Возможные топологии пикосети Bluetooth. Как уже говорилось, автоматическая установка соединения между Bluetooth устройствами находящимися в пределах досягаемости является одной из важнейших особенностей Bluetooth, поэтому первое, с чего начинается работа Bluetooth устройства в незнакомом окружении - это поиск других устройств Bluetooth. Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth устройств, но и от режима в котором находятся эти устройства. На этом этапе устройства могут находиться в трех режимах: 1.Поддающийся обнаружению. Находящиеся в этом режиме устройства всегда отвечают на все полученные ими запросы. 2.Поддающийся обнаружению с ограничениями. В этом режиме находятся устройства которые могут отвечать на запросы только ограниченное время, или должны отвечать только при соблюдении определённых условий. 3.Не поддающийся обнаружению. Находящиеся в этом режиме устройства не отвечают на новые запросы. Если процесс обнаружения устройств прошёл нормально, то новое Bluetooth устройство получает набор адресов доступных Bluetooth устройств, после чего выясняет имена всех доступных Bluetooth устройств из списка. Каждое Bluetooth устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес, но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным. Имя Bluetooth устройства может быть длиной до 248 байт, и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8 (при использовании UCS-2, имя может быть укорочено до 82 символов). Ещё одной из важнейших особенностей Bluetooth является автоматическое подключение Bluetooth устройств к службам, предоставляемым другими Bluetooth устройствами. Поэтому, после того как имеется список имён и адресов, выполняется поиск доступных услуг, предоставляемых различными устройствами. Для поиска возможных услуг используется специальный протокол обнаружения услуг (Service Discovery Protocol - SDP).

Bluetooth изнутри В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени (Time Division Duplexing - TDD). Основное 6

устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство – в четные (рис. 2). Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рис. 3). Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость каждого голосового канала – 64 Кбит/с в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме – до 723,2 Кбит/с в прямом и 57,6 кбит/с в обратном направлениях или до 433,9 Кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме.

Рис. 2. Дуплексная передача с временным разделением Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точкаточка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам – например, голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, подчиненное – до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух – с разными основными устройствами. При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается. При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство 7

отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства. Если в адресном поле ACL-пакета адрес не указан, пакет считается “широковещательным” – его могут принимать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.

Рис. 3. Передача пакетов различной длины Структура пакета Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72 бита, 54-битный заголовок и информационное поле длиной не более 2745 бит (рис. 4). Однако пакеты могут быть различных типов. Так, пакет может состоять только из кода доступа (в этом случае его длина равна 68 битам) или кода доступа и заголовка. Код доступа Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), синхрослово (64 бита) и концевик – 4 бита контрольной суммы.

8

Рис. 4. Структура пакета Bluetooth Заголовок Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей: Адрес (3 бита) - адрес активного элемента; Тип (4 бита) - код типа данных; Поток (1 бит) - управление потоком данных, показывает готовность устройства к приему; ARQ (1 бит) - подтверждение правильного приема; SEQN (1 бит) - служит для определения последовательности пакетов; HEC (8 бит) - контрольная сумма. Полезная информация. Заключительной частью общего формата пакета является полезная информация. В этой части есть два типа полей: поле голоса 9

(синхронное) и поле данных (асинхронное). ACL пакеты имеют только поле данных, а SCO пакеты – только поле голоса. Исключением является пакет данных и голоса (Data Voice - DV), который имеет оба поля. Поле данных состоит из трех сегментов: заголовок полезной информации, тело полезной информации и возможно, CRC код. Заголовок полезной информации (8 бит). Только поля данных имеют заголовок полезной информации. Он определяет логический канал, управление потоком в логических каналах, а также имеет указатель длины полезной информации. Тело полезной информации (0-2721 бит). Тело полезной информации включает пользовательскую информацию. Длина этого сегмента указана в поле длины заголовка полезной информации. CRC (16 бит). От передаваемой информации вычисляется 16-битный циклический избыточный код (CRC), после чего он прикрепляется к информации. Безопасность В зависимости от выполняемых задач, предусмотренно три режима защиты в которых может находиться устройство Bluetooth. 1. Режим защиты 1 - устройство не может самостоятельно инициировать защитные процедуры. 2. Режим защиты 2 - устройство не инициирует защитные процедуры пока не установлено и не настроено соединение. После того как соединение установлено, процедуры защиты обязательны, и определяются типом и требованиями используемых служб. 3. Режим защиты 3 - защитные процедуры инициируются в процессе установления и настройки соединения. Если удалённое устройство не может пройти требований защиты, то соединение не устанавливается.

