LABORATORIUM CYFROWEJ TRANSMISJI INFORMACJI

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Radioelektroniki WIECZOROWE UZUPEŁNIAJĄCE STUDIA MAGISTERSKIE LABORATORIUM CYFROWEJ TRANSMISJI INFORMACJI Ćwiczenie 3 Temat: Badanie łącza Bluetooth Opracował: mgr inż. Henryk Chaciński Warszawa 2005

1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie słuchaczy z budową i zasadą działania radiokomunikacyjnego łącza Bluetooth. 2. WYMAGANE WIADOMOŚCI Wymagane są następujące wiadomości: - sposoby rozpraszania amplitudowego widma częstotliwości, - właściwości sygnałów z rozproszonym widmem, - zasada działania modulatorów i demodulatorów BPSK, QPSK, FSK GFSK 3. PODSTAWY TEORETYCZNE 3.1. Wstęp ogólny W systemach łączności coraz częściej stosuje się rozpraszanie widma sygnału. Pozornie rozpraszanie wydaje się być działaniem pozbawionym sensu, ponieważ zwykle dąży się do ograniczenia szerokości widma sygnału, aby było ono jak najwęższe. Działanie takie jest jednak uzasadnione, ponieważ operacji rozpraszania dokonuje się w ten sposób, że w tym samym paśmie może pracować wielu użytkowników. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu pseudolosowych sekwencji służących do rozpraszania sygnału informacyjnego, przy czym każdy z użytkowników musi mieć inną sekwencję rozpraszającą. Teoretycznie systemy z rozpraszaniem widma zapewniają większą efektywność wykorzystania pasma. Efektywność ta może być nawet o rząd wielkości większa w porównaniu z systemami wąskopasmowymi. Transmisja radiowa z rozproszonym widmem charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia, w porównaniu z transmisją wąskopasmową. Dodatkowo rozpraszanie daje także możliwość zabezpieczenia danych przed niepożądanym odbiorem, podsłuchem przez postronne osoby czy nawet wykryciem sygnału w otaczającym go szumie. Wyróżnia się cztery podstawowe metody rozpraszania widma: DS (Direct Sequence) - rozpraszanie widma przez kluczowanie bezpośrednie; FH (Frequency Hopping) - rozpraszanie widma przez skakanie po częstotliwościach; TH (Time Hopping) rozpraszanie widma przez skakanie w czasie; CM (Chirp Modulation) - rozpraszanie widma przez przemiatanie częstotliwości. Poza tym często stosuje się metody mieszane, łączące wyżej wymienione sposoby rozpraszania widma. 3.2. Rozpraszanie widma przez skakanie po częstotliwościach (FH) Rozpraszanie widma przez skakanie po częstotliwościach jest stosowane w systemie łączności i polega na zmienianiu częstotliwości nośnej w trakcie transmisji sygnału danych. Zbiór częstotliwości nośnych może zawierać się w przedziale 100 10 5. Częstotliwość wybierana w danym momencie na nośną jest ustalana pseudolosowo. Wyróżnić można dwie metody rozpraszania widma przez skakanie po częstotliwościach: 2

Rys. 3.1. Ilustracja idei FH z szybkim skakaniem po częstotliwościach. Rys. 3.2. Ilustracja idei FH z wolnym skakaniem po częstotliwościach. - szybkie skakanie po częstotliwościach (rys. 3.1) - zmiany częstotliwości nośnej f(t) występują wielokrotnie w ciągu trwania bitu danych (np. T h =T b /3 T b czas trwania bitu danych T h okres zmian częstotliwości nośnej). Odstęp między kolejnymi częstotliwościami nośnymi przyjmuje się f=1/t h. Rysunki 3.3 i 3.4 przedstawiają 3

widma sygnałów rozproszonych s FH (f) gdy T h =T b /3 => f=1/t h =3/T b oraz gdy T h =T b /7 => f=1/t h =7/T b. - wolne skakanie po częstotliwościach (rys. 3.2) - zmiany częstotliwości nośnej występują co kilka bitów danych ciągu danych d(t). W przypadku wolnego skakania po częstotliwościach spełniony jest zwykle warunek T h >>T b, a odstępy między sąsiednimi nośnymi przyjmuje się zwykle f=1/t b (rys. 3.5) lub f=2/t b (rys. 3.6). Rys. 3.3. Widmo sygnału rozproszonego z szybkim skakaniem po częstotliwościach f =3/T b. Rys. 3.4. Widmo sygnału rozproszonego z szybkim skakaniem po częstotliwościach f=7/t b. Rys. 3.5. Widmo sygnału rozproszonego z wolnym skakaniem po częstotliwościach f=1/t b. 4

