Короткий огляд стека протоколу
Малюнок 1. Стек протоколу технології Bluetooth
На малюнку показано, що стек протоколу складається з рівня радіо в основі, яке формує фізичний інтерфейс з'єднання. Рівень протоколу зв'язку baseband і Link Manager Protocol (LMP) встановлюють і контролюють з'єднання між пристроями Bluetooth. Ці три рівні підстави здійснені в обладнанні / програмному забезпеченні. Рівень Host Controller потрібно, щоб з'єднати за допомогою інтерфейсу Bluetooth з верхнім протоколом-L2CAP (Logical Link Control і Adaptation Protocol). Провідний контролер потрібно тільки тоді, коли L2CAP постійно знаходиться в програмному забезпеченні в хості. Якщо L2CAP is також на модулі Bluetooth цей рівень не потрібно, тому що L2CAP може безпосередньо зв'язуватися з LMP і baseband. Програми постійно знаходяться вище L2CAP. Наступні підрозділи дають короткий опис кожного рівня.
Рівень зв'язку
Зв'язок працює у вільному ISM діапазоні смузі близько 2.4GHz і використовує поширення спектру. Цей діапазон простирається від 2400 до 2483.5 МГЦ в більшості країн, і цілий діапазон використовується для оптимізації поширення спектру. Однак для деяких країн з меншим ISM діапазоном також використовується нижня шкала. Для поширення спектру використовується техніка frequency hopping (FH). Оскільки в цьому діапазоні можуть існувати і здійснювати втручання багаторазові нескоординовані мережі, використовуються швидкі FH і короткі передачі даних, оскільки відсоток помилки може бути високим, особливо з-за сильного втручання від мікрохвильових печей, які працюють у цій частоті. CVSD-кодування адаптоване під голосові передачі, які можуть викликати високий відсоток помилок. Додатково, заголовки пакетів захищені спеціальною схемою корекції помилок для додання стійкості проти збоїв.
Переходи по частоті фіксуються на 2402 k МГц, де k = 0,1 ,..., 78. омінальная частота переходу - 1600 стрибків в секунду.
Baseband
Baseband - рівень протоколу, контролюючий зв'язок. Baseband контролює послідовності перельоту частоти і дбає про кодування рівня для безпечних з'єднань. Можуть бути встановлені два типи з'єднань:
- SCO: Синхронне орієнтоване з'єднання. Ці сполуки передбачаються для передачі синхронних даних типу голос.
- ACL: Асинхронне з'єднання. Такі з'єднання можуть використовуватися для додатків передачі даних, які не вимагають синхронного зв'язку.
Baseband забезпечує функціональні можливості, необхідні для пристроїв, щоб синхронізувати їх годинник і встановлювати з'єднання. Також забезпечуються процедури запиту для виявлення адреси пристроїв, що знаходяться поблизу. Виправлення помилки для пакетів забезпечується в залежності від типу пакета. Різні типи пакету визначені для деяких загальних додатків, які відрізняються за їх місткості даних і накладних витрат по виправленню помилки. П'ять різних типів каналу забезпечуються для інформації контролю, інформацією управління з'єднанням, синхронними і асинхронними даними. Визначено функції, необхідні для генерації клавіш кодування і клавіш з'єднання. Більш детальний опис деяких з операцій baseband, пов'язаних з встановленням з'єднання, є в розділі.
Протокол Менеджера зв'язку
Основні функції LMP можна класифікувати
- 1. Управління мережею Piconet
- 2. Конфігурація сполук
- 3. Функції безпеки
Рiconet є групою пристроїв, пов'язаних із загальним каналом, який ідентифікований з його унікальною послідовністю "перельоту".
Фундаментальні "будівельні блоки" топографії Bluetooth - це пристрої майстер і слейв, де пристрій майстер в піконет забезпечує генерацію синхронизирующих імпульсів і послідовність стрибків для синхронізації всіх інших пристроїв у піконет. Один з пристроїв, зазвичай той, який першим здійснив підключення, називається "master". До master `у може бути активно приєднано до семи пристроїв і набагато більше може бути підключено в стані" parked "(низького енергоспоживання). Пристрої в мережі piconet можуть з'єднуватися один з одним за допомогою SCO або ACL. Канал управляється master `ом, за допомогою Lin Manager в кожному пристрої. Будь-які два або більше пристроїв для з'єднання повинні встановити між собою мережу piconet. У той же час кожен пристрій може одночасно належати декількох мереж. (Мал.2). Майстер також нумерує канали зв'язку. Майстер визначає шаблон, на якому будуть працювати всі слейв-пристрої його мережі піконет, і синхронізує її роботу.
Стандарт Bluetooth має з'єднання незалежних і навіть не синхронізованих між собою піконет (до 10) в мережу scatternet. Для цього кожна пара пікомережі повинна мати як мінімум однин загальний пристрій, який буде майстром в одній і слейвом в іншій. Таким чином, в межах окремої scatternet з інтерфейсом Bluetooth може бути одночасно пов'язано максимум 71 пристрій, проте ніхто не обмежує застосування пристроїв-гейтів, які використовують той же інтернет для більш далекого зв'язку.
Малюнок 2: Piconet і Scatternet.
a) piconet між двома пристроями (або один майстер і один слейв)
b) piconet між кількома пристроями (мультислейв до 7 "слейвів" з одним майстром)
c) scatternet, комбінація мереж piconet (може з'єднувати до 10 піконет).
LMP забезпечує функціональність приєднаний / від'єднаних пристроїв "slave", обмін функціями між пристроями master і slave та з'єднання ACL / SCO. LMP також обробляє пристрої в режимах низького енергоспоживання, hold, sniff і park, створених для збереження енергії, якщо пристрої не мають даних для передачі.
Завдання конфігурації з'єднання включають в себе параметри установки з'єднання, якість сервісу і контроль потужності, якщо це підтримується пристроєм. LMP також забезпечує ідентифікацію пристроїв, які будуть з'єднані, і управління клавішами з'єднання.
Логічний контроль зв'язку і Адаптаційний протокол
Це протокол, з яким взаємодіє більшість додатків, якщо ведучий контролер не використовується. Основні функції L2CAP:
Мультіорганізація Протокол повинен дозволяти декільком додаткам одночасно використовувати з'єднання між двома пристроями.
Сегментація і Повторне об'єднання
Протокол повинен зменшити розмір пакетів, забезпечених додатками до розміру пакетів, прийнятих рівнем baseband. Сам L2CAP приймає розміри пакету до 64Кб, але пакети baseband можуть приймати до 2745 bits. Для отриманих пакетів повинна бути виконана зворотна процедура об'єднання сегментованих пакетів в належному порядку.
Якість обслуговування
L2CAP дозволяє додаткам вимагати QoS на деяких параметрах, типу пікової пропускної здатності, часу очікування та зміни затримки.
В основному, L2CAP забезпечує функції мережевого рівня до додатків і більш високим протоколів.
Інтерфейс головного контролера
Основна структура, що показує, як рівні головного контролера розташовані всередині стека протоколу, зображена на Мал.3.
Малюнок 3: Провідний контролер в стеку протоколу.
Для більшості пристроїв модуль підтримки Bluetooth може бути додано в якості плати розширення, наприклад, для ПК або ноутбука апаратні засоби Bluetooth можуть бути додані як PCI-карта або USB-адаптер. Апаратні модулі звичайно здійснюють більш низькі радіо рівні, baseband і LMP. Тоді дані, які будуть надіслані LMP і baseband, йдуть з фізичної шині, наприклад, USB. Драйвер для цієї шини потрібно на хості, яким є PC, і на апаратній карті Bluetooth потрібно "інтерфейс контролера хоста", щоб прийняти дані з фізичної шині. Таким чином, потрібні такі додаткові рівні:
HCI драйвер
Це драйвер для інтерфейсу головного контролера хоста, вище фізичної шини, форматує дані, які будуть прийняті контролером хоста на апаратних засобах Bluetooth.
Інтерфейс головного контролера
Розміщується на апаратних засобах Bluetooth і підтримує зв'язок поверх фізичної шини.
Рівень програми
До L2CAP можна звертатися безпосередньо додатками або через протоколи підтримки подібно RFCOMM, TCS і SDP, згаданим раніше. Додатки можуть використовувати інші протоколи типу TCP-IP або WAP. Додатки можуть самостійно запускати протоколи, наприклад, PPP (Протокол "точка-точка"), FTP (протокол передачі файлів) або інші певні протоколи, як буде потрібно додатком. Програма може використовувати SDP, для перевірки, які потрібні сервісні можливості пристроїв, доступних в зоні дії. Багато моделей використання були запропоновані виробниками. Деякі з них:
- 1. Три в одному: окрема телефонна трубка працює як селекторна зв'язок в офісі (ніякої плати за користування телефоном), Всякий раз можна використовувати будь-який з цих трьох режимів - як селекторний зв'язок, як PSTN і як мобільний телефон.
- 2. "Портфельна хитрість": RF-зв'язок не потребує прямої видимості між пристроями. Значить, мобільний телефон може під'єднатися до ноутбука навіть тоді, коли той перебуває в портфелі, і використовувати доступ до його можливостей, наприклад, до електронної пошти.
- 3. Автоматичний Синхронізатор: забезпечення бездротового зв'язку між PDA користувача, портативної ЕОМ і мобільним дозволить додаткам автоматично оновлювати та синхронізувати органайзер та інші дані, якщо модифікації зроблені на одному пристрої.
- 4. Бездротові навушники (гарнітури): Вони дозволяють доступ до мобільних пристроїв користувача і навіть до аудіо, в той час як пристрої знаходяться в кишені користувача. Таким чином, буде можлива операція hands-free.
- 5. Автомобільні комплекти: пристрої hands-free дозволяють водіям користуватися телефоном без відриву від управління автомобілем.
Крім цього, було запропоновано велику різноманітність інших програм у домашньої автоматизації, обмін даними на нарадах без використання додаткового обладнання, керуючих пристроями через бездротове портативний пристрій при прогулянках, пропозиції системи захисту, мережеві доступи в громадських місцях, деякі з яких успішно демонструвалися на виставках або вже продаються.
Малюнок 4. Огляд протоколів технології Bluetooth
На малюнку представлений огляд протоколів, що використовуються і підтримуваних Bluetooth, і показано, яким чином вони взаємодіють між собою. Як завжди на такого роду схемах, протоколи зображені відповідно до їх приблизної ієрархії, причому "вищі" протоколи розташовані вгорі. У контексті обміну даними з цієї ієрархічності можна зробити 2 висновки:
1.Більш високі протоколи залежить від більш низьких в плані свого існування. Але більш низькі протоколи можуть працювати і без більш високих, або підтримувати інші протоколи на більш високих рівнях.
2.Більш високі протоколи зазвичай "ближче" користувачеві, оскільки вони забезпечують людино-орієнтовані сервіси.
Ці протоколи можуть бути розділені на 4 категорії:
1. основні протоколи
2. протокол заміни кабелю
3. керуючий протокол телефонії
4. отримані протоколи.
Техніка для комунікацій дальньої дії на основі Bluetooth Хоча технологія Bluetooth мається на увазі для комунікацій на близькі відстані, дистанцію взаємодії пристроїв, як уже згадувалося, можна розширити до 100 метрів. Беручи до уваги рівні стійкості до фонового шуму (при чутливості приймача -70 dBm), необхідна вихідна потужність від всеспрямованого передавача 100 mW. Ця передавальна потужність класифікується як "Class 1", і специфікується в розділі "Радіоспеціфікаціі" у збірнику специфікацій Bluetooth, ver. 1.0, ref. 2. Ця специфікація означає, що передавач має ефективний регулятор для зменшення перешкод.
Малюнок 5. Прийомопередавач Bluetooth
Як можна бачити на малюнку, в RF-частини прийомопередавача Bluetooth є:
1.полоса пропускання, яка видаляє всі частоти поза діапазону в 1 Мгц, який використовується в цей момент як для передачі, так і для прийому
2. Перемикач передачі-прийому, який з'єднує підсилювач потужності з антеною під час передачі, а також LNA з антеною під час прийому
3.LNA, або Low-Noise Amplification - малошумне посилення.
Специфікація накладає деякі обмеження на роботу RF-частини. Джерело живлення повинно давати від 2.7 до 5 вольт, і повинно працювати при температурах від -20 до +60 C, а його ефективність повинна становити принаймні 30% при 140 мА. Вихідна потужність повинна також відключатися під час прийому. Один з продуктів, що відповідає цим вимогам, називається "MAX2240". Два цифрових керуючих біта використовуються для установки VGA (Variable Gain Amplification) на 4 окремих рівня, результатом чого є 4 окремих рівня вихідної потужності.
