1. Metode de comunicare fara fir.pdf

Metode de comunicare fără fir (wireless)
Tehnicile şi tehnologiile utilizate în domeniul tehnologiei informaţiei şi comunicaţiilor (TIC)
reprezintă baza dezvoltării societăţii informaţionale şi principalul factor de progres tehnicoeconomic
mondial, astfel explicându-se atât diversitatea, dinamica, complexitatea cât şi
importanţa în cadrul global.
Tehnicile de comunicaţie utilizabile pentru transmiterea datelor între un robot mobil şi PC
restrâng, în majoritatea aplicaţiilor specifice, gama tehnologiilor la cele cu o rază de acţiune
mobilă dar limitată, care sunt reprezentate de standardele wireless (fără fir), radio sau infraroşu.
Până acum proiectarea sistemelor de comunicaţie fără fir s-a axat mai mult pe creşterea
performanţelor de transmisie prin aer. În acest context atenuarea şi interferenţele sunt privite ca
şi zgomote inevitabile unui astfel de mediu de transmisie. Ultimele tendinţe au arătat că acum
accentul se pune prepondernt pe creşterea eficienţei spectrale.

Comunicaţii prin Bluetooth
®
Comunicaţiile Bluetooth sunt un standard de comunicaţie pentru dispozitive mobile,
standard care se aplică pe distanţe ceva mai mari decât în cazul comunicaţiilor în infraroşu.
Sistemul Bluetooth este cel mai adecvat atunci când distanţa dintre emiţător/receptor
este scurtă, rata de transfer este mare, iar puterea consumată trebuie menţinută cât mai
scăzută.
Ideea ce a dat nastere tehnologiei wireless Bluetooth a aparut în 1994 cand compania
Ericsson Mobile Communications a decis investigarea fezabilitatii unei interfete radio de mica
putere şi cost redus între telefoanele mobile şi accesoriile acestora.
Specificaţiile Bluetooth sunt practic acoperite de standardul IEEE 802.15.1(astfel se
justifică termenul „standardul Bluetooth”) şi reprezinta una dintre cele mai avansate tehnologii de
comunicatie fara fir. Cu putere mare de transfer al datelor şi consum foarte scazut de energie,
actionand pe distante mici, de la 1m pana la 100m şi numai "indoor", Bluetooth se afirma ca fiind
mijlocul prin care toate echipamentele care ne inconjoara pot interactiona.
Bluetooth prezinta o tehnologie pentru distante scurte cu costuri reduse, vizând crearea
unor reţele personale (PAN-Personal Area Nework).
Principalele tipuri de aplicatii ale Bluetooth sunt:
• controlul wireless al comunicarii între telefonul celular şi castile hands free sau car
kitul. Aceasta aplicatie a devenit cea mai populara.
• retea wireless între calculatoare într-un spatiu limitat şi cerinte mici de lungime de
banda, aici putând include şi cazul PC-robot.
• comunicatie wireless între dispozitivele de intrare şi ieşire ale unui calculator, cele
mai intalnite fiind mouse-ul,tastatura sau imprimanta.
• inlocuirea comunicarii traditionale seriale prin fir în echipamentele de test, receptoeul
GPS şi echipamente medicale.
• pentru controale unde infrarosul era folosit.
• controlul wireless al consolei de jocuri – Nintendo’s Wii şi Sony’s PlayStation 3
folosesc tehnologia Bluetooth pentru consolele lor wireless.
Pentru a putea analiza eficient soluţiile fără fir (wireless), este utilă comparaţia cu alte
tehnologii [21]:
Bluetooth
a) este indreptata către aplicatii de voce şi date;
b) opereaza în spectrul 2.4GHz;

c) functioneaza pe o distanta de la 1m la 100 m;
d) este capabila sa treaca prin obiecte solide, este omnidirectionala şi nu necesita o
pozitionare în linie cu celelalte dispozitive pentru conectare;
e) securitatea este şi va fi o prioritate în dezvoltare;
f) costul unui chip este mic, nu necesita adrese de retea, aprobări şi celelalte setari pentru
o retea tipica de Internet;
Sistemul de comunicaţie Bluetooth a fost proiectat cu scopul de a conecta mai multe
dispozitive pentru a implenta o reţea mică şi de aceea protocolul care dictează regulile de
comunicaţie are în vedere o arhitectură de tip master-slave.
În figura de mai jos se prezintă un dispozitiv şi o reţea Blutooth (Piconet) [21].
Având în vedere cerinţele temei proiectului şi caracteristicile generale avantajoase, care
au determinat deja utilizarea sa frecventă la comunicaţiile PC-roboţi mobili, detalii privind
structura şi elementele principale ale standardului Bluetooth (IEEE 802.15.1), precum şi a
versiunilor acestuia, se vor prezenta ulterior.

