Co to jest Bluetooth i jak działa?

Bluetooth zrewolucjonizował nasze życie. Ten standard sprawił, że wymiana plików między telefonami albo przesyłanie zdjęć na drukarkę lub muzyki do słuchawek stało się niezwykle proste. Jak działa, jakie ma odmiany i do czego się przydają? Sprawdźmy to!

Czym jest Bluetooth?

To standard cyfrowej komunikacji bezprzewodowej między urządzeniami, które znajdują się w bliskiej odległości od siebie. Wymiana danych zachodzi drogą radiową, więc nie jest potrzebna bezpośrednia widoczność urządzeń - w przeciwieństwie do np. archaicznego dzisiaj standardu IrDA, który tego wymagał.

Tym, co wyróżnia ten standard spośród innych, na przykład WiFi, jest krótki zasięg transmisji oraz szybkie i samoczynne nawiązywanie połączenia oraz jego zrywanie. Mogłoby się wydawać, że obszar działania w promieniu zaledwie kilku metrów będzie wadą, lecz nic podobnego! Po pierwsze, mały zasięg oznacza małą moc, czyli niskie zużycie energii z baterii czy akumulatorów. Zatem urządzenia mogą działać długo, nawet przez wiele miesięcy bez konieczności obsługi.

Po drugie, ciężko jest taką transmisję podsłuchać przez kogoś niepowołanego, ponieważ musiałby się znaleźć blisko. Co nie zmienia faktu, że przesył danych w tym standardzie i tak jest odpowiednio zabezpieczony.

Geneza nazwy

Nazwa tego standardu pochodzi od skandynawskiego króla, który żył w X wieku naszej ery. Harald Gormsson "Blåtand" był władcą, który rządził terenami dzisiejszej Norwegii i Danii. W Polsce nazywamy go Haraldem Sinozębym - od przydomka, który oznacza “niebieski ząb”. Pochodzi z języka duńskiego.

Cechą charakterystyczną rzekomo był martwy ząb, koloru niebieskoszarego. Nie był tak nazywany za życia, nic na to nie wskazuje, być może ta opowiastka została wymyślona znacznie później.

Taką nazwę nosił projekt, który w latacht 90’ stworzyły najpotężeniejsze wówczas firmy telekomunikacyjne: Intel, IBM, Nokia, Toshiba i Ericsson. Skandynawskie pochodzienie głównych graczy nasunęło im na myśl dawnego władcę, który przyczynił się do zjednoczenia tych terenów. Analogicznie chciano utworzyć jeden standard, który będzie uniwersalny dla wszystkich.

Kiedy cały projekt został dopięty na ostatni guzik, nikt nie przewidział czasu na przegłosowanie nowej nazwy, więc na szybko zgodzono się na tę tymczasową. I w ten sposób powstał Bluetooth. Szybko został zaakceptowany, więc później nikt nawet nie myślał o jej zmianie.

Logo, czyli charakterystyczna litera “B”, również nie jest przypadkowe. Stanowi skrzyżowanie znaków runicznych, a dokładniej inicjałów Haralda. W ten sposób pamięć o starożytnym władcy została utrwalona, na milionach urządzeń elektronicznych.

W wielu miejscach Bluetooth jest skrótowo nazywany jako BT. Warto mieć na uwadze ten nawyk wielu firm.

Jak działa Bluetooth?

Transmisja danych odbywa się między urządzeniami przy użyciu fal radiowych o częstotliwości 2,4GHz oraz zbliżonej. Z tej samej częstotliwości korzysta sieć WiFi (starszego typu), ponieważ leży ona w tak zwanym paśmie ISM. Skrót pochodzi od angielskich słów Industrial, Scientific, Medical, co oznacza "przemysłowe, naukowe, medyczne".

Nadawanie w tym paśmie nie wymaga zgód ani licencji, o ile odbywa się w dozwolonych warunkach. Na przykład, nie przekraczając dopuszczalnej mocy fali elektromagnetycznej. Producenci wiedzą o tym doskonale i tak dostosowują swoje wyroby, aby były zgodne z wymaganiami różnych krajów.

Urządzenia wyposażone w moduły Bluetooth potrafią zarówno nadawać, jak i odbierać informacje. Co istotne, nie potrafią tego robić jednocześnie: kiedy jedno nadaje, drugie jest w trybie odbioru i musi poczekać z nadawaniem, aż to pierwsze skończy.

Zmiany częstotliwości

Ciekawe jest to, że w trakcie trwania transmisji, częstotliwość pracy obu urządzeń nieustannie się zmienia, nawet wiele tysięcy razy na sekundę. To nie są znaczące odchylenia, ponieważ nadal oscylują wokół częstotliwości 2,4GHz. Jednak ma to duże znaczenie praktyczne: gdyby w pobliżu znalazło się podobne urządzenie i również chciało się skomunikować, nie będzie w ten sposób zakłócane przez to pierwsze. Nawet jeżeli niektóre fragmenty transmisji ulegną zakłóceniu, bo nastąpi kolizja (nałożenie się obu częstotliwości nadawania), to nie będzie to miało dużego znaczenia. Mechanizmy wbudowane w moduły Bluetooth wychwycą ten fakt i podejmą odpowiednie działania.

Ten zabieg nosi nazwę FHSS. Akronim pochodzi z języka angielskiego i rozwija się do Frequency-Hopping Spread Spectrum. Tłumacząc dosłownie, chodzi o rozpraszanie widma poprzez skakanie po częstotliwościach. Ma to bardzo duże zalety, bowiem nie powoduje silnego zakłócenia jednej, wybranej częstotliwości dostępnej w ramach pasma, lecz przeciwnie - korzysta równomiernie z całego pasma.

Bluetooth korzysta z odmiany FHSS, jaką jest AFH - Adaptive Frequency-Hopping spread spectrum. Dopisek “adaptacyjny” oznacza, że urządzenia wyszukują taki zestaw częstotliwości, które są aktualnie używane w mniejszym stopniu. Powoduje to zmniejszenie prawdopodobieństwa zakłócenia transmisji przez inny nadajnik standardu Bluetooth.

Sieć WLAN korzysta z pewnego wycinka pasma ISM 2,4GHz, zaś urządzenia Bluetooth ”skaczą” po całym paśmie. Jednak rzadko łączą się w obszarze zajętym przez WLAN, gdyż ono skutecznie zakłóca niskomocową transmisję Bluetooth.

Małe sieci

Każde z urządzeń podrzędnych (slave) tworzy z urządzeniem nadrzędnym (master) swoją własną sieć. Jeżeli w obrębie ich zasięgu znajdzie się inne urządzenie nadrzędne, które będzie chciało się komunikować ze “swoim” urządzeniem podrzędnym, stworzy się oddzielna, miniaturowa sieć.

Mają one tak niewielkie rozmiary, że nazwano je piconetami - od angielskiej pisownię przedrostka “piko”, oznaczającego 10^-12 (jedna bilionowa). Jedno urządzenie typu “master” może jednocześnie mieć podłączone do siebie maksymalnie 7 urządzeń “slave”. Nowsze wersje tego standardu zwiększyły tę liczbę w sposób znaczny.

Wiele małych sieci może być ze sobą połączonych przy użyciu specjalnego urządzenia Bluetooth, zwanego węzłem typu bridge. Połączone pikosieci są określane jako scatternet. W ramach jednego scatternetu może występować nawet 255 pikosieci.

Parowanie

Charakterystyczne dla Bluetooth jest parowanie urządzeń. Polega na wzajemnej wymianie informacji i ustaleniu kluczy porządkujących komunikację. Działa to trochę jak wymiana wizytówek między ludźmi, którzy się nie znają - mając na wizytówkach numer telefonu swojego partnera, mogą w każdej chwili do siebie zadzwonić.

Będą również wiedzieli, jak się nazywają i co robi każdy z nich. W momencie, kiedy jeden zgłosi się do drugiego, jego dane będą już dla niego wiadome. Podobnie jest w elektronice: urządzenie nadrzędne wyszukuje wszystkie podrzędne, jakie znajdują się w zasięgu jego modułu radiowego i są w trybie parowania. Kiedy je znajdzie, zapisuje ich dane.

W ten sposób będzie mógł automatycznie nawiązać połączenie z układem, który zna. Zapobiegnie to, na przykład,. przekierowaniu naszej rozmowy telefonicznej do słuchawek osoby, który stoi obok nas. Nasz telefon “nie zna” tego urządzenia, więc samowolnie się z nim nie połączy.

Wersje standardu Bluetooth

Pierwsza wersja tego standardu miała niewielkie, jak na dzisiejsze czasy, możliwości. Wersja 1.0, wypuszczona na rynek w latach 90’, miała przepustowość sięgającą 21kbps. To zbyt mało, aby w czasie rzeczywistym prowadzić rozmowę w wysokiej jakości dźwięku, a transfer zdjęć czy filmów trwałby bardzo długo.

Przez lata powstało kilka wersji, które były coraz doskonalsze. Zasięg transmisji stawał się coraz większy, przepustowości - również. Ale i inne parametry ulegały zmianie. Oto najpowszechniej spotykane dzisiaj wersje tego standardu komunikacyjnego.

Bluetooth 4.0 Low Energy (BLE)

Czwarta odsłona tego standardu przyniosła radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną. Urządzenia wyposażone w ten moduł komunikacyjny mogą przez wiele miesięcy pracować zasilane wyłącznie z niewielkiej bateryjki. Co ciekawe, zasięg wcale na tym nie ucierpiał, a wręcz wzrósł - realnie do 100m. Ucierpiała natomiast szybkość transmisji, wynosi nie więcej niż 100kbps.

W stosunku do klasycznej wersji tego protokołu, zostało poprawione szyfrowanie danych oraz niezawodność transmisji. To pierwsze realizuje 128-bitowe szyfrowanie AES, a na jakość transmisji ma wpływ 24-bitowa suma kontrolna (CRC), która pozwala odtworzyć część utraconych bajtów, bez konieczności ich ponownego przesłania.

Poprawiono jeszcze dwie kwestie: adresy urządzeń mają 32 bity, a nie 3, co oznacza, że może ich pracować niemal nieskończenie wiele w obszarze jednej sieci.

Bluetooth 4.1

Największym udoskonaleniem w tej wersji jest możliwość pracy poszczególnych urządzeń końcowych jako koncentratory i kontrolery sieci. Poszczególne urządzenia mogą się komunikować nie tylko z urządzeniem nadrzędnym, ale również między sobą. Otworzyło to zupełnie nowe możliwości budowy sieci.

Ponadto, poprawiono działanie z sieciami 4G - zredukowano wzajemne zakłócanie się. Również duży nacisk położono na niski pobór mocy. Główny udział w tym ma udoskonalone parowanie, które umożliwia automatyczne załączanie używanych urządzeń oraz wyłączanie tych, które aktualnie nie są potrzebne.

Bluetooth 4.2

Został zaprezentowany w 2014 roku, a głównym celem jego opracowania było stworzenie protokołu komunikacyjnego dla internetu rzeczy (IoT - Internet of Things). W tym celu rozwinięto bezpośrednią łączność z internetem oraz wprowadzono nowoczesne modyfikacje - na przykład obsługę IPv6.

Poprawiono również bezpieczeństwo transmisji, aby poszczególne urządzenia były odporne na ataki hakerskie. Wzrosła też przepustowość.

Bluetooth 5.0

Obecnie najszerzej stosowana wersja tego standardu. W porównaniu do wersji 4.2, jeszcze bardziej podniesiono szybkość transmisji - do 2Mbps. Aktualizacja oprogramowania urządzenia (firmware) została przy tym również poprawiona. Wzrosła również elastyczność korzystania z dobrodziejstw protokołu IP. Zasięg urządzeń pracujących w tej wersji jest nieporównywalny do poprzednich, bowiem może wynosić aż 300m.

Lecz za największe udoskonalenie można uznać rozbudowane funkcje, które umożliwiają pracę w sieci o topologii mesh (kraty). Wszystkie urządzenia mogą komunikować się i przesyłać dane między sobą, więc nie jest konieczne przebywanie wszystkich w zasięgu jednego koncentratora sieci. Wystarczy, że będzie on mógł utworzyć “ścieżkę” do danego węzła sieci, a pozostałe wezmą udział w tej komunikacji, przesyłając między nimi dane.

Najnowsze pomysły

Bluetooth 5.1 ukazał się w 2019 roku. Największym udoskonaleniem, w porównaniu do poprzednich wersji, jest detekcja kierunku, z którego pochodzi sygnał z danego urządzenia. To bardzo ciekawa funkcja, która pozwoli na budowanie lokalizatorów komunikujących się w tej technologii.

Bluetooth 5.2 jest kolejnym przełomem. Został zaprezentowany w 2020 roku. Przyniósł dalsze zwiększenie zasięgu transmisji, zmniejszenie zapotrzebowania na moc oraz wprowadził nowy kodek audio.

Gdzie znajdziemy Bluetooth?

Urządzenia pracujące w tym standardzie występują w coraz większej liczbie miejsc. Ciężko dzisiaj znaleźć układ, w którym nie ma Bluetooth lub który nie występuje w wariancie z tym protokołem komunikacyjnym.

Urządzenia audio

Stacjonarny sprzęt do odtwarzania muzyki coraz częściej zostaje wyposażony w moduł komunikacyjny Bluetooth. Dzięki niemu możemy słuchać muzyki z telefonu, laptopa lub tabletu bez konieczności podłączania przewodu.

Jednak ta interakcja zachodzi również w drugą stronę: urządzenia stacjonarne, takie jak telewizory i tunery oraz domowe stacje multimedialne są w stanie nadawać dźwięk za pośrednictwem tego protokołu. Poprzez takie rozwiązanie, możemy wygodnie używać słuchawek podczas np. oglądania filmu w nocy.

Mobilna rozrywka

Najczęściej jednak w Bluetooth są wyposażane słuchawki. Dotychczas wymagały przewodu, który transmitował sygnał ze źródła, na przykład z przenośnego odtwarzacza. O ile siedząc na fotelu przed telewizorem nie było to dużym utrudnieniem, o tyle podczas spacerów czy biegania taki plączący się przewód był utrapieniem.

Możliwe to było również dzięki rozwojowi elektroniki w innych obszarach: jej miniaturyzacji oraz wynalezieniu ogniw litowo-jonowych (Li-Ion), które stanowią pojemny magazyn energii o niewielkiej masie i małych gabarytach. W ten sposób, źródło dźwięku (na przykład telefon połączony z serwisem muzycznym) spoczywa grzecznie w kieszeni bądź w opasce na ramieniu, a z naszą głową łączy go tylko niewidzialna i niewyczuwalna fala radiowa.

Miniaturyzacja zaszła aż tak daleko, że nawet niewielkie słuchawki dokanałowe są wyposażone w Bluetooth. Nie łączy je jakikolwiek przewód, akumulator również został wbudowany do wnętrza. Część z nich jest wyposażona w możliwość ładowania indukcyjnego, więc wystarczy je tylko odłożyć na powierzchnię odpowiedniej ładowarki, by uzupełniły zapas energii.

Nowoczesne samochody

Coraz więcej samochodowych systemów audio jest uzupełnianych o możliwość łączności poprzez Bluetooth. W ten sposób można przesyłać muzykę i audiobooki z telefonu wprost na głośniki w samochodzie, bez konieczności użycia samochodowego transmitera FM.

