Беспроводные персональные сети: технология Bluetooth

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.

Таким образом, концепция Bluetooth обеспечивает беспроводную передачу данных, позволяющую соединять друг с другом практически любые устройства. Принципы построения и функционирования Bluetooth обеспечивают полную открытость технологии. Основу архитектуры Bluetooth составляет пикосеть, состоящая из одного главного узла и нескольких подчиненных узлов, при этом несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть.

 

 

 

2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ BLUETOOTH

2.1 Использование технологии Bluetooth

Понятно, что функциональность данной технологии распространяется далеко за пределы сотовых телефонов. Основным направлением использования Bluetooth станет создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи и холодильники. Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подключения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в получении информации или обладающие необходимой информацией. Если же обратиться к карманным компьютерам, то тут возможности Bluetooth практически безграничны. Во-первых, беспроводную технологию передачи данных можно использовать для синхронизации ПК и КПК. Теперь для того чтобы скачать последнюю почту на портативный компьютер, пользователю не придется тратить время на подключение карманного ПК: при поддержке Bluetooth в обоих устройствах пользователь может просто запустить необходимые приложения – все остальное будет сделано автоматически.

Однако использование Bluetooth не ограничивается миниатюрными компьютерами и различными модными технологическими устройствами. Чипы также могут использоваться и в бытовой электронике, а это означает, что теперь с карманного ПК или мобильного телефона можно будет дать команду микроволновой печи или видеомагнитофону. Если же говорить о прогрессивных пользователях, то их, несомненно, приведет в восторг тот факт, что, к примеру, цифровые камеры позволят теперь моментально отсылать снимки на карманный ПК, где на них можно будет взглянуть, или же на мобильный телефон, который сразу же отправит нужные кадры по электронной почте. Пользователи же ноутбуков получат возможность работать с принтером или другим периферийным устройством без необходимости кабельного подключения. Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, каковым является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией. Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи – для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом. Технология Bluetooth изначально была предназначена для работы в шумном радиочастотном окружении. Радио-модули Bluetooth избегают помех от других сигналов путем перескока на новую частоту после передачи или приема пакета. По сравнению с другими системами, работающими на той же самой полосе частот, Bluetooth обычно прыгает быстрее и использует более короткие пакеты. Это позволяет избавиться от воздействия микроволновых печей и других источников помех.

 

2.2 Принцип работы технологии Bluetooth

 

Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Адаптеры работают в радиусе 10 метров и, в отличие от IrDA, не обязательно в зоне прямой видимости, то есть, между соединяемыми устройствами могут быть различные препятствия, или стены.

Устройства, использующие стандарт Bluetooth, функционируют в диапазоне 2,45 ГГц ISM (Industrial, Scientific, Medical - промышленный, научный и медицинский диапазон) и способны передавать данные со скоростью до 720 кбит/с на расстояние до 10 метров и передачу 3 голосовых каналов. Такие показатели достигаются при использовании мощности передачи 1 мВт и задействованном механизме переключения частоты, предотвращающем интерференцию. Если принимающее устройство определяет, что расстояние до передающего устройства менее 10 м, оно автоматически изменяет мощность передачи до уровня, необходимого при данном расположении устройств. Устройство переключается в режим экономии энергии в том случае, когда объем передаваемых данных становится мал или передача прекращается.

Технология использует FHSS - скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/с) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных и обеспечивается простая интеграция с TCP/IP. Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.

Энергопотребление устройств Bluetooth должно быть в пределах 0.1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Диапазон 2.45 гГц является не лицензируемым и может свободно использоваться всеми желающими. Управляет им лишь Федеральная комиссия по коммуникациям (FCC - Federal Communication Commission), ограничивая часть диапазона, которую может использовать каждое устройство. Беда в том, что этих устройств стало очень много - начиная от беспроводных сетей, поддерживающих стандарты 802.11 и 802.11b и устройств Bluetooth и вплоть до микроволновых печей! Сейчас комиссия рассматривает просьбу увеличить используемый диапазон для Home RF (спецификация, используемая в аудио- и видеотехнике). Это увеличение может повлиять на другие устройства, работающие в этом диапазоне, количество которых увеличивается. При этом FCC заявила, что использование не лицензируемой частоты несет несомненный риск и не исключена возможность помех и конфликтов между устройствами. Фирмы, поддерживающие технологи беспроводных сетей, в том числе и Bluetooth, активно протестуют против увеличения диапазона Home RF.

