Bluetooth 3.0 + High Speed (HS), czyli trzecia generacja popularnej technologii, pozwala na bezprzewodową transmisję danych z szybkością 24 Mb/s, a taka przyda się przy korzystaniu z nowych usług, takich jak: synchronizacja list odtwarzania między PC a odtwarzaczami MP3, kopiowanie zdjęć cyfrowych, transmisje wideo. Mały pobór energii oraz zwiększona wydajność - to główne zalety wersji 3.0.

Wraz z jej pojawieniem się nasuwają się też pytania. Co takiego oferuje Bluetooth 3.0, czego nie ma sprawdzone Wi-Fi? Na ile bezpieczne są połączenia w tej technologii? I wreszcie: dlaczego powiązano te technologie, zamiast użyć jednej (Wi-Fi), zapewniającej szybkie transmisje?

W kwietniu br. BSIG (Bluetooth Special Interest Group), organizacja zajmująca się standardem Bluetooth, opublikowała ostateczną i oficjalną wersję specyfikacji Bluetooth trzeciej generacji. Zwiększona przepustowość to główna zaleta nowej technologii.

Architektura Bluetooth 3.0 - kombinacje Bluetooth host/kontroler Szybkość transmisji na poziomie 24 Mb/s przydatna będzie przy korzystaniu z nowych usług, w tym m.in.: synchronizacji list odtwarzania między PC a odtwarzaczami MP3, kopiowaniu zdjęć z aparatów cyfrowych na komputery PC czy transmisji wideo, a także przy użyciu sieci PAN, obsługujących komunikację bezpośrednią. Przykładowe aplikacje to realizacja płatności na drogach publicznych czy informacje nawigacyjne. Każdy profil Bluetooth będzie mógł korzystać ze zwiększonej przepustowości w dowolnym momencie.

Dlaczego 802.11 w warstwie transportowej?

Wraz z najnowszą wersją Bluetooth pojawiły się wątpliwości. Co Bluetooth 3.0 - będąca kombinacją protokołów bezprzewodowej komunikacji Bluetooth z właściwościami transportowymi protokołu 802.11 - oferuje dodatkowo, a czego nie ma powszechnie używane Wi-Fi? Na ile bezpieczne są połączenia przy użyciu wersji 3.0, zakładając, że Wi-Fi uruchomione w trybie "ad hoc" nie zapewniało odpowiedniej prywatności?

I nasuwa się jeszcze dodatkowe pytanie. Dlaczego powiązano te technologie, zamiast użyć jednej, zapewniającej szybkie transmisje (Wi-Fi)? Jednym z powodów jest prawie 40 typów aplikacji (profili) realizowanych w połączeniach bezpośrednich Bluetooth. Są one obecnie wykorzystywane przez wiele certyfikowanych produktów.

Topologie sieci Bluetooth Grupa BSIG zajmuje się standaryzacją aplikacji, takich jak transfer plików, dystrybucja audio, drukowanie, synchronizacja. Prace grupy roboczej IEEE 802.11 oraz organizacji Wi-Fi Alliance nie uwzględniają standaryzacji tego typu aplikacji. BSIG stanowczo zrezygnowała ze zmiany warstwy aplikacji. Gdy porównamy technologie Wi-Fi i Bluetooth w trybie połączeń bezpośrednich, tu także uwidacznia się wyższość Bluetooth nad technologiami Wi-Fi w zakresie bezpieczeństwa.

Na decyzję o wykorzystaniu Wi-Fi tylko jako warstwy transportowej dla Bluetooth wpłynęły więc dwa czynniki: dopracowane elementy bezpieczeństwa w Bluetooth oraz konieczność zachowania znanej warstwy aplikacji. Wykorzystanie standardu 802.11 znacznie uprościło i przyspieszyło realizację warstwy transportowej.

Jak Bluetooth osiągnie szybkości Wi-Fi?

BSIG poszukiwała technologii umożliwiającej uzyskanie 5 do 10 razy większej wydajności niż dotychczasowe możliwości Bluetooth. Oczekiwano rozwiązania, które będzie możliwie szybko dostępne dla klienta, a jednocześnie sprawdzone przez przemysł. Nowy kod pozwoli aplikacjom Bluetooth pracować za pomocą połączenia bezprzewodowego 802.11 w paśmie 2,4 GHz oraz 5 GHz, z przepustowością w granicach od 20 do 24 Mb/s.

