Tento článek je sedmým dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
Historie technologie Bluetooth se táhne téměř dvě desetiletí do minulosti. V roce 1994 se začala švédská společnost Ericsson zabývat myšlenkou, jak bezdrátově nahradit sériové kabelové propojení přes rozhraní RS-232 dvou mobilních telefonů nebo mobilního telefonu a stolního počítače.
Jako nejlepší řešení, se kterým přišli inženýři Ericssonu Sven Mattisson a Jaap Haartsen, se ukázalo použití bezlicenčního pásma 2,4 GHz. To umožnilo na rozdíl od staršího infračerveného rozhraní navázat spojení, i když mezi přístroji není přímá viditelnost.
Proč však Ericsson pojmenoval novou bezdrátovou technologii zrovna Bluetooth (česky Modrozub)? Má to svou analogii, ale za tou musíme skutečně hluboko do historie. Slovo "Bluetooth" je poangličtělou verzí skandinávského "Blåtand", což bylo přízvisko Haralda I. (cca 911 – cca 986), který vládl jako dánský král v letech 958 - 986 a jako norský král v letech 974 - 986. Proč měl zrovna toto přízvisko, se zcela přesně neví. Podle romantické verze měl zuby zbarvené do modra od pojídání borůvek nebo je také mohl mít tak zkažené. Jisté však je, že to byl velice významný panovník, který sjednotil skandinávské kmeny a přinesl do Skandinávie křesťanství.
Tak jako král Harald využil diplomatické schopnosti, aby přesvědčil válčící kmeny ukončit rozepře a začít jednat, měla nová technologie podle přispět ke sjednocení bezdrátové komunikace mezi různými zařízeními. Logo Bluetooth pak vzniklo spojením dvou vikingských run, které tvoří Haraldovi iniciály.
V květnu 1998 zakládá pětice firem (Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba) zastřešující sdružení Bluetooth Special Interest Group (zkráceně SIG), které si klade za cíl vytvoření univerzálního standardu pro Bezdrátové osobní sítě (angl. Wireless Personal Area Networks - WPAN), tedy sítě spojující jednotlivá zařízení v relativně malé oblasti. K pětici zakladatelů se brzy přidávají další velcí hráči - 3Com, Lucent, Microsoft a Motorola a v červenci roku 1999 SIG zveřejnila pod označením 1.0a první specifikace nového standardu. V současnosti je členy této organizace již více než 16000 firem.
Dnes jsou možnosti využití technologie Bluetooth velice široké a setkat se s ní můžeme všude kolem nás. Zdaleka se neomezují pouze na propojení dvou mobilních telefonů nebo na připojení mobilního telefonu k dalšímu příslušenství jako jsou například bezdrátové klávesnice nebo headsety. Hojně se používá v počítačových periferiích, jako jsou bezdrátové myši či klávesnice, ale objevují se i například v digitálních fotoaparátech nebo fitness zařízeních.
V automobilismu si Bluetooth našlo cestu například do senzorů tlaku v pneumatikách, dálkovém otevírání dveří, ale setkáme se s ním v podobě nejrůznějších ovladačů, senzorů a spínačů i ve svých domácnostech. Ve zdravotnictví se pak používá pro různé senzory např. měřič krevního tlaku nebo programovatelné vydávače léků. Z tohoto pohledu se může zdát, že se původní ideu Bluetooth podařilo naplnit.
Jak funguje Bluetooth?
Pokud bychom měli definovat Bluetooth jednou větou, tak můžeme říci, jak jsem již uvedl výše, že se jedná o bezdrátovou radiovou komunikaci krátkého dosahu. Mezi jeho základní vlastnosti patří miniaturní velikost, nízká cena, robustní spojení, krátký dosah (standardně 10 metrů), malá náročnost na energii a automatická konfigurace.
Pro svůj provoz využívá Bluetooth stejně jako Wi-Fi výše zmiňované ISM (Industrial Scientific Medicine) pásmo 2,4 GHz na frekvencích 2,4 – 2,483 GHz. Tento rozsah je rozdělen na 79 pásem po 1 MHz (kromě nejvyššího a nejnižšího), které se nazývají kanály. Toto pásmo je ve většině států definováno jako bezlicenční tedy s generální licencí, ale například ve Francii je jeho frekvenční rozsah zúžený a Bluetooth zde využívá pouze 29 kanálů.
