اشاره :
چنان كه مي‌دانيد بلوتوث استانداردي براي ارتباطات بي‌سيم با برد كوتاه، مصرف توان و قيمت كم است كه از فناوري راديويي استفاده مي‌كند. در اصل، شركت ‌اريكسون (توليدكننده بزرگ گوشي موبايل) در سال 1994، بلوتوث را به عنوان جايگزيني براي كابل در نظرگرفته بود، اما اين استاندارد امروزه در بسياري از انواع تجهيزات همچون تجهيزات هوشمند (PDAها، گوشي‌هاي همراه، پي‌سي‌ها)، ادوات جانبي (ماوس، صفحه‌كليد، جوي استيك، دوربين‌ها، قلم‌هاي ديجيتال، چاپگرها، نقاط دستيابي LAN)، ابزارهاي جانبي صوتي (هدست‌ها، بلندگوها، گيرنده‌هاي استريو) و تجهيزات Embedded (قفل‌هاي اتومبيل، سيستم‌هاي صنعتي، ابزار موسيقي MIDI) گنجانده شده و فراگير شده است. در مقاله حاضر ويژگي‌هاي فني اين استاندارد مورد بررسي قرار گرفته‌اند.


منبع: IEEE Potentials

شركت اريكسون، اوايل سال 1998، براي تشكيل گروه Bluetooth Special Interest Group) SIG) به شركت‌هاي اينتل، نوكيا، توشيبا و IBM ملحق شد. شركت‌هاي مايكروسافت، موتورولا، 3Com و Lucent/Agere نيز در اواخر سال 1999 به اين گروه اضافه شدند. در نهايت فعاليت اعضاي اين گروه به تبديل‌شدن بلوتوث به يك استاندارد باز انجاميد تا سازگاري و پذيرش آن در بازار با سرعت بيشتري امكان‌پذير گردد.

مشخصات و ويژگي‌هايي كه توسط گروه SIG تعيين شد، به صورت رايگان در وب سايت رسمي بلوتوث قابل دسترسي است. در حال حاضر فناوري بلوتوث توسط بيش از 2100 شركت در سراسر دنيا حمايت مي‌شود. فناوري شبكه بي‌سيم شخصي (WPAN) نيز كه بر پايه بلوتوث است، اكنون به يك استاندارد IEEE تحت‌عنوان 802.51 WAPNs تبديل شده است. در سال 2003 تخمين زده مي‌شد كه عرضه تجهيزات همراه با فناوري بلوتوث تا سال 2005 به يك ميليارد واحد برسد.

مجموعه قوانين بلوتوث بيان مي‌كند كه دستگاه‌هاي مبتني بر اين استاندارد چطور براي ايجاد ارتباط، خود را گروه‌بندي مي‌كنند. يك شبكه شخصي بي‌سيم با فناوري بلوتوث (BT-WPAN) از Piconetها تشكيل شده است. هر Piconet مجموعه‌اي از حداكثر هشت دستگاه بلوتوث است. يك دستگاه به عنوان Master و سايردستگاه‌ها به عنوان Slave تعيين مي‌شوند. همان‌طور كه دربخش Piconet در ادامه همين مقاله توضيح داده شده است، دوPiconet مي‌توانند از طريق يك دستگاه  بلوتوث مشترك (يك Gateway يا Bridge) جهت تشكيل يك Scatternet به يكديگر متصل شوند. اين Piconet هاي متصل به هم در يك Scatternet، تشكيل يك زيرساخت (Backbone) براي شبكه موبايل (Mobile Area Network) مي‌دهند و به اين طريق دستگاه‌هايي كه نمي‌توانند به طور مستقيم با يكديگر در ارتباط باشند يا دستگاه‌هايي كه خارج از محدوده برد ديگري هستند را قادر مي‌سازد داده‌ها را از طريق چندين Hop (جهش) در Scatternet، انتقال دهند.

