آشنايي با Bluetooth و کارکرد آن

راه‌هاي مختلفي براي اتصال دستگاه‌هاي الکترونيکي به يکديگر وجود دارد. به عنوان مثال:
- بسياري از کامپيوترهاي دسک‌تاپ داراي يک واحد پردازش مرکزي مي‌باشند که به يک ماوس، صفحه کليد، چاپگر و غيره متصل مي‌شود.
- Personal Digital Assistant) PDA) به طور معمول با استفاده از يک کابل و يک پايه (Cradle) به کامپيوتر متصل مي‌شود.
- تلويزيون به طور معمول با استفاده از يک دستگاه کنترل از راه دور با VCR و جعبه کابل مرتبط مي‌شود.
- تلفن بي سيم با استفاده از امواج راديويي به پايه خود متصل مي‌شود و احتمالا هدفوني دارد که با يک سيستم به تلفن متصل مي‌شود.
- در يک سيستم استريو، پخش‌کننده سي‌دي وديگر دستگاه‌هاي صوتي به گيرنده‌اي متصل مي‌شوند که خود به بلندگوها وصل است.
هنگامي که از کامپيوترها، سيستم‌هاي سرگرمي و تلفن استفاده مي‌کنيد بخش‌هاي مختلف اين سيستم‌ها مجموعه‌اي از دستگاه‌هاي الکترونيکي را تشکيل مي‌دهند. اين دستگاه‌ها با استفاده از سيم، کابل، امواج راديويي، اشعه مادون قرمز و حتي انواع مختلف کانکتورها، اتصالات و پروتکل‌ها، با يکديگر ارتباط برقرار مي‌کنند. هنر اتصال دادن دستگاه‌هاي الکترونيکي هر روز پيچيده‌تر مي‌شود. گاهي اوقات احساس مي‌کنيم براي نصب و راه‌اندازي اين دستگاه‌ها در خانه خود، بايد مدرک دکترا در مهندسي الکترونيک داشته باشيم. اما در اينجا به روش کاملا متفاوتي براي ايجاد اتصالات اشاره مي‌کنيم که Bluetooth نام دارد. Bluetooth بي‌سيم و اتوماتيک بوده و ويژگي‌هايي جالبي دارد که زندگي روزانه ما را در ارتباط با نصب دستگاه‌ها آسان مي‌سازد.

