Bluetooth технические требования, практическая реализация

         

Экономичные режимы работы устройств Bluetooth


Точки доступа, основанные на технологии Bluetooth, дадут возможность новым по­колениям мобильных устройств передавать большие объемы голосовой информа­ции и данных. Как правило голосовые приложения Bluetooth работают от малога­баритных батарейных источников питания. В тоже время системы передачи дан­ных могут работать от сетевых источников. В первом случае экономичный режим работы наиболее актуален. Эффективным способом экономии мощности является уменьшение времени, в течение которого активен приемопередатчик Bluetooth. Технические требования Bluetooth Baseband предусматривают три основных спо­соба работы в экономичном режиме [27]:

1. Если у подчиненного устройства нет надобности участвовать в пикосети, но оно все еще должно быть синхронизировано, оно может быть переведено в режим «ПАРКОВКА» (Park). Этот режим подходит для подчиненных устройств, которые время от времени нуждаются в связи с мастером. Устройства, находящиеся в этом


режиме, могут запросить выход из режима Park у мастера, путем передачи перио­дического сигнала маяка (beacon), передаваемого мастером. Интервалы между сиг­налами маяками могут составлять несколько секунд.

2.     Режим «ВНИМАНИЕ» (Sniff) подходит для устройств, которым нужно свя­
зываться с мастером периодически с заранее заданной частотой. В этом режиме нет
гарантии того, что устройства будут обслужены при каждом периодическом требо­
вании. Режим Sniff позволяет экономить потребление батареи за счет уменьшения
трафика запросов. Sniff-интервалы могут продолжаться до нескольких секунд.

3.     Режим «ПАУЗА» (Hold) целесообразен в том случае, когда устройство может
иногда приостанавливать трафик вызова. Устройство может войти в режим Hold
на заранее определенный промежуток времени для обработки другой задачи, на­
пример для участия в работе другой пикосети, когда в течение определенного пери­
ода времени ничего не надо передавать, естественно экономя при этом энергию.


Кроме того, в случае если мастер общается с известными (обнаруженными ра­нее) устройствами, то при организации связи можно пропустить процедуру запро­са. Если при этом подчиненное устройство находится в режиме «ожидания вызо­ва» (Page Scan), то время ожидания вызова будет составлять всего несколько де­сятков млсек. Это особенно важно, если мастер-устройство работает от батареи, а подчиненное устройство, постоянно находящееся в режиме ожидания вызова, пи­тается от сети. В этом случае энергопотребление устройства будет снижено.

Для того чтобы выбрать правильный экономичный baseband-режим, проекти­ровщику аппаратуры необходимо учитывать пропускную способность, время отве­та (или время ожидания) и требования к потребляемой мощности каждого кон­кретного приложения. Чем дольше устройство остается бездействующим, тем большее энергосбережение. Одним из ограничивающих факторов, который опреде­ляет, как часто устройству нужно выходить на связь, является условие синхрони­зации часов между мастером и подчиненными устройствами, принимающими учас­тие в пикосети. Технические требования Bluetooth требуют, чтобы устройство, ра­ботающее в нормальном режиме в пределах пикосети (в этом режиме к нему можно обратиться в любое время) работало с часами, обеспечивающими стабильность 20 ррщ. Чтобы поддерживать синхронизацию пикосети, мастер должен обеспечивать сообщения о синхронизации по крайней мере каждые 225 млсек. Это определяет максимальный период между включениями в нормальном режиме.

Использование энергосберегающих режимов работы позволяет не только умень­шить потребляемую мощность устройств Bluetooth, но и увеличить надежность пи­косети путем уменьшения интерференции от других беспроводных устройств. Каждая пикосеть Bluetooth использует 79 частотных каналов. Конфликты между разными пикосетями или между пикосетями Bluetooth и другими беспроводными устройствами, работающими в одной области частот, будут уменьшены, за счет то­го, что устройства Bluetooth большую часть времени пассивны, т.е.