پياده‌سازي فعلي بلوتوث اساساً مبتني بر لينك‌هاي ساده نقطه به نقطه (Point-to-Point) ميان دستگاه‌هاي بلوتوث در داخل محدوده بُرد يكديگر است. با اين حال، مجموعه قوانين تعريف‌شده بلوتوث نه تنها راه حلي براي يك ارتباط نقطه به نقطه ارائه مي‌دهد، بلكه براي توپولوژي‌هاي شبكه‌اي پيچيده‌تر نيز راه‌حل دارد. بنابراين هدف، شكل دادن Scatternetهاي بلوتوث به نحوي است كه ارتباطات مؤثر و كارآمد را روي چندين Hop و با صرف زمان و توان مورد قبول فراهم كنند تا راه‌حل‌هاي End-to-End (ارتباط از هر نقطه به نقطه ديگر) قابل پياده‌سازي باشند.

شكل 1 - مجموعه پروتكل‌هاي بلوتوث‌

Protocol Stack در بلوتوث
مجموعه پروتكل در بلوتوث، از نظر منطقي به سه گروه تقسيم مي‌شود: گروه پروتكل Transport، گروه پروتكلMiddleware و گروه Application (شكل 1). 

گروه پروتكل Transport به دستگاه‌هاي  بلوتوث اجازه مي دهد مكان يكديگر را پيدا كنند و لينك‌هاي فيزيكي و منطقي (غيرفيزيكي) با پروتكل‌ها و Applicationهاي لايه هاي بالاتر را مديريت كنند. توجه داشته باشيد كه كاربرد كلمه Transport در گروه پروتكل Transport به معني همپوشاني آن با لايه Transport در مدل OSI (سرنام Open Systems Interconnection) نيست، بلكه اين پروتكل با لايه  فيزيكي و لايه Data-Link در مدل OSI تطابق دارند.

لايه‌هاي Radio Baseband ،Link Manager ،Logical Link Control و لايه‌هاي ‌(Adaptation L2CAP) و Host Controller Interface) HCI) در گروه پروتكل Transport جاي دارند. اين پروتكل‌ها از هر دو روش انتقال سنكرون و غيرسنكرون پشتيباني مي‌كنند. تمام پروتكل‌هاي اين گروه بايد از ارتباطات بين دستگاه‌هاي بلوتوث پشتيباني نمايند.

گروه پروتكل ميان‌افزار هم شامل پروتكل‌هاي استاندارد صنعتي و Third-Party و هم پروتكل‌هاي تدوين‌‌شده SIGاست. اين پروتكل‌ها به applicationهاي جديد و قديمي اجازه مي‌دهند روي لينك‌هاي بلوتوث عمل كنند. پروتكل‌هاي استاندارد صنعتي شامل پروتكل نقطه به نقطه ‌(PPP ،IP ،TCP ،WAP) و پروتكل‌هاي (object exchange OBEX)، كه از 1IrDA (سرنام Infrared Data Association) اقتباس شده‌اند، مي‌باشند.

پروتكل هاي بلوتوث كه توسط SIG توسعه داده شده‌اند، شامل موارد زير است:

1- يك شبيه‌ساز پورت سريال (2RFCOMM6) كه applicationهاي از قبل آماده شدهِ شركت‌ها را قادر مي‌سازد به طور يكپارچه روي پروتكل‌هاي انتقال بلوتوث كار كنند.

2- يك پروتكل سيگنالينگ كنترل تلفني 3(TCS) به صورت Packet-Based، براي مديريت عمليات تلفني

شكل 2- تعامل با پروتكل‌ها و Applicationهاي موجود

3- يك پروتكل يابنده‌سرويس 4(SDP) كه به دستگاه‌ها اجازه مي‌دهد درباره سرويس‌هاي در دسترس يكديگر اطلاعاتي به‌دست آورند. همان‌طور كه در شكل 2 مشخص است، استفاده مجدد از پروتكل‌هاي موجود و اينترفيس يكپارچه با Applicationهاي موجود، بالاترين اولويت در تهيه مجموعه قوانين بلوتوث بوده است.

گروه پروتكل‌هاي Application شامل Applicationهاي قديمي است كه از لينك‌هاي بلوتوث استفاده مي‌كنند. اين‌ها مي‌توانند هم شامل اپليكيشن‌توليد شده از قبل توسط شركت‌ها و هم شامل آن‌هايي كه قابليت بلوتوث دارند، باشند. در ادامه، مختصراً درباره لايه‌هاي موجود در گروه Transport بحث مي‌شود.

