Так, мобильные аппараты, бывшие сначала простыми абонентскими терминалами сотовой связи, теперь обладают почти такими же возможностями, как карманные ПК. Сегодня становится все более актуальным вопрос подключения переносных устройств к компьютерам для синхронизации данных электронных ежедневников и календарей, копирования документов и файлов приложений и т. д. А чтобы связать всю эту аппаратуру, понадобится множество кабелей, которые вечно путаются под руками. Однако здесь на помощь могут прийти технологии беспроводной связи. Об одной из них с ярким именем Bluetooth (в переводе с английского — Синий зуб) и будет рассказано ниже.

Разработку Bluetooth-технологии еще в прошлом тысячелетии (в 1994 г.) начала компания Ericsson Mobile Communications. Первоначальной ее целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и гарнитурами. Кроме того, согласно концепции Ericsson, новый интерфейс предназначался для передачи данных и голосовых сообщений, причем из любой точки мира.

PC-карта по интерфейсу Bluetooth может обмениваться данными со скоростью около 1 Мбит/с

И хотя данный проект казался вполне осуществимым, компания Ericsson решила организовать ассоциацию для обеспечения более широкой поддержки молодой технологии в таких секторах рынка, как настольные системы, карманные компьютеры и мобильные телефоны. И уже в феврале 1998 г. Ericsson совместно с Intel, IBM, Toshiba и Nokia сформировали специальную группу по разработке и продвижению новой технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Ныне в нее входит более 2000 различных фирм, в том числе такие крупные, как 3Com, Motorola, Compaq, Dell и Lucent Technologies. В результате возникла империя Вluetooth, куда более мощная, чем государство, которым управлял датский король.

Эта технология полностью открыта, а поэтому любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на ее основе. Была также разработана спецификация, включающая детальное описание методов использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных. Это должно исключить возможность появления несовместимых устройств. Кроме того, была установлена процедура сертификации продуктов на соответствие этим устройствам.

Данные по воздуху

Интервал частот для передачи данных определялся ограничениями по потреблению энергии и размеру устройств. Кроме того, приходилось учитывать, что большинство частот уже было занято государственными или коммерческими организациями, которые вовсе не собирались делиться. Выбор пал на диапазон 2,4 — 2,4835 ГГц, где оказалось технически возможным удовлетворить требованиям универсальности нового интерфейса (поддержка передачи и данных, и речи) и существующим ограничениям.

Мощность передающих устройств составляет от 1 до 100 мВт. Благодаря низкому уровню энергопотребления Bluetooth-модуль может питаться от одной батареи в течение нескольких месяцев. Максимальная дальность передачи информации по интерфейсу Bluetooth составляет около 10 м, а в случае применения дополнительных усилителей возрастает до 100 м. Скорость передачи достигает 1 Мбит/с, а с учетом трансфера различной служебной информации максимальная эффективная скорость передачи данных снижается до 721 кбит/с (90 Кбайт/с). Технология Bluetooth позволяет работать, основываясь как на принципе «точка — точка», так и «точка — несколько точек», т. е. в качестве многоточечного радиоканала.

Свобода: Bluetooth-наушники не требуют проводов для соединения с мобильным телефоном

Диапазон частот 2,4—2,4835 ГГц в большей части европейских стран и США относится к полосе для приборов промышленного, научного и медицинского применения — ISM (Industrial, Scientific, Medical), его эксплуатация не требует лицензирования. Во Франции и Испании эта полоса несколько у,же, так как использование части спектра запрещено военными (ISM для Франции — от 2,445 до 2,475 ГГц, для Испании — от 2,4465 до 2,4835 ГГц); подобные проблемы были и в Японии, но там их успешно разрешили. Из-за того что диапазон ISM открыт, в нем работает очень широкий спектр устройств, начиная с радиотелефонов и заканчивая пультами для открывания гаражных дверей и микроволновыми печами. В частности, сетевые платы, поддерживающие протокол беспроводной передачи данных IEEE 802.11b (и беспроводные системы Apple AirPort), также функционируют в этом интервале. В итоге в последнее время он превратился в частотную свалку: связь между Bluetooth-устройствами нарушается из-за работы находящихся поблизости других приборов, занимающих те же частоты. Особенно сильные помехи вызывают работающие микроволновые печи. Таким образом, новый стандарт столкнулся с первой большой проблемой — интерференцией с другими аппаратами.