при использо­ вании энергосберегающих режимов. Таким образом, в этом случае экономятся два наиболее важных ресурса — полоса частот и энергия источника питания.

Дополнительную информацию о режимах работы устройств Bluetooth можно найти в таблице 2.1.17 раздела 2.

3.10. Электромагнитная совместимость сетей Bluetooth и других технологий

Сети Bluetooth и сети стандарта 802.1 lb работают в общей полосе частот, шириной 83.5МГЦ (2.41Гц - 2.4835ГГц).

Из-за того, что 802.11b и Bluetooth по разному используют частотный спектр, они могут создавать друг другу значительную интерференцию [28]. В 802.1 lb при­меняется технология расширения спектра с помощью прямой последовательности, а технология Bluetooth использует метод расширения спектра с помощью скачко­образной перестройки частоты.

Устройство 802.1 lb занимает в течение текущей передачи данных только четвер­тую часть отведенной полосы. После того как передача закончена, полоса свободна для других устройств в сети, а также для других пользователей. Другими словами, 802.1 lb использует канал на основе множественного доступа с временным разделе­нием. 802.11b определяет 11 доступных каналов с центральными частотами, разне­сенными на 5МГц. Эти каналы частично накладываются друг на друга (рис. 3.28).

Для избежания интерференции между расположенными рядом сетями 801.1 lb, отдельные локальные сети обычно работают на каналах 1, 6 и 11. Таким образом, три сети 802.11b, расположенные рядом, не будут перекрываться по частоте и не будут создавать друг другу интерференции [28].

В отличие от сетей стандарты 802.1 lb, частота канала Bluetooth не зафиксирова­на, т.к. используется скачкообразная перестройка частоты. Как говорилось ранее, устройства Bluetooth меняют частоту по закону псевдослучайной последователь­ности, используя 79 каналов, шириной 1 МГц каждый (рис.3.29). Таким образом, устройство Bluetooth занимает всю полосу, но в определенный момент времени -только малую ее часть. Скачкообразная перестройка частоты происходит 1600 раз в секунду.



Обычно устройства 802.11b либо включены в настольный или портативный ком­пьютер, либо работают как точки доступа к проводной базовой сети Ethernet и Web. Устройства 802.11b имеют уровни мощности передачи порядка 100 мВт. При этом уровне мощности 802.11b может поддерживать скорость передачи данных 11Мбит/сек на расстояния до 100 метров.

В отличие от 802.11b, Bluetooth является персональной сетью и предназначен для беспроводной связи на малых расстояниях.

Bluetooth поддерживает меньшую скорость передачи данных (1 Мбит/сек), уро­вень передаваемой мощности равен 1 мВт. В тоже время, у Bluetooth есть опция с увеличением мощности передачи до 100 мВт. Эта опция может использоваться в приложениях, где требуется дальность действия до 100 метров.

Эти типы устройств определены в радио спецификации Bluetooth как «устрой­ства класса 1».



Рис. 3.28. Распределение частотных каналов во времени для устройств стандарта 802.11b

Совместное использование спектра устройствами 802.1 lb и Bluetooth показыва­ет, что две технологии могут создавать друг другу помехи, в зависимости от их вза­имного расположения. Учитывая, что Bluetooth PAN занимают весь ISM диапазон, сигналы двух или более Bluetooth PAN, находящиеся в непосредственной близости друг от друга, будут иногда перекрываться, что может привести к потере пакетов данных.




РиС. 3.29. Распределение частотных каналов во времени для устройств Bluetooth


Для уменьшения возможных проблем с электромагнитной совместимостью при работе в ISM диапазоне, предлагается несколько алгоритмов адаптации [4, 29, 30].