Rys. 3.6. Widmo sygnału rozproszonego z wolnym skakaniem po częstotliwościach f=2/t b. Pasmo wykorzystywane przez pojedynczą nośną wynosi f, przy zastosowaniu N nośnych całkowite pasmo zajmowane przez sygnał po rozproszeniu wynosi N* f, a to oznacza, że zysk przetwarzania wynosi N. Jeśli zastosuje się transmisję z częściowym zachodzeniem na siebie sygnałów z sąsiednich nośnych, możliwe jest otrzymanie dwa razy węższego odstępu między nośnymi. Pozwala to uzyskać dwa razy węższe pasmo całkowite, lecz jednocześnie spada dwukrotnie zysk przetwarzania (N/2). W systemach FH mechanizm tłumienia sygnałów niepożądanych jest inny niż w DS. W przypadku FH sygnał użyteczny jest w danym momencie przesyłany w wąskopasmowym kanale, sygnał zakłócający będzie się tylko sporadycznie pokrywał z widmem sygnału użytecznego, a prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest nieduże. W tym przypadku tłumienie sygnału zakłócającego polega więc na jego unikaniu. Rys. 3.7. Nadajnik FH. W przypadku rozpraszania przez skakanie po częstotliwościach jako modulację wybiera się zwykle kluczowanie częstotliwości FSK. Uproszczone schematy nadajnika i odbiornika przedstawione są na rysunkach 3.7 i 3.8. 5

Rys. 3.8. Odbiornik FH. Zaletą systemów FH w porównaniu z DS jest dużo mniejsza szybkość pracy generatora pseudolosowego przy takim samym paśmie uzyskiwanym po rozproszeniu sygnału. 3.3. Zasada działania systemu łączności Bluetooth System łączności Bluetooth wykorzystuje jedno z nielicencjonowanych pasm ISM, tj. pasmo 2,4 GHz W systemie tym podczas komunikacji stosuje się rozpraszanie widma sygnału transmitowanego. Rozpraszanie to uzyskuje się poprzez zmienianie częstotliwości (skakanie po częstotliwościach), na których odbywa się komunikacja (jest to tzw. FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum). W czasie typowej pracy liczba skoków na sekundę wynosi 1600. Kolejne pakiety informacji nadawane są zatem na różnych częstotliwościach. Pasmo ISM, w którym pracuje Bluetooth, czyli zakres 2,4-2,4835 GHz, podzielone jest na 79 kanałów, z przeznaczeniem 1 MHz na kanał. Podczas transmisji skakanie po kanałach (częstotliwościach) odbywa się w sposób pseudolosowy. Odbiornik musi więc znać rozkład (sekwencję pseudolosową) skoków, aby mógł dostrajać się na bieżąco do odpowiedniego kanału. Ważną właściwością systemu Bluetooth, pozwalającą zredukować interferencje radiowe, jest wykorzystanie FHSS. Dzięki temu, że wszystkie urządzenia (stacje) Bluetooth przeskakują po częstotliwościach, ryzyko kolizji, wynikające z nadawania na tym samym kanale, jest niewielkie. Jeśli jednak do kolizji dochodzi, jej skutki są mało szkodliwe, ponieważ tracony jest pojedynczy pakiet, który może być retransmitowany. FHSS jednocześnie w pewnym stopniu zabezpiecza komunikację przed podsłuchem, ponieważ zwykle tylko odbiornik zna reguły skoków po częstotliwościach urządzenia nadającego. Poziom interferencji jest również minimalizowany dzięki temu, że Bluetooth jest rozwiązaniem zoptymalizowanym pod kątem komunikacji na małe odległości, a mała moc nadajników oznacza jednocześnie małe zakłócenia. Przepływność bitowa kanału transmisyjnego Bluetooth wynosi 1 Mb/s. Jednak prędkość transmisji danych użytkownika jest mniejsza, dlatego że w tym samym 6

