تحقیق مقاله آشنایی با سیستم های Bluetooth

آشنایی با سیستم های Bluetooth

 Bluetooth نوعی اتصال رادیویی برد کوتاه می باشد که جایگزین کابلهای اتصال دهنده وسایل الکترونیکی ثابت و یا قابل حمل خواهد شد از ویژگیهای کلیدی آن خطا ناپذیری (robustness) پیچیدگی و توان مصرفی کمتر و قیمت و قیمت پایین تر می باشد. همچنین Bluetooth نیازی به دخالت کاربر برای ایجاد ارتباط ندارد، وسایل سازگار خود یکدیگر را پیدا می کنند، به عنوان مثال در یک سیستم تلفن بی سیم Bluetooth وقتی base دستگاه روشن می شود سیگنالهایی را برای دریافت پاسخ از سیستمهایی که ادرس آنها در محدوده ویژه ای قرار دارد ارسال می کند اگر سیستمی در آن نزدیکی، آدرسی همان محدوده داشته باشد پاسخ می دهد و یک شبکه تشکیل می شود.

 هم اکنون سیستمهای Bluetooth وارد بازار شده اند با توجه به ویژگیهای Bluetooth و حمایت شرکتهای بزرگی چون lntel , Lbm , Ericsson , 3com Nokia , Motorola , Toshiba , Micrcosoft از این استاندارد به نظر می رسد این استاندارد به زودی فراگیر شده و در آینده ای نزدیک شاهد حذف ارتباطات کابلی در بسیاری از سیستمها باشیم .

 1 ) مقدمه

 اگر نگاهی به اطراف خود بیندازید وسایل الکترونیکی بسیاری را خواهید دید که با سیم به یکدیگر متصل می باشند. تلویزیون، ویدئو، گیرنده ماهواره و ضبط صوت استریو با سیم با یکدیگر ارتباط دارند و یک سینمای خانگی کوچک ار تشکیل می دهد. دستگاه کنترل از راه دور آنها با تکنولوژی مادون قرمز ارتباط برقرار می کند.

 بسیاری از وسایل دیگر از روشهای ارتباطی مشابهی استفاده می نمایند. با این وجود محیط زندگی ما چگونه به نظر می رسد ؟

 دیدگاه اول : محیط زندگی ما محل دهها متر سیم شده که علاوه بر پیچیده کردن برپایی یک سیستم و نیاز به یادگیری نحوه اتصال آنها به یکدیگر، باید نگران محل عبورسیمها به هنگام طراحی اتاق نشیمن نیز باشیم.

 ارتباط بدون سیم، مادون قرمز نیز صرفاً اتصال دو دستگاه را که در دید مستقیم یکدیگر می باشند میسر می کندف همچنین برای ارتباط بعضی وسایل با بعضی دیگر ملزم به خرید سیمها، فیشها و سرکابلهای رابط هستیم هرچند به دلیل عدم تطابق سیستم ورودی و خروجی، ارتباط بعضی وسایل الکترونیکی با یکیدگر غیر ممکن می نماید.

 دیدگاه دوم : عدم وجود یک استاندارد واحد پیچیدگی کار را افزایش داده و ارتباط بعضی وسایل را – هر چند در صورت امکان ارتباط می تواند مفید باشد – نا ممکن می سازد.

 با توجه به گفته های فوق و کاربرد روز افزون وسایل الکترونیکی اعم از کامپیوتر و وسایل جانبی آن ، سیستمهای سرگرمی الکترونیکی، تلفن و وسایل ارتباطی. نیاز به وجود روشی ارتباطی در درجه اول ساده و در درجه دوم روشی که جوابگوی نیازهای فعلی ما و همچنین نیازهای آینده باشد احساس می شود . اینجاست که تکنولوژی Bluetooth با ویژگیهای منحصر به فرد قابلیتهای فوق العاده پا به عرصه می گذارد.