Протоколы и службы При работе устройств Bluetooth используются специфические протоколы для Bluetooth и общие, используемые в различных телекоммуникационных системах. Все они образуют стек протоколов Bluetooth, который можно условно разделить на четыре слоя (см. таблицу 3). Таблица 3 Протокольный слой Протоколы в стеке Корневые протоколы Baseband, LMP, L2CAP, SDP 10

Протокол замены кабеля Протокол управления телефонией Заимствованные протоколы

RFCOMM TCS binary, AT-команды PPP, UDP/TCP/IP, OBEX, WAP, vCARD, vCAL, IrMC, WAE

Различные приложения могут использовать различные протокольные стеки. Тем не менее, каждый их этих стеков использует передачу данных и физический слой, общий для Bluetooth. Смысл каждого из протоколов, специфических для Bluetooth, может быть объяснен отдельно. Все они были разработаны рабочей группой Bluetooth SIG. Протоколы RFCOMM и бинарный протокол управления телефонией TCS BIN также были разработаны этой группой, но они основаны, соответственно, на стандарте ETSI TS 07.10 и на рекомендации Q.931 Международного союза электросвязи. Помимо этих протокольных слоев спецификация Bluetooth определяет также интерфейс хост-контроллера (HCI — Host Controller Interface), который дает командный интерфейс к baseband-контроллеру, диспетчеру соединений (Link Manager), и доступ к аппаратным регистрам статуса и управления. Три слоя — слой замены кабеля, слой управления телефонией и слой заимствованных протоколов — совместно определяют совокупность протоколов, ориентированных на приложения, которые позволяют прикладным задачам выполняться над корневыми протоколами Bluetooth. Спецификация Bluetooth является открытой и дополнительные протоколы (например, HTTP, FTP и т.д.) могут быть подключены поверх специфических транспортных протоколов Bluetooth или поверх протоколов, ориентированных на приложения. Корневые протоколы Bluetooth требуются для большинства устройств, тогда как остальные протоколы используются только там, где они нужны. Корневые протоколы Bluetooth Baseband Baseband и протокол управления связью (LMP) обеспечивают физическую радиочастотную связь между устройствами Bluetooth, образующими пикосеть. Этот уровень предоставляет два различных 11

способа физического подключения с соответствующими пакетами базовой полосы — синхронным, ориентированным на соеджинение (SCO) и асинхронным без установления соединения (ACL). Здесь же определяется формат пакетов, физические и логические каналы, адресация устройств, процедуры вызова и запроса. Протокол управления связью Протокол управления связью (LMP — Link Manager Protocol) ответственен за установление подключений между устройствами Bluetooth. Сюда же относятся вопросы безопасности, такие как аутентификация и шифрования, связанные генерированием ключей шифрования и подключения, а также с обменом ключами и их проверкой. LMP имеет более высокий приоритет чем остальные протоколы (например L2CAP), поэтому если канал занят чем-либо другим, то при необходимости передать LMP сообщение он немедленно освобождается. Протокол управления логическим подключением и адаптацией Протокол управления логическим подключением и адаптацией (L2CAP — Logical Link Control and Adaptation Protocol) адаптирует протоколы верхнего уровня над Baseband. L2CAP является базовым протоколом передачи данных для Bluetooth. Протокол Baseband позволяет устанавливать SCO и ACL соединения. L2CAP работает только с ACL соединениями. Многие протоколы и службы более высокого уровня используют L2CAP как транспортный протокол. Протокол обнаружения услуг Одним из важнейших протоколов Bluetooth, который использует L2CAP в качестве транспортного протокола, является протокол обнаружения услуг (Service Discovery Protocol – SDP). Используя протокол SDP можно запросить информацию о самом устройстве, о его услугах и о характеристиках этих услуг, а после этого может быть установлено соединение между двумя или несколькими устройствами Bluetooth. Протокол замены кабеля Ещё одним из протоколов которые использует L2CAP в качестве транспортного является, как видно из приведённой выше схемы, RFCOMM. Этот протокол эмулирует соединение PPP (point-to-point) по последовательному порту (RS-232 или EIATIA-232-E, более известным как COM-порты). Он обеспечивает также транспортировку при выполнении услуг верхнего уровня, которые используют 12