управление мощностью передачи

Этот метод заключается в регулировке мощности передающих устройств, работаю­щих в ISM диапазоне. Например, если устройство Bluetooth может определить ми­нимальный уровень мощности, который необходим для передачи пакетов с прием­лемым для приема коэффициентом ошибочных битов (BER), то это позволит уменьшить мощность передатчика. Превышение этого минимального уровня мощ­ности только увеличивает вероятность создания помех другим устройствам, рабо­тающим в этой области, в том числе и устройствам Bluetooth, 802.1 lb и беспровод­ным телефонам.



Стандарт Bluetooth предусматривает низкий уровень чувствительности прием­ника (-70 дБм). Большинство производителей фактически достигают лучшего уровня чувствительности (-80 дБм). Наиболее чувствительные приемники позво­лят снизить уровень передаваемой мощности, не уменьшая требуемого отношения сигнал/шум. Это улучшит характеристики совместимости системы, т.к. устройства будут создавать друг другу меньше взаимных помех.

Адаптивный выбор типа пакета

Тип передаваемого пакета Bluetooth также может влиять на характеристики совме­стимости. Пакеты Bluetooth несут различную полезную информацию, в зависимос­ти от количества слотов, отведенных под пакет.

Уменьшение длины пакета, например, до однослотового, уменьшит уязвимость пакета при интерференции, а это увеличит вероятность правильного приема.

Исследования показали, что использование более коротких пакетов Bluetooth может увеличить пропускную способность при наличии интерференции. Однако, с уменьшением длины пакетов, возрастает их количество, соответственно, возраста­ют затраты на обработку заголовков и время простоя между скачками частоты, ко­торое требуется синтезатору для переключения прием/передача. При слишком большом количестве пакетов наступит момент, когда уменьшение типа пакета не улучшает пропускную способность.

Для достижения совместимости 802.11b и Bluetooth, специальными научными группами, такими как исследовательская группа IEEE 802.15.2 и Bluetooth SIG, выдвигается много предложений, рекомендаций и проектов.

Адаптивная перестройка частоты

Из-за неограниченного доступа к ISM диапазону, устройства Bluetooth подверга­ются высокому уровню интерференции от других приборов, работающих в этом же Диапазоне, таких как микроволновые печи, беспроводные телефоны и т.д. Кроме того, источниками интерференции могут быть беспроводные локальные сети, рабо­тающие по стандарту 802.1 lb. Для борьбы с замираниями и интерференцией в тех­нологии Bluetooth используется метод скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping — FH).


Как говорилось ранее, в этом методе псевдослучайным образом выбираются 79 доступных частотных каналов, шириной 1МГц. В снеци-

фикации Bluetooth 1.1 процесс выбора частоты происходит без учета помеховой обстановки. Адаптивная перестройка частоты (Adaptive Frequency Hopping — AFH) предполагает активное изменение алгоритма перестройки частоты с учетом анализа спектра, и таким образом, позволяет предотвращать интерференцию. Дан­ный метод будет предусмотрен в спецификации Bluetooth 1.2 как наиболее пер­спективный и простой для реализации.

На рис. 3.30 изображена схема работы устройства Bluetooth в ISM диапазоне.



Устройство Bluetooth меняет частоту 1600 раз в секунду, псевдослучайным об­разом выбирая для работы канал шириной 1 МГц. Выбор канала происходит неза­висимо от наличия других активных устройств, занимающих ISM диапазон. Если рассматривать работу устройства Bluetooth, то оно использует весь ISM диапазон, но в конкретный момент времени — лишь малую его часть. Это позволяет устрой­ству Bluetooth уменьшать эффект замирания, а так же интерференцию.

а со

Рис. 3.30. Использование спектра устройством Bluetooth. Расширение спектр скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)



Рис. 3.31. Работа беспроводной LAN 802.1 lb. Расширение спектра с помощью прямой последовательности


На рис. 3.31 представлена схема работы беспроводной локальной сети 802.1 lb. Очевидно, что сети, работа которых изображена на рис. 3.30 и рис. 3.31, будут ча­стично перекрывать частоты и мешать работе друг друга, если они работают в не-

посредственной близости друг от друга. Так как сети 802.1 lb работают на фиксиро­ванной частоте, а сети Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты, очевидно, что есть смысл реализовывать схемы исключения занятых частотных ка­налов именно в сетях Bluetooth.

