Bluetooth. Miksi nimeksi Bluetooth? Bluetooth mikä se on?

Transkriptio

1 441 Bluetooth 442 Bluetooth mikä se on? Avoin spesifikaatio (haettavissa osoitteesta datan ja reaaliaikaisen kaksisuuntaisen äänen siirtoon Teoreettinen maksiminopeus 24 Mb/s, mutta pystyy tähän vain WLAN-tekniikan avustuksella. Teoreettinen maksiminopeus 3 Mb/s ilman WLAN-tekniikan apua perus-bluetooth-linkillä ja LElinkillä (Low Energy) teoreettinen maksiminopeus 1 Mb/s. Lyhyen kantaman langaton tekniikka (kantama tyypillisesti metriä) Korvaa kaapelit yhdellä radiolinkillä Ei kiinteää verkkoinfrastruktuuria (spontaaniverkot = ad hoc - verkot) Toimii 2.4 GHz:n vapaalla ISM-kaistalla (Industrial Scientific Medicine) maailmanlaajuisesti Sai alkunsa 1994 Ericssonin kännykkäpuolen tutkimushankkeesta => Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) perustettiin 1998 => Bluetooth SIG julkaisi ensimmäisen Bluetooth 1.0A - spesifikaation heinäkuussa Uusin virallinen spesifikaatio on 4.2, joka julkaistiin Miksi nimeksi Bluetooth? 900-luvulla viikinki Harald Bluetooth yhdisti Tanskan ja Norjan Haraldilla huonot, tummuneet hampaat Myös Ericsson skandinaavista alkuperää 444 Bluetooth SIG Perustettiin helmikuussa 1998 ydinjäsenten toimesta: Ericsson & Nokia: Eurooppa. IBM & Intel: Amerikka. Toshiba: Aasia. Joulukuussa 1999 lisää ydinjäseniä (M$, 3Com, Lucent ja Motorola). Nykyään jo yli jäsentä! Bluetooth SIG:in tehtäviä ovat: Kehittää Bluetooth-teknologiaa ja tuo sitä markkinoille. Mahdollistaa maailmanlaajuinen toimivuus kaikissa eri maissa ilman rajoituksia. Lakiasioiden hoito liittyen SIG:n jäsenyyteen ja Bluetooth tavaramerkin käyttöön. Testien järjestäminen: Varmistetaan laitteiden yhteensopivuus spesifikaation kanssa. Varmistetaan laitteiden toimivuus eri valmistajien välillä. Teknisten työryhmien perustaminen. Teknologian markkinointi. Lähde: Robert Morrow, Bluetooth: Operation and use. Kirja, New York, McGraw-Hill, cop

2 445 Tavoitteet Bluetooth-teknologian suunnittelussa Helppokäyttöisyys Yhteensopivuus Nopea tiedonsiirto Globaali toimivuus Alhainen virrankulutus Halpa hinta Pieni koko Turvallisuus 446 Langaton kuuloke Bluetooth Musiikkisoitin 447 Tiedostojen siirto 448 Silta Internetiin Bluetooth-yhteensopiva WLAN AP Bluetooth Bluetooth Pyykkikone/ Tiskikone/ WC-pönttö/ yms. (IoT-laite) Bluetooth AP TAI Älypuhelin Yhteys ISP:hen Internet ISP

3 449 Muita käyttökohteita Ruokalistat ravintolassa älypuhelimeen Tiedot urheilijoista urheilutapahtumassa älypuhelimeen Automaattinen kirjautuminen hotelliin Sähköinen avain Auton sähkölaitteiden yhdistäminen toisiinsa Sotilaiden varusteet Paikannus Sairaalalaitteet Kaukosäätimet, hiiret, näppäimistöt, Kauko-ohjaimella toimivat sähköiset skeittilaudat ja polkupyörät IoT Bluetooth-laitteiden myyntilukuja Vuoden 2016 aikana saavutetaan siis jo huikea 20 miljardin myydyn Bluetooth-yhteensopivan laitteen rajapyykki! Lähde: Ensimmäinen virallinen Bluetooth-versio, Bluetooth 1.0A, julkaistiin heinäkuussa Monilla laitevalmistajilla oli vaikeuksia tuottaa yhteensopivia Bluetooth 1.0A -laitteita (ts. ongelmia valmistajariippumattomassa yhteensopivuudessa speksin pienten bugien vuoksi) => Bluetooth 1.0B julkaistiin jo joulukuussa 1999 korjaamaan yhteensopivuusongelmat. Bluetooth 1.1 julkaistiin helmikuussa 2001: Se korjasi monia virheitä, joita edelleen löytyi Bluetooth 1.0B:stä ja lisäsi myös tuen salaamattomalle kommunikoinnille sekä RSSI:n (Received Signal Strength Indicator) käytölle. RSSI:n avulla voidaan mitata vastaanotetun signaalin voimakkuutta ja näin ollen sitä voidaan käyttää mm. Bluetooth-laitteiden virranhallintaan ja myös Bluetoothpaikannukseen. 452 Bluetooth 1.2 julkaistiin marraskuussa 2003 ja siinä oli mm. seuraavanlaiset parannukset: AFH (Adaptive Frequency Hopping): AFH parantaa aiempien Bluetooth-versioiden käyttämää FHSS-menetelmää (Frequency Hopping Spread Spectrum) välttämällä häiriöisiä kanavia. Maksimissaan 59 huonointa kanavaa (ts. eniten häiriöistä kärsivää kanavaa) voidaan sulkea käytöstä ja näin riittää, että käytössä on minimissään 20 parasta kanavaa (ts. vähiten häiriöistä kärsivää kanavaa), joiden välillä hypitään taajuudelta toiselle samaan tapaan kuin FHSS:n tapauksessakin. esco (Extended Synchronous Connection-Oriented): escolinkki parantaa äänenlaatua verrattuna aiempien Bluetoothversioiden käyttämään SCO-linkkiin (Synchronous Connection- Oriented), koska se sallii korruptoituneiden pakettien uudelleenlähetykset. SCO- ja esco-linkkejä käytetään reaaliaikaisen kaksisuuntaisen äänen siirtoon. Valinnaiset QoS-parannukset (Quality-of-Service): QoSparannukset liittyvät virheiden havaitsemiseen, vuonvalvontaan ja datavirran synkronisaatioon.