Скачущая частота

Избежать интерференции помогает метод скачкообразного изменения частоты с расширением спектра (Frequency Hop Spread Spectrum — FHSS). Он хорошо подходит для радиосвязи с низким уровнем энергопотребления, в частности при создании беспроводных локальных сетей. Основные преимущества стандарта Bluetooth — высокая скорость изменения частоты (1600 скачков в секунду, что значительно больше, чем у конкурирующих интерфейсов) и короткая длина пакета данных.

В системах со скачкообразным изменением частоты весь диапазон длин волн разбивается на каналы. При передаче сведений по технологии Bluetooth каждый канал задействован в течение 1/1600 с, после чего сигнал псевдослучайным образом переходит на другой, отличный по частоте. Постоянное чередование частот позволяет интерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать проблем, вызванных интерференцией. Если передачи по одному из каналов не выйдет, скажем, из-за работающей микроволновой печи, то система перейдет на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится незашумленный. Для определения измененных или поврежденных данных в технологии Bluetooth заложены различные алгоритмы коррекции ошибок.

Временна,я схема передачи данных в Bluetooth На схеме показана параллельная передача данных по трем каналам. Интерференции между сигналами не возникает, так как каждый из них занимает свой частотный диапазон

Новый стандарт поддерживает полнодуплексную передачу путем временно,го разделения по 625-мкс интервалам приема и передачи данных (иначе называемых «тактами»). Для передачи синхронных пакетов резервируются временны,е такты. Для пересылки пакета данных, как правило, требуется один такт, но Bluetooth предусматривает и многотактовую пересылку информации (один пакет может занимать три или пять тактов). Блоки данных всегда передаются без частотного перехода и длина волны не меняется, пока блок не будет целиком отправлен.

Параметры контакта

Когда Bluetooth-устройства обмениваются информацией, то одно из них выбирается ведущим (обычно самое мощное), а остальные — ведомыми. Посылка тактирующих сигналов ведущим устройством и его идентификация — важные составляющие технологии со скачкообразным изменением частоты. Выбор частотного канала определяется последовательностью смены каналов и их фазой. Ведущий аппарат назначает порядок смены частот, а его системный генератор определяет фазу. Когда нужно синхронизировать ведомое и ведущее устройства, тактирование сигналов первого можно сдвинуть. В результате Bluetooth-соединение осуществляется после синхронизации работы тактовых генераторов подключенных устройств и выбора ими ведущего аппарата, полностью определяющего параметры связи. По спецификации Bluetooth весь частотный интервал разбивается на 79 несущих частот. Это правило действует во всех странах, за исключением Франции и Испании, где разрешено работать только на 23 несущих.

Согласно технологии Bluetooth, пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа, зависящий от выбора ведущего устройства и тактирования им сигналов. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. Каждый канал имеет уникальный код доступа, присутствующий во всех передающихся по нему пакетах. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах передачи (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию, размер которой может варьироваться от 0 до 2745 бит (от 0 до 340 байт).

Как связь держать?

Технология Bluetooth определяет два вида связи SCO (Synchronous Connection Oriented) и ACL (Asynchronous Connectionless). Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть. Аппарат, инициирующий связь, является ведущим. Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного однорангового соединения и в основном служит для передачи голосовых сообщений. Через определенные интервалы времени для этого типа связи резервируются два последовательных такта. Скорость передачи информации по SCO составляет 64 кбит/с. Второй, ACL, предназначен для передачи данных остальных типов. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа «точка—несколько точек». ACL используется при передаче мультитактовых пакетов со скоростью до 721 кбит/с. Ведущее устройство управляет пропускной способностью соединения и определяет, какую ее часть могут взять в оборот ведомые устройства пикосети. Кроме того, оно контролирует симметричность передачи данных (в случае, когда идет вещание на несколько абонентов) и может посылать различные сообщения аппаратам.

