Standard pro bezdrátovou komunikaci Bluetooth

Standard pro bezdrátovou komunikaci Bluetooth

Bluetooth na současném trhu

Na veletrhu CeBIT, který se letos v březnu konal v německém Hannoveru, byl jedním z nejsledovanějších témat komunikační standard Bluetooth. Návštěvníci se s novou technologií mohli seznámit v hale 1 (stánek Bluetooth-Exchange) a především v hale 13, kde společnost Leeswire AG společně s veletržní správou nainstalovala zatím největší síť Bluetooth ve světě, se 130 stabilními stanicemi a s pokrytím po celé ploše haly. Návštěvníci mohli pomocí kapesního počítače (PDA) s Bluetooth vyhledávat informace o umístění vystavovatelů i o zajímavostech, které v jejich stáncích mohou najít. Zájem o novou technologii byl tak velký, že síť kapacitně nestačila a kvůli přetížení mnohokrát „spadla“. Ovšem která novinka byla hned od počátku dokonalá…

Zajímavé je, že o bezdrátové technologii Bluetooth se mluví i ve spojitosti s průmyslovou automatizací. Například podle T. Ulricha z ARC Advisory [1] bude Bluetooth současně s bezdrátovými sítěmi Wireless LAN nejvíce se rozvíjející technologií pro přenos dat v průmyslu. Evropský trh v oblasti Bluetooth a bezdrátových LAN má prudce expandovat: podle prognózy společnosti Frost & Sullivan má vzrůst z objemu 92,3 miliónů dolarů v roce 1999 na 53,12 miliard dolarů v roce 2006. Bezpochyby nejvíce se tato technologie rozšíří v oblasti notebooků, PDA a podobných kancelářských zařízení. Ovšem proč jen kancelářských? Průmyslové PDA pro mobilní sběr a zpracování dat jsou v současné době stále rozšířenější, použití notebooku pro konfiguraci a servis průmyslových zařízení také není žádnou výjimkou. A právě v těchto aplikacích může být Bluetooth mimořádně užitečný: není třeba žádný kabel, není třeba ani přímá viditelnost mezi účastníky a komunikace je přitom dostatečně rychlá i bezpečná. Vzhledem k předpokládanému hromadnému použití v  PDA a mobilních telefonech bude cena zařízení příznivá i pro průmyslové aplikace.

Počátky a záměry vývoje

Co je to vlastně Bluetooth? Je to systém bezdrátové komunikace, původně určený pro přenos dat mezi mobilními telefony a dalšími zařízeními (PDA, PC, tiskárna apod.). Od počátku bylo snahou vyvinout systém s nízkou cenou, malou spotřebou energie a především velkou interoperabilitou (tzn. že zařízení jednoho výrobce jsou schopna využívat služby jiných zařízení jiných výrobců). Místem narození standardu Bluetooth je Skandinávie a k rodičům patří zakládající členové skupiny Bluetooth SIG (Special Interest Group).

Ze Skandinávie pochází i jméno standardu: Harald Bluetooth (Blĺtand) byl vikinský král (žil v letech 940 až 981), který se rozhodující měrou zasloužil o pokřesťanštění Dánska a Norska a sjednotil obě země pod svou vládou. Tak jako tento panovník přispěl k vzájemné komunikaci skandinávských kmenů, má i standard Bluetooth přispět k jednotné komunikaci mezi jednotlivými mobilními i stabilními zařízeními. (Mimochodem, Harald neměl modrý zub, jak by se z anglického překladu zdálo, bla znamená ve staré dánštině snědý a tan velký.)

Komunikační standard a certifikace

Bluetooth není žádné zařízení (jako např. modem), ani protokol (jako např. HTTP), ale komunikační standard. Specifikace Bluetooth definuje, kromě základních technických údajů, také profily pro různá zařízení. V těchto profilech, jichž stále přibývá, jsou shrnuty a definovány zkušenosti z aplikací Bluetooth. Specifikaci Bluetooth lze nalézt např. na internetu, viz [2].

