Название

Инженеры фирмы Ericsson назвали новую беспроводную технологию Bluetooth по имени прославленного датского короля викингов. Гаральд Блатан (Harald Blatand) пребывал на троне с 940 по 985 год и ему приписывается роль правителя, объединившего страну.

Blatand вольно переводится на английский язык как Bluetooth («Голубой зуб»). Но это никак не связано с цветом его зубов. Такое прозвище он получил из-за своих темных-волос (Ыа — темный) и высокого роста (tan — великий), что было большой редкостью среди викингов [2].

Рис. 1.1. Стилизованный рунический камень, посвященный датскому королю, установленный на территории компании Ericsson в Швеции

Целью беспроводной технологии Bluetooth является обеспечение консолидации и согласованности — а именно, дать возможность различным устройствам связываться без проводов по общепринятому стандарту. Именно так разработчики фирмы Ericsson объясняют свой выбор названия технологии — «Bluetooth».

1.3. Технология Bluetooth

Технические требования Bluetooth определяют создание законченного решения, содержащего аппаратное и программное обеспечение и требования к взаимодействию с другими устройствами. Набор технических требований Bluetooth, разработанный Ericsson и другими компаниями, отвечает требованиям беспроводной связи ближнего действия для произвольной организации сети. Baseband-протокол Bluetooth определяет коммутацию каналов и коммутацию пакетов, позволяя, таким образом, осуществлять передачу голоса и данных.

Беспроводная технология Bluetooth реализована в малогабаритных, недорогих приемопередатчиках ближнего действия, которые интегрированы в существующие платы, либо включаются в адаптерные устройства, например PC-карты для ноутбуков, адаптеры для принтеров и т.д. Как определено специальной рабочей группой Bluetooth SIG, при массовом производстве чипсетов, их цена не должна превышать $5.

Беспроводная технология Bluetooth использует общедоступный нелицензируе-мый ISM диапазон частот 2.4 ГГц.
ISM диапазон (ISM — Industrial, Science, Medical — диапазон, отведенный для промышленных, научных и медицинских целей) включает частотные диапазоны 902-928 МГц и 2.4-2.483 ГГц, которые не тре буют лицензии для его использования. Использование общего нелицензируемого частотного диапазона означает, что устройства, использующие беспроводную технологию Bluetooth, могут связываться между собой вне зависимости от того, в какой стране мира они находятся [1].

1.4. Типы связи

В технических требованиях Bluetooth определены два типа связи для передачи голоса и данных: асинхронная связь без установления соединения (Asynchronous Connectionless — ACL) и синхронная, ориентированная на соединение (Synchronous Connection-Oriented — SCO). ACL связь поддерживает потоки данных на основе «максимальных усилий» (best effort). Это значит, что сетевые ресурсы выделяются «по возможности», т.е. только те, которые свободны в данный момент времени. Передаваемая информация может быть данными пользователя или управляющими данными. SCO связь поддерживает голосовые и мультимедийные потоки данных в реальном времени, используя отведенную полосу частот. И данные, и голос передаются в форме пакетов. Технические требования Bluetooth предусматривают одновременную поддержку ACL и SCO связи.

Асинхронная связь без установления соединения поддерживает симметричные и асимметричные соединения point-to-multipoint с коммутацией пакетов, которые обычно используются для передачи данных. Для симметричных соединений максимальная скорость передачи данных равна 433.9 кбит/сек в обоих направлениях, передачи и приема. Для асимметричных соединений максимальная скорость передачи данных равна 723.2 кбит/сек в направлении передачи и 57.6 кбит/сек в направлении приема. Если на принимающем устройстве обнаруживаются ошибки,

уведомление об этом посылается в заголовке возвратного пакета, таким образом, в повторной передаче нуждаются только потерянные или ошибочные биты.

Синхронная связь, ориентированная на установление соединения, поддерживает симметричные соединения point-to-point с коммутацией каналов, которые обычно используются для передачи голоса. Для передачи голоса доступны три синхронных канала, каждый со скоростью передачи 64 кбит/сек. Эти каналы образуются путем использования либо импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation — PCM), либо дельта-модуляции с переменной крутизной (Continuous Variable-Slope Delta modulation — CVSD). PCM является стандартом кодирования речи из аналоговой формы в цифровой формат для передачи по коммутируемой телефонной сети общего пользования (Public Switched Telephone Network — PSTN). Стандарт CVSD обеспечивает большую защищенность передаваемых сигналов от интерференции и таким образом, лучше чем РСМ подходит для передачи голоса по беспроводному каналу. Требуемая схема кодирования голоса выбирается после согласования с администратором связи (Link Manager — LM) каждого устройства Bluetooth [3].

