Bluetooth — королевская технология

Живший в X веке Гаральд Блатанд по прозвищу Bluetooth («Голубой зуб») прославился тем, что объединил разобщенные земли, создав Датское королевство.

Леонид Невдяев

Живший в X веке Гаральд Блатанд по прозвищу Bluetooth («Голубой зуб») прославился тем, что объединил разобщенные земли, создав Датское королевство. Новая технология беспроводного доступа Bluetooth не случайно получила имя средневекового короля викингов: она предназначена для объединения сетевых устройств, которые ранее были связаны между собой проводными линиями.

Все уже привыкли к тому, что телевизором или кондиционером можно управлять дистанционно. Для этих целей обычно используются приборы инфракрасного (ИК) диапазона, которые обеспечивают взаимодействие с объектом при помощи высокоскоростного (до 4 Мбит/с и выше) интерфейса IrDA (Infrared Data Accosiation). Однако передатчики ИК-диапазона имеет ограниченную дальность действия (в пределах нескольких метров), а приемники очень чувствительны к направлению прихода сигнала (не более 300). Кроме того, такие приборы поддерживают связь только в режиме «точка—точка», что не позволяет применять их в информационных системах со множеством соединительных линий (как известно, «узким местом» таких систем является наличие значительного числа проводных интерфейсов).

В отличие от ИК-приборов, радиопередатчики Bluetooth имеют гораздо больший радиус действия (10—30 м; в перспективе — до 100 м), а приемники нечувствительны к направлению прихода сигнала. Радиоволны могут распространяться через различные материалы, поэтому передатчик и приемник способны взаимодействовать не только в условиях прямой видимости. А главное — в режиме «точка—много точек» обеспечивается связь с несколькими объектами одновременно.

Коротко о концепции

Основой Bluetooth стала идея создания универсального, надежного и очень дешевого радиоинтерфейса беспроводного доступа. Сверхминиатюрные экологически безопасные радиопередатчики с малым энергопотреблением могут легко встраиваться в персональные компьютеры и любые портативные устройства, такие как сотовый телефон, микротелефонные трубки, PDA (Personal Digital Assistant) и др. Технология Bluetooth позволит обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом будет гарантироваться его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием.

Связь в системе Bluetooth обеспечивается в диапазоне ISM (2,45 ГГц), отведенном для промышленной, научной и медицинской радиослужб. Этот диапазон является открытым (нелицензионным), а следовательно, подвержен воздействию большого числа источников непреднамеренных помех.

Для устранения помех в заранее непредсказуемой электромагнитной обстановке возможно применение двух способов. Первый из них заключается в поиске свободных от помех участков спектра и динамическом распределении каналов. Хотя сам по себе данный способ достаточно эффективен, для его реализации потребуются анализ текущей помеховой обстановки и адаптивное отслеживание источников помех, что, несомненно, усложнит приемопередатчик. Другой метод борьбы с непреднамеренными помехами состоит в расширении спектра передаваемых сигналов за счет скачкообразной перестройки рабочей частоты. Во время сеанса связи радиопередатчики псевдослучайным образом перестраиваются с одной частоты на другую, и «мгновенная» полоса частот остается существенно меньшей, чем общая ширина полосы частот. Именно на этом способе остановили свой выбор разработчики технологии Bluetooth, полагая, что для его воплощения можно будет создать недорогие радиопередатчики с выходной мощностью не более 20 дБм.

Типы каналов

В системе Bluetooth определены пять типов логических каналов:

• LC (Link Control) — канал управления, с помощью которого поддерживается физическая связь между устройствами, образующими пикосеть. На этом уровне используются синхронное (SCO, Synchronous Connection-Oriented) и асинхронное (ACL, Asynchronous Connectionless) подключение физических каналов;
• LM (Link Manager) — канал управления, который отвечает за установление соединений между ведущим и ведомыми устройствами, за обеспечение безопасности и криптозащиты;
• UA (User Asynchronous) — асинхронный канал (используется в ACL-линии);
• UI (User Isochronous) — изохронный канал, в котором обеспечивается идентичность только средних частот опорных генераторов ведущего и ведомого устройств (применяется в ACL-линии);
• US (User Synchronous) — канал синхронного обмена данными (используется в SCO-линии).

Связь по SCO-линии организуется между ведущим и ведомым устройствами. Для этих целей в кадре ведущего приемопередатчика зарезервированы два соседних временных интервала (для прямого и для обратного каналов), которые периодически повторяются (рис. 1). Между ведущим и ведомыми устройствами может быть организовано одновременно до трех каналов. В свою очередь, любой ведомый приемопередатчик способен поддерживать сразу три SCO-соединения с одним ведущим устройством (если они находятся в пределах одной пикосети) или два (если информация передается из разных сетей).

Голосовая связь по SCO-линии осуществляется со скоростью 64 кбит/с, причем используются три режима: без кодирования, с низкой (R=2/3) и высокой (R=1/3) степенью помехозащищенности. Благодаря такому решению в каждом конкретном случае можно гибко устанавливать требуемое соотношение между качеством речи (скоростью ее передачи) и помехозащищенностью.