 Bluetooth استانداردی است که توسط گروهی از سازندگان وسایل الکترونیکی وضع شده و به هر وسیله الکترونیکی – از کامپیوتر گرفته تا تلفنهای سلولی – اجاره می دهد تا اتصالی بدون سیم، کابل و یا هرگونه نیاز به دخالت کاربر با دیگر وسایل برقرار کنند.

 در اینجا ابتدا به معرفی سیستمهای Bluetooth می پردازیم ، سپس چند ویژگی کلیدی Bluetooth را با نگاهی دقیقتر از نظر چگونگی عملکرد بررسی خواهیم کرد. چه کسانی Bluetooth را هدایت می کنند و گسترش می دهند و نحوه مشارکت در این حرکت تکنولوژیک بخش پایانی می باشد.

 2 ) معرفی عمومی

 Bluetooth یک اتصال رادیویی برد کوتاه است که به منظور جایگزینی کابلهای اتصال دهنده وسایل الکترونیکی سیار و ثابت ایجاد شده است ویژگیهای کلیدی آن عبارتند از : خطا ناپذیری (robustness) ، پیچیدگی کمتر، توان مصرفی کمتر و قیمت کمتر ، از دید کاربر Bluetooth سه ویژگی دارد: بی سیم است، ارزان است و سوم اینکه خودکار است.

 برای برقراری ارتباط هیچ دخالتی از طرف کاربر نیست. کافی است Bluetooth را فعال کنید دستگاهها خود یکدیگر را پیدا می کنند. Bluetooth ارتباط تا شعاع 10 متر را حتی با گذر از دیوارها و موانع برقرار می کند ( نوع کلاس 1 ارتباط 100 متر را برقرار می کند). با Bluetooth می توانید :

 - در محل کار، میزگردها و کنفرانسها اطلاعات PC خود را با سایر افراد به اشتراک بگذارید و حتی اسلایدهایی را به پروژکتور بفرستید.

- در خانه تمام وسایل الکترونیکی را با یک دستگاه کنترل از راه دور Bluetooth کنترل کنید. حتی امکان استفاده از دستورات صوتی نیز وجود دارد. در اتومبیل با این دستورات صوتی سیستم ضبط صوت، ناوبری و درب بازکن های پارکینگ کنترل می شوند.

 - در هنگام پیاده روی از طریق هدفون بدون سیم خود به موسیقی گوش دهید یا عکسهایی را که با دوربین دیجیتال گرفته اید از طریق موبایل به دوست خود ارسال کنید.

 Bluetooth در باند فرکانسی GHZ 4/2 کار می کند که براساس قرارداد بین المللی برای استفاده صنعتی، علمی و وسایل پزشکی (ISM) درنظر گرفته شده است. بعضی از وسایلی که شما در حال حاضر از آنها استفاده می کنید از ویژگیهای همین باند فرکانسی بهره می گیرند. به منظور جلوگیری از تداخل فرکانسی این وسایل با Bluetooth و همچنین چندین دستگاه Bluetooth که در یک محل قرار دارند از تکنیکی به نام جهش فرکانسی طیف گسترده (spread spectrum frequency Hopping)  استفاده می شود. در این تکنیک دستگاه از 79 فرکانس مجزا، که به صورت تصادفی در رنجی مشخص انتخاب می شوند استفاده می کند. در مورد Bluetooth فرستنده و گیرنده و در هر ثانیه 1600 بار فرکانس را تغییر می دهند و این به معنی استفاده کامل از باریکه محدودی از طیف فرکانسی است در نتیجه امکان تداخل به حداقل می رسد.

 برای به حداقل رساندن پیچیدگی طراحی فرستنده و گیرنده با مدولاسیون (shaped Binary FM Modulation) SB – FM استفاده شده است. آهنگ نمونه برداری Ms/s 1 بوده و از یک کانال شیاردار (slotted channel ) با اسلات هایی با طول نامی ms 625 استفاده می شود.