kanale oprócz danych przesyłane są też m.in. informacje sterujące czy dane redundantne zabezpieczające przed błędami transmisji. Model sieci Bluetooth jest modelem komunikacji opartej na sieci zbliżeniowej. Oznacza to, że stacje mogą automatycznie, spontanicznie nawiązywać połączenie, gdy tylko znajdują się w swoim zasięgu. W standardzie Bluetooth maksymalna odległość między komunikującymi się urządzeniami wynosi typowo 10 m w wolnej przestrzeni. Standard przewiduje jednak możliwość zwiększenia zasięgu do 100 m. System Bluetooth oferuje połączenia typu punkt-punkt (ang. point to point, komunikują się dwa urządzenia) oraz połączenia typu punkt wielopunktów (ang. point to multipoint, komunikuje się wiele jednostek). Wszystkie urządzenia, stacje (co najmniej 2), należące do danego połączenia (tzn. komunikujące się ze sobą), tworzą tzw. pikosieć określaną też jako pikonet (ang. piconet). W pikosieci zawsze jedno urządzenie pełni funkcję nadrzędną (ang. master), pozostałe - to jednostki podrzędne (ang. slave). Model master-slave przykładowej pikosieci przedstawiony jest na rys. 3.9. Zgodnie ze specyfikacją dowolna stacja może pełnić którąkolwiek z ról, ale w zasadzie przyjmuje się, że jednostka inicjująca połączenie staje się nadrzędną. W trakcie pracy role te mogą zostać zmienione. Rys. 3.9. Model master-slave przykładowej pikosieci Przynależność do jednego połączenia oznacza korzystanie z tego samego kanału transmisyjnego. Kanał transmisyjny natomiast reprezentowany jest przez pseudolosową sekwencję skoków po częstotliwościach. Urządzenia tworzące dane połączenie wykorzystują tę samą sekwencję pseudolosową. Sekwencja ta jest określana na podstawie adresu (unikalnego) stacji master w danym pikonecie. Maksymalna liczba urządzeń aktywnych, należących do połączenia, wynosi 8 - jedna stacja nadrzędna i siedem stacji podrzędnych. Kilka pokrywających się pikosieci tworzy tzw. sieć rozproszoną (ang. scatternet). Model przykładowej sieci rozproszonej ilustruje rys. 3.10. Na danym obszarze istnieć może maksymalnie 10 pokrywających się pikonetów, a urządzenia mogą należeć do kilku pikosieci jednocześnie. W jednym pikonecie urządzenie może być stacją master, w innym stacją slave. O ile maksymalna liczba jednostek aktywnych w pikosieci wynosi 8, o tyle w odniesieniu do urządzeń nieaktywnych (należących jednak do danego połączenia) jest to liczba dowolna. 7

Rys. 3.10. Model przykładowej sieci rozproszonej 3.4. Struktura komunikacji w łączu Bluetooth Zagadnienie komunikacji w łączu Bluetooth jest złożonym proces, w którym dają się wyodrębnić pewne niezależne zadania. Poszczególne zadania realizowane mogą być przez określone jednostki sprzętowe lub programowe Rys. 3.11. Hierarchiczna struktura warstwowa 8

Grupę jednostek, spełniających sprzętowo bądź programowo dane zadanie, określa się mianem warstwy. Zestaw warstw realizujących w pełni komunikację tworzy tzw. stos warstw (stos o hierarchicznej architekturze warstwowej) zobrazowany na rys. 3.11. Funkcje danej warstwy wykonywane są przez pewne protokoły, dlatego często mówi się również o stosie protokołów. Odpowiadające sobie (będące na tym samym poziomie) warstwy komunikujących się urządzeń, porozumiewają się ze sobą. Jest to możliwe dzięki zapewnieniu ustalonych reguł przekazywania informacji między warstwami. Na szczycie stosu znajdują się usługi świadczone bezpośrednio użytkownikowi przez aplikacje, na dole sprzęt realizujący transmisję sygnałów przenoszących informacje. Komunikacja pomiędzy odpowiadającymi sobie warstwami odbywa się za pośrednictwem niższych warstw. Każda warstwa musi zatem znać format danych, nazywany protokołem wymiany danych, wymagany do komunikacji poprzez niższą warstwę. Podczas przesyłania danych na niższy poziom, warstwa dołącza do otrzymanych z wyższego poziomu danych nagłówek z informacjami dla odpowiadającej jej warstwy w innym urządzeniu. W ten sposób kolejne niższe warstwy nie ingerują w dane otrzymane z wyższych poziomów. Odbierając dane z niższych poziomów, dana warstwa interpretuje nagłówek dodany poprzez swojego odpowiednika. Następnie, jeśli istnieje potrzeba przekazania danych do warstwy wyższej, usuwa nagłówek i przekazuje dane. Pojedyncza warstwa traktowana jest jako czarna skrzynka opisana w kategoriach wejść, wyjść i zależności funkcyjnej między nimi. Każda warstwa postrzega więc sąsiednią warstwę jako czarną skrzynkę realizującą pewną funkcję. Tym, co znajduje się wewnątrz czarnej skrzynki, zajmują się projektanci (producent). Dany producent może zajmować się implementacją jednej lub kilku warstw, w których się specjalizuje. Kolejni wytwórcy odpowiadać będą za inne warstwy. Ich produkty będą mogły jednak ze sobą wzajemnie współpracować Stos protokołów z jakim mamy do czynienia w systemie Bluetooth podzielony został na trzy grupy protokołów. Każda grupa składa się z określonych warstw. Wyróżnia się następujące grupy protokołów (warstwy): - grupa protokołów transportowych (ang. transport protocol), - grupa protokołów pośredniczących (ang. middleware protocol), - grupa aplikacji (ang. application). Rys. 3.12. Ogólny podział stosu protokołów Bluetooth Rys. 3.12 przedstawia podział stosu protokołów na grupy. Nazewnictwo grup protokołów Bluetooth nie odpowiada jednak siedmiowarstwowemu modelowi OSI. 9

