Что такое технология Bluetooth и как она работает?

Что такое Bluetooth?

Bluetooth - это известная беспроводная технология с низким энергопотреблением. Она предназначена для использования в качестве технологии беспроводных персональных сетей (WPAN) наряду с такими технологиями, как Wi-Fi и ZigBee. Области применения Bluetooth варьируются от приложений для мобильных телефонов до автомобильных датчиков. Однако, в отличие от своих аналогов, Bluetooth специально разработан для работы на коротких расстояниях. Впервые Bluetooth был представлен в 1994 году компанией Ericsson. Единственной целью внедрения Bluetooth была замена проводных шнуров и кабелей. В сотрудничестве с компаниями Nokia и Intel в 1996 году Ericsson создал группу специального интереса (SIG), которая является руководящим органом по выпуску и определению спецификаций Bluetooth. С годами альянс SIG расширялся, что привело к развитию технологии Bluetooth. Она основана на частотном диапазоне 2,4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical Applications). Первые версии Bluetooth поддерживали скорость передачи данных до 1 Мбит/с. Bluetooth также подвержен кибератакам из-за унаследованных функций безопасности в Bluetooth. Благодаря всем этим характеристикам Bluetooth является идеальным кандидатом для современных решений в области Интернета вещей (IoT).

Как работает Bluetooth?

Bluetooth работает в основном как технологическое решение WPAN для приложений IoT. Существует два основных типа беспроводных технологий. К ним относятся,

1. Базовая скорость (BR) / Улучшенная скорость передачи данных (EDR) или классический Bluetooth
2. Низкое энергопотребление (BLE или LE)

Несмотря на различия на физическом уровне, они работают на уровне 2,4 GHz. Диапазон частот ISM. Изначально сеть Bluetooth состоит из следующих узлов:

• Рекламодатель: Этот узел устройства передает пакеты рекламодателя.
• Сканер: Узел устройства, получающий пакеты без намерения установить соединение.

Когда узел сканирующего устройства пытается начать соединение, он называется инициатором. Это соединение запускается в ответ на рекламное событие с возможностью подключения, опубликованное рекламодателем. Наконец, соединение устанавливается. Теперь инициатор известен как ведущий, а рекламодатель - как ведомый. Такое соединение между ведущим и ведомым известно как пикосеть. В контексте Bluetooth BR/EDR в пикосети может быть до одного ведущего и 7 ведомых. Однако эти пикосети могут быть расширены до так называемых скаттернов. В сетях Scatternet объединяются два пикосети, где есть второй мастер для работы со второй пикосетью. Этот вторичный мастер будет common для обеих пикосетей.

Когда речь идет о Bluetooth Технология BLEБлагодаря 24-битной адресации по сравнению с 3-битной адресацией в Bluetooth BR/EDR, он может поддерживать миллионы устройств. Однако в Bluetooth BLE соединение "ведущий-ведомый" само по себе является отдельной пикосетью. Поэтому каждое устройство находится в отдельном канале.

После установления соединения ведомый запрашивает ответ на сообщение, отправленное ведущим. Ведомый выбирается и получает шанс, используя адаптивную технику скачкообразной перестройки частоты. Это обеспечивает безопасность и оптимальное использование выделенного канала.

В сети piconet каждый узел или устройство может находиться в следующих состояниях:

• Мастер
• Ведомый
• В режиме ожидания
• Припаркованный

По умолчанию узел находится в режиме ожидания. Режим ожидания был упразднен в Bluetooth 5.0.

Технические характеристики Bluetooth

Прежде чем углубиться в архитектуру Bluetooth, полезно понять различия в спецификациях Bluetooth за прошедшие годы. В следующей таблице summarizes ключевые особенности каждой спецификации Bluetooth.

Более подробную информацию о технических характеристиках можно найти на сайте https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. Текущая версия Bluetooth - Bluetooth 5.3, выпущенная в 2021 году. Отметим, что Bluetooth BLE - одна из технологий, разработанных для удовлетворения потребностей IoT-приложений. Поддержка ячеистой сети и возможность вещания с низкое энергопотребление делает его идеальным кандидатом по сравнению с классическим Bluetooth. Классический Bluetooth способен работать только с ко1TP14Туникацией "точка-точка", как в пиконетах.