Устройства стандарта Bluetooth способны соединяться друг с другом, формируя пикосети, в каждую из которых может входить до 256 устройств. При этом одно из устройств является ведущим (Master), еще семь - ведомыми (Slave), остальные находятся в дежурном режиме. Пикосети могут перекрываться, а к ресурсам ведомых устройств может быть организован доступ. Перекрывающиеся пикосети могут образовать распределенную сеть, по которой могут мигрировать данные.

Пикосеть (Piconet) — совокупность от двух до восьми устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как мастер (главное устройство, по аналогии с сервером), а остальные как slave (управляемые). Мастер синхронизирует частоту и ее изменения для всех остальных slave-устройств его пикосети. Для распознавания любого устройства в сети выделяется уникальный трехразрядный адрес. В случае необходимости любое управляемое устройство в Piconet может стать управляющим, поменявшись ролью со старым лидером. Несколько независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10), между которыми возможен обмен информацией, могут объединяться в так называемую большую сеть Scatternel. Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет главным в одной и подчиняемым в другой. Таким образом, в пределах отдельной Scatternet может быть одновременно связано максимум 71 устройство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте была изучена технология беспроводной персональной сети Bluetooth, её основные положения и принципы построения, а так же применения технологии.

Сегодня уже сложно представить различные устройства (мобильные телефоны, наушники, ноутбуки, автомобили, медицинские аппараты и т.п.) без универсальной и недорогой технологии беспроводной передачи данных Bluetooth. Она заменяет целую кучу отдельных кабелей, присоединяющих одно устройство к другому посредством одной универсальной радиолинии с малым радиусом действия.

Стоит  заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.

Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть). Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.

Многие задаются вопросом: Зачем вообще нужен Bluetooh, если есть например тот же wi-fi? Как показывает практика, нужен. Bluetooth с неимоверной скоростью проникает во всё новые области промышленности. Появляются устройства с Bluetooth, где он раньше никогда не использовался. От самых банальных (но от этого не менее полезных) беспроводных гарнитур hands-free для мобильных телефонов до Bluetooth чипов в грузовых контейнерах для определения груза, когда грузовик въезжает на склад. Так же, например, Bluetooth-чип, встроенный в шины машин для передачи информации о их состоянии. Судя по вкладываемым в Bluetooth усилиям и средствам у него большое будущее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Архипкин В., Архипкин А., Bluetooth. - Информационно-технический центр «Мобильные коммуникации». 2012г.

2.  Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. - Широкополосные беспроводные сети передачи информации. 2005г.

3.  Гепко И., Олейника В., Современные беспроводные сети. Состояние и перспективы развития. 2009г.

4.  Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А., «Системы и сети радиодоступа», М.,:ЭкоТрендз, 2005 г.

5.   Кузьменко Н.Г. Компьютерные сети и сетевые технологии. – Наука и Техника, 2013. – 368 с.

6.   Максимов Н. В., Попов И. И. Компьютерные сети: учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования.  2008г. - 246 с.

7.   Моргунов Ж.Ц. Современные компьютерные сети. 2008г.

8.   Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: «Питер», 2010г. – 944 с.

9.   Таненбаум Э., Уэзеролл Д., Компьютерные сети. – Питер, 2011. – 960 с.

10. Тониевич А., Компьютерные сети. 2012г. – 115 с.

11. Шахнович И. - Современные технологии беспроводной связи. 2006г.

12.  http://www.wireless-e.ru/articles/bluetooth/2006_1_10.php

13.  http://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

14.  http://samsungomania.com/index.php?showtopic=44

15.  http://leeet.net/technology_bluetooth.php

 

Приложение А

(обязательное)

 

Блок-схема Bluetooth-связи