Конференция W Mobile Дайджест

О чем и не мечтал герцог Синезубов

Семимильными шагами новый стандарт Bluetooth завоевывает рынок IT. Он позволяет избавиться от вечно запутывающихся проводов и соединить друг с другом абсолютно несовместимую на первый взгляд технику.

Ты, конечно, уже слышал про него, а может, даже и опробовал. Описывать области применения Bluetooth я не буду - его можно применять везде. Для тебя важнее знать, как он работает. В этой статье рассмотрены принципы его работы, спецификации и протоколы.

В 1994 году компания Ericsson (http://www.w-mobile.ru/article/view/SonyEricsson.html) сформировала рабочую группу по разработке нового радиоинтерфейса, который позволил бы устанавливать связь между сотовым телефоном и беспроводной гарнитурой, и при этом не был бы дорогим и энергоемким.

Задумка понравилась другим акулам рынка IT, и уже в начале 1998 года компании Nokia (http://www.w-mobile.ru/article/view/Nokia.html), IBM, Toshiba, Intel присоединились к Ericsson. Эти монстры высоких технологий организовали консорциум по разработке беспроводной связи, а потом создали специальную рабочую группу (Special Interest Group - SIG) для разработки, унификации и продвижения технологии Bluetooth на рынок. Позже к этой могучей кучке присоединились и другие фирмы, как большие, так и не очень.

Этот творческий союз оказался плодотворным, и в конце 1999 года было опубликовано первое описание новой технологии. Причем сразу же было объявлено, что созданный вариант стандарта Bluetooth 1.0.B не является окончательным, и финальная спецификация должна выйти только после дополнительных проверок и доработок.

Спустя год после выпуска первого варианта стандарта, группа SIG опубликовала версию 1.1 спецификации Bluetooth. В марте 2002 года Палата стандартов IEEE-SA одобрила новый стандарт беспроводных коммуникаций, получивший обозначение IEEE 802.15.1 и созданный на основе спецификации Bluetooth 1.1.

Жестокая реальность Bluetooth

На сегодняшний день Bluetooth является одной из наиболее перспективных технологий беспроводной передачи данных. Она позволяет соединять между собой практически любые устройства. В основном же технология ориентирована на мобильную связь. Она оптимизирована для передачи по таким соединениям голоса и данных. Благодаря простоте, низкому энергопотреблению и недорогому интерфейсу, Bluetooth идеально подходит для организации персональных сетей (Personal Area Networking - PAN).

Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, (т.е. примерно в границах одной комнаты), однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона - около 100 м - для покрытия стандартного дома. При этом нет необходимости в том, чтобы соединяемые устройства находились в зоне прямой видимости друг друга. Их даже могут разделять "радиопрозрачные" препятствия (стены, мебель и т. п.), к тому же взаимодействующие между собой приборы могут находиться в движении.

Для работы радиоинтерфейса Bluetooth используется так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical), предназначенный для работы промышленных, научных и медицинских приборов. Особенностью данного диапазона является то, что почти во всех странах мира (включая Россию), он свободен от лицензирования, т.е. для использования сертифицированного передающего оборудования, работающего на этих частотах, не требуется дополнительное разрешение.

Ширина канала для Bluetooth-устройств составляет 723,2 Кбит/с в асинхронном режиме или 433,9 Кбит/с в полностью синхронном режиме. Через Bluetooth-соединение можно также передавать аудиоинформацию - через 3 канала по 64 Кбит/сек каждый, в случае, если не передаются другие данные. Конечно, возможна и комбинированная передача (данные и голос).

В части организации обмена данными, Bluetooth соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону. Модули Bluetooth работают тактами длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приема. Таким образом, базовая частота может изменяться, принимая одно из 79 значений с интервалом 1 МГц, начиная от 2,400 ГГц и заканчивая 2,480 ГГц. Скорость перехода с одной частоты на другую может достигать 1600 Гц.