Связь по линии SCO реализуется по протоколу LMP (Link Manager Protocol), не предусматривающему повторной передачи потоков речевой информации. По линии синхронной связи передается служебное сообщение, в котором указываются основные параметры, необходимые для вхождения в синхронизм, — время начала передачи T_sco и период повторения временных интервалов Dsco.

Пакетная передача информации по ACL-линии осуществляется в двух режимах: асинхронном и изохронном. Каналы предоставляются по команде ведущего устройства, работающего в режиме опроса ведомых терминалов. Для каждой физической линии определен свой набор пакетов. Заметим, что между ведущим и ведомым терминалом допускается организация только одной ACL-линии.

Обмен данными по ACL-линии между ведущим и ведомыми устройствами происходит в режиме «точка—много точек». Пакеты могут иметь разную длину — 0,625 мс (1 интервал), 1, 875 мс (3 интервала) и 3,125 мс (5 интервалов) — и передаваться с кодированием или без кодирования. Максимальная скорость ACL-линии составляет 721 кбит/с в прямом канале и 57,6 кбит/с в обратном, что обеспечивается за счет объединения пяти интервалов и передачи информации без кодирования.

Технические возможности

В системе Bluetooth реализован гибридный метод доступа, в котором сочетается скачкообразная перестройка частоты и дуплексная передача с временным разделением каналов (FHSS/TDD). Информация передается пакетами во временных интервалах длиной 625 мкс с обязательной сменой частоты в каждом интервале. Максимальная скорость перестройки частоты — 1600 скачков в секунду. Временные интервалы, выделенные для приема и передачи, чередуются друг с другом в режиме дуплексной передачи с временным разделением (TDD).

Высокая помехоустойчивость и простота реализации системы достигаются за счет использования частотной манипуляции с гауссовским сглаживанием (G-FSK, Gaussian-shaped Frequency Shift Keying); коэффициент сглаживания формы входных импульсов — 0,35. Речевая связь осуществляется с помощью дельта-кодера CVSD, который обеспечивает непрерывное изменение крутизны наклона.

Благодаря успехам в микроэлектронике сегодня стала возможной реализация на одном кристалле приемопередатчика с энергопотреблением 100 мВт и выходной мощностью 1 мВт. Каждое устройство Bluetooth имеет свой 48-битный адрес, совместимый с форматом стандартной локальной сети IEEE 802.

Изделия Bluetooth могут встраиваться в компьютеры, сотовые телефоны и другое оборудование, а также выпускаться в виде автономных сетевых адаптеров.

Структура и формат пакета

Пакет имеет фиксированную структуру (рис. 2): он состоит из кода доступа, заголовка и полезной информации.

Код доступа необходим для идентификации ведущих устройств в сети, т.е. является уникальным для каждой пикосети. Ведомые устройства определяют соответствие входящих пакетов кодам доступа. В случае их несоответствия принимаемый пакет рассматривается как ошибочный и его информационное содержимое игнорируется. Код доступа применяется также для синхронизации, поскольку он обладает повышенной помехозащищенностью.

Заголовок пакета имеет фиксированную длину (54 бита) и передается с использованием сверточного кода (R=1/3). В нем содержится шесть полей: трехбитный адрес, тип пакета, бит управления потоком, признак повторной передачи (ARQ) и поле контроля ошибок в заголовке (HEC, Header Error Check). Длина блока данных изменяется от 0 до 2745 бит, а при необходимости он может снабжаться собственным заголовком.

Пикосети

Абонентские устройства Bluetooth объединяются в группы (пикосети), коллективно использующие один и тот же радиоканал (рис. 3). В состав каждой пикосети входят один ведущий приемопередатчик (с опорным генератором, который синхронизирует внутренний трафик сети) и до семи ведомых (синхронизируемых). Все опорные генераторы в сети имеют фиксированную настройку. Ведомое устройство вычисляет разность между частотами собственного и ведущего генераторов, и в процессе вхождения в синхронизм эта погрешность учитывается, что обеспечивает точное соответствие излучаемой частоты данного и ведущего устройств.

Вид псевдослучайной последовательности однозначно идентифицирует ведущий приемопередатчик, а ее фаза (псевдослучайный сдвиг) является адресным признаком ведомого устройства. Период повторения последовательности, определяющей закон перестройки частоты, достаточно большой (свыше 23 ч). В каждой пикосети используется своя псевдослучайная последовательность, что позволяет множеству пикосетей одновременно работать по одному и тому же каналу связи, не создавая взаимных помех.

Все устройства в пикосети равноправны и обладают одинаковыми возможностями (в отличие от сотовых сетей, где базовая станция принципиально отличается от абонентской как по пропускной способности, так и составу технических средств). Разница состоит лишь в статусе устройств (ведущее и ведомые).

16.10.2000г