Bluetooth

Bluetooth er en telekommunikationsstandard til tovejs kortdistanceudveksling ved hjælp af UHF -radiobølgerpå 2,4 GHz- frekvensbåndet . Dens formål er at forenkle forbindelser mellem elektroniske enheder i nærheden ved at fjerne ledningsforbindelser. Det kan f.eks. Erstatte kabler mellem computere , tablets , højttalere, mobiltelefoner imellem dem eller med printere , scannere , tastaturer , mus , videospilcontrollere , mobiltelefoner , personlige assistenter , håndfri systemertil mikrofoner eller hovedtelefoner., Bil radioer , digitale kameraer, stregkodelæsere og interaktive reklamekiosker.

Navnet "  Bluetooth  " er direkte inspireret af det angliserede kaldenavn på den danske vikingekonge Harald med den blå tand (på dansk Harald Blåtand , på engelsk Harald Bluetooth ), kendt for at have formået at forene de danske stammer inden for et enkelt kongerige ved at introducere kl. på samme tid kristendommen. Dette navn blev foreslået i 1996 af Jim Kardach fra Intel , en ingeniør, der derefter arbejdede på udviklingen af ​​et system, der gjorde det muligt for mobiltelefoner at kommunikere med computere. På det tidspunkt, Kardach fremsatte dette forslag, havde en Ericsson- modstykke fortalt ham om denne hersker efter at have læst den historiske roman Orm den røde af Frans Gunnar Bengtsson , der finder sted under hans regeringstid. Implikationen er, at ligesom kong Harald forenede sit land og bragte Danmark og Norge sammen , forbinder Bluetooth telekommunikation og computere og "forener" enheder med hinanden.

Bluetooth-logoet er også inspireret af initialerne i rune-alfabetet (for nylig Futhark ) af Harald Blåtand Runebog ior.svg  ( Hagall ) (ᚼ) og Runebrev berkanan.svg ( Bjarkan ) (ᛒ).

Historie

specifikationer

The Bluetooth SIG skriver og udgiver specifikationerne for standarden, som har udviklet sig siden 1999 fra version 1.0, 1.1, 1.2, 2.0 + EDR ( Enhanced Data Rate ), 2,1 + EDR, 3,0 + HS, 4,0, 4,1 og derefter 4,2 idecember 2014 og v5.

Standarder

De offentliggjorte versioner af Bluetooth-standarderne er som følger:

Oversigtstabel
Version Dateret Vigtigste forbedringer
1.0 Maj 1999 Skabelse
1.0b December 1999 Interoperabilitet mellem mærker
1.1 2002 Nogle bug fixes

Mulig brug af ukrypterede kanaler

Tilføjelse af et signal til måling af modtagelseseffekt

1.2 2003 Forbedret praktisk gennemstrømning steg til 721 kbit / s og forbedret modstand mod interferens
2.0 2004 Overlegen praktisk flow

Bagudkompatibilitet

Reduktion af perifert forbrug og optimering af overførsler

2,0 + EDR 2004 Teoretisk maksimal hastighed steget til 3 Mbit / s (2,1 Mbit / s nyttigt) med EDR-tilstand ( Enhanced Data Rate )
2.1 + EDR 2007 Nemmere og hurtigere parring.

Styrket sikkerhed

Tilføjelse af en forbindelsestilstand med "NFC" ( Near Field Communication ), der letter parring på meget kort rækkevidde.

3 2009 Teoretisk højere hastighed steg til 24 Mbit / s i højhastigheds "HS" -tilstand (Bluetooth v3.0 + Wi-Fi ) valgfri og efterfølgende opgivet.
4 + THE 2010 Klassisk Bluetooth: lille ændring

Stereofonisk musikalsk gengivelse af sammenlignelig kvalitet med en CD.

Bluetooth LE (oprettelse) : reduktion af perifert forbrug ( lav energi )

4.1 2013 Klassisk Bluetooth: lille eller ingen ændringer

Bluetooth LE: tilslutning af flere enheder på en enkelt mastertilgang til output fra LTE- smartphones .

4.2 2014 Klassisk Bluetooth: lille eller ingen ændringer

Bluetooth LE: reduceret forbrug af sikre IP-protokoller til tilsluttede objekter .

