Связь сокращает расстояния!


Радиоинтерфейс обмена данными Bluetooth
Тема: Технологии Дата:  5.2.04

Радиоинтерфейс обмена данными Bluetooth


  С английского термин Bluetooth дословно переводится как "Голубой зуб". По преданию таково было прозвище короля викингов Харальда II, жившего в X веке и прославившегося как человек, объединивший Данию. В честь этой исторической личности и была названа современная технология, которая, по замыслу ее создателей, должна объединять самые различные устройства: от персональных компьютеров и мобильных телефонов до бытовых приборов.

История

  Несмотря на максимальную современность технологии, история развития Bluetooth насчитывает уже около семи лет, и началась она в 1994 году. Именно тогда инженеры исследовательского центра компании Ericsson в городе Лунд (Швеция) начали заниматься решением проблем, связанных с организацией соединений между сотовым телефоном и периферийными устройствами. В результате проведенных исследований была предложена технология маломощного и дешевого радиоинтерфейса, которая выдвигалась в качестве альтернативы традиционным соединительным кабелям.
  После того, как новая идея была в самых общих чертах сформулирована, в начале 1998 года по инициативе компании Ericsson и с участием IBM, Intel, Nokia и Toshiba был образован консорциум для проведения работ по созданию новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая того же года союзники объявили о формировании специальной рабочей группы (Special Interest Group - SIG) для разработки, унификации и продвижения технологии Bluetooth на рынок. При этом любая компания, которая планирует разрабатывать устройства и программное обеспечение на основе спецификаций Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. Важным здесь является то, что, просто подписав соответствующее соглашение, компания становится членом сообщества Bluetooth и получает бесплатную лицензию на производство изделий, а также возможность доступа к спецификациям Bluetooth. В результате такой политики, в последующие годы состав SIG непрерывно увеличивался, и сейчас в нее входят уже более 2000 компаний, включая таких гигантов компьютерного и телекоммуникационного рынка как 3Com, Compaq, Dell, Lucent Technologies, Microsoft, Motorola, Qualcomm, а также многие и многие другие компании самых различных направлений из таких, например, отраслей как автомобильная промышленность, автоматизация производства, индустрия бытовой электроники и домашней техники и др.
  Сам факт объединения столь беспрецедентно большого числа компаний уже является уникальным и позволяет говорить о технологии беспроводной связи Bluetooth как о самом быстро развивающемся коммуникационном стандарте "де-факто" из когда-либо существовавших.
  За время своего существования Bluetooth SIG было подготовлено и в декабре 1999 года опубликовано первое описание новой технологии. При этом, однако, сразу было объявлено, что созданный вариант стандарта Bluetooth 1.0 не является окончательным, и финальная спецификация должна выйти только через три года после дополнительных проверок и доработок.
  Спустя год после выпуска первого варианта стандарта группа SIG опубликовала версию 1.1 спецификации Bluetooth и одновременно объявила о проведении работ по разработке проекта "высокоскоростных" версий Bluetooth, предусматривающих передачу информации со скоростями до 20 Мбит/с. В марте 2002 года Палата стандартов IEEE-SA одобрила новый стандарт беспроводных коммуникаций, получивший обозначение IEEE 802.15.1 и созданный на основе спецификации Bluetooth 1.1.
  Контроль соблюдения требований стандартов членами SIG возлагается на специальные уполномоченные центры и проводится путем проверки соответствия параметров Bluetooth- интерфейсов различных производителей и тестирования их фактической совместимости с другими устройствами.

