Bluetooth

12.9.1999

Annikka Aalto
Tietotekniikka
Teknillinen Korkeakoulu
amaalto@cc.hut.fi

Tiivistelmä

Bluetooth on lyhyen etäisyyden radioyhteyteen perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka, joka mahdollistaa laitteiden yhteistoiminnan noin 10 metrin säteellä. Bluetooth-tekniikkaa voidaan käyttää esimerkiksi kannettavissa tietokoneissa ja kännyköissä.


Sisällysluettelo

1 Johdanto
2 Yleistä
3 Verkon topologia
4 Toiminta
4.1 Radiojärjestelmä
4.2 Radiolinkin hallinta
4.3 Yhteydenhallinta
5 Protokollat
5.1 L2CAP, Link Layer Control and Adaptation Protocol
5.2 SDP, Service Discovery Protocol
5.3 TCS, Telephony Control Protocol
5.4 RFCOMM
6 Turvallisuus
7 Sovellutuksia
7.1 "Langaton puhelin"-profiili
7.2 Lähiverkkoyhteysprofiili
7.3 Tiedostonsiirtoprofiili
8 Tulevaisuus
Lähdeluettelo


1 Johdanto

Vaikka kännykät ja kannettavat tietokoneet ovat arkipäivää, langaton tiedonsiirto on edelleen vähän käytettyä tekniikkaa. Nykyiset käytössä olevat langattoman tiedonsiirron menetelmät kuten infrapunayhteys, ovat vaikeita käyttää, eivätkä joustavasti sopeudu erilaisiin ympäristöihin.

Bluetooth on uusi lyhyen kantaman radioyhteyteen perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka, joka soveltuu monenlaisiin laitteisiin ja käyttökohteisiin. Ensimmäisiä Bluetooth-laitteita odotellaan markkinoille jo vuoden 1999 loppupuolella.

2 Yleistä

Tietotekniikan kehitys, tietoliikenteen kasvu ja erilaisten kannettavien laitteiden yleistyminen ovat luoneet kasvavan tarpeen helppokäyttöiselle ja monipuoliselle langattomalle tiedonsiirtotekniikalle. Tähän tarpeeseen vastatakseen Ericsson, IBM, Intel, Nokia ja Toshiba perustivat 20.5.1998 ryhmittymän, jonka nimeksi tuli Bluetooth [8]. Yhteistyön tavoitteena oli kehittää tekniikka, joka yksinkertaistaisi erilaisten laitteiden, kuten kannettavien, matkapuhelinten, PDA:iden ja tulostimien langatonta yhteenliittämistä. Bluetooth-tekniikka on avoin standardi, joka mahdollistaa useiden laitteiden keskinäisen kommunikoinnin lyhyellä etäisyydellä.

Bluetooth on lyhyen etäisyyden radioyhteyteen perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka, joka mahdollistaa laitteiden yhteistoiminnan noin 10 metrin säteellä. Bluetooth-tekniikan ensimmäisinä käyttökohteina tulevat todennäköisesti olemaan kannettavat tietokoneet ja matkapuhelimet.

3 Verkon topologia

Bluetooth-verkko koostuu kuvan 1 mukaisesti pikoverkoista (piconet) jotka yhdessä muodostavat hajaverkkoja (scatternet). Pikoverkoissa on 2-8 aktiivista laitetta, joista yksi toimii isäntänä (master) ja loput orjalaitteina (slave).

Kuva 1 Neljän pikoverkon muodostama hajaverkko [8]

Pikoverkon alueella voi olla ei-aktiivisessa "parked" tilassa olevia laitteita, joilla on yhteys verkon master-laitteeseen, mutta ne eivät voi osallistua tiedonsiirtoon.