Tehnologia Bluetooth
®
Prezentare generală
Tehnologia wireless Bluetooth reprezintă una dintre cele mai avansate şi răspândite
tehnologii de comunicatie fără fir.
Bluetooth prezintă următoarele avantaje principiale:
facilitează atât comunicaţiile de date cât şi pe cele vocale;
oferă posibilitatea implementării unor reţele ad-hoc şi a sincronizării între diverse
dispozitive electronice şi echipamentele periferice ale computerelor care se afla la
distanţe de ordinul a 10 m;
asigură soluţii pentru comunicaţii vocale şi de date fără cabluri, utilizând alimentări
standard low-power, tehnologii de cost redus ce pot fi cu uşurinţă integrate în orice
dispozitiv şi deschide calea unei mobilităţi totale.
Specificaţiile Bluetooth definesc capabilităţi de legături radio pe distanţe scurte
(aproximativ 10m) sau opţional pe distanţe medii (aproximativ 20m) pentru transmisii vocale sau
de date de capacitate maximă 720kbps pe canal [20].
Gama de frecvenţe de operare o constituie banda nelicenţiată industrială, ştiinţifică şi
medicală (ISM) de la 2.4GHz la 2.48Hz, utilizând tehnici de împrăştiere a spectrului (frequency
hopping spread spectrum), cu salturi de frecvenţă ale semnalului duplex de până la 1600 salturi
pe secundă. Semnalul execută salturi prin 79 intervale de frecvenţă de 1MHz, pentru a realiza o
bună imunitate la interferenţe. Puterea emisă este conform specificaţiilor 0dBm (1mW) pentru
implementările pentru acoperiri reduse (10m) şi maxim 20dBm (100mW) pentru versiunile pentru
domenii mai extinse (100m).
Când s-au alcătuit specificaţiile radio, un mare accent s-a pus pe posibilitatea
implementării design-ului într-un singur chip CMOS, în consecinţă reducându-se costul, puterea
consumată şi dimensiunile necesare pentru implementarea în dispozitivele mobile.
Comunicaţiile vocale: Sunt utilizate până la trei canale vocale sincrone simultan sau un
canal care suportă simultan transmisie de date asincronă şi transmisie vocală sincronă. Fiecare
canal vocal suportă sincron 64kb/s în fiecare sens.
Comunicaţii de date: Un canal de date asincron poate suporta maxim 723.2kbps în
sens direct în conexiune asimetrică (şi până la 57.6kbps în sens invers), sau 433.9kbps în
conexiune simetrică.
Structura master-slave: Deorece sistemul de comunicaţie Bluetooth a fost proiectat cu
scopul de a conecta mai multe dispozitive pentru a implementa o reţea de tip LAN, protocolul de
sincronizare se bazează pe o structură de tip master-slave.

