Wprowadzenie do Bluetooth

Geneza Bluetooth

Przed wprowadzeniem Bluetooth podłączenie myszy, klawiatury lub drukarki do komputera wymagało osobnych kabli i interfejsów, takich jak port szeregowy, równoległy lub złącze PS/2. Różne zastosowania i ograniczenia tych interfejsów ograniczały mobilność oraz utrudniały współpracę urządzeń. Stworzyło to zapotrzebowanie na uniwersalny, tani i energooszczędny standard bezprzewodowy do komunikacji na krótkie odległości.

Technologia ta rozwijała się na początku lat 90. w firmie Ericsson, szwedzkiej firmie telekomunikacyjnej, jako bezprzewodowa alternatywa dla nieporęcznych kabli danych RS-232. Nazwa pochodzi od imienia X-wiecznego króla Danii, Haralda "Sinozębego" Gormssona. Harald Bluetooth jest kojarzony ze zjednoczeniem Danii i Norwegii. Twórcy technologii dostrzegli analogię. Ich nowy standard miał połączyć różne protokoły komunikacyjne i urządzenia w jeden spójny ekosystem. W 1996 roku Intel, Ericsson i Nokia planowały ujednolicenie tej technologii krótkiego zasięgu, a w 1998 roku powstała Bluetooth Special Interest Group (SIG), z udziałem firm Ericsson, IBM, Intel, Nokia i Toshiba. Współpraca członków SIG doprowadziła do szerokiego wdrożenia łączności bezprzewodowej na krótkie odległości.

WPAN jako sieć osobista

Bluetooth działa w domenie Bezprzewodowej Sieci Osobistej (WPAN). Aby zrozumieć, czym jest WPAN, warto porównać go z innymi typami sieci, które możesz znać:

• WAN (Wide Area Network): Jest to rozległa sieć obejmująca ogromny obszar geograficzny, taki jak kraj, a nawet cała kula ziemska. Internet jest ostatecznym przykładem sieci WAN.
• LAN (Local Area Network): Ta sieć obejmuje ograniczony obszar, taki jak pojedynczy dom, budynek biurowy czy kampus szkolny. Wi-Fi jest najpowszechniejszą technologią używaną w bezprzewodowych sieciach LAN (WLAN).
• WPAN (Wireless Personal Area Network): To najmniejsza z tych trzech sieci. Łączy urządzenia używane przez jedną osobę, takie jak smartfon i bezprzewodowe słuchawki, laptop i bezprzewodowa mysz oraz smartwatch i telefon. Zasięg jest z założenia krótki, w typowym zastosowaniu często wynosi do 10 metrów, co pasuje do urządzeń noszonych przy sobie lub używanych przy biurku.

Bluetooth jest jedną z technologii stosowanych w sieciach WPAN, ponieważ został zaprojektowany z myślą o krótkich połączeniach: ma tryby o małym poborze energii, może być integrowany w małych urządzeniach i korzysta z mechanizmów współdzielenia pasma z innymi technologiami bezprzewodowymi. Zasięg konkretnego produktu zależy między innymi od klasy mocy, anteny, PHY i warunków radiowych.

Współdzielenie pasma ISM 2.4 GHz i FHSS

Aby Bluetooth mógł działać, jego sygnały radiowe potrzebują dedykowanego pasma częstotliwości. Pasmo wybrane dla Bluetooth to szeroko dostępne pasmo ISM, a konkretnie pasmo 2.4 GHz (rozciągające się od około 2.400 do 2.4835 GHz). W wielu jurysdykcjach korzystanie z tego pasma nie wymaga indywidualnej licencji częstotliwościowej, ale urządzenia nadal muszą spełniać lokalne wymagania dotyczące emisji.

Jednak ta zaleta jest jednocześnie jego największym wyzwaniem. Pasmo 2.4 GHz jest niezwykle zatłoczone. Twoja sieć Wi-Fi, sieć Wi-Fi sąsiada, kuchenki mikrofalowe, niektóre telefony bezprzewodowe, a nawet niektóre nianie elektroniczne działają w tej samej przestrzeni częstotliwości. Tworzy to wysoki potencjał interferencji, gdzie sygnały z różnych urządzeń mogą się ze sobą zderzać i zakłócać.