Protokoły transportowe pozwalają urządzeniom Bluetooth na wzajemne wyszukiwanie się, jak również na tworzenie, konfigurowanie i zarządzanie połączeniami fizycznymi oraz logicznymi. Za pośrednictwem protokołów tej grupy wyższe warstwy mogą przesyłać dane. Do grupy protokołów transportowych należą następujące warstwy (protokoły): - interfejs radiowy, - kontroler połączenia pasma podstawowego, - menadżer połączenia, - L2CAP, - HCI. Rysunek 3.13 ilustruje warstwy grupy transportowej. Rys. 3.13. Stos protokołów grupy transportowej Komunikacja między urządzeniami Bluetooth zawsze wymaga użycia wszystkich protokołów z tej grupy. Interfejs radiowy Najważniejszą funkcją warstwy interfejsu radiowego RF (Radio Frequency) jest przenoszenie do kanału radiowego danych otrzymywanych z wyższych warstw w postaci cyfrowej. Na tym poziomie również odzyskiwane są dane z odbieranego sygnału radiowego. Warstwa ta odpowiada zatem za generowanie nośnej i jej modulację sygnałem danych oraz demodulację. Interfejs radiowy steruje także mocą nadawczą oraz dokonuje pomiarów siły sygnału. Bardziej szczegółowo interfejs radiowy będzie omówiony w dalszej częsci. Kontroler połączenia pasma podstawowego Kontroler połączenia pasma podstawowego LC (Link Controller) określa przede wszystkim sposób wyszukiwania się urządzeń i zestawiania połączeń między nimi. Warstwa ta również przydziela poszczególnym stacjom w sieci Bluetooth funkcję master lub slave. Zadaniem pasma podstawowego BB (Baseband) jest definiowanie reguł doboru częstotliwości pracy komunikujących się urządzeń, ich synchronizacja oraz ustalanie zasad 10