Øget brugbar pakke størrelse ( PDU ) fra 31 til 256 bytes, hvilket reducerer downloadtider betydeligt.

5 December 2016 Klassisk Bluetooth: Reduktion af interferens med andre enheder (Slot Mask)

Bluetooth LE: Højere teoretisk hastighed (2 Mbit / s PHY), praktisk: 1,4 Mbit / s, rækkevidde fra 40 m til 350 m og op til 500 meter med nogle moduler.

5.1 Januar 2019 Klassisk Bluetooth: lille eller ingen ændringer

Bluetooth LE: Mulighed for en enhed til at bestemme retningen på Bluetooth-signalet (placering)

5.2 December 2019

Klassisk Bluetooth: lille eller ingen ændringer

Bluetooth LE: Oprettelse af en lydprofil (tidligere reserveret til klassisk Bluetooth) ved hjælp af LC3-codec

De grundlæggende elementer i et Bluetooth-produkt er defineret i de to første protokollag:

  1. den radio lag  ;
  2. og basisbåndlaget .

Disse lag tager sig af hardwareopgaver som styring af frekvenshopping og ursynkronisering.

Radiolaget

Radiolaget (det laveste lag) styres på hardwareniveau . Det er hun, der tager sig af transmission og modtagelse af radiobølger. Den definerer karakteristika som frekvensbånd og kanalarrangement, egenskaber ved sender, modulering, modtager osv.

Bluetooth-systemet fungerer i 2,4 GHz ISM ( industrielle, videnskabelige og medicinske )  frekvensbånd, som ikke kræver licens på grund af den lave transmissionseffekt og lave risiko for interferens. Dette frekvensbånd er mellem 2400 og 2483,5  MHz . En transceiver til frekvenshopping bruges til at begrænse interferens og dæmpning.

For klassisk Bluetooth (undtagen BLE-version) defineres to moduleringer: en obligatorisk anvendelse af binær frekvensmodulation ( FSK ) for at minimere transmitterens kompleksitet; valgfri modulering (EDR-tilstand) bruger fasemodulation ( PSK med fire og otte symboler). Modulationshastigheden er 1 Mbaud for alle moduleringer. Duplex transmission bruger tidsopdeling.

De 79 RF-kanaler i konventionel Bluetooth ( 40 i BLE-tilstand ) er nummereret 0 til 78 og adskilt af 1  MHz startende med 2402  MHz . Oplysningerne kodes ved frekvenshopping, og perioden er 625  µs , hvilket tillader 1600 humle pr. Sekund.

I klassisk Bluetooth er der tre klasser af Bluetooth-radiomoduler på markedet:

Klasse Strøm Rækkevidde ( m )
1 100  mW (20 dBm) 100
2 2,5  mW (4 dBm) 10 til 20
3 1  mW (0 dBm) et par meter

De fleste elektronikproducenter bruger klasse 2-moduler.

I Bluetooth low power (BLE) -tilstand kan sendeeffekten variere fra 0,01  mW (-20 dBm) til 10  mW (10 dBm). Den anvendte modulering er af typen GFSK ( Gaussian FSK ).

Basisbåndet

Den baseband forvaltes på hardware-niveau. Det er på basisbåndniveauet, at periferiudstyrets hardwareadresser er defineret (svarende til MAC-adressen på et netværkskort ). Denne adresse hedder BD_ADDR ( Bluetooth Device Address ) og er kodet på 48  bit .

Disse adresser administreres af IEEE Registration Authority .

Det er også basisbåndet, der styrer de forskellige typer kommunikation mellem enheder. Forbindelser mellem to Bluetooth-enheder kan være synkrone eller asynkrone, disse forbindelser kaldes "Logiske links" ( Logisk link ).

Basebåndet kan derfor styre to hovedtyper af logiske links:

  • SCO ( Synkron forbindelsesorienteret ) links ;
  • ACL - links ( Asynchronous Connection-Less ).

De data, der transporteres over disse logiske links, er i form af pakker. Der findes forskellige typer pakker, som kan bruges af begge logiske links eller kun af en type link.

Hver pakke er stort set den samme.