Пакетная передача данных контролируется так называемой схемой автоматического запроса на ретрансляцию (Automatic Retransmission Query scheme — ARQ scheme), предназначенной для проверки каждого принятого пакета на наличие ошибок. При их обнаружении принимающее устройство отмечает их в пакете, отсылаемом обратно. Следовательно, порча или потеря блока данных влечет за собой задержку всего лишь в один такт. Благодаря схеме вычисления контрольных сумм повторно посылаются только те пакеты, где содержались ошибки.

Поскольку процесс ретрансляции не оптимизирован для передачи речевых сообщений (из-за их чувствительности к задержкам), для них применяется стойкая к побитовым ошибкам схема кодирования звука. Из-за того что эти ошибки нельзя скорректировать, возникают фоновые шумы.

Распределенные сети и пикосети

Любые два Bluetooth-устройства, которые установили соединение, образуют пикосеть. В принципе число Bluetooth-модулей в ней 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. Первое 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 обратились в предшествующий период «ведущий—ведомым». Если в этом интервале у ведущего нет никакой информации для отправки ведомым, то он передает пакет только с кодом доступа и заголовком. Следовательно, обращение к каждому ведомому устройству происходит в определенном порядке согласно схеме опроса, и оно может посылать данные, только будучи опрошенным, благодаря чему обходятся всевозможные коллизии при отправке сообщений.

Перед присоединением к пикосети Bluetooth-модуль находится в спящем режиме, «просыпаясь» каждые 1,28 с для зондирования эфира на наличие сообщений, инициирующих связь. Эти сообщения передаются на 32 из 79 несущих частот (для Франции и Испании — на 16 из 23), называемых несущими побудки. Сначала используются половина таких частот, а если ответа нет, в ход идут оставшиеся. Система тактирования ведомого устройства определяет фазу пробуждающей последовательности сигналов, воспринимающихся им в течение 18 интервалов. Затем сравниваются полученный и собственный идентификаторы. Когда они совпадают, то инициируется процедура установления соединения. Для расчета корректного кода доступа и последовательности побудки, а также своевременной отсылки последней ведущий аппарат должен знать идентификатор ведомого и параметры работы тактирующего устройства последнего.

Когда нужно подключить устройства с неизвестными адресами, то сначала посылается сигнал запроса. В ответ на несущие побудки опрашиваемая машина посылает требуемый код доступа. Обычно сигналы запроса применяются для обнаружения аппаратных средств, таких как общедоступные принтеры, факсы, и подобных устройств, чей адрес неизвестен.

Технология Bluetooth предусматривает три энергосберегающих состояния: Hold (пауза), Sniff (внимание) и Park (парковка). Устройства переходят в них тогда, когда внутри пикосети не происходит передачи данных. Ведомое устройство может отослать запрос о своем переводе в состояние Hold или перейти в него по требованию ведущего устройства. Передача данных начинается сразу же после получения указания от ведущего устройства. Состояние Hold требуется при объединении нескольких пикосетей или управлении маломощными приборами вроде температурного датчика. В состоянии Sniff ведомое устройство прослушивает пикосеть с замедленным темпом, что снижает потребление энергии; в Park устройство остается синхронизированным с сетью, но не участвует в передаче данных.

Для оптимизации использования доступного спектра несколько пикосетей могут действовать на одной ограниченной территории. Их сообщество называется распределенной сетью. В этой ситуации все модули работают в одном и том же диапазоне, но каждая пикосеть имеет собственную последовательность смены частот и проводит трафик по разным каналам. Для оптимизации скорости передачи данных все пикосети должны быть небольшими. Если пользователь хочет подсоединить к своему мобильному телефону как можно больше устройств, то лучший способ добиться высокой скорости передачи данных — организовать как можно больше пикосетей. Расчеты с применением теории вероятности показывают, что можно объединить до восьми пикосетей, при этом уровень конфликтов останется приемлемо низким. Стоит отметить, что устройство, будучи ведущим в одной пикосети, может выступать в роли ведомого при обмене данными с устройством из другой пикосети.

Секретность

Поскольку Bluetooth является беспроводным решением, то вопрос об обеспечении безопасности передачи данных очень важен. Основная проблема — предотвращение возможностей подслушивания и фальсификации передающего устройства. Новый стандарт пре-дусматривает процедуры аутентификации устройств и кодирование данных. Сочетание этих процедур с методом скачкообразного изменения частоты и ограниченной дальностью передачи сигнала хорошо защищает новый интерфейс от прослушивания и фальсификации. Так как высокая степень безопасности требуется при выполнении далеко не каждого приложения, технология Bluetooth предусматривает три уровня защиты данных, начиная от полностью открытого и заканчивая уровнем с секретными 128-бит ключами связи, вырабатываемыми случайным образом для каждой пары соединенных устройств.