Требуется найти метод определения интерференции, который использовался бы устройствами Bluetooth для: изменения алгоритма перестройки частоты для избе­жания интерференции; оповещения других членов пикосети об изменении после­довательности перестройки частоты; периодической переоценки состояния кана­лов.



Адаптивная перестройка частоты, это способ уменьшения интерференции. AFH для Bluetooth может быть определена четырьмя основными методами:

•     Классификация канала — метод определения источника интерференции путем
проверки КАЖДОГО канала.

•     Управление связью — координация и распределение AFH-данных членам пи­
косети Bluetooth (производится с помощью специальных LMP-команд).

•     Модификация последовательности перестройки частоты — исключение воз­
действия источника интерференции с помощью выборочного уменьшения количе­
ства каналов, по которым производится перестройка частоты.

•   Поддержка канала — метод периодической переоценки каналов.
Классификация канала включает обнаружение сети, создающей интерференцию.

Для этого существуют различные методы, такие как RSSI-измерения, оценка коли­чества ошибочных пакетов и др. У каждого метода есть свои преимущества и недо­статки. Например, RSSI позволяет устройству пассивно оценивать каждый канал и проводить оценку за один тайм-слот, длиной 625 миллисекунд. Методы, требую­щие доставки пакета, позволяют оценить возможность посылать пакеты по линии связи point-to-point, однако, эти методы могут быть слишком медленны, их работа зависит от типа передаваемого пакета.

При оценке качества канала, каждый канал классифицируется как «хороший» (т.е. свободный), или «плохой» (т.е. занятый). В этом случае в пикосети использу­ется управление связью для координации и распределения данных о состоянии ка­налов. Несмотря на то, что оценка качества канала может производиться каждым устройством в сети, мастер-устройство работает как главный «распределитель» по­следней информации о состоянии каналов. Мастер-устройство выполняет это, по­сылая специальные команды протокола управления связью (LMP) устройствам, определяя, какие частоты были добавлены или исключены из списка доступных каналов. Таким образом, для того, чтобы устройства в пикосети использовали AFH, необходимо, чтобы мастер-устройство использовало AFH.



Как только набор свободных для использования каналов определен, каждое уст­ройство получает соответствующие данные и должно изменить последователь­ность перестройки частоты, для того чтобы избежать использования занятых кана­лов. Эта модификация должна быть синхронизирована (по времени и частоте) Между всеми устройствами, которые входят в пикосеть.

Когда пикосеть Bluetooth использует меньшее количество частотных каналов необходимо периодически проводить классификацию каналов, управление связьт и модификацию последовательности перестройки частоты (т.е. поддержку канала) Этот процесс должен происходить достаточно регулярно для того, чтобы отслежи­вать изменения в состоянии каналов. В том случае, если мобильное устройство окажется в непосредственной близости с пикосетью Bluetooth (либо если устрой­ство увеличит излучаемую мощность), оно будет создавать интерференцию. Регу­лярная поддержка канала должна быть сбалансирована со «спящим» и «маломощ­ным» режимами работы различных устройств, для координирования и синхрони­зации AFH-данных.

Ниже рассмотрен пример иллюстрирующий ситуацию, в которой пикосеть Bluetooth работает в непосредственной близости с системой 802.lib. В этом случае определяется качество канала и эта информация распространяется между всеми устройствами в пикосети. Ширина полосы частот, занимаемая системой 802.lib, будет составлять 22 МГц. При этом, как показано на рис.3.32, устройства Bluetooth не будут использовать занятую полосу частот.



Рис. 3.32. Сосуществование Bluetooth и одной системы 802.11b с использованием AFH




Рис. 3.33. Блок-схема AFH-выбора частоты


На рис. 3.32 изображен случай, когда с помощью метода AFH удается избежать использования выбранных «плохих» каналов. На рисунке 3.33 представлено дере­во решений для AFH-модуля Bluetooth.