Tip: Bluetooth - dokáže více než myslíte!
Při spojení je používána metoda FHSS (frequency hopping spread spectrum), která při přenosu využívá rozprostřené spektrum a pracuje na principu přeskakování mezi několika frekvencemi při přenosu bitu nebo bitů. V tomto případě dochází během 1 sekundy k 1600 přeladěním mezi kanály, což zaručuje nejen vyšší bezpečnost přenosu, ale také vyšší odolnost vůči případnému rušení na stejné frekvenci.
Podle maximálního výstupního výkonu definuje specifikace 3 třídy zařízení, které umožňují komunikaci v dosahu 10 až 100 metrů. Tyto vzdálenosti nicméně platí pouze ve volném prostoru. Pokud jsou mezi komunikujícími zařízeními překážky (např. zdi), tak dosah spojení klesá. Většinou však přitom nedochází ke skokové ztrátě spojení, ale postupně roste počet chybně přenesených paketů. Všechny tři třídy jsou nicméně mezi sebou kompatibilní a liší se skutečně pouze vstupním výkonem a dosahem.
| Třída | Maximální výstupní výkon | Dosah |
|---|---|---|
| I. | 10 mW (20 dBm) | cca 100 metrů |
| II. | 2,5 mW (4 dBm) | cca 50 metrů |
| III. (standardní specifikace) | 1 mW (0 dBm) | cca 10 metrů |
Bluetooth dovoluje přenos současně až tří synchronních zvukových kanálů každý s rychlostí 64 kb/s, asynchronního datového kanálu, který nabízí maximální rychlost 433,9 kb/s v symetrickém přenosu nebo až 723,2 kb/s v asymetrickém přenosu (současně 56,7 kb/s v opačném směru), a současně přenos asynchronního datového kanálu a synchronního zvukového kanálu.
Komunikace přes Bluetooth přitom není možná pouze mezi dvěma zařízeními (point-to-point), ale funguje i jako spojení více zařízení spojených do ad-hoc sítě (point-to-multipoint), kde je přenosový kanál sdílen mezi těmito jednotkami. V této sítí, která se nazývá piconet, je jedno nadřazené zařízení (master), které řídí komunikační kanál pro podřízené jednotky (slave). V rámci piconetu může být až sedm aktivních podřízených zařízení a další zůstávají v pohotovostním režimu (parked state). Všechna podřízená zařízení v piconetu se synchronizují s taktem řídící stanice master a se způsobem přeskakování mezi kmitočty.
Podřízené jednotky mohou figurovat i ve více sítích současně. Stejně tak řídící jednotka v jedné síti může být podřízenou v jiné síti. Takto překrývající sítě piconet pak tvoří scatternet neboli rozprostřenou síť. Specifikace přitom umožňují použít až simultánně až 10 sítí piconet.
Technické řešení Bluetooth
Technologie Bluetooth se skládá ze dvou částí – hardwarové a softwarové. Co se týče hardwaru, tak Bluetooth byl záměrně navržen, co nejjednodušeji s minimem analogových vysokofrekvenčních součástek a bez rozměrných a drahých komponent, aby bylo dosaženo, co nejnižší ceny a tím bylo podpořeno jeho rozšiřování. V podstatě se skládá ze tří základních komponent: Bluetooth radio, který funguje jako vysílač i přijímač, Bluetooth Link Controller, který řídí navázání spojení a komunikaci, identifikaci a přístup. Třetí součástkou pak je Bluetooth Link Manager, který připravuje data a zaručuje komunikaci mezi zařízeními vybavenými Bluetooth modulem.
K tomu, aby však zařízení mezi sebou skutečně navázala spojení je neméně důležitá softwarová část. Zde jsou důležité tzv. profily, která zajišťují vzájemnou kompatibilitu zařízení s Bluetooth. Představují soubor instrukcí, které umožní vzájemnou komunikaci zařízení vybavených "Modrým zubem". Platí přitom, že obě zařízení musí podporovat stejný profil. Je to logické. Například je nesmysl, aby headset komunikoval s tiskárnou, přestože obě zařízení jsou vybavena Bluetooth modulem. Těchto profilů je přitom celá řada.
