WPAN, Wireless Personal Area Networks, Bluetooth

Transkript

1 Bezdratov e technologie, p rehled WPAN, Wireless Personal Area Networks, Bluetooth PA 151 Soudobe s t e Jan Staudek } w A y < / -., )+ ( %&' $ #!" Æ Verze : jaro 017 Charakteristiky Bluetooth 1 Wireless Personal Area Networks, WPAN, Bluetooth Bluetooth je technologie bezdratov e PAN, WPAN Univerzaln bezdratov e propojen v malem dosahu, propojuje za r zen (gadgets) v malem (osobn m) prostoru do 10 m mobily, sluchatka, PC, tablety, my s, klavesnice, hern konzoly, c te cky karet, prumyslov a automatizace... pou z va bezlicen cn pasmo,45 GHz Propojena za r zen mohou sd let rychlost a z do,1 Mb/s nebo 4 Mb/s p renos hlasu v RT, p renos dat, video ad hoc vytva rena s t', plna eliminace jakekoli kabela ze Standardizace Bluetooth.0,.1, 3.0 a 4.0 3

2 Charakteristiky Bluetooth, Standard IEEE Charakteristiky Bluetooth v1 (1994, od 00): rychlost do 1 Mb/s, v re ale max 700 Kb/s BR, Base Rate { z aklad predn asky v (007): (+EDR, Enhanced Data Rate): rychlost od az do 3 Mb/s zv ysen dky prechodu z modulace GFSK na 4DPSK nebo 8DPSK v3 (009): (+HS, High Speed): rychlost prenosu dat az 4 Mb/s pomoc pouzit vrstvy MAC/PHY z 80.11, WiFi v4 (014): nzk e n aroky na energii, podpora LTE, IoT (Internet of Things) Verze 3 a 4 budou kr atce zmnen e v z averu predn asky Pro aplikace koncept standardu Bluetooth poskytuje prstupov y bod pro data a hlas eliminuje potrebu kabel aze podporuje ad-hoc (spont ann) vytvoren ste Nepozaduje se z adn a podp urn a infrastruktura, spont anne (ad hoc) se formuje st' hvezdicov eho typu, pico-net pico-st' neb yv a rozs ahl a, mnoho zrzen by zp usobovalo chaos pico-st' m uze tvorit az 8 zarzen zarzen se vz ajemn e najdou a zformuj pico-st' jakmile se dve BT zarzen zkontaktuj, mohou vyzvat sv eho uzivatele k zah ajen komunikacn relace uzivatel m uze pozadavek k zah ajen relace akceptovat nebo zamtnout v relaci pak participuj pouze uzivatelem schv alen a Bt zarzen jsou slave zarzen, kter a schvaluj zapojen implicitne PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 4 PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 5 Charakteristiky Bluetooth Charakteristiky Bluetooth pico-st' je rzen a jednou master stanic s povinnost { prid elov an komunikacnch kan al u { rzen komunikacnch proces u { denice zp usobu sdlen radiov eho prostoru (FHSS, TDD) { synchronizace behu casu v cel e pico-sti pico-st' d ale tvor az sedm (aktivnch) slave stanic slave stanice se synchronizuj s master stanic Pokud nekter e zarzen v pico-sti um delat br anu do Internetu, lze aplikace b ezc v zarzench v pico-sti via Bluetooth do Internetu zapojit V pico sti se poskytuj dve z akladn sluzby prenos dat { asynchronn sluzba, ACL { Asynchronnous Connection-Less prenos hlasu { synchronn sluzba, SCO { Synchronnous Connection Oriented slave stanice nemohou mezi sebou komunikovat prmo (s v yjimkou f aze odhalov an existence) PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 6 PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 7

3 Charakteristiky Bluetooth Sdlen m edia v pico-sti se res metodami FHSS a TDD TDD { implementace duplexnho provozu po casov ych dlech FHSS { podpora koexistence vce st v 1 prostoru vyslac preskakuje kr at/s mezi 79 frekvencemi, f = 40+k MHz, k = 0,..., 78, (modulace GFSK) preskakov an je unik atn pro jednu kazdou pico-st' Charakteristiky Bluetooth casov y dl { 65 µs, baudov a rychlost 1 MBd/s master vysl a osloven emu slave v lich ych casov ych dlech (v 1, ve 3 nebo v 5 dlech) osloven y slave m uze vyslat v n asledn ych casov ych dlech (v 1, ve 3 nebo v 5 dlech) sud y / lich y casov y dl vymezuje lsb v udaji o case slave stanice osloven a master stanic odpovd a v bezprostredn e n asledujcm casov em dle b ehem vysl an ve vce dlech se mezi frekvencemi nepreskakuje PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 8 PA151 Soudob e ste { WPAN, Bluetooth 9 Charakteristiky Bluetooth Bt poskytuje duplexn synchronn hlasov e kan aly 64 kb/s a asynchronn datov e kan aly az po 71 kb/s (asymmetric) nebo 43.6 kb/s (symmetric) Topologie hvezda { pico-net (very small net) propojov anm hvezd lze vytvorit slozitejs strukturu { scaternet Proc master-slave koncept? clem n avrhu byla l ace { cena cipu pod 5$,,hloup a" slave-stanice del a to, co j nard,,chytr a" master-stanice centralizovan y TDM syst em, master rd chod casu a kdo kdy bude komunikovat Pico-st', master a aktivn slave stanice kazd a pico-st' m a 1 master stanici, v pico-sti m uze b yt az 7 aktivnch slave stanic, master stanice slave stanice synchronizuje, aktivn slave stanice mohou komunikovat pouze s master stanici, master stanice m uze komunikovat s jednou nebo se vsemi slave stanicemi, komunikace master{slave m uze b yt typu 1 : 1 nebo 1 : n ste { WPAN, Bluetooth 10 ste { WPAN, Bluetooth 11

