Bluetooth و کارکرد آن

آشنایی با Bluetooth و کارکرد آن

راه‌های مختلفی برای اتصال دستگاه‌های الکترونیکی به یکدیگر وجود دارد. به عنوان مثال:
- بسیاری از کامپیوترهای دسک‌تاپ دارای یک واحد پردازش مرکزی می‌باشند که به یک ماوس، صفحه کلید، چاپگر و غیره متصل می‌شود.
- Personal Digital Assistant) PDA) به طور معمول با استفاده از یک کابل و یک پایه (Cradle) به کامپیوتر متصل می‌شود.
- تلویزیون به طور معمول با استفاده از یک دستگاه کنترل از راه دور با VCR و جعبه کابل مرتبط می‌شود.
- تلفن بی سیم با استفاده از امواج رادیویی به پایه خود متصل می‌شود و احتمالا هدفونی دارد که با یک سیستم به تلفن متصل می‌شود.
- در یک سیستم استریو، پخش‌کننده سی‌دی ودیگر دستگاه‌های صوتی به گیرنده‌ای متصل می‌شوند که خود به بلندگوها وصل است.
هنگامی که از کامپیوترها، سیستم‌های سرگرمی و تلفن استفاده می‌کنید بخش‌های مختلف این سیستم‌ها مجموعه‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهند. این دستگاه‌ها با استفاده از سیم، کابل، امواج رادیویی، اشعه مادون قرمز و حتی انواع مختلف کانکتورها، اتصالات و پروتکل‌ها، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. هنر اتصال دادن دستگاه‌های الکترونیکی هر روز پیچیده‌تر می‌شود. گاهی اوقات احساس می‌کنیم برای نصب و راه‌اندازی این دستگاه‌ها در خانه خود، باید مدرک دکترا در مهندسی الکترونیک داشته باشیم. اما در اینجا به روش کاملا متفاوتی برای ایجاد اتصالات اشاره می‌کنیم که Bluetooth نام دارد. Bluetooth بی‌سیم و اتوماتیک بوده و ویژگی‌هایی جالبی دارد که زندگی روزانه ما را در ارتباط با نصب دستگاه‌ها آسان می‌سازد.

مشکلات

وقتی قرار است دو دستگاه با یکدیگر ارتباط برقرار کنند ابتدا باید درباره تعدادی از نکات توافق داشته باشند. اولین نکته جنبه فیزیکی دارد: آیا ارتباط آنها از طریق سیم خواهد بود یا از طریق سیگنال‌های بی‌سیم. در صورت استفاده از سیم چه تعداد از آن مورد استفاده خواهد بود، یک سیم، دو سیم، هشت سیم یا ۲۵ سیم؟ بعد از تعیین نوع فیزیکی ارتباط مسایل دیگری مطرح می‌شوند:
- اطلاعات می‌توانند به صورت یک بیت در هر بار ارسال شوند که به این حالت ارتباط سریال گفته می‌شود. اگر اطلاعات به صورت گروهی از بیت‌ها (معمولا ۸ یا ۱۶ بیت در هر بار) ارسال شوند به آن ارتباط پارالل گفته می‌شود. یک کامپیوتر دسک تاپ از هر نوع ارتباط برای اتصال به دستگاه‌های مختلف استفاده می‌کند به عنوان مثال مودم‌ها ، ماوس‌ها و صفحه کلید‌ها از طریق ارتباط سریال و چاپگرها از طریق ارتباط پارالل به کامپیوتر متصل می‌شوند.
- دستگاه‌های متصل شده به هم باید منظور و معنی بیت‌های ارسالی را دریافته و بدانند که آیا پیغامی که آنها دریافت کرده‌اند همان پیغامی است که ارسال شده. در اکثر موارد این موضوع به معنای توسعه یک زبان دستور و پاسخ است که پروتکل نامیده می‌شود. تعدادی از محصولات دارای پروتکل استانداردی می‌باشند که تمامی شرکت‌ها از آن استفاده می‌کنند تا دستورات مربوط به یک محصول در مورد محصول دیگر در مجموعه متصل شده نیز صدق کند. مودم‌ها از جمله ابزارهایی هستند که در این مقوله قرارمی‌گیرند. دیگر انواع محصولات هر کدام به زبان خاص خود ارتباط برقرار می‌نمایند. این به آن معناست که دستورات در نظر گرفته شده برای یک محصول خاص اگر توسط دستگاه دیگر دریافت شود برای آن نامفهوم خواهد بود. چاپگرها با چندین استاندارد مانند PCL و PostScript در این مقوله جای می‌گیرند.
شرکت‌های تولید کننده کامپیوتر، سیستم‌های سرگرمی و دیگر وسایل الکترونیکی دریافته‌اند که تعداد بیشمار کابل‌ها و کانکتورهای محصولاتشان، نصب صحیح یک سیستم کامل را برای بار اول حتی برای متخصصان مشکل می‌سازد. راه‌اندازی کامپیوترها و سیستم‌ها‌ی خانگی روز به روز پیچیده‌تر شده و شخص خریدار باید تمامی جزییات مربوط به اتصال کلیه قسمت‌ها را یاد گرفته و به خاطر بسپارد. بنابراین برای رفع این مشکلات به روش بهتری برای ایجاد ارتباط بین دستگاه‌ها نیاز داریم. در اینجاست که Bluetooth معرفی می‌شود.

Bluetooth چیست؟

Bluetooth استانداردی است که توسط گروهی از تولید کنندگان عرضه شده و به انواع دستگاه‌ها - از کامپیوترها و تلفن‌های سلولی تا صفحه کلیدها و هدفون‌ها- امکان می‌دهد تا با ارتباطات خاص خود با دستگاه دیگر ارتباط برقرار نمایند (البته بدون سیم، کابل یا هر گونه عملکرد از طرف کاربر). Bluetooth در دو سطح کار می‌کند:
- این استاندارد توافق در سطح فیزیکی را فراهم می‌سازد- Bluetooth یک استاندارد فرکانس رادیویی است.
- Bluetooth توافق در سطح بالاتر را نیز فراهم می‌سازد بدین معنی که محصولات باید نسبت به زمان ارسال بیت‌ها، تعداد بیت‌های ارسالی در هر بار و چگونگی حصول اطمینان از اینکه پیغام‌های دریافت شده همان پیغام‌های ارسال شده هستند، با یکدیگر توافق داشته باشند.
شرکت‌های متعلق به گروه Bluetooth Special Interest، که تعداد آنها بالغ بر ۱۰۰۰ شرکت است، تمایل دارند که ارتباطات رادیویی Bluetooth در اتصال تجهیزات جانبی، تلفن‌ها و کامپیوترها جایگزین سیم شود.

دیگر اتصالات بی‌سیم

در حال حاضر دو راه برای کنار گذاشتن سیم‌ها وجود دارد. اولین روش انتقال اطلاعات از طریق اشعه‌های نوری در طیف مادون قرمز می‌باشد. مادون قرمز یعنی امواج نوری با فرکانسی پایین‌تر از فرکانسی که چشمان انسان می‌تواند دریافت و تعبیر کند. مادون قرمز در اکثر دستگاه‌های کنترل از راه دور تلویزیون‌ها استفاده می‌شود و در ضمن به همراه استانداردی به عنوان IrDA یا Infrared Data Association برای اتصال کامپیوترها به تجهیزات جانبی به کار گرفته می‌شود.
مادون قرمز برای اکثر سیستم‌های خانگی و کامپیوتر، در حالت دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد. ارتباطات مادون قرمز نسبتا قابل اعتماد بوده و هزینه بالایی ندارد. اما دو نقطه ضعف در اینگونه اتصالات دیده می شود: اولین نقطه ضعف این است که مادون قرمز یک تکنولوژی "line of sight" است. به عنوان مثال برای اینکه دستگاه ریموت کار کند. باید آن را به طرف تلویزیون یا پخش کننده DVD بگیریم. دومین نقطه ضعف این است که مادون قرمز تقریبا همیشه یک تکنولوژی " یک به یک" (one-to-one) است. شما می‌توانید دیتا را بین کامپیوتر دسک‌تاپ و لپ‌تاپ خود انتقال دهید اما نمی‌توانید همزمان با آن انتقال بین لپ‌تاپ و PDA را نیز داشته باشید.
البته این دو ویژگی مادون قرمز از بعضی جهات مزیت محسوب می‌شوند. از آنجاییکه فرستنده‌ها و گیرنده‌های مادون قرمز باید در یک خط قرار گیرند، تداخلی بین دستگاه‌ها پیش نمی‌آید. ویژگی "یک به یک" بودن مادون قرمز نیز این مزیت را دارد که می‌توانید مطمین باشید پیغام تنها به دستگاه گیرنده مورد نظر خواهد رسید - حتی اگر این دستگاه گیرنده در اتاقی مملو از دستگاه‌های گیرنده دیگر باشد.
دومین جایگزین سیم، همگام سازی کابل، نسبت به مادون قرمز مشکلات بیشتری را ایجاد می‌کند. اگر Palm Pilot، دستگاه ویندوز CE یا Pocket PC داشته باشید به طور حتم دوباره همگام‌سازی اطلاعات دارید. در همگام سازی ازپس از اتصال PDA به کامپیوتر (معمولا با استفاده از کابل) دگمه‌ای را فشار داده و مطمین خواهید شد که دیتا در PDA و دیتای کامپیوتر با یکدیگر هماهنگ هستند. این تکنیکی است که PDA را برای بسیاری از کاربران ارزشمند می‌سازد، اما همگام‌سازی PDA، با کامپیوتر و حصول اطمینان از اینکه از کابل یا پایه مناسب برای اتصال این دو دستگاه برخوردارید می‌تواند یک مشکل واقعی محسوب شود.

راهکار Bluetooth

Bluetooth به منظور رفع مشکلات حاصل از دو تکنولوژی مادون قرمز و همگام سازی کابل عرضه شده است. تولید کنندگان سخت‌افزار همچون شرکت‌های زیمنس، اینتل، توشیبا، موتورولا و اریکسون مشخصه‌ای را برای یک ماجول رادیویی خیلی کوچک طراحی کرده‌اند تا درون کامپیوتر، تلفن و تجهیزات سرگرمی قرار گیرد. از دیدگاه کاربر Bluetooth دارای سه قابلیت مهم است:
- قابلیت بی سیم: در هنگام مسافرت نیازی به حمل چمدانی پر از سیم برای اتصال دستگاه‌ها نمی‌باشد و می‌توانید بدون نگرانی از وجود سیم دفتر کار خود را طراحی نمایید.
- Bluetooth ارزان است.
- با استفاده از Bluetooth ناچار نخواهید شده فکر خود را بیش از اندازه درگیر نمایید زیرا به تخصص خاصی در رابطه با اتصالات نیاز نخواهید داشت. دستگاه‌ها یکدیگر را یافته و بدون دخالت کاربر ارتباط لازم را برقرار می‌نمایند.

فرکانس Bluetooth

Bluetooth بر روی فرکانس ۲.۴۵ گیگاهرتز ارتباط برقرار می‌سازد که با توافق بین‌المللی برای استفاده از دستگاه‌های ISM یا صنعتی، علمی و پزشکی) در نظر گرفته شده است.
تعدادی‌از دستگاه‌‌هایی که در حال حاضر استفاده می‌کنید از همین باند فرکانس رادیویی بهره می‌برند. دستگاه‌های کنترل نوزادان، دستگاه‌های باز کننده درب پارکینگ و جدیدترین نسل تلفن‌های بی‌سیم از فرکانس‌های باند ISM بهره می‌برند. حصول اطمینان از اینکه Bluetooth و این دستگاه‌ها با یکدیگر تداخل پیدا نمی کنند، بخش مهمی از فرآیند طراحی بوده است.

اجتناب از تداخل: سیگنال‌های ضعیف

یکی از روش‌هایی که سبب می‌شود دستگاه‌های Bluetooth با دیگر سیستم‌ها تداخل پیدا نکنند، ارسال سیگنال ضعیف به میزان یک میلی‌وات می‌باشد. در مقایسه، قویترین تلفن‌های سلولی می‌توانند سیگنالی به میزان سه وات را مخابره کنند. سیگنال ضعیف، برد دستگاه مجهز به تکنولوژی Bluetooth را به حدود ۱۰ متر محدود می‌سازد و امکان تداخل بین کامپیوتر و تلفن یا تلویزیون را کاهش می‌دهد. بدین ترتیب حتی دیوارهای خانه نیز نمی‌توانند مانعی برای سیگنال Bluetooth باشند. در نتیجه این استاندارد برای کنترل چند دستگاه در قسمت‌های مختلف خانه مفید واقع می‌شود.
ممکن است تصور کنید وجود دستگاه‌های متفاوت مجهز به Bluetooth در یک اتاق موجب تداخل آنها می‌شود اما اینطور نیست، دلیل آن را برایتان توضیح خواهیم داد.

عدم تداخل با استفاده از تکنیک Hopping

بعید به نظر می‌رسد که چند دستگاه در یک زمان بر روی یک فرکانس باشند، زیرا Bluetooth از تکنیکی به نام Spread-Spectrum Frequency Hopping استفاده می‌کند. در این تکنیک، یک دستگاه می‌تواند با تغییر از یک فرکانس به فرکانس دیگر، ۷۹ فرکانس درون برد تعیین شده را مورد استفاده قرار دهد. در مورد Bluetooth فرستنده‌ها فرکانس‌ها را ۱۶۰۰ بار در ثانیه تغییر می‌دهند به این معنی که اکثر دستگاه‌ها می‌توانند بهره کامل را از یک بخش محدود از طیف رادیویی ببرند. از آنجاییکه هر فرستنده Bluetooth به طور اتوماتیک از ارسال طیف گسترده استفاده می‌کند احتمال اینکه دو فرستنده در یک زمان بر روی یک فرکانس قرار گیرند وجود ندارند. این تکنیک خطر تداخل تلفن‌های موبایل یا دستگاه‌های کنترل نوزاد با دستگاه‌های Bluetooth را به حداقل می‌رساند، زیرا هر تداخل روی یک فرکانس خاص تنها در بخش بسیار کوچکی از ثانیه طول خواهد کشید.
وقتی دستگاه‌های مجهز به تکنولوژی Bluetooth در برد یکدیگر قرار می‌گیرند یک ارتباط الکترونیکی برقرار می‌شود تا مشخص شود که آیا آنها اطلاعاتی را به اشتراک می‌گذارند یا اینکه یکی از آنها باید دیگری را کنترل کند. نیازی نیست تا کاربر دگمه‌ای را فشارد دهد یا دستوری را وارد نماید زیرا این ارتباط الکترونیکی به طور اتوماتیک برقرار می‌شود. زمانیکه ارتباط برقرار شد، دستگاه‌ها -از هر نوع- شبکه‌ای را تشکیل می‌دهند. سیستم‌های Bluetooth یک شبکه (Personal-area network)اpiconet را تشکیل می‌دهند که ممکن است تمام فضای اتاق را پر کند یا اینکه فاصله کمی را پوشش دهد. زمانیکه شبکه Piconet برقرار شد دستگاه‌های عضو شبکه فرکانس‌ها را تغییر می‌دهند تا با یکدیگر در تماس باشند و در ضمن از شبکه‌های Piconet دیگر که احتمالا در همان اتاق برقرار شده‌اند، اجتناب ورزند.

شبکه‌ها

حال ببینیم چگونه Bluetooth Frequency hopping و Personal -area network از آشفتگی سیستم‌ها جلوگیری می‌کنند. فرض کنید سیستم سرگرمی خانگی شما شامل استریو، دستگاه‌ پخش DVD، گیرنده ماهواره‌ای و یک تلویزیون می‌باشد. در ضمن یک تلفن بی‌سیم و کامپیوتر شخصی نیز در این اتاق وجود دارد. هر کدام از این سیستم‌ها مجهز به Bluetooth بوده و برای ارتباط بین واحد اصلی و تجهیزات جانبی شبکه Piconet خود را دارا می‌باشند.
تلفن بی‌سیم دارای یک فرستنده Bluetooth در پایه و یک فرستنده Bluetooth دیگر در گوشی می‌باشد. تولید کننده برای هر واحد یک آدرس در نظر گرفته و این آدرس در محدوده آدرس‌هایی است که برای یک نوع دستگاه خاص تنظیم شده است. وقتی ابتدا پایه تلفن روشن م‍ی‌شود سیگنال‌های رادیویی را ارسال می‌کند که در جستجوی پاسخ از طرف هر واحدی است که در این محدوده خاص دارای آدرس می‌باشد. از آنجاییکه گوشی نیز یک آدرس در این محدوده دارد، پاسخ می‌دهد و در نتیجه یک شبکه بسیار کوچک شکل می‌گیرد. حال حتی اگر یکی از این دستگاه‌ها باید سیگنال‌هایی از سیستم دیگر دریافت کند، نادیده گرفته می‌شود زیرا این دستگاه درون شبکه قرار ندارد. کامپیوتر و سیستم سرگرمی خانگی نیز با برقراری شبکه در میان آدرس‌هایی که توسط تولید کنندگان در محدوده تعیین شده قرار گرفته‌اند، همین جریان را اجرا می‌کنند. بعد از برقرار شدن شبکه‌ها، ارتباط بین سیستم‌ها آغاز می‌شود. هر شبکه Piconet بین فرکانس‌های موجود در تغییرات، بنابراین تمامی شبکه‌های Piconet کاملا از یکدیگر جدا می‌باشند.
اکنون در این مکان سه شبکه جداگانه ایجاد شده و هر یک از این شبکه‌ها شامل دستگاه‌هایی هستند که آدرس فرستنده‌هایی که باید از آن سیگنال بگیرند یا گیرنده‌هایی که باید به آن سیگنال ارسال کنند را می‌دانند . از آنجاییکه هر شبکه هزاران بار در ثانیه فرکانس عملکرد خود را تغییر می‌دهد بعید به نظر می‌رسد که دو شبکه در یک زمان بر روی یک فرکانس قرار گیرند. اگر هم چنین اتفاقی بیفتد، آشفتگی حاصل تنها در بخش اندکی از ثانیه طول می‌کشد و نرم‌افزار طراحی‌شده برای تصحیح چنین خطاهایی مشکل را بر طرف می‌سازد.

Half-Full Duplex

یک شبکه یا روش ارتباطی یا در یک زمان تنها در یک جهت کار می‌کند که به آن Half Duplex Communication گفته می‌شود و یا اینکه همزمان دو جهت را تحت پوشش دارد و به Full Duplex Communication معروف است. تلفن Speaker phone که تنها امکان گوش دادن یا حرف زدن را در یک زمان فراهم می‌سازد (و نه هر دو را با هم)، نمونه‌ای ازHalf Duplex Communication است، در حالیکه گوشی تلفن معمولی Full Duplex می‌باشد. چون Bluetooth طوری طراحی شده که بتواند در شرایط مختلف کار کند می‌تواند هم half- Duplex و full-Duplex باشد. تلفن بی سیم یک نمونه از دستگاه‌هایی است که به لینک full-deplex (دو طرفه) نیاز دارد و Bluetooth می‌تواند دیتا را با سرعتی بیش از ۶۴۰۰۰ بیت در ثانیه (که برای پشتیبانی چندین مکالمه صوتی کفایت می‌کند) با لینک full-Duplex ارسال کند. اگر یک دستگاه خاص به لینک half- Duplex نیاز داشته باشد (به عنوان دو مثال،‌اتصال به چاپگر)، Bluetooth می‌تواند دیتا را با سرعت ۷۲۱ کیلو بیت در یک جهت و با سرعت ۵۷.۶ کیلو بیت در ثانیه در جهت دیگر ارسال کند. اگر دستگاه به سرعت مشابه در دو جهت نیاز داشته باشد لینکی با ظرفیت ۴۳۲.۶ kbps در هر جهت ایجاد خوهد شد.

مشخصات Bluetooth

در اینجا بعضی از مشخصات Bluetooth را که در وب سایت آن آمده، آورده‌ایم:
- دستگاه‌های یک شبکه یک کانال ارتباطی مشترک را مورد استفاده قرار می‌دهند. این کانال دارای ظرفیت کل یک مگابیت در ثانیه می‌باشد. هدرها و اطلاعات hand shaking در حدود ۲۰ درصد از این ظرفیت را مصرف می‌کنند.
- در ایالات متحده و اروپا برد فرکانس بین ۲۴۰۰ تا ۲۴۸۳.۵ مگاهرتز بوده و ۷۹ کانال فرکانس رادیویی (RF) یک مگاهرتز موجود می‌باشد. در عمل این برد بین ۲۴۰۳ تا ۲۴۸۰ مگاهرتز است. در ژاپن برد فرکانس ۲۴۷۲ تا ۲۴۹۷ مگاهرتز با ۲۳ کانال RF یک مگاهرتز می‌باشد.
- هر hop کانال داده بطور تصافی در هر ثانیه بین ۷۹ یا ۲۳ کانال RF سوییچ می‌کند.
- هر کانال به شکاف‌های زمانی به طول ۶۲۵ میکروثانیه تقسیم می‌شود.
- هر شبکه Piconet دارای یک وسیله اصلی (master) و حداکثر ۷ پیرو (slave) می‌باشد و وسیله اصلی سیگنال‌ها را در شکاف‌های زمانی زوج و پیروها در شکاف‌های زمانی فرد ارسال می‌کنند.
- تعداد Packetها می‌تواند حداکثر تا ۵ شکاف زمانی باشد.
- طول دیتا در یک پیام می‌تواند تا ۲۷۴۵ بیت باشد.
- در حال حاضر دو نوع انتقال دیتا بین دستگاه‌ها وجود دارد. : Synchronous Connection Oriented یا SCO و Asynchronous Connection Less یا ACL .
- در یک Piconet می‌تواند سه لینک SCO که سرعت هر کدام ۶۴۰۰۰ بیت در ثانیه است، وجود داشته باشد. برای اجتناب از مشکلات مربوط به زمان و تداخل، لینک‌های SCO از شکاف‌های ذخیره شده توسط دستگاه اصلی استفاده می‌کنند.
- دستگاه‌های اصلی می‌توانند تا ۳ لینک SCO با یک، دو یا سه پیرو را پشتیبانی کنند.
- شکاف‌هایی که برای لینک‌های SCO ذخیره نشده‌اند می‌توانند برای لینک‌های ACL مورد استفاده قرار گیرند.
- یک دستگاه اصلی و پیرو می‌توانند یک لینک ACL منفرد داشته باشند.
- ACL هم به صورت point-to-point (دستگاه اصلی به یک پیرو) و هم به صورت ارسال به تمامی پیروها عمل می‌کند.
- پیروهای ACL تنها در صورتیکه دستگاه اصلی درخواست کند، می‌توانند سیگنال ارسال کنند.