Bluetooth 3.0 - koegzystencja z sieciami 802.11 BSIG opracowała innowacyjną metodę, która pozwala wykorzystać obecnie stosowane protokoły, profile, elementy bezpieczeństwa Bluetooth oraz połączyć całość z odpowiednią szybkością transmisji. W rzeczywistości nowa technologia przesyła standardową warstwę Bluetooth przez klasyczną sieć bezprzewodową. Stworzono kompletny zestaw protokołów realizujących zadania odkrywania urządzeń i negocjacji połączeń.

Architektura urządzeń Bluetooth do czasu ogłoszenia specyfikacji 3.0 + HS składała się z dwóch części: Bluetooth Host i Bluetooth Controller. W wersji 3.0 rozbudowano architekturę o trzecią część, nazwaną AMP Controller, a także zmieniono nazwę Bluetooth Controller na Basic Rate/Enhanced Data Rate Controller. Specyfikację 3.0 zrealizowano na podstawie warstwy AMP (Generic Alternate MAC/PHY), która pozwala połączyć profile Bluetooth z elementami standardu 802.11. Kluczową zaletą architektury AMP jest identyczny sposób odkrywania, powiązywania oraz ustanawiania początkowej konfiguracji, jak w przypadku standardu Bluetooth 2.1. Zestawienie podobieństw i różnic obu generacji systemów przedstawiono w tabeli.

Funkcjonalność AMP wykorzystuje właściwości układów radiowych standardu 802.11 za pośrednictwem warstwy 802.11 PAL (Protocol Adaption Layer). Warstwa PAL odwzorowuje potrzeby warstw Bluetooth na funkcjonalności zawarte w warstwach 802.11 - kontroli dostępu do medium (MAC) oraz fizycznej (PHY).



Jak działa serce technologii? AMP oraz 802.11 PAL

802.11 PAL tłumaczy zmienne z domeny Bluetooth na zmienne domeny 802.11. Jak jest to realizowane? Proces polega na usuwaniu części nagłówka stosu Bluetooth i zamiany na nagłówek 802.11. Następnie tak skonstruowana ramka jest wysyłana dalej przez warstwę MAC standardu 802.11. W momencie odbioru pakietu Bluetooth wysłanego przez 802.11 operacja jest odwracana.

Warto zaznaczyć, że w tym przypadku stos Bluetooth pozostanie niezmieniony. W procesie realizacji projektu było to bardzo ważne. Profile w stosie Bluetooth są w rzeczywistości aplikacjami. Grupa BSIG jednoznacznie określiła, że żadna z nich nie może zostać zmieniona, w celu wsparcia alternatywnej warstwy MAC/PHY (802.11 AMP). Zamierzano uniknąć testów wszystkich profili ponownie.

Bluetooth jako stos zachowuje się trochę inaczej niż stos protokołów IP. Przykładowo, weźmy pod uwagę transmisję "best effort". W protokole IP tryb "best effort" oznacza, że transmisja nie będzie wymagała realizacji zaawansowanej kontroli jakości pakietów. W Bluetooth zaś "best effort" świadczy o tym, że nie uzyskujemy zaawansowanej priorytetowej usługi, tylko standardowy użyteczny kanał. Innym przykładem różnicy jest sposób, w jaki Bluetooth definiuje poszczególne kanały ruchu, np. dla strumieni audio. Bluetooth będzie wysyłał strumienie pakietów i ponawiał transmisję, jeżeli zostaną one odrzucone, a po określonym czasie przestanie je wysyłać. Standard 802.11 także będzie retransmitował dane, ale nie będzie wykorzystywał pomiaru czasu, tylko konfigurowalną liczbę powtórzeń.

Etapy fizycznego zestawiania połączenia Bluetoot Nowe kroki translacyjne nie powodują strat w wydajności, ponieważ nie ma potrzeby realizacji kolejkowania w warstwie adaptacyjnej, co najczęściej przynosiło straty w wydajności stosu sieciowego. Stos 802.11 akceptuje pakiety między 20 a 25 Mb/s - to jest ponad 10 razy szybciej niż klasyczny Bluetooth. Pozostaje pytanie, jak nowa technologia będzie się zachowywała w odwrotnym kierunku, gdy stos Bluetooth odbierze pakiety na poziomie 20-25 Mb/s ze stosu 802.11?