 اطلاعات بر روی کانال و از طریق بسته های اطلاعاتی (packet) تبادل می شوند. Bluetooth از یک واحد رادیو، یک واحد کترل اتصال و یک واحد پشتیبان برای مدیریت اتصال و عملکرد رابط ترمینال میزبان (Host) تشکیل شده است.

 سیستم Bluetooth امکان ارتباط point – to – point ( که تنها شامل دو واحد Bluetooth می شود) با ارتباط point – to – multipoint را فراهم می کند. در ارتباط point – to – multipoint کانال بین چندین واحد Bluetooth به اشتراک گذاشته می شود. یک با چند واحد که یک کانل را به اشتراک می گذارد شبکه ای به نام piconet تشکیل می دهند.

 یکی از واحدهای Bluetooth نقش Master را در piconet به عهده داشته و واحدهای دیگر عنوان پیرو (slave) عمل می کنند. حداکثر 7 واحد پیرو می توانند در یک piconet فعال باشند. چندین piconet با ناحیه پوشش گسترده scatternet را تشکیل می دهند. هر piconet می تواند فقط یک Master داشته باشد هر چند یک Master  در یک piconet می تواند یک slave در piconet دیگر باشد.

 حال بت یک مثال چگونگی تشکیل یک piconet مختصراض شرح داده می شود:

 فرض کنید در یک اتاق ، یک سیستم تصویری شامل تلویزیون، DVD player و استریو، یک تلفن بی سیم و یک کامپیوتر شخصی وجود دارد. هر سه این سیستمها از Bluetooth استفاده می کنند و هر یک piconet مختص به خود را برای ارتباط بین دستگاه اصلی و وسایل جانبی مربوط تشکیل می دهد. تلفن بی سیم یک فرستنده – گیرنده در دستگاه مادر و یک فرستنده – گیرنده در گوشی سیار دارد. کارخانه سازنده هر واحد را با آدرسی مشخص برنامه ریزی کرده تا فقط با وسایلی که در آن محدوده آدرسی قرار دارند، ارتباط برقرار کند. با روشن شدن دستگاه مادر، سیگنال های رادیویی به منظور تقاضای پاسخ از طرف واحدی در آن محدوده آدرس ویژه ، ارسال می شود. زمانی که گوشی سیار سیگنال را دریافت میکند به آن پاسخ میدهد و یک شبکه کوچک تشکیل می شود. حال اگر یکی از این وسایل از واحد دیگری سیگنال تقاضای ارتباط دریافت کند به آن پاسخی نخواهد داد، چرا که واحد جدید عضو شبکه ایجاد شده نمی باشد. سیستم تصویر و کامپیوتر نیز روند مشابهی را برای ایجاد شبکه دنبال می کنند. نهایتاً اتاق سه piconet فعال تشکیل می شود که هر کدام آدرسی را که باید به آن داده ها را ارسال کند و آدرسی را که باید از آن اطلاعاتی دریافت کند می شناسد. در نتیجه تمام piconet های تشکیل شده کاملاً مجزا از یکدیگر می باشند.

 3 ) نگاهی دقیق تر به پروتوکل Bluetooth

 آنچه که Bluetooth را قدرتمند ساخته پروتکل این تکنولوژی است. از این رو به معرفی چند مشخصه Bluetooth بر اساس پروتکل منتشر شده آن می پردازیم:

 1  .3 ) معرفی کانال

توصیف کانال Bluetooth با ترتیب جهشی شبه تصادفی در کانال RF 79 یا RF 23 همراه است. ترتیب جهش برای هر piconet منحصر به فرد بوده و به وسیله آدرس دستگاه Bluetooth اصلی Bluetooth )

 (Device Address تعیین می شود، فاز ترتیب جهش به وسیله کلاک Bluetooth اصلی کنترل می گردد. تعداد جهش اسماً 1600 hops/s و تمام واحدهای Bluetooth که در piconet شرکت دارند از نظر زمانی و جهش با کانال سنکرون هستند.