مشکلات

وقتي قرار است دو دستگاه با يکديگر ارتباط برقرار کنند ابتدا بايد درباره تعدادي از نکات توافق داشته باشند. اولين نکته جنبه فيزيکي دارد: آيا ارتباط آنها از طريق سيم خواهد بود يا از طريق سيگنال‌هاي بي‌سيم. در صورت استفاده از سيم چه تعداد از آن مورد استفاده خواهد بود، يک سيم، دو سيم، هشت سيم يا 25 سيم؟ بعد از تعيين نوع فيزيکي ارتباط مسايل ديگري مطرح مي‌شوند:
- اطلاعات مي‌توانند به صورت يک بيت در هر بار ارسال شوند که به اين حالت ارتباط سريال گفته مي‌شود. اگر اطلاعات به صورت گروهي از بيت‌ها (معمولا 8 يا 16 بيت در هر بار) ارسال شوند به آن ارتباط پارالل گفته مي‌شود. يک کامپيوتر دسک تاپ از هر نوع ارتباط براي اتصال به دستگاه‌هاي مختلف استفاده مي‌کند به عنوان مثال مودم‌ها ، ماوس‌ها و صفحه کليد‌ها از طريق ارتباط سريال و چاپگرها از طريق ارتباط پارالل به کامپيوتر متصل مي‌شوند.
- دستگاه‌هاي متصل شده به هم بايد منظور و معني بيت‌هاي ارسالي را دريافته و بدانند که آيا پيغامي که آنها دريافت کرده‌اند همان پيغامي است که ارسال شده. در اکثر موارد اين موضوع به معناي توسعه يک زبان دستور و پاسخ است که پروتکل ناميده مي‌شود. تعدادي از محصولات داراي پروتکل استانداردي مي‌باشند که تمامي شرکت‌ها از آن استفاده مي‌کنند تا دستورات مربوط به يک محصول در مورد محصول ديگر در مجموعه متصل شده نيز صدق کند. مودم‌ها از جمله ابزارهايي هستند که در اين مقوله قرارمي‌گيرند. ديگر انواع محصولات هر کدام به زبان خاص خود ارتباط برقرار مي‌نمايند. اين به آن معناست که دستورات در نظر گرفته شده براي يک محصول خاص اگر توسط دستگاه ديگر دريافت شود براي آن نامفهوم خواهد بود. چاپگرها با چندين استاندارد مانند PCL و PostScript در اين مقوله جاي مي‌گيرند.
شرکت‌هاي توليد کننده کامپيوتر، سيستم‌هاي سرگرمي و ديگر وسايل الکترونيکي دريافته‌اند که تعداد بيشمار کابل‌ها و کانکتورهاي محصولاتشان، نصب صحيح يک سيستم کامل را براي بار اول حتي براي متخصصان مشکل مي‌سازد. راه‌اندازي کامپيوترها و سيستم‌ها‌ي خانگي روز به روز پيچيده‌تر شده و شخص خريدار بايد تمامي جزييات مربوط به اتصال کليه قسمت‌ها را ياد گرفته و به خاطر بسپارد. بنابراين براي رفع اين مشکلات به روش بهتري براي ايجاد ارتباط بين دستگاه‌ها نياز داريم. در اينجاست که Bluetooth معرفي مي‌شود.

Bluetooth چيست؟

Bluetooth استانداردي است که توسط گروهي از توليد کنندگان عرضه شده و به انواع دستگاه‌ها - از کامپيوترها و تلفن‌هاي سلولي تا صفحه کليدها و هدفون‌ها- امکان مي‌دهد تا با ارتباطات خاص خود با دستگاه ديگر ارتباط برقرار نمايند (البته بدون سيم، کابل يا هر گونه عملکرد از طرف کاربر). Bluetooth در دو سطح کار مي‌کند:
- اين استاندارد توافق در سطح فيزيکي را فراهم مي‌سازد- Bluetooth يک استاندارد فرکانس راديويي است.
- Bluetooth توافق در سطح بالاتر را نيز فراهم مي‌سازد بدين معني که محصولات بايد نسبت به زمان ارسال بيت‌ها، تعداد بيت‌هاي ارسالي در هر بار و چگونگي حصول اطمينان از اينکه پيغام‌هاي دريافت شده همان پيغام‌هاي ارسال شده هستند، با يکديگر توافق داشته باشند.
شرکت‌هاي متعلق به گروه Bluetooth Special Interest، که تعداد آنها بالغ بر 1000 شرکت است، تمايل دارند که ارتباطات راديويي Bluetooth در اتصال تجهيزات جانبي، تلفن‌ها و کامپيوترها جايگزين سيم شود.