последовательную линию как транспортный механизм. Через него работает такие службы как, например, доступ к локальной сети (LAN). Эта служба может работать как эмуляция прямого кабельного соединения, когда надо обеспечить связь между двумя PC, так и использоваться для полноценного входа в уже существующую локальную сеть. Во втором случае используется точка доступа к локальной сети, через которую компьютер Bluetooth оказывается подключен к LAN так, как он мог бы подключиться через dial-up соединение. Управление телефонией Двоичный протокол управления телефонией (TCS Binary или TCS BIN) является бит-ориентированным протоколом. Он определяет контроль сигнализации вызова для установления речевого вызова или вызова данных между устройствами Bluetooth. Кроме того, он определяет процедуры управления мобильностью при манипулировании с группами TCS-приборов Bluetooth. Управление телефонией — команды АТ Bluetooth SIG определила набор АТ-команд, с помощью которых можно управлять мобильным телефоном или модемом в режиме моделей мультииспользования. Команды, используемые при FAX-услугах, специфицируются реализацией. Это могут быть FAX-услуги класса 1.0 и класса 2.0. Voice или Bluetooth audio Voice или Bluetooth audio одна из служб Bluetooth которая использует синхронное соединение. Как уже говорилось, одновременно может передаваться до 3 аудиоканалов. Характеристики звуковых потоков могут различаться, и во многом определяются используемым приложением. Максимально звуковой поток может передаваться с точностью в 16 бит при частоте дискретизации 48 кГц.

Заимствованные протоколы Протокол «точка-точка» В технологии Bluetooth протокол «точка-точка» (Point-to-Point Protocol - PPP) должен работать «поверх» RFCOMM. Соединения PPP служат средством, позволяющим перемещать IP-пакеты с уровня РРР на уровень локальных сетей. 13

Протокол TCP/UDP/IP В настоящее время семейство протоколов TCP/IP используется наиболее широко во всем мире. Стеки TCP/IP установлены на самых разных устройствах. Встраивание этих стандартов в приборы Bluetooth позволяет осуществлять связь с любым другим устройством, подключенным к Internet. Такой прибор Bluetooth, будь то гарнитура для сотового телефона или точка доступа к данным, используется затем как «мост» к Internet. TCP/IP/PPP используется во всех сценариях спецификации Bluetooth 1.1 как «мост» к Internet, а также как транспортный механизм для протокола WAP. Протокол OBEX Протокол IrOBEX (Infrared Object Exchange Protocol) или, сокращенно, OBEX, является сеансовым протоколом, разработанным ассоциацией IrDA для простого, поэтапного обмена объектами. OBEX, обеспечивающий функциональность, сходную с НТТР, использует модель клиента-сервера, не зависит ни от транспортного механизма, ни от транспортного API-интерфейса. Наряду с самим протоколом — «грамматикой» для ОВЕХ-переговоров между устройствами — ОВЕХ дает также модель для представления объектов и операций. Вдобавок ОВЕХ определяет оглавление папок, которое используется для просмотра содержимого папок, находящихся на удаленных устройствах. Формат содержимого Форматы vCard (обмен электронными визитными карточками) и vCalendar (обмен электронными календарными данными) являются открытыми спецификациями, которые были разработаны консорциумом Versit и контролируются сегодня консорциумом Internet Mail. Сами по себе vCard и vCalendar не определяют никакого транспортного механизма. Они определяют только форматы данных, которые должны транспортироваться. Два других формата содержимого, которые передаются протоколом OBEX, — это форматы vMessage («сообщение») и vNote («заметка»). Они также являются открытыми стандартами и используются для обмена сообщениями и замечаниями. Они определены в спецификации Инфракрасных мобильных коммуникаций (IrMC — Infrared Mobile Communications). Там же определен формат журнальных файлов, который необходим для синхронизации данных между отдельными приборами. 14