‌●‌ Radio Layer: مجموعه قوانين و ويژگي‌هاي اين لايه در وهله اول مربوط به طراحي Bluetooth Transceiverها (فرستنده-گيرنده) مي‌باشد.

‌● Baseband layer: اين لايه مشخص مي‌كند كه چطور دستگاه‌هاي بلوتوث ساير دستگاه‌ها را جست‌وجو مي‌كنند و به آن‌ها وصل مي‌شوند. حالت‌هاي Master و Slave كه يك دستگاه ممكن است به خود بگيرد و همين طور ترتيب جهش‌هاي فركانسي‌ (frequency-hopping sequence) مورد استفاده توسط دستگاه‌ها در اين لايه تعريف شده‌اند. دستگاه‌ها از روش Packet-Based Polling به صورت 5TDD جهت در اختيار گرفتن اينترفيس هوا استفاده مي‌كنند.

هر يك از دستگاه‌هاي Master يا Slave فقط در اسلات زماني ‌(Time Slot) خود كه قبلاً به آن‌ها اختصاص داده شده است اقدام به ارسال يا دريافت اطلاعات مي‌كنند. همچنين در اين لايه، انواع بسته‌هاي داده ‌(packet)، روال‌هاي پردازش بسته‌ها و استراتژي كشف و اصلاح خطا، كدگذاري، انتقال بسته‌هاي داده و انتقال مجدد بسته‌ها
‌(Retransmission) تعريف شده‌اند.

لايه Baseband، دو نوع لينك را پشتيباني مي‌كند: 6SCO و 7ACL انتقال متناوب بسته‌هاي داده به صورت
Single-Slot از ويژگي‌هاي لينك‌هاي SCO به شمار مي‌رود. اين نوع لينك اساساً براي انتقال صدا استفاده مي‌شود كه نيازمند انتقال داده سريع و منسجم است. دستگاهي كه يك لينك SCO را ايجاد مي‌كند، اسلات‌هاي زماني مشخصي را براي استفاده خود رزرو مي‌كند. بسته‌هاي داده چنين دستگاهي به عنوان بسته‌هاي با اولويت بالا تلقي مي‌شوند و قبل از هر بسته ACL سرويس‌دهي مي‌شوند. يك دستگاه با لينك ACL مي‌تواند بسته‌هاي با اندازه‌هاي متفاوت و با اسلات‌هاي  زماني  به طول 1، 3 و 5 ارسال كند، ولي برخلاف لينك SCO، هيچ اسلات زماني رزرو شده براي آن ندارد.

‌● Link Manager: اين لايه، پروتكل مديريت لينك 8(LMP) را پياده‌سازي مي‌كند. مسئوليت اين پروتكل، مديريت خواص لينك ارتباطي (اينترفيس هوا) بين دستگاه‌ها است. پروتكل LMP عملياتي همچون اختصاص پهناي‌ باند براي عموم داده‌ها، رزرو پهناي‌ باند براي ترافيك صوتي، تشخيص هويت (authentication) به روش Challenge-response، ايجاد ارتباط مطمئن ميان دستگاه‌ها ‌(Trust Relationships)، رمزگذاري داده‌ها و كنترل مصرف توان دستگاه‌ها را مديريت مي كند.

‌‌‌●‌ 9L2CAP Layer: اين لايه اينترفيسي بين پروتكل‌هاي لايه‌هاي بالاتر و پروتكل‌هاي انتقال در لايه‌هاي پايين‌تر فراهم مي‌كند. L2CAP استفاده از يكي از پروتكل‌هاي متعدد لايه بالا (مانند RFComm و SDP) در هر زمان را پشتيباني مي‌كند. (Multiplexing) اين ويژگي، امكان به اشتراك‌گذاري اينترفيس هوا توسط چندين پروتكل و Application را فراهم مي‌كند. L2CAP مسئول قطعه‌قطعه‌كردن بسته‌ها (Segmentation)، اتصال مجدد آن‌ها ‌(Reassembly) و حفظ سطح سرويس توافقي بين دستگاه‌ها نيز هست.

