Bluetooth — беспроводная технология коммуникаций

Мы вечно к чему-то привязаны (речь не о человеческих чувствах, конечно). Утюгом мы привязаны к розетке, телефонной трубкой — к аппарату. И, наверное, каждому, кто имеет дело с вычислительной техникой, не хватало для «полного счастья» 15 см интерфейсного кабеля, соединяющего системный блок с принтером, чтобы установить его в удобном месте.

Во многих случаях наше врожденное стремление к свободе ограничивается длиной соединительного кабеля. Поэтому к четырем демократическим свободам (совести, собраний, слова и печати) настойчиво стучится пятая — свобода перемещений без потери информационного канала.

Рассматривая ограничения последней как нарушение прав человека, пять лидирующих в области информационных технологий компаний - Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba -объединились для создания технологии беспроводной связи, которая получила кодовое название Bluetooth («Голубой зуб»). Это название может вызвать недоумение, если не заглянуть в глубь веков: именно так переводится на английский язык фамилия датского короля Харальда Блаатан-да (Harald Blaatand), объединившего Данию во второй половине X века. Так что подтекст вполне понятен.

Возвращаясь к существу дела, следует сказать, что несколько лет назад телекоммуникационная и компьютерная индустрии осознали тот факт, что создание беспроводных коммуникаций с низкими стоимостью и потреблением энергии вполне реально. Такая повсеместная связь, реализуемая в диапазоне радиочастот, которая могла бы осуществляться в любой момент, обеспечила бы некоторую единую основу для коммуникаций между принтерами, PDA, десктопами, клавиатурой, джойстиками. Вообще говоря, любое цифровое устройство может быть частью системы Bluetooth. Но, кроме возможности избавиться от пут соединяющих кабелей, эта технология обеспечит универсальный мост к существующим проводным сетям, а также механизм для построения сетей ad hoc для создания временных рабочих групп.

Каждая из компаний, вошедшая в альянс, вносит свой вклад в разработку технологии. Ericsson занимается вопросами обмена информацией в радиочастотном диапазоне, Toshiba и IBM разрабатывают общие спецификации для интегрирования технологии Bluetooth в мобильные устройства, Intel будет заниматься разработкой чипов и программного обеспечения, a Nokia - радиотехнологией и ПО для микротелефонной гарнитуры. С целью реализации технологии Bluetooth в различных устройствах приглашены к сотрудничеству ряд других компаний, среди которых Motorola, 3Com Palm, Lucent Technologies, Qualcomm. Для развития концепций и популяризации технологии Bluetooth в начале 1998 г. была создана инициативная группа (Special Interest Group — SIG), с результатами деятельности которой можно ознакомиться на Web-страничке www.bluetooth.com.

ТЕХНОЛОГИЯ

Bluetooth будет использовать нелицензируемый в цивилизованном мире коротковолновый радиодиапазон 2,45 GHz, который отведен для нужд индустрии, медицины и науки (Industrial, Medical and Scientific band - ISM). Обмен данными осуществляется в основной полосе (baseband), т. е. передается немодулированный цифровой сигнал. На физическом уровне используется метод скачущего переключения частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Этот метод был подробно рассмотрен в статье «Беспроводные локальные сети» в № 18 «Компьютерного Обозрения», поэтому здесь мы остановимся на нем вкратце.

Выделенная полоса частот разделяется на 79 поддиапазонов, каждый шириной 1 MHz. Передатчик и приемник переключаются на узкополосные несущие разной частоты в предопределенной последовательности, которая кажется случайной. По сравнению со стандартом 802.11 для беспроводных локальных сетей, в котором минимальная частота переключений составляет 2,5 скачка в секунду, технология Bluetooth предусматривает 1600 переключений в секунду и более короткую длину пакетов. Это обеспечивает устойчивую работу в зашумленной среде и ограничивает помехи от микроволновой аппаратуры. Максимальная скорость передачи составляет 1 Mbps. Для дуплексного режима используется разделение по времени (Time Division Duplexing Multiple Access - TDD), t. e. передача в противоположных направлениях выполняется в одном и том же радиоканале в последовательно выделяемых временных отрезках (слотах).

Протокол передачи в основной полосе является комбинацией коммутации каналов и коммутации пакетов. Слоты могут резервироваться для синхронной передачи пакетов, при этом каждый пакет передается на разной частоте. Номинально время передачи одного пакета не превышает длительности одного временного слота, хотя в некоторых случаях оно может составлять до пяти слотов.

