Технологии Bluetooth

    Министерство  образования и науки Украины

    Национальный Технический Университет

    «Харьковский Политехнический Институт»

    Факультет «Компьютерные и информационные технологии»

    Кафедра «Мультимедийных информационных технологий и систем» 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по дисциплине «Радиотехнические системы"

Тема: Технологии Bluetooth 
 
 
 
 

     Выполнила: студентка группы КИТ-71

                                                       Корчагинцева И. А.

     Проверил: доцент кафедры Нос А. И. 
 
 
 

Харьков-2011

    Содержание

Введение …………………………………………………………………… 3

1. Общая характеристика Bluetooth ……………………………………… 4

      1.1 Что такое Bluetooth? ……………………………………………. 4

      1.2 Как работает Bluetooth ………………………………………….. 6

2. Технология  Bluetooth – как способ беспроводной передачи

Информации …………………………………………………………………7

      2.1 Концепция технологии Bluetooth ………………………………. 7

      2.2 Технические аспекты установки  соединения между Bluetooth устройствами ……………………………………………………………….. 7

3. Анализ беспроводных  технологий и перспективы развития технологии Bluetooth ……………………………………………………………………. 11

      3.1 Анализ аналогичных технологий. А так же их преимущества и недостатки по отношению к Bluetooth …………………………………… 11

      3.2 Перспективы развития технологии  Bluetooth ………………… 15

Заключение ………………………………………………………………… 18

Список литературы ………………………………………………………... 19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    В начале 1998 года пять крупных компаний: Ericsson, Nokia , IBM, Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG) для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке. Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В SIG уже состоит около 2000 компаний.

    Как появилось название Bluetooth 
Своё название технология Bluetooth получила в честь короля викингов, которого звали Харольд Голубой Зуб. Такое прозвище ему дали из-за потемневшего переднего зуба. Харольд жил в Дании более тысячи лет назад и вошёл в историю благодаря тому, что объединил датчан и принёс им христианство. И, как напоминание о ведущей роли скандинавов в мобильной связи, компании Ericsson, IBM, Nokia и Toshiba назвали свою технологию, которая должна творить историю, именем воина воина-викинга.

    Bluetooth позволяет объединять в локальные  сети любую технику: от мобильного телефона и компьютера до холодильника. При этом, одними из немаловажных параметров новой технологии должны были стать низкая стоимость устройства связи - в пределах 20 долларов, соответственно небольшие размеры (ведь речь идет о мобильных устройствах) и, что немаловажно, совместимость, простота встраивания в различные устройства.  
В отличие от технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), работающей по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth разрабатывалась для работы как по принципу "точка-точка", так и в качестве многоточечного радиоканала, управляемого многоуровневым протоколом, похожим на протокол мобильной связи GSM. Bluetooth стала конкурентом таким технологиям, как IEEE 802.11, HomeRF и IrDA, хотя последняя и не предназначена для построения локальных сетей, но является самой распространенной технологией беспроводного соединения компьютеров и периферийных устройств.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общая характеристика  Bluetooth

1.1 Что такое Bluetooth?

    Bluetooth - это современная технология  беспроводной передачи данных, позволяющая  соединять друг с другом практически  любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты  и даже холодильники, микроволновые  печи, кондиционеры. Соединить можно все, что соединяется (то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth). Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.

     Bluetooth - это маленький чип, представляющий собой высокочастотный

     (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик, работающий  в диапазоне ISM (Industry, Science and Medicine; промышленный, научный и медицинский). Для использования этих частот  не требуется лицензия. Скорость  передачи данных, предусматриваемая стандартом, составляет порядка 720 Кбит/с в асимметричном режиме и 420 Кбит/с в полнодуплексном режиме. Обеспечивается передача трех голосовых каналов, но не видеосигнала. Энергопотребление (мощность передатчика) не должно превышать 10 мВт. Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Как радиотехнология, Bluetooth способна "обходить" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими). Естественно, для реализации технологии Bluetooth на практике необходимо определенное программное обеспечение. Кстати, в новую версию операционной системы MS Windows Whistler встроена поддержка Bluetooth 

1.2 Как работает Bluetooth

    Технология  использует небольшие приемопередатчики  малого радиуса действия, либо непосредственно  встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Адаптеры работают в радиусе 10 метров и, в отличие от IrDA, не обязательно в зоне прямой видимости, то есть, между соединяемыми устройствами могут быть различные препятствия, или стены.

