Czym jest i jak działa technologia Bluetooth?

Co to jest Bluetooth?

Bluetooth jest znaną technologią bezprzewodową o niskim poborze mocy. Został zaprojektowany do użytku jako technologia bezprzewodowej sieci osobistej (WPAN) obok technologii takich jak Wi-Fi i ZigBee. Zastosowania Bluetooth różnią się od aplikacji opartych na telefonach komórkowych do aplikacji opartych na czujnikach samochodowych. Jednak w przeciwieństwie do swoich odpowiedników, Bluetooth został zaprojektowany specjalnie dla krótszych odległości. Bluetooth został po raz pierwszy wprowadzony w 1994 roku przez firmę Ericsson. Jedynym celem wprowadzenia Bluetooth było zastąpienie użycia przewodów i kabli. We współpracy z firmami Nokia i Intel, Ericsson utworzył w 1996 roku Special Interest Group (SIG), która jest organem zarządzającym wydawaniem i definiowaniem specyfikacji Bluetooth. Z biegiem lat sojusz SIG wzrastał, co doprowadziło do rozwoju technologii Bluetooth. Jest ona oparta na paśmie częstotliwości 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical Applications). Początkowe wersje Bluetooth obsługiwały szybkość transmisji do 1 Mbps. Bluetooth jest również podatny na cyberataki ze względu na odziedziczone funkcje bezpieczeństwa w Bluetooth. Dzięki tym wszystkim cechom Bluetooth jest idealnym kandydatem do nowoczesnych rozwiązań Internetu rzeczy (IoT).

Jak działa Bluetooth?

Bluetooth działa głównie jako rozwiązanie technologiczne WPAN dla aplikacji IoT. Istnieją dwa główne rodzaje technologii bezprzewodowych. Są to,

1. Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR) lub klasyczny Bluetooth
2. Niski poziom energii (BLE lub LE)

Pomimo różnic w warstwie fizycznej, są one obsługiwane na poziomie 2.4 GHz Pasmo częstotliwości ISM. Sieć Bluetooth początkowo składa się z następujących węzłów:

• Reklamodawca: Ten węzeł urządzenia przesyła pakiety reklamowe.
• Skaner: Węzeł urządzenia odbierający pakiety bez zamiaru nawiązania połączenia.

Gdy węzeł urządzenia skanującego spróbuje rozpocząć połączenie, jest określany jako inicjator. To połączenie jest uruchamiane w odpowiedzi na zdarzenie reklamowe z możliwością połączenia opublikowane przez reklamodawcę. W końcu połączenie zostaje nawiązane. Teraz inicjator jest znany jako master, podczas gdy reklamodawca jest znany jako slave. To połączenie między urządzeniem nadrzędnym i podrzędnym jest znane jako pikosieć. W kontekście Bluetooth BR/EDR w pikosieci może znajdować się do jednego urządzenia nadrzędnego z 7 urządzeniami podrzędnymi. Pikosieci te można jednak rozszerzyć do tak zwanych sieci rozproszonych. Sieci rozproszone miałyby dwa połączone pikosieci, w których istnieje drugi master do obsługi drugiego pikosieci. Drugorzędny serwer główny byłby połączony z obydwoma pikosieciami.

Jeśli chodzi o Bluetooth Technologia BLEZe względu na 24-bitowe adresowanie w porównaniu do 3-bitowego adresowania w Bluetooth BR/EDR, może obsługiwać miliony urządzeń. Jednak w Bluetooth BLE samo połączenie master-slave jest oddzielnym pikosiecią. Dlatego każde urządzenie znajduje się w osobnym kanale.

Po nawiązaniu połączenia, urządzenie podrzędne jest proszone o odpowiedź po wysłaniu wiadomości przez urządzenie nadrzędne. Slave jest wybierany i otrzymuje szansę przy użyciu adaptacyjnej techniki przeskakiwania częstotliwości. Zapewnia to bezpieczeństwo i najlepsze wykorzystanie alokacji kanału.

W pikosieci każdy węzeł lub urządzenie może znajdować się w następujących stanach:

• Mistrz
• Niewolnik
• Tryb gotowości
• Zaparkowany

Domyślnie węzeł znajduje się w trybie gotowości. Tryb zaparkowany został wycofany z Bluetooth 5.0.

Specyfikacja Bluetooth

Zanim zagłębimy się w architekturę Bluetooth, warto zrozumieć różnice w specyfikacjach Bluetooth na przestrzeni lat. Poniższa tabela su1TP14 przedstawia kluczowe cechy każdej specyfikacji Bluetooth.

Więcej szczegółów specyfikacji można znaleźć na stronie https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. Obecna wersja Bluetooth to Bluetooth 5.3 wydana w 2021 roku. Należy pamiętać, że Bluetooth BLE jest jedną z technologii zaprojektowanych w celu zaspokojenia potrzeb aplikacji IoT. Obsługa sieci mesh i możliwości rozgłaszania za pomocą Niski pobór mocy czyni go idealnym kandydatem w porównaniu z klasycznym Bluetooth. Klasyczny Bluetooth jest w stanie obsługiwać tylko komunikację punkt-punkt, tak jak w pikosieciach.