Základních profilů, z nichž řada je povinných, je 13 a byly definovány ve verzi 1.1. Podívejme se nyní, které to jsou:
- Cordless Telephony Profile (CTP) - profil určený pro bezdrátové telefony
- Dial-up Networking Profile (DUN) - jeden z nejběžněji používaných profilů umožňuje připojení zařízení jako je notebook nebo tablet prostřednictvím mobilního telefonu k internetu.
- Fax Profile (FAX) - tento profil je určen pro dobře definované rozhraní mezi mobilním telefonem nebo pevnou linkou a PC s nainstalovaným faxovým softwarem.
- File Transfer Profile (FTP) - profil, který přes Bluetooth poskytuje přístup ke složkám a souborům v jiném zařízení.
- Generic Access Profile (GAP) - poskytuje základ pro všechny ostatní profily. Definuje, jakým způsobe se dvě zařízení s Bluetooth objeví a naváží spolu spojení.
- Generic Object Exchange Profile (GOEP) - definuje řadu protokolů a procedur pro přenos dat mezi dvěma Bluetooth zařízeními přes OBEX standard. Je základem pro další profily jako FTP nebo SYNCH.
- Headset Profile (HSP) - nejpoužívanější běžný profil, který poskytuje podporu pro populární bluetooth sluchátka s mikrofonem.
- Intercom Profile (ICP) - také se často označuje jako walkie-talkie profil. Umožňuje, aby dva telefony fungovaly jako vysílačky a přímo mezi sebou přenášely hlas. Je spojený s protokolem CTP.
- LAN Access Profile (LAP) - umožňuje zařízení s Bluetooth přístup k sítím LAN, WAN nebo Internetu přes jiné zařízení, které má fyzické připojení k síti.
- Object Push Profile (OPP) - základní profil, který používá profil GOEP pro přenášení drobných "objektů", jakými jsou například obrázky, virtuální vizitky nebo podrobnosti o událostech.
- Serial Port Profile (SPP) - definuje nastavení virtuálních sériových portů pomocí Bluetooth. Představuje, tak bezdrátovou náhradu klasického sériového propojení s rychlostí do 128kb/s.
- Service Discovery Application Profile (SDAP) - zjišťuje, jaké služby jsou k dispozici na zařízení s Bluetooth, ke kterému se chcete připojit.
- Synchronization Profile (SYNCH) - profil, který používá GOEP k synchronizaci kalendáře a kontakty mezi dvěma Bluetooth zařízeními.
Tento počet profilů nicméně není a nikdy nebyl konečný a postupně vznikla celá řada dalších profilů, které rozšířili možnosti použití Bluetooth. Navíc si výrobci mohou vytvářet další specifické profily pro jednotlivá řešení, než je přijat nový standardní profil. Z dalších hojně používaných profilů, alespoň zmíním:
- Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) - slouží k bezdrátovému přenosu hudby ve stereo kvalitě.
- Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) - využijete ho například u bezdrátových sluchátek, která umožňují ovládat přehrávání hudby či videa na připojeném zařízení.
- Basic Imaging Profile (BIP) - jsou jím vybavené některé dražší digitální fotoaparáty a kamery. Umožňuje práci například tisk fotografií nebo automatické zálohování.
- Basic Printing Profile (BPP) - profil pro vzdálenou komunikaci s tiskárnou
- Hands-Free Profile (HFP) - profil používaný v handsfree sadách. Je rozšíření Headset Profilu, proti kterému nabízí více možností při vzdáleném ovládání telefonu. Kromě příjmu a odmítnutí hovoru můžete například vytočit posledně volané číslo, aktivovat hlasového vytáčení, regulovat hlasitost a další.
- Health Device Profile (HDP) - profil, který používají lékařské přístroje pro odesílání a příjem dat.
- Human Interface Device Profile (HID) - profil sloužící k připojení počítačových periferií jako jsou například klávesnice, myši nebo herní ovladače.
- SIM Access Profile (SAP) - profil, který se stejně jako Hands-Free Profile používá v automobilech. Tyto automobilové handsfree obsahují vlastní GSM jednotku, ale nemají SIM kartu. Přes tento profil si načtou všechny informace o ní z připojeného telefonu.
- Video Distribution Profile (VDP) - profil, který umožňuje přenos videa v reálném čase.