‌● 10HCI Layer: اين لايه يك اينترفيس استاندارد براي Applicationهاي لايه بالاتر جهت دسترسي به لايه‌هاي پايين‌تر پشته پروتكل ‌(Protocol Stack) تعريف مي‌كند. وجود اين لايه در مجموعه قوانين الزامي نيست. هدف از آن، كمك به تعامل ميان دستگاه‌ها ‌و استفاده از Applicationها و پروتكل‌هاي موجود در لايه‌هاي بالاتر است.

ارتباط و انتقال داده
دستگاه Transceiver (گيرنده-فرستنده) در بلوتوث يك دستگاه مبتني‌ بر جهش فركانسي ‌(Frequency Hopping) به صورت Spread Spectrum است ‌(FHSS) كه از باند فركانسي 11ISM با فركانسي مياني 2.4GHz استفاده مي كند كه در سراسر دنيا بدون نياز به اخذ مجوز  قابل استفاده است. در بيشتر كشورها، 79 كانال در دسترس است. با اين حال، بعضي از كشورها فقط اجازه استفاده از 23 كانال آن را مي‌دهند.
 
قوانين و ضوابط 12FCC، حداكثر توان خروجي مجاز را به يك وات محدود و ملزم مي‌سازد كه حداقل 75 كانال از 79 كانال در حالت شبه‌تصادفي يا Pseudo Random مورد استفاده قرار بگيرند. يك دستگاه نمي‌تواند  روي يك كانال مشخص بيش از چهار دهم ثانيه در هر دوره 30 ثانيه‌اي كار كند. اين محدوديت‌ها براي كم كردن مقدار تداخلات در باند ISM اعمال شده‌اند كه توسط دستگاه‌هاي 802.11b/g، دستگاه‌هاي Home RF، تلفن‌هاي موبايل و اجاق‌هاي مايكروويو نيز استفاده مي‌شود.

بلوتوث از روش انتقال بسته‌هاي داده بر اساس Polling-Based Packet Transmission استفاده مي‌كند. تمام تبادل اطلاعات بين دستگاه‌ها تنها بين يك دستگاه Master و يك دستگاه Slave و بر اساس روش TDD انجام مي‌گيرد. هيچ ارتباط مستقيمي بين دو دستگاه Slave وجود ندارد.

دستگاه Master از هر دستگاه Slave كه در حالت Active باشد، پرس و جو مي‌كند تا مطمئن شود كه آيا داده‌اي براي ارسال دارد يا خير. دستگاه Slave تنها زماني كه Poll روي آن انجام گرفت، مي‌تواند داده خود را ارسال كند. همچنين دستگاه Slave بايد داده خود را در اسلات زماني ‌(Time Slot) بلافاصله بعد از اسلات زماني كه در آنPolling صورت گرفته است، ارسال كند.

دستگاه Master فقط در اسلات‌هاي زماني زوج بسته‌هاي داده را ارسال مي‌كند. در حالي كه Slave فقط در اسلات‌هاي زماني فرد اطلاعات مورد نظر را ارسال مي‌كند. در هر اسلات زماني، يك كانال فركانسي متفاوت f استفاده مي‌شود (يك Hop در ترتيب جهشي).

Piconet
مشخصات بلوتوث، يك Piconet را به صورت يك مجموعه موقتي و خود به خود شكل گرفته از دستگاه‌هاي بلوتوث تعريف مي‌كند. در يك Piconet يك دستگاه  نقش Master را دارد و ساير دستگاه‌ها Slave خواهند بود. در حالي كه محدوديتي روي مجموع تعداد slave‌هاي يك piconet وجود ندارد، ولي حداكثر هفت Slave در هر زمان مي‌توانند در حالت Active باشند. اگر بيش از هفت Slave وجود داشته باشد، ساير آن‌ها بايد در حالت Parked باشند (اين حالت‌ها در ادامه توضيح داده شده‌اند). حداكثر تعداد Slaveها در حالت Parked ،255 عدد در هر Piconet است، اگر از آدرس‌دهي مستقيم از طريق <آدرس Slave درحالت Parked> كه توسط SIG تعريف شده، استفاده كنند.