współdzielenia interfejsu radiowego przez kilka stacji Bluetooth. Wykorzystywanie tego samego interfejsu opiera się na technice pakietowego połączenia dupleksowego z podziałem czasowym i bazuje na schemacie przepytywania. Warstwa ta również ustala sposób współdzielenia interfejsu radiowego przez połączenia synchroniczne i asynchroniczne. Pasmo podstawowe definiuje różne rodzaje pakietów i procedury ich przetwarzania (m.in. korekcja błędów, szyfrowanie). Do zadań pasma podstawowego należy też zarządzanie trybami pracy (sterowanie mocą). Menadżer połączenia Funkcją menadżera połączenia - LM (Link Manager), zgodnie z nazwą, jest zarządzanie łączami Bluetooth. Zajmuje się on więc między innymi negocjowaniem parametrów łącza radiowego i rezerwacją pasma dla połączeń audio. Jednym z parametrów podlegających negocjacji jest szerokość pasma wymagana do zapewnienia odpowiedniej jakości obsługi wymiany danych. Na tym poziomie odbywa się także uwierzytelnianie urządzeń. Warstwa ta steruje również przechodzeniem stacji Bluetooth w tryby pracy z obniżonym poborem mocy (oszczędność mocy) oraz może zażądać dostosowania mocy nadawczej do odpowiedniego poziomu. L2CAP Warstwa protokołu kontroli połączenia logicznego i adaptacji - L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) pozwala uniezależnić warstwę transportową Bluetooth od warstw znajdujących się ponad nią. L2CAP umożliwia multipleksację protokołów dzięki czemu wiele protokołów i aplikacji może współdzielić ten sam interfejs radiowy. Na omawianym poziomie odbywa się również segmentacja dużych pakietów warstw wyższych na pakiety mniejsze, dostosowane do pasma podstawowego. Odpowiednio realizowane jest też składanie pakietów. L2CAP pozwala utrzymać jakość usługi na odpowiednim poziomie przez negocjowanie. HCI Moduł Bluetooth (na bazie którego buduje się urządzenie pracujące w tym standardzie) zaimplementowane ma zwykle warstwy interfejsu radiowego, pasma podstawowego i menadżera połączeń. Moduł taki musi być dalej dołączony do urządzenia macierzystego (ang. host). Urządzenie macierzyste natomiast powinno implementować przynajmniej warstwę L2CAP. Moduł przyłączany jest do hosta za pomocą pewnego fizycznego interfejsu jak, RS- 232, UART, USB. Dzięki temu, że specyfikacja definiuje interfejs komunikacji między modułem a hostem (niezależny od fizycznego interfejsu miedzy nimi), opracowywaniem modułów Bluetooth zajmować może się wielu producentów. Omawiany tu interfejs komunikacji nazywany jest interfejsem kontrolera hosta - HCI (Host Controller Interface) i pozwala on wyższym warstwom (np. aplikacjom) na dostęp do menadżera połączeń, czy pasma podstawowego. Do komunikacji poprzez interfejs kontrolera hosta służy zestaw komend HCI. Pozwalają one urządzeniu macierzystemu wprowadzać moduł w określony tryb pracy (umożliwiają zarządzanie i sterownie modułem). Komunikacja przez interfejs kontrolera hosta to również odpowiedzi modułu kierowane do urządzenia macierzystego tzw. zdarzenia HCI. Oprócz tego poprzez warstwę HCI przechodzą zwykłe pakiety danych i pakiety audio. Warstwa HCI nie jest jednak koniecznym elementem w stosie protokołów. Opracowana natomiast została w tym celu, aby umożliwić współdziałanie modułów Bluetooth (niezależnie od producenta) z urządzeniami macierzystymi. W systemach mocno zintegrowanych warstwa HCI może wcale nie istnieć lub znajdować się w innym miejscu stosu protokołów. 11

Grupa protokołów pośredniczących. Interfejs, za pomocą którego warstwy aplikacji Bluetooth komunikują się ze sobą poprzez warstwę transportową, stanowi grupa protokołów pośredniczących. Składa się ona z następujących elementów: - RFCOMM, - SDP, - protokół współpracy z IrDA, - TCS. Stos protokołów tej grupy obrazuje rys. 3.14. Rys. 3.14. Stos protokołów grupy pośredniczącej RFCOMM RFCOMM jest warstwą pozwalającą na emulację portu szeregowego, umożliwiającą stworzenie wirtualnej (radiowej) odmiany tego portu. Stos protokołów został wyposażony w tę warstwę, ponieważ porty szeregowe są bardzo popularnymi interfejsami komunikacyjnymi. Aplikacje stosujące kablową transmisję szeregową, będą w stanie przejść na bezprzewodową komunikację szeregową. Omawiany protokół pozwoli starszym aplikacjom na korzystanie z technologii Blutooth bez konieczności dokonywania zmian w oprogramowaniu. RFCOMM jest standardem ETSI TS 07.10. Definiuje on zmultipleksowaną transmisją szeregową w pojedynczym łączu szeregowym. SIG zaakceptowała cześć tego standardu (po wprowadzeniu pewnych modyfikacji) na potrzeby specyfikacji Bluetooth. SDP Protokół wyszukiwania usług - SDP (Service Discovery Protocol) to warstwa, która definiuje ustalone metody, zasady rozpoznawania i zapamiętywania usług oferowanych przez urządzenia Bluetooth (nawiązujące ze sobą komunikacje). W sieciach przewodowych zwykle usługi (np. udostępnianie plików, drukarek czy ruting połączeń) zapewniane są przez takie urządzenia jak serwery. Usługi te udostępniane są innym urządzeniom w sieci (klientom). Klient jest w stanie korzystać z usług serwera dzięki pewnej statycznej konfiguracji. Sieci Bluetooth natomiast są często sieciami tymczasowymi, tworzonymi spontanicznie (ad hoc). Konfiguracja statyczna nie była by tu dobrym rozwianiem. W tym przypadku konieczne są dynamiczne metody wyszukiwania usług i służyć ma temu właśnie protokół SDP. 12