4 Pico-s t' a Scatternet, rozptylen a s t' Pico-s t', zaprkovane a odstavene stanice v pico-s ti mu ze byt a z 55 dal s ch stanic, ty jsou ve stavu zaparkovane (parked state) zaparkovana stanice je synchronizovana s master stanic (aktivace, c as, p r stup k mediu technikou FHSS), nelze s n v sak komunikovat a spot rebovav a minimum energie, zaparkovanou stanici lze pohotov e reaktivovat (do ms) ostatn stanice v okol mus c ekat, jsou odstavene (standby, SB), dr z si MAC adresu, v pico-s ti neparticipuj a spot rebovavaj minimum energie 1 propojen m a v ce pico-s t vznika scatternet, rozptylen a s t' ka zda stanice mu ze byt c lenem a z dvou pico-s t existuje podpora sm erovan mezi pico-s t emi v rozptylen e s ti v jednom prostoru mu ze koexistovat (d ky FHSS) a z 10 pico-s t, odd elen frekven cn ch pasem pico-s t v rozptylen e s ti se r e s pomoc CDMA Pico-s t', rozptylen a s t' 13 Aplikace Bluetooth, pro ly Speci kace Bluetooth identi kuje cca 40 konkretn ch typu podporovanych aplikac X pro ka zdy typ aplikace poskytuje relevantn protokolovou podporu { pro l (toto nap r. s t e ne re s ) { ilustra cn vy cet: 14 15

5 Aplikace Bluetooth, proly Zajist en interoperability na aplikacn urovni Prol u existuje cel a rada a ne vsechny se vyskytuj ve vsech zarzench. Napr. pro hudbu ve stereo sluch atk ach mus vyslac zarzen podporovat prol ADP (viz dals v yklad) Generic Access Prole, GAP { povinn y prol nejedn a se o aplikaci, jedn a se o prostred pro budov an aplikac vytv aren a udrzov an bezpecn ych komunikacnch kan al u mezi master a slave stanicemi Service Discovery Application Prole, SDAP { povinn y prol Odhalov an sluzeb poskytovan ych ostatnmi BT stanicemi Aplikace Bluetooth, proly Advanced Audio Distribution Prole, ADP prenos hudby ve stereo kvalite Audio/Video Remote Control Prole, AVRCP ovl ad an reprodukce hudby nebo videa na pripojen em zarzen Basic Imaging Prole, BIP pro pr aci s obr azky digit alnch fotoapar atech a kamer ach Basic Printing Prole, BPP komunikace s patricne vybaven ymi tisk arnami Device ID Prole, DID identikac pripojen eho zarzen ste { WPAN, Bluetooth 16 ste { WPAN, Bluetooth 17 Aplikace Bluetooth, proly Dial-up Networking Prole, DUN pripojen zarzen (notebooku, PDA) k internetu prostrednictvm mobilnho telefonu File transfer, FTP V ymena soubor u dat mezi dvema bezdr atov ymi BT zarzenmi Headset (Cordless telephony), Intercom, Hands-Free HSP, Headset Prole, (Cordless telephony) { bezdr atov e propojen sluch atka se z akladnou (telefonem) Intercom { propojen interkom u (walky-talky) HFP, Hands-Free Prole { propojen se z akladnou (mobilem) Object Push Prole, OPP pro posl an soubor u, zejm ena pak vizitek a detail u sch uzek Aplikace Bluetooth, proly Phone Book Access Prole, PBAP prstup k telefonnm seznamu mobilu SIM Access Prole, SAP vyuzv an kopie SIM z mobilu v handsfree v aute Service Discovery Prole, SDP dotaz partnerovi jake sluzby (proly) podporuje Serial Port Prole, SPP prenosov y protokol pouzvan y vetsinou ostatnch prol u emulace s eriov eho spoje Generic Object Exchange Prole, GOEP prostred klient-server pro v ymenu dat { objekt u (vizitky, kalend ar) klienti zahajuj operace, slave m uze b yt jak klient, tak i server protokol pouzvan y mnoha ostatnmi proly ste { WPAN, Bluetooth 18 ste { WPAN, Bluetooth 19