Протокол беспроводных приложений Протокол беспроводных приложений (WAP — Wireless Application Protocol), разработанный Форумом WAP, должен работать в самых разнообразных беспроводных сетях. Цель состоит в том, чтобы распространить содержимое сети Internet и ее телефонные услуги на цифровые сотовые телефоны и на другие беспроводные терминалы Идея, стоящая за разработкой WAP, — повторно использовать приложения верхнего уровня, разработанные для среды WAE (WAP Application Environment). К таким приложениям относятся браузеры WML и WTA, способные взаимодействовать с приложениями на ПК. Построение шлюзов для приложений, обеспечивающих связь между WAP-серверами и приложениями на ПК позволяет реализовать различные виды «скрытой» функциональности, такие как дистанционное управление, передача данных с ПК на телефон и т.д. Профили Специальная рабочая группа Bluetooth SIG определила различные модели использования, каждая из которых сопровождается профилем. Профили определяют протоколы и функции, которые поддерживают определенные модели использования. Если устройства от различных производителей соответствуют одному профилю, определенному в спецификации Bluetooth, они смогут взаимодействовать. Четыре общих профиля применяются для различных моделей использования. Это профиль общего доступа, профиль последовательного порта, профиль приложения обнаружения услуг и профиль общего обмена объектами. Остальные профили применяются непосредственно для определенных моделей использования. 1. Профиль общего доступа. Это основной профиль Bluetooth, отвечающий за поддержание связи между устройствами, выявление других доступных профилей, а также за безопасность. Этот профиль должен быть включен во все устройства Bluetooth, однако сам по себе он недостаточен ни для одного полезного приложения. В него входят функции, необходимые для работы всех основных протоколов Bluetooth. 2. Профиль приложения обнаружения услуг дает пользователю возможность непосредственно обращаться к SDP для того, чтобы определять, какие услуги Bluetooth доступны при работе с данным 15

устройством. SDP входит в число основных протоколов, однако без этого дополнительного профиля доступ к нему открыт только для приложений, но не для пользователей. 3. Профиль беспроводной телефонии предназначен для устройств, называемых в терминологии SIG телефонами «три в одном», т. е. для сотовых телефонов с микросхемой Bluetooth, позволяющей использовать телефон в качестве беспроводной «трубки». Через точку доступа Bluetooth он подсоединяется к телефонной сети в доме, офисе и даже в общественных местах, таких, как залы ожидания в аэропортах, снижая трафик сотовой связи и обеспечивая тем самым определенную экономию. 4. Профиль внутренней связи. Этот профиль, также базирующийся на протоколе TCS, обеспечивает двустороннюю голосовую связь между устройствами Bluetooth. Он проще предыдущего профиля, так как рассчитан на прямое взаимодействие двух устройств, расположенных в зоне взаимной досягаемости, а не на звонки, требующие маршрутизации по телефонной сети общего пользования или Internet. 5. Профиль последовательного порта позволяет устройствам Bluetooth эмулировать последовательный порт ПК при помощи протокола RFCOMM. Он обеспечивает эмуляцию интерфейса RS-232 либо более нового интерфейса USB и используется многими профилями более высокого уровня. 6. Профиль гарнитуры определяет способ, посредством которого Bluetooth обеспечивает беспроводное соединение устройства с гарнитурой, оснащенной динамиками и, возможно, микрофоном. Так как этот профиль рассчитан не только на поддержку связи с мобильными телефонами, но и с ПК, MP3-плейерами и другими устройствами, он остается единственным до сих пор профилем, где используются команды AT, первоначально разработанные для управления модемами. 7. Профиль коммутируемого выхода на сеть предназначен для компьютеров, связывающихся с сетью Internet через сотовый телефон. Этот профиль включает в себя профиль последовательного порта и протокол PPP, используемый стандартными модемами для передачи IP по телефонной линии. 8. Профиль факса. Этот профиль во многом похож на предыдущий. Он позволяет мобильному телефону эмулировать факс-модем при соединении через Bluetooth с ноутбуком, имеющим программное обеспечение поддержки факса. Подобно предыдущему протоколу, он использует PPP и профиль последовательного порта. 16

