Материал: Применение технологии Bluetooth

Применение технологии Bluetooth

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена обзору технологии Bluetooth - первой технологии, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN - Wireless Personal Network). Созданная в 1998 году, эта технология остается актуальной и сегодня, несмотря на появление множества других беспроводных технологий. В настоящее время это одна из самых популярных беспроводных технологий.

В 1995 году такие отрасли промышленности как телекоммуникации и информационные технологии осознали, что недорогая по стоимости и экономичная по потреблению энергии радиосвязь, или беспроводная связь, уже реальна и достижима. Поэтому на близких расстояниях она вполне может заменить собой кабельную связь.

Были проведены исследования, и вскоре определились общие очертания технологии под кодовым названием "Bluetooth". Целью создателей технологии было обеспечение надежного сервиса для мобильных абонентов и бизнес-пользователей в рамках компактной радиотехнологии, действующей на малых расстояниях. Данную технологию предполагалось интегрировать в ряд модельных линий широкого диапазона различных устройств. Цель создателей состояла в том, чтобы технология соответствовала таким спецификациям, которые оптимизируют пользование всеми мобильными компьютерными и коммуникационными устройствами, а также обеспечивают: использование по всему миру, работу с голосом и передачей данных, возможность противостоять помехам от других источников в открытой полосе , очень компактный размер, для обеспечения удобной интеграции с различными устройствами, ничтожное энергопотребление, в сравнении с другими устройствами, предназначенными для подобных целей , открытый интерфейсный стандарт , а так же изкая стоимость.

В настоящее время технология Bluetooth является твердо, устоявшимся коммуникационным стандартом для беспроводной связи на малых расстояниях. Она заменяет целую кучу отдельных кабелей, присоединяющих одно устройство к другому посредством одной универсальной радиолинии с малым радиусом действия. Например, радио-технология Bluetooth, встроенная и в сотовый телефон, и в ноутбук, заменяет кабель, используемый в настоящее время для присоединения ноутбука к сотовому телефону. Принтеры, персональные компьютеры, факсы, клавиатуры, джойстики и практически любые другие цифровые устройства могут быть частью системы Bluetooth. Радио-технология Bluetooth также обеспечивает универсальный мост к существующим сетям передачи данных, интерфейсу периферийных устройств, а также обеспечивает механизм для формирования небольших частных специальных групп соединяемых устройств вне инфраструктуры фиксированной сети.

1. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПЕРСОНАЛЬНЫЕ СЕТИ И ПРИНЦИПЫ ИХ ПОСТРОЕНИЯ

.1 Беспроводные технологии и классификация беспроводных сетей

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий, служащих для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия можно выделить:

Рисунок 1 - Классификация по дальности действия

Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий - Bluetooth.

Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi.

Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.: Беспроводные персональные сети

Две современные технологии создания беспроводных персональных сетей - это Infra Red (IR (ИК)) и Bluetooth (IEEE 802.15). Они предоставляют возможность связи устройств в радиусе 30 футов (около 10 м). Для установки ИК связи устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Их связь характеризуется достаточно небольшим расстоянием.: Беспроводные локальные сетипредоставляет возможность пользователям определенного района или места, например, университетского городка или библиотеки, создать сеть и получить доступ в Интернет. Временная сеть может быть создана с ограниченным числом пользователей и без приемоперадатчика при условии, что им не требуется доступ к Интернет-ресурсам.: Беспроводные городские сети

Даная технология позволяет объединять несколько сетей в городе, например, городские здания, что является прекрасной альтернативой кабельному соединению.

Также в некоторых источниках выделяют глобальные беспроводные сети (WWANS), которые действуют до 10 тис. км.: Беспроводные глобальные сети

Данный тип сетей объединяет различные города и страны посредством систем спутниковой или антенной связи. Их называют системами 2G (системами второго поколения).

Рисунок 2 - Классификация по дальности действия и максимальной скорости передачи данных

По области применения можно выделить:

Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд.

Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

В комплексе с классификацией беспроводных сетей необходимо рассмотреть основные стандарты, которые действуют в этой области.

Стандарт 802.11 впервые появился в 1990-х годах. Он был разработан Институтом электроники и электрики. Теперь он является ведущей технологией в мире беспроводных сетей. Использование FHSS (frequency hopping spread spectrum) or DSSS (direct sequence spread spectrum) обеспечивает передачу данных со скоростью от 1 до 2 Мбит в секунду в 2.4 ГГц канале.