Pikoverkko määräytyy täysin master-laitteensa mukaan, tämä on laite joka on luonut pikoverkon käynnistämällä yhteyden johonkin muuhun laitteeseen. Bluetooth-laitteet sinänsä ovat kaikki samanlaisia, laitteen asema pikoverkossa määräytyy dynaamisesti. Pikoverkon sisällä laitteilla ei ole yhteyksiä muihin kuin master-laitteeseen, joka kontrolloi tiedonsiirtoa. Sen sijaan myös slave-laitteilla voi olla yhteyksiä muiden pikoverkkojen laitteisiin. Pikoverkon kokoa rajoittaa se, että kaikki verkon orjalaitteet ovat yhteydessä isäntään, jolloin pikoverkon tiedonsiirtokanava jakautuu orjalaitteiden kesken.

4 Toiminta

Bluetooth-järjestelmä soveltuu monipuoliseen käyttöön, sillä se on helposti toteutettavissa edullisella radiotekniikalla. Bluetooth-tekniikka sopii myös pieneen tilaan ja kuluttaa vähän energiaa, joka tekee siitä erityisen sopivan kannettaviin laitteisiin. Bluetooth-tekniikan suunnittelussa on ollut tavoitteena helppokäyttöisyys,nopea tiedonsiirto, multimediatuki ja globaali toimivuus sekä yhteensopivuus.

Bluetooth tukee sekä datan, että äänen siirtoa. Datansiirtoon soveltuvat symmetrinen 432,6 kb/s datakanava, tai epäsymmetrinen 721 kb/s datakanava, jonka nopeus paluusuuntaan on 56,6 kb/s. Äänensiirtoon on käytettävissä maksimissaan kolme yhtäaikaista 64 kb/s synkronista kanavaa. [3]

Bluetooth-tekniikka määrittelee kolme lähetysteholuokkaa, joista useimmat laitteet tulevat käyttämään pienintä, 1mW lähetystehoa. Tällä päästään 10cm - 10m toimintaetäisyyteen. Lähetystehoa nostamalla toimintaetäisyyttä voidaan kasvattaa jopa sataan metriin. [3]

Bluetooth-järjestelmä koostuu radio-osasta, radiolinkinhallinnasta ( link controller ) ja yhteydenhallinnasta ( link manager ) kuvan 2 mukaisesti. [3]

Kuva 2 Bluetooth-järjestelmän toiminnalliset osat [3]

4.1 Radiojärjestelmä

Bluetooth-tekniikka perustuu 2,4 gigahertsin taajuusalueella toimivaan radiolinkkiin. Kaupan, teollisuuden ja tieteen käyttöön varattu 2,4 GHz taajuusalue on ilman lisenssiä käytettävissä joka puolella maailmaa, ja mahdollistaa nopean tiedonsiirron. Kyseistä taajuusaluetta käyttävien laitteiden sallitut lähetystehot ovat kuitenkin varsin pieniä, mikä rajoittaa toimintaetäisyyttä. Koska 2,4 GHz taajuusalue on minkä tahansa laitteen vapaasti käytettävissä, näillä taajuuksilla operoivat laitteet yleisesti käyttävät hajaspektritekniikkaa ympäristöstä johtuvien häiriöiden vähentämiseksi. Hajaspektritekniikat hajauttavat signaalinsa laajalle taajuusalueelle, jolloin yksittäisillä, kapeilla taajuuskanavilla esiintyvien häiriöiden vaikutus vähenee. [3]

Eri hajaspektritekniikoista Bluetooth käyttää taajuushyppelyä (FHSS, frequency-hopping, spread-spectrum). Taajuushyppelyssä kantoaallon taajuutta vaihdellaan hyvin nopeasti, Bluetooth-tekniikan käyttämä taajuushyppelynopeus on 1600 hyppyä sekunnissa. Bluetooth käyttää 79 eri kantoaallon taajuutta, nämä taajuuskanavat ovat 1 MHz etäisyydellä toisistaan välillä 2.400 GHz - 2.4835 GHz. Bluetooth-tekniikan käyttämä radiokanava on jaettu aikaväleihin (slot), joiden kesto on 625 mikrosekuntia. Käytettävä kantoaallon taajuus säilyy vakiona aina yhden aikavälin ajan, jonka jälkeen kantoaallon taajuus vaihtuu ennaltamäärätyn sekvenssin mukaisesti. Taajuussekvenssi on jokaiselle pikoverkolle ominainen, ja se määräytyy pikoverkon syntyessä master-laitteen laiteosoitteesta ja kellosta. [3]