    Bluetooth работает на не лицензируемой  во всем мире частоте 2.45 Ггц  (полоса промышленного, научного  и медицинского применения ISM - Industry, Science, Medicine), что позволяет свободно использовать устройства Bluetooth во всем мире. Радиоканал обеспечивает скорость 721Кбит/с и передачу 3 голосовых каналов. Технология использует FHSS - скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/с) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных и обеспечивается простая интеграция с TCP/IP. Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала. Энергопотребление устройств Bluetooth должно быть в пределах 0.1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802. Не решенным пока вопросом остается использование не лицензированного диапазона 2.4 Ггц. В этом диапазоне уже работают много устройств: от беспроводных сетей (в том числе и Bluetooth) до микроволновых печей. Такая насыщенность может вызвать помехи, взаимные влияния и конфликты между устройствами 

2. Технология Bluetooth – как способ беспроводной передачи информации 

2.1 Концепция технологии Bluetooth:

     Технология Bluetooth предусматривает три уровня защиты:

1. Минимальная  - данные кодируются общим ключом  и могут приниматься любым устройством без ограничения.

2. Защита на  уровне устройства - в чипе прописывается  уровень доступа, в соответствии с которым устройство может получать определенные данные от других устройств. 
3. Защита на уровне сеанса связи - данные кодируются 128-битными случайными номерами, хранящимися в каждой паре чипов, участвующих в конкретном сеансе связи.

     Чип Bluetooth реализован с учетом всех современных  тенденций. Размер чипа - менее одного квадратного сантиметра. Применяемая  частота позволяет ограничить потребляемую мощность 1мВт. Подобные характеристики позволяют интегрировать чипы Bluetooth в таких устройствах, как мобильные телефоны и карманные компьютеры. 

2.2 Технические аспекты установки соединения между Bluetooth устройствами

    Оказавшись  рядом, Bluetooth устройства могут устанавливать  не только соединения типа точка-к-точка, когда имеется только два устройства, но и точка-к-многоточек, когда одно устройство одновременно работает с несколькими другими. При соединении одного устройства с несколькими другими, устройство которое обслуживает несколько соединений, называется master, а подключенные устройства - slave. К одному master’у может быть подключено до семи активных slave. Кроме активных slave (то есть, устройств, которые активно обмениваются данными), может существовать множество неактивных slave, которые не могут обмениваться данными с master, пока заняты все каналы, но, тем не менее, остаются, синхронизированы с ним. Такая структура называется piconet.

     В одной piconet может быть только один master, однако каждый slave может одновременно являться master’ом для других устройств, и образовывать свой piconet. Несколько piconet объединенных таким образом образуют scatternet. В рамках scatternet разные устройства могут не только быть одновременно master и slave одновременно для различных piconet, но и просто slave для разных piconet. Более наглядно с этой структурой можно ознакомиться на представленном ниже рисунке 1:

    Рисунок 1. Структура взаимодействия master и slave

     Более того, в случае необходимости любой slave в piconet может стать master. Естественно, старый master при этом становится slave. Таким образом, в scatternet могут объединяться столько Bluetooth устройств, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно, в случае необходимости. Единственное условие, различные piconet входящие в один scatternet должны иметь разные каналы связи, то есть работать на различных частотах и иметь различные hopping channel.

     Hopping - это регулярная смена частот, определяемая параметрами hopping sequence. Всего спецификация предусматривает 10 вариантов hopping sequence, 5 с циклом в 79 смен и 5 с циклом в 23 смены. С любым hopping sequence частоты сменяются 1600 hops/sec. Используется hopping для того, что бы бороться с затуханием радиосигнала и интерференцией.