4 453 Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate) julkaistiin marraskuussa Pääasiallinen parannus oli EDR, joka tarjoaa teoreettiset maksiminopeudet 3 Mb/s asti: Aiemmissa Bluetoothversioissa teoreettinen maksiminopeus oli vain 1 Mb/s. EDR parantaa Bluetooth-kommunikointia seuraavasti: Kolminkertaistaa teoreettisen maksiminopeuden. Alentaa virrankulutusta: Teknisesti 2.0+EDR kuluttaa toki enemmän virtaa, mutta samalla tietomäärällä siirtonopeuden kolminkertaistuminen kutistaa virrankulutuksen noin puoleen aiempiin Bluetoothversioihin verrattuna. Lisää kommunikoinnin luotettavuutta parannetun BERtason (Bit-Error-Rate) ansiosta. 454 Bluetooth 2.1+EDR julkaistiin heinäkuussa 2007 ja siinä oli mm. seuraavanlaiset parannukset: Encryption Pause Resume: Encryption Pause Resume parantaa tietoturvaa sallimalla sen, että salatut linkit voivat säännöllisesti vaihtaa salausavaimiaan. Myös isäntä-orja-roolinvaihto tuli mahdolliseksi salatulla linkillä. Extended Inquiry Response: Extended Inquiry Response tarjoaa INQUIRY-prosessiin (ts. kantamalla olevien laitteiden etsimiseen) aiempaa enemmän informaatiota, kuten laitteen selkokielisen nimen ja listan laitteen tukemista palveluista, sallien näin entistä paremman ei-toivottujen laitteiden suodatuksen ennen varsinaista yhteydenmuodostusta valitun laitteen kanssa. SSP (Secure Simple Pairing): SSP parantaa oleellisesti Bluetooth-tekniikan tietoturvaa aiempiin Bluetooth-versioihin verrattuna (ts. tekee pariutumisesta aiempaa turvallisempaa), yksinkertaistaa pariutumisprosessia käyttäjän näkökulmasta katsottuna ja tarjoaa suojan sekä passiivista salakuuntelua että MITM-hyökkäyksiä (Man-In-The-Middle) vastaan. 455 NFC:n (Near Field Communication) käyttö OOBkanavana (Out-Of-Band): Tarjotakseen suojan MITMhyökkäyksiä vastaan, SSP joko käyttää NFC:tä OOBkanavana tai pyytää käyttäjää vertaamaan kahta 6- numeroista lukua. Jos siis kaksi pariutuvaa Bluetoothyhteensopivaa laitetta ovat myös NFC-yhteensopivia, SSP tukee automaattista turvallisen Bluetooth-yhteyden luomista, jolloin käyttäjän tarvitsee vain asettaa laitteet lähekkäin. Sniff Subrating: Sniff Subrating alentaa Bluetoothlaitteiden virrankulutusta, esim. Bluetoothyhteensopivien HID-laitteiden (Human Interface Devices), kuten hiirien ja näppäimistöjen, akut/patterit kestävät 3-10 kertaa pidempään verrattuna aiempia Bluetooth-versioita tukeviin HID-laitteisiin. 456 Bluetooth 3.0+HS (High Speed) julkaistiin huhtikuussa 2009 Se tukee teoreettisia datanopeuksia 24 Mb/s asti, mutta ei tee sitä suoraan Bluetooth-linkin yli, vaan hyödyntää WLAN-linkkiä: Bluetooth-linkkiä käytetään yhteysparametrien neuvotteluun ja yhteydenmuodostukseen, kun taas WLAN-linkkiä varsinaiseen nopeaan datasiirtoon. Mikäli halutaan säästää virtaa tai ei enää tarvita suurempia datanopeuksia, voidaan palata koska tahansa käyttämään myös Bluetooth-linkkiä datasiirtoon. HS-lisäys ei ole pakollinen Bluetooth 3.0 -laitteelle, joten ainoastaan sellainen laite, joka on Bluetooth 3.0+HS - yhteensopiva, tukee 24 Mb/s:n teoreettista maksiminopeutta WLAN-linkin yli.