9. Профиль доступа к локальной сети предназначен для создания IP-сетей и позволяет создавать небольшие беспроводные сети Intranet, объединяющие ПК или смарт-телефоны. Он также используется точками доступа для связи с кабельными сетями, будь то локальные сети или Internet. Хотя большинство точек доступа будет базироваться на Ethernet, все они действуют как IPмаршрутизаторы, так что теоретически они могут использовать и другие стандарты второго уровня, например Token Ring или SONET. 10. Профиль общего обмена объектами определяет, каким образом Bluetooth использует протокол OBEX, клиент-серверный протокол, заимствованный у IrDA. Он позволяет приложениям обмениваться данными непосредственно, без использования IP. 11. Профиль помещения объекта в стек управляет обменом электронными визитками в формате vCard, многим пользователям ПК и Palm он знаком как формат файлов *.vcf. Эти визитки содержат ту же информацию, что и традиционные, но при этом они могут быть автоматически занесены в личную информационную систему (Personal Information Manager - PIM) или в базу данных. 12. Профиль передачи файла позволяет устройству получать доступ к данным, хранящимся на другом устройстве, аналогично тому, как это делается в ftp. Помимо связывания двух устройств друг с другом приложения этого профиля могут выполнять сканирование или печать. 13. Профиль синхронизации обеспечивает синхронизацию данных, хранящихся на различных устройствах. Синхронизация может быть автоматизирована, так что компьютер будет автоматически синхронизировать данные с мобильным телефоном или устройством PDA, когда те находятся в пределах его зоны действия.

Элементная база Bluetooth Одно из необходимых условий успеха технологии Bluetooth – недорогая программно-аппаратная реализация. Это тем более важно, что для многих устройств беспроводное соединение – это фактически дополнительная, хотя и важная функция. И стоить она должна соответственно. Однако в случае успеха объем потенциального рынка весьма соблазнителен. И ведущие мировые производители интегральных компонентов не замедлили сделать ставки. Причем столь резво, что выявить лидера крайне затруднительно, поскольку о своем первенстве заявляют многие. 17

Рис. 5. Структура устройства Bluetooth Столь быстрому старту немало способствовала простота структуры устройств Bluetooth (рис. 5). В их состав входят радиомодульприемопередатчик, контроллер связи (он же baseband - процессор) и управляющее связью устройство, собственно реализующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Причем если приемопередатчик и контроллер связи (в первых чипсетах для Bluetooth) – это специализированные микросхемы (интегральные или гибридные), то устройство управления связью реализуют на стандартных микроконтроллерах, сигнальных процессорах либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терминальных устройств (например, ноутбуков). Кроме того, в устройствах Bluetooth применяют ИС, используемые в других приложениях, поскольку диапазон 2.4 МГц освоен достаточно хорошо, а заложенные в Bluetooth технические решения сами по себе особой новизны не содержат. В самом деле, схема модуляции – широко распространенная, технология расширения спектра методом частотных скачков хорошо отработана, мощность мала. Развитие технологии Bluetooth в России идет по трем направлениям: - Дистрибьюция элементной базы от известных фирм производителей. - Инженерная интеграция, заключающаяся в создании конкретных технических систем на основе модулей Bluetooth. - Разработка элементной базы Bluetooth Основными дистрибьюторами компонентов Bluetooth в России являются фирмы: МЭЙ (Москва) – элементная база от фирмы Philips (www.may.ru). ПетроИнТрейд (С.-Петербург) – компоненты от фирмы Ericsson (www.pit.spb.ru). Инженерная интеграция, вызвавшая большой интерес, сдерживается на современном этапе недостаточным информационным 18