Der er tre vigtige dele:

  • Adgangskoden → 72 eller 68 bit;
  • Den Header → 54 bits;
  • Nyttelasten ( Payload = den anvendelige data) → fra 0 til 2745 bit.
Pico-netværk

En piconet er et mini-netværk, der oprettes øjeblikkeligt og automatisk, når flere Bluetooth-enheder er i samme radius. Et pico-netværk er organiseret efter en stjernetopologi: der er en "mester" og flere "slaver".

En "master" -enhed kan styre op til:

  • 7 "aktive" slaver;
  • 255 slaver i " parkeret  " tilstand  .

Kommunikationen er direkte mellem "mesteren" og en "slave". "Slaverne" kan ikke kommunikere med hinanden.

Alle "slaverne" i pico-netværket er synkroniseret med "master" -uret. Det er "mesteren", der bestemmer hoppefrekvensen for hele pico-netværket.

Bluetooth inter-netværk

De "slave" perifere enheder kan have flere "mestre": de forskellige piconetter kan derfor knyttes sammen.

Det således dannede netværk kaldes et scatternet (bogstaveligt talt "spredt netværk").

Linkcontrolleren

Det koder og afkoder Bluetooth-pakker i henhold til nyttelasten og parametre relateret til den fysiske kanal, logiske transport og logiske links.

Linkadministratoren

Det opretter, administrerer og ødelægger L2CAP-kanaler til transport af serviceprotokoller og applikationsdatastrømme. Det bruger L2CAP-protokollen til at interagere med sin modstykke på eksterne enheder.

Dette lag styrer linkene mellem "master" og "slave" -enheder samt typerne af links (synkron eller asynkron).

Det er linkmanageren, der implementerer sikkerhedsmekanismer som:

  • Godkendelse;
  • parring (tilknytning);
  • oprettelse og ændring af nøgler;
  • og kryptering .

Værts kontrolgrænseflade

Dette lag tilvejebringer en ensartet metode til adgang til materialelagene. Dens rolle som adskillelse muliggør uafhængig udvikling af hardware og software.

De understøttede transportprotokoller er Universal Serial Bus (USB); PC-kort  ; RS-232  ; UART .

HCI tillader dataoverførsel ved maksimal hastighed, dvs. 720  kbit / s for standard 1.2 og tre gange højere hastighed for standard 2.0 + EDR.

L2CAP-laget

Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP) -laget leverer tjenester til højere niveau protokolmultiplexing og pakkesegmentering og genmontering samt transport af kvalitet af serviceinformation. Protokoller på højt niveau kan således sende og modtage pakker op til 64 KB. Det giver mulighed for flowkontrol via kommunikationskanal.

L2CAP-laget bruger logiske kanaler.

Tjenester

RFCOMM

RFCOMM: står for "  Radiofrekvenskommunikation  (en)  ". Denne service er baseret på RS-232- specifikationer , som efterligner serielle links. Det kan især bruges til at overføre en IP- kommunikation via Bluetooth. RFCOMM bruges, når datahastigheden ikke når mere end 360  kbit / s (f.eks. Mobiltelefoner).

SDP

SDP: står for "  Service Discovery Protocol  (en)  ". Denne protokol giver en Bluetooth-enhed mulighed for at søge efter andre enheder og identificere tilgængelige tjenester. Dette er en særlig kompleks del af Bluetooth.

OBEX

OBEX  : står for "  OBject EXchange  ". Denne tjeneste gør det muligt at overføre objekter ved hjælp af den udvekslingsprotokol, der er udviklet til IrDA .

Profiler

En profil svarer til en funktionel specifikation af en bestemt anvendelse. Profiler kan også svare til forskellige typer enheder.

Formålet med profilerne er at sikre interoperabilitet mellem alle Bluetooth-enheder.

De definerer:

  • hvordan man implementerer en defineret anvendelse
  • de specifikke protokoller, der skal anvendes
  • begrænsningerne og værdierne for disse protokoller.