6 Aplikace Bluetooth, proly Synchronization, SYNCH zav aden organizacnch dat, kontakt u do PDA, notebooku,... Video Distribution Prole, VDP Adresov an v pico-sti Bluetooth device address (BD ADDR), 48 bitov a (jedinecn a) IEEE MAC adresa ( 48, biliony entit) c ast se pouzv a jako,,semnko"pro generov an FHSS posloupnosti c ast se pouzv a jako,,semnko"pro inicializace opravn ych k od u prenos, streamov an videa mezi zarzenmi v re aln em case ste { WPAN, Bluetooth 0 ste { WPAN, Bluetooth 1 Adresov an v pico-sti Active Member Address (AMA ADDR), 3 bitov a adresa Kazd e z az 7 slave zarzen v picosti m a svoji AMA Adresu AMA prideluje slave zarzen master zarzen 000 { vseobecn a adresa, identikuje vsechny slave stanice Parked Member Address (PMA ADDR), 8 bitov a adresa Formov an pico-st e Bt zarzen lze kongurovat tak, aby vyslalo vybzec dotazy (inquiry) Bt zarzen lze kongurovat tak, aby reagovalo na vybzec dotazy, lze ho vybdnout ke sv e identikaci, je v discoverable mode, na vyz ad an sdel Device name, Device class, seznam podporovaných služeb a technické detaily Poc atecne Bt zarzen zn a jen sama sebe nebez z adn a synchronizace s ostatnmi zarzenmi Bt zarzen mohou pracovat jako slave nebo jako master, master zarzen vyslalo vybzec dotazy a nalezlo odpovdajc slave zarzen slave zarzen monitoruje vybzec dotazy z okol ve stavu standby Dale pojmem zarzen rozum ejme Bt zarzen ste { WPAN, Bluetooth ste { WPAN, Bluetooth 3

7 Formovan pico-s t e Formovan pico-s t e Bt za r zen p ripojene na energii je bud'to ve stavu standby nebo v n ekterem stavu t r dy connection X p rid el m u AMA adresu X slave stanice se synchronizuje s master stanici X za r zen ve stavu connection je synchronizovano s n ekterou pico-s t (na p reskakovac posloupnost FHSS) N ektera Bt za r zen mohou byt v jednom c ase zapojena do jedine pico-s t e Za r zen vytva rej c pico-s t' c lov e p rechaz do re zimu master X Vys la vyb zec dotazy (inquiry) za r zen m v okol X jakmile je dotaz usp es ny, p rechaz do stavu paging, uzav ra spojen Za r zen ve stavu standby X nen aktivn v z adn e pico-s ti, periodicky nasloucha X jakmile odpov na vyb zec dotaz, postupn e p rechaz do re zimu slave vu ci vyzyvaj c master stanici 4 Zakladn stavy stanice, uzlu pico-s t e Jakmile vyzyvaj c stanice dostane odpov ed' od za r zen, individualn e ho p ripoj V aktivn m stavu (connected, transmit) mohou master a slave stanice spolu komunikovat Ve stavu hold slave stanice ne re s p renos dat, podporuje pouze p renos hlasu Ve stavu sniff (,, cenichan ") slave stanice p rena s data men s rychlost (,,ob cas", redukce spot reby energie) Zaparkovana stanice uvolnuje AMA adresu, ale stale udr zuje synchronizaci ( casu, p reskakovan pro FHSS) P ri odpojen z pico-s t e p rechaz stanice do re zimu standby 5 Nalezen za r zen a navaz an spojen 6 7

8 Procedura nalezen zarzen a ustanoven spojen Procedura nalezen zarzen a ustanoven spojen Bt-zarzen (master) A hled a jin e zarzen ve sv em okol (PDA, tisk arnu, prstupov y bod LAN,..., slave B) A vstoup do stavu inquiry A generuje vyhled avac preskakovac frekvenci FHSS ta je urcena hodinami a vyhled avac k odem hledan eho typu zarzen vyhled avac k od denuje standard A vysl a v generovan e posloupnosti frenkvenc inquiry message vyhledateln a (slave) zarzen, Bi, periodicky vstupuj do substavu inquiry scan Bi vyhled avaj v mozn ych posloupnostech preskakov an inquiry message po jejm nalezen B vstupuje do substavu inquiry response vyhled avajcmu zarzen A vrac ve zpr av e inquiry response svoji adresu a sv uj cas odpovdaj vsechna vyhledateln a zarzen Bi v okruhu 10 m uzivatel vyhled avajcho zarzen A si z jejich seznamu vybere A zarzen vstupuje do substavu paging, spoust vytv aren spojen s vybran ym zarzenm Bx, vysl a zpr avu page generuje FHSS posloupnost danou hodinami a adresou Bx zpr avu page vysl a kazd emu vybran emu zarzen zarzen vsechna Bi, periodicky vstupuj do substavu page scan generuj preskakovac posloupnost podle sv e lok aln adresy ste { WPAN, Bluetooth 8 ste { WPAN, Bluetooth 9 Procedura nalezen zarzen a ustanoven spojen Ustanoven spoje (kan alu) jakmile Bx zsk a zpr avu page, odpov A zpr avou page response A posle Bx zpr avu denujc preskakovac posloupnost pico-ste ud anm adresy A a hodin A a adresu AMA (aktivn clen pico-st e) Bx posle A potvrzen obe zarzen budou d ale pouzvat preskakovac posloupnost pico-ste preskakovac posloupnost pico-ste se odvozuje z adresy A A posle st'ovou FHSS posloupnost v yzvu (pool) k Bx jiz na AMA Bx odpov potvrzenm a spojen je ustanoveno ste { WPAN, Bluetooth 30 ste { WPAN, Bluetooth 31

9 Vyhled an zarzen a ustanoven spoje (kan alu) Architektura Ustanoven spoje Vyhled an fyzick a vrstva { komplexn syst em bezdr atov eho prenosu ste { WPAN, Bluetooth 3 ste { WPAN, Bluetooth 33 Architektura Architektura ste { WPAN, Bluetooth 34 ste { WPAN, Bluetooth 35

10 Architektura Architektura ste { WPAN, Bluetooth 36 ste { WPAN, Bluetooth 37 Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... pren as bity z master-stanice do slave-stanic a naopak nzkov ykonov y prenosov y syst em s dosahem do 10 m v p asmu,4 GHz, vyslac v ykon je 1{100 mw prenosov e p asmo se del do 79 fyzick ych kan al u o s. p. 1 MHz modulace { frekvencn modulace, 1 bit / 1 Hz, prenosov a rychlost cca 1 Mb/s v etsina toho spektra se ale spotrebov av a rezi prenosu uplat nuje se FHSS { mezi kan aly vysl an preskakuje 1 600/s casov y dl je 65 µs prekoky se dej u vsech uzl u pico-ste synchronne preskakovac posloupnost diktuje master-stanice Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... Bluetooth i 80.11b operuj v (ISM, bezlicencnm) p asmu,4 GHz na stejn ych 79 kan alech Blouetooth preskakuje rychleji { Bluetooth cast eji rus 80.11b nez naopak 80.11a pouzv a jin e ISM p asmo (5 GHz), ale m a krats dosah nez 80.11b (to je d ano fyzikou radiov ych vln), takze pouzit 80.11a msto 80.11b vseobecne tento probl em neres Modulace analogov eho nosn eho sign alu: nosn e frekvence: f c = 40 + n, n = 0, 1,, MHz tj.,40 GHz,,403 GHz,... frekvencn modulace (GFSK), 1 Mb/s, vzdy alespo n z ahlav paket u, 1/0: positivn/negativn deviace frekvence nosn eho sign alu bezn a rychlost prenosu dat je 1Mb/s (re alne cca 700 Kb/s) volitelne pro data: f azov a modulace 4DPSK (8DPSK), (3) Mb/s ste { WPAN, Bluetooth 38 ste { WPAN, Bluetooth 39

11 Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... kan aly se vyuzvaj technikou FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum), pouzit FHSS minimalizuje interference prenos u z jin ych zarzen nebo st FHSS { preskakov an podle pseudon ahodn e sekvence pico-st e kr at / s, jeden casov y dl je 65 µs, casov e dly se csluj vytv ar se tak jeden logick y FH kan al jedno aktivn zarzen standardne pouzv a 1 FH kan al propracovan a zarzen mohou pouzvat vce FH kan al u soucasne pri formov an pico-ste (inquiring, paging) { preskoky 3 00 kr at / s, r uzn e pico-st e pouzvaj r uzn e rozprostrovac posloupnosti, v kazd e pico-sti je algoritmus preskakov an jedinecn y master stanice urcuje rozprostrovac vzorek FHSS, slave stanice stanice jej mus akceptovat kazd a pico-st' m a jedinecn y rozprostrovac vzorek participace slave stanici v pico-sti = synchronizace slave stanice na rozprostrovac vzorek minimalizuje se moznost n asobn e shody pouzit t ehoz kan alu v jednom casov em dlu pico-ste mohou koexistovat v jednom Bluetooth prostoru ste { WPAN, Bluetooth 40 ste { WPAN, Bluetooth 41 Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... komunikace Master-Slave a Slave-Master je multiplexovan a podle TDD, Master vyz yv a Slave k cinnosti TDD, Time Division Duplex, v n asledn ych casov ych dlech se strdaj smery prenosu Master{Slave prjem a vysl an se odehr avaj v rozdln ych dob ach, mohou se odehr avat na r uzn ych frekvencch Aby se zabr anilo kolizm pri vysl an, provoz rd Master stanice, Slave vysl a jen kdyz byla vyzvan a Master stanic Ke kolizm ovsem m uze dojt pri koexistenci vce pico-st v jednom prostoru pred vysl anm se neposlouch a, nehled a se klid v prostoru apod. { neaplikuje se z adn a technika pro obch azen koliz pokud dojde ke kolizi, data se pri prvn prlezitosti pro vysl an vyslou znovu Vrstva Radio (RF) { modulace, FHSS, TDD,... vsechna zarzen preskakuj po dlcch frekvencnch p asmech najednou master pred av a slave stanicm sv e hodiny a ID zarzen (MAC adresu) ID zarzen (jedinecn e 48 b cslo) a cas urcuj rozprostrovac vzorek = { 3 pseudon ahodn ych skok u, { periodicky se posouvaj po cel em p asmu tak, aby se rovnomerne vyuzvaly vsechny nosn e frekvence zarzen m uze b yt master v jedn e st a otrok v jin e sti soucasn e zarzen mohou mezi pico-st emi preskakovat ste { WPAN, Bluetooth 4 ste { WPAN, Bluetooth 43