Bluetooth-järjestelmä käyttää modulaationa GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) taajuussirtokoodausta. GFSK-modulaatiossa binäärinen data sisällytetään kantoaallon taajuuteen poikkeuttamalla kantoaallon perustaajutta joko suuremmaksi tai pienemmäksi riippuen siitä lähetetäänkö binäärinen 1 vai 0. [3]

4.2 Radiolinkin hallinta ( baseband link control )

Bluetooth-järjestelmä on pohjimmiltaan pakettikytkentäinen, mutta se pystyy tarjoamaan myös piirikytkentäiset yhteydet. Tavallisesti yhden aikavälin aikana pystytään siirtämään yksi datapaketti, jonka formaatti on kuvan 3 mukainen. Synkroniselle datalle voidaan kuitenkin varata vakiomäärä aikavälejä aikayksikköä kohden, jolloin yhteys toimii piirikytkentäisen tavoin. Käytössä on TDD (Time Division Duplex)-järjestelmä, jossa isäntä ja orja lähettävät paketteja vuorotellen. [3]

Kuva 3 Bluetooth paketin formaatti [8]

Jokaisella Bluetooth-laitteella on yksilöllinen 48-bittinen laiteosoite. Tämän lisäksi kaikilla pikoverkkoon osallistuvilla aktiivisilla laitteilla on 3-bittinen active member address (AM_ADDR), jonka pikoverkon master-laite antaa laitteelle sen tullessa aktiiviseksi. Tämän osoitteen perusteella laitteet voidaan yksilöidä pikoverkossa. [3]

Normaalisti, kun laitteiden välillä ei ole yhteyksiä, kaikki laitteet ovat STANBY-tilassa. Kun jokin laite joko käynnistää kyselyn kuuluvuusalueella olevista laitteista, tai suoraan aloittaa yhteydenoton tunnistamaansa laiteosoitteeseen, muodostuu pikoverkko. Pikoverkon master-laitteeksi tulee yhteydenoton aloittanut laite, ja se säilyttää asemansa koko pikoverkon elinajan. [3]

Linkkitasolla laitteiden välisiä yhteyksiä on kahdenlaisia. Äänen siirtoon soveltuvat synkroniset yhteydelliset SCO ( Synchronous Connection-Oriented) -linkit, datan siirtoon puolestaan yhteydettömät ACL (Asynchronous Connection-Less) -linkit. [3]

Pakettienkäsittelyn ja yhteydenmuodostuksen lisäksi radiolinkin hallintajärjestelmä huolehtii muun muassa virheenkorjauksesta ja linkin turvallisuudesta.

4.3 Yhteydenhallinta ( link manager )

Yhteydenhallinta huolehtii datan lähetyksestä/vastaanotosta, yhteyksien muodostamisesta ja autentikaatiosta verkkolaitteiden välillä käyttäen linkinhallinnan tarjoamia palveluita.

Yhteydenhallinta kommunikoi LMP- ( Link Management Protocol ) protokollalla muiden bluetooth-verkon laitteiden kanssa. LMP-viestejä käytetään bluetooh-verkoissa yhteyksien muodostamiseen, verkonhallintaan ja turvallisuusominaisuuksien toteuttamiseen [3].

Yhteydenhallintajärjestelmä tarjoaa laiteriippumattoman rajapinnan ( Host Controller Interface, HCI ) ylemmän tason protokollille.

5 Protokollat

Bluetooth-laitteiden pitää osata tunnistaa toisensa ja saada selville tunnistamiensa laitteiden kyvyt ja ominaisuudet. Koska bluetooth-tekniikka soveltuu hyvin monenlaisiin laitteisiin, kaikilta laitteilta ei voida odottaa samanlaisia kykyjä. Tämän vuoksi laitteet on jaettu luokkiin, joista kukin tukee tiettyä joukkoa ominaisuuksia, näin pystytään ottamaan käyttöön kommunikointiin sopivat ohjelmistomodulit riippuen siitä millaisten laitteiden välillä kommunikoidaan.