обеспечением и «сыростью» технических решений (особенно для радио блока). Разработка элементной базы для Bluetooth ведется в направлении создания как одночиповых модулей (baseband-контроллер + приемопередатчик), так и раздельных блоков. Примером тому служат baseband-контроллер PCD87751(52) и приемопередатчик UAA3558(59) от фирмы Philips или совмещенный модуль ROK 101 008 от фирмы Ericsson. Использование той или иной концепции построения вызывает много дискуссий, которые основаны как на технических аспектах, так и пользовательских, и на взгляд авторов, должны определяться кругом решаемых задач. Для проектирования модулей Bluetooth необходима, развитая технологическая база, включающая в себя современный САПР, проектно-технологическую базу данных (Design-Kit) фирмы изготовителя, состоящую из набора программных средств, библиотеки стандартных элементов и т.д. В настоящее время элементы baseband-контроллеров Bluetooth в основном разрабатываются и изготавливаются на базе ARMподобных процессоров (ARM7 TDM1) по субмикронной технологии с проектными нормами 0.13 мкм или 0.18 мкм. В России таких технологий нет. В тоже время, проведя тщательный анализ спецификации Bluetooth, в компании Kedah Electronics Engineering (KEE) спроектирован baseband-модуль, для реализации которого достаточно 0.8 мкм технологических норм. Реализация такого модуля возможна на отечественных предприятиях электронной промышленности (например, завод “Ангстрем” и завод “Микрон”). Используя отечественные схемотехнические решения и дешевую отечественную технологию можно изготавливать конкурентно способный по цене baseband-модуль Bluetooth в самое ближайшее время. Изготовление радио модуля Bluetooth потребует не хуже чем 0.25 мкм технологических норм и для современной России представляется проблемной задачей. В компании Kedah Electronics Engineering (www.kedah.ru) завершены тестовые испытания baseband-модуля отечественной разработки. На базе этого модуля разработана телефонная трубка, в которой реализован профиль беспроводной телефонии и профиль передачи файлов.

Внедрение технологии 19

Для того чтобы воспользоваться преимуществом технологии Bluetooth необязательно покупать новые устройства. Например, можно оснастить ноутбук беспроводной технологией Bluetooth, просто купив соответствующий Bluetooth-модуль. Модуль Bluetooth может быть выполнен в виде дополнительного внешнего устройства, подключаемого через USB-порт. Подобное решение позволяет производить соединение не с одним устройством, а со многими сразу. Кроме того, можно использовать модуль Bluetooth на PC-карте (рис.7). Различными фирмами производиться широкий спектр Bluetooth адаптеров для настольных компьютеров, PDA, ноутбуков и принтеров (рис. 8).

Рис. 7. PC-карта Bluetooth от компании 3Com.

Рис. 8. Комплект для беспроводной печати Bluetooth Printing Kit от компании 3Com: USB-адаптер для настольного компьютера или ноутбука и

Приложения Bluetooth Сегодня нам просто необходима мобильная связь как на работе, так и дома. Бизнес по всему миру стал по-новому относиться к рабочей среде: теперь это и самолеты, автомобили, домашние офисы, отели. Возникла острая необходимость доступа к данным вдали от офиса, поддержки нового класса мобильных сотрудников, которые могут обращаться к информации в любое время в любой точке планеты. Беспроводная технология Bluetooth помогает решать целый ряд проблем и имеет широкий спектр приложений: Прозрачная синхронизация Благодаря малым размерам, весу и скромным требования к энергии растет популярность карманных 20

компьютеров. Раньше для связи с ними требовалось физическое или инфракрасное соединение. Bluetooth не требует кабельного соединения устройств или прямой видимости ИК-приемника. Синхронизация данных происходит просто в радиусе 10-100 метров от Вашего компьютера, PDA или мобильного телефона (рис. 9). Рисунок 9. Подключение к сетям через точки доступа Bluetooth Точки доступа Bluetooth – это мост между проводной сетью и мобильными устройствами Bluetooth (рис. 11). В радиусе такой точки доступа любое устройство Bluetooth может подключиться к ресурсам обычной сети, включая сетевые серверы, принтеры, электронную почту и Интернет (рис. 10). Это позволяет прозрачно интегрировать персональные устройства в корпоративную сеть: синхронизация с сетевой информацией будет осуществляться мгновенно, незаметно и автоматически. Эта модель использования особенно эффективно работает при доступе к базам данных в медицинских учреждениях, торговых залах, корпоративных офисах.

