BLUETOOTH: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Bluetooth — это технология передачи данных по радио на короткую дистанцию, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии при отсутствии прямой видимости.
Разработку Bluetooth начала компания ERICSSON ещ╦ в 1994 году. Первоначальной целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Кроме того, согласно концепции ERICSSON, новый интерфейс предназначался для передачи данных и речевых сообщений, прич╦м из любой точки мира. Для обеспечения более широкой поддержки молодой технологии в таких секторах рынка, как настольные системы, карманные компьютеры и мобильные телефоны, ERICSSON в феврале 1998 года организовала консорциум по разработке и продвижению новой технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Ныне в него входит более 2000 различных фирм, в том числе такие крупные, как 3СOM, NOKIA, INTEL, NATIONAL SEMICONDACTOR и так далее.
В Bluetooth-технологии сфокусированы лучшие на сегодняшний день достижения современной микроэлектроники как в области аппаратуры (Hardware), так и в программном обеспечении (Software). Bluetooth-системы относятся к классу взаимодействующих открытых систем. Bluetooth-устройства физически представляют собой микросхемы, обеспечивающие связь в диапазоне 2,4 ГГц. Этот диапазон в большей части европейских стран и США относится к полосе для приборов промышленного, научного и медицинского применения — ISM (Industrial, Ssientific, Medical). Его эксплуатация не требует лицензирования. Применяемая частота означает, что площадь кристаллов в Bluetooth-устройствах не превышает квадратного сантиметра, а потребляемая мощность весьма мала (1┘2,5 мВт ). Устройства обеспечивают связь на расстояния до 10 метров. При увеличении мощности до 100 мВт Bluetooth-устройства станут более «дальнобойными» (до 100 м).
Технология Bluetooth полностью открыта. Любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на е╦ основе. Для исключения появления несовместимых устройств разработаны подробные спецификации, включающие детальное описание методов использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных. Упрощ╦нная блок-схема Bluetooth-связи представлена на рис. 1.
На примере Bluetooth-связи по типу «точка — точка» показано информационное взаимодействие двух хостов. Каждый Bluetooth-модуль содержит формирующую и при╦мно-передающую аппаратуру, а также встроенное или «зашитое» программное обеспечение (Firmware). К последнему относится интерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер связи (Link Manager), а также контроллер несущей частоты (Baseband).Связь модуля с хостом на физическом и канальном уровнях осуществляется с помощю шин USB, UART, PC Card и соответствующего встроенного ПО. К физическому уровню относится также радиолиния между модулями.
Модуль поддерживает при╦м — передачу данных и речевых сигналов. Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART/PCM-интерфейса. Когда используется USB-интерфейс, модуль является USB-ведо мым прибором и поэтому не требует ресурсов персонального компьютера.
Интерфейс хост-контроллера (ИХК) в модуле является командным интерфейсом. Хост через ИХК направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию ИХК.
Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную — SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную — ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения «точка — точка» и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа «точка — много точек». Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.
Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS — Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402┘2,480 ГГц разбит на N частотных каналов (рис. 2а). Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов — 140┘175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция (рис. 2б).
Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумл╦н, то система перейд╦т на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех. На рис. 3 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу тр╦х Bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или при╦ма.
Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть. Аппарат, инициирующий связь, является ведущим (host, master), а остальные — ведомыми (slaves). Обычно ведущим является тот модуль, который размещ╦н в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер или плата CPU мини-ЭВМ. Число модулей в пикосети не ограничивается, но в любой момент времени активны должны быть не больше восьми. Не существует разницы как в аппаратной, так и в программной части между ведущими и ведомыми устройствами. Любое из них может быть и тем и другим. Ведущее формирует пикосеть (в каждой сети оно только одно) и полностью контролирует трафик. Ведомые могут отсылать сообщения только в интервале «ведомые — ведущему» после того, как к ним обратился в предшествующий слот «ведущий — ведомым». Если в этом интервале у ведущего нет никакой информации для отправки ведомым, то он передает пакет только с кодом доступа и заголовком. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Предусмотрена координация трафика и между сетями.