Bluetooth-ohjelmistoarkkitehtuurin tavoitteena on olla paitsi alustariippumaton ja tukea erilaisia käyttötappoja, myös käyttää olemassaolevia protokollia aina kun mahdollista [2]. Muutamia protokollia Bluetooth-arkkitehtuuri kuitenkin määrittelee.

Kuva 4 Bluetooth-järjestelmän käyttämät protokollat [4]

5.1 L2CAP, Link Layer Control and Adaptation Protocol

L2CAP, Logical Link Control and Adaptation Protocol on Bluetooth-laitteiston tarjoaman laiteriippumattoman rajapinnan (HCI) päällä toimiva protokolla, joka kuvan 4 mukaisesti mahdollistaa ylemmän tason protokollien multipleksaamisen siten, että sovellukset voivat käyttää haluamaansa protokollaa, kuten esimerkiksi TCP/IP:tä allaolevasta laitteistosta riippumatta. L2CAP huolehtii myös pakettien pilkkomisesta ja uudelleenkokoamisesta, sekä tukee palvelun laadun hallintaa hyödyntäen Qos, Quality of Service -informaatiota. [3]

L2CAP protokolla perustuu "kanaviin" joita on kolmentyyppisiä: yhteydellisiä, yhteydettömiä sekä merkinantokanavia. Kanavan päät tunnistetaan L2CAP-protokollatasolla CID-tunniksella (Channel Identifier). [3]

5.2 SDP, Service Discovery Protocol

Bluetooth määrittelee myös palvelunhakuprotokollan, SDP:n ( Session Discovery Protocol ). SDP:llä laitteet pystyvät hakemaan haluamaansa palvelua SDP-palvelimelta, ja tiedustelemaan palvelun ominaisuuksia, kuten palvelun tyyppi ja luokka, ja sen tarvitsema protokolla. Laite voi joko suoraan hakea juuri haluamaansa palvelua, tai se voi etsiä palvelua joka toteuttaa halutut ominaisuudet tai kuuluu sopivaan palveluluokkaan.

Bluetooth-laite voi toimia yhtä aikaa sekä SDP-palvelimena että asiakkaana. SDP-asiakkaan käytössä olevien palvelimien joukko muuttuu dynaamisesti, kun laitteita saapuu ja poistuu kuuluvuusalueelta. [3]

5.3 TCS, Telephony Control Protocol

TCS, Telephony Control Protocol on ääni- ja datapuheluiden välittämisen Bluetooth-laitteiden välillä määrittelevä protokolla. TCS sisältää puhelukontrollin eli ääni- ja datapuheluiden käynnistämiseen ja lopettamiseen tarvittavat operaatiot, sekä mahdollisuuden yhteydettömään merkinantoon joka ei liity käynnissä olevaan puheluun. Näiden lisäksi TCS sisältää ryhmien hallinnan. [3]

5.4 RFCOMM

RFCOMM tarjoaa RS-232 sarjaporttiemulaation L2CAP-protokollan yli. Se on kehitetty koska sarjaporttia käytetään varsin yleisesti tiedonsiirtoon erityyppisten laitteiden välillä. RFCOMM perustuu ETSI TS 07.10 standardiin. [3]

RFCOMM tukee kahdentyyppisiä laitteita, niitä jotka ovat tiedonsiirron päätepisteinä kuten tietokoneet ja tulostimet, sekä niitä, jotka ovat tiedonsiirron välineenä, kuten modeemit. [3]

RFCOMM tarjoaa useita yhtäaikaisia yhteyksiä kahden laitteen välille, ja myös yhteyksiä useisiin laitteisiin yhtä aikaa. [4]