     Как уже говорилось, автоматическая установка  соединения между Bluetooth устройствами, находящимися в пределах досягаемости является одной из важнейших особенностей Blueooth, поэтому первое, с чего начинается работа Bluetooth устройства в незнакомом окружении - это device discovery, или, по-русски, поиск других Bluetooth устройств. Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth устройств, но и от режима в котором находятся эти устройства.

     На  этом этапе возможно три основных режима:

Discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства всегда отвечают на все полученные ими запросы.

Limited discoverable mode. В этом режиме находятся устройства которые могут отвечать на запросы только ограниченное время, или должны отвечать только при соблюдении определённых условий.

Non-discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства, как видно из названия режима, не отвечают на новые запросы.

     Но  это ещё не всё. Даже если удаётся  обнаружить устройство, оно может  быть в connectable mode или в non-connectable mode. В non-connectable mode устройство не позволяет настроить некоторые важные параметры соединения, и, таким образом, оно хоть и может быть обнаружено, обмениваться данными с ним не удастся. Если устройство находится в connectable mode, то на этом этапе Bluetooth устройства договариваются между собой об используемом диапазоне частот, размере страниц, количестве и порядке hop’ов, и других физических параметрах соединения.

     Если  процесс обнаружения устройств  прошёл нормально, то новое Bluetooth устройство получает набор адресов доступных Bluetooth устройств, и за этим следует device name discovery, когда новое устройство выясняет имена всех доступных Bluetooth устройств из списка. Каждое Bluetooth устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес (вроде как MAC-адреса у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным. Имя Bluetooth устройства может быть длиной до 248 байт, и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8. Спецификация предусматривает, что Bluetooth устройства не обязаны принимать больше первых 40 символов имени другого Bluetooth устройства. Если же Bluetooth устройство обладает экраном ограниченного размера, и ограниченной вычислительной мощью, то количество символов, которое оно примет может быть уменьшено до 20.

     Ещё одной из важнейших особенностей Bluetooth является автоматическое подключение Bluetooth устройств к службам, предоставляемым другими Bluetooth устройствами. Поэтому, после того как имеется список имён и адресов, выполняется service discovery, поиск доступных услуг, предоставляемых доступными устройствами. Получение или предоставление, каких либо услуг - это то, ради чего всё собственно и затевалось, поэтому для поиска возможных услуг используется специальный протокол, называемый, как несложно догадаться, Service Discovery Protocol (SDP).

     Естественно, Bluetooth не могла обойтись без такой  важной вещи, как технология защиты передаваемых данных, встроенной в сам протокол. В зависимости от выполняемых задач, предусмотрено три режима защиты в которых может находится устройство:

Security mode 1 (non secure), устройство не может самостоятельно инициировать защитные процедуры.

Security mode 2 (service level enforced security), устройство не инициирует защитные процедуры пока не установлено и не настроено соединение. После того как соединение установлено, процедуры защиты обязательны, и определяются типом и требованиями используемых служб.

Security mode 3 (link level enforced security), защитные процедуры инициируются в процессе установления и настройки соединения. Если удалённое устройство не может пройти требований защиты, то соединение не устанавливается.

      Естественно, что Security mode 3 и 2 могут использоваться вместе, то есть сначала устанавливается защищённое соединение, а потом оно ещё защищается в соответствии с требованиями и возможностями конкретной службы.

     Основой системы безопасности Bluetooth, используемой в Security mode 3, является понятие сеансового ключа, или Bond. Сеансовый ключ генерируется в процессе соединения двух устройств, и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных. Для генерации ключа могут использоваться самые различные составляющие, от заранее известных обоим устройствам значений, до физических адресов устройств. Комбинируя защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений (где может использоваться абсолютно любая из существующая на сегодня систем защиты данных) можно создавать достаточно надёжно защищённые соединения. Но всё равно, очевидной слабостью Bluetooth соединений с точки зрения построения защищённых соединений остаётся возможность перехвата трафика, причём для этого даже не придётся использовать, какое либо специфическое оборудование. Впрочем, эта проблема не нова, и в настоящее время часто приходится использовать открытые сети, вроде Интернет, где возможен перехват трафика, для передачи закрытых данных.  

3. Анализ беспроводных технологий и перспективы развития технологии Bluetooth. 

3.1 Анализ аналогичных технологий. А так же их преимущества и недостатки по отношению к Bluetooth.

      В настоящее время со всех сторон обсуждаются проблемы технологии Bluetooth. Но эта технология имеет нескольких конкурентов. Ни один из них не представляет серьезной угрозы "синим зубам", но все же следует рассмотреть наиболее значимые из них. Это: 

1) протокол инфракрасной  передачи данных IrDA (Infrared Data Association), который обеспечивает беспроводную связь устройств, использующих для таких же целей кабельное соединение;

2) Home/SWAP, технология  локальных беспроводных сетей;

3) IEEE 802.11, беспроводной  стандарт Ethernet. 

      IrDA. Стандарт передачи данных, работающий по принципу "точка-точка", имеющий узкий угол охвата (конус 30 градусов), радиус действия до одного метра, совместимость с предыдущими стандартами, скорость передачи данных от 4 Мб/с до 16 Мб/с. Технология IrDA используется очень широко во всем мире на более чем 50 млн. устройств, при этом ежегодный рост количества устройств составляет 40 процентов. Характеристики IrDA включают: широкий круг поддерживаемых устройств и программных платформ, сконструированных для кабельного соединения по принципу "точка-точка", узкий угол взаимодействия, что предотвращает интерференцию с другими электронными устройствами. 

    Home RF/SWAP (shared wireless access protocol). Создан для работы в локальных беспроводных сетях (LAN) на частоте 2.4 ГГц и поддерживает скорость передачи данных до 2 Мб/с на расстояние свыше 100 метров. Он использует несколько протоколов поддержки каналов телефонной радиосвязи и использует стандарт IEEE 802.11 для приложений данных. Однако Home RF является более дорогим для реализации решением, чем Bluetooth. Так как Bluetooth активно продвигается к захвату очень широкого диапазона приложений, Home RF/SWAP будет скорее "игроком на скамейке запасных".

    Таблица 1. Сравнение технологии Bluetooth с технологиями Home RF и IrDA

    IEEE 802.11. Беспроводной стандарт Ethernet, который функционирует на частоте 2.4 ГГц, является несовместимым с Bluetooth. Он разработан для обеспечения взаимодействия точек доступа к сети, имеет скорость соединения до 11 Мб/с, и покрывает область применения, достаточно большую, чтобы формировать WLAN. Тем не менее, этот протокол не будет серьезным конкурентом Bluetooth, потому что он не имеет поддержки звука и требует слишком много энергии для работы с сотовыми телефонами. 

Таблица 2. Сравнение  технологии Bluetooth с технологией IEEE 802.11.

     Реальным  конкурентом Bluetooth на данный момент является wi-fi. Wi-fi — высокоскоростная беспроводная технология, действующая в радиусе до 30 метров в помещениях и до 300 метров на открытых пространствах.

       Но и у него есть свои  недостатки. Один из них — все  продукты wi-fi должны проходить платную сертификацию. Продукты Bluetooth лишеты этого «счастья».

     Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного  лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно, создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум. 

3.2 Перспективы развития технологии Bluetooth.

      Bluetooth относится к тем технологиям,  которые при грамотном использовании могут, в самом деле, перевернуть весь человеческий быт. Уже сейчас на выставках демонстрируются принтеры с Bluetooth, которые не надо подключать к компьютеру, достаточно просто внести его в комнату, включить в розетку, и можно начинать печатать. То же самое верно и в обратном порядке, достаточно просто войти в комнату с ноутбуком, оснащённым Bluetooth в руках, и сразу же можно пользоваться принтером, войти в локальную сеть для обмена файлами и документами, воспользоваться Интернет соединением.

     Системы hands free с использованием Bluetooth становятся, настолько просты в использовании, насколько это только возможно. Достаточно что бы мобильный телефон с Bluetooth интерфейсом просто находился где-нибудь внутри автомобиля, а его подключение к hands free системе произойдёт автоматически.