ديگر اتصالات بي‌سيم

در حال حاضر دو راه براي کنار گذاشتن سيم‌ها وجود دارد. اولين روش انتقال اطلاعات از طريق اشعه‌هاي نوري در طيف مادون قرمز مي‌باشد. مادون قرمز يعني امواج نوري با فرکانسي پايين‌تر از فرکانسي که چشمان انسان مي‌تواند دريافت و تعبير کند. مادون قرمز در اکثر دستگاه‌هاي کنترل از راه دور تلويزيون‌ها استفاده مي‌شود و در ضمن به همراه استانداردي به عنوان IrDA يا Infrared Data Association براي اتصال کامپيوترها به تجهيزات جانبي به کار گرفته مي‌شود.
مادون قرمز براي اکثر سيستم‌هاي خانگي و کامپيوتر، در حالت ديجيتال مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ارتباطات مادون قرمز نسبتا قابل اعتماد بوده و هزينه بالايي ندارد. اما دو نقطه ضعف در اينگونه اتصالات ديده مي شود: اولين نقطه ضعف اين است که مادون قرمز يک تکنولوژي "line of sight" است. به عنوان مثال براي اينکه دستگاه ريموت کار کند. بايد آن را به طرف تلويزيون يا پخش کننده DVD بگيريم. دومين نقطه ضعف اين است که مادون قرمز تقريبا هميشه يک تکنولوژي " يک به يک" (one-to-one) است. شما مي‌توانيد ديتا را بين کامپيوتر دسک‌تاپ و لپ‌تاپ خود انتقال دهيد اما نمي‌توانيد همزمان با آن انتقال بين لپ‌تاپ و PDA را نيز داشته باشيد.
البته اين دو ويژگي مادون قرمز از بعضي جهات مزيت محسوب مي‌شوند. از آنجاييکه فرستنده‌ها و گيرنده‌هاي مادون قرمز بايد در يک خط قرار گيرند، تداخلي بين دستگاه‌ها پيش نمي‌آيد. ويژگي "يک به يک" بودن مادون قرمز نيز اين مزيت را دارد که مي‌توانيد مطمين باشيد پيغام تنها به دستگاه گيرنده مورد نظر خواهد رسيد - حتي اگر اين دستگاه گيرنده در اتاقي مملو از دستگاه‌هاي گيرنده ديگر باشد.
دومين جايگزين سيم، همگام سازي کابل، نسبت به مادون قرمز مشکلات بيشتري را ايجاد مي‌کند. اگر Palm Pilot، دستگاه ويندوز CE يا Pocket PC داشته باشيد به طور حتم دوباره همگام‌سازي اطلاعات داريد. در همگام سازي ازپس از اتصال PDA به کامپيوتر (معمولا با استفاده از کابل) دگمه‌اي را فشار داده و مطمين خواهيد شد که ديتا در PDA و ديتاي کامپيوتر با يکديگر هماهنگ هستند. اين تکنيکي است که PDA را براي بسياري از کاربران ارزشمند مي‌سازد، اما همگام‌سازي PDA، با کامپيوتر و حصول اطمينان از اينکه از کابل يا پايه مناسب براي اتصال اين دو دستگاه برخورداريد مي‌تواند يک مشکل واقعي محسوب شود.

راهکار Bluetooth

Bluetooth به منظور رفع مشکلات حاصل از دو تکنولوژي مادون قرمز و همگام سازي کابل عرضه شده است. توليد کنندگان سخت‌افزار همچون شرکت‌هاي زيمنس، اينتل، توشيبا، موتورولا و اريکسون مشخصه‌اي را براي يک ماجول راديويي خيلي کوچک طراحي کرده‌اند تا درون کامپيوتر، تلفن و تجهيزات سرگرمي قرار گيرد. از ديدگاه کاربر Bluetooth داراي سه قابليت مهم است:
- قابليت بي سيم: در هنگام مسافرت نيازي به حمل چمداني پر از سيم براي اتصال دستگاه‌ها نمي‌باشد و مي‌توانيد بدون نگراني از وجود سيم دفتر کار خود را طراحي نماييد.
- Bluetooth ارزان است.
- با استفاده از Bluetooth ناچار نخواهيد شده فکر خود را بيش از اندازه درگير نماييد زيرا به تخصص خاصي در رابطه با اتصالات نياز نخواهيد داشت. دستگاه‌ها يکديگر را يافته و بدون دخالت کاربر ارتباط لازم را برقرار مي‌نمايند.

فرکانس Bluetooth

Bluetooth بر روي فرکانس 2.45 گيگاهرتز ارتباط برقرار مي‌سازد که با توافق بين‌المللي براي استفاده از دستگاه‌هاي ISM يا صنعتي، علمي و پزشکي) در نظر گرفته شده است.
تعدادي‌از دستگاه‌‌هايي که در حال حاضر استفاده مي‌کنيد از همين باند فرکانس راديويي بهره مي‌برند. دستگاه‌هاي کنترل نوزادان، دستگاه‌هاي باز کننده درب پارکينگ و جديدترين نسل تلفن‌هاي بي‌سيم از فرکانس‌هاي باند ISM بهره مي‌برند. حصول اطمينان از اينکه Bluetooth و اين دستگاه‌ها با يکديگر تداخل پيدا نمي کنند، بخش مهمي از فرآيند طراحي بوده است.

