Transmisja danych w technologii Bluetooth odbywa się za pośrednictwem fal radiowych, co znacznie ułatwia komunikację pomiędzy poszczególnymi urządzeniami elektronicznymi codziennego użytku, np. między smartfonem a słuchawkami. Prostota komunikacji jest właśnie niewątpliwą zaletą tej technologii – w odróżnieniu choćby od transmisji
Wi-Fi nie wymaga zastosowania dodatkowego routera.
Technologię tę opracowali szwedzcy inżynierowie na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Autorem koncepcji jest mieszkaniec Skanii, Jim Kardach. Zafascynowany pierwszym królem duńskim Haraldem Sinozębym, który przyczynił się do zjednoczenia rywalizujących rodów oraz poszczególnych jarlów z Danii i Norwegii, postanowił „zjednoczyć” różne technologie informatyczne i telekomunikacyjne w jednym systemie transmisji danych. Tak narodziła się koncepcja standardu transmisyjnego, która swoją nazwę wzięła od duńskiego króla Haralda Sinozębnego (ang. Harald Bluetooth).
W 1994 roku firma Ericsson zainteresowała się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla. Wspólnie z czterema innymi firmami (IBM, Intel, Nokia i Toshiba) uformowała SIG (ang. Special Interest Group) celem standaryzacji bezprzewodowego standardu cechującego się niewielkim zasięgiem, małym poborem prądu, niskim poziomem mocy promieniowanej oraz niską ceną. Pierwotny zamiar wyeliminowania kabli połączeniowych szybko przekształcił się w prace na obszarze bezprzewodowych sieci LAN. Dzięki temu standard stał się bardziej praktyczny i został konkurencją dla Wi-Fi 802.11. W lipcu 1999 Bluetooth SIG publikowało 1500-stronicową pecyfikację pierwszej wersji standardu Bluetooth (Bluetooth V1.0). Wkrótce potem grupa standaryzacyjna IEEE zajmująca się bezprzewodowymi sieciami osobistymi 802.15 przyjęła dokument organizacji SIG jako podstawę dalszych prac. Należy zaznaczyć, że standard grupy SIG obejmuje kompletny system, od warstwy fizycznej do warstwy aplikacji, natomiast standard IEEE obejmuje tylko warstwę fizyczną i łącza danych. Pomimo że IEEE zatwierdziło pierwszy standard PAN (ang. Personal Area Network), 802.15.1, w 2002 roku, organizacja SIG ciągle pracuje nad jego poprawą.
Podstawową jednostką standardu Bluetooth jest pikosieć, która zawiera węzeł typu master oraz maksymalnie siedem węzłów typu slave. Wiele pikosieci może istnieć w jednym pomieszczeniu, a nawet mogą być ze sobą połączone przy pomocy węzła typu bridge. Połączone ze sobą pikosieci określa się mianem scatternet. Oprócz siedmiu węzłów typu slave, w jednej pikosieci może pracować do 255 węzłów, pozostających w stanie synchronizacji z urządzeniem typu master (jest to tzw. tryb wyczekiwania i niskiego poboru mocy). Urządzenia te nie uczestniczą w wymianie danych. Mogą tylko otrzymać sygnał aktywacyjny lub nawigacyjny od węzła typu master. Istnieją jeszcze dwa przejściowe stany hold oraz sniff. Przyczyną podziału węzłów na master i slave jest minimalizacja kosztów standardu. Konsekwencją tego jest fakt, że węzły typu slave są w 100 proc. podporządkowane węzłom master. Pikosieć jest scentralizowanym systemem TDM, master kontroluje zegar i określa, które urządzenie i w jakim slocie czasowym (szczelinie czasowej) może się z nim komunikować. Wymiana danych może nastąpić tylko pomiędzy węzłem master i slave. Komunikacja slave – slave nie jest możliwa.
Nie zagłębiając się w szczegółowe aspekty techniczne technologii Bluetooth, warto wspomnieć w tym miejscu o warstwie radiowej standardu. Jest ona odpowiedzialna za transport danych od urządzenia master do slave i vice versa. To system o małym poborze mocy, działający w zależności od klasy na różnych zasięgach, operujący w paśmie częstotliwości ISM 2,4 GHz. Pasmo jest podzielone na 79 kanałów po 1 MHz każdy. System wykorzystuje modulację FSK (ang. Frequency Shift Keying), dając prędkości transmisji 1 Mbit/s, jednak duża część tego widma jest zajęta przez nagłówek. Aby przydzielić kanały sprawiedliwie, wykorzystuje się skakanie częstotliwości (1600 koków na sekundę). Sekwencję skoków dyktuje węzeł master. Systemy Wi-Fi 802.11 oraz Bluetooth operują na tych samych częstotliwościach z takim samym podziałem pasma na 79 kanałów. Z tego powodu zakłócają się wzajemnie. Ponieważ skoki częstotliwości są znacznie szybsze w systemie Bluetooth, jest znacznie bardziej prawdopodobne, że system ten będzie zakłócał transmisje w 802.11. Gdy nowe urządzenie szuka sieci, do której mogłoby się przyłączyć, skacze po kanałach w sposób losowy. Połączenie zostaje nawiązane dopiero, gdy trafi na ten sam kanał, co master. Algorytm wybierania kanału przez mastera jest inny niż algorytm przełączania kanału przez slave’a szukającego mastera. Oba algorytmy opierają się na losowości, co powoduje, że nigdy nie ma pewności, po jakim czasie slave znajdzie mastera.