5 457 Bluetooth 4.0 julkaistiin kesäkuussa 2010 Se sisältää perinteisen Bluetooth-tekniikan (ts. 1.0A 2.1+EDR), Bluetooth HS:n (ts. Bluetooth-version 3.0+HS) ja Bluetooth LE:n (Low Energy) => LE oli siis pääasiallinen uutuus Bluetooth versiossa: LE perustuu Nokian aiemmin kehittämään Wibreetekniikkaan. Bluetooth LE:stä käytetään yleisesti myös nimitystä Bluetooth Smart Bluetooth LE on tarkoitettu pienemmän datanopeuden (teoreettinen maksiminopeus 1 Mb/s) ja erittäin pienen virrankulutuksen sovelluksiin, joissa pattereiden/akkujen tulisi kestää useita kuukausia (jopa vuosia) yhdellä latauksella Bluetooth LE parantaa myös tietoturvaa korvaamalla aiemmin käytössä olleen SAFER+:n turvallisemmalla AES-salauksella (Advanced Encryption Standard) Bluetooth LE -laitteet (Bluetooth ) käyttävät AFH:n versiota #2, jossa käytössä on 40 kanavaa (f=2402+k 2 MHz, k=0,,39), joista 37 kpl on käytössä datakanavina ja 3 kpl on varattu laitteiden löytämiseen sekä yhteyden määrittämiseen: Näiden 37 datakanavan välillä hypitään taajuudelta toiselle samaan tapaan kuin FHSS:n ja AFH:n versio #1:den tapauksessakin 458 Bluetooth 4.1 julkaistiin joulukuussa 2013 ja siinä oli mm. seuraavat parannukset: Parempi yhteentoimivuus muiden teknologioiden kanssa: Bluetooth 4.1 on suunniteltu toimimaan saumattomasti yhdessä verkkoteknologioiden, kuten LTE:n ja LTE-A:n kanssa => Bluetooth- ja LTE/LTE-A-radiot voivat kommunikoida keskenään ja koordinoida omaa tiedonsiirtoaan vähentäen häiriöiden määrää => Käyttäjälle tämä näkyy käytännössä vain paremmin ja luotettavammin toimivina yhteyksinä sekä matalampana virrankulutuksena, kun tiedonsiirron lähetystehoa voidaan laskea. Parempia yhteysmahdollisuuksia: Laitevalmistajat pääsevät paremmin hallitsemaan Bluetooth-yhteyksien luontia ja ylläpitoa => Käytännössä tämä näkyy parempana automaattisena uudelleenyhdistymisenä, kun Bluetooth-laitteet tulevat toistensa kantamalle. & Parannettu tiedonsiirto: Bluetooth LE:n kykyjä tiedonsiirtoon erissä on parannettu => Käytännössä jatkuvan tiedonsiirron sijaan tieto siirretään suuremmiksi kokonaisuuksiksi kootuissa paloissa, mikä pienentää virrankulutusta, koska yhteyttä ei tarvitse pitää aktiivisena kuin vain lyhyemmän tiedonsiirtoajan. Lisämahdollisuuksia laitekehittäjille: Bluetooth 4.1 sisältää myös tuen Bluetooth-laitteen toiminnalle samanaikaisesti sekä keskittimenä että yhteyden jäsenenä, esim. Bluetoothyhteensopiva älykello voi samanaikaisesti vastaanottaa tietoa Bluetooth-linkin kautta erillisestä Bluetooth-yhteensopivasta sykemittarista eli toimia sen keskittimenä sekä olla samanaikaisesti yhteydessä Bluetooth-yhteensopivaan älypuhelimeen. IPv6-tuki: Bluetooth 4.1 -laitteiden on mahdollista käyttää myös IPv6-osoitetta, joka mahdollistaa laajamittaisen IoT:n hyödyntämisen, koska IP-osoitteita riittää nyt varmasti jokaiselle laitteelle (kahvinkeittimet, leivänpaahtimet, jääkaapit, pakastimet, tiskikoneet, pyykinpesukoneet, WC-pöntöt, kaukosäätimet, peliohjaimet, hiiret, näppäimistöt, ). & Bluetooth 4.2 julkaistiin joulukuussa 2014 Se yli kaksinkertaistaa vähävirtaisten Bluetooth LE (Bluetooth Smart) -laitteiden tiedonsiirtonopeudet käytännössä (teoreettinen maksiminopeus on kuitenkin edelleen 1 Mb/s) ja kuluttaa entistä vähemmän virtaa Bluetooth-tekniikka on yli 16-vuotisen historiansa aikana kasvanut hankalakäyttöisestä erikoisuudesta aidosti monikäyttöiseksi lyhyen kantaman radioyhteysstandardiksi Bluetooth 4.2 -päivitys on selvästi suurempi kuin noin vuosi aiemmin ilmestynyt Bluetooth 4.1 -päivitys, johon siirtyminen vaatii vain ohjelmistopäivityksen vuodesta 2010 lähtien saatavilla oleviin Bluetooth 4.0 -laitteisiin => Kaikkien Bluetooth 4.2:den uusien ominaisuuksien hyödyntäminen vaatii, että tuki otetaan mukaan jo laitteen valmistusvaiheessa. Perinteisten, suhteellisen runsaasti sähköä kuluttavien Bluetooth-versioiden (ts. Bluetooth 1.0A 3.0+HS) kannalta uusi standardi tuo melko vähän uutuuksia, koska tekniikka on ollut jo kypsää hyvin pitkään & TIVI-lehti 2/2015