اجتناب از تداخل: سيگنال‌هاي ضعيف

يکي از روش‌هايي که سبب مي‌شود دستگاه‌هاي Bluetooth با ديگر سيستم‌ها تداخل پيدا نکنند، ارسال سيگنال ضعيف به ميزان يک ميلي‌وات مي‌باشد. در مقايسه، قويترين تلفن‌هاي سلولي مي‌توانند سيگنالي به ميزان سه وات را مخابره کنند. سيگنال ضعيف، برد دستگاه مجهز به تکنولوژي Bluetooth را به حدود 10 متر محدود مي‌سازد و امکان تداخل بين کامپيوتر و تلفن يا تلويزيون را کاهش مي‌دهد. بدين ترتيب حتي ديوارهاي خانه نيز نمي‌توانند مانعي براي سيگنال Bluetooth باشند. در نتيجه اين استاندارد براي کنترل چند دستگاه در قسمت‌هاي مختلف خانه مفيد واقع مي‌شود.
ممکن است تصور کنيد وجود دستگاه‌هاي متفاوت مجهز به Bluetooth در يک اتاق موجب تداخل آنها مي‌شود اما اينطور نيست، دليل آن را برايتان توضيح خواهيم داد.

عدم تداخل با استفاده از تکنيک Hopping

بعيد به نظر مي‌رسد که چند دستگاه در يک زمان بر روي يک فرکانس باشند، زيرا Bluetooth از تکنيکي به نام Spread-Spectrum Frequency Hopping استفاده مي‌کند. در اين تکنيک، يک دستگاه مي‌تواند با تغيير از يک فرکانس به فرکانس ديگر، 79 فرکانس درون برد تعيين شده را مورد استفاده قرار دهد. در مورد Bluetooth فرستنده‌ها فرکانس‌ها را 1600 بار در ثانيه تغيير مي‌دهند به اين معني که اکثر دستگاه‌ها مي‌توانند بهره کامل را از يک بخش محدود از طيف راديويي ببرند. از آنجاييکه هر فرستنده Bluetooth به طور اتوماتيک از ارسال طيف گسترده استفاده مي‌کند احتمال اينکه دو فرستنده در يک زمان بر روي يک فرکانس قرار گيرند وجود ندارند. اين تکنيک خطر تداخل تلفن‌هاي موبايل يا دستگاه‌هاي کنترل نوزاد با دستگاه‌هاي Bluetooth را به حداقل مي‌رساند، زيرا هر تداخل روي يک فرکانس خاص تنها در بخش بسيار کوچکي از ثانيه طول خواهد کشيد.
وقتي دستگاه‌هاي مجهز به تکنولوژي Bluetooth در برد يکديگر قرار مي‌گيرند يک ارتباط الکترونيکي برقرار مي‌شود تا مشخص شود که آيا آنها اطلاعاتي را به اشتراک مي‌گذارند يا اينکه يکي از آنها بايد ديگري را کنترل کند. نيازي نيست تا کاربر دگمه‌اي را فشارد دهد يا دستوري را وارد نمايد زيرا اين ارتباط الکترونيکي به طور اتوماتيک برقرار مي‌شود. زمانيکه ارتباط برقرار شد، دستگاه‌ها -از هر نوع- شبکه‌اي را تشکيل مي‌دهند. سيستم‌هاي Bluetooth يک شبکه (Personal-area network)اpiconet را تشکيل مي‌دهند که ممکن است تمام فضاي اتاق را پر کند يا اينکه فاصله کمي را پوشش دهد. زمانيکه شبکه Piconet برقرار شد دستگاه‌هاي عضو شبکه فرکانس‌ها را تغيير مي‌دهند تا با يکديگر در تماس باشند و در ضمن از شبکه‌هاي Piconet ديگر که احتمالا در همان اتاق برقرار شده‌اند، اجتناب ورزند.