Protokół współpracy z IrDA IrDA (bezprzewodowa komunikacja w podczerwieni) pod pewnymi względami wykazuje duże podobieństwo do standardu Bluetooth. Obie technologie mają podobne własności, zastosowania, aplikacje. Niektóre z protokołów IrDA zostały zatem zaadaptowane do specyfikacji Bluetooh. Pozwala to na współdziałanie obu technologii na poziomie aplikacji. Do zaadaptowanych przez SIG protokołów należą: - protokół wymiany obiektów w podczerwieni IrOBEX (Infrared Object Exchange), - protokół komunikacji ruchomej w podczerwieni IrMC (Infrared Mobile Communication). IrOBEX jest sesyjnym protokołem komunikacji typu peer-to-peer, pozwalającym na wymianę plików i innych określonych obiektów takich jak wizytówki elektroniczne (vcard), listy elektroniczne, komunikaty (vmessage) itp. IrMC to protokół powstały na bazie protokołu sesji IrOBEX. IrMC umożliwia synchronizację obiektów (definiuje ich formaty i określa metody). Protokoły sieciowe Technologia Bluetooth pozwala na przyłączanie się do sieci typu LAN czy Internet przy wykorzystaniu połączenia komutowanego lub punktu dostępowego (AP). W przypadku komutowanych połączeń z siecią wykorzystywany jest protokół sterowania telefonią komendami AT. Jeśli siecią docelową jest Internet (sieć IP, pracuje w oparciu protokół IP) stosuje są standardowe protokoły internetowe (np. TCP). W sytuacji łączenia się z siecią IP za pomocą punktu dostępowego, połączenie do AP realizowane jest w oparciu o internetowy protokół PPP. Po zestawienia połączenia z AP, komunikacja z siecią odbywa się, bazując na typowych protokołach internetowych. Grupa aplikacji aplikacji Bluetooth dotyczy oprogramowania, które znajduje się powyżej stosu protokołów, przedstawionych wcześniej. Warstwy tej grupy ilustruje rys. 3.15. Grupa aplikacji określona przez SIG nie odpowiada warstwie aplikacji modelu OSI. To wyjaśnia dlaczego warstwy takie jak IrOBEX czy IrMC, należące według modelu OSI do warstwy aplikacji, w stosie protokołów Bluetooth nie znajdują się w grupie aplikacji lecz w warstwie pośredniczącej. SIG, pomimo wyróżnienia omawianej grupy, nie zajmował się definiowaniem protokołów aplikacyjnych. Ważną cechą Bluetooth jest to, że oprócz nowych aplikacji, tworzonych na potrzeby tej technologii, często istnieje możliwość korzystania ze starego oprogramowania. Chociaż oprogramowanie to tworzone było pod kątem korzystania z mechanizmów transportowych innych niż Bluetooth, to może być wykorzystywane również w przypadku tego standardu. Jest to możliwe dzięki zdefiniowaniu przez SIG takich warstw jak RFCOMM czy warstwa współpracy z IrDA. Pozwala to m.in. aplikacjom IrDA, korzystając z zaadaptowanych przez SIG protokołów, na obsługę przez środowisko Bluetooth. Podobnie aplikacje zaprojektowane do pracy z wykorzystaniem portu szeregowego będą mogły korzystać z Bluetooth, dzięki temu, że stos protokołów z pomocą warstwy RFCOMM emuluje port szeregowy. 13

Rys. 3.15. Stos protokołów grupy pośredniczącej 3.5. Interfejs radiowy System Bluetooth pracuje w paśmie 2,4 GHz, które jest jednym z pasm ISM. Typowo omawiane pasmo ISM podzielone jest na 79 kanałów o szerokości 1 MHz każdy. Częstotliwości kanałów radiowych podane są tabeli 3.1. Tab. 3.1. Pasma pracy Bluetooth. Obszar Zakres częstotliwości Kanały radiowe USA, państwa Europy i większość innych krajów 2400,0 2483,5 MHz 2402 + k MHz, k = 0,..,78 Francja 2446,5 2483,5 MHz 2454 + k MHz, k = 0,..,22 W celu ograniczenia emisji zakłóceń poza pasmem ISM, stosowane są górne i dolne częstotliwościowe marginesy ochronne, jak przedstawiono w tabeli 3.2. Tab. 3.2. Ochronne zakresy częstotliwości Bluetooth. Obszar Dolne pasmo ochronne Górne pasmo ochronne USA, państwa Europy i większość innych krajów 2 MHz 3,5 MHz Francja 7,5 MHz 7,5 MHz 14