Такой метод улучшает обратную совместимость с устройствами, не использую­щими AFH, но работающими в этой же пикосети.

Использование адаптивной перестройки частоты в технологии Bluetooth помо­гает справиться с перегрузками ISM диапазона, в котором работает все большее ко­личество устройств.


Метод AFH специально направлен на уменьшение интерфе­ренции от устройств, работающих на фиксированных частотах, таких как 802.11b, микроволновых печей и т.д. Исключение использования занятого спектра позволя­ет Bluetooth достигать большей пропускной способности и улучшать качество ус-

.,vr(QoS).

Преимущества AFH распространяются не только на Bluetooth системы. Систе­ма, работающая на частотах, которые не использует AFH-система Bluetooth, так­же будет иметь большую пропускную способность (например, 802.11b), или луч­шее качество передаваемого голоса (например, беспроводной телефон). Это на­зывается «принципом добрососедства», когда устройство Bluetooth, которое мо­жет создавать интерференцию другим устройствам, не использует занятые час­тотные каналы.

Адаптивная перестройка частоты делает возможным сосуществование Bluetooth-систем с другими системами, также использующими ISM диапазон, по­тому что каждая система избегает использования занятой части спектра. Из-за то­го, что уменьшится число конфликтов, уменьшатся задержки (времена ожидания), т.к. сократится количество повторных передач. Уменьшение количества повторных передач повлечет за собой уменьшение излучаемой мощности.

По мере того, как количество источников интерференции в пространстве увели­чивается, из AFH-последовательности перестройки частоты исключается все боль­шее количество каналов. Без использования AFH, характеристики Bluetooth-сис­темы будут постепенно ухудшаться. Применение AFH-системы имеют целью иметь устойчивую связь до момента работы минимального числа каналов. Если Bluetooth-система, работающая на минимальном количестве каналов (15 в соответ­ствии с FCC, или 20 в соответствии с ETSI), продолжает испытывать интерферен­цию, пропускная способность и надежность начнут уменьшаться из-за того, что должны использоваться заведомо «плохие» частотные каналы.

Чем больше количество частотных каналов, которые использует AFH-система, тем больше эта система создает интерференции.


Минимальное количество кана­лов, которое должна использовать FHSS- система обычно определяется органами государственного регулирования, которые контролируют использование частот­ного спектра. Федеральная комиссия по связи установила минимальное количе­ство каналов, равное 75, а в 2002 году был создан документ «Замечание к предпо­лагаемым правилам использования» (Notice of Proposed Rule-Making — NPRM), предлагающий уменьшение минимального количества каналов до 15. Предложе­ние NPRM актуально и вероятно не встретит возражений. Европейский институт стандартов по телекоммуникациям уже разрешает FHSS-системам уменьшать ко-личество частотных каналов до 20. В использовании разумных методов избежа-

ния коллизий, таких как адаптивная перестройка частоты, заинтересованы не только распорядительные органы, но и производители, а также конечные пользо­ватели.

По понятным причинам, предпочтительнее, чтобы в пикосети Bluetooth работа­ли устройства, поддерживающие AFH. Это вполне достижимо, т.к. мастер-устрой­ство всегда может определить, какие устройства поддерживают AFH, а какие нет. Таким образом, мастер-устройство может работать как в обычном режиме, так и в AFH-режиме.

Возможность AFH улучшать работу устройств Bluetooth при наличии интерфе­ренции, делает этот метод привлекательным. Возможность метода AFH улучшать работу различных устройств очень важна для компаний или пользователей, кото­рые используют РАЗЛИЧНЫЕ беспроводные сети в непосредственной близости друг от друга. Увеличение надежности, уменьшение задержек и возможность сосу­ществования с другими сетями делает метод AFH очень привлекательным для ис­пользования в системах Bluetooth [30].



Содержание раздела