6 461 Uudistukset keskittyvät lähinnä erityisen vähän virtaa vaativiin Bluetooth LE (Bluetooth Smart) -laitteisiin => LE-yhteyksien kyky välittää paketteja on peräti kymmenkertaistunut aiempaan verrattuna, mikä tarkoittaa noin 2.6-kertaisia käytännön tiedonsiirtonopeuksia Bluetooth 4.1:een verrattuna: Nopeusparannus onkin tarpeen, sillä Bluetooth versioiden LE-nopeus on käytännössä maksimissaan vain noin 270 kb/s => Bluetooth 4.2:den LE pystyy noin 700 kb/s:n maksiminopeuteen käytännössä, joten ollaan jo huomattavasti lähempänä LE:n teoreettista maksiminopeutta 1 Mb/s: Ja kuten jo aiemmin luennoilla on puhuttukin useaan otteeseen langattomien tekniikoiden maksiminopeuksista käytännössä, niin tämä 700 kb/s vs 1 Mb/s pätee varsin hyvin yleisen 70%- nyrkkisäännön kanssa! Todellisuudessa monet Bluetooth 4.2:sta hyödyntävät laitteet siirtävät kuitenkin tietoa normaalikäytössä vain muutamia kilotavuja sekunnissa, joten käytännön maksiminopeuden kasvu ei näin ollen käytännössä kosketa huomattavaa osaa tuotteista & TIVI-lehti 2/ Suurin hyöty parannuksesta saattaakin ilmetä laitteen firmwareohjelmistoa päivitettäessä, koska myös ilman rautatason päivityksiä, osa Bluetooth 4.2:den uusista ominaisuuksista voidaan ottaa käyttöön pelkällä firmware-päivityksellä Samalla kun nopeuksia on kasvatettu, tuikitärkeää virrankulutusta on saatu viilattua entistä pienemmäksi: Kuitenkaan ei voida sanoa täydellä varmuudella sitä, kuinka paljon pidempään esim. laitteen pariston/akun voi olettaa kestävän Bluetooth 4.2 LE:n tapauksessa verrattuna aiempiin LE-versioihin, koska mitään konkreettisia lukuja virrankulutuksesta ei ole julkistettu Bluetooth SIG:n toimesta, mutta aiheeseen liittyviä tutkimusartikkeleita alkanee pian olla saatavilla ja aiheesta kiinnostuneiden kannattaakin silmäillä niitä mm. Google Scholarin kautta Seinäpistokkeesta virtansa ottavat kookkaat laitteet kotona voivat hoitaa liikennöintinsä WLAN-yhteyden yli, mutta nettiyhteyteen kykenevistä Bluetooth-laitteista on apua etenkin pienten, akku-/paristokäyttöisten laitteiden suunnittelussa & TIVI-lehti 2/ Rajallinen kantama tosin tuo omat ongelmansa älykodin toteutukseen vain Bluetooth-tekniikan avulla: LE-yhteys kantaa tyypillisesti avoimessa tilassa jopa kymmeniä metrejä, mutta seinät ja muut esteet vaimentavat signaalia voimakkaasti => On vielä avoinna, miten uusien Bluetooth 4.2 -laitteiden yhteydet tullaan käytännössä toteuttamaan siinä vaiheessa kun IoT alkaa todenteolla yleistymään myös älykodeissa: Esim. älypuhelin voi jakaa nettiyhteytensä Bluetooth-linkin yli, mutta älykodin laitteiden kanssa se ei ole kovin järkevä vaihtoehto => Yksi mahdollisuus olisi esim. erilliset Bluetooth-yhteensopivat verkkolaitteet (ts. itsenäiset Bluetooth-yhteensopivat reititin/gateway/ap-laitteet sijoiteltuna sopivasti asuntoon jakamaan kaikille lähistöllä oleville LE-laitteille nettiyhteyden) => Esim. tulevaisuuden WLAN-tukiasemat voisivat olla Bluetooth-yhteensopivia ja hoitaa tämän homman, koska joka tapauksessa kotonakin on tarvetta pidemmän kantaman ja suuremman datasiirtokyvyn WLAN-verkolle ja Bluetooth 3.0+HS -versiosta lähtien WLAN-tekniikka onkin ollut jo mukana kuvioissa (ei tosin pakollisena, vaan valinnaisena) täydentämässä Bluetooth-verkkojen tiedonsiirtokapasiteettia! & TIVI-lehti 2/ Yhteydet tulevat tarpeeseen, sillä hurjimpien ennusteiden mukaan maailmassa tulee olemaan useita kymmeniä miljardeja Internetiin kytkeytyviä laitteita jo vuoteen 2020 mennessä! Bluetooth 4.2 tuo parannuksia myös tietoturvaan: Bluetoothlaite ei enää oletusarvoisesti raportoi yksilöllisiä tunnistustietojaan ei-luotetuille laitteille => Tämä estää erilaisten Bluetooth-tekniikkaan perustuvien liikkeiden seurantamenetelmien käytön, sillä lähistöllä olevaa puhelinta tai muuta laitetta ei enää voi suoraan tunnistaa. Kun käyttäjä haluaa hyödyntää Bluetooth-paikannusta esim. sisätiloissa navigointia varten, ominaisuuden voi kytkeä päälle laitteen asetuksista Uudesta Bluetooth 4.2 -versiosta kertovissa teksteissä usein vilahtelee jälkiliite Smart, joka saattaa aiheuttaa hämmennystä: Miksi osa laitteista on vain Bluetooth-laitteita ja osa taas fiksuja sellaisia? & TIVI-lehti 2/2015

