Gustaf Eriksson 830902
[email protected]
Peter Enmalm 720627
[email protected]
1
SAMMANFATTNING
Denna rapport handlar om den trådlösa blåtandstekniken eller Bluetooth Wireless Technology
som den heter på engelska. En teknik som tog sina första stapplande steg hos Ericsson Mobile
Communications AB i mitten av 90-talet. Målet var att bli av med kabeln mellan
mobiltelefonen och dess headset. Denna teknik har sedan dess hittat många fler
användningsområden och har med åren blivit den gällande standarden för att ersätta kablar
mellan elektroniska apparater.
Syftet med rapporten är att ge läsaren en bild av vad Bluetooth är och hur det hela fungerar.
Rapporten berättar historien bakom blåtand och varför den heter just så. Senare förklaras
tekniken i ett antal steg. Först rent allmänt ur användarens synvinkel, sedan mer specifikt när
vi gör ett försök att förklara blåtandteknikens hårdvara, protokollstack och dess fördefinierade
applikationer, s.k. profiles. Rapporten redogör också för en del olika produkter som
implementerat blåtandstekniken idag. Slutligen tar vi upp en del problem som blåtanden dras
med.
2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
SAMMANFATTNING .............................................................................................................. 2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING ................................................................................................ 3
INLEDNING .............................................................................................................................. 4
BLUETOOTH eller BLÅTAND ............................................................................................... 4
Historia ................................................................................................................................... 4
Teknik..................................................................................................................................... 6
Allmänt om funktionen ...................................................................................................... 6
Arkitekturen – hårdvara och protokollstack ....................................................................... 7
Produkter ................................................................................................................................ 9
Problem ................................................................................................................................ 10
SLUTSATSER........................................................................................................................ 11
REFERENSER....................................................................................................................... 11
3
INLEDNING
Blåtanden. Alla har vi väl hört talas om den, kanske har ni en själva och använder den
dagligen, men hur många vet hur det egentligen fungerar? Eller var den kom ifrån och varför?
För de allra flesta är det nog ointressant eftersom blåtanden är en osynlig konsumentprodukt
som är så enkel att hantera, att man kanske använder den utan att veta om det. Men för er
andra teknikfreaks har vi skrivit denna rapport för att informera om blåtandens historia,
funktion, användningsområden och brister.
Naturligtvis finns det fler rapporter i samma ämne och några av de bättre är:
”Bluetooth: A New Era of Connectivity” av Wei-Shin Wang (publicerad i IEEE microwave
magazine, September 2002.)
“An Overview of the Bluetooth Wireless Technology” av Chatschik Bisdikan, IBM.
(publicerad i IEEE Communication magazine, december 2001.)
BLUETOOTH eller BLÅTAND
Historia
Namnet Blåtand går tillbaka till Harald Gormsson Blåtand, kung över Danmark och Norge
940-981 e Kr. Han lyckades under sin regeringsperiod att ena Danmark och Norge under sitt
eget styre. På slagfältet var Blåtand framgångsrik, han erövrade bland annat delar av norra
Tyskland. Han lät också omvända sig till kristendomen och använde den ibland som
täckmantel för att bedriva korståg. Harald Blåtand dog så småningom i exil efter strider om
kungakronan med sin son Sven Haraldsson Tveskägg och Erik den Segerrike. Namnet blåtand
betyder inte att Kung Harald var utrustad med en blå tand, utan snarare att han var mörkhårig.
Jämför med afrikaner som kallades blåmän av nordborna.
Vid Jelling i Danmark, Haralds kungaborg, finns två gamla runstenar som berättar Harald
Blåtands livshistoria. Så sent som 1994 reste Ericsson AB en tredje runsten över Harald
Blåtand i Lund, se figur 1 sidan 5.
1994 var också året då Ericsson började utveckla det som senare skulle döpas till Bluetooth1.
Inspirationen till namnet var solklar, förena olika elektriska apparater som Harald Blåtand
förenade Skandinavien. Det hela började i Lund med ett team lett av Sven Mattison och Jaap
Haartsen, de höll på att utveckla ett trådlöst headset till mobiltelefoner. Enligt Haartsen kom
Bluetooth till, mer eller mindre, av en slump [Iserson’03]. När teamet under utvecklingens
gång insåg att de kunde använda en radiofrekvens som var licensfri och tillåten i hela världen
så började de experimentera med olika datorchip. De fastnade till slut för små radiochip som
kan upprätta trådlösa förbindelser mellan de saker som innehåller chipen.
1
Enligt svenska datatermgruppen används ordet ”Bluetooth” om varumärket och ”Blåtand” eller ”blåtand” när
det handlar om tekniken.
4
Figur 1: Runstenen i Lund
Inskriptionen lyder:
Ericsson mobile communications AB reste denna
sten till minne av Harald Blåtand, som fick ge sitt
namn åt en ny teknologi för trådlös, mobil kommunikation.
För att kunna driva utvecklingen framåt släppte Ericsson blåtandtekniken fri. När
utvecklingen hade pågått ett tag insåg Ericsson att det behövdes lite assistens från andra
telekombolag för att komma vidare. Därför bildade de en SIG (Special Interest Group) 1998
tillsammans med Nokia, IBM, Toshiba och Intel. Gruppens mål var att utveckla en
industristandard för Bluetooth. Den 26 juli samma år släpptes specifikationen för Bluetooth
1.0.
Det är alltså gratis att ta del av blåtandspecifikationen och tillverka egna bluetoothprodukter,
men för att få göra det senare måste man bli en submedlem av SIG och låta certifieringstesta
sina produkter innan man släpper ut dem på marknaden för att säkerställa att de fungerar exakt
efter specifikationen. Fram till idag har över 2000 olika företag anslutit sig som
submedlemmar och bidragit till utvecklingen av Bluetooth. I dag är man uppe i version 1.2
och för den intresserade finns den att läsa på Bluetooth SIG hemsidan [SIG 1].
Ganska snart efter att version 1.0 hade släppts av Bluetooth SIG, intresserade sig IEEE (The
Institute of Electrical and Electronics Engineers) för Bluetooth. De höll på att utveckla ett
flertal standarder för WPAN (Wireless Personal Area Network) under namnet 802.15. IEEE
valde blåtandtekniken som en grund för sitt utvecklingsarbete och standarden IEEE 802.15.1
beskriver Bluetooth [IEEE 1]. Man ska dock notera att 802.15.1 bara definierar de lägsta
lagren i en protokollstack (de olika ”lager” ett nätverksprotokoll är uppbyggt av) medan den
av Bluetooth SIG utvecklade blåtandspecifikationen innehåller en hel, samt ett omfattande
ramverk för mjukvaruutveckling (profiles). För vidare läsning om profiler, se nedan.
5
Teknik
Allmänt om funktionen
Ett av målen med blåtandstekniken är att den ska vara enkel att använda. Det ska inte behövas
en massa konfigurering eller speciella procedurer från användaren för att etablera en länk
mellan olika blåtänder. När du köpt ditt nya headset till din mobiltelefon ska du bara behöva
stoppa i batteriet, slå på headsetet och telefonen och efter en kort stund, med en enkel
knapptryckning, svara ja på frågan om du vill koppla upp dig mot ditt nya headset. Allt
däremellan sköts automatiskt av blåtanden. När en blåtand är ensam i sitt
radiotäckningsområde, så scannar den kontinuerligt etern efter andra blåtänder. Den
annonserar även sin egen närvaro med periodiska meddelanden, s.k. beacons. Dessa beacons
innehåller bland annat en, för varje blåtand, unik ID som finns inbränd i hårdvaran, ungefär
som Mac-adressen på ett ethernetkort. När två blåtandsbestyckade apparater så småningom
känner av varandras beacons, kommer de automatiskt att synkroniseras och koppla upp mot
varandra utan att användaren behöver göra något. Allt detta sköter blåtandschipet själv utan
inblandning från användaren genom att man lagt dessa ”link establishment”-delar av logiken
på chipet.
Själva förhandlingen mellan blåtänderna fungerar på så sätt att den ena blåtanden tar på sig
rollen som master medan den andra blir slav. Mastern bjuder sedan in slaven till
kommunikation genom en sorts annonsmeddelande. Slaven måste då svara om den är
intresserad av att kommunicera. När mastern fått detta svar skickar den över diverse
parametrar till slaven så att den kan synkronisera och etablera kontakt med mastern.
Denna typ av punkt-till-punkt länk kallas i blåtandstermer för ett piconet. Ett piconet kan dock
vara större än en ensam länk mellan två blåtänder. En master kan, i ett och samma piconet, ha
upp till 8 olika slavar i något som liknar ett stjärnnät. Flera slavar i ett piconet kan samtidigt
vara mastrar i andra piconet och därmed länka ihop flera piconet till ett scatternet. Figur 2
nedan ger en bra illustration av det hela.
Figur 2: Scatternet
När blåtandlänken är etablerad kan den ”riktiga” kommunikationen börja. Två typer av
dataöverföringar stöds, en synkron (SCO) för ljudöverföringar och en asynkron (ACL) för all
annan datatrafik. Den maximala överföringshastigheten för blåtandskommunikation är 1MB/s,
men om man räknar bort all länkupprätthållande overhead återstår ca 700kB/s för asynkrona
6
länkar. De synkrona länkarna kan bara överföra 64kB/s, men det går att använda tre SCOkanaler samtidigt över samma radiolänk.
Eftersom blåtänderna oftast är monterade i små batteridrivna apparater, så är låg
effektförbrukning en viktig egenskap. Därför har man låtit samma logik i chipet som sköter
länkuppkopplingen, att känna av länkpartnerns radiosignalstyrka. Därmed kan den minska sin
egen sändaramplitud efter behov.
Arkitekturen – hårdvara och protokollstack
För att få en överblick av blåtandens protokollstack se figur 3.
Radion
Vi börjar nerifrån det fysiska lagret med att förklara den trådlösa delen av blåtanden. Den
radioteknik som används kallas FHSS med GFSK modulering. Frequency Hopping Spread
Spectrum med Gaussian Frequency Shift Keying. Frequency Hopping för att radions bärvåg
byter frekvens 1600 gånger per sekund, Spread Spectrum för att frekvenshoppen sprider ut sig
på ett brett frekvensspektrum. GFSK är namnet på en moduleringsteknik där en positiv
ändring mot bärvågen ger en etta medan en negativ ändring ger en nolla. Blåtandens
frekvensband finns mellan 2,402-2,480 GHz och är licensfritt. I detta band hoppar blåtanden
mellan 79 olika kanaler med 1MHz bredd. Detta sker i en viss hoppsekvens och denna
sekvens är en av de parametrar som mastern delar med sig av vid synkroniseringen med en
slav. Det finns många olika hoppsekvenser och blåtanden undviker automatiskt att använda
samma sekvens som andra piconet i samma täckningsområde, en förutsättning för att kunna
använda blåtand på platser med mycket folk och många olika piconet.
Det finns tre olika typer av blåtandsradio baserat på dess uteffekt. Klass I ger 100mW
sändareffekt, klass II ger 2,5mW och klass III 1mW. Räckvidden för klass I är ca 100 meter
medan klass II och III går upp till 10m.
Frekvenshoppningstekniken bidrar till hög säkerhet mot avlyssning med spektrumanalysatorer
eftersom datat delas upp och skickas i små bitar lite här och där i frekvensområdet. Andra
blåtänder kan däremot enkelt hoppa med och lyssna av all trafik.
Figur 3: Bluetooth protokollstack
Baseband protocol (BBP)
7
Ovanför radion finns Basebandprotokollet (BBP). I detta protokoll definieras hur
piconet/scatternet kan skapas och hur olika datapaket som skickas över radion ska delas upp
eller sättas ihop. Man kan säga att BBP matar radion med lagom stora bitar att skicka iväg och
tar också emot det som kommer ifrån radions mottagare och plockar ihop något vettigt av det.
Basebandprotokollet skickar inkommande paket till och tar emot utgående paket från L2CAPprotokollet.
Link Manager Protocol (LMP)
Ett annat protokoll som finns nere på hårdvaran tillsammans med radion och
Basebandprotokollet är Linkmanagerprotokollet (LMP). Detta protokoll fungerar som en sorts
chef över Basebandprotokollet. Om BBP har alla verktygen för hur man kan kommunicera i
en blåtandsmiljö, så är LMP den som talar om för BBP NÄR det ska använda de olika
verktygen och vilka verktyg som ska användas. Det är LMP som är hjärnan bakom den första
master-slav uppkopplingen. Tidigare nämndes att en annan blåtandsbestyckad apparat lätt
kunde avlyssna din radiotrafik. För att undvika detta finns en möjlighet för användaren att
kryptera sin kommunikation. LMP är det protokoll som ansvarar för kryptering av
kommunikationen. LMP är också ansvarig för att minska radions uteffekt vid behov.
Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP)
L2CAP är det sista av de hårdvarunära protokollen. Dess uppgift är att hålla reda på en eller
flera kommunikationskanaler från olika protokoll högre upp i hierarkin. Ovanför detta
protokoll finns inte master-slav konceptet längre utan det är upp till L2CAP att förpacka de
olika protokollens data i lagom stora block för att skicka ner till BBP. Samma sak gäller för
det omvända. Stycka upp BBP-datat i rätt format för att skicka vidare uppåt.
RFCOMM, TCS, SDP
Alla protokoll som hittills nämnts och som benämns Transportprotokoll i figur 3, är alla
nödvändiga för att blåtandskommunikationen ska fungera. Middleware-protokollen är inte
nödvändigare än att någon av dem måste användas för att kommunicera med L2CAP.
RFCOMM används för alla applikationer som vill prata RS232 (seriell kommunikation) över
blåtandslänken. En hel del andra industristandardprotokoll kommunicerar också via
RFCOMM. TCS är ett sorts telefonmodemprotokoll för att kunna skicka upptagetsignaler och
dylikt. SDP är ett smart protokoll som kan lära sig vilka olika blåtandsapplikationer som
länkpartnern har stöd för.
Profiles
Bluetooth profiles är färdiga applikationer som finns definierade i blåtandsspecifikationen.
Bluetooth SIG insåg att det skulle bli lättare att sprida tekniken och få andra företag att
implementera blåtand om man kunde erbjuda ett framework med fördefinierade applikationer.
Om man till exempel installerar en USB-blåtand på sin laptop så följer det alltid med en CD
med drivrutiner och ett användarverktyg. I användarverktyget finns sedan en massa olika
inställningar man kan göra. Man kan till exempel välja om man vill kryptera
kommunikationen. För tillverkaren blir detta användarverktyg tämligen enkelt att
implementera eftersom man bara behöver göra själva grafiska användargränssnittet som ett
skal utanpå redan definierade profiles. Nedan följer några exempel på profiles tagna ur
Tanenbaum [Tan’03].
Generic access
8
Generic access är basen till de andra profilerna, den sätter upp och upprätthåller en länk
mellan två punkter.
Service discovery
Service discovery är, som namnet antyder, till för att upptäcka vilka tjänster som andra
enheter tillhandahåller. Den använder sig av SDP-protokollet. Generic access och Service
discovery är obligatoriska i alla enheter, de resterande nedan är frivilliga.
Serial port
Serial port emulerar en seriell förbindelse och används av andra profiler. RFCOMMprotokollet används av denna profil.
Generic object exchange
Denna profil är ännu ett block som andra profiler använder.
LAN access
LAN access används för att koppla ihop blåtandenheter med ett LAN. Profilen kan ses
som ett alternativ till Ethernet.
Dial-up network
Med hjälp av Dial-up kan en PDA koppla upp sig och ringa via en mobiltelefon.
Fax
För faxprofilen gäller samma sak som för Dial-up fast för faxöverföring.
Cordless telephony
Cordless telephony ger möjlighet att koppla ihop en bärbar telefon med en basstation.
Intercom
Med Intercom kan två bärbara telefoner fungera som walkie-talkies.
Headset
Headset används för att koppla ihop ett headset med en basstation, t.ex. handsfree till
mobiltelefoner.
Object push
Object push och de nedanstående profilerna används för att föra över filer mellan två
enheter.
File transfer
Syncronization
Produkter
Blåtand var från början främst avsett för WPAN med räckvidd på upp till 10m, men på senare
tid har fler och fler produkter med blåtandteknologi kommit ut på marknaden som konkurrerar
9
med det traditionella Ethernet, t.ex. bredbandsrouters och PC-cards som möjliggör
uppkoppling mot Internet via blåtand.
Inom mobiltelefoni finns det en uppsjö med produkter som använder blåtand till handsfree,
bildöverförning, m.m. Det finns också hörselskydd med blåtandteknologi. De är integrerade
med ett handsfree och en mobiltelefon. När mobiltelefonen ringer bryts radiosändningen som
pågår i vanliga fall i hörselskydden och man kan istället prata i telefon.
Inom medicin har blåtand börjat användas. För det mesta handlar det om övervakning av
patienters hälsa över Internet. Det finns flera produkter på marknaden som i patientens hem
läser av puls, blodtryck mm, data skickas sedan via blåtand till en omvandlare som lägger upp
informationen på Internet så att patientens läkare kan övervaka hälsan på avstånd. Det här
leder till att patienter kan skickas hem från sjukhus tidigare och det blir lättare att få vård i sitt
eget hem. Det finns även liknande apparater till ambulanser som då skickar data först via
blåtand och sedan via GSM eller dylikt från ambulansen till sjukhuset.
Blåtand används också för GPS. GPS-mottagaren överför sin position via blåtand till en
laptop, PDA eller mobiltelefon. Där kan man sedan få upp en karta med sin position
inprickad.
Andra användningsområden är trådlösa möss/tangentbord, överföring av musik till en MP3spelare, överföring av bilder mellan digitalkameror och datorer eller skrivare, olika leksaker,
t.ex. radiostyrd (blåtandstyrd) bil eller trådlöst spelande mot andra personer med handhållna
spelkonsoler.
Problem
Det finns en del problem med blåtandstekniken som kan vara värda att ta upp. De flesta av
dessa härrör till valet av frekvensband. Eftersom frekvensbandet är fritt och ingen licens
behövs, så finns också en massa andra radiosändare i samma band med störningar som följd.
En av de tekniker som delar 2,4 GHz bandet med blåtand är IEEE 802.11b trådlösa
datanätverk. Dessa nät har på senare år blivit väldigt populära och finns därför på många
ställen, bl.a. på MdH. Problemet med 802.11b-nät är att de dels har lika hög uteffekt som den
starkaste blåtanden (100mW) dels att de flesta av dem använder DSSS-teknik, Direct
Sequence Spread Spectrum, istället för frekvenshoppning. DSSS-tekniken gör att bärvågen
inte hoppar runt som en smal spik här och där i frekvensområdet, utan ligger kontinuerligt
kvar på ett brett spektrum som täcker ca en tredjedel av hela det fria bandet. Följden av detta
blir att blåtanden får svårt att skicka över sitt data eftersom flera av hoppen störs. Samtidigt
hoppar blåtanden sönder kommunikationen för 802.11b-radion. Den senare har också ett sorts
”kollisionsundvikar”-protokoll som tvingar den att vara tyst om den hör annan trafik. Den kan
med andra ord bli helt tyst om en blåtand är för nära. IEEE har utarbetat en del förslag på hur
man kommer runt dessa problem. Bland annat har man föreslagit att blåtanden ska använda
sig av en sorts adaptiv frekvenshoppning, ADH, som går ut på att man upptäcker störda hopp
och byter ut dem mot säkra dito [IEEE 2].
Ett annat problem är mikrovågsugnar. Du värmer maten på samma frekvens (ca 2,45 GHz)
som din blåtand, men med minst 10 000 gånger högre effekt. Om en mikrovågsugn skulle
läcka en promille av all effekt, och det gör den med råge, så är detta läckage 10 gånger
starkare än den starkaste blåtandsradion.
Detta leder oss in på ett tredje problem: Hälsan. Med tanke på att människan består till största
delen av vatten, är det då klokt att ha mikrovågor, med vattens självsvängningsfrekvens, så
nära kroppen?
10
Ett annat, icke frekvensrelaterat, problem är överföringshastigheten. 1MB/s räcker inte långt
om man t.ex. vill se någorlunda högupplöst video.
SLUTSATSER
Blåtandstekniken är inte längre purung men fungerar fortfarande utmärkt för det den
egentligen var avsedd för. Ljudöverföringar eller små datamängder fungerar bra, men för att
överleva på längre sikt måste den vidareutvecklas för högre överföringshastigheter. Idag finns
dock ingen annan teknik som kan konkurrera till samma pris. Om man även i framtiden lyckas
tona ner riskerna med den kroppsnära mikrovågsstrålningen och tillräckligt många upptäcker
att det är bekvämt att kunna koppla ihop alla sina trådlösa apparater, så kanske det skapas ett
behov av blåtand precis som det skapades ett behov av mobiltelefoner i början på 90-talet. Än
har vi inte nått den punkten, men vi gör det säkert så småningom.
REFERENSER
[IEEE 1] “IEEE standard 802.15.1: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical
Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)”
Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
14 June 2002. Print: SH94963
[IEEE 2] “IEEE standard 802.15.2: Coexistence of Wireless Personal Area Networks with
Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands”
Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
28 August 2003 Print: SH95135
[Tan’03]A S Tanenbaum, ”Computer Networks”, 4:e upplagan, Prentice Hall, ISBN 0-13038488-7, 2003, s 310-317
[SIG 1] The official Bluetooth Website. ”Specification documents”
<http://www.bluetooth.org/spec/>
[Iserson’03] Lauren Iserson, Scott Mahdik, Greg Hansen (2003) ”The History of Bluetooth”
University of Michigan
http://www-personal.umich.edu/~gjhansen/bluetooth/history.html (Läst i oktober 2004)
11
