ما هي تقنية Bluetooth وكيف تعمل؟

ما هو البلوتوث؟

تعد Bluetooth خياراً تقنياً لاسلكياً شهيراً منخفض الطاقة. وهي مصممة للاستخدام كتقنية شبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPAN) إلى جانب تقنيات مثل Wi-Fi و زيجبي. تتنوع تطبيقات البلوتوث من التطبيقات القائمة على الهاتف المحمول إلى التطبيقات القائمة على مستشعرات المركبات. ولكن، على عكس نظيراتها، تم تصميم البلوتوث خصيصاً للمسافات القصيرة. تم تقديم البلوتوث لأول مرة في عام 1994 من قبل شركة إريكسون. وكان الغرض الوحيد من تقديم البلوتوث هو استبدال استخدام الأسلاك والكابلات السلكية. وبالتعاون مع شركتي نوكيا وإنتل، شكلت إريكسون مجموعة الاهتمامات الخاصة (SIG) في عام 1996، وهي الهيئة الحاكمة لإصدار مواصفات البلوتوث وتحديدها. وعلى مر السنين ازداد تحالف SIG، مما أدى إلى تطوير تقنية البلوتوث. وهي تعتمد على نطاق التردد 2.4 GHz ISM (التطبيقات الصناعية والعلمية والطبية). كانت الإصدارات الأولية من البلوتوث تدعم معدل بت يصل إلى 1 ميجابت في الثانية. كما أن البلوتوث عرضة للهجمات الإلكترونية بسبب ميزات الأمان الموروثة في البلوتوث. مع كل هذه الميزات، يُعدّ البلوتوث مرشحاً مثالياً لحلول إنترنت الأشياء الحديثة (IoT).

كيف يعمل البلوتوث؟

تعمل البلوتوث بشكل أساسي كحل تقني لشبكة WPAN لتطبيقات إنترنت الأشياء. هناك نوعان رئيسيان من التقنيات اللاسلكية. وهما,

1. المعدل الأساسي (BR) / معدل البيانات المحسّن (EDR) أو البلوتوث الكلاسيكي
2. الطاقة المنخفضة (BLE أو LE)

على الرغم من اختلافاتهما في الطبقة الفيزيائية، إلا أنهما يعملان على 2.4 GHz نطاق التردد ISM. تتكون شبكة البلوتوث في البداية من العقد التالية:

• معلن: تقوم عقدة الجهاز هذه بإرسال حزم المعلن.
• ماسح ضوئي: عقدة جهاز تستقبل حزمًا دون نية إعداد اتصال.

وبمجرد أن تحاول عقدة جهاز الماسح الضوئي بدء الاتصال، يُشار إليها باسم البادئ. يتم بدء هذا الاتصال استجابةً لحدث إعلان قابل للاتصال تم نشره من قبل المعلن. وأخيراً، يتم إنشاء اتصال. الآن، يُعرف البادئ باسم السيد بينما يُعرف المعلن باسم العبد. يُعرف هذا الاتصال بين السيد والعبد باسم شبكة بيكونت. في سياق تقنية Bluetooth BR/EDR، يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى سيد واحد مع 7 عبيد في شبكة بيكون نت. ومع ذلك، يمكن توسيع هذه الشبكات الصغيرة إلى ما يعرف باسم الشبكات المبعثرة. ستحتوي الشبكات المبعثرة على شبكتين بيكويتين مدمجتين، حيث يوجد سيد ثانٍ للتعامل مع الشبكة البيكويتية الثانية. سيكون هذا المعلم الثانوي الرئيسي الثاني مشتركاً في كلتا الشبكتين.

عندما يتعلق الأمر بالبلوتوث تقنية BLEنظرًا لعنونة 24 بت مقارنةً بعنونة 3 بت في Bluetooth BR/EDR، يمكنها دعم ملايين الأجهزة. أما في Bluetooth BLE، فإن الاتصال بين السيد والعبد في البلوتوث BLE هو في حد ذاته شبكة بيكونت منفصلة. لذلك، يكون كل جهاز في قناة منفصلة.

بعد إنشاء الاتصال، يُطلب من العبد الرد بعد إرسال رسالة من السيد. يتم اختيار العبد ومنحه فرصة باستخدام تقنية القفز الترددي التكيفي. وهذا يضمن الأمان وأفضل استخدام لتخصيص القناة.

في شبكة piconet، يمكن أن تكون كل عقدة أو جهاز في الحالات التالية:

• ماجستير
• الرقيق
• الاستعداد
• متوقفة

بشكل افتراضي، تكون العقدة في وضع الاستعداد. تم إهمال الوضع المتوقف من Bluetooth 5.0.

مواصفات البلوتوث

قبل التعمق في بنية البلوتوث، من المفيد فهم الاختلافات في مواصفات البلوتوث على مر السنين. يلخص الجدول التالي الميزات الرئيسية لكل مواصفات البلوتوث.

يمكن الاطلاع على المزيد من تفاصيل المواصفات على https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. الإصدار الحالي من Bluetooth هو Bluetooth 5.3 الذي تم إصداره في عام 2021. لاحظ أن Bluetooth BLE هي إحدى التقنيات المصممة لتلبية احتياجات تطبيقات إنترنت الأشياء. دعم الشبكات الشبكية المتداخلة وإمكانية البث مع استهلاك منخفض للطاقة يجعلها مرشحة مثالية على البلوتوث الكلاسيكي. البلوتوث الكلاسيكي قادر فقط على التعامل مع الاتصال من نقطة إلى نقطة كما هو الحال في شبكات piconets.