6 Turvallisuus

Bluetooth-laitteiden välinen kommunikaatio käyttää nopeaa taajuushyppelytekniikkaa, jossa käytössä on 79 radiokanavaa. Taajuushyppelytekniikka lisää häiriönsietokykyä ja turvallisuutta tiedonsiirrossa. Toisaalta Bluetooth-laitteiden alhainen lähetysteho estää lähetyksen kantautumisen kovin kauas. [5]

Bluetooth käyttää linkkitason salausta, jossa jokaiselle yhteydelle muodostetaan yksilöllinen salainen autentikointiavain, ja siitä edelleen salainen salausavain kuvan 5 mukaisesti. Julkisena avaimena käytetään laitteen 48-bittistä osoitetta.[3]

Kuva 5 Bluetooth-järjestelmän salaus ja avaintenhallinta [5]

Paketeista salataan vain kuljetettava data, tunnistetta ja otsikkoa ei salata. Varsinainen data salaus tapahtuu E0-nimisellä jonosalaimella. [3]

Vaadittaessa parempaa turvallisuutta tai henkilökohtaista autentikointia, voidaan linkkitason salauksen lisäksi käyttää sovellustason salausta. [5]

7 Sovelluksia

Bluetooth-tekniikkaa voidaan käyttää paitsi korvaamaan fyysisiä yhteyksiä laitteiden väliltä, myös moneen muuhun tarkoitukseen. Koska mahdollisia käyttökohteita on valtava määrä, Bluetooth-tekniikalle on määritelty erilaisia profiileja.

Profiili määrittelee joukon viestejä ja operaatioita jotka profiilin toteuttavan Bluetooth-laitteen on ymmärrettävä, toisin sanoen profiili määrittelee laitteen kyvyt.

Kaikki profiilit on rakennettu "Generic Access" profiilin varaan. Tämä profiili määrittelee miten laitteet toimivat standby- ja yhteydenmuodostustiloissa, sekä käsittää kaikille laitteille yhteiset vaatimukset ja suositukset. [3]

7.1 "Langaton puhelin"-profiili

Langaton puhelin-profiili määrittelee vaatimukset kuva 6 mukaiselle järjestelmälle, jossa langaton Bluetooth-puhelin toimii sekä tavallisena langattomana puhelimena, matkapuhelimena ja sen lisäksi pystyy käyttämään tietokoneverkon palveluja. [3]

Langaton puhelin-profiili sisältää laitteille kaksi eri roolia. Laitteen toimiessa gatewayna se välittää puheluja ulkoiseen verkkoon. Päätelaitteena toimiva laite tarjoaa tavallisen puhelimen toiminnallisuuden. [3]

Suhteutettuna Bluetooth-järjestelmän verkkotopologiaan, gateway toimii normaalisti pikoverkon master-laitteena ja huolehtii päätelaitteiden verkkoliikenteestä. Gateway tutkii aktiivisesti ympäristöään, ja liittää automaattisesti kuuluvuusalueelle saapuneet laitteet verkkoon. Päätelaitteet ovat useimmiten alhaisen virrankulutuksen tilassa silloin kun ne eivät ota osaa puheluihin. Gateway ja päätelaite käyttävät keskinäiseen kommunikointiinsa L2CAP- ja TCS-protokollia. [3]

Kuva 6 "Langaton puhelin"-profiili

7.2 Lähiverkkoyhteysprofiili

Lähiverkkoyhteysprofiili määrittelee vaatimukset kuvan 7 mukaiselle järjestelmälle, joka käyttää PPP:tä (Point-to-Point Protocol) lähiverkkoyhteyksien muodostamiseen. Profiili käsittelee lähinnä IP:n käyttöä verkkoprotokollana, vaikka PPP mahdollistaisi muitakin protokollavaihtoehtoja. [3]

Lähiverkkoprofiili sisältää laitteille kaksi eri roolia. LAN Access Point (LAP) on Bluetooth-laite joka mahdollistaa pääsyn lähiverkkoon. Päätelaite puolestaan käyttää LAP-laitteen palveluja. [3]