Bezpečnost nadevše
Nesmíme přitom opomenout ani otázku bezpečnosti. K tomu se v Bluetooth používá celá řada mechanismu. Základem spojení mezi zařízeními párování, které se může lišit ve způsobech autentizace a šifrování.
Pokud se rozhodneme spárovat nějaké zařízení, tak ve svém zařízení spustíme vyhledávání, kdy se nám ukáží všechna blízká aktivní zařízení v režimu viditelnosti. Každé Bluetooth zařízení v režimu viditelnosti na vyžádání předá informace zahrnující název zařízení, třída zařízení, seznam služeb a technické informace, jako jsou např.: funkce zařízení, výrobce, použitá Bluetooth specifikace. Každé zařízení má unikátní 48bitovou adresu. Touto adresou nejsou míněny názvy, které jsou zobrazovány a které si uživatel může nastavit sám.
Posléze uživatel, který vyžaduje spojení, vyšle žádost o párování. Následně oba uživatelé musí zadat společný tajný klíč, a spojení je navázáno. Pro další připojení již známých dříve připojených zařízení je přitom možné nastavit automatickou autorizaci, takže v budoucnu již není klíč vyžadován. Tyto klíče však mohou být z obou zařízení kdykoli vymazány, čímž se odstraní propojení mezi oběma zařízeními.
Autentizací se předejde k nežádoucímu přístupu k datům například při připojení počítače k mobilnímu telefonu. Šifrování ochrání vaše data před odposloucháváním a zabrání tak, aby se dostala do nepovolaných rukou.
Jednotlivé verze Bluetooth
Tak ve všech oblastech i u Bluetooth dochází k neustálému vývoji standardů, opravování nalezených chyb a doplňování nových funkcí. Od roku 1998, kdy byla ustanovena organizace SIG, jsme se dočkali Bluetooth již ve verzi 4.0.
Bluetooth v1.0a a v1.0b
Specifikace Bluetooth byla dokončena v červenci roku 1999 a nesla označení 1.0a. Ještě téhož roku v prosinci se pak objevila verze 1.0b. V této době byla tato technologie ještě v plenkách a trpěla celou řadou dětských nemocí a výrobci měli problém docílit toho, aby jejich zařízení spolu komunikovala. V obou těchto verzích byly povinné hardwarové adresy Bluetooth zařízení (BD_ADDR), protože anonymita zařízení byla hlavní překážkou pro využití některých služeb, které byly plánované pro použití v Bluetooth.
Všechny tyto problémy a nepřesnosti byly důvodem, proč tyto první verze Bluetooth nebyly příliš komerčně úspěšné. Přesto se v této době již objevují první mobilní telefony s Bluetooth. Vzhledem k původu technologie je pochopitelné, že prvním výrobcem mobilních telefonů, který Bluetooth použil, byl právě švédský Ericsson.Prvním mobilním telefon s touto technologií měl být Ericsson T-36, který byl představen v první polovině roku 2000. Na konci roku 2000 se však firma rozhodla, že jej vůbec neuvede na trh a místo toho se soustředí na Ericsson R520m. Ten se na trhu objevil v první polovině roku 2001 a stal se tak prvním komerčně prodávaným mobilním telefonem s Bluetooth. Ve stejném roce přišel na trh menší model s aktivním flipem Ericsson T39m, který nahradil zrušený T36. Všechny tři modely byly vybaveny Bluetooth ve verzi 1.0b. Pamatujete na ně nebo jste je dokonce vlastnili?
Bluetooth v1.1 a v1.2
V roce 2002 byl schválen Bluetooth v1.1 jako IEEE Standard 802.15.1. Je smyslem bylo především odstranit chyby nalezené u verze 1.0b. Kromě toho implementuje sítě piconet, přidává podporu pro nešifrované kanály a indikátor sílu signálu. Tato verze v zásadě představuje první použitelný základ pro koncová zařízení.
V roce 2003 následuje verze Bluetooth v1.2. Přestože zaručovala plnou zpětnou kompatibilitu s v1.1, jednalo se o zcela přepracovanou specifikaci. Mezi hlavní vylepšení patří rychlejší vyhledání zařízení a připojení. Zvýšila se i přenosová rychlost až na 721 kbit/s. Díky použití technologie přeskakování frekvencí (AFH) se zlepšila odolnost vůči rádiovému rušení a zamezilo se používání přeplněných frekvencí. Dalšími novinkami pak jsou rozšířená synchronní připojení (ESCO), která zlepšují kvalitu hlasu, standardizované rozhraní mezi hostitelem a řadičem (HCI) nebo podpora pro třídrátové USART rozhraní.