1.5. Произвольная (ad hoc) организация сети

Технические требования Bluetooth определяют возможность произвольной организации сети для передачи данных путем установления быстрой радиосвязи с одним или несколькими устройствами, как только они оказываются в зоне действия друг друга. Каждое устройство имеет уникальный 48-битный МАС-адрес (MAC — Medium Access Control — управление доступом к среде), совместимый с форматом стандарта IEEE 802.11х для локальных сетей (Local Area Network — LAN). Если мобильный телефон, использующий беспроводную технологию Bluetooth, оказывается в зоне действия другого мобильного телефона Bluetooth, то разговор может происходить по локальной радио линии point-to-point. Так как соединение не требует провайдера услуг связи, то нет платы за использование канала связи [1].

1.6. Голос по Bluetooth

Технические требования Bluetooth позволяют организовывать телефонные соединения тремя различными способами.

Первый — когда телефоны в доме или офисе работают как беспроводные телефоны, соединяясь с коммутируемой телефонной сетью общего пользования.

Этот сценарий включает в себя звонки через базовую станцию, прямые звонки между двумя терминалами через базовую станцию и получение доступа к дополнительным услугам, которые предоставлены внешней сетью.

Второй — когда телефоны, использующие беспроводную технологию Bluetooth, напрямую соединяют с другими телефонами, работая как переносные радиостанции («walkie-talkie») или гарнитуры. При таком сценарии организации двусторонней внутренней связи, не придется платить за соединение.

Рис. 1.2. Мобильный телефон Siemens S55 и беспроводная телефонная гарнитура Bluetooth

Третий — когда телефоны работают как мобильные телефоны, соединенные с сотовой инфраструктурой. При этом оплата разговоров производится по тарифу оператора сотовой связи.

Беспроводная технология Bluetooth поддерживает три одновременных голосовых канала. Кроме того, для голосовых соединений ближнего действия типа «walkie-talkie», голосовой канал может быть использован для радиосвязи между гарнитурой и мобильным телефоном, позволяя освободить руки, что бывает очень удобно, например, при вождении автомобиля.

Фирмой Siemens разработана телефонная гарнитура со встроенным приемопередатчиком Bluetooth (рис. 1.2). Радио сигнал служит соединительным звеном между гарнитурой и модулем Bluetooth в мобильном телефоне. Это означает, что в процессе разговора можно носить телефон на ремне или отложить его в сторону и находиться поблизости. Для приема входящего звонка нужно просто нажать кнопку на гарнитуре. При исходящем вызове используется голосовой набор. Телефон может находиться на расстоянии до 10 метров: в портфеле, в кармане пальто или даже в другой комнате.

Технология передачи данных в инфракрасном диапазоне (Infrared) также поддерживает передачу голоса. В спецификации инфракрасной технологии для связи с подвижными объектами (Infrared for Mobile Communications — IrMC) разработанной ассоциацией передачи данных в инфракрасном диапазоне (Infrared Data Association — IrDA) предусмотрен метод цифровой передачи голоса по инфракрасному каналу связи в реальном масштабе времени (Real-Time CONnection — RTCON).

Однако это воз можно только при условии, что обе стороны канала занимают определенное положение относительно друг друга. Расстояние между устройствами не должно превышать 1 метра, а угол инфракрасного луча не должен отклоняться более чем на 30 градусов.

1.7. Видео по Bluetooth

Помимо голоса технология Bluetooth поддерживает передачу видеоинформации между устройствами. Интегральные схемы, разработанные компанией Toshiba, од-

ним из соучредителей Bluetooth SIG, поддерживают кодирование и декодирование видео сигналов в формат MPEG-4. Эта система включает передачу изображений, отснятых портативной цифровой видеокамерой, их сжатие с использованием формата MPEG-4 и передачу по беспроводному радиоканалу Bluetooth на другое устройство, например, на рабочую станцию, где они потом могут редактироваться. На рис. 1.3 представлена цифровая видеокамера Panasonic NV-EX21 со встроенным интерфейсом Bluetooth.