Множество пикосетей, способных взаимодействовать друг с другом, формируют распредел╦нную сеть (Scatternet) (рис. 4).
Несмотря на FHSS, устройства Bluetooth не всегда могут исключить проблемы, связанные с воздействием помех в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому помимо FHSS используется специальное кодирование сигналов. Во-первых, кодирование трафика заметно повышает уровень защищ╦нности связи. Во-вторых, кодирование позволяет с помощью специальных алгоритмов обнаруживать и корректровать ошибки передачи данных. Кроме того, чтобы быть уверенным в том, что устройства вступают в связь только с авторизованными на то устройствами, предусмотрена также встроенная процедура аутентификации. Этим пресекается несанкционированный доступ к данным.
Модуль ROK 101 007 производства ERICSSON Microelectronics является базовым для осуществления Bluetooth-связи. Он отвечает требованиям спецификации Bluetooth v.1.0b. Размеры модуля 32,8х16,8х2,75 мм. Он может быть встроен в любое электронное устройство.
На рис. 5 показана структурная схема модуля.
Модуль содержит контроллер несущей частоты (baseband controller), флэш-память, радиомодуль PBA 313 01/2, а также регулятор напряжения и кварцевый генератор на 13 МГц. Для полноценного функционирования радиомодуль должен быть подсоединен к baseband или к прибору, который может его эмулировать. Baseband построен на основе процессора ARM7. Его важными функциями являются чтение и запись информации во внутренние регистры радиоконтроллера ASIC. Эти регистры используются для установки частоты, настройки и управления.
PBA 313 01/2 является оконечным каскадом системы Bluetooth-связи. В н╦м использованы шаровые разъ╦мы BGA, а все дискретные элементы смонтированы на одной стороне платы, которая построена на основе технологии LTCC — низкотемпературной совместно обжигаемой керамики. Плата состоит из 6 сло╦в этой керамики и 7 металлических сло╦в. Специализированная микросхема Radio ASIC — радиоконтроллер с помощью разъ╦мов BGA подключена к подложке радиомодуля, а микрополосковый резонатор VCO для обеспечения требуемых характеристик обработан с помощью лазера. Общий вид радиомодуля и способ крепления чипа радиоконтроллера на его плате показан на рис. 6.
Связь между baseband и радиоконтроллером осуществляется через последовательный интерфейс. Для PBA 313 01/2 требуются внешняя антенна и кварц на 13 МГц или входной тактовый сигнал. Проблема питания решается так: один источник 2,8 В питает VCO (генератор управляемый напряжением), а второй источник 2,2 В — все остальные цепи. Оба формируются из входного напряжения 3,3 В. Источники должны быть развязаны по низкой частоте.
Передатчик имеет три класса мощности: 1-ый класс — 100 мВт (20 дБ), 2-ой класс — 2,5 мВт (4 дБ), 3-ий класс — 1 мВт (0 дБ). Чувствительность при╦мника не хуже — 70 дБ.
Для разработки устройств на основе модуля ROK 101 007 необходимо использовать отладочный (EBDK) и стартовый (EBSK) наборы, действующие по принципу plug&play.
В России к технологии Bluetooth проявляется огромный интерес. Наиболее перспективными являются те области промышленности и народного хозяйства, где требуется сбор и обработка большого количества одновременно измеряемых параметров, например, нефтепромыслы, металлургические заводы, жилищно-коммунальное хозяйство и так далее.
Дополнительную информацию можно получить в Технико-консультацион-ном центре «Эрикссон».
Официальным дистрибьютором продукции ERICSSON Microelectronics в России является фирма «ПетроИнТрейд».
- Ericsson: Preliminary ROK 101 007.
- Ericsson: Preliminary PBA 313 01/2.
- Bluetooth Specification. V. 1.1. part H:1. Host Controller Interface.
- Киселев В. Прорезался Bluetooth // Мир ПК. 2001. ╧ 2.