Fiecare dispozitiv Bluetooth poate stabili conexiuni cu încă 7 alte dispozitive. Numai o
singură conexiune este activă la un moment de timp, restul fiind într-o stare semi-activă. Pe
scurt aceste dispozitive au un număr de adresă fix, dar nu au acees la mediul de transmisie
decât atunci când le vine rândul sau li se cere să comunice cu un master. Sincronizarea
frecvenţelor presupune definirea unor intervale de timp de 625 de microsecunde, unde masterul
îşi va transmite pachetele în intervalele de timp cu număr par, iar slave-urile în intervalele de
timp cu număr impar.
Unităţile Bluetooth aflate în acelaşi domeniu spaţial de acţiune radio pot realiza ad-hoc
conexiuni punct-la-punct şi/sau punct-la-multipunct. Unităţile pot fi adăugate sau deconectate în
mod dinamic la reţea. Două sau mai multe unităţi pot utiliza în comun un canal al unui piconet.
Se pot forma mai multe picoreţele şi acestea se pot lega ad-hoc împreună formând scatternet
pentru a realiza configuraţii flexibile de comunicaţii şi schimburi de date.
Dacă într-un acelaşi domeniu spaţial se află mai multe pico-reţele, fiecare lucrează
independent şi fiecare are acces la întreaga bandă de frecvenţe. Fiecare pico-reţea este stabilită
pe un canal diferit, cu salt în frecvenţă. Toţi utilizatorii participanţi la aceeaşi pico-reţea sunt
sincronizaţi pe acest canal. Spre deosebire de dispozitivele cu infraroşu (IR), unităţile Bluetooth
nu sunt limitate de necesitatea vederii directe între ele.
Reţele Bluetooth Scatternet
Pentru a se respecta normele de imunitate la coliziuni între date, un scatternet poate
cuprinde până la 10 piconet-uri.
Principalele caracteristici ale standardului Bluetooth / IEEE 802.15.1
Legătura între Bluetooth şi IEEE s-a făcut prin faptul că primele specificaţii Bluetooth
(1.0) -1999 au devenit baza IEEE Standard 802.15.1-2002 (prin care se ratifica Bluetooth 1.1),
consacrând astfel importanţa şi forţa noii tehnologii.

Deşi, în mod firesc, Bluetooth a urmat o evoluţie ascendantă (mai multe versiuni -
detaliate la paragraful 3.3), marcată şi de standarde IEEE, principalele caracteristici ale
standardului iniţial (1.0) se păstrează ca majoritare şi definitorii, după cum se prezintă în
continuare.
Clasele de putere / acoperire şi securitatea Bluetooth
În funcţie de puterea maximă emisă s-au standardizat 3 clase principale în care se pot
fabrica dispozitivele Bluetooth, acestora corespunzându-le şi diferite acoperiri (raze de acţiune)
maxime (Tabelul 2).
Tabelul 2. Clase Bluetooth
Clasa
Puterea maximă permisă Puterea maximă permisă Raza
(mW)
(dBm)
(aproximativă)
Clasa 1 100 mW 20 dBm 100 m
Clasa 2 2.5 mW 4 dBm 10 m
Clasa 3 1 mW 0 dBm 1 m
Deoarece semnalele radio pot fi uşor interceptate, dispozitivele Bluetooth au încorporate
proceduri de securizare, pentru prevenirea receptorilor rău-intenţionaţi şi nevizaţi de mesaj.
Trei sunt metodele de securizare a informaţiei:
1. Rutina de interpelare pentru autentificare;
2. Cifrarea fluxului informaţional, ca metodă de criptare;
3. Generarea unor chei de sesiune – aceste chei pot fi oricând schimbate pe parcursul
unei conexiuni stabilite.
În algoritmii de securizare sunt utilizate trei entităţi:
1. Adresa dispozitivului Bluetooth (BD_ADDR pe 48 biţi), care este o entitate publică
unică pentru fiecare dispozitiv (această adresă se obţine prin procedura Inquire);
2. cheie privată specifică utilizatorului (128 biţi), care este o entitate secretă (cheia
privată derivă din procedura de iniţializare şi nu este dezvăluită niciodată);
3. Un număr aleator (128 biţi), care diferă la fiecare nouă tranzacţie. Acest număr este
derivat dintr-un proces pseudo-aleator în unitatea Bluetooth.
În plus faţă de aceste funcţii la nivel de legătură, salturile de frecvenţă şi transmisia
limitată spaţial ajută şi ele la prevenirea recepţionărilor neautorizate.

Stiva de protocoale Bluetooth
O caracteristică cheie a Bluetooth este aceea de a permite dispozitivelor realizate de
diverşi producători să lucreze împreună. Pentru acest scop, Bluetooth nu defineşte doar un
sistem radio, ci şi o stivă de protocoale pentru ca aplicaţiile respective să poată sesiza prezenţa
altor dispozitive Bluetooth, să descopere ce servicii pot acestea oferi şi să utilizeze aceste
servicii.
Stiva de protocoale este definită ca o serie de straturi, deşi unele caracteristici nu pot fi
delimitate ca aparţinând unui anumit strat. În figura urmatoare este evidenţiat acest aspect.
Stiva de protocoale Bluetooth
Profilurile Bluetooth ghidează aplicaţiile în utilizarea stivei de protocoale Bluetooth. TCS
(Telephony Control Protocol Specification) oferă servicii telefonice.
SDP (Service Discovery Protocol) lasă dispozitivele Bluetooth să descopere ce servicii
suportă celelalte dispozitive. RFCOMM oferă o interfaţă serială asemănătoare cu RS232.
L2CAP multiplexează date de la straturile superioare şi converteşte dimensiunile pachetelor
informaţionale, după necesităţi. HCI manipulează comunicaţiile între modulul Bluetooth şi
aplicaţia gazdă. LM controlează şi configurează legăturile cu alte dispozitive. BB/LC controlează
legăturile fizice prin radio, asamblează pachetele şi controlează salturile în frecvenţă. Stratul
Radio modulează şi demodulează datele pentru transmisia şi recepţia aeriană.