12 Architektura, vrstva datov eho spoje, prstup k m ediu Charakteristiky rzen prstupu k m ediu, MAC vrstva predm etem prenosu z hlediska prstupu k sti jsou r amce (Bluetooth frame) r amce obsahuj aplikacn data a/nebo rdc data MAC vrstva d avkuje proud bit u z vyssch vrstev do r amc u a denuje nekter e klcov e form aty r amc u prenos r amc u je zalozen y na casov em multiplexov an, TDMA (Time Division Multiple Access) rzen prstupu k fyzick e vrstv e podporuje vrstva baseband layer, ekvivalent podvrstvy MAC v LAN master a slave komunikuj (pren as paket) v casov ych dlech, casov y dl m a d elku 65 µs z aklad { v 1 casov em dlu pren as paket master stanice k slave stanici nebo slave stanice k master stanici (polovicn duplex) slave stanice spolu komunikovat prmo nemohou pro zv ysen rychlosti jednm smerem paket m uze b yt obsazen v jednom, ve trech nebo v peti sousednch casov ych dlech ste { WPAN, Bluetooth 44 ste { WPAN, Bluetooth 45 Charakteristiky rzen prstupu k m ediu (polo)duplexn komunikace se dosahuje variantou TDMA naz yvanou TDD (Time Division Duplex) v jednom casov em dlu se vysl a pouze jednm smerem (half-duplex) slave stanice vysl a pouze kdyz je vyzvan a master stanic vysl an a prjem se odehr avaj v r uzn ych frekvencnch p asmech 1600 preskok u/s, rozptylovac posloupnost je pseudon ahodn e cslo urcen e,,master"stranou, 1600 preskok u/s = casov y dl 65 µs pokud paket zabr a vce casov ych dl u pren as se v jednom fyzick em kan alu (FHSS se mezi jeho dly neuplat nuje) Single-Slave Communication Single-Slave Communication pico-st' s 1 master a s 1 slave stanic master pouzv a k vysl an sud e casov e dly slave pouzv a k vysl an lich e casov e dly ste { WPAN, Bluetooth 46 ste { WPAN, Bluetooth 47

13 Charakteristiky rzen prstupu k m ediu Multiple-Slave Communication Multiple-Slave Communication pico-st' s 1 master a s vce slave stanicemi master pouzv a k vysl an sud e casov e dly slave pouzvaj k vysl an lich e casov e dly, pokud byly v predchozm casov em dlu adresovan e master stanic v yzvu slys vsechny slave stanice metoda prstupu k m ediu { vyz yv an (poll/select) s rezervac kdyz master stanice vyzve/vybere slave stanici, prst casov y dl je rezervovan y pro vyzvanou/vybranou slave stanici pokud vyzvan a stanice nem a pripraven a data k vysl an, prslusn y kan al z ust av a nevyuzit y vsechny slave stanice vzdy slys vysl an master stanice souc ast r amce je adresa slave stanice a reaguje pouze adresovan a slave stanice ste { WPAN, Bluetooth 48 ste { WPAN, Bluetooth 49 Vrstva Baseband, logick e spoje Mezi Master a Slave stanic lze utv aret typy logick ych spoj u Synchronous Connection Oriented (SCO) { prenos hlasu Asynchronous Connection-Less (ACL) { prenos dat existuje jest e jeden logick y spoj { rdc pouzv a zvl astn r amce pro spr avu pico-ste pouzv a ho vrstva LMP, Link Manager Protocol pro ustanoven a rzen r adiov eho spoje mezi dvema zarzenmi Synchronous Connection Oriented, SCO synchronn spojovan a sluzba symetrick y (-bodov y) duplexn spoj (mezi Master a Slave) pro audio-komunikaci v re aln em case, minimalizace zdrzen prenosem je d ulezit ejs nez integrita (bezchybn y prenos) neopakuje se chybn y prenos datov eho paketu v kazd em smeru prenosu jsou pevne pridelen e casov e dly technologie,,prepojov an okruh u"{ idea multiplexingu: TDM s pevnou alokac casov ych dl u spojen, tj. statick y TDM po dobu nav azan eho spojen pravideln a periodick a v ym ena dat mezi stanicemi v rezervovan ych casov ych dlech ste { WPAN, Bluetooth 50 ste { WPAN, Bluetooth 51

14 Synchronous Connection Oriented, SCO rezervace casov ych dl u v pravideln ych intervalech d av a rychlost prenosu dat 64 kb/s na 1 casov y dl v intervalu nedoch az ke kolizm pri komunikaci master-slave dky TDD a vyz yv an pro resen prenosov ych chyb se pouzv a samoopravn e k odov an, SCO r amce neobsahuj CRC, neres se ARQ chybov e rzen { FEC (forward error correction) { paket ztracen y behem prenosu se znovu nepren as { FEC se pouzv a pro zabr anen zpozd'ov an prenosu dat { akceptuje se nedosazen 100 % integrity (princip FEC) slave m uze udrzovat az 3 SCO spoje s master (64 kb/s) Master m uze udrzovat az 3 SCO spoje s 1 nebo az se 3 Slave Synchronous Connection Oriented, SCO implementace SCO { pravideln ym rezervov anm dvojic casov ych dl u vzdy jeden pro prenos jednm smerem prenosov a rychlost spojeni { 64 kb/s duplex, slave m uze po kazd em spoji vyslat rychlost 64 kb/s digitalizovan y zvuk (PCM) ste { WPAN, Bluetooth 5 ste { WPAN, Bluetooth 53 Asynchronous Connection-Less, ACL Asynchronn nespojovan a sluzba, prenos dat, rzen st e pro komunikaci, kde integrita je d ulezit ejs nez RT-prenos provoz ACL je plne rzen y Master stanic pouzv a se pro: prenos dat symetrick e a asymetrick e asynchronn sluzby (rzen) vyhled av an pri tvorbe/zarazov an do pico-ste,... bodov a spojen, { az kb/s symetricky nebo { az 73./57.6 kb/s asymetricky Asynchronous Connection-Less, ACL pri prenosu dat se pro dosazen vyss rychlosti (az cca 70 kb/s) vyuzv a vce sousednch casov ych dl u pro prenos r amce jednm smerem vlastn prenos je bez z aruk, spolehlivost se dosahuje pomoc rzen { potvrzov anm dorucen r amce se potvrzuje pomoc ARQ (detekce CRC, pot e odesl an potvrzen) ARQ potvrzov an se pouzv a vzdy, kdyz integrita je d ulezit ejs nez propustnost, porusen y paket se vysle znovu vyuzv a casov e dly nepridelen e sluzbe SCO data se pren asej neperiodicky, vznikaj v n ahodn ych okamzicch, ve kter ych je generuj vyss vrstvy ste { WPAN, Bluetooth 54 ste { WPAN, Bluetooth 55

15 Asynchronous Connection-Less, ACL prenos dat v rezimu prepojov an paket u v nepravideln ych intervalech { data dod av a vrstva LLC (Logical Link Control) slave stanice posl a data v casov em dle n asledujcm po casov em dle, ve kter em byla vyzv ana master stanici nepouzv a se,,prepojov an okruh u", jde o asynchronn spoj, slave stanice vysl a v sud em cas. dlu pouze kdyz byla adresovan a v predchozm (lich em) cas. dlu master stanic slave m uze udrzovat jedin y ACL spoj s master (az 71 kb/s) Vrstva Baseband, hospodaren s casem v casov ych dlech casov y multiplex v kan alu { dly 65 µs paket lze vyslat po dobu 1, 3 nebo 5 casov ych dl u casov an FHSS poskytuje dobu 59 µs na stabilizaci sign alu slo by to rychleji, ale bylo by to drah e resen na vysl an r amce zb yv a 366 µs, pren as se rychlost 1 Mb/s v casov em dlu 65 µs (bit u) zb yv a cas na prenos cca 366 bit u jednodlov y paket m a d elku 366 bit u, prostor 366 bit u se pouzije na { 16 rezijnch bit u a na { 40 datov ych bit u pokud se paket vysl a ve 3 nebo v 5 dlech, vysl a se efektivneji, rezie z ust av a stejn a + nepreskakuje se ste { WPAN, Bluetooth 56 ste { WPAN, Bluetooth 57 Vrstva Baseband, hospodaren s casem v casov ych dlech Vrstva Baseband, datov e spoje, form aty r amc u kdyz se pouzije 1 paket vyslan y 5 casov ych dl u : 1 x x 65 = 866 bit u = 740 bit u dat / 3 15 µs = 877 kb/s kdyz se pouzije 1 paket vyslan y 1 casov y dl pro 5 r amc u: 5 x 40 = 1 00 bit u dat / 3 15 µs = 384 kb/s kdyz se pouzije 1 paket vyslan y 3 casov e dly : 1 x x 65 = =1 490 bit u dat / µs = 794 kb/s kdyz se pouzije 1 paket vyslan y 1 casov y dl pro 3 r amce: 3 x 40 = 70 bit u dat / µs = 384 kb/s ste { WPAN, Bluetooth 58 ste { WPAN, Bluetooth 59

16 Vrstva Baseband, form aty r amc u, komponenty r amce Vrstva Baseband, 1 / 3 / 5 dlov e r amce Access code { pri vyhled av an (inquiring) a vyvol av an (paging) vymezen poc atku r amce, odvozuje se z MAC adresy m a pseudon ahodn y charakter, identikuje master stanici zachycuje identitu Master stanice, slave pozn a s k ym komunikuje tj. ve kter e pico-sti zabra nuje, aby r amce vyslan e v jedn e pico-sti neprijmala zarzen jin ych pico-st (dky n ahodn e koincidenci frekvence v urcit em casov em dlu) Packet header { adresa, typ paketu, protokolov e informace Payload { paket { hlas (l dlov y paket) nebo data (1, 3 nebo 5 dlov y paket): 1dlov y paket { az 40 bit u (366 { AccessCode { P acketheader) 3dlov y paket { 1490 bit u (1616 { AccessCode { P acketheader) 5dlov y paket { 740 bit u (866 { AccessCode { P acketheader) ste { WPAN, Bluetooth 60 ste { WPAN, Bluetooth 61 Vrstva Baseband, form aty r amc u Typy datov ych c ast r amc u synchronnch spojen (,,paket u") SCO, Synchronous Connection-Oriented, 1dlov e r amce, pevn a srka p asma, point-to-point spojen Master-Slave na 3x opakovan e z ahlav se uplat nuje majoritn funkce (1/3 FEC) zvysuje se spolehlivost nzkov ykonnov eho prenosov eho syst emu ste { WPAN, Bluetooth 6 ste { WPAN, Bluetooth 63