شبکه‌ها

حال ببينيم چگونه Bluetooth Frequency hopping و Personal -area network از آشفتگي سيستم‌ها جلوگيري مي‌کنند. فرض کنيد سيستم سرگرمي خانگي شما شامل استريو، دستگاه‌ پخش DVD، گيرنده ماهواره‌اي و يک تلويزيون مي‌باشد. در ضمن يک تلفن بي‌سيم و کامپيوتر شخصي نيز در اين اتاق وجود دارد. هر کدام از اين سيستم‌ها مجهز به Bluetooth بوده و براي ارتباط بين واحد اصلي و تجهيزات جانبي شبکه Piconet خود را دارا مي‌باشند.
تلفن بي‌سيم داراي يک فرستنده Bluetooth در پايه و يک فرستنده Bluetooth ديگر در گوشي مي‌باشد. توليد کننده براي هر واحد يک آدرس در نظر گرفته و اين آدرس در محدوده آدرس‌هايي است که براي يک نوع دستگاه خاص تنظيم شده است. وقتي ابتدا پايه تلفن روشن م‍ي‌شود سيگنال‌هاي راديويي را ارسال مي‌کند که در جستجوي پاسخ از طرف هر واحدي است که در اين محدوده خاص داراي آدرس مي‌باشد. از آنجاييکه گوشي نيز يک آدرس در اين محدوده دارد، پاسخ مي‌دهد و در نتيجه يک شبکه بسيار کوچک شکل مي‌گيرد. حال حتي اگر يکي از اين دستگاه‌ها بايد سيگنال‌هايي از سيستم ديگر دريافت کند، ناديده گرفته مي‌شود زيرا اين دستگاه درون شبکه قرار ندارد. کامپيوتر و سيستم سرگرمي خانگي نيز با برقراري شبکه در ميان آدرس‌هايي که توسط توليد کنندگان در محدوده تعيين شده قرار گرفته‌اند، همين جريان را اجرا مي‌کنند. بعد از برقرار شدن شبکه‌ها، ارتباط بين سيستم‌ها آغاز مي‌شود. هر شبکه Piconet بين فرکانس‌هاي موجود در تغييرات، بنابراين تمامي شبکه‌هاي Piconet کاملا از يکديگر جدا مي‌باشند.
اکنون در اين مکان سه شبکه جداگانه ايجاد شده و هر يک از اين شبکه‌ها شامل دستگاه‌هايي هستند که آدرس فرستنده‌هايي که بايد از آن سيگنال بگيرند يا گيرنده‌هايي که بايد به آن سيگنال ارسال کنند را مي‌دانند . از آنجاييکه هر شبکه هزاران بار در ثانيه فرکانس عملکرد خود را تغيير مي‌دهد بعيد به نظر مي‌رسد که دو شبکه در يک زمان بر روي يک فرکانس قرار گيرند. اگر هم چنين اتفاقي بيفتد، آشفتگي حاصل تنها در بخش اندکي از ثانيه طول مي‌کشد و نرم‌افزار طراحي‌شده براي تصحيح چنين خطاهايي مشکل را بر طرف مي‌سازد.