7 465 Kyse on hieman sekavasta brändäyksestä, joka liittyy Bluetooth 4.0 -version yhteydessä esiteltyyn, alunperin Nokian Wibree-nimellä kehittämään Bluetooth LE - standardiin, joka on tarkoitettu erityisen pienellä virtalähteellä toimiviin laitteisiin, kuten esim. sykevöihin => Tämäntyyppisiä tuotteita kutsutaan Bluetooth Smart (Bluetooth LE) -laitteiksi: Sellaisen kanssa liikennöimään kykenevä, mutta myös enemmän virtaa kuluttavia yhteyksiä tukeva laite, esim. älypuhelin, saa nimityksen Bluetooth Smart Ready (Bluetooth LE Ready). Bluetooth 4.2 -versiossa LE-laitteiden tiedonsiirto suoraan Internetissä on mahdollista: Kovin suuria tietomääriä nappiparistolla toimivat laitteet eivät kuitenkaan voi siirtää, vaan kyse on esim. numeromuotoisesta mittausdatasta tai yksinkertaisista ohjauskäskyistä & TIVI-lehti 2/ Yhteystyypit Bluetooth määrittelee kolme yhteystyyppiä: SCO (Synchronous Connection-Oriented), esco (Extended SCO) ja ACL (Asynchronous Connection-Less) SCO-linkki ja esco-linkki (reaaliaikaisen kaksisuuntaisen äänen/videon siirto): Piirikytkentäinen: Varattu kommunikointipolku koko yhteyden ajaksi. Symmetrinen yhteys: Sama nopeus molempiin suuntiin. Voi siirtää ääntä/videota ja dataa: Käytetään pääasiassa reaaliaikaisen kaksisuuntaisen äänen/videon siirtoon. esco-linkki tukee myös pakettien uudelleenlähetystä (SCO-linkki ei) => Parantaa äänenlaatua. 467 Yhteystyypit 468 Bluetooth-topologia (ACL-linkki) ACL-linkki (datan siirto ml. myös LE-laitteiden datasiirto): Pakettikytkentäinen: Ei varattua kommunikointipolkua, vaan data lähetetään paketteina. Symmetrinen/asymmetrinen yhteys: Voidaan käyttää eri nopeuksia datan lähetykselle ja vastaanotolle. Isäntälaite kontrolloi kaistanleveyttä. Tukee Broadcast-viestejä isännältä kaikille orjille. Pakettien uudelleenlähetystä käytetään varmistamaan datan eheys. A B C D Pikoverkko 1 Hajaverkko E F G Pikoverkko 2 H

8 469 Bluetooth-topologia (SCO/eSCO-linkki) A F B E C D H Pikoverkko 1 G Hajaverkko Pikoverkko Bluetooth-topologia Bluetooth tukee sekä pisteestä pisteeseen (Point-to-Point) että pisteestä moneen (Point-to-Multipoint) -yhteyksiä Bluetooth-verkko muodostuu yhdestä tai useammasta aliverkosta (pikoverkko, piconet), jotka voivat muodostaa hajaverkon (scatternet) Pikoverkko on ryhmä laitteita, jotka muodostavat keskenään spontaaniyhteyden (ad hoc -yhteyden) Bluetooth-tekniikan avulla: Yhdessä pikoverkossa voi olla samanaikaisesti 2-8 aktiivista laitetta (esim. kännykkä ja PC) perinteisen Bluetooth-tekniikan tapauksessa (ts. Bluetooth 1.0A 3.0+HS), joista yksi laite toimii pikoverkon isäntänä (master) ja muut laitteet ovat keskenään yhdenvertaisia orjia (slave) yhteyden ajan: Tämä rajoitus johtuu 3-bittisestä LT_ADDRosoitteesta (Logical Transport Address), jolla voidaan yksikäsitteisesti nimetä/erotella vain seitsemän aktiivista laitetta (ts. 001, 010, 011, 100, 101, 110 ja 111) ja varata vielä yksi osoite (000) Broadcastlähetyksiä varten isännältä kaikille orjille samanaikaisesti. Bluetooth LE -laitteiden tapauksessa käytössä on 32-bittinen Access Address, joka mahdollistaa maksimissaan jopa ( = ) aktiivista orjalaitetta ja yhden isännän samaan pikoverkkoon! 471 Bluetooth-topologia Tämän lisäksi perinteisillä Bluetooth-laitteilla on käytössä 8-bittinen PM_ADDR-osoite (Parked Member Address) ja 8-bittinen AR_ADDR-osoite (Access Request Address), joiden avulla saadaan tarvittaessa 255 passiivista orjaa lisää pikoverkkoon virransäästötiloja hyödyntäen: PM_ADDR-osoitteen avulla voidaan siis asettaa maksimissaan 255 (2 8 1 = 255) passiivista orjalaitetta virransäästötilaan esim. säästämään virtaa () tai suorittamaan vaikkapa jotain raskasta laskentaa, jonka tulokset saadaan myöhemmin haettua passiivisilta orjilta aktiivisten pikoverkon laitteiden käyttöön. PM_ADDRosoitteen arvo 0x00 on varattu vielä erikseen sellaisille orjalaitteille, jotka vastaavat isännän lähettämään orjalaitteen virransäästötilan purkupyyntöön vain omalla pitkällä jokaiselle Bluetooth-laitteelle yksilöllisellä 48-bittisellä BD_ADDRarvollaan (Bluetooth Device Address), joten tämä mahdollistaa periaatteessa lähes rajattoman määrän virransäästötilassa olevia orjalaitteita. AR_ADDR-osoitteen avulla virransäästötilassa ( parkissa ) oleva orja voi puolestaan pyytää oman parkkeerauksensa purkua isäntälaitteelta. 472 Bluetooth-topologia Bluetooth-laitteelle voidaan myös antaa selkokielinen nimi em. numeeristen osoitteiden lisäksi Isäntä on laite, jonka kello- ja taajuushyppelytietoja käytetään muiden pikoverkon laitteiden synkronointiin => Pikoverkon sisällä yhteys kulkee aina isännän kautta, mutta orjat voivat olla yhteydessä muiden pikoverkkojen laitteiden kanssa, jolloin ne toimivat ns. hajaverkon jäseninä => Hajaverkko muodostuu monesta itsenäisestä ja eisynkronoidusta pikoverkosta. Hajaverkon avulla päästään eroon Bluetooth-tekniikan kantamarajoitteista, koska hajaverkon jäsenet voivat reitittää datan eteenpäin yhdestä pikoverkosta toiseen Bluetooth LE ei kuitenkaan tue hajaverkkoja suoraan, koska verkkotopologia on haluttu tehdä mahdollisimman yksinkertaiseksi => Jos siis hajaverkon tyylistä operointia tarvitaan LE-laitteiden tapauksessa, ongelman voi kiertää seuraavalla näppärällä tavalla: Hajaverkon jäsenenä toimiva laite voi yksinkertaisesti toteuttaa saman asian nopealla vuorojen vaihdolla siten, että palvelee ensin esim. pikoverkon A isäntälaitetta ja kun tehtävät hänen kanssaan on saatu suoritettua loppuun (tai jos esim. ennalta määritetty maksimiaika kuluu umpeen), katkaistaan yhteys pikoverkkoon A ja yhdistytään tämän jälkeen heti pikoverkkoon B palvelemaan sen isäntälaitetta!