LAP:iin voi kykeytyä yksi tai useampia päätelaitteita, tai päätelaitteet voivat kommunikoida suoraan keskenään. LAP:iin kytkeytyneillä päätelaitteilla ei tarvitse olla mitään tietoa siitä millä tavoin LAP on yhteydessä muihin verkon osiin. [3]

Kuva 7 Lähiverkkoyhteysprofiili [1]

7.3 Tiedostonsiirtoprofiili

Tiedostonsiirtoprofiili määrittelee vaatimukset kuvan 8 mukaiselle järjestelmälle, jossa Bluetooth-laite, esimerkiksi tietokone voi selata toisen laitteen tiedostojärjestelmää, siirtää tiedostoja laitteesta toiseen sekä muuttaa toisen laitteen tiedostojärjestelmää. [3]

Tiedostonsiirtoprofiili sisältää laitteille kaksi eri roolia. Asiakas aloittaa yhteyden, ja siirtää tiedostoja palvelimen tiedostojärjestelmään ja sieltä pois. Palvelin tarjoaa tiedostojärjestelmäpalveluja asiakkaan käyttöön. [3]

Vaikka tiedostonsiirtoprofiili on varsin yksinkertainen profiili - kommunikaatio tapahtuu vain kahden laitteen välillä - rooleilla on tarkkaan määritellyt ominaisuudet jotka tiedostonsiirtoprofiilia tukevien laitteiden tulee toteuttaa. [3]

Kuva 8 Tiedostonsiirtoprofiili [4]

8 Tulevaisuus

Bluetooth määritelmän 1.0-versio julkistettiin vasta heinäkuussa 1999 joten kyseessä on varsin uusi tekniikka. Kuitenkin vielä tämän vuoden aikana markkinoille odotetaan ensimmäisiä kannettaviin mikroihin liitettäviä Bluetooth-moduleita, ja piirisarjojen massavalmistuksen on määrä alkaa ensi vuoden alussa. [6]

Lähdeluettelo

[1] 3Com, Networking, Slide show, London Developers Conference, 8-11.6.1999
< http://www.bluetooth.com/services/default.asp?page=presentations>
[2] Anon, Bluetooth Overwiew [viitattu 12.09.1999]
< http://www.bluetooth.com/document/default.asp>
[3] Anon, Specification of the Bluetooth system, 26.7.1999
< http://www.bluetooth.com/document/default.asp?page=dspecification>
[4] Intel, Bluetooth software overview, Slide show, London Developers Conference, 8-11.6.1999
< http://www.bluetooth.com/services/default.asp?page=presentations>
[5] Nokia, Bluetooth security overview, Slide show, London Developers Conference, 8-11.6.1999
< http://www.bluetooth.com/services/default.asp?page=presentations>
[6] Ojanperä, V., Bluetoothin 1.0-määritelmä valmistui, Prosessori, 2.8.1999
< http://www.prosessori.fi/Uutiset/DB/xl-9688>
[7] Petrick, A., Co-Existence At 2.4GHz: A Look at the IEEE 802.11, Bluetooth and HRFWG Standards, Wireless Design Online, 15.2.1999
< http://news.wirelessdesignonline.com/wlan-beat/19990215-5410.html>
[8] Sand, K., Bluetooth, Seminaariesitelmä, Teknillinen korkeakoulu, Tietotekniikan osasto, 4.3.1999
< http://www.tcm.hut.fi/Opinnot/Tik-111.550/1999/Esitelmat/Bluetooth/bluetooth.html>

Lisätietoja

Lisätietoja otsikon alle voidaan koota aiheeseen liittyviä linkkejä, jotka eivät ole varsinaisia lähteitä. Linkit luetellaan aakkosjärjestyksessa ja jokaisesta linkistä annetaan lyhyt kuvaus.

www.bluetooth.com
Bluetooth
Ericsson, Bluetooth
Ericssonin Bluetooth-sivut
Intel, Bluetooth
Intelin Bluetooth-sivut
Nokia, Bluetooth
Nokian Bluetooth-sivut
Toshiban, Bluetooth
Toshiban Bluetooth-sivut