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
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-
На рис. 3.30 изображена схема работы устройства Bluetooth в ISM диапазоне.
 |
|
а со |
 |
|
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.
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].