Jak je zaručeno, že zařízení, které nese značku Bluetooth, také splňuje podmínky specifikace? Každé zařízení, jež má být označeno značkou Bluetooth, musí projít procesem certifikace. Výrobce musí nejprve podepsat smlouvu o členství v Bluetooth SIG. Poté musí certifikované zařízení projít programem BQP (Bluetooth Qualification Program). Postup certifikace podrobně popisuje dokument [3]. V průběhu certifikace se testuje jak shoda se standardy Bluetooth, s definovaným profilem nebo profily (jedno zařízení může být testováno pro více profilů), tak i vzájemná interoperabilita zařízení. Existuje několik úrovní testování, od nejvyšší kategorie A, kde testy uskutečňuje nebo potvrzuje pouze stanovená laboratoř BQTF (Bluetooth Qualification Test Facility), po úroveň D, což je pouze předběžný test shody se specifikací. Nutno podotknout, že se neplatí žádný licenční poplatek a také členství v Bluetooth SIG je zdarma. Jediné, co je nutné zaplatit, jsou tedy náklady na vlastní testování výrobku.

V testech Bluetooth nejsou zahrnuty testy, kterými musí výrobek projít před uvedením na trh podle požadavků norem a vyhlášek příslušné země (požadavky na bezpečnost, EMC apod.).

Bluetooth SIG

Jak již bylo uvedeno, místem zrodu Bluetooth je Skandinávie. U kolébky tohoto standardu stála především firma Ericsson. V Bluetooth SIG je v současné době více než 2 000 členů. Z toho devět jich jsou takzvané promotérské společnosti, tedy společnosti, které zvláště podporují rozvoj standardu Bluetooth: 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba. Bluetooth se rozšířil skutečně do celého světa. Lze jej v současné době nalézt v některých mobilních telefonech, noteboocích a PDA. Ke stolním počítačům existují síťové adaptéry Bluetooth. Počítá se, že bezdrátová sluchátka pro mobilní telefony (hands free, obr. 1) by brzy měla být následována sluchátky pro poslech hudby z audiosoupravy. Odborníci očekávají, že po rozšíření Bluetooth do těchto produktů bude bezprostředně následovat druhá vlna, která jej přinese i do základních desek počítačů, do tiskáren, faxů, digitálních fotoaparátů a kamer, lékařských zařízení a samozřejmě i do zařízení průmyslové automatizace.

Technická specifikace

Frekvenční pásmo
Nyní věnujme několik odstavců technické specifikaci standardu Bluetooth.

Bluetooth je standard pro rádiový přenos dat v krátkém (10 m) až středním (do 100 m) dosahu. Systém pracuje v radiofrekvenčním pásmu, v němž není třeba povolení telekomunikačního úřadu. Jde o pásmo frekvencí od 2,4 do 2,48 GHz, které je vyhrazeno pro průmyslové, vědecké a lékařské aplikace. Bluetooth využívá metodu rozprostřeného spektra. Pracuje v plně duplexním režimu s max. 1 600 frekvenčními přeskoky za sekundu. Signál kmitá v 76 frekvencích v pásmu 1 MHz, což zvyšuje odolnost proti interferenci a rušení. RF výstup je definován pro krátký dosah do 10 m jako 0 dB·m (1 mW) a pro dlouhý dosah do 100 m jako –30 až +20 dB·m (100 mW). Specifikace rádiového signálu byla navržena i s ohledem na možnost při konstrukci v maximální míře použít jednočipové aplikace s obvody CMOS (obr. 3). Jedině tak totiž lze splnit požadavky nízké ceny, spotřeby a malých rozměrů zařízení.

Přenosová rychlost
Asynchronní přenos dat může dosáhnout maximální rychlosti 723,2 kb/s v jednom směru a 57,6 kb/s v opačném směru (asymetrický přenos) nebo 433,9 kb/s v symetrickém přenosu. Přenášet lze i hlas, a to třemi synchronními kanály nebo jedním kanálem se současným asynchronním přenosem dat a synchronním přenosem hlasu. Každý synchronní kanál v každém směru má kapacitu 64 kb/s.

Topologie sítě
Pro použití v průmyslové aplikaci je důležité, že pomocí Bluetooth je možné tvořit nejen spojení point-to-point, ale také point-to-multipoint. Topologie sítě je vytvářena ad hoc a jednotlivá zařízení mohou být podle potřeby kdykoliv připojována i odpojována.