Выбор подобного режима работы радиоканала позволяет решить сразу несколько проблем, и прежде всего это относится к взаимным помехам с другими устройствами. Дело в том, что в данном диапазоне частот уже функционирует большое количество самых различных промышленных, медицинских и бытовых устройств, включая микроволновые печи, автомобильные сигнализации и т.п. Так как использование всех этих устройств разрешено на безлицензионной основе, а значит и без выполнения соответствующего частотного и территориального планирования их размещения, то выбор любой фиксированной частоты неизбежно рано или поздно приводил бы к "частотному конфликту" с другими устройствами и невозможности работы из-за взаимных радиопомех. Использование же метода быстрой смены частот приводит к тому, что поражение отдельных частот помехами будет приводить к потерям только небольших фрагментов данных, которые могут быть легко восстановлены путем применения помехозащищенного кодирования. Кроме этого, смена частот по псевдослучайному закону снижает влияние интерференционных замираний сигналов за счет переотражений от окружающих предметов, а также затрудняет перехват передаваемой информации.

Установление соединения

Одной из важнейших особенностей Bluetooth является автоматическая установка соединения между двумя находящимися в пределах досягаемости Bluetooth-устройствами. Весь процесс поиска и соединения очень прост. Первоначально все Bluetooth-устройства находятся в режиме Standby, в котором они каждые 1,28 с прослушивают 32 фиксированные частоты. Устройство, оказавшись в незнакомом окружении, начинает посылать запросы на этих частотах.

При приеме запроса Bluetooth-устройство реагирует на него в соответствии с режимом, в котором оно находится. В режиме отклика (discoverable mode) устройство всегда отвечает на все полученные запросы. Режим ограниченного отклика (limited discoverable mode) подразумевает, что устройство может отвечать на запросы только ограниченное время или при других определенных условиях. Третий режим, отказа в отклике (non-discoverable mode), запрещает устройству отвечать на запрос.

Кроме того, при подключении устройство может быть подключаемым (connectable mode) или недоступным (non-connectable mode). Во втором случае устройство не позволяет настроить ряд параметров соединения и обмениваться данными.

Ну вот, два Bluetooth-устройства нашли друг друга, все устраивает, и discoverable они, и с connectable у них все в порядке. Дальше-то что?

А дальше они начинают договариваться. Об используемом диапазоне частот, размере страниц, количестве и порядке смены частот (hopping channel) и других физических параметрах соединения.

Каждое Bluetooth-устройство имеет глобальный уникальный адрес (как MAC-адреса у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется имя устройства, которое может быть любым и не быть уникальным. Имя может быть длиной до 248 байт и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8.

Так вот, если процесс авторизации прошел успешно, то новое Bluetooth-устройство получает набор адресов доступных устройств, и за этим следует процесс выяснения всех доступных Bluetooth-устройств из этого списка.

Еще одной интересной и важной особенностью Bluetooth является автоматическое подключение устройств к службам, предоставляемым другими Bluetooth-устройствами. Поэтому после получения списка имен и адресов устройство выполняет поиск доступных услуг (service discovery). По большому счету, предоставление и получение каких-либо услуг - это то, ради чего все собственно и затевалось. Для поиска всевозможных услуг используется, соответственно, протокол поиска услуг (service discovery protocol), но об этом чуть позже.

Bluetooth-устройства могут устанавливать соединения не только типа точка-точка, но, что и является основным, многоточечные соединения. При этом они объединяются в пикосети (piconet). Процедура соединения инициируется одним, причем любым, из устройств, которое и становится главным (master^{властелин}) в пикосети. При этом в одной пикосети может быть не более семи ведомых (slave^раб) устройств. Кроме активных устройств, осуществляющих обмен в пикосети, могут быть неактивные Bluetooth-устройства, которые не могут обмениваться данными с главным устройством пикосети, но синхронизированы с ним. В одной пикосети может быть всего одно ведущее устройство, однако любое из ведомых устройств в данной пикосети может являться ведущим в другой и образовывать свою пикосеть. Объединенные таким образом Bluetooth-устройства образуют распределенную сеть (scatternet). В рамках распределенной сети Bluetooth-устройства могут образовывать любые логические цепочки любого размера.

Благодаря применению радиоканала со скачками частоты, пикосети могут взаимодействовать друг с другом с минимальным риском взаимных помех. Единственным условием здесь является то, что разные пикосети одной распределенной сети должны иметь различный порядок смены каналов (hopping sequence). Настоящий вариант спецификации стандарта предусматривает 10 вариантов смены каналов - 5 с циклом 79 смен частот и 5 - с циклом в 23 смены.