Характеристики Bluetooth

  Как уже было сказано, технология беспроводной связи Bluetooth представляет собой недорогой радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей (Personal Area Networking - PAN), обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Другими словами, Bluetooth позволяет связывать друг с другом любые электронные устройства, используя для этого специальные небольшие приемопередатчики, либо непосредственно встроенные в эти устройства, либо подключаемые к ним через свободный порт или PC-карту, и избавляет пользователей от необходимости применять для этих целей соединительные кабели.
  Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, (т. е. примерно в границах одной комнаты), однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона - около 100 м - для покрытия стандартного дома. При этом для Bluetooth нет необходимости в том, чтобы соединяемые устройства находились в зоне прямой видимости друг друга и их даже могут разделять "радиопрозрачные" препятствия (стены, мебель и т. п.), а к тому же приборы могут находиться в движении.
  Для работы радиоинтерфейса Bluetooth используется так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical), предназначенный для работы промышленных, научных и медицинских приборов. Особенностью данного диапазона является то, что почти во всех странах мира (включая Россию), он свободен от лицензирования, т. е. для использования сертифицированного передающего оборудования, работающего на этих частотах, не требуется получение дополнительного разрешения.
  Радиоканал обладает полной пропускной способностью в 1 Мбит/с, что обеспечивает создание асимметричного канала передачи данных на скоростях 723,3/57,6 кбит/с или полнодуплексного канала на скорости 433,9 кбит/с. Если данные не передаются, то через Bluetooth-соединение можно передавать до 3 дуплексных аудиоканалов по 64 кбит/с в каждом направлении. Возможна также и комбинированная передача, данных и звука.
  В части организации обмена данными Bluetooth соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону со скоростью 1600 переключений в секунду в полосе 2400-2483,5 МГц.
  Выбор подобного режима работы радиоканала был сделан не случайно - он позволяет решить сразу несколько проблем, и, прежде всего это относится к взаимным помехам с другими устройствами. Дело в том, что в диапазоне частот, выбранном для Bluetooth, уже функционирует большое количество самых различных промышленных, медицинских и бытовых устройств, включая микроволновые печи, автомобильные сигнализации и устройства для открывания дверей гаража, коммерческие системы передачи данных и беспроводные локальные сети в стандарте IEEE 802.11. Так как использование всех этих устройств разрешено на безлицензионной основе (а значит и без выполнения соответствующего частотного и территориального планирования их размещения), то выбор любой фиксированной частоты неизбежно рано или поздно приводил бы к "частотному конфликту" с другими устройствами и невозможности работы из-за взаимных радиопомех. Использование же метода быстрой смены частот приводит тому, что поражение отдельных частот помехами будет приводить к потерям только небольших фрагментов данных, которые могут быть легко восстановлены путем применения помехозащищенного кодирования. Кроме этого, смена частот по псевдослучайному закону снижает влияние интерференционных замираний сигналов за счет переотражений от окружающих предметов, а также затрудняет перехват передаваемой информации.

