Телекоммуникационные возможности Bluetooth – ЧАСТЬ 1

Bluetooth-mexHonoaun, которая исторически является первой технологией WPAN, была предложена в 1991 г двумя сотрудниками фирмы Ericsson С. Ма- тиссоном и Дж. Хаартсеком – как технология замены простейших проводных сетей [15,16]. Эмуляция отрезков проводных линий (рис. 4.1, а) осуществляется Bluetooth-устройствами, которые подключаются к соединяемым хостам – циф­ровым устройствам различного назначения – компьютерам, сотовым телефонам, персональным цифровым устройствам (Personal Digital Assistant – PDA), точкам доступа к LAN или магистральным сетям и пр. Bluetooth-сеть с топологией типа звезда (рис. 4.1, б) носит наименование пикосети. Функции Bluetooth-устройств в пикосетях не равноценны. Здесь одно из устройств исполняет роль ведущего (Master), другие – роль ведомых (Slave). Bluetooth-технология обеспечивает воз­можность создания пикосетей, включающих не более 7 ведомых устройств, управляемых одним ведущим (всего 8 устройств). Технология предусматривает возможность создания рассеянных сетей (Scatternet) [15] – совокупностей пико­сетей, содержащих Bluetooth-устройства, входящие в более чем одну пикосеть (см. рис. 4.1, в). Общие для двух пикосетей устройства могут исполнять роль ведущих только в одной из этих пикосетей.

Рис. 4.1. Разновидности сетей Bluetooth:

а)      пикосеть типа точка-точка (с одним ведомым устройством);

б)      пикосеть типа звезда (до 7 ведомых устройств);

в)      рассеянная сеть.

Передача сообщений в пикосети осуществляется только между оконечными устройствами – от ведущего (М) к ведомому (S) и наоборот. Функции ретрансля­ции сообщений ведущим устройством, которое могло бы обеспечивать передачу сообщений между ведомыми устройствами (аналогично тому, как это выполня­ется точкой доступа WLAN, см. главу 3), в Bluetooth-сетях не предусмотрены. Это специфическое свойство определяет круг прикладных моделей Bluetooth- сстей [16, 6]:

1)            создание сетей доступа источников данных и аудиосообщений к маги­стральным сетям с помощью сотового телефона (смартфона); именно эта прикладная модель была побудительным мотивом первоначальной разра­ботки технологии Bluetooth;

2)            создание сети периферийных устройств компьютера: клавиатуры, мыши, удаленных пультов управления (PDA) и др.;

3)            создание сети для связи переносных компьютеров, потребность в которой может возникнуть эпизодически и на ограниченное время.

Две первые из перечисленных моделей полностью соответствуют воз­можностям пикосетей (рис. 4.1, б): топологическое местоположение веду­щего устройства, расположенного в вершине «звезды», согласуется с ролью, например, смартфона или системного блока (рис. 4.2, а, б). Третья модель – сеть переносных компьютеров – предполагает наличие связей между всеми компьютерами («каждый с каждым»), что в пределах пикосети неосуществи­мо. Создание необходимых связей обеспечивается в рамках возможностей рассеянных сетей, например, посредством создания сети, в которой число пикосетей С9впадает с числом хостов (рис. 4.2, в). Bluetooth -устройство каж­дого хоста является ведущим одной пикосети и ведомым во всех остальных сетях (общее число пикосетей не может превышать 7). В определенный мо­мент времени каждое устройство может принимать участие в работе только одной пикосети.

Свойства радиолиний, эмулирующих проводные коммуникации, определя­ются их энергетическим потенциалом и технологией использования частотно- временного ресурса (ЧВР).

В соответствии с энергетическими возможностями радиолинии Bluetooth- устройства подразделяются на 3 класса, отличающиеся максимальным значени­ем мощности, излучаемой передатчиком (от 1 до 100 мВт) и длиной эмулируе­мых проводных линий (от 1 до 100 м). В зависимости от потребностей величина излучаемой мощности может контролируемо изменяться. Соответствующие

сведения представлены в табл. 4.3 [17].

Таблица 4.3

Классы мощности устройств

Класс	Излучаемая мощность, мВт		Длина эмулируемых
устройства	максимальная	минимальная	линий, м
1	100	1 1
2	2.5	0.25
3	1		~1

Радиочастотный ресурс технологии Bluetooth определяется националь­ными особенностями использования диапазона нелицензируемых частот ISM-назначения в области 2.4 ГГц (см. табл. 4.4). Ширина полосы частот занимаемой радиосигналами технологии Bluetooth, составляет 1 МГц’ Множественный доступ устройств к частотам используемого диапазона обеспечивается посредством кодового разделения каналов со скачкообраз­ным изменением частоты (Frequency Hopping Code Division Multiole Access – FH-CDMA).                                                                                                                      ^F

Рис. 4.2. Прикладные модели Bluetooth-сетей: а) модель сети доступа; б) модель сети периферийных устройств; в) модель сети для связи

портативных компьютеров

Таблица 4.4

Характеристики частотного ресурса радиотехнологии Bluetooth [3, 17]

Зона/страны	Диапазон частот, МГц	Количество FH-несущих	Частота FH-несущих, МГц
США, большинство стран Европы	2400 – 2483, 5	79	./; -2402 + л = 1,2…………………………… 78
Испания	2445 – 2497	23	/с ~2449 + п, я = 0, 1,2, …/22
Франция	2446,5 – 2483,5	23	fc=2454 + n, я = 0, 1,2…………….. 22
Япония	2471-2497	23	/с =2473+и, п = 0, 1,2,… ,22

Bluetooth-технология охватывает вопросы, которые соответствуют, главным образом, двум нижним уровням базовой модели взаимодействия открытых систем (физическому и канальному уровням), но, наряду с этим, она включает вопросы верхнего (прикладного) и промежуточных уров­ней [16, 17, 18]. Стек протоколов технологии Bluetooth иллюстрируется рис. 4.3 [18].

Протокольная архитектура Bluetooth включает две разновидности про­токолов:

1)           протоколы функционирования беспроводной системы, включая устройства и взаимосвязи между ними; эти протоколы именуются внутренними (Core) протоколами технологии Bluetooth;

2)           протоколы использования внутренней системы для различных профилей использования системы. Эти протоколы охватывают прикладной уровень модели ISO/OSI и некоторые функции между прикладным уровнем и низ­шими уровнями (см. табл. 4.5) [17].

Таблица 4.5

Выборочный перечень прикладных профилей технологии Bluetooth

Рис. 4.3. Протокольная архитектура технологии Bluetooth

[1] L2CAP – управление логическими связями и адаптации; А-Р- аудио-связи; С—Р— связи управления.

Внутренние протоколы технологии Bluetooth отражают особенности ее ап­паратурной реализации. Внутренняя система насчитывает 4 уровня:

–                радиочастотный уровень (Radio Frequency Layer – RFL);

–                уровень базовой полосы (Baseband Layer – BBL);

–                уровень менеджера связей (Link Manager Layer – LML);

–                уровень управления логическими связями и адаптации (Logical Link Control and Adaptation Protocol Layer – L2CAP).

Все вышеперечисленные уровни в своей совокупности объединяют функ­ции канального и физического уровней базовой модели ISO/OSI (рис. 4.3).

Три первых уровня образуют подсистему, именуемую Bluetooth контроллером. Ее аппаратные функции выполняют Вluetooth-ycmpoiicmea/при­боры (device), которые подключаются к хостам, вычислительным (периферий­ным) устройствам и сотовым телефонам. Взаимодействие хоста и контроллера обеспечивается двумя способами:

–                посредством интерфейса хост-контроллер (Host Controller Interface – HCI) обеспечивающего передачу управляющих сообщений от вышерасположен- ных уровней к уровням базовой полосы и менеджера связей;

–                посредством непосредственных связей между прикладным и BBL уровнями (аудиосвязей и связей управления).

Взаимосвязь двух хостов посредством Bluetooth-устройств иллюстрируется рис. 4.4 [17], элементы которого упоминались выше.

Рис. 4.4. Логическая взаимосвязь хостов посредством Bluetooth-устройств

Все сообщения, которыми обмениваются Bluetooth-устройства, можно клас­сифицировать по нескольким признакам:

1) по логическим функциям сообщений; согласно этому признаку сообщения подразделяются на пользовательские (User plane – U-plane) и управляющие (Control plane – C-plane);

2)                                                                                                                                                                                                                                                             .        по количеству и режиму работы адресатов сообщений; согласно этим признакам сообщения подразделяются на одноадресные (Unicast) мно гоадресные (Multicast) и широковещательные (Broadcast) сообщения предназначенные для ведомых устройств, работающих в активном режиме (Active Slave Broadcast – ASB) и в режиме парковки (Parked Slave Broadcast – PSB);       ^v

3)            по разновидности процессов транспорта сообщений (Logical Transport)- со гласно этому признаку сообщения подразделяются на непрерывные (stream) и кадрированные (framed). Непрерывные сообщения (например речевой трафик) предусматривают синхронную передачу (Synchronous Connection Oriented – SCO). Трафик кадрированных сообщений может быть асинхрон­ным (Asynchronous Connection Oriented-ACL) или изохронным (Isochronous Connection Oriented – ICO).

Разновидности логических связей абонентов сети, предусмотренные

технологией Bluetooth

Сочетание перечисленных признаков определяет вид логической связи (Logical Link) между абонентами. Сведения о разновидностях логической связи, предусмотренных технологией Bluetooth, представлены в табл. 4.6 [17].

Таблица 4.6

Логическая функция сообщений	Одноадресные сообщения		Многоадресные сообщения
	Асинхронные/ изохронные	Синхронные
Пользовательские (U-plane)	ACL-U	SCO-S	ASB-U PSB-U
Управляющие (C-plane)	SCL-C	–	ASB-C PSB-C
Примечание. Различие асинхронного и изохронного трафика состоит в том, что при асинхрон­ной передаче время доставки каждого сообщения относительно времени отправки не регламен­тируется, а при изохронной передаче эти время доставки и время отправки находятся в заданном соотношении. ———————————————————–

Дуплексные каналы связи с синхронной передачей сообщений (SCO-каналы) являются симметричными. Техническая скорость передачи потока в обоих на­правлениях (от ведущего устройства к ведомому и наоборот) составляет 64 кбит/с. Число SCO-каналов ведущего устройства равно 1, 2 или 3 в зависимо­сти от заданного уровня помехоустойчивости (три канала в базовом варианте, канал соответствует максимальной помехоустойчивости).

Повышение помехоустойчивости достигается за счет применения ка­нального кодирования (применение кодов с различной скоростью позволяет обеспечить тот или иной требуемый уровень помехозащиты) [19, 2UJ. каналы ведущего устройства могут связывать его с одним, двумя или тремя ведомыми. Число каналов между ведущими и одним и тем же ведомым устройством мо­жет достигать трех (суммарная скорость передачи в одном направлении в этом случае равна 192 кбит/с). Ведомое устройство, работая в разных пикосетях может поддерживать связь с одним или двумя ведущими.

Значения скоростей передачи данных в симметричных и асимметричных ACL-каналах технологии Bluetooth

Дуплексные каналы связи с асинхронной передачей сообщений (ACL- каналы) согласно технической скорости передачи данных в различных на­правлениях: прямом/нисходящем (от ведущего к ведомому) и обратном/ восходящем (от ведомого к ведущему) – могут быть симметричными _и асимметричными. Асимметричной передаче свойственно большее значение скорости в нисходящем направлении; противоположное соотношение ско­ростей недопустимо. Сводные сведения о скоростях передачи пользователь­ских данных в симметричных и асимметричных ACL-каналах представлены в табл. 4.7 [5].

Таблица 4.7

Тип пакетов сообщений	Скорость передачи в симметричных каналах, кбит/с		Скорость передачи в асимметричных каналах, кбит/с
	прямой/ обратный каналы	суммарное значение	прямой канал	обратный канал	суммарное значение
DM1	108.8	217.6	—	–	–
DM3*	258.1	516.2	387.2*	54.4 (DM1)	441.6
DM5*	286.7	573.4	477.8*	36.3 (DM1)	514.1
DH1	172.8	345.6	—		–
DH3*	390.4	780.8	585.6*	86.4 (DH1)	672
DH5*	433.9	867.8	723.2*	57.6 (DH1)	780.8
AUX1	485.6	371.2	—	—	–
Примечание. Значения скоростей передачи данных в нисходящем направлении ACL-каналов со­ответствует применению пакетов сообщений, помеченных символом *; в восходящем направле­нии асимметричных каналов сообщения передаются пакетами типа DM1, DH1.

В пределах пикосеги при асинхронной передаче сообщений между веду­щим и ведомым устройствами возможен лишь один дуплексный канал связи (в процессе использования этот канал расходует весь частотно-временной ресурс технологии). Суммарная скорость передачи данных в обоих направлениях ду­плексного канала связана с его помехоустойчивостью и степенью асимметрии значений скорости в прямом и обратном направлениях. Уровень помехоустой­чивости зависит от типа используемых пакетов сообщений. В пакетах DMx он выше, чем в пакетах DHx (при равных значениях х), вследствие различии в параметрах канального кодирования. При одинаковых разновидностях ис­пользуемых пакетов (DMx, DHx) суммарное значение скорости передачи в обоих направлениях в симметричных каналах выше, чем в несимметричных (например, 867.8 кбит/с против 780.8 кбит/с при использовании пакетов типа DH5). Однако максимальное значение скорости передачи в одном – прямом направлении выше в асимметричных дуплексных каналах: при использо*_яни„ пакетов DH5 оно достигает 723.2 кбит/с. Именно это значение привоГтся в качестве показателя максимальной скорости передачи данных технологии Bluetooth [3, 5].

Аспекты функционирования Bluetooth-устройств и сетей регааментиру ются протоколами различных внутрисистемных уровней технологии Bluetooth (рис. 4.3, табл. 4.8) [17]. По содержанию эти аспекты подразделяются на две группы:

–                транспорт сообщений в Bluetooth-сетях;

–                самоорганизация Bluetooth-сетей и режимы работы устройств в них

Функциональная роль различных уровней в транспорте сообщений иллю­стрируется структурной схемой внутренней системы с обозначением транс­портных и логических связей между ее элементами (рис. 4.5). Связи отобража­ют передачу пользовательских (U-plane) и управляющих (C-plane) сообщений внутри системы, а также передачу сообщений между одноименными уровнями различных устройств.

Таблица 4.8

Выборочный перечень разновидностей протоколов, регламентирующих спецификации различных уровней внутренней системы технологии Bluetooth

Обозначение протокола	Наименование протокола
RF	Радиочастотный протокол (Radio Specification)
ВВ	Протокол уровня базовой полосы частот / сокращенно, протокол базового уровня (Baseband Specification)
LMP	Протокол уровня менеджера связей (Link Manager Protocol Specification)
L2CAP	Протокол управления логическими связями и адаптации (Logical Link Control and Adaptation Protocol Specification)
НС1(1)	Функциональный протокол интерфейса хост-контроллер (Host Controller Interface Functional Specification)
HCI(II)	Транспортный протокол интерфейса хост-контроллер (Host Controller Interface Transport Layer Specification)

Наиболее многоплановые функции технологии Bluetooth в рамках вну­тренней системы выполняются элементами базового уровня: менеджером ресурсов (Base Band Resource Manager – BBRM), контроллером связей (Link Controller) и менеджером устройства (Device Manager). Контроллер свя­зей и менеджер ресурсов обеспечивают создание физических и логических связей между устройствами, определяют порядок использования частотно- временного ресурса и самоорганизации сетей. Менеджер устройства выпол­няет функции управления, относящиеся к поддержанию работоспособности устройства, не связанные с передачей сообщений.

ACL

Рис. 4.5. Логические связи между элементами различных протокольных уровней технологии Bluetooth

Частные функции обеспечения транспорта сообщений и самоорганизации сетей выполняют менеджер связей, элемент радиочастотного уровня, а также элементы L2CAP уровня. Эти функции сводятся к следующему:

1)            менеджер связей обеспечивает диалоговый обмен сообщениями ведущего и ведомого устройств, необходимыми для управления действиями контрол­лера связей и BBRM;

2)            ,           элемент RFL обеспечивает формирование радиочастотных сигналов, соот­ветствующих сигналам уровня BBL (Baseband Signals);

3)            элементы L2CAP уровня выполняют функции, соответствующие функциям уровня управления логическими связями (Logical Link Control – LLC) базо­вой модели ISO/OSI [21], а именно (см. рис. 4.6):

–                мультиплексирования пользовательских сообщений, поступающих с верхних уровней хоста;

–                сегментации битовых потоков упомянутых сообщений;

— управления передачей сегментов на базовый уровень и распределения ресур­сов логических (L2CAP) связей;

–                управления установлением логических каналов между L2CAP уровнями раз­личных устройств (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Взаимодействие элементов L2CAP уровня хоста с элементами верхних уровней и интерфейсом контроллера

Сетевые связи L2CAP уровней различных устройств (транспорт данных, передача команд управления) реализуются контроллерами устройств – элемен­тами базового уровня и уровня менеджера связей. Сегменты сообщений L2CAP уровня могут значительно превосходить допустимые размеры пакетов уровня BBL. В связи с этим на L2CAP уровне предусматривается фрагментация сегмен­тов перед их передачей в контроллер (см. рис. 4.3, 4.5, 4.6).

Реализация технологии Bluetooth обеспечивается взаимодействием всех элементов внутри системы, однако процедурно наиболее разнообразными явля­ются процессы взаимодействия элементов базового уровня и уровня менеджера связей. Это обусловлено неразрывным единством функций этих элементов при выполнении задач транспорта сообщений и самоорганизации сети. Уровень ме­неджера связей поддерживает диалог устройств Bluetooth и определяет их те­кущие функциональные задачи, а базовый уровень осуществляет выполнение этих задач.

Далее обзорно рассматриваются технологии транспорта сообщений, само­организации сетей и режимов работы Bluetooth-устройств в них.