Фронт работ

Рассмотрим некоторые области применения нового интерфейса.

  • Автоматическая синхронизация настольных компьютеров, КПК, ноутбуков и мобильных телефонов. Например, при входе в офис записная книжка, календарь и список телефонов в настольном компьютере будут автоматически обновляться, выбирая нужные данные из ноутбука. Возможен вариант, когда начальник изменяет задание специалисту, которого в тот момент нет в офисе. Тогда рабочая станция первого отошлет изменения на мобильный телефон второго, который автоматически соединится с органайзером и обновит задание.
  • Построение системы без проводов. Внедрение новой технологии позволит подключить ПК к принтеру, сканеру и локальной сети, а также подсоединять беспроводные мышь и клавиатуру.
  • Получение электронной почты на КПК (ноутбук) с помощью мобильного телефона, причем компьютер не потребуется доставать из сумки или портфеля.
  • Использование беспроводных гарнитур.
  • Мгновенная передача фотографий и видеозарисовок. Благодаря беспроводному соединению цифровой камеры и мобильного телефона (или ПК, подключенного к сети) потребитель сможет отослать только что сделанные снимки на любой электронный адрес.
  • Проведение беспроводных конференций. На встрече пользователь сумеет поделиться своей информацией с любыми ее участниками без помощи кабеля. Он точно так же сможет установить связь с проектором и управлять им.
  • Беспроводной выход в Internet с мобильного телефона или модема.
  • И прочее, поскольку разработчики не собираются ограничиваться только соединениями мобильных телефонов и компьютерной техники, они обратили свои взоры и на хозяйства, где есть так много агрегатов, которые непременно надо соединить. Возможно, что это не так уж нужно, но вдруг кому-то захочется.

Сосчитаем зубы

Итак, Bluetooth — еще одна технология, которая избавляет пользователя от изрядно надоевших и мешающих проводов. Она пришла со стороны мобильных телефонов, где ее позиции, скорее всего, будут очень сильны, и IrDA не сможет составить ей достойной конкуренции. Но ниша портативных устройств разработчикам показалась слишком узкой, и они решили заодно оснастить дома и офисы пользователей беспроводными сетями. Безусловно, тут дела у «синезубки» пойдут не так гладко, ведь желающих подключить микроволновку к холодильнику уже предостаточно. Когда-нибудь кто-то, наверное, соединит эти два созданных друг для друга устройства, но будет ли это Bluetooth, пока неясно. Участники SIG еще пару лет назад наперебой рассказывали, какой большой процент мобильных телефонов будет оснащен Bluetooth-модулями и сколько подобных устройств будет продано по всему миру в 2000 г. Мы могли бы привести эти огромные цифры, но прошедший год со всей очевидностью показал, что предсказания не сбылись. Радужные перспективы разбились, столкнувшись с чисто техническими трудностями. К тому же рабочей группе никак не удается снизить стоимость Bluetooth-модулей до уровня 5 долл., а по расчетам экономистов достижение именно этой ценовой планки будет способствовать массовому внедрению новой технологии. Но несмотря ни на что Bluetooth имеет неплохой потенциал и при благоприятных условиях сможет занять ведущее место в сфере объединения компьютерных и портативных устройств, отхватив определенную долю рынка беспроводных локальных сетей.

Немного истории

Название технологии происходит от имени короля Дании Харальда Блатанда (Harold Blatand или Harold Blutand), правившего в Х в. Прозвище Blatand, означающее «темный», было дано ему за смуглую кожу и черные волосы (что было весьма нехарактерно для жителей Скандинавии того времени, да и нынешнего тоже). В результате постоянных войн ему удалось объединить под своей властью земли современных Дании и Норвегии и долгое время править ими. В истории он известен как Harold Bluetooth. Летописцы, вероятно, ошиблись, вряд ли он был настоящей «синезубкой», даже если очень любил чернику.