Jeżeli w pojeździe znajduje się również mikrofon, a coraz częściej tak się zdarza, można prowadzić rozmowy telefoniczne jak przy użyciu zestawu głośnomówiącego. Zresztą same transmitery FM też coraz częściej mają opcję prowadzenia rozmów, przesyłając ich treść za pośrednictwem Bluetooth. Wtedy mikrofon znajduje się w transmiterze, a słowa naszego rozmówcy są słyszalne w głośnikach wbudowanych w pojazd.

Inteligentne budynki

Bluetooth służy nie tylko do przesyłania multimediów. Ma zastosowanie również w systemach smart home, gdzie służy do komunikacji z wieloma urządzeniami. Nawet czujniki otwarcia okien, ruchu czy włączniki światła mogą się komunikować poprzez Bluetooth.

Z myślą o takich zastosowaniach został opracowany Bluetooth w wersji Low Energy (BLE). Nie są tutaj potrzebne wysokie prędkości transmisji, ponieważ sama informacja może mieć zaledwie kilka bitów długości. Za to możliwość pracy przez wiele lat na jednym komplecie baterii jest zdecydowanie priorytetem, ponieważ nie wymaga się w ten sposób prowadzenia przewodów zasilających do każdego z urządzeń podrzędnych.

BLE zmieniło podejście do komunikacji radiowej, która dotychczas była uważana za dosyć “prądożerną”, przez co nie można było zapewnić regularnej transmisji w dwie strony przy niewielkim poborze prądu. Inny standard komunikacyjny, na przykład WiFi, nie ma takiej możliwości - wymaga stosunkowo dużej ilości energii do działania, więc nie nadaje się do urządzeń nie posiadających dostępu do zasilania sieciowego.

Komputery i ich oprzyrządowanie

Bezprzewodowe klawiatury oraz myszki - można je kupić w coraz niższych cenach, niekiedy nawet łatwiej niż ich tradycyjne wersje połączone przewodem. A drukarki i skanery? Też coraz częściej wyposaża się je w Bluetooth, aby zredukować liczbę plączących się przewodów. Wystarczy sparować laptopa czy telefon z drukarką, aby wydrukować e-maila czy zdjęcie. Połączenie klawiatury z telefonem umożliwia łatwe napisanie dłuższej wiadomości tekstowej.

Jednak nie wolno w tym zestawieniu zapominać o naszych urządzeniach nadrzędnych, a jeden rodzaj takiego każdy z nas ma w kieszeni. Mowa o telefonie komórkowym, a raczej smartfonie, który stał się nieodłącznym elementem naszego życia. Dzięki modułowi Bluetooth może komunikować się zarówno ze słuchawkami, jak i zestawem audio czy czujnikami w domu. Można również w ten sposób przesyłać z niego dane do komputera, na przykład zdjęcia.

Dla hobbystów

Każdy może przetestować działanie tego protokołu na swoim stole. Wystarczy platforma programistyczna, na przykład popularne Arduino, połączona kilkoma przewodami z modułem Bluetooth. Takie moduły są stosunkowo tanie, a jednocześnie posiadają te same funkcje, co znajdujące się w gotowych, fabrycznych urządzeniach.

Można w ten sposób przetestować parowanie urządzeń, sprawdzić parametry transmisji czy jej zasięg. I to wszystko “od podszewki”, pracując na prawdziwym, standaryzowanym protokole komunikacyjnym. Arduino posiada bogaty zestaw bibliotek ułatwiających jego obsługę.

Bogaty wybór

Na rynku znajdziemy wiele modułów komunikacyjnych Bluetooth, które możemy konfigurować w różnoraki sposób. Znajdziemy wśród nich zarówno proste układy, służące nawiązywaniu prostej transmisji, jak i rozbudowane urządzenia, pozwalające transmitować dźwięk.