Descoperirea dispozitivelor Bluetooth
Presupunem că avem de-a-face cu două dispozitive echipate Bluetooth, un telefon
celular şi un laptop. Celularul este capabil să se comporte ca un modem, folosind profilul Dial-Up
Networking şi scanează periodic să vadă dacă cineva doreşte să-l utilizeze.
Utilizatorul laptop-ului deschide o aplicaţie care necesită o legătură Bluetooth dial-up.
Pentru a utiliza această aplicaţie, laptop-ul ştie că are nevoie să stabilească o legătură Bluetooth
cu un dispozitiv ce suportă profilul Dial-Up Networking. Primul pas în stabilirea unei astfel de
conexiuni este de a afla ce dispozitive Bluetooth se află în zonă, aşa că laptop-ul iniţiază o
procedură Inquiry pentru a sonda vecinătatea cu alte dispozitive.
Pentru aceasta, laptop-ul transmite o serie de pachete de interogare (inquiry) şi eventual
telefonul celular răspunde cu un pachet FHS (Frequency Hop Synchronisation). Pachetul FHS
conţine toate informaţiile de care laptop-ul are nevoie pentru crearea unei legături cu celularul.
Acesta conţine de asemenea şi informaţii despre clasa dispozitivului, informaţii structurate pe
două nivele: părţi majore – a fost descoperit un telefon şi părţi minore – telefonul descoperit este
un telefon celular.
În acelaşi mod, orice dispozitiv Bluetooth din zonă, care scanează mediul în căutarea de
mesaje Inquiry, va răspunde cu un pachet FHS, astfel încât laptop-ul acumulează o listă cu
dispozitive.
Ceea ce se întâmplă mai departe depinde de proiectantul aplicaţiei. Laptop-ul poate
prezenta utilizatorului o listă a tuturor dispozitivelor descoperite şi îl poate lăsa pe acesta să
decidă cum să continue; de menţionat că în acest stadiu laptop-ul nu-i poate prezenta
utilizatorului decât informaţii referitoare la tipul dispozitivelor descoperite.
Versiuni în evoluţia Bluetooth
®
Evoluţia specificaţiilor Bluetooth la standardul IEEE
Numele Bluetooth vine de la Harald I Blåtand ("the blue-toothed"), regele Viking al
Danemarcei între anii 940 şi 981 [23]. Ideea ce a dat naştere tehnologiei wireless Bluetooth a
apărut în 1994 când compania Ericsson Mobile Communications a decis investigarea fezabilităţii
unei interfeţe radio de mică putere şi cost redus între telefoanele mobile şi accesoriile acestora.
În februarie 1998 a luat fiinţă Grupul de Interes Special (SIG). Astăzi Bluetooth SIG
include companiile promotoare 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia şi
Toshiba, şi mii de companii – membri asociaţi sau adoptori.
Iniţial misiunea SIG a fost de a monitoriza dezvoltarea tehnologiei radio pentru domenii
restrânse şi de a crea un standard global deschis, prevenind astfel devenirea acestei tehnologii
proprietatea unei singure companii. Acest lucru a avut ca rezultat apariţia primei specificaţii
Bluetooth (1.0) 1999.

În martie 2000 IEEE şi SIG au convenit crearea unui standard IEEE pe baza versiunii
1.1-Bluetooth.
În 2002 Bluetooth 1.1 este ratificat ca IEEE Standard 802.15.1-2002.
Bluetooth 1.0
Prima versiune Bluetooth (1.0) apare în 1999. Versiunile 1.0 şi 1.0B au avut multe
probleme şi mai mulţi producatori au avut multe dificultati în a face produsele interoperabile.
Versiunile 1.0 şi 1.0B de asemenea au avut prin regula BD_ADDR(Bluetooth Hardware Device
Address) o adresa de recunoastere, ceea ce crea o imposibilitate a anonimatului la nivelul de
protocol, ducând la o incetinire a procesului de introducere a noi servicii în mediul Bluetooth.
Bluetooth 1.1
Multe din erorile descoperite în versiunea 1.0B au fost corectate:
- a fost adaugat suport pentru canalele necriptate;
- a fost introdus RSSI (Receiver Signal Strenght Indicator) – Indicator de nivel al
semnalului recepţionat;
Bluetooth 1.2 (Ratificată ca IEEE Standard 802.15.1-2005)
Aceasta versiune este compatibila cu 1.1 iar imbunatatirile majore includ:
- AFH (Adaptive Frequency Hopping), care imbunatateste rezistenta la interferentele
frecventei radio, evitand utilizarea frecventelor aglomerate în secventa de salt;
- viteza da transmitere mai mare (maxim 721 kbit/s);
- eSCO(extended Syncronius Connections), care imbunatateste calitatea vocii în
conexiunile audio prin permiterea retransmisiei de pachete alterate.
Bluetooth 2.0 (SIG-2004)
Aceasta versiune este compatibila cu versiunile 1.x. Principala imbunatatire este
introducerea EDR-ului (Enhanced Data Rate) de 3.0 Mbps.
Acest lucru are urmatoarele efecte:
- o viteza de transmitere de 3 ori mai mare, în unele cazuri de 10 ori mai mare raza
de acţiune 100m;
- consum de putere mai mic;
- latime de banda mai mare (important la portabile-PDA, laptop, telefon);
- imbunatatirea BER-ul (Bit Error Rate)
- mai bună gestionare a conexiunii între mai mult de două dispozitive.

Bluetooth 2.1 (SIG-2007)
Compatibilă cu 1.2, iar imbunatatirile majore includ:
- Perfecţonarea procedurii “inquire” (Extended Inquiry Response).
- Reducerea consumului în “low-power mode”
- Permite schimbarea cheilor de criptare (Encryption Pause Resume) în cazul
legăturilor lungi peste 23.3 h(one Bluetooth day).
- Creşte nivelul de cunoaştere între dispozitivele reţelei (Secure Simple Pairing +Near
Field Communication -NFC), ducând la creşterea securităţii şi vitezei de conectare;
Bluetooth 3.0 (SIG-2009)
Specificaţia 3.0 a fost adoptată de Bluetooth SIG pe 21 aprilie 2009. Principala noutate
introdusă este AMP (Alternate MAC/PHY), adică adăugarea lui 802.11 (asociat de regulă cu Wi-
Fi) ca un mod de transport de mare viteză. Această extindere măreşte considerabil importanţa şi
potenţialul Bluetooth (Wi-Fi era principalul competitor tehnic şi economic).
Modele şi arhitecturi de utilizare
Unităţile Bluetooth aflate în acelaşi domeniu spaţial de acţiune radio pot realiza ad-hoc
conexiuni punct-la-punct şi/sau punct-la-multipunct. Unităţile pot fi adăugate sau deconectate în
mod dinamic la reţea. Două sau mai multe unităţi pot utiliza în comun un canal al unui piconet.
Se pot forma mai multe picoreţele şi acestea se pot lega ad-hoc împreună formând scatternet,
pentru a realiza configuraţii flexibile de comunicaţii şi schimburi de date.
Arhitecturi Bluetooth
Pentru a regulariza traficul pe canal, unul dintre participanţi devine master în piconet, în timp
ce restul unităţilor devin slave.
Dacă într-un acelaşi domeniu spaţial se află mai multe pico-reţele, fiecare lucrează
independent şi fiecare are acces la întreaga bandă de frecvenţe. Fiecare pico-reţea este stabilită
pe un canal diferit, cu salt în frecvenţă. Toţi utilizatorii participanţi la aceeaşi pico-reţea sunt
sincronizaţi pe acest canal. Spre deosebire de dispozitivele cu infraroşu (IR), unităţile Bluetooth
nu sunt limitate de necesitatea vederii directe între ele.