حال آن كه آدرس‌دهي غير‌مستقيم Slaveهاي در حالت parked از طريق آدرس مخصوص دستگاه بلوتوث نيز مجاز است كه در اين صورت مي‌توان هر تعداد Slave در حالت Parked در شبكه داشت. براي دوباره فعال كردن يك Slave  كه در حالت Parked است، دستگاه Master بايد ابتدا وضعيت يك Slave كه در حالت Active است را به Parked تغيير دهد.

هنگامي كه دو دستگاه بلوتوث وارد محدوده ارتباطي مي‌شوند، به برقراري ارتباط با يكديگر اقدام مي‌كنند. اگر هيچPiconet در آن زمان موجود نباشد، روال ايجاد يك Piconet آغاز مي‌شود. يك دستگاه (معمولاً هماني كه اقدام به آغاز ارتباط كرده بود)، Master مي‌شود و دستگاه ديگر نقش Slave را به‌عهده مي‌گيرد.

 هر دستگاه بلوتوث در داخل يك Piconet مي‌تواند يكي از نقش‌هاي Master ،Slave يا Bridge را به عهده گيرد. اين نقش‌ها موقتي هستند و تنها تا زماني كه خود Piconet وجود دارد، موجود هستند. اين دستگاه Master است كه فركانس، ترتيب جهش فركانسي، زمانبندي (براي وقوع جهش‌ها) و ترتيب فراخواني (Slave Polling‌ها) را تعيين مي‌كند. همچنين دستگاه Master مسئول صدور دستورالعمل جهت تعويض وضعيت Slaveها به حالت‌هاي مختلف در طول دوره عدم فعاليت است.

جهت ملحق شدن Slave به Piconet، دستگاه Master و Slave بايد اطلاعات مربوط به آدرس و ساعت را با هم رد و بدل كنند. هر يك از دستگاه‌هاي بلوتوث يك Global ID منحصر به فرد دارند كه براي ايجاد الگوي Hopping (جهش) استفاده مي‌شود. راديوي Master، اطلاعات Global ID و Offset ساعت خود را با هر Slave در Piconet خود به اشتراك مي‌گذارد تا Offset مورد استفاده در الگوي Hopping را فراهم كند.

يك Slave بايد قادر باشد ترتيب جهش فركانسي موجود در Piconet كه به آن ملحق شده است را دوباره ايجاد كند. همچنين بايد بداند در هر زمان از چه فركانسي استفاده كند و بايد خودش را با ساعت Master هماهنگ
(synchronize) كند.

دستگاه slave در واقع ساعت خود را تنظيم نمي‌كند، بلكه ساعت Master را دنبال مي‌كند و برنامه ارسال خود را طبق آن تنظيم مي‌نمايد.

 يك دستگاه Bridge يا (Gateway) در بلوتوث، دو يا چند Piconet را براي ارتباطات Multi-Hop (چندجهشي) به هم متصل مي‌كند. Bridge با تمام Piconet هايي كه به آن‌ها متصل است، ارتباط برقرار مي‌كند. به اين ترتيب كه هر زمان كه آماده برقراري ارتباط است، خود را با ساعت هر يك از Piconetها هماهنگ مي‌كند.

با اين حال، تنها با يك Piconet در هر زمان مي‌تواند در ارتباط باشد. از آن جايي كه Bridge براي ارتباط با هر Piconet متصل به آن، از يك زمانبندي ساعت ‌(Clocking) به زمانبندي ديگر تغيير وضعيت مي‌دهد، يك بار اضافي را تحميل مي‌كند كه مي‌تواند آن را به گلوگاه‌ تبديل‌ كند. يك دستگاه Bridge مي‌تواند در تمام Piconetهايي كه به آن‌ها متصل است، Slave باشد يا در يك Piconet به عنوان Master و در ساير آن‌ها Slave باشد. اتصال دو يا چند Piconet از طريق دستگاه‌هاي Bridge منجر به ساختاري در بلوتوث به نام Scatternet مي‌شود.
 
همان‌طور كه شكل3 نشان مي‌دهد، يك دستگاه  بلوتوث مي‌تواند در يكي از حالت‌هاي زير باشد: Standby ،Inquiry ،Page ،Connected ،Transmit ،Hold ،Park يا Sniff. يك دستگاه هنگامي در حالت Standby قرار مي‌گيرد كه روشن است، ولي هنوز به piconet ملحق نشده است. هنگامي كه چنين دستگاهي درخواست‌هاي خود را براي يافتن ساير دستگاه‌هايي مي‌فرستد كه ممكن است به آن‌‌ها متصل شوند، وارد حالت Inquiry مي‌شود.