De forskellige profiler er:

  1. GAP: Generisk adgangsprofil
  2. SDAP: Service Discovery-applikationsprofil
  3. SPP: Seriel portprofil
  4. HSP: Headset-profil
  5. DUN- profil  : Dial-up-netværksprofil
  6. LAN Access-profil  : denne profil er nu forældet; den erstattes af PAN-profilen
  7. Faxprofil
  8. GOEP: Generisk objektudvekslingsprofil
  9. SP: Synkroniseringsprofil
  10. OPP: Object Push-profil
  11. FTP: Filoverførselsprofil
  12. CTP: Trådløs telefoniprofil
  13. IP: Intercom-profil
  14. A2DP  : Advanced Audio Distribution Profile (Advanced Audio Distribution Profile)
  15. AVRCP: Audio Video Remote Control Profile (fjernbetjening)
  16. HFP: Håndfri profil
  17. PAN: Personal Area Network Profile
  18. VDP: Videodistributionsprofil
  19. BIP: Grundlæggende billedprofil
  20. BPP: Grundlæggende udskrivningsprofil
  21. SYNC: Synkroniseringsprofil
  22. SAP: SIM-adgangsprofil (giver adgang til SIM-kortet via biltelefonen og brug af den eksterne antenne)
  23. PBAP: Telefonbogadgangsprofil
  24. HIDP: Human Interface Device Profile
  25. KORT: Beskedadgangsprofil

Den generiske adgangsprofil

Generic Access Profile (GAP) er den baseprofil, som alle andre profiler arver. Den definerer de generiske procedurer til enhedssøgning, forbindelse og sikkerhed.

Bluetooth-kvalifikation og certificering

For at opnå Bluetooth-certificering kræves kvalifikationstest. Kvalificerende prøver er af to typer:

  • RadioFrequency kvalifikation;
  • softwarekvalifikation.

RF-kvalifikation: Formålet med testene er at bevise, at den anvendte hardwareplatform respekterer Bluetooth-standardens radiopræstationer. Der er en liste over RF-tests, der skal udføres, både i transmission og i modtagelse. Disse tests er:

  • TRM / CA / 01 / C udgangseffekt
  • TRM / CA / 02 / C Effektdensitet
  • TRM / CA / 04 / C Tx-udgangsspektrum - Frekvensområde
  • TRM / CA / 05 / C Tx outputspektrum - 20  dB BW
  • TRM / CA / 06 / C Tx-udgangsspektrum - tilstødende kanaleffekt
  • TRM / CA / 07 / C Modulationsegenskaber
  • TRM / CA / 08 / C Indledende bærerfrekventolerance
  • TRM / CA / 09 / C Bærefrekvensdrift
  • TRC / CA / 01 / C Ulykkelige emissioner uden for båndet
  • RCV / CA / 01 / C Følsomhed - pakker med enkelt slot
  • RCV / CA / 02 / C Følsomhed - multi-slot-pakker
  • RCV / CA / 03 / C C / I ydeevne
  • RCV / CA / 04 / C Blokeringsydelse
  • RCV / CA / 05 / C Intermodulationspræstation
  • RCV / CA / 06 / C Maksimalt indgangsniveau
  • De falske målinger udføres i overensstemmelse med standarden ETSI EN 300 328. Testprocedurerne er specificeret i dokumentet Testspecifikation for Bluetooth-systemet . De fleste måleenheder tillader test på 3 kanaler: de to ekstremer og den centrale kanal. Til tests på alle kanaler er det nødvendigt at udvikle yderligere tests. Testene udføres først hos producenten af ​​producenten for at validere hans design. Derefter er det obligatorisk at tilkalde et godkendt organ for at opnå Bluetooth-certificering (BQB: Bluetooth wireless Qualification Body ).

Softwarekvalifikation: hvis producenten selv har produceret softwaren i sit nye design med de øverste lag HCI, RFCOMM, L2CAP, SDP eller andre Bluetooth-profiler, skal de være kvalificerede. Softwarecertificeringen udføres profil for profil. Hvert softwarelag skal overholde Bluetooth-standarden, der skal respekteres.

Disse to kategorier af kvalifikationstest udført og accepteret, Bluetooth-certificeringen accepteres derefter. Det således fremstillede produkt overholder den version af Bluetooth-standarden, som den er certificeret til, kompatibel med produkter, der overholder den samme version af Bluetooth-standarden. Producenten modtager derefter et overensstemmelsescertifikat.

brug

Principper

I de versioner, der markedsføres i 2015 (4.0 og 4.1), der er udbredt, hovedsageligt i mobile enheder såsom mobiltelefoner, har Bluetooth-linket følgende egenskaber:

  • meget lavt strømforbrug
  • meget lav rækkevidde (over en radius på omkring ti meter);
  • lav bithastighed, dog tilstrækkelig til stereolyd af høj kvalitet;
  • meget billig og pladsbesparende.