Nějaký pořádek ovšem v komunikaci mezi zařízeními být musí, jinak by mohly vznikat kolize. Základem jsou sítě nazývané piconet. Síť piconet tvoří dvě nebo více zařízení. Více znamená až 255 zařízení s dobou přístupu do 2 ms. Netrvá-li uživatel na dodržení této doby, je počet zařízení v podstatě neomezený. Jedno zařízení v této síti má vždy funkci nadřízené jednotky, všechna ostatní se chovají jako jednotky podřízené. V jediném okamžiku může nadřízená jednotka komunikovat s maximálně sedmi podřízenými jednotkami (toto číslo se ovšem během dalšího vývoje specifikace Bluetooth může zvýšit). V rámci různých sítí piconet je rozmítání frekvence realizováno různými algoritmy přeskoků, aby se komunikace navzájem neovlivňovaly. O synchronizaci komunikace v rámci sítě piconet se stará nadřízená jednotka.

Pro komunikaci mezi zařízeními z různých buněk piconet musí existovat další komunikační nástroj. Ten je definován v rámci sítě scatternet. Topologie sítě scatternet dovoluje, aby jedno zařízení komunikovalo současně v několika sítích piconet, a dokonce aby nadřízená jednotka z jedné sítě piconet byla podřízenou jednotkou jiné sítě piconet (obr. 2).

Zabezpečení komunikace
Důležitý je také způsob zabezpečení a utajení komunikace, zvláště v automatizaci, kde mohou být přenášena důležitá data. První omezení odposlechu je zajištěno již na fyzické vrstvě frekvenčními přeskoky a omezením dosahu komunikace. Pro vyšší stupeň zabezpečení je určeno adresování zařízení (bez znalosti adresy, tj. 48bitového kódu, nelze se zařízením komunikovat). Přenos dat může být zabezpečen šifrou pomocí osobního šifrovacího až 128bitového klíče a pomocí náhodného šifrovacího klíče, který je generován na počátku každé transakce. Délka klíče je omezena místními vyhláškami (některé státy dovolují pro průmyslové účely použít jen určitou délku klíče).

Výhody a nevýhody standardu Bluetooth

Srovnejme nyní Bluetooth s některými podobnými technologiemi.

Největším konkurentem, zvláště v průmyslových aplikacích, jsou Wireless LAN (WLAN) podle specifikace IEE 802.11. WLAN, které pracují ve stejném frekvenčním pásmu jako Bluetooth, umožňují dosáhnout větších rychlostí přenosu dat, pomocí WLAN může simultánně komunikovat více než sedm účastníků najednou, ale zařízení, které je třeba do přístroje implementovat, aby mohl komunikovat po WLAN, je ve srovnání s Bluetooth větší a náročnější na napájení, což omezuje možnost použít WLAN u mobilních zařízení. Hlavní výhodou technologie Bluetooth v konkurenci s WLAN je však cena: implementace Bluetooth do zařízení jeho cenu zvýší jen o 150 až 600 Kč.

Přenos infračerveným paprskem, IrDA, má oproti Bluetooth mnohem více nevýhod: komunikovat mohou vždy jen dvě zařízení, mezi zařízeními musí být zaručena přímá viditelnost a obvykle i správné natočení vysílače a přijímacího senzoru. Další nevýhodou je nekompatibilita zařízení různých výrobců. Jedinou výhodou IrDA je tedy vyšší přenosová rychlost, ovšem i tam zařízení Bluetooth, komunikují-li plnou rychlostí, IrDA směle konkurují.

Jiným standardem podobným Bluetooth je Home RF. Pracuje na stejné frekvenci a na podobném principu jako Bluetooth. Je určen pouze pro přenos dat. Nevýhodou je především menší rozšíření a z toho vyplývající omezená interoperabilita.

Nastupující konkurencí by mohla být technologie Ultra-Wideband Radio (UWB), která slibuje ještě nižší energetickou spotřebu než Bluetooth. Technologie je ovšem zatím ve vývoji.

Určitou konkurencí by mohly být i sítě mobilních telefonů. Současné mobilní telefony a síť GSM, ač umožňují přenášet i data (SMS, WAP), nejsou pro přenos velkých objemů dat vhodné. Zařízení pro mobilní komunikace tzv. dvouapůlté a především třetí generace však již budou navrhována s ohledem na požadavek přenášet nejen hlas, ale především data. Výhodou mobilních zařízení ve stávajících sítích GSM a budoucích UMTS je vyšší dosah, nevýhodou (zatím) nižší rychlost přenosu, větší výkon vysílače, který je zaplacen větší energetickou spotřebou (a větším elektromagnetickým rušením) a vyšší cena. Lze očekávat, že zařízení Bluetooth a GSM/UMTS budou spíše spolupracovat než si konkurovat. Příkladem může být mobilní telefon Ericsson T82 s náhlavní soupravou Bluetooth (obr. 1).