Bluetooth jest systemem wykorzystującym transmisję z rozpraszaniem widma, uzyskiwanym metodą skakania po częstotliwościach tzw. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Skakanie po częstotliwościach oznacza przeskakiwanie po kanałach radiowych (podanych w tabeli 3.1). Częstotliwości (kanały pracy), na których odbywa się komunikacja, zmieniają się więc w czasie. Aktualna częstotliwość pracy dobierana jest w sposób pseudolosowy. Podczas typowej pracy (transmisja danych) szybkość skakania po częstotliwościach wynosi 1600 skoków/s, a więc czas pozostawania na jednej częstotliwości wynosi 625 µs. Podczas prób nawiązywania połączenia (przed rozpoczęciem normalnej komunikacji miedzy stacjami Bluetooth), szybkości przeskoków częstotliwościowych są już inne. System Bluetooth stosuje modulację z kluczowaniem częstotliwości z gaussowskim kształtowaniem sygnału. Jest to tzw. modulacja GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying). Indeks modulacji musi mieścić się w przedziale 0,28 0,35. Współczynnik modulacji BT (BT = Bandwidth x Time), będący iloczynem szerokości pasma filtru modulacji i czasu trwania pojedynczego bitu wynosi 0,5. Czas transmisji pojedynczego bitu w kanale Bluetooth wynosi 1 µs. Przepływność bitowa czystego połączenia wynosi zatem 1 Mb/s. Rzeczywista prędkość transmisji danych jest oczywiście mniejsza (kilkaset kb/s). Bluetooth jest rozwiązaniem zoptymalizowanym pod kątem komunikacji na niewielkie odległości przy małym poborze mocy. Typowo jest to do 10 m (w wolnej przestrzeni) przy mocy 1 mw. Niemniej istnieją 3 klasy mocy urządzeń Bluetooth, przedstawione w tabeli 3.3. Tab. 3.3. Klasy mocy Bluetooth Klasa mocy Maksymalna moc wyjściowa Nominalna moc wyjściowa Minimalna moc wyjściowa Sterowanie mocą Zasięg 1 100 mw (20 dbm) nie określona 1 mw (0dBm) konieczne do 100 m 2 2.5 mw (4 dbm) 1 mw (0 dbm) 0,25 mw (-6 dbm) opcjonalne do 10 m 3 1 mw (0 dbm) nie określona nie określona opcjonalne do 2 m Zasięg może być zwiększony nawet do 100 m (1 klasa mocy) przy mocy do 100 mw. Wymagana jest w tym przypadku możliwość sterowania mocą powyżej 4 dbm. Maksymalny krok zmiany mocy wynosi 8 db, a minimalny 2 db. Typowo urządzenia Bluetooth pracują w 2 klasie. W 3 klasie mocy zasięg wynosi do 2 m przy mocy maksymalnej 1 mw. Specyfikacja zaleca stosowanie sterowania mocą w każdej klasie od 30 dbm, ale nie jest to wymagane. Sterowanie mocą pozwala ograniczyć zużycie energii i zmniejszyć poziom interferencji w paśmie. Kanał fizyczny łącza Bluetooth jest określany przez pseudo-losową sekwencję skoków składającą się z 79. Sekwencja skoków jest unikalna dla każdego pikonetu i określana przez adres urządzenia master. Kanał transmisyjny jest podzielony na szczeliny (sloty) czasowe. Ten sposób transmisji określa się mianem transmisji dupleksowej z podziałem czasowym TDD (ang. Time Division Duplex). Ponieważ system Bluetooth stosuje również technikę FHSS, dane przesyłane w trakcie trwania poszczególnych szczelin nadawane są na innych częstotliwościach (zmiana częstotliwości następuje co slot czasowy) - wynika to z sekwencji skoków (z wyłączeniem pakietów trwających dłużej niż jeden slot). Nominalna ilość skoków wynosi 1600 skoków/s. 15