Рис. 1.3. Видеокамера Panasonic NV-EX21, имеющая встроенный интерфейс Bluetooth

Связь между устройствами происходит по протоколу TCP/IP, который работает «поверх» протокола канального уровня Bluetooth. Протокол TCP/IP является основой для протокола передачи в реальном времени (Real-time Transfer Protocol — RTP), который обеспечивает правильную синхронизацию видео пакетов. Скорость передачи при этом равна всего десяти кадрам в секунду в формате QCIF (Quarter Common Intermediate Format — вариант формата CIF с уменьшенным вчетверо разрешением, CIF — единый промежуточный формат). Таким образом, качество изображения хуже чем то, которое предлагается телевидением (25 кадров в секунду). Компания Toshiba работает над улучшением качества изображения и скорости передачи кадров. Интегральные схемы от Toshiba для кодирования и декодирования видеоинформации в формате MPEG-4 обеспечивают очень высокие рабочие характеристики. Кроме того, эти схемы имеют малое потребление мощности, что делает их эффективными для использования в беспроводных приложениях, особенно в мобильных терминалах и устройствах связи третьего поколения.

Для качественной передачи видеоинформации экспертная группа по вопросам движущегося изображения (Moving Picture Experts Group — MPEG), созданная в 1988 г. по инициативе Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) и Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC) разрабатывает форматы сжатия аудио и видео сигналов.

MPEG-2 — стандарт сжатия движущегося изображения и звука состоит из трех частей. Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высококачественного цифрового видео. MPEG-2 является совместимым расширением MPEG-1.

MPEG-4 — стандарт сжатия движущегося изображения и звука для мультимедийных приложений. Существует новый стандарт MPEG-7, определяющий про-

граммные средства и интерфейс для мультимедийных данных, обрабатываемых в соответствии с вышеописанными стандартами MPEG. В 2000 году началась работа над созданием формата MPEG-21 «Multimedia Framework». Получить последнюю информацию об этих стандартах можно на Интернет-сайте экспертной группы по вопросам движущегося изображения по адресу www.cselt.it/mpeg/.

Ключевым элементом MPEG-4 является формат сжатия видеосигнала, эффективный для приложений, характеризующихся неустойчивой передачей данных, включая приложения, работающие по беспроводным каналам связи. Компания Toshiba добавила функцию исправления ошибок для предотвращения ухудшения качества изображения, которое происходит из-за ошибок при обмене данными [1].

1.8. Радиолиния

Радиолиния Bluetooth, использующая технологию расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты, устойчива к интерференции и замираниям. Как известно, расширение спектра является методом цифрового кодирования, в котором исходный сигнал преобразуется таким образом, что для случайного слушателя он становится больше похожим на шум. Операция кодирования увеличивает количество передаваемых битов и расширяет используемую полосу пропускания.

Используя такой же расширяющий код как и в передатчике, приемник сжимает расширенный сигнал обратно к исходной форме. Сигнал, передаваемый в расширенной полосе частот, более устойчив к различным помехам, что повышает надежность передачи данных и голоса. При псевдослучайной скачкообразной перестройке частоты, т.е. перескоках сигнала с одной частоты на другую по закону псевдошумовой последовательности, беспроводные системы становятся более конфиденциальными, т.е. защищенными от подслушивания [3].

1.9. Интерференция

Расширение спектра позволяет бороться с интерференцией от других устройств, работающих в этом же диапазоне частот 2.4 ГГц. К таким устройствам относятся микроволновые печи, беспроводные телефоны, а также некоторые беспроводные локальные сети, использующиеся в офисах. В беспроводной технологии Bluetooth каждое устройство перестраивает свою частоту 1600 раз в секунду, используя 79 частотных каналов. Выбор частотного канала происходит псевдослучайным образом. Устройство, инициирующее связь (мастер), сообщает другому устройству (подчиненному) последовательность перестройки частоты, которая будет использоваться. При наличии интерференции на одной частоте связь будет прервана на время, равное длительности совпадения частот, т.е. всего на миллисекунды. Для увеличения надежности связи система может посылать три копии каждого бита данных.

Беспроводная технология Bluetooth и беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Networks — WLAN), основанные на стандарте 802.1 lb, работают в одном и том же диапазоне радиочастот 2.4 ГГц. Так как технология Bluetooth ориентирова-

на преимущественно на персональные сети пользователей, устройства Bluetooth могут оказаться в зоне действия беспроводной сети 802.11b. При работе устройств Bluetooth в непосредственной близости от LAN 802.1 lb возможны взаимные помехи, приводящие к ошибкам передачи. Когда это происходит, схемы коррекции ошибок LAN 802.11b и Bluetooth восстанавливают ошибочные биты.