     Стандартизация, используемая в Bluetooth, позволяет делать беспроводные мыши, клавиатуры, джойстики, которые будут подходить к любому PC, и что бы начать работу с любимым девайсом достаточно будет просто подойти к компьютеру, а не выключать его, и лазать под стол с проводами. Это оценят не только любители игровых чемпионатов, которые и сейчас не выходят из дома без своей мышки в кармане. Благодаря той же стандартизации, можно рассчитывать на то, что через несколько лет мы избавимся от той кучи дистанционных пультов на диване, отдельного для телевизора, отдельного для музыкально центра, отдельного для DVD проигрывателя, отдельного для кондиционера, и так далее, а будем управлять всей техникой в квартире с мобильного телефона, который к тому же и PDA являться будет. Но и это ещё не предел.

     В последнее время много говорится  о концепции "цифрового дома". Некоторые, хорошо известные и весьма серьёзные корпорации буквально помешались на этом. Технология Bluetooth может поднять эту идею на новую высоту. Представьте себе, у вас имеется брелок (браслет, кольцо, да что угодно), с Bluetooth устройством, способным принимать ваш голос и передавать его на центральный компьютер в доме. Мощный сервер идентифицирует голос, распознает звуковую команду, и по тому же Bluetooth даст команду любой периферии, раскиданной по дому. Таким образом, голосовые команды можно будет давать всему что угодно в доме, телевизорам, лампочкам, шторам, кондиционерам, микроволновым печкам, сливному бачку в туалете, в конце концов! И при этом не будет никакой необходимости, что бы вся эта периферия обладала достаточной вычислительной мощью, для распознания голоса, достаточно, что бы подобной мощью обладал компьютер, стоящий в доме. Кроме этого, не придётся заботиться о том, что бы новый холодильник, к примеру, подключить и настроить под вашу домашнюю сеть, достаточно только убедиться, что холодильник имеет Bluetooth интерфейс. И тогда, только внеся его на кухню и подключив в розетку, можно будет засунуть в него бутылочку воды и скомандовать "что бы через три минуты вода была холодной!". Домашний сервер, отлично знающий привычки владельца, и давно запомнивший, что означает та или иная фраза, немедленно даст команду холодильнику три минуты работать в режиме максимальной заморозки, а через три минуты заботливо напомнит вам, что вода уже остыла. Более того, командовать своим домом можно будет и через мобильный телефон, практически с любой точки земного шара.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

    Нашу  жизнь сегодня невозможно представить  без компьютеров. Они везде: дома и на работе, в кафе и ресторанах, гостиницах и аэропортах…

      А где компьютеры, там и провода.  Клавиатуры, мыши, мониторы и вообще  вся периферия подключаются к  компьютеру посредством проводов. А где провода, там и проблемы.

    Bluetooth дает новые возможности: можно обмениваться информацией, синхронизировать различные устройства, выходить в интернет, присоединяться к локальным сетям, управлять бытовой техникой и даже автомобилем, используя только устройство, оснащённое Bluetooth (например, мобильный телефон или карманный персональный компьютер) и совершенно не используя провода.

    Многие  задаются вопросом: Зачем вообще нужен Bluetooh, если есть например тот же wi-fi? Как показывает практика, нужен. Bluetooth с неимоверной скоростью проникает во всё новые области промышленности. Появляются устройства с Bluetooth, где он раньше никогда не использовался. От самых банальных (но от этого не менее полезных) беспроводных гарнитур hands-free для мобильных телефонов до Bluetooth чипов в грузовых контейнерах для определения груза, когда грузовик въезжает на склад. А как вам, например, Bluetooth-чип, встроенный в шины машин для передачи информации о их состоянии. А микроволновые печи или холодильник с Bluetooth? А ведь всё это реально существует! И судя по вкладываемым в Bluetooth усилиям и средствам у него большое будущее. 
 
 
 
 
 
 

    Список  литературы:

1. Журнал «МИР ПК»  2001. Статья: «Появление Bluetooth». Автор: Вячеслав Мангер.
2. Книга «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». Автор: Олифер В.Г., Олифер Н.А.. Издательство: 1999, Питер
3. http://www.radioman.ru/mobile/1/bluetooth.php