Bluetooth je v informatice otevřený standard pro bezdrátovou komunikaci propojující dvě a více elektronických zařízení, jako například mobilní telefon, PDA, osobní počítač nebo bezdrátová sluchátka. Vytvořen byl v roce 1994 firmou Ericsson jako bezdrátová náhrada za sériové drátové rozhraní RS-232.^[1]

Původ názvu

Název Bluetooth je odvozen z anglického jména dánského krále Haralda Modrozuba (bluetooth znamená v angličtině „modrozub“) vládnoucího v 10. století. Ten využil svých diplomatických schopností k tomu, aby válčící kmeny přistoupily k diskusi a ukončily vzájemné rozepře. Právě této analogie bylo využito pro název technologie Bluetooth, která podobně jako kdysi král Harald slouží k usnadnění vzájemné komunikace. Znak Bluetooth vznikl spojením runových znaků pro písmena H a B.

Specifikace

Technologie Bluetooth je normalizována standardem IEEE 802.15.1. Spadá do kategorie osobních počítačových sítí, tzv. PAN (Personal Area Network). Vyskytuje se v několika verzích, v roce 2010 byla nejvíce využívaná verze 2.0, která byla implementována ve většině prodávaných zařízení, jako jsou např. mobilní telefony, notebooky, televize. Specifikace Bluetooth 2.0 EDR (Enhanced Data-Rate) zavedla novou modulační techniku pi/4-DQPSK, čímž se zvýšila datová propustnost na trojnásobnou hodnotu oproti Bluetooth 1.2 (2,1 Mbit/s). Výdrž baterie je výrazně vyšší, protože samotné navázání spojení i přenos probíhají v daleko kratší době než u starších verzí Bluetooth. Následovala verze 3. V roce (2011) bylo vyvinuto rozhraní Bluetooth 4.0 pro větší dosah (až 100 metrů), menší spotřebu elektrické energie a také s podporou šifrování AES-128. Následovaly verze 4.1, 4.2 od prosince 2014. Od 16.6. 2016 nastoupila verze Bluetooth 5.0 s přenosovou rychlostí až 2 Mbit/s. Umožňuje čtyři volby přenosové rychlosti mezi 2Mb/s až 125kbit/s, čím menší přenosová rychlost, tím větší dosah, který je oproti verzi 4.2 až čtyřnásobný (tedy ve volných prostranstvích až 200 metrů), podle Marka Powella, výkonného ředitele společnosti Bluetooth SIG. Bezdrátové vysílání (broadcasting) nebylo v případě Bluetooth 4.2 příliš oblíbené kvůli malé velikosti zpráv, omezené na 31 bajtů. Bluetooth 5 umožňuje vysílání zpráv až o velikosti 255 bajtů, díky čemuž nachází využití také například v majácích používaných pro reklamní trh či navigaci v nákupních centrech a podobných prostorách. Verze Bluetooth 5.0 je zpětně kompatibilní s předchozími verzemi 4.2, 4.1, 4, 3, 2.1., 2. Zařízení s Bluetooth 5.0 je energeticky méně náročné (tj. například mobil s verzí 5 vydrží při poslechu hudby déle bez připojení, než se baterie vybije.). Je bezpečnější, odolnější proti rušení.

Rádiové rozhraní

Bluetooth pracuje v ISM pásmu pásmu 2,4 GHz (stejném jako u Wi-Fi). K přenosu využívá metody FHSS, kdy během jedné sekundy je provedeno 1600 skoků (přeladění) mezi 79 frekvencemi s rozestupem 1 MHz. Tento mechanismus má zvýšit odolnost spojení vůči rušení na stejné frekvenci. Je definováno několik výkonových úrovní (1 mW, 10 mW, 100 mW), s nimiž je umožněna komunikace do vzdálenosti 1–100 m. Udávané hodnoty ovšem platí jen ve volném prostoru. Pokud jsou mezi komunikujícími zařízeními překážky (typicky například zdi, tělo uživatele), dosah rychle klesá. Většinou ovšem nedochází ke skokové ztrátě spojení, ale postupně se zvyšuje počet chybně přenesených paketů.

Vyšší síťové vrstvy

Přenosová rychlost se pohybuje okolo 720 kbit/s (90 KiB/s) a je možné vytvořit datový spoj symetrický, případně asymetrický, kdy přenosová rychlost při příjmu (downlink) je vyšší než při odesílání (uplink). Jednotlivá zařízení jsou identifikována pomocí své adresy BD_ADDR (BlueTooth Device Address) podobně, jako je MAC adresa u Ethernetu.

Bluetooth podporuje jak dvoubodovou, tak mnohabodovou komunikaci. Pokud je více stanic propojeno do ad-hoc sítě (tzv. piconet), působí jedna radiová stanice jako řídicí (master) a může simultánně obsloužit až 7 podřízených (slave) zařízení. Všechna zařízení v pikosíti se synchronizují s taktem řídicí stanice a se způsobem přeskakování mezi kmitočty. Specifