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.