Архитектура Bluetooth

Теперь давайте вкратце рассмотрим базовую структуру архитектуры Bluetooth. В стеке Bluetooth есть три основных компонента, а именно:

• Аппаратный контроллер
• Программное обеспечение хоста
• Профили применения

Эта архитектура состоит из протоколов или уровней, которые обрабатывают различные функциональные возможности. Кроме того, профили - это функции, которые используют протоколы для реализации функциональности. Если рассматривать стек Bluetooth 5.0, то устройства могут работать в двух режимах:

• Двойной режим: Устройства, поддерживающие режимы BR/EDR и LE
• Одиночный режим: Устройства, поддерживающие режимы BR/EDR или LE

Надежность Bluetooth

Одной из самых серьезных проблем в беспроводной связи является наличие помех. Помехи возникают из-за столкновения и потери пакетов в беспроводной среде. Для преодоления помех Bluetooth использует следующие методы:

• Пакеты Bluetooth маленькие и быстрые: Это уменьшает вероятность столкновения с другими пакетами, поскольку они движутся быстрее и имеют меньший размер.
• В Bluetooth используется специальная технология передачи данных с частотной скачкообразной перестройкой (FHSS), известная как адаптивная частотная скачкообразная перестройка (AFH). Здесь заданная полоса частот разделяется на различные каналы, и пакеты при передаче перескакивают с одного канала на другой. Кроме того, они могут определять перегруженные и поврежденные каналы, избегая их.
• Bluetooth также поддерживает сообщения подтверждения для подтверждения правильной доставки сообщений в системах "точка-точка" и ячеистая сеть.
• Более того, в ячеистых сетях Bluetooth пакеты передаются в виде нескольких копий по разным каналам. Это гарантирует правильную передачу даже в самых шумных средах.

Насколько безопасен Bluetooth?

Когда речь идет о подключении IoT-устройств к WPAN, интерес представляет уровень безопасности, обеспечиваемый выбранной технологией передачи данных. Bluetooth, естественно, является безопасным выбором, когда речь идет о беспроводных технологиях. Это связано с использованием техники AFH, при которой передаваемые пакеты быстро перескакивают между различными каналами. Однако для дальнейшего повышения безопасности передачи данных Bluetooth SIG предусмотрел различные функции безопасности, которые необходимо включать по мере необходимости. Например, для защиты соединения от различных уязвимостей может быть использовано сопряжение по технологии Bluetooth Out of Band.

Каков радиус действия Bluetooth?

Bluetooth относится к беспроводным технологиям WPAN, что делает его идеальным кандидатом для работы на коротких расстояниях и в закрытых помещениях. Несмотря на различные меры, принятые для увеличения дальности действия, некоторые факторы определяют достижимую дальность. К этим факторам относятся:

• Потеря пути в окружающей среде.
• Коэффициент усиления антенны приемопередатчика.
• Выбранный радиочастотный спектр. Небольшая полоса частот обеспечивает больший радиус действия.
• Выбранная физическая среда. Bluetooth имеет различные варианты с разной скоростью передачи данных, такие как BR/EDR, HS и BLE.

Таким образом, выбор диапазона в зависимости от вышеупомянутых факторов остается за IoT-архитектором.

Преимущества и недостатки Bluetooth в IoT

Преимущества Bluetooth включают:

• Восприимчивость к помехам от других беспроводных технологий
• Низкое энергопотребление
• Может использоваться как для передачи данных, так и для передачи голоса

Недостатками Bluetooth являются:

• Безопасность может быть поставлена под угрозу
• Низкая пропускная способность по сравнению с Wi-Fi
• Медленнее (все равно есть разные варианты на выбор)

Заключение

Bluetooth - идеальный кандидат для IoT-приложений, требующих низкого энергопотребления. В идеале он больше подходит для зон с большим количеством помех от других беспроводных передач. Однако, несмотря на проблемы и недостатки, Bluetooth является известным выбором, когда речь идет о WPAN IoT-приложениях, таких как домашняя автоматизация.