Рисунок 10.

21

Рисунок 11. Концентратор доступа 3000AS и точка доступа 1000AP для сетей Bluetooth от компании Red-M. Случайный доступ В режиме опознавания устройства Bluetooth могут устанавливать динамичные временные соединения. Если разные пользователи разрешат такую связь, их 2-8 устройств смогут взаимодействовать, формируя произвольную персональную сеть (PAN). Для установления сеанса между неизвестными устройствами из разных PAN необходимо вмешательство пользователей. Это может происходить, например, для обмена электронными визитками на выставках и конференциях. Доступ в корпоративную сеть и Интернет в пути Для подключения к вычислительным системам предприятия по беспроводным соединениям мобильным сотрудникам обычно предоставляется переносной компьютер, мобильный телефон и кабель для их соединения - это стандартное оборудование в сегодняшнем беспроводном мире. Если же связующий кабель потерян или разорван, подключиться к сети не удастся. Устройства Bluetooth освобождают мобильных пользователей от этих проблем, поскольку они автоматический связываются по безопасному беспроводному радиоканалу: пользователи могут отправлять электронные письма, просматривать Интернет и обращаться в корпоративную сеть.

22

Беспроводная связь с периферийными устройствами Мобильные сотрудники зачастую оснащают свои ноутбуки мышью и клавиатурой для удобства работы в офисе. Большинство ноутбуков оснащены стандартным портом для подключения мыши, но иногда требуют применения дорогостоящих повторителей клавиатурного порта. Bluetooth не требует физического подключения мыши и клавиатуры: беспроводный радиоканал связывает их с компьютером автоматически (рис. 12). Так что Bluetooth обеспечивает гибкую и экономичную связь между устройствами. Только представьте себе удобство беспроводного обмена данными с другой периферией типа принтеров, сканеров и факсов.

Рисунок 12. Использование беспроводной мыши от компании Logitech.

Беспроводное совместное использование информации Bluetooth упрощает совместное использование информации. Представьте себе, насколько удобно провести презентацию, не подключая видеокабели к проектору или даже напрямую передавать ее на портативные компьютеры Ваших слушателей по беспроводному каналу связи. Цифровые камеры Bluetooth (рис. 13) могут передавать отснятые фотографии на ноутбук для хранения и монтажа, или же на принтер для распечатки. А с помощью мобильного телефона Bluetooth можно отправить фотографии из любого места за границей.

23

Рисунок 13. Цифровая камера Sony беспроводной технологией Bluetooth.

DSC-FX77,

оснащенная

Беспроводные гарнитуры и системы handsfree Различные виды телефонных гарнитур и систем handsfree обеспечаают пользователю мобильность и удобство, а водителю позволяют не отвлекаться от дороги при входящих и исходящих вызовах. Фирмой Sony-Ericsson создана система Bluetooth Car Handsfree HCB-30 (рис. 14), которая автоматически распознает мобильный телефон и взаимодействует с большинством автомобильных аудиосистем. Во время входящего звонка система выключает звук автомагнитолы, и голос звонящего транслируется через автомобильные колонки. Для исходящих вызовов может использоваться голосовой набор. Так как все изделия Bluetooth совместимы между собой, они могут подбираться для использования в автомобиле, независимо от модели, марки, производителя и операционной системы. Рисунок 14. Система Bluetooth Car Handsfree HCB-30. Системы оплаты С использованием беспроводной технологии Bluetooth возможно беспроводное соединение мобильных телефонов и других видов портативных устройств например, с бензонасосом, что позволяет заказывать необходимое количество бензина определенной марки. При этом стоимость бензина автоматически снимается со счета кредитной карты через телефон покупателя. Беспроводная технология Bluetooth может быть использована подобным образом для оплаты проезда по железной дороге, на метро, на других видах общественного транспорта; при покупке товаров в супермаркете, билетов в кинотеатр, проходе на выставку, в музей, оплаты за парковку. При этом экономится время покупателей.

Организация видеоконференций При использовании беспроводной технологии Bluetooth организация видеоконференций сильно упрощается, так как отпадает потребность в установке и коммутации специального оборудования. Устройства 24

Bluetooth автоматически обнаруживают друг друга и устанавливают беспроводное соединение.