17 Typy datov ych c ast r amc u (,,paket u"), SCO spoje urceno pro zarzen typu headsets, pro SCO spoje datov e pole vzdy 40 bit u, skutecn a data 80 nebo 160 nebo 40 bit u HV1, High quality Voice: 10 B dat + 0 B FEC (3x opakov an kazd eho bitu dat), bez z ahlav, HV, High quality Voice: 0 B dat + 10 B FEC (shortened Hamming code (15,10), bez z ahlav HV3, High quality Voice: 30 B dat, bez zabezpecen, bez z ahlav DV, Data/Voice: kombinace prenosu dat (150 B) a hlasu (80 B) Typy datov ych c ast r amc u (,,paket u"), SCO spoje Slave m uze zskat za sekundu polovinu casov ych dl u, tj. 800, stejne jako master, 1600 preskok u / s Pri 80 bitov ych datech (HV1) se zsk av a kan al 64 Kb/s Tuto rychlost vyzaduje PCM modulace (s.p. telefonu Hz, vzorkov an 8 000/s, vzorek 8 bit u) Pouzit HV3 (40 b dat), bez zabezpecov an, umoz nuje realizaci az tr SCO spoj u / slave-stanici ste { WPAN, Bluetooth 64 ste { WPAN, Bluetooth 65 Typy datov ych c ast r amc u asynchronnch spojen (,,paket u") ACL, Asynchronous Connectionless Link { data, 1/3/5dlov e r amce Typy datov ych c ast r amc u (,,paket u"), ACL spoje DM x, Data, medium rate: x = 1,3 nebo 5 (podle poctu r amc u), zabezpecen FEC (shortened Hamming code (15,10) + CRC DH x, Data, high rate: x = 1,3 nebo 5 (podle poctu r amc u), zabezpecen CRC ste { WPAN, Bluetooth 66 ste { WPAN, Bluetooth 67

18 Rychlosti prenosu dat v jednotliv ych typech spojen Ilustrace koexistence SCO a ACL TDD prenos r amc u na b azi vyz yv an 65 µ s dly, master vyz yv a otroky SCO (Synchronous Connection Oriented) { hlas periodick e pridelov an 1 dlov eho r amce, 64 kb/s,,pln y-duplex"dosazen y poloduplexnm -bodov ym spojen ACL (Asynchronous ConnectionLess) { data r amce promenn e d elky (1, 3, 5 dl u), asymetrick a srka p asma, vcebodov a spojen (1:n) ste { WPAN, Bluetooth 68 ste { WPAN, Bluetooth 69 Robustnost, reakce na chyby Architektura, prostred nad vrstvou rzen prstupu pomal e preskakov an mezi frekvencemi s rozprostrovacm vzorkem urcen ym master stanic ochrana pred interferencemi na urcit ych frekvencch separace od jin ych pico-st Retransmission { pouze ACL Forward Error Correction { SCO a ACL LCAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) ekvivalent LLC vrstvy LAN (rzen datov eho spoje, Logical Link Control) Prol { rozhran na aplikacn oblast ste { WPAN, Bluetooth 70 ste { WPAN, Bluetooth 71

19 Protokolova sestava Bluetooth Protokolova sestava Bluetooth, OSI, IEEE 80 7 Protokolova sestava Bluetooth, dopln en aplikac 73 Protokolova sestava Bluetooth, dopln en aplikac 74 75

20 Protokolova sestava Bluetooth, dopln en aplikac Protokolova sestava Bluetooth, Link Manager Protocol 76 Link Manager, Link Manager Protocol 77 LCAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol Link Manager { spravce za rizuj c ustanoven, autentizaci a kon guraci spoje X X X X pou z va logicky kanal spravy spojen v se co souvis se spravou kanal u r e s strana master pou z va pro to vyzyvac proces pro logicky kanal spravy spojen pou z va ramce typu DM, v zahlav datove c asti ozna cene jako signalling pro r zen kanalu v ramci spoje { X se pou z va logicky kanal r zen spojen X viz zahlav ramc u { ARQ, ow, SEQN,... ostatn logicke kanaly slou z pro p renos dat X SCO data X ACL data 78 79

21 LCAP, Logical Link Control and Adaptation Protocol Z akladn funkce LCAP Multiplexing vce logick ych spojen mezi dvema zarzenmi pouzvajcmi odlisn e protokoly na vyssch vrstv ach, multiplexing a demultiplexing vce zdroj u paket u, urcov an pro kter y zdroj na vyss vrstve bude paket pred av an Segmenetace a desegmentace pren asen ych paket u vyssch vrstev Prijm an aplikacnch paket u d elky az 64 KB z vyssch vrstev, a jejich delen do paket u pro prenos Bt st a naopak (67 byt u implicitn d elka, 48 byt u minim aln podporovan a d elka) zajist'ov an kvality sluzeb pri ustanovov an spojen a behem komunikace { vymezov an maxim aln d elky payload,... pred av an paket u pro prenos Bt st vrstve Baseband, kter a je pren as pomoc r amc u RF kan alem a naopak LCAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol protokol datov eho spoje (pouzv a se kan al typu ACL) nad vrstvou Baseband, podporuje se paketov y provoz spoje nad kan aly SCO nepouzvaj LCAP protokol um vyssch vrstev poskytuje spojovan y a nespojovan y prenos dat mezi,,porty" form atov an datov ych spoj u se odehr av a v c asti r amce naz yvan e Payload, ve kter e se pren as paket(y) udrzuj se spojovan e, nespojovan e a rdic (paketov e) datov e spoje paket je form atovan y v c asti r amce Payload pomoc Payload header LCAP pracuje s pakety (,,payload"v r amci), nizs vrstvy pracuj s r amci, r amce jsou vozky prev azejc pakety paket m uze b yt pren asen y v 1 nebo ve vce r amcch, segmentace paket u (pakety z Internetu mohou mt d elku az 64 KB, r amce az 343 B) ste { WPAN, Bluetooth 80 ste { WPAN, Bluetooth 81 LCAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol LCAP, role Channel ID = id logick eho kan alu LCAP res multiplexing protokol u { { RFCOMM (RF COMMunication), emulace rdicch sign al u EIA-3 (RS-3) ve vrstve Baseband (emulace s eriov eho portu) { SDP (Service Discovery Protocol) odhalov an sluzeb poskytovan ych ostatnmi zarzenmi v okol { TCS BIN (Telephony Control Protocol Binary) telefonn rzen LCAP res segmentaci paket u do r amc u pri vysl an a zpetn e sestavov an paket u pri prjmu d elka Payload v r amci { 343 B paket { az 64 kb uzivatelsk a data (shoda s Internet): ste { WPAN, Bluetooth 8 ste { WPAN, Bluetooth 83