Использование различных законов скачкообразной перестройки частоты этих сетей, а также и различных методов расширения спектра уменьшает вероятность интерференции [4].

1.10. Экология

Электромагнитное излучение от устройств, использующих беспроводную технологию Bluetooth регламентируется стандартом. Согласно этому стандарту модуль Bluetooth не будет интерферировать или вредить общественному и частному телекоммуникационному сетевому оборудованию и не будет подвергать опасности потребителей, находящихся в зоне действия устройств Bluetooth [5].

1.11. Персональные сети

Одной из общих целей, которую преследует институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE) и специальная рабочая группа Bluetooth SIG, является глобальное использование беспроводных персональных сетей (Personal Area Network — PAN). Рабочая группа IEEE 802.15 создает стандарты, которые обеспечат фундамент для широкого внедрения взаимодействующих устройств, путем установления общих правил для беспроводных цифровых коммуникаций.

Целью рабочей группы IEEE 802.15 является создание единого стандарта, который будет эффективно сосуществовать с другими беспроводными сетями, так как технологии LAN IEEE 802.11b, PAN IEEE 802.15 и беспроводная технология Bluetooth специально спроектированы для устройств, используемых в доме или офисе.

В таблице 1.1 приведены рабочие характеристики изделий Bluetooth, работающих в диапазоне 2.4 ГГц [1].

1.12. Топология Bluetooth

Устройства в пикосети могут быть двух типов: основное устройство — мастер (master) и подчиненное устройство (slave) (рис. 1.4). Мастер — это устройство в пикосети, чьи часы и последовательность скачкообразной перестройки частоты используются для синхронизации всех подчиненных устройств. В пикосети может быть только один мастер. Устройство, которое выполняет процедуры вызова и устанавливает соединение по умолчанию является мастером соединения.

Подчиненными устройствами в пикосети являются те, которые синхронизированы к часам мастера и к его последовательности скачкообразной перестройки частоты.

Топология сети Bluetooth описана как структура с несколькими пикосетями. Технические требования Bluetooth определяют как соединения point-to-point, так

Таблица 1.1. Рабочие характеристики изделий Bluetooth
Особенность/Функция	Характеристика
Тип связи	Расширение спектра (скачкообразная перестройка частоты)
Диапазон частот	ISM диапазон 2.4 ГГц
Мощность передачи	1-100 мВт
Скорость передачи данных	1 Мбит/сек
Дальность	До 10 метров (возможность расширения до 100 метров)
Количество устройств в сети	До восьми устройств в пикосети, до 10 пикосетей
Голосовые каналы	ДоЗ
Защита данных	Для аутентификации используется 128-битный ключ; для кодирования размер ключа может составлять от 8 до 128 бит
Адресация	Каждое устройство имеет 48-битный MAC адрес, который используется для установления соединения с другими устройствами

и point-to-multipoint, поэтому при необходимости могут быть установлены и связаны между собой несколько пикосетей. Такая топология называется рассредоточенной сетью (scatternet) (рис. 1.4, с).

Пример реальной рассредоточенной пикосети представлен на рис. 1.5. Пикосети не согласованы, скачкообразная перестройка частоты в них происходит независимо. Несколько пикосетей могут быть связаны между собой произвольным образом, так что каждая пикосеть определяется своей последовательностью скачкообразной перестройки частоты. Все устройства, объединенные в пикосеть, синхронизированы к этой последовательности. Хотя в нелицензированном ISM диапазоне не допускается синхронизация нескольких пикосетей, модули Bluetooth могут работать в

Рис. 1.4. Варианты объединения в сеть устройств Bluetooth

a) пикосеть с одним подчиненным устройством

b) пикосеть с несколькими подчиненными устройствами

c) пикосеть с несколькими мастерами — рассредоточенная сеть (scatternet)

Рис. 1.5. Пример рассредоточенной пикосети

разных пикосетях с помощью временного разделения каналов (Time Division Multiplexing — TDM). Это позволяет модулю последовательно работать в разных пикосетях, в любой момент времени будучи активным только в одной из них.

С помощью протокола обнаружения услуг беспроводная технология Bluetooth предоставляет широкие возможности для организации сети, включая создание персональных сетей, где все устройства отдельного пользователя могут связываться между собой по радиоканалу. Технические меры безопасности гарантируют, что устройства Bluetooth не будут несанкционированно взаимодействовать друг с другом в общественных местах.

1.13.

Содержание раздела