Half-Full Duplex

يک شبکه يا روش ارتباطي يا در يک زمان تنها در يک جهت کار مي‌کند که به آن Half Duplex Communication گفته مي‌شود و يا اينکه همزمان دو جهت را تحت پوشش دارد و به Full Duplex Communication معروف است. تلفن Speaker phone که تنها امکان گوش دادن يا حرف زدن را در يک زمان فراهم مي‌سازد (و نه هر دو را با هم)، نمونه‌اي ازHalf Duplex Communication است، در حاليکه گوشي تلفن معمولي Full Duplex مي‌باشد. چون Bluetooth طوري طراحي شده که بتواند در شرايط مختلف کار کند مي‌تواند هم half- Duplex و full-Duplex باشد. تلفن بي سيم يک نمونه از دستگاه‌هايي است که به لينک full-deplex (دو طرفه) نياز دارد و Bluetooth مي‌تواند ديتا را با سرعتي بيش از 64000 بيت در ثانيه (که براي پشتيباني چندين مکالمه صوتي کفايت مي‌کند) با لينک full-Duplex ارسال کند. اگر يک دستگاه خاص به لينک half- Duplex نياز داشته باشد (به عنوان دو مثال،‌اتصال به چاپگر)، Bluetooth مي‌تواند ديتا را با سرعت 721 کيلو بيت در يک جهت و با سرعت 57.6 کيلو بيت در ثانيه در جهت ديگر ارسال کند. اگر دستگاه به سرعت مشابه در دو جهت نياز داشته باشد لينکي با ظرفيت 432.6 kbps در هر جهت ايجاد خوهد شد.

مشخصات Bluetooth

در اينجا بعضي از مشخصات Bluetooth را که در وب سايت آن آمده، آورده‌ايم:
- دستگاه‌هاي يک شبکه يک کانال ارتباطي مشترک را مورد استفاده قرار مي‌دهند. اين کانال داراي ظرفيت کل يک مگابيت در ثانيه مي‌باشد. هدرها و اطلاعات hand shaking در حدود 20 درصد از اين ظرفيت را مصرف مي‌کنند.
- در ايالات متحده و اروپا برد فرکانس بين 2400 تا 2483.5 مگاهرتز بوده و 79 کانال فرکانس راديويي (RF) يک مگاهرتز موجود مي‌باشد. در عمل اين برد بين 2403 تا 2480 مگاهرتز است. در ژاپن برد فرکانس 2472 تا 2497 مگاهرتز با 23 کانال RF يک مگاهرتز مي‌باشد.
- هر hop کانال داده بطور تصافي در هر ثانيه بين 79 يا 23 کانال RF سوييچ مي‌کند.
- هر کانال به شکاف‌هاي زماني به طول 625 ميکروثانيه تقسيم مي‌شود.
- هر شبکه Piconet داراي يک وسيله اصلي (master) و حداکثر 7 پيرو (slave) مي‌باشد و وسيله اصلي سيگنال‌ها را در شکاف‌هاي زماني زوج و پيروها در شکاف‌هاي زماني فرد ارسال مي‌کنند.
- تعداد Packetها مي‌تواند حداکثر تا 5 شکاف زماني باشد.
- طول ديتا در يک پيام مي‌تواند تا 2745 بيت باشد.
- در حال حاضر دو نوع انتقال ديتا بين دستگاه‌ها وجود دارد. : Synchronous Connection Oriented يا SCO و Asynchronous Connection Less يا ACL .
- در يک Piconet مي‌تواند سه لينک SCO که سرعت هر کدام 64000 بيت در ثانيه است، وجود داشته باشد. براي اجتناب از مشکلات مربوط به زمان و تداخل، لينک‌هاي SCO از شکاف‌هاي ذخيره شده توسط دستگاه اصلي استفاده مي‌کنند.
- دستگاه‌هاي اصلي مي‌توانند تا 3 لينک SCO با يک، دو يا سه پيرو را پشتيباني کنند.
- شکاف‌هايي که براي لينک‌هاي SCO ذخيره نشده‌اند مي‌توانند براي لينک‌هاي ACL مورد استفاده قرار گيرند.
- يک دستگاه اصلي و پيرو مي‌توانند يک لينک ACL منفرد داشته باشند.
- ACL هم به صورت point-to-point (دستگاه اصلي به يک پيرو) و هم به صورت ارسال به تمامي پيروها عمل مي‌کند.
- پيروهاي ACL تنها در صورتيکه دستگاه اصلي درخواست کند، مي‌توانند سيگنال ارسال کنند.