 Bluetooth می تواند ارسال و دریافت دیتای سنکرون یا تا سه کانال صوتی سنکرون همزمان با یک کانال که همزمان دیتای سنکرون و صوت سنکرون را پشتیبانی می کنند را فراهم کند. هر کانال صوتی سنکرون kb/s 64 در هر جهت و هر کانال آسنکرون حداکثر kb/s 2/723 متقارن ( که هنوز تا kb/s 6/57 در جهت برگشت پهنا دارد ) یا kb/s 9/433 نا متقارن را پشتیبانی می کند. کانال به timeslot های به طول ms 625 که هر کدام با یک فرکانس جهش RF متفاوت تطابق دارد تقسیم می شود. Master Slave  در  timeslot  می توانند packet ها را ازسال کنند. timeslot ها براساس کلاک دستگاه اصلی piconet از رنج صفر تا 1 – 27 2 به صورت دوره ای شماره گذاری می شوند. طول هر دوره 27 2  میباشد. از آنجا که Master Slave   عمل ارسال و دریافت را به صورت یک در میان (alternative )  انجام می دهند از طرح تقسیم زمانی (TDD) استفاده می شود.

 Master باید ارسال را صرفاً در timeslot های زوج اغاز کند.  آغاز ارسال توسط slavw در timeslot های فرد صورت می گیرد . اغاز packet با آغاز slot به خط می شود.

 فرکانس جهش RF باید در طول زمان ارسال packet ثابت بماند. این فرکانس از مقدار فعلی کلاک Bluetooth به دست می آید. در مورد packet هایی که چند slot را در بر می گیرند فرکانس جهش را مقدار کلاک Bluetooth در اولین slot آن  packet تعیین می کند

 2 . 3 ) packets

 اطلاعات بر روی کانال piconet در غالب packet ها ارسال می شود. ابتدا قواعد زیر را جهت رعایت ترتیب بیتهای یک packet درنظر می گیریم.

 - بیت کم ارزش (LSB) با b0 مطابقت دارد.

- LBS اولین بیتی است که به هوا ارسال می شود

 - در شکلهای LBS در سمت چپ نشان داده می شود.

 فرمت عمومی یک packet در شکل شماره 5 نشان داده شده است.

 هر packet شامل سه قسمت می باشد. کد دسترسی payload Header ( Access Code) هر packet با یک Access Code شروع می شود. اگر Header به دنبال آن باشد 72 بیت خواهد بود، در غیر این صورت 68 بیت طول دارد. این کد دسترسی برای سنکرون کردن واحدها با یکدیگر، جبران DC offisect و شناسایی به کار می رود.

Code هر packet را که در کانال piconet تبادل می شود شناسایی می کند. بدین معنی که تمامی packet هایی که در یک piconet ارسال می شوند دارای Access Code واحدی می باشند در ضمن Access Code به منظور انجام روند فراخوانی ( paging) و در خواست (lnquiry) استفاده می شود. در این حالت کد دسترسی ، Header و payload را به دنبال ندارد. فرمت عمومی Access Code به صورت شکل شماره 6 است.

 Packet Header 54 بیت بوده و حاوی داطلاعات کنترل اتصال LC می باشد که به صورت فهرست وار عبارتند از :

 - AM – ADDR : 3 بیت آدرس غیر فعال

- Type : 4 بیت تعیین کننده نوع packet

 - Flow : 1 بیت به منظور Flow Control  

 - ARON : ا بیت تایید دریافت پیام (Acknowlesge)

 1 ) SEON : بیت شماره ترتیب packet ( این بیت با هر ارسال موفق یک packet تغییر می کند اگر دریافت، تایید نشد این بیت تغییر نکرده و باعث ارسال مجدد packet می شود.)

 - HEC : 8 بیت برای بررسی خطای Header