Основы

Чтобы предотвратить проблемы при взаимодействии устройств различных производителей, группа инженеров по Bluetooth разработала для нового стандарта подробные описания процедур, где указывалось, как должны выполняться различные приложения и задаваться параметры радиопередачи данных с учетом конкретного сценария. Кроме того, было определено, какие ниши отводятся всевозможным приложениям и устройствам в общей концепции новой технологии. Все остальные спецификации и методы применения Bluetooth базируются на четырех основных описаниях:

  • общего доступа — Generic Access Profile (GAP);
  • последовательной связи — Serial Port Profile (SPP);
  • службы поиска доступных приложений — Service Discovery Application Profile (SDAP);
  • процедуры обмена данными — Generic Object Exchange Profile (GOEP).

При выполнении приведенных в них условий Bluetooth-устройства обеспечивают следующее:

  • передачу файлов, в том числе и потоковую пересылку различных медиаформатов (причем пользователю будет доступно содержимое папок на удаленном устройстве);
  • выход в Internet (в частности, можно выйти в Сеть по коммутируемой линии с помощью мобильного телефона или беспроводного модема без непосредственного подключения их к компьютеру);
  • cинхронизацию данных для автоматического согласования содержимого файлов (например, между настольным компьютером, карманным ПК, ноутбуком и мобильным телефоном).

Кроме того, новая технология позволяет создавать различные многофункциональные устройства. Во первых, телефон «три в одном». Он может функционировать как обыкновенный радиотелефон, передающий информацию на базу с выходом на городскую АТС. Bluetooth-аппараты также могут соединяться напрямую со своими собратьями, действуя как walkie-talkie; при этом платить за разговоры не требуется. Но поскольку дальность Bluetooth-связи пока не превышает 10 м, данный способ общения вряд ли получит широкое распространение. А еще телефон может работать как мобильный абонентский терминал, соединяющий пользователей по сотовой связи. Во вторых, многофункциональные гарнитуры. Можно использовать Bluetooth-гарнитуры как удаленный интерфейс для ввода-вывода какого-либо устройства, в частности мобильного телефона или звуковой платы для ПК.

Претенденты на трон

Bluetooth — далеко не первая беспроводная технология, у нее есть конкуренты, также обладающие серьезной поддержкой и уже относительно давно присутствующие на рынке. Давайте сравним их.

IrDA

Достаточно широко распространенная технология IrDA (Infrared Data Association) обеспечивает беспроводное соединение между двумя устройствами, такими как мобильные телефоны, КПК и ПК. Однако большое число модификаций, сделанных различными компаниями, несовместимы между собой. Преимущества IrDA — скорость передачи данных (4 Мбит/с) — выше, чем у Bluetooth (1 Мбит/с), устройства на ее основе стоят меньше. Серьезные недостатки — малая дальность передачи данных (1 м), а также то, что порты устройств должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.

IEEE 802.11b

Сильный конкурент Bluetooth — приложения, поддерживающие стандарт IEEE 802.11b. Некоторые из них также используют скачкообразное изменение частоты при передаче данных. Но есть и некоторые отличия.

  • Приложения, поддерживающие IEEE 802.11b, обеспечивают более высокую скорость (до 11 Мбит/с) и большую дальность передачи данных (90 м);
  • системы IEEE 802.11b рассчитаны на большее число участников сети (до 127);
  • размеры модулей Bluetooth меньше и они дешевле;
  • скорость смены частотных каналов у Bluetooth гораздо выше (1600 против 2,5 раз в секунду у IEEE 802.11b).

HomeRF

Эта технология для создания домашних сетей разработана консорциумом, включающим такие крупные компании, как Microsoft, Intel, HP, Motorola и Compaq. Она работает на тех же частотах, что и Bluetooth, с которой имеет много общего (в частности, цену модулей, потребляемую устройствами мощность). Различия заключаются в максимальном числе узлов в сети (8 у Bluetooth против 127 у HomeRF) и скорости изменения частоты (50 против 1600 с-1 соответственно). Вероятно, что пользователи станут свидетелями (и участниками) великой битвы за право «осетевить» их дома. Основное преимущество HomeRF перед Bluetooth в том, что она уже прочно закрепилась на рынке.