Kanał podzielony jest na szczeliny czasowe, każda o długości 625 µs. Poszczególne sloty czasowe numerowane są od 0 2 27-1, numerowanie jest okresowe z okresem równym 2 27. Rys. 3.16. Tryb TDD (ang. Time Division Duplex). Tryb TDD używany jest przy transmisji naprzemiennej rys. 3.16). Układ master rozpoczyna transmisję i wykonuje ją w nieparzystym slocie czasowym natomiast układ slave transmituje tylko podczas parzystych slotów czasowych. Pakiet powinien być nadawany wraz z rozpoczęciem danego slotu czasowego. Długość pakietu transmitowanego przez układ master lub slave może trwać do pięciu slotów czasowych rys. 3.17. Rys. 3.17. Wieloslotowy tryb transmisji danych Poniższy rys. 3.18 przedstawia przykład pracy pikosieci, gdy jeden układ master obsługuje transmisję do dwu układów slave. W pierwszej szczelinie czasowej układ master nadaje informacje, które kierowane są do układu salve1. W drugiej szczelinie układ slave1 nadaje informacje, których odbiorcą jest układ nadrzędny. Trzeci slot zawiera dane transmitowane do układu slave2, który w czwartym slocie odpowiada wysłaniem danych. 16

Rys. 3.18. Transmisja master dwa układy slave Zostały wyróżnione dwa tryby połączenia pomiędzy urządzeniem master i slave: asynchroniczne: Asynchronus Connection-Less (ACL) link; synchroniczne: Synchronus Connection-Oriented (SCO) link. Połączenie synchroniczne wykorzystywane jest przy połączeniu punkt-punkt pomiędzy układem master i układem slave w pikonecie. Do transmisji używane są tylko zarezerwowane sloty czasowe występujące okresowo. Połączenie asynchroniczne jest połączeniem punkt-wielopunkt pomiędzy układem master i wszystkimi układami slave obecnymi w obrębie pikosieci. W slotach nie zarezerwowanych dla trybu SCO urządzenie master może nawiązać transmisję używając trybu ACL z dowolnym układem slave, nawet tym biorącym udział w transmisji w trybie SCO. Dane przesyłane zgrupowane są w pakiety. Każdy pakiet składa się z trzech części: access code (kod dostępu) header (nagłówek) payload (pole danych). Rys. 3.19. Format pakietu w systemie Bluetooth. Na rys. 3.19 zamieszczono typowy pakietu stosowanego w systemie Bluetooth. Odbiornik Bluetooth musi zapewniać bitową stopę błędów BER (Bit Error Rate) na poziomie 0,1 % przy mocy sygnału wejściowego 70 dbm. 17

4. POMIARY I BADANIA 4.1. Pomiary widma sygnału Bluetooth w stanie zapytania Układ pomiarowy Rys. 4.1. Schemat blokowy układu pomiarowego. Wykaz układów i przyrządów pomiarowych: - zasilacze Cobrabid KB-6118 - komputery PC (z zainstalowanymi aplikacjami sterującymi modułami) - moduły Bluetooth - analizator widma Hewlett Packard E4402B - AW - antena TCA 10F TriCOME (dostarczająca sygnał do analizatora) - ANT 18

4.2. Pomiary widma sygnału Blutooth w stanie aktywnym transmisja danych Układ pomiarowy Rys. 4.2. Schemat blokowy układu pomiarowego Wykaz układów i przyrządów pomiarowych: - dwa zasilacze Cobrabid KB-6118 - zasilacz 1, zasilacz 2 - dwa komputery PC (z zainstalowanymi aplikacjami sterującymi modułami) - komputer 1, komputer 2 - dwa moduły Bluetooth - BD 1, BD 2 - analizator widma Hewlett Packard E4402B - AW - antena TCA 10F TriCOME (dostarczająca sygnał do analizatora) - ANT 19

4.3. Badanie procesu zestawiania połączenia w łączu Blutooth Układ pomiarowy Rys. 4.3. Schemat blokowy układu pomiarowego. Wykaz układów i przyrządów pomiarowych: - dwa zasilacze Unitra Unima typ 5121 - zasilacz 1, zasilacz 2 - dwa komputery PC ( z zainstalowanymi aplikacjami sterującymi modułami) - komputer 1, komputer 2 - dwa moduły Bluetooth - BD 1, BD 2 5. LITERATURA [1] Bluetooth Special Interest Group: Specification of the Bluetooth System, wersja 1.1, tom 1, http://www.bluetooth.com/pdf/bluetooth_11_specifications_book.pdf, luty 2001. [2] Bluetooth Special Interest Group: Specification of the Bluetooth System, wersja 1.1, tom 2, http://www.bluetooth.com/pdf/bluetooth_11_profiles_book.pdf, luty 2001. 20