Architektura Bluetooth

Przyjrzyjmy się teraz pokrótce podstawowej strukturze architektury Bluetooth. Istnieją trzy podstawowe komponenty stosu Bluetooth, a mianowicie:

• Kontroler sprzętowy
• Oprogramowanie hosta
• Profile aplikacji

Architektura ta składa się z protokołów lub warstw, które obsługują różne funkcje. Ponadto profile są funkcjami, które wykorzystują protokoły do realizacji funkcjonalności. Rozważając stos Bluetooth 5.0, urządzenia można znaleźć w dwóch trybach:

• Tryb podwójny: Urządzenia obsługujące zarówno tryby BR/EDR, jak i LE
• Tryb pojedynczy: Urządzenia obsługujące tryby BR/EDR lub LE

Niezawodność Bluetooth

Jednym z największych wyzwań w komunikacji bezprzewodowej jest obecność zakłóceń. Zakłócenia są spowodowane kolizją pakietów i utratą danych w medium bezprzewodowym. Aby przezwyciężyć zakłócenia, Bluetooth wykorzystuje następujące techniki:

• Pakiety Bluetooth są małe i szybsze: Zmniejszy to prawdopodobieństwo kolizji z innymi pakietami, ponieważ poruszają się one szybciej i są mniejsze.
• Bluetooth wykorzystuje specjalną technologię Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) znaną jako adaptive frequency hopping (AFH). W tym przypadku dane pasmo częstotliwości jest podzielone na różne kanały, a pakiety przeskakują między kanałami podczas transmisji. Ponadto mogą identyfikować zatłoczone i uszkodzone kanały, unikając ich.
• Bluetooth obsługuje również komunikaty potwierdzające, aby potwierdzić prawidłowe dostarczenie wiadomości w połączeniach typu punkt-punkt i sieć kratowa.
• Co więcej, w sieciach mesh pakiety Bluetooth są retransmitowane jako wiele kopii w różnych kanałach. Zapewnia to prawidłową transmisję nawet w najgłośniejszych środowiskach.

Jak bezpieczny jest Bluetooth?

Jeśli chodzi o włączanie urządzeń IoT do sieci WPAN, kluczową kwestią jest poziom bezpieczeństwa zapewniany przez wybraną technologię transmisji. Bluetooth jest naturalnie bezpiecznym wyborem, jeśli chodzi o technologie bezprzewodowe. Wynika to z zastosowania techniki AFH, w której przesyłane pakiety są szybko przeskakiwane między różnymi kanałami. Jednak w celu dalszego zwiększenia bezpieczeństwa transmisji Bluetooth SIG zapewnił różne funkcje bezpieczeństwa, które należy włączyć w razie potrzeby. Na przykład parowanie w technice Bluetooth Out of Band może być wykorzystane do zabezpieczenia połączenia przed różnymi lukami w zabezpieczeniach.

Jaki jest zasięg Bluetooth?

Bluetooth jest technologią bezprzewodową WPAN, co czyni ją idealnym kandydatem do pracy na krótkich dystansach i w zamkniętych przestrzeniach. Pomimo różnych kroków podjętych w celu zwiększenia zasięgu działania, pewne czynniki decydują o możliwym do osiągnięcia zasięgu. Czynniki te obejmują:

• Utrata ścieżki w środowisku.
• Zysk anteny nadawczo-odbiorczej.
• Wybrane widmo radiowe. Małe pasmo częstotliwości zapewnia większy zasięg.
• Wybrane medium fizyczne. Bluetooth jest wyposażony w różne opcje z różnymi szybkościami transmisji danych, takimi jak BR/EDR, HS i BLE.

Zatem to architekt IoT decyduje o zakresie w zależności od wyżej wymienionych czynników.

Zalety i wady technologii Bluetooth w IoT

Zalety Bluetooth obejmują:

• Podatność na zakłócenia ze strony innych technologii bezprzewodowych
• Niski pobór mocy
• Może być używany zarówno do transmisji danych, jak i głosu

Wady technologii Bluetooth są następujące:

• Bezpieczeństwo może być zagrożone
• Niska przepustowość w porównaniu do Wi-Fi
• Wolniej (wciąż są różne opcje do wyboru)

Wnioski

Bluetooth jest idealnym kandydatem do zastosowań IoT, które wymagają niskiego zużycia energii. Idealnie nadaje się do obszarów o większej interferencji z innymi transmisjami bezprzewodowymi. Jednak pomimo wyzwań i wad, Bluetooth jest znanym wyborem, jeśli chodzi o aplikacje WPAN IoT, takie jak automatyka domowa.