Конкурирующие технологии IrDA Достаточно широко распространенная технология IrDA обеспечивает беспроводное соединение между двумя устройствами, такими как мобильные телефоны, КПК и ПК с помощью инфракрасного излучения. Однако большое число модификаций, сделанных различными компаниями, несовместимы между собой. Преимущества IrDA - скорость передачи данных (4 Мбит/с) - выше, чем у Bluetooth (1 Мбит/с), устройства на ее основе стоят меньше. Серьезные недостатки - малая дальность передачи данных (1 м), а также то, что порты устройств должны находиться в зоне прямой видимости друг друга. IEEE 802.11b Сильный конкурент Bluetooth - приложения, поддерживающие стандарт IEEE 802.11b. Некоторые из них также используют скачкообразное изменение частоты при передаче данных. Но есть и некоторые отличия. • Приложения, поддерживающие IEEE 802.11b, обеспечивают более высокую скорость (до 11 Мбит/с) и большую дальность передачи данных (90 м); • системы IEEE 802.11b рассчитаны на большее число участников сети (до 127); • размеры модулей Bluetooth меньше и они дешевле; • потребляемая мощность устройств Bluetooth намного меньше, чем устройств IEEE 802.11b • скорость смены частотных каналов у Bluetooth гораздо выше (1600 против 2,5 раз в секунду у IEEE 802.11b). HomeRF Эта технология для создания домашних сетей разработана консорциумом, включающим такие крупные компании, как Microsoft, Intel, HP, Motorola и Compaq. Она работает на тех же частотах, что и Bluetooth, с которой имеет много общего (в частности, цену модулей, потребляемую устройствами мощность). Различия заключаются в максимальном числе узлов в сети (8 у Bluetooth против 127 у HomeRF) и скорости изменения частоты (50 с-1 против 1600 с-1 соответственно).

25

Характерные приложения конкурирующих технологий приведены в таблице 4.

Технология Bluetooth

Infrared

HomeRF

IEEE 802.11

Таблица 4. Характеристики Устранение проводов, связь между устройствами для передачи голоса и данных, организация PAN, управление удаленными устройствами, мобильная электронная коммерция Устранение проводов, высокоскоростная передача файлов между устройствами, управление локальными устройствами Устранение проводов, обмен данными между компьютерами и периферийными устройствами в доме или небольшом офисе Устранение проводов, обмен данными между компьютерами и периферийными устройствами в корпоративных офисах

Заключение Технология Bluetooth стремительно развивается. Специальная рабочая группа Bluetooth SIG параллельно работает над двумя новыми версиями стандарта: Bluetooth v1.2, который появится в первой половине 2003 года и будет обеспечивать скорость передачи данных 2 и 3 Мбит/c, и Bluetooth v2.0. В этом стандарте скорость передачи увеличится до 4, 8 и 12 Мбит/с. Выход спецификации Bluetooth v2.0 произойдет не раньше 2004 года. Однако, новые версии стандарта призваны не заменить существующий стандарт Bluetooth v1.1, а дополнить, расширить его возможности. В России к технологии Bluetooth проявляется огромный интерес. Наиболее перспективными являются те области промышленности и народного хозяйства, где требуется сбор и обработка большого количества одновременно измеряемых параметров, например, 26

нефтепромыслы, металлургические заводы, жилищно-коммунальное хозяйство и так далее. Все говорит о том, что у беспроводной технологии Bluetooth большое будущее. Ее интеграция с Интернетом может стать качественно новым этапом в развитии всемирной сетевой инфраструктуры. Причина этого – в совокупности достоинств технологии, главные из которых: • сравнительно небольшой радиус действия, при малой мощности передатчика и низкой потребляемой мощности; • высокая устойчивость к интермодуляционным помехам и отсутствие влияния устройств Bluetooth на обычную бытовую электронику; • низкая стоимость – менее 30 долларов за устройство с последующей тенденцией к снижению до 10 долларов и ниже. Архипкин Владимир Яковлевич Архипкин Андрей Владимирович

[email protected] [email protected]

© 2002 Архипкин В.Я., Архипкин А.В.

27