Bluetooth - королевская технология

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).

Ведущее устройство управляет всем трафиком в пикосети и распределяет пропускную способность SCO-линий между ведомыми приемопередатчиками. В ACL-линии ведомые устройства работают поочередно; им разрешается передавать информацию только в специально отведенных окнах, которые указываются в служебных сообщениях. Введение режима централизованного опроса позволяет избежать конфликтов.

Установление связи

В пикосети реализован принцип централизованного управления. Ведущее устройство периодически передает вызывные (пейджинговые) сообщения на разных частотах из заданного набора (23/79), причем в каждый момент максимальное число используемых частот равно 16 или 32.

Закон перестройки определяет кодовая последовательность, в соответствии с которой сигнал циклически (через каждые 2048 временных интервалов, т.е. 1,28 с) сдвигается на одну частотную позицию вперед, и первая частота в наборе становится последней, а вторая первой. Применение такого способа перестройки частоты приводит к усложнению перехвата и дешифрования сигналов.

Все ведомые устройства находятся в дежурном режиме (режиме ожидания), регулярно включаясь по заданной программе. После «пробуждения» приемник осуществляет поиск контрольной несущей частоты (wake-up carrier), периодически излучаемой ведущим устройством. Если обнаруживается полезный сигнал, устройство автоматически переходит из режима ожидания в рабочее состояние.

Поскольку ведомый приемник не может в точности знать номинал частоты ведущего устройства и момент начала передачи, то возникает неопределенность по частоте и времени. При наличии исходного набора из 16 несущих частот поиск сигнала ведется в течение 18 временных интервалов (т.е. 11,25 мс). Два дополнительных интервала (один слева и один справа) необходимы для устранения неопределенности поиска по времени (? 0,625 мс).

В режиме ожидания приемопередатчик Bluetooth работает подобно пейджеру, активизируясь лишь после приема конкретного кода доступа. Причем коды доступа передаются непрерывно, а не только перед «пробуждением» ведомого устройства. В течение 10 мс (16 интервалов по 625 мкс) ведущий приемопередатчик транслирует код доступа последовательно на разных частотных позициях. Десятимиллисекундная последовательность передается до тех пор, пока абонент не ответит или не будет превышен заданный лимит времени.

Вхождение в синхронизм завершается успешно, если излучаемые и принимаемые частоты совпадают, код доступа принят правильно и поступила квитанция. Лишь тогда вызывное устройство передает пакет, содержащий идентификационные параметры и текущий номинал генератора опорной частоты. На этом процедура вхождения в связь завершается.

Это ново

Пропускная способность пикосети ограничена, поскольку в каждый момент все абоненты занимают лишь один частотный канал шириной 1 МГц (как говорилось ранее, таких каналов в системе 79). Дальнейшее увеличение числа абонентов без снижения удельной (пересчитанной на одного абонента) пропускной способности невозможно.

Наращивание абонентской базы и пропускной способности обеспечивает переход от пикосети к «рассредоточенной» сети (scatternet). Суть идеи состоит в разбиении N абонентcких устройств на m независимых групп (или пикосетей) с N/m обслуживающими устройствами в каждой.

На первый взгляд, выигрыш от создания scatternet не вполне очевиден, поскольку общее число абонентов, зона обслуживания и суммарная загрузка системы не меняются. Однако, в отличие от случая применения общей пикосети, в нескольких подсетях используются разные кодовые последовательности. В этой ситуации выигрыш обеспечивается за счет статистического уплотнения каналов разных подсетей с отличающимися законами перестройки частоты.

Правда, ничего даром не дается. Пропускная способность возрастает, но увеличивается вероятность возникновения конфликтов из-за случайных совпадений частот в разных пикосетях. Таким образом, с увеличением числа пикосетей помехозащищенность сети scatternet снижается (деградация носит плавный характер и зависит от степени загрузки системы).

Межсетевая связь

Топология системы беспроводного доступа, как уже отмечалось, основана на использовании множеством пикосетей одного и того же канала связи. Каждой пикосети присвоены свой идентификационный код (код доступа) и величина сдвига частоты опорного генератора. Соответственно, набор идентификационных кодов и сдвигов частоты является уникальным для каждой пикосети. Когда ведомое устройство входит в сеть, оно выбирает такой сдвиг частоты, что разница между частотами собственного и ведущего генераторов оказывается минимальной. Если ведомый приемопередатчик одновременно работает в двух пикосетях, он должен отслеживать два частотных сдвига (рис. 4).

Работа ведомого устройства Cxy в двух пикосетях (сдвиги частоты ведомых терминалов относительно ведущих показаны цветом: красный — в пикосети 1, синий — в пикосети 2); черный цвет — собственная частота опорных генераторов (ведомых и ведущих)

Несомненное достоинство системы беспроводного доступа Bluetooth — ее гибкость. Хотя в каждой пикосети только одно устройство является ведущим, его статус допускается менять в процессе работы, т.е. любой приемопередатчик может стать ведомым или ведущим. Важно отметить, что ведущее устройство одной пикосети способно действовать как ведомое в другой. Когда ведущее устройство покидает домашнюю пикосеть, обмен информацией в ней временно прекращается.

Взгляд в будущее

Те устройства, основной принцип работы которых соответствует различным этапам развития техники мобильной связи и беспроводного доступа, традиционно относят к разным поколениям: в первое входят аналоговые системы, во второе — цифровые, а третье обычно характеризуется как переходное на пути внедрения мультимедийных технологий. Концепция построения и возможные стратегии развития сетевых инфраструктур будущего окончательно не определены, но уже сейчас ясно, что одной из ключевых тенденций станет оснащение практически всех профессиональных и бытовых приборов четвертого поколения встроенными средствами радиодоступа. И в «русло» этой тенденции вполне «вписывается» технология беспроводного доступа Bluetooth. Ее внедрение позволит не только упростить взаимодействие между различными приборами и периферийными устройствами, но и заменить традиционные проводные линии на беспроводные каналы.

Благодаря низкой стоимости и межпротокольной совместимости сверхминиатюрных приемопередатчиков они могут найти широкое применение в домашних компьютерах, ноутбуках, сотовых телефонах, пейджерах. Революционные преобразования произойдут и в области бытовой техники: радиоконтроллеры Bluetooth позволят управлять режимами работы кондиционеров, цифровых фотокамер, СВЧ-печей, холодильников, стиральных машин, телевизоров. Существует и множество других потенциальных областей применения Bluetooth.

Многие аналитики считают эту технологию революцией в области беспроводной связи и делают ошеломляющие прогнозы. По их оценкам, уже через несколько лет сотни миллионов компьютеров и бытовых приборов различного назначения оснастят сверхминиатюрными приемопередатчиками Bluetooth; скажем, к концу 2001 г. более 80% новых сотовых телефонов будут дооборудованы сетевыми адаптерами Bluetooth. Насколько верны такие прогнозы, покажет время. Ждать осталось совсем недолго, поскольку уже в нынешнем году на рынке появились первые серийные образцы изделий с торговой маркой Bluetooth.

ОБ АВТОРЕ

Как все начиналось

Ностальгия по дельта-модуляции

Метод дельта-модуляции (ДМ) был изобретен более 50 лет назад (в 1946 г.). За прошедшее с тех пор время он то привлекал к себе пристальное внимание, то оказывался на обочине столбовой дороги технического прогресса, а в последние годы интерес к нему угас, казалось бы, окончательно. Однако разработчики Bluetooth остановили свой выбор именно на дельта-модуляции, и чтобы понять, чем они мотивировались, напомним об особенностях этого метода, его преимуществах и недостатках.

Принципы работы дельта-модулятора: а) структурная схема; б) форма сигнала (T — шаг дискретизации, e — ступенька квантования, U(t) — входной аналоговый сигнал, V(t) — аппроксимирующее напряжение)

Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность другого, более известного, способа преобразования — импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передается не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению со своими вечными конкурентами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищенностью и гибкостью изменения скорости передачи (см. таблицу).

Перегрузка по крутизне гармоническим сигналом при ДМ с постоянным шагом приращения аппроксимирующего напряжения (U(t) — входной аналоговый сигнал, V(t) — аппроксимирующее напряжение)

Основной недостаток ДМ состоит в том, что дельта-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала, вследствие чего возникает перегрузка по крутизне. Существует большое число разновидностей ДМ, в которых задействуются различные механизмы устранения этого вида искажений. Большинство из них основаны на использовании мгновенного или инерционного компандирования аналогового сигнала либо адаптивного изменения ступеньки аппроксимирующего напряжения в соответствии с крутизной входного сигнала.

Дельта-модуляция с непрерывно изменяемой крутизной CVSD

Наибольшую известность получил метод ДМ с непрерывно изменяемой крутизной (CVSD, Continuous Variable-Slope Delta-modulation), известный также как ДМ с инерционным компандированием по крутизне. Размер шага аппроксимации в CVSD может постепенно увеличиваться (уменьшаться) в зависимости от скорости изменения (крутизны) входного аналогового сигнала.

Краткий глоссарий