Aby działać niezawodnie w tym hałaśliwym środowisku, Bluetooth Classic BR/EDR stosuje technikę zwaną Widmem Rozproszonym z Przeskokami Częstotliwości (FHSS). Zamiast nadawać na jednej, stałej częstotliwości, urządzenia w połączeniu BR/EDR przeskakują z jednego kanału na drugi w pozornie losowy sposób. Bluetooth LE korzysta z odrębnego układu kanałów i mechanizmu wyboru kanału. Oto jak działa przeskakiwanie BR/EDR:

• Podział na kanały w Bluetooth Classic BR/EDR: W tym trybie pasmo 2.4 GHz jest podzielone na 79 oddzielnych kanałów, każdy o szerokości 1 MHz.
• Szybkie przeskoki BR/EDR: Para połączonych urządzeń Bluetooth Classic (na przykład telefon i słuchawki) szybko przeskakuje między tymi 79 kanałami aż 1600 razy na sekundę.
• Wspólny wzorzec: Sekwencja przeskoków nie jest prawdziwie losowa, lecz jest pseudolosowym wzorcem określonym przez urządzenie Central, historycznie nazywane master, w połączeniu BR/EDR. Central i Peripheral, historycznie nazywane slave, znają ten wzorzec i przeskakują w synchronizacji.
• Unikanie interferencji: Jeśli dany kanał jest chwilowo zablokowany przez interferencję z sieci Wi-Fi lub kuchenki mikrofalowej, pojedyncza transmisja BR/EDR może zostać zakłócona przez mały ułamek sekundy (około $1/1600$ sekundy). Urządzenia przechodzą wtedy do następnego kanału w sekwencji, a retransmisje i mechanizm AFH mogą pomóc utrzymać komunikację. To ogranicza wpływ zakłóceń, ale nie gwarantuje ich całkowitego usunięcia. Można to porównać do dwóch osób prowadzących rozmowę w hałaśliwym pokoju, szybko przeskakujących między 79 różnymi miejscami w z góry ustalonej kolejności.

Zorganizowana Sieć BR/EDR: Central, Peripheral i Pikonet

W modelu Bluetooth Classic BR/EDR urządzenia tworzą zorganizowaną, miniaturową sieć zwaną Pikonetem. W modelu Bluetooth Classic BR/EDR pikonet powstaje, gdy urządzenia współdzielą fizyczny kanał, a Central steruje dostępem. Tworzy go jedno urządzenie Central, historycznie nazywane master, oraz do siedmiu aktywnych urządzeń Peripheral, historycznie nazywanych slave. Wszystkie urządzenia współdzielą kanał z przeskokami częstotliwości.

Core Specification używa terminu piconet także dla Bluetooth LE. Fizyczny kanał pikonetu LE jest współdzielony dokładnie przez dwa połączone urządzenia: Central i Peripheral. Jedno urządzenie LE może należeć do więcej niż jednego piconetu, więc limit siedmiu urządzeń, adres LT_ADDR i stany parked opisane poniżej dotyczą modelu BR/EDR.

Na przykład, kiedy łączysz słuchawki Bluetooth Classic ze smartfonem, smartfon zazwyczaj pełni rolę Central, a słuchawki rolę Peripheral. W tym pikonecie BR/EDR telefon ustala zasady komunikacji.

Ograniczenia Pikonetu

Pikonet BR/EDR ma określony limit wielkości: może zawierać tylko jednego Centrala i do siedmiu aktywnych urządzeń Peripheral. Ten limit jest bezpośrednim wynikiem schematu adresowania używanego w BR/EDR. Każdemu aktywnemu Peripheral jest przypisywany 3-bitowy Adres Aktywnego Członka (LT_ADDR), a 3-bitowy adres pozwala na $2^3 = 8$ możliwych wartości. Ponieważ wartość 000 jest zarezerwowana dla wiadomości rozgłoszeniowych, pozostaje 7 unikalnych adresów dla aktywnych urządzeń Peripheral.

Pikonet BR/EDR może obsługiwać więcej niż 7 znanych urządzeń, umieszczając część z nich w energooszczędnych stanach "zaparkowania". Urządzenia te pozostają zsynchronizowane z pikonetem, lecz nie mają aktywnego adresu członkowskiego i nie uczestniczą w ruchu, dopóki Central ich nie reaktywuje.