Принципы взаимодействия устройств

  Bluetooth работает как многоточечный радиоканал, управляемый, аналогично сотовой связи GSM, многоуровневым протоколом.
  Топология локальной радиосети организована по принципу множественных пикосетей (piconet), взаимодействующих между собой по стандартному радиоканалу. При этом в пикосетях устройства Bluetooth взаимодействуют по методу "ведущий - ведомые". Статус "ведущий" (master) всегда имеет наиболее мощное устройство, устанавливающее соединения с несколькими другими, которое и координирует посылку и прием данных в рамках образованной пикосети. Число активных (активно обменивающихся данными) "ведомых" (slaves) устройств в пикосети может доходить до 7. Кроме активных "ведомых" может существовать и множество неактивных устройств, которые не могут обмениваться данными с "ведущим", пока заняты все каналы, но, тем не менее, остаются синхронизированы с ним. Если в радиусе действия "ведущего" оказывается более 7 активных устройств, то формируется вторая пикосеть, управляемая первой, где роль "ведущего" выполняет одно из "ведомых" устройств первой сети. Такое наращивание сети, в принципе, может идти до бесконечности. Множество пикосетей, способных взаимодействовать друг с другом, формируют распределенную сеть (scatternet). В рамках scatternet разные устройства могут не только быть одновременно "ведущими" и "ведомыми" для различных пикосетей, но и просто "ведомыми" для разных сетей. Более того, в случае необходимости любой "ведомый" в пикосети всегда может стать "ведущим". Естественно, старый "ведущий" при этом станет одним из "ведомых". Таким образом, в scatternet могут объединяться любые количества устройств Bluetooth, а логические связи - образовываться и изменяться, как это требуется.
  Благодаря использованию в Bluetooth метода работы радиоканала со скачками частоты, пикосети могут взаимодействовать друг с другом с минимальным риском взаимных помех. Единственным условием здесь является то, что различные пикосети, входящие в один scatternet, должны иметь разные каналы связи, то есть работать на различных частотах и иметь различный порядок смены каналов, определяемый в стандарте параметрами hopping sequence - последовательности скачков. Всего существующий вариант спецификации стандарта предусматривает 10 вариантов hopping sequence: 5 с циклом в 79 смен частот и 5 - с циклом в 23 смены.
  Одним из важнейших свойств Bluetooth является то, что соединения в пикосетях осуществляются автоматически, как только различные устройства оказываются в пределах досягаемости. Для реализации такого автоматизма, работа любых Bluetooth-устройств в незнакомом окружении начинается с режима поиска других устройств (device discovery). Для этого посылается специальный запрос, ответ на который, однако, зависит не только от наличия в радиусе связи других активных Bluetooth-устройств, но и от режима их работы. На этом этапе возможно три основных режима: discoverable mode (устройства в этом режиме всегда отвечают на полученные запросы), limited discoverable mode (устройства отвечают на запросы только ограниченное время или при соблюдении определенных условий) и non-discoverable mode (устройства не отвечают на новые запросы). При этом все обнаруженные устройства могут быть в non-connectable mode или в connectable mode. В первом случае найденное устройство не позволяет настроить параметры соединения, и, таким образом, обмен данными с ним невозможен. Во втором случае - связавшиеся Bluetooth-устройства "договариваются" между собой о параметрах соединения (используемый диапазон частот и порядок их смены, размер страниц данных и т. п.).
По окончании процесса обнаружения новое Bluetooth-устройство получает набор адресов (для идентификации, каждое устройство Bluetooth имеет уникальный 48-битный сетевой адрес) и имен всех доступных устройств, после чего происходит определение услуг (service discovery), предоставляемых этими устройствами.
  В качестве мер защиты в Bluetooth предусмотрено кодирование передаваемых данных, а также выполнение процедуры авторизации устройств. При этом возможны три уровня защиты:
- минимальная - данные кодируются общим ключом и могут приниматься любыми устройствами без ограничений;
- защита на уровне устройств - непосредственно в чипе прописывается уровень доступа, в соответствии с которым устройство может получать определенные данные от других устройств;
- защита на уровне сеанса связи - данные кодируются 128-битными случайными числами, хранящимися в каждой паре устройств, участвующих в конкретном сеансе связи.

Какие Bluetooth-устройства уже есть?