بنية البلوتوث

والآن لنلقِ نظرة سريعة على البنية الأساسية لبنية البلوتوث. هناك ثلاثة مكونات أساسية في مكدس البلوتوث، وهي

• وحدة التحكم في الأجهزة
• برنامج المضيف
• ملفات تعريف التطبيق

تتكون هذه البنية من بروتوكولات أو طبقات تتعامل مع وظائف مختلفة. كما أن الملفات الشخصية هي الوظائف التي تستخدم البروتوكولات لتحقيق الوظائف. عند التفكير في مكدس Bluetooth 5.0، يمكن العثور على الأجهزة في وضعين:

• الوضع المزدوج: الأجهزة التي تدعم كلاً من وضعي BR/EDR و LE
• الوضع الفردي: الأجهزة التي تدعم وضعي BR/EDR أو LE

موثوقية البلوتوث

أحد أكبر التحديات في الاتصالات اللاسلكية هو وجود التداخل. يحدث التداخل بسبب تصادم الحزم وفقدانها في الوسيط اللاسلكي. للتغلب على التداخل، يستخدم البلوتوث التقنيات التالية:

• حزم البلوتوث صغيرة وأسرع: سيقلل ذلك من احتمالية اصطدامها بالحزم الأخرى لأنها تتحرك بشكل أسرع وأصغر حجماً.
• تستخدم تقنية Bluetooth طيف انتشار قفز التردد الخاص (FHSS) المعروف باسم قفز التردد التكيفي (AFH). هنا يتم فصل نطاق التردد المحدد إلى قنوات مختلفة وتقفز الحزم بين القنوات أثناء الإرسال. كما أنها تستطيع تحديد القنوات المزدحمة والفاسدة، وبالتالي تجنبها.
• يدعم Bluetooth أيضاً رسائل الإقرار لتأكيد التسليم الصحيح للرسائل في الاتصال من نقطة إلى نقطة و الشبكات المتداخلة.
• علاوة على ذلك، في الشبكات المتداخلة يتم إعادة إرسال حزم Bluetooth في شكل نسخ متعددة في قنوات مختلفة. وهذا يضمن الإرسال السليم حتى في أكثر البيئات ضجيجاً.

ما مدى أمان البلوتوث؟

عندما يتعلق الأمر بتمكين أجهزة إنترنت الأشياء في شبكة WPAN اللاسلكية، فإن الاهتمام المشترك هو مستوى الأمان الذي توفره تقنية الإرسال المختارة. من الطبيعي أن تكون تقنية Bluetooth خياراً آمناً عندما يتعلق الأمر بالتقنيات اللاسلكية. ويرجع ذلك إلى استخدام تقنية AFH حيث يتم القفز السريع للحزم المرسلة بين القنوات المختلفة. ومع ذلك، ولتعزيز أمان الإرسال بشكل أكبر، وفرت Bluetooth SIG ميزات أمان مختلفة يتم تمكينها حسب الحاجة. على سبيل المثال، يمكن استخدام تقنية الاقتران بتقنية Bluetooth خارج النطاق لتأمين الاتصال من نقاط الضعف المختلفة.

ما هو نطاق البلوتوث؟

إن تقنية Bluetooth هي تقنية لاسلكية لشبكة WPAN اللاسلكية مما يجعلها مرشحة مثالية للنطاقات قصيرة المسافة وفي الأماكن المغلقة. على الرغم من الخطوات المختلفة المتخذة لتعزيز نطاق التشغيل، إلا أن هناك عوامل معينة تحدد النطاق الذي يمكن تحقيقه. تتضمن هذه العوامل ما يلي:

• فقدان المسار في البيئة.
• كسب هوائي جهاز الإرسال والاستقبال.
• الطيف الراديوي المحدد. سيوفر نطاق التردد الصغير نطاقاً أكبر.
• الوسيط المادي المحدد. تم تجهيز Bluetooth بخيارات مختلفة بمعدلات بيانات مختلفة مثل BR/EDR و HS و BLE.

لذا، فإن اختيار مهندس إنترنت الأشياء هو اختيار مهندس إنترنت الأشياء لتحديد النطاق اعتمادًا على العوامل المذكورة أعلاه.

مزايا وعيوب تقنية البلوتوث في إنترنت الأشياء

تشمل مزايا البلوتوث ما يلي:

• قابلية التعرض للتداخل من التقنيات اللاسلكية الأخرى
• استهلاك منخفض للطاقة
• يمكن استخدامها لنقل البيانات والصوت على حد سواء

عيوب البلوتوث هي:

• يمكن أن يتعرض الأمن للخطر
• نطاق ترددي منخفض عند مقارنته بشبكة Wi-Fi
• أبطأ (لا تزال هناك خيارات مختلفة للاختيار من بينها)

الخاتمة

يُعد Bluetooth مرشحاً مثالياً لتطبيقات إنترنت الأشياء التي تتطلب استهلاكاً منخفضاً للطاقة. من الناحية المثالية، فهي أكثر ملاءمة للمناطق التي بها تداخل أكثر من عمليات الإرسال اللاسلكية الأخرى. ومع ذلك، على الرغم من التحديات والعيوب، فإن البلوتوث خيار شهير عندما يتعلق الأمر بتطبيقات إنترنت الأشياء لشبكات WPAN اللاسلكية مثل الأتمتة المنزلية.