9 473 HCI OBEX AT-komennot RFCOMM Protokollapino UDP TCP IP (IPv4 & IPv6) PPP L2CAP BNEP LMP & LM Baseband & LC Radio TCS BIN SDP Audio (SCO/eSCO) 474 Protokollapino HCI-rajapinta (Host Controller Interface) tarvitaan fyysisen ja ohjelmallisen tason välille HCI:n alapuolella olevat protokollat on toteutettu valmiiksi Bluetoothsirulle ja HCI:n yläpuoliset protokollat on siis ohjelmallisesti toteutettava Bluetooth-ajureiden yhteyteen HCI:n tarkoitus on mahdollistaa valmistajariippumaton Bluetoothsirujen (Host Controller) ja varsinaisten kuluttajalaitteiden (Host) liittäminen yhteen Baseband ja LMP (Link Manager Protocol) mahdollistavat fyysisen RF-yhteyden (Radio Frequency) LC (Link Controller) on tilakone, joka määrittää sen missä tilassa (virransäästötilassa, suorittamassa normaaleja pikoverkon toimintoja, isäntä hakemassa uusia orjia pikoverkkoon,...) Bluetooth-laite kulloinkin on LM (Link Manager) toimii yhteistyössä paikallisen laitteen sovelluksen ja LC:n kanssa. Lisäksi LM kommunikoi etälaitteen LM:n kanssa. Etälaitteen LM:llä tarkoitetaan Bluetooth-linkin toisessa päässä olevan laitteen (ts. Bluetooth-laitteen, jonka kanssa kommunikoidaan) LM:ää. 475 Protokollapino SCO- ja esco-linkkejä käytetään reaaliaikaisen kaksisuuntaisen äänen/videon välitykseen: Audio- /videodata reititetään suoraan, eikä se mene L2CAPkerroksen (Logical Link Control and Adaptation Protocol) kautta L2CAP sovittaa ylemmän kerroksen protokollat Basebandtasolle SDP:llä (Service Discovery Protocol) löydetään kantamalla olevien Bluetooth-laitteiden tarjoamat palvelut RFCOMM (Serial Cable Emulation Protocol) emuloi RS- 232-sarjaporttia (Recommended Standard-232) ja näin ollen helpottaa olemassa olevien sovellusten toimimista Bluetooth-teknologian yli OBEX:ia (Object Exchange Protocol) käytetään mm. käyntikorttien ja tiedostojen vaihtamiseen 476 Protokollapino TCS-binäärinen (Telephony Control protocol Specification) määrittelee puheluiden kontrollisignaloinnin: Sitä käytetään luomaan ääni- ja datapuheluita Bluetooth-laitteiden välille AT-komentoja käytetään kontrollisignaaleiden välittämiseen puhelunohjaukselle BNEP:iä (Bluetooth Network Encapsulation Protocol) käytetään tarjoamaan verkko-ominaisuuksia Bluetooth-laitteille, ts. BNEPprotokollan tehtävä on välittää muita verkkoprotokollia Bluetoothyhteyden yli BNEP:n ansiosta IP-paketteja (Internet Protocol) voidaan kuljettaa osana L2CAP-pakettien hyötykuormaa IP, TCP ja UDP onkin jo käyty läpi aiemmin tällä opintojaksolla, joten ei niistä enää sen enempää PPP:tä (Point-to-Point Protocol) voidaan myös käyttää tarjoamaan verkko-ominaisuuksia Bluetooth-laitteille, mutta koska se on hitaampi kuin BNEP (PPP toimii RFCOMM:n päällä, kun taas BNEP toimii suoraan L2CAP:n päällä), sitä käytetään nykyään enää harvoin

10 477 Profiilit Bluetooth-tekniikkaa voidaan käyttää myös moneen muuhun tarkoitukseen, kuin pelkästään korvaamaan fyysisiä yhteyksiä laitteiden välillä Koska mahdollisia käyttökohteita on todella paljon, Bluetooth-tekniikalle on määritelty useita erilaisia profiileja Profiili määrittelee laitteen kyvyt eli antaa sille persoonallisuuden => Esim. Jos halutaan tehdä Headset, sen on perustuttava Headset-profiiliin. Jos halutaan tehdä hiiri, käytetään HID-profiilia (Human Interface Device). Kaikki profiilit on rakennettu yleisen GAP:n (Generic Access Profile) varaan, joten jokaisen Bluetooth-laitteen on tuettava vähintään sitä 478 Profiilit Sisemmät profiilit käyttävät ulompana olevien profiileiden määrittelemiä proseduureja oman toiminnallisuutensa määrittelemiseen (katso seuraavien kalvojen kuvat) Kaikki nykyiset Bluetooth-profiilit spekseineen löytyvät seuraavan linkin takaa: Bluetooth-profiililla on kolme pääasiallista tarkoitusta: Se vähentää yksittäisessä laitteessa tarvittavien protokollien määrää ja asettaa parametrien arvoille rajat. Se määrittää tarvittavien prosessien suoritusjärjestyksen. Se tarjoaa valmistajariippumattoman yhteensopivuuden laitteiden välille