  Прежде всего, следует отметить, что сами Bluetooth-чипы выпускаются уже несколькими десятками компаний. Первое такое изделие создала фирма Ericsson еще в 1999 году, а в октябре 2000 года Matsushita-Kotobuki Electronic Industries разработала весьма компактный Bluetooth-модуль, минимизация размеров которого была достигнута за счет помещения всех компонентов, включая антенну приемопередатчика (!), на единую керамическую подложку. Вообще же на разных стадиях освоения массового производства специализированных Bluetooth-микросхем находятся такие компании как Atmel, Broadcom, Conexant Systems, Intel, Motorola, National Semiconductor, NEC, Samsung Electro-Mechanics, Silicon Wave и др.
  Особой целью разработчиков является максимальное снижение цены чипов - до уровня порядка $5 за кристалл. Наиболее близко к этому уровню подошла английская компания Cambridge Silicon Radio, также объединившая все компоненты Bluetooth в одной стандартной микросхеме, что существенно снизило стоимость производства.
  Переходя к Bluetooth-устройствам можно констатировать, что число таких моделей сейчас растет буквально с каждым днем, а первое такое изделие - комплект беспроводной связи с сотовым телефоном в виде миниатюрной hands-free гарнитуры, содержащей наушник и микрофон, также был создан основоположником этой технологии - компанией Ericsson - и продемонстрирован в ноябре 1999 года. А уже в 2000 г. свои версии Bluetooth-наушников для сотовых телефонов создали компании Japan Total Design Communication Co., Ltd. (модель "i2me", включающая адаптер, весом 45 г и наушники - 35 г) и Plantronics (гарнитура наушник-микрофон весом 26 г).
В это же время появились и первые сотовые телефоны со встроенной платой Bluetooth (Ericsson T36s, Ericsson R520, Siemens S42, Nokia 6310 и др.), а по оценкам экспертов, уже в самом ближайшем будущем подобные устройства будут встраиваться в 80% сотовых телефонов. Также создаются и специальные адаптеры для телефонов, не содержащих Bluetooth-плату (например, для Ericsson T28s). Оригинальный вариант подобного адаптера предложила компания Nokia, создав Bluetooth Connectivity Kit для телефона Nokia 6210, представляющий собой комплект из аккумулятора и коммуникационной карты. Здесь приемопередатчик Bluetooth для сотового телефона встроен в специальную модификацию аккумулятора, а второй элемент комплекта - коммуникационная карта, похожая на CompactFlash, имеет PC-адаптер для ее установки в ноутбук. Благодаря этому комплекту владельцы, например Nokia 6210, получают возможность пользоваться своим телефоном и как беспроводным GSM-модемом для компьютера.
  Вообще же Bluetooth-адаптеры для работы с компьютерами, принтерами и другими устройствами также разрабатываются или выпускаются сейчас уже целым рядом компаний: Axis (Bluetooth-модуль для принтеров), IBM (PC-карта и Bluetooth-модем для органайзеров типа Palm), Motorola (плата формата Mini PCI, поддерживающая как Bluetooth, так и стандарт модемной связи V.90), NEC (коммуникационный модуль для ноутбуков), Siemens (Bluetooth-адаптер, подключаемый к USB-порту настольного компьютера или ноутбука, способный работать в радиусе 100 метров), Sharp (Bluetooth-модуль в виде CompactFlash- карты), Toshiba (Bluetooth PC Card), TDK (Bluetooth USB Adapter) и др.
  Универсальный вариант Bluetooth-адаптера под названием Infostick, внешне напоминающий Memory Stick, еще в январе 2001 года представила компания Sony. Благодаря ему все устройства Sony, оснащенные слотом Memory Stick, теперь могут беспроводно "общаться" между собой.
  Но существующий ассортимент изделий, использующих технологию Bluetooth для обмена данными, уже отнюдь не ограничивается только наушниками и коммуникационными адаптерами, а включает множество самых разнообразных устройств.
  Так, например, финская компания Nokian Tyres разработала технологию, позволяющую вести непрерывное автоматическое наблюдение за состоянием колес автомобиля. При этом встроенный в шину чип будет измерять параметры колеса, и в случае необходимости через Bluetooth-модуль свяжется, например, с мобильным телефоном водителя. А вот компания Motorola создала свой автомобильный hands-free комплект, с использованием технологии Bluetooth. Это устройство, взаимодействующее с бортовым компьютером машины и обеспечивающее возможность дистанционного управления дверьми автомобиля, может встраиваться в различные модели. Еще один вариант сходной автомобильной системы контроля на основе Bluetooth, подключающейся к внутренней локальной сети автомобиля, разработала японская компания Yazaki. А многие специалисты вообще уверены, что технология Bluetooth, благодаря своей простоте и изяществу, просто не имеет конкуренции в области создания автомобильных локальных сетей. И доказательством этому служит тот факт, что уже ряд компаний, начавших разработку промышленных стандартов для локальных автомобильных сетей и других беспроводных коммуникаций на малых расстояниях, выбрали именно технологию Bluetooth.
  Но не только автомобилисты обратили свое внимание на Bluetooth. Так компания BlueTags предложила встраивать интерфейс Bluetooth... в сумки и чемоданы, либо оснащать им даже ярлыки, наклеиваемые на багаж при его транспортировке. По мнению компании, такое нововведение существенно упростит жизнь работников отелей, вокзалов и аэропортов, которые смогут автоматически сортировать ручную кладь, а также сократит число потерь вещей.
  А вот компания IBM создала Bluetooth-часы, которые можно как обычно носить на руке и дополнительно использовать в качестве своеобразной выносной клавиатуры для дистанционного управления компьютером, например, во время различных докладов и презентаций.

  Еще одно любопытное устройство под названием Chatpen создали шведские компании Anoto и Ericsson. Данная разработка представляет собой авторучку, позволяющую передавать сделанные ей записи в компьютер или на сотовый телефон. Для этого в Chatpen, кроме пишущего узла, содержится миниатюрная видеокамера, микропроцессор и Bluetooth-модуль. Процесс письма отличается от обычного только тем, что производится на специальной бумаге, содержащей сетку из малозаметных точек. Именно относительно этих точек и фиксируются все перемещения ручки по бумаге, а полученный результат, после соответствующей обработки, пересылается через Bluetooth-интерфейс в расположенные поблизости компьютеры или на мобильный телефон для дальнейшей передачи. По идее разработчиков Chatpen может использоваться для передачи "электронных" вариантов традиционной подписи или, например, при заказе товаров по печатному каталогу - пользователю в этом случае достаточно будет лишь "указать" ручкой нужный товар.
  В другом направлении ведут работы специалисты фирмы Philips, занятые созданием телеприемников с беспроводными колонками пространственного звучания, подключаемыми по технологии Bluetooth, и это, явно, только первая "ласточка" в этой области. Дело в том, что различные исследовательские группы уже достаточно длительное время ищут простую и максимально универсальную технологию объединения многообразной домашней техники в общую сеть. И особую привлекательность здесь имеет именно технология Bluetooth, позволяющая максимально просто соединять друг с другом практически любые устройства, имеющие встроенный микрочип Bluetooth, от компьютера, цифрового фотоаппарата (подобную модель в июле 2002 г. уже продемонстрировала японская компания Fuji Photo Film) и телефона до холодильника, микроволновой печи, кондиционера и т. п.
А в качестве одного из подтверждений реальности использования технологии Bluetooth для построения различных локальных сетей можно указать успешное завершение развертывания подобной беспроводной сети американской компанией Red-M в Университетской клинике немецкого города Майнца. Данная сеть позволяет врачам оперативно вводить информацию о пациентах в базу данных клиники, используя ручные компьютеры на базе Palm. А в Великобритании уже в ряде городов на основе Bluetooth создаются сети пунктов беспроводного доступа в Интернет, которые впоследствии предполагается распространить на всю Европу.
Но как ни разнообразны существующие устройства с Bluetooth-модулями, будущее этой технологии представляется еще более удивительным.

Перспективы

  Похоже, что у Bluetooth они действительно огромны. И причин здесь сразу несколько: совершенство созданной технологии, ожидаемая низкая стоимость устройств и заложенная в технологию простота их использования, отсутствие лицензионных ограничений, широкий диапазон потенциальных областей применения, поддержка подавляющим большинством ведущих производителей. В связи с этим, по имеющимся оценкам, объемы продаж всего через 4-5 лет могут дойти до миллиарда Bluetooth-устройств в год.
  Уже сейчас начинают выпускаться принтеры с Bluetooth, которые не надо подключать к компьютеру, а достаточно просто внести его в комнату, включить в электрическую розетку, и можно начинать печатать. Появляются и беспроводные мыши, клавиатуры, джойстики и т. п., способные начать работу с любым компьютером, достаточно только к нему подойти. Но главное, технология Bluetooth может обеспечить пользователям не просто возможность отказаться от жгутов соединительных кабелей у себя дома или в офисе, а открыть множество совершенно новых возможностей. Вот только некоторые из фантастических картин завтрашних перспектив этой технологии, нарисованные ее разработчиками.
  Для начала - совсем простая "картинка": триединый мобильный телефон. Когда его владелец находится на работе, он работает по каналу Bluetooth и обеспечивает полноценную связь через офисную мини-АТС. Аналогично он работает и дома - через домашний стационарный телефон и только в дороге он переходит в режим сотовой связи, обеспечивая в итоге своему владельцу заметную экономию его расходов на мобильную связь.
  А вот - "Wireless wallet" ("Беспроводной кошелек"). Его принцип действия тоже достаточно прост. В кошелек вмонтирован чип Bluetooth, который взаимодействует с вашими смарткартами, мобильным телефоном, карманным (портативным, настольным) компьютером, кассовыми аппаратами и т. д. Кошельку соответствует сайт, на котором хранится и постоянно обновляется информация обо всех картах, находящихся в кошельке. Когда вы что-то покупаете, вам не надо доставать кредитку из кошелька - ваш Bluetooth-коммуникатор покажет вам сайт вашего кошелька, где вы сможете выбрать карту, подходящую для оплаты (например, кредитку). Карта связывается с кошельком через Интернет, и тот отправляет платеж по назначению. В случае с билетом - он записывается на смарт-карту и автоматически считывается Bluetooth-устройствами на вокзале, в аэропорту, в театре.
  А теперь другой сценарий: вы сидите на совещании - в портфеле у вас сотовый телефон, а на столе перед вами - ноутбук. Не соединяя никаких разъемов, вы непрерывно можете получать электронные сообщения из любой части мира (для этого ваш ноутбук связывается с сотовым телефоном, а тот - с Интернет) и данные от других участников совещания (ноутбук непосредственно обменивается информацией с портативными компьютерами сидящих за столом). Кроме этого, в конференц-зале стоят принтеры, поддерживающие Bluetooth, и поэтому мобильные пользователи всегда могут сразу распечатать необходимый документ. И все это работает без какой-либо предварительной настройки - программа обнаружения Bluetooth-сервисов узнала о наличии в помещении принтеров и ноутбуков других сотрудников, когда вы в него только входили, и сама установила с ними контакты.
  Не хуже обстоят дела и в вашем "цифровом доме". У вас есть брелок или браслет (кому что больше нравится) с Bluetooth устройством, способным принимать ваш голос и передавать его на центральный компьютер в доме. Мощный вычислитель идентифицирует голос, распознает звуковую команду, и тоже по Bluetooth-интервейсу передает эту команду любому необходимому устройству в доме. То есть вы просто голосом управляете яркостью лампочек, работой телевизора, шторами, кондиционером и всем прочим от входного замка до крана в ванной!
  Подобные примеры можно продолжать еще долго (автоматическая отправка электронного фотоснимка, сделанного вами на отдыхе, вашим родным, совместная работа двух пользователей мобильных компьютеров над документом, по окончании которой у каждого автоматически остается отредактированная копия текста, пульт дистанционного управления различной электроникой в наручных часах и т. п.), но главное, что, по мнению специалистов, все это станет реальностью уже в ближайшие пять лет.

Игорь Сколотнев





Эта статья взята с сайта Связист - Все о связи!.48
http://sviazist.nnov.ru

URL этой статьи:
http://sviazist.nnov.ru/article.php?storyid=6