Som et resultat er den til stede på enheder, der ofte kører på batteristrøm og ønsker at udveksle en lille mængde data over en kort afstand:

  • mobiltelefoner (næsten generaliserede), hvor de hovedsageligt bruges til at oprette forbindelse til et headset eller udveksle filer eller endda som et modem  ;
  • bærbare computere, hovedsageligt til kommunikation med mobiltelefoner (til modembrug, til lagring af adressebøger , til afsendelse af SMS osv.);
  • forskellige eksterne enheder, såsom tastaturer, for at gøre det lettere at skrive på enheder, der ikke har dem;
  • specialudstyr til medicinsk udstyr ( elektrokardiogram , oximetre , glukometre ) eller miljømæssigt ( termometre , hygrometre osv.).

Kompatibiliteten mellem mærker er ret god, men ikke perfekt: nogle enheder opretter ikke forbindelse til andre.

Videospil

De trådløse controllere på Nintendo Wii- konsoller (controller kaldet Wiimote ) og Switch (controllere ved navn Joy-Con ) samt Sony PlayStation 3 (DualShock 3), PlayStation 4 (DualShock 4) -konsoller bruger Bluetooth-protokollen. Xbox 360- controllere såvel som Xbox One- controllere bruger en beskyttet trådløs forbindelse. Den nye version af Xbox-controlleren, der genkendes af dens jackstik, leveres især med Xbox One slim, indeholder et Bluetooth-modul.

Implementering

For at udveksle data skal enhederne parres. Parring sker ved at starte opdagelse fra en enhed og udveksle en kode. I nogle tilfælde er koden gratis, og begge enheder behøver kun at indtaste den samme kode. I andre tilfælde indstilles koden af ​​en af ​​de to enheder (f.eks. Enhed uden tastatur), og den anden skal kende den for at oprette forbindelse til den. Koderne huskes derefter, og det er tilstrækkeligt for den ene enhed at anmode om forbindelsen og den anden til at acceptere den til dataene, der skal udveksles.

For at begrænse risikoen for indtrængen skal enheder, der bruger en forprogrammeret kode (ofte 0000 eller 1234) aktiveres manuelt, og parring kan kun udføres i en kort periode.

Deling af en enhed

I tilfælde af successive delinger (for eksempel et trådløst lydheadset tilsluttet til en pc, som du derefter vil bruge med en telefon), skal den første enhed stoppe forbindelsen til Bluetooth-enheden, mens informationen om den bevares til en senere forbindelse . Derefter er vi bare nødt til at forbinde denne perifere enhed til den anden enhed, hvilket får den til at opdage i processen, hvis den ikke allerede er registreret på denne.

Ting bliver mærkbart komplicerede, hvis du har både to eller flere transmitterende enheder (for eksempel: telefon, tablet, pc osv.) Og to eller flere modtagende enheder (Bluetooth-højttalere, hovedtelefoner, fjernstyret stueenhed osv.), Fordi en ny parring vil teoretisk blive afvist, hvis nogen af ​​de to enheder tidligere er blevet parret andetsteds, selvom forbindelsen (men ikke parringen!) er afsluttet, og den oprindeligt parrede sender er slukket. Det skal være afsluttet.

En enhed har ikke to mulige tilstande, men fire: slukket, tændt, parret, forbundet (og i de sidste to tilfælde til en anden enhed).

Forskelle fra Wi-Fi

Bluetooth bruger et af de frekvensområder, som Wi-Fi også bruger (2,4  GHz ), hvilket betyder, at det ene netværk kan blokere eller forstyrre det andet eller begrænse dets hastighed. Bluetooth bruger mindre strøm end trådløs, men har en lavere maksimal rækkevidde på 10  meter under gode forhold med reduceret funktionalitet og et lavere antal tilslutningsenheder samtidigt.

I modsætning til Bluetooth kræver Wi-Fi generelt brug af et adgangspunkt , men nogle producenter tillader direkte forbindelse mellem enheder, der bruger Wi-Fi Direct , svarende til Bluetooth med superhøj båndbredde.