11 481 Kuluttajalaitteiden ja Bluetooth-sirujen yhdistämisvaihtoehdot 482 Miten Bluetooth toimii? Kantama tyypillisesti m sisätiloissa Lähetysteho 1 µw 100 mw Taajuus 2.4 GHz Bluetooth 1.0A 1.1 -laitteet käyttävät FHSS:ää => 79 eri kantoaallontaajuutta (f=2402+k MHz, k=0,,78), joiden välillä hypitään pseudosatunnaisen algoritmin mukaisesti. Bluetooth HS -laitteet pystyvät käyttämään FHSS:n lisäksi myös AFH:n (Adaptive Frequency Hopping) versiota #1, jossa maksimissaan 59 huonointa kanavaa (ts. eniten häiriöistä kärsivää kanavaa) voidaan sulkea käytöstä ja näin riittää, että käytössä on minimissään 20 parasta kanavaa (ts. vähiten häiriöistä kärsivää kanavaa), joiden välillä hypitään taajuudelta toiselle samaan tapaan kuin FHSS:n tapauksessakin Bluetooth LE -laitteet (Bluetooth ) käyttävät AFH:n versiota #2, jossa käytössä on 40 kanavaa (f=2402+k 2 MHz, k=0,,39), joista 37 kpl on käytössä datakanavina ja 3 kpl on varattu laitteiden löytämiseen sekä yhteyden määrittämiseen: Näiden 37 datakanavan välillä hypitään taajuudelta toiselle samaan tapaan kuin FHSS:n ja AFH:n versio #1:den tapauksessakin 483 Miten Bluetooth toimii? AFH:n molemmat versiot mukautuvat automaattisesti kanavaolosuhteisiin ja sulkevat häiriöiset kanavat pois käytöstä => Tämä mahdollistaa esim. Bluetooth laitteiden ja WLAN-laitteiden (poislukien a ja ac, jotka toimivat pelkästään 5 GHz:n taajuuskaistalla) toimimisen samalla 2.4 GHz:n kaistalla mahdollisimman vähän toisiaan häiriten! Kaikki ovat taaksepäin yhteensopivia, joten myös FHSS:ää pitää aina tukea, jotta kommunikointi vanhojen laitteiden kanssa on mahdollista 484 Modulointimenetelmät Bluetooth käyttää kolmea erilaista modulointimenetelmää (tai neljää, jos LE:n käyttämä 2-tasoisen GFSK-moduloinnin pieni muunnos halutaan laskea omaksi modulointimenetelmäkseen): 2-tasoista GFSK-modulointia (2 phase Gaussian Frequency Shift Keying) => Saavutetaan 1 Mb/s:n teoreettinen maksiminopeus (käytännössä max kb/s), joka on tuettuna kaikissa Bluetooth-versioissa. /4 DQPSK-modulointia (pi/4 rotated Differential Quaternary Phase Shift Keying) => Saavutetaan 2 Mb/s:n teoreettinen maksiminopeus (käytännössä max kb/s), joka on tuettuna Bluetooth 2.0+EDR 4.2 -laitteissa (poislukien tietysti pelkkää LE-linkkiä tulevat laitteet, joita myös on olemassa). 8DPSK-modulointia (8 phase Differential Phase Shift Keying) => Saavutetaan 3 Mb/s:n teoreettinen maksiminopeus (käytännössä max kb/s), joka on tuettuna Bluetooth 2.0+EDR 4.2 -laitteissa (poislukien tietysti pelkkää LElinkkiä tulevat laitteet, joita myös on olemassa).

12 485 FHSS:n ja AFH:n toiminta Moduloitu data siirretään taajuus-syntetisaattorin määrittämällä kantataajuudella Hyppykoodigeneraattori ohjaa taajuussyntetisaattoria ja saa sen vaihtamaan taajuutta 1600 tai 800 kertaa sekunnissa (riippuen siitä, käytetäänkö FHSS:ää vai AFH:ta) Yksi Bluetooth-datapaketti lähetetään jokaisella hypyllä FHSS:ää käytettäessä ja kaksi datapakettia AFH:ta käytettäessä Eri taajuuksilla hypitään pseudosatunnaisen algoritmin mukaisesti 486 Tahdistus laitteiden välillä f=2402+k MHz, k=0,,78 (FHSS & AFH:n versio #1) & f=2402+k 2 MHz, k=0,,39 (AFH:n versio #2) Pseudosatunnainen hyppygeneraattori toistaa saman hyppelyjakson aina 2 27 hypyn välein => 1600 hypyn sekuntivauhdilla (FHSS) sama kuvio toistuu n tunnin välein ja 800 hypyn sekuntivauhdilla (AFH) n tunnin välein. 487 Binäärinen data Hyppykoodigeneraattori FHSS:n ja AFH:n toiminta 2-GFSK-modulaattori, /4 DQPSK -modulaattori, tai 8DPSK -modulaattori Hyppykoodigeneraattorit ovat keskenään synkronisoituja Taajuussyntetisaattori Hyppykoodigeneraattori Lähetin Binäärinen data 2-GFSK-demodulaattori, /4 DQPSK -demodulaattori, tai 8DPSK -demodulaattori Taajuussyntetisaattori Vastaanotin 488 Samanaikaisten FHSS:ää hyödyntävien lähettäjien lukumäärä & pakettivirheiden todennäköisyys P E 1 1 M K 1 P E M K 1 M = Hyppykanavien lukumäärä = 79 K = Samanaikaisten lähettäjien lukumäärä (ts. kantamalla olevien pikoverkkojen lukumäärä) P E = Pakettivirheen todennäköisyys (%)