Bluetooth v2.0 a v2.1 + EDR
V roce 2005 byla přijata specifikace v2.0, která je plně kompatibilní s předcházejícími verzemi, ale jako první podporuje technologii EDR (Enhanced Data Rate). Ta umožnila ztrojnásobení přenosové rychlosti až na 2,2 Mbit/s. Kromě toho nabízí nižší spotřebu a umožňuje současnou komunikaci s více zařízeními.
O dva roky později, 26. července 2007, je sdružením SIG schválena specifikace vylepšené v2.1. Hlavní novinkou je bezpečné jednoduché párování (SSP), které zlepšuje spárování zařízení a zároveň zvyšuje bezpečnost přenosu. Mezi další vylepšení, pak patří např. rozšířené informace EIR, která poskytuje více informací v průběhu vyhledávání, další snížení energetické náročnosti nebo podporu technologie NFC.
Bluetooth v3.0 + HS
Rychlost 2,1 Mbit/s, kterou předchozí verze Bluetooth nabízí je dostatečná pro přenos menších objemů dat, ale při přenosu videí, jejichž velikost se může pohybovat v řádech gigabajtů, se již ukazují její slabiny a sáhneme proto po jiných způsobech přenosu například přes Wi-Fi. Z toho důvodu byla vyvinutá nová verze Bluetooth v3.0 + HS, která byla přijata 21. dubna 2009.
S touto verzí dochází k radikálnímu navýšení rychlosti, která nově může dosahovat až 24 Mbit/s, což přináší nové možnosti při přenosu multimediálních dat, které je tak možno přenášet bezdrátově například mezi telefon, přehrávačem, televizorem nebo počítačem.
Tak vysoké rychlosti by samotné Bluetooth nebylo schopné a fígl spočívá v tom, že je použito k navázání spojení a přenosu malého objemu dat v tzv. základním režimu BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate). Jakmile však potřebujete přenést velký objem dat, tak je zapojen rozšířený režim AMP (Alternate MAC/PHY), kdy vysokorychlostní přenos dat je již probíhá přes Wi-Fi. Tento přenos přitom probíhá pouze po nezbytně nutnou dobu. Další novinkou je i systém inteligentního řízení Enhance Power Control, který má zabránit výpadkům spojení.
Bluetooth v4.0
Zatím poslední verze Bluetooth v4.0 byla schválena 30. června 2010. Obsahuje v sobě hned tři protokoly – Classic Bluetooth, které se skládá z protokolů starších verzí Bluetooth, Bluetooth high speed, založené na Wi-Fi, a Bluetooth low energy (BLE), které není zpětně kompatibilní se staršími verzemi. Umožňuje však díky výrazně nižší spotřebě některým specifickým zařízením v oblasti zdravotnictví, zdraví, bezpečnosti a domácí zábavy pracovat a vysílat přes Bluetooth několik měsíců i rok bez dobíjení. Bluetooth LE původně vyvinula společnost Nokia a představila ho v roce 2006 pod názvem Wibree. V roce 2010, kdy byla přijata specifikace jádra Bluetooth v4.0, však bylo přidáno do hlavního standardu. Další významnou novinkou ve verzi 4.0 je i podpora 128 bitového šifrování.
Tip: Bluetooth 4.0 se bude nově jmenovat Bluetooth Smart Ready
Na konci října 2011 rozhodla SIG o přejmenování standardu a jeho rozdělení do tří skupin - klasický Bluetooth, Bluetooth Smart Ready a Bluetooth Smart. Nejvyšší třídu představuje Bluetooth Smart Ready, protože dokáže komunikovat se všemi ostatními typy Bluetooth. Tento druh Bluetooth použila například společnost Apple v iPhone 4S a nových verzích svých počítačů Mac mini a MacBook Air. Naopak nejjednodušší je Bluetooth Smart, které využívají různé typy senzorových zařízení, jako měřiče srdečního tepu nebo krokoměry. Ty se dokáží připojit pouze k zařízením Bluetooth Smart Ready, ale již ne ke klasickému Bluetooth.