22 LCAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol LCAP { logick e kan aly typy datov ych spoj u LCAP rdic, signalizacn signalling, duplex pro rzen datov y, duplexn, bodov y, spojovan y (spolehliv y, potvrzov an) simplexn, vcebodov y, nespojovan y (bez potvrzov an) zajist'uje QoS toku, specikace QoS se del a po jednotliv ych datov ych spojch RFC 1363, specikuje zpozden, jitter, d avky, srku p asma podporuje pr aci se skupinami Create/close group, add/remove member ste { WPAN, Bluetooth 84 ste { WPAN, Bluetooth 85 LCAP { logick e kan aly Ustanoven spojen, prklad Sc en ar Host jde do hotelov e haly a chce si zprstupnit pres PDA (umejc Bluetooth) Procedura ( autentizacn krok, pokud prisel do dan eho prostred po prv e ) Vysetren prostred, Inguiry. PDA vyhled av a prstupov e body (AP) ve sv em dosahu, ty PDA zaslou sv e adresy a PDA jeden z nich vybere Paging. Procedura v baseband vrstve { synchronizace hodin a skok u ve FHSS postupech,... mezi PDA a AP Ustanoven spojen, Link establishment. LMP v PDA ustanov spojen s prstupov ym bodem, pouzije se spoj typu ACL, aplikac bude . ste { WPAN, Bluetooth 86 ste { WPAN, Bluetooth 87

23 Ustanoven spojen, prklad Bezpecnost Service Discovery. LMP pouzije SDP (Service Discovery Protocol) ke zjisten, kter e sluzby prstupov y bod poskytuje ( nebo prstup k prslusn emu poctaci). Ne { procedura konc. Kan al LCAP. Ustanov se kan al, ve kter em bude mozn e komunikovat s aplikac Kan al RFCSOMM. Pokud pro komunikaci s aplikac je potreba simulovat rozhran s eriov eho spoje, vytvor se v kan alu LCAP kan al RFCOMM. Bezpecnost. Pokud je prstup k prstupov emu bodu autetizovan y PDA se s prstupov ym bodem vz ajemne autentizuje St'ov e protokoly. Ustanoven ym spojenm lze nyn rdit napr. TCP/IP provoz Tri bezpecnostn funkce Authentication - verikace identit komunikujcch zarzen Condentiality - zajisten soukrom, d uvernost Authorization { je dané zařízení oprávněné používat tuto službu? Dals prsp evek k bezpezpecnosti princip FHSS omezen y dosah r adiov eho vysl an (do 10 m) Orientacn e popisujeme jednu z vce forem zabezpecov an v sti Bluetooth ste { WPAN, Bluetooth 88 ste { WPAN, Bluetooth 89 Bezpecnost 1. krok k zabezpecen { p arov an nav az an vztahu mezi dvema Bt-zarzenmi po vyhled an a nav az an spojen, prvn autentizace p arov an zajist'uj procedury LMP obe zarzen sdl PIN (1{16 bajt u) vymenen y o-line vymen si n ahodn e cslo (jedno zarzen generuje a zasl a druh emu) z PIN a n ahodn eho csla si vygeneruj klc spojen, link key, klc spojen si zapamatuj ve sv ych permanentnch pametech Bezpecnost Authentication - verikace identit komunikujcch zarzen voliteln y proces overujc strana overuje identitu overovan e strany overuje se znalost klce spojen overovan e zarzen posle overujcmu MAC adresu overujc zarzen posle overovan emu n ahodn e cslo, v yzvu overovan e zarzen vr at autentizacn odpoved' odvozenou z adresy, klce spojen a n ahodn e v yzvy overujc over validnost autentizacn odpovedi Sifrov an pren asen ych dat voliteln y proces viz n asledujc obr azek ste { WPAN, Bluetooth 90 ste { WPAN, Bluetooth 91

24 Princip s ifrovan Proces s ifrovan 9 SDP { Service Discovery Protocol 93 Bluetooth Smart, Bluetooth 4.0, Bluetooth Low Energy protokol typu vyzva/odpov ed' pro vyhledav an slu zeb X X X X Hleda uzly v radiov em dosahu v dynamickem prost red slu zbu pouze odhaluje, ne r ka jak ji pou z vat udr zuje cache pam et' postupn e odhalenych slu zeb Nap r. p ri pou zit Bt headset, SDP odhal, ktery pro l lze pou z t (Headset Pro le, Hands Free Pro le, Advanced Audio Distribution Pro le { ADP apod.) a nutne nastaven multiplexoru protokolu vhodny standard pro IoT stejne pasmo jako Bt BR/EDR,,4 GHz dosah 150 m vystupn vykon pouze 10 mw proti a z 100 mw pro Bt BR/EDR Format zaznamu o slu zb e X atributy informuj c o slu zb e X 16 b ID (jmeno) + hodnoty atributu X hodnoty mohou byt odvozeny z 18 bitoveho Universally Unique Identifiers (UUID) 94 95