13 489 Samanaikaisten FHSS:ää hyödyntävien lähettäjien lukumäärä & pakettivirheiden todennäköisyys Pakettivirheen todennäköisyys (%) Kantamalla olevien pikoverkkojen lukumäärä FHSS (1,2,3,4) pikoverkko 1 Bluetooth-topologia (FHSS & AFH) 4 5 AFH (1,5,6,7) pikoverkko FHSS (7,8,9) pikoverkko FHSS (6,10,11,12,13) pikoverkko 4 Hajaverkko 491 Lähettimen teholuokat Kolme perusluokkaa: Luokka 1: max 100 mw (20 dbm). Luokka 2: max 2.5 mw (4 dbm). Luokka 3: max 1 mw (0 dbm). Luokan 1 lähetin on aina varustettava virranhallintatoiminnolla Luokan 2 ja 3 lähettimissä virranhallintatoiminto ei ole pakollinen Minimitehoksi on sovittu 1 µw, jolla päästään noin metrin kantamaan 492 Esteiden vaikutus kantamaan Alkuoletukset: Lähettimen teho on 1 mw tai 100 mw. Vastaanottimen herkkyys on -70 dbm (standardi) tai -80 dbm (parannettu). Esteiden aiheuttama vaimennus: Ei vaimennusta (ei esteitä). Vähäinen vaimennus (tuoleja, pöytiä, ). Keskinkertainen vaimennus (puuseinät, ovet, ). Suuri vaimennus (Betoniseinät, lyijylevyt, ).

14 493 Seinä Radiosignaalin kulku 494 Radiosignaalin kulku Transmitter Suora Seinä 495 Vaimennus: TX teho [mw]: RX herkkyys [dbm]: Kantama [m]: Ei Ei Ei Ei Vähäinen Vähäinen Vähäinen Vähäinen Keskinkertainen Keskinkertainen Keskinkertainen Keskinkertainen Suuri Suuri Suuri Suuri Seurauksia korkeiden lähetystehojen käytöstä Kantaman kasvattaminen tekijällä 4 => Lähetysteho kasvaa tekijällä 100. Linkin molemmissa päissä oltava sama korkea teho lähetettäessä, jos oletetaan että saavutetaan identtinen suorituskyky vastaanotossa => Riski häiriöiden aiheuttamisesta muille kantamalla oleville käyttäjille kasvaa nopeasti tehon kasvaessa. Lähettimen rakenne kompleksisempi ja kalliimpi Virranhallinta toteutettava >2.5 mw:n (4 dbm) tehoilla Akkujen/paristojen kesto lyhenee huomattavasti Muutamia milliwatteja suuremmat tehotasot voivat häiritä suuresti lähellä olevien digitaalisten ja analogisten piirien toimintaa => Luokan 2 ja 3 laitteet yleisimpiä. Luokan 1 laitteet lähinnä pöytäkoneisiin, kannettaviin koneisiin, kiinteisiin palvelimiin, tulostimiin ja liityntäpisteisiin.

15 497 Terveysriskit: Onko niitä? Source: Robert Morrow, Bluetooth: Operation and use. New York, McGraw-Hill, cop MPE (Maximum Permissible Exposure) EIRP S = Tehotiheys [mw/cm 2 ] EIRP = Lähettimen teho altistuneen henkilön S suuntaan [mw] 2 r = Altistuneen henkilön etäisyys antennista 4r [cm] Seuraavat yleiset säteilyaltistumista koskevat raja-arvot on määritetty ja voimassa lähes jokaisessa maassa: Ammatillinen (kontrolloitu) raja-arvo: Koskee henkilöitä, jotka työssään altistuvat RF-säteilylle. 2.4 GHz:n RF-lähteelle työperäinen MPE-raja on 5.0 mw/cm 2 keskimäärin kuuden minuutin pituiselle altistumisjaksolle. Yleinen julkinen (ei-kontrolloitu) raja-arvo: Koskee julkisia eiammatillisia tilanteita. 2.4 GHz:n RF-lähteelle yleinen julkinen MPE-raja on 1.0 mw/cm 2 keskimäärin 30 minuutin pituiselle altistumisjaksolle. Voiko ihmiskehon solujen lämpenemisen tuntea jo näiden MPEtasojen raja-arvojen kohdalla? => Todennäköisesti ei, koska vasta noin 10 mw/cm 2 :in tehotiheyksillä alkaa tapahtua mitattavissa olevaa solujen lämpenemistä. 499 Bluetooth-tekniikan MPE-tasot Sallitut Bluetoothtekniikan lähetystehot ovat 1 µw 100 mw Taulukkoon on laskettu MPE-tasoja erilaisilla tyypillisillä lähetystehoilla ja etäisyyksillä lähettimeen => Terveysriskejä ei siis näyttäisi olevan ainakaan tämän analyysin valossa! EIRP [mw] r [cm] S [mw/cm 2 ] * * * * * * * * *10-9