Technologia Bluetooth sukcesywnie się rozwija i zmienia, zmieniają się też wersje standardów tego systemu. Wyróżnia się następujące wersje standardu 802.15 w zależności od prędkości przesyłu danych:
- 1.0 – szybkość przesyłania danych do 21 kb/s.
- 1.1 – do 124 kb/s.
- 1.2 – do 328 kb/s.
- 2.0 + EDR – do 2,1 Mb/s.
- 3.0 + HS – do 24 Mb/s.
- 3.1 + HS – do 40 Mb/s.
- 4.0 + LE – w tym standardzie prędkość wprawdzie obniżono, ale udało się zmniejszyć zużycie energii i zwiększyć odległość, na jaką działa przesyłanie danych, do 100 metrów. Skrót LE oznacza „Low Energy” i od tej wersji powszechniła się wersja BLE („Bluetooth Low Energy”), rozwijana w kolejnych latach.
- Bluetooth 4.1 – wprowadzono możliwość łączenia się urządzeń w sieć (na przykład w przypadku „inteligentnych urządzeń” w domu).
- Bluetooth 4.2 – coraz szybszy transfer.
- Bluetooth 5.0 – w tej wersji zwiększono prędkość i zasięg działania. Wymiennie, co oznacza, że zwiększenie odległości między urządzeniami zmniejsza transfer, jednak nadal jest to najszybszy i jednocześnie energooszczędny standard ze wszystkich dostępnych.
- Bluetooth 5.1 – zaprezentowana na początku stycznia 2019 roku wersja wprowadza możliwość określenia kierunku
- nadawania/odbierania sygnału (opcja lokalizacji urządzeń) z dokładnością do 1 cm.
- Bluetooth 5.2 – rozwiązanie to wprowadzono w 2020 roku. Zapewnia m.in. mniejsze zużycie energii i wprowadza normalizację sposobu przesyłania dźwięku przez BT LE (Bluetooth Low Energy). Umożliwia również transmisję typu „jeden do wielu” i „wiele do jednego”, co pozwala np. na odbieranie sygnału nadawanego z jednego źródła przez wiele urządzeń odbiorczych. Bluetooth 5.2 wprowadza również nowy kodek LC3 (Low Complexity Communications Codec), jako następcę kodeka SBC (Subband Coding). Zapewnia on lepszą jakość dźwięku, nawet przy niskiej przepływności bitowej.
Jeśli chodzi o zasięg fizyczny, w ramach którego możliwa jest komunikacja, to standard Bluetooth oferuje trzy klasy mocy nadawczej, determinującej maksymalną odległość komunikacji:
- klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, teoretycznie do 100 m,
- klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, teoretyczny zasięg do 10 m,
- klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z teoretycznym zasięgiem do 1 m.
Wszystkie standardy charakteryzują się kompatybilnością wsteczną ze sobą nawzajem, co oznacza, że Bluetooth 5.0 może działać z Bluetooth 4.2. i wcześniejszymi. Należy jednak zaznaczyć, że prędkość przesyłania danych będzie wówczas zależała od słabszego urządzenia. Mimo wszystko ta kompatybilność znacznie ułatwia korzystanie z rozmaitych urządzeń wyposażonych w technologię Bluetooth i swobodne łączenie najnowocześniejszych gadżetów na przykład z kilkuletnim laptopem. Jednak najważniejszą zaletą standardu Bluetooth, oczywiście poza brakiem przewodów, jest niskie zużycie energii. Wiąże się to jednak z małym zasięgiem radiowym. Niewielki zasięg pozwala natomiast na używanie bardzo niewielkich mocy nadawania, a to z kolei przekłada się pozytywnie na oszczędność energii, co w przypadku urządzeń mobilnych ma bardzo duże znaczenie. Między innymi dlatego stosuje się tę technologię do łączenia niewielkich słuchawek dokanałowych z telefonem.
Zastosowanie Bluetooth może być różnorodne i zależeć od urządzenia. Bluetooth obecnie wykorzystuje się bardzo często w smartfonach do przesyłu danych do innych urządzeń lub do połączenia z innymi urządzeniami. Znakomicie sprawdzają się również w myszach lub klawiaturach komputerowych, a także do wspomnianych już wyżej słuchawek czy systemów głośnomówiących w samochodach. Fale radiowe rozchodzą się promieniście, dzięki czemu nie ma konieczności zwracania nadajnika w kierunku odbiornika, aby sygnał został odebrany. To bardzo ważna właściwość, dzięki której w dzisiejszych czasach praktycznie już nie produkuje się między innymi pilotów do telewizorów działających na podczerwień. Te urządzenia wymagały skierowania źródła sygnału w stronę odbiornika. Moduły Bluetooth montuje się także w takich urządzeniach jak smartwatche – dzięki nim zegarki stale utrzymują kontakt z telefonem. Wykorzystuje się je też do bezprzewodowego drukowania, udostępniania internetu, często montowane są w zaawansowanych urządzeniach automatyki domowej lub w robotach w celu komunikacji ze sterownikiem czy innymi robotami. Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń komunikujących się dzięki interfejsowi Bluetooth. Do najpopularniejszych wykorzystujących tę technologię należy zaliczyć słuchawki oraz głośniki Bluetooth, zdalnie sterowane zabawki czy zawieszki Bluetooth, które po oddaleniu się od telefonu emitują głośny dźwięk – ma to funkcję przeciwkradzieżową oraz stanowi ułatwienie dla osób, które często gubią przedmioty, np. klucze.
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