Технология Bluetooth может поддерживать один канал для передачи данных в асинхронном режиме, до трех синхронных голосовых каналов или канал для одновременной передачи данных в асинхронном режиме и голоса в синхронном. Каждый синхронный голосовой канал имеет полосу пропускания 64 Kbps, в то время как асинхронный канал может поддерживать асимметричную передачу со скоростью 721 Kbps в одном направлении и 57,6 Kbps в обратном или симметричную со скоростью 432,6 Kbps в обоих направлениях.

ТОПОЛОГИЯ

Технология Bluetooth поддерживает соединения типа точка—точка и один—ко многим. Несколько piconet могут устанавливать между собой непланируе-мые (ad hoc) соединения, при этом каждая из них идентифицируется отличной от других схемой FHSS. Все устройства, принадлежащие одной piconet, синхронизируются этой уникальной последовательностью переключений.

МЕХАНИЗМ УСТАНОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ

До того как будет установлено какое-либо соединение, все устройства в piconet находятся в состоянии резервирования (standby mode). В этом режиме устройство периодически прослушивает эфир каждые 1,28 секунд. Прослушивание выполняется на 32-х предопределенных частотах, входящих в последовательность переключений для этого устройства. Отметим, что количество переключений (скачков) варьируется в зависимости от региона. Поскольку все устройства, входящие в piconet, равноправны, процедура установления связи может инициализироваться любым из них, которое затем становится ведущим. Связь устанавливается с помощью двух видов сообщений — page message (страница), если МАС-адрес известен, и inquiry message (запрос), за которым следует последовательность раде

message, в противном случае. При установке связи с помощью page message ведущее устройство посылает последовательность из 16-ти идентичных сообщений на 16-ти различных частотах, определенных для подчиненного устройства. В случае отсутствия ответа ведущее устройство повторяет посылку на оставшихся 16-ти частотах. Inquiry message во многом похоже на раде message, но требует дополнительного времени на сбор ответов. Запрос обычно используется для поиска принтеров, факсов и подобных устройств с неизвестными адресами.

Режимы с пониженным потреблением энергии используются в том случае, если между связанными устройствами отсутствует обмен данными. Ведущее устройство может перевести подчиненное устройство в режим hold, при котором работает только внутренний таймер. В свою очередь, подчиненное устройство может «попросить» ведущее перевести его в режим hold. Передача данных возобновляется сразу же после выхода устройств из этого режима. Обычно режим hold используется при связи между несколькими piconet или при управлении маломощными устройствами, такими, как температурные датчики. Имеются еще два режима с более низким потреблением энергии. В режиме sniff подчиненное устройство прослушивает эфир через более продолжительные интервалы времени, чем в режиме standby. Длительность интервала либо программируется, либо определяется приложением. В режиме park устройство все еще синхронизируется, но не участвует в обмене данными. Запаркованное устройство передает по запросу свой МАС-адрес и изредка прослушивает трафик ведущего устройства для синхронизации и приема широковещательных сообщений.

КОРРЕКЦИЯ ОШИБОК

В технологии Bluetooth реализованы схемы прямого исправления ошибок (Forward Error Correction — FEC) и автоматического запроса на повторение (Automatic Repeat reQuest — ARQ). Первая схема предусматривает наличие в передаваемом пакете избыточной информации, позволяющей исправить ошибку. Во второй схеме каждый следующий после передачи временной слот используется приемником для подтверждения.

Безусловно, технология предназначена прежде всего для мобильных пользователей. Она исключает необходимость приооретать и возить с собой всевозможные соединительные каоели, обеспечивая связь между устройствами через единый порт. Кроме этого, она предоставит возможность полностью беспроводного доступа в Internet через мобильный телефон. Это, конечно, далеко не все привлекательные стороны технологии Bluetooth.

Определим понятия, специфические для технологии Bluetooth. Некоторые мы оставим без перевода, поскольку подобрать русскоязычный эквивалент не удалось.

Piconet - совокупность устройств, связанных посредством технологии Bluetooth и работающих по одной схеме FHSS. Минимальное количество устройств, очевидно, равно двум, а максимальное не должно превышать восьми.
Scatternet - несколько независимых и несинхронизированных piconet.
Ведущее устройство (master unit) - устройство, тактовые импульсы и схема переключения частоты которого используются для синхронизации других узлов в piconet.
Подчинеппые устройства (slave unit) - все устройства в piconet. которые не являются ведущими. МАС-адрес- 3-битовый адрес, используемый для идентификации устройств в piconet
Запаркованное устройство (parked unit) - устройство в piconet. которое синхронизируется, но не имеет МАС-адреса.
Режимы сторожевой и приостановки (sniff and hold mode)-синхронизированные устройства в piconet. находящиеся в режиме пониженного энергопотребления.