.11a

Использование OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) обеспечивает передачу данных со скоростью до 54 Мбит в секунду в 5 ГГц канале.

.11b

Известен как Wi-Fi или высокопроизводительный стандарт 802.11, он использует DSSS и применяется к локальным сетям. Стандарт используется в основном в частных целях, в домах. Гарантирует скорость 11 Мбит в секунду запас 5,5, 2 и Мбит в секунду.

.11g

Обеспечивает скорость 20 Мбит в секунду и более, применяется с локальными сетями в канале 2,4 ГГц.

.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это - новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, а недавно оператор Sprint анонсировал старт проекта национального масштаба. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSXPA).

.2 Основные положения беспроводных персональных сетей

Беспроводные персональные сети (англ. wireless personal area network, WPAN) - сети, стандарт которых обозначен как IEEE 802.15. применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т. д. Физический и

канальный уровни регламентируются стандартом IEEE 802.15.4. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. используется как для объединения отдельных устройств между собой, так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью интернет. может быть развернута с использованием различных сетевых

технологий Bluetooth, ZigBee и другими. Работы по изучению возможности применения мобильных, сетевых коммуникаций начались еще в 1994 году. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия.

Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится, и из локальных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде Bluetooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология быстро развивается, трудно предсказать, какое место она займет в самые ближайшие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документ v1.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (физический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем.

Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосе выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый.

.3 Концепция и основные положения технологии Bluetooth

- это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Соединить можно все, что соединяется, то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth. Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.- это маленький чип, представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик. Внешний вид модуля Bluetooth представлен на рисунке.

Рисунок 3 - Внешний вид модуля Bluetooth

Технология Bluetooth предусматривает три уровня защиты:

) Минимальная - данные кодируются общим ключом и могут приниматься любым устройством без ограничения.

) Защита на уровне устройства - 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 номерами, хранящимися в каждой паре чипов, участвующих в конкретном сеансе связи.

1.4 Принципы построения и функционирования Bluetooth

Технология Bluetooth полностью открыта. Для исключения появления несовместимых устройств разработаны подробные спецификации, включающие детальное описание методов использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных (упрощённая блок-схема bluetooth-связи представлена в приложении А).

Каждый bluetooth-модуль содержит формирующую и приёмно-передающую аппаратуру, а также встроенное или "зашитое" программное обеспечение (Firmware). К последнему относится интерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер связи (Link Manager), а также контроллер несущей частоты (Baseband). Связь модуля с хостом на физическом и канальном уровнях осуществляется с помощью шин USB, UART, PC Card и соответствующего встроенного ПО. К физическому уровню относится также радиолиния между модулями.

Модуль поддерживает приём-передачу данных и речевых сигналов. Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART/PCM-интерфейса. Когда используется USB-интерфейс, модуль является USB-ведомым прибором и поэтому не требует ресурсов персонального компьютера.

Интерфейс хост-контроллера (ИХК) в модуле является командным интерфейсом. Хост через ИХК направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию ИХК.

Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную - ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка - точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кбит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка - много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.

Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402…2,480 ГГц разбит на N частотных каналов (рисунок 4а). Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов - 140…175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.

Рисунок 4 - Частотный диапазон Bluetooth (а) и способ кодирования пакетной информации (б)

Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех. На рисунке 5 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трёх bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приёма.

Когда пара любых bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть. Аппарат, инициирующий связь, является ведущим (host, master), а остальные - ведомыми (slaves).

Рисунок 5 - Частотно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth

Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер или плата CPU мини-ЭВМ. Число модулей в пикосети не ограничивается, но в любой момент времени активны должны быть не больше восьми. Не существует разницы как в аппаратной, так и в программной части между ведущими и ведомыми устройствами. Любое из них может быть и тем и другим. Ведущее формирует пикосеть (в каждой сети оно только одно) и полностью контролирует трафик. Ведомые могут отсылать сообщения только в интервале "ведомые - ведущему" после того, как к ним обратился в предшествующий слот "ведущий - ведомым". Если в этом интервале у ведущего нет никакой информации для отправки ведомым, то он передает пакет только с кодом доступа и заголовком. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Предусмотрена координация трафика и между сетями.

Более того, они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла), как показано на рисунке 6. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

Рисунок 6 - Связь пикосетей Bluetooth

Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может поддерживать до 255 так называемых отдыхающих узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления - за счет этого продлевается ресурс их источников питания. В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от главного узла. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчиненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.