شكل 3- حالت‌هاي مختلف يك دستگاه در بلوتوث


هنگامي كه Master موجود در يك Piconet قصد دارد پيام‌هايي را جهت يافتن دستگاه‌هاي ديگر بفرستد و آن‌ها را براي ملحق شدن به Piconet دعوت كند، در حالت Page قرار مي‌گيرد. وقتي ارتباط موفق بين Master و دستگاه جديد برقرار مي‌شود، دستگاه جديد به وضعيت Slave در مي‌آيد و وارد حالت Connected مي‌شود و يك آدرس فعال ‌
(Active) دريافت مي‌كند. تا هنگامي كه Slave در وضعيت Connected است، مي‌تواند در زمان‌هايي كه Master آن را بازخواني ‌(Poll) مي‌كند، داده خود را ارسال كند. يك Slave در طول زمان ارسال داده خود، درحالت Transmit است و در پايان ارسال، به حالت Connected بر مي‌گردد.

حالت Sniff وضعيتي است كه دستگاه مصرف توان پايين‌تري دارد و در واقع Slave در مدت اسلات‌هاي زماني از پيش تعريف‌شده، مي‌خوابد (Sleep) و در اسلات زماني مقرر، جهت انتقال داده بيدار مي‌شود. سپس به حالت غيرفعال خود بر‌مي‌گردد تا زمان Sniff تعيين شده بعدي براي آن فرا رسد. حالت Hold، وضعيت ديگري با مصرف توان پايين است كه دستگاه Slave براي مقدار زمان از قبل مشخص‌شده فعال ‌(Active) نيست. هيچ انتقال داده‌اي در حالتHold اتفاق نمي‌افتد. هنگامي كه دستگاه Slave، هيچ داده‌اي براي دريافت يا ارسال ندارد، Master مي‌تواند فرمان دهد كه Slave به حالت Parked برود. هنگامي كه Slave به حالت Parked برود، آدرس Active خود را در Piconet رها مي‌كند. سپس آدرس به Slave ديگري كه Master قصد تغيير وضعيت آن از حالت Parked و دوباره فعال كردن آن را دارد، داده مي‌شود.

نتيجه گيري‌
فناوري بي سيم بلوتوث چندين نكته كليدي دارد كه منجر به سهولت پذيرش گسترده آن مي‌شود و در ادامه به برخي از آن‌ها اشاره مي‌كنيم:

1- مجموعه قوانين آن باز است و توسط همگان قابل دسترس و رايگان است.

2- ويژگي بي‌سيم با بُرد كوتاه آن، دستگاه‌هاي جانبي را قادر مي‌سازد روي يك اينترفيس (هوا) تبادل اطلاعات كنند و بنابراين جايگزيني است براي كابل‌ها كه شامل كانكتورهايي با انواع شكل و اندازه و تعداد Pinها مي‌باشند.

3- بلوتوث هم از صدا و هم از ديتا پشتيباني مي‌كند و اين ويژگي آن را به عنوان فناوري ايده‌آلي درآورده است كه انواع دستگاه‌ها را قادر مي‌سازد با يكديگر ارتباط برقرار كنند.

4- بلوتوث از باند فركانسي‌اي استفاده مي‌كند كه در تمام دنيا در دسترس است.

پي‌نوشت‌
1- انجمني كه خصوصيات فيزيكي و استانداردهاي پروتكل ارتباطي براي تبادل اطلاعات با استفاده از امواج مادون قرمز و در مسافت‌هاي كوتاه را تعريف مي كند.

2- RFC سرنام Radio Frequency Communication 
3- Telephony Control Signaling
4- Service Discovery Protocol
5- Time Division Duplexing
6- Synchronous Connection-Oriented 
7- Asynchronous Connection-Less
8- Link Manager Protocol
9- Logical Link Control and Adaptation Protocol
10- Host Controller Interface
11- Industrial Scientific Medical
12- Federal Communications Commission