Betingelser for brug af radioudstyr

Den ARCEP , tidligere ART, telekommunikation tilsynsmyndighed, præciseres betingelserne for brug af radioudstyr i bandet 2.4  GHz  :

  • 2400 til 2454  MHz båndet kan bruges både indendørs og udendørs med en effekt * på mindre end 100 milliwatt (mW);
  • båndet 2445 til 2483,5  MHz kan bruges i bygninger med en effekt mindre end 100  mW og uden for bygninger med en effekt mindre end 10  mW . På privat ejendom kan denne effekt nå op på 100  mW udendørs med tilladelse fra Forsvarsministeriet.

Sikkerhed og bluetooth

Sikkerhed på smartphones

Noter og referencer

  1. Jim Kardach, "Tech History: How Bluetooth got icts name" , EE Times , 3. april 2008, adgang til 18. oktober 2014.
  2. Ericsson, "Milepæle i Bluetooth-fremskridt", webside arkiveret 20. juni 2004.
  3. Brent A. Miller, “Bluetooth: A Wireless Personal Area Network,” i Hossein Bidgol, red. Internet Encyclopedia , bind 1, John Wiley & Sons, 2004, s. 84-85.
  4. (in) [PDF] Specifikation af Bluetooth-systemet, se "Revisionshistorik", s.415 ieee.org december 1999
  5. (da) Bluetooth-kernespecifikationer bluetooth.com; hørt i april 2020
  6. (i) Bluetooth-gruppe dråber ultrawideband eetimes.com, den 29. oktober, 2009
  7. Bluetooth-version 5 er afsluttet , december 2016
  8. Sébastien Gavois , “  Bluetooth 5.1: retningsfinding for at måle signalets retning og forbedre geolokalisering  ” , på www.inpact-hardware ,30. januar 2019(adgang til 16. april 2020 )
  9. (in) Velkommen til det officielle Bluetooth Special Interest Group medlemswebsted på hjemmesiden bluetooth.org
  10. (in) Omfatter GIS-arbejde og alle versioner af Bluetooth-standarden , webstedet bluetooth.org
  11. (in) Vedtagne specifikationer bluetooth.com, adgang til september 2016
  12. (in) Bluetooth SIG, vores historie Bluetooth SIG, adgang til april 2020
  13. Guillaume Fourcadier, “  CES 2020: Bluetooth LE Audio, or the future sound revolution  ” , på clubic.com ,7. januar 2020(adgang til 8. august 2020 )
  14. (da) Ferdie Brillantes, TAIYO YUDEN, "  Get Up to Speed ​​on Bluetooth 5  " , på allaboutcircuits.com ,23. august 2017(adgang til 8. august 2020 )
  15. (i) Bluetooth Core Specification 5.2, Vol6, kapitel 3: transmitter karakteristika www.bluetooth.com, December 31., 2019
  16. (i) Panasonic lancerer Bluetooth-controller til top-end HDTV På sitet bluetooth.com
  17. Grundlæggende - Teknisk information på french.bluetooth.com
  18. (i) Martin Sauter , Fra GSM til LTE-Advanced og Pro 5G: En introduktion til Mobile Networks og mobilt bredbånd , John Wiley & Sons ,2. august 2017, 491  s. ( ISBN  978-1-119-34690-6 , læs online ).
  19. (i) Jyrki TJ Penttinen , telekommunikations-håndbogen: Engineering Retningslinjer for Fixed, Mobile og Satellite Systems , John Wiley & Sons ,16. marts 2015, 129  s. ( ISBN  978-1-119-94488-1 , læs online ).
  20. (in) ETSI EN 300328 V1.7.1 (2006-05) - cs.berkeley.edu [PDF]
  21. (da) Testspecifikation for Bluetooth-systemet - På bluetooth.org kræves login
  22. (in) BT Designer: Testudstyr
  23. (in) BT Designer: Bluetooth-kvalifikation
  24. Transmitter og modtager beholder deres respektive parringsdata, fordi oprindeligt flere parringer var sjældne, og omparring ville have været kedelig.
  25. "Standardisering, standardiseringsorganer, regulering og regulering" , på webstedet tic.aquitaine.fr .
  26. "Retningslinjer vedrørende eksperimentering af netværk, der er åbne for offentligheden ved hjælp af RLAN-teknikken" , på webstedet citic74.fr , november 2002 [PDF] .

Tillæg

Relaterede artikler

eksterne links