Część technologii Bluetooth, odpowiadającej za te procesy, nie jest ustandaryzowana. Jeżeli producenci sprzętu nie wprowadzą odpowiednich mechanizmów w swoich wdrożeniach Bluetooth 3.0, mogą wystąpić problemy z wydajnością. Aby dostosować się do nowej specyfikacji, musi nastąpić zmiana w omawianej warstwie stosu, dodająca zasoby na kolejkowanie.

Nowe urządzenia powinny wykorzystywać klasyczne radio Bluetooth do standardowych połączeń oraz radio 802.11, w celu uzyskania większej szybkości transmisji danych. Powiązanie dwóch teoretycznie niezależnych technologii rozwiązuje problemy kompatybilności klasycznego połączenia Bluetooth. Gdy wymagana przez aplikację przepustowość jest niewielka, urządzenie wraca do normalnej pracy z optymalnym zarządzaniem energią i wydajnością.

Szybkość wersji 3.0 to prawdopodobnie największa zaleta technologii. Bluetooth 3.0 ma także inny atut - funkcjonalność EPC (Enhance Power Control), która ogranicza problemy z rozłączeniami w momencie przemieszczania się urządzeń. Warstwa AMP w wersji Bluetooth 3.0 + HS pozwala na wykrywanie połączenia wymagającego większej szybkości transmisji i uruchamia radio tylko wtedy, gdy zachodzi potrzeba transmisji danych. Zapewnia to najlepsze wykorzystanie energii, a także wzmacnia bezpieczeństwo radiowe.

Istotną częścią specyfikacji jest wsparcie funkcji zarządzania jakością pakietów. Warstwa 802.11 AMP implementuje QoS za pomocą EDCA (Enhanced Distributed Chanel Access), który jest mechanizmem znanym ze standardu IEEE 802.11e. Wykorzystanie tego mechanizmu jest jednak opcjonalne. Jego dostępność jest rozgłaszana w fazie wyszukiwania AMP. Jeżeli oba końce połączenia będą rozgłaszały gwarantowany typ usługi, zostanie utworzone logiczne połączenie o gwarantowanej usłudze. Gdy wykorzystamy tę funkcjonalność, urządzenia rozgłaszają zestaw parametrów EDCA i oczekują na odpowiedź. Dodatkowo, w zapytaniu o możliwość połączenia jest zamieszczany element oznaczający zdolność do realizacji QoS.

Z poziomu użytkownika nie będzie widoczna zmiana w obsłudze technologii. Użytkownik będzie musiał przejść przez ten sam proces obsługi technologii Bluetooth co do tej pory, ale będzie on realizowany po prostu szybciej.

Bluetooth 3.0 zdobywa rynek

Nowy standard integruje technologie, które odniosły największy sukces rynkowy: Bluetooth oraz 802.11. Taki mariaż pozwoli Bluetooth 3.0 na przenoszenie większej ilości danych w postaci plików muzycznych, wideo czy zdjęć z szybkością podobną do tych uzyskiwanych w sieciach Wi-Fi. Do tej pory właśnie mała szybkość transmisji danych blokowała szersze zastosowania Bluetooth na rynku elektroniki domowej. Prognozy ekonomiczne wyglądają obiecująco. Według analiz In-Stat, zysk ze sprzedaży półprzewodników Bluetooth osiągnie poziom 4 mld USD w 2013 r.

Formalne przyjęcie nowej specyfikacji przez BSIG jest tyko pierwszym krokiem do wprowadzenia nowego standardu na rynek. W najbliższym czasie można spodziewać się pojawienia się układów spełniających wymagania Bluetooth 3.0, oferowanych przez firmy współpracujące z BSIG: Atheros, Radcom, CSR, Marvell. Urządzenia dla końcowego użytkownika powinny pojawić się w I kwartale 2010 r.

O nadziejach związanych z Bluetooth trzeciej generacji najlepiej świadczy raport analityków firmy Gartner, dotyczący przyszłości urządzeń mobilnych. Połączenia bezprzewodowe Bluetooth, uwzględniające nową specyfikację, pojawiły się na szczycie listy najważniejszych, najnowszych technologii mobilnych.

Kamil Folga

Networld.pl