Радиоинтерфейс Bluetooth

2.1. Общая характеристика

Bluetooth - ВТ (синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недорогие средства передачи информации на небольшие расстояния посредством радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими портативными устройствами. Разработкой спецификации занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компьютеров и сетей — 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba. Эта группа, образовавшая Bluetooth Special Interest Group, и вывела данную технологию на рынок. Спецификация Bluetooth свободно доступна в Сети (www.bluetooth.com). Само название берет начало от прозвища датского короля, объединившего Данию и Норвегию, — это намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промышленной, научной и медицинской аппаратуры и не требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются радиоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота 1 каналов F = 2402 + k (МГц), где k = 0,...,78. Для нескольких стран (например, Франции, где в этом диапазоне работают военные), возможен сокращенный вариант с F = 2454 + k (k = 0,...,22).

F=2402[мг] + К [мГц]; К = 0, … 78 = 79 всего частот

2.2. Принципы передачи

Кодирование простое — логической единице соответствует увеличение частоты, нулю — уменьшение. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, причем должна быть возможность понижения мощности с целью эко­номии энергии.

Рис. 14.2. Принцип кодирования

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот).

Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемую пикосеть (piconet), в которую может входить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых.

Рис 14.3. Структура физического канала связи, состоящего из «пикосетей»

Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с мастером, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока мастер не разрешит им активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деактивируется (паркуется), оно отдает свой номер другим. При последующей активации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросанную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети мастер только один, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей посредством разделения времени (часть времени устройство работает в одной пикосети, часть — в другой).

Рис 14.4. Разбросанная «пикосеть»

Более того, мастер одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак не синхронизированы, каждая из них использует свой канал (последовательность перескоков).

Рис. 14.5. Структура одного канала передачи

Мастер и ведомые устройства ведут передачу поочередно: в четных слотах передачу ведет мастер, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между мастером и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

2.3. Принципы передачи информации

В физическом канале связи между Мастером и Ведомыми устройствами могут устанавливаться связи двух типов : синхронные и асинхронные.

Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронного трафика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка-точка» предварительно устанавливаются мастером с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повтор­ных передач пакетов в случае ошибок приема нет. Мастер может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним мастером или иметь по одной связи SCO с двумя различными мастерами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.

Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка-множество точек» между мастером и всеми ведомыми устройствами пикосети. Мастер может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос мастера (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Мастер может посы лать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств мастер может установить лишь одну связь ACL.

Информация передается пакетами, структура которых приведена на рис. 14.6.

Рис. 14.6. Структура пакета передачи.

Последние два поля могут и отсутствовать.

Защита данных от искажения и контроль ошибок обеспечиваются или CRC –кодом, или кодом Хемминга. При этом приемник должен подтверждать правильность пакета или сообщать об ошибке. Для сокращения числа повторов применяется избыточное кодирование, а каждый полезный бит информации передается трижды. Голосовой канал обеспечивает скорость передачи 64 Кбит/сек в обоих направлениях. Для него используется импульсно-кодовая модуляция, что обеспечивает сжатие информации при телефонном качестве звука.

Для обеспечения безопасности применяется аутентификация и шифрование данных на уровне связи. При этом на уровне связи используется 48- битовый уникальный адрес устройства и 128- битный личный ключ аутентификации пользователя, а также 8-128 битный личный ключ для шифрования данных и 128 битное часто сменяемое случайное число. Перед установлением связи одного устройства ВТ с другим оно должно узнать его адрес, который является исходным для определения последовательности перескоков. Каждое устройство периодически прослушивает эфир, а за это время опрашивающее устройство успевает послать пакеты на нескольких частотах и определить искомое. Искомое устройство с требуемым кодом доступа посылает короткий пакет в котором сообщает свой адрес и показания часов. Часы имеются в каждом устройстве. Они работают постоянно, но друг с другом не синхронизированы. При соединении происходит вычисление разности часов относительно мастера, что позволяет настроить текущую частоту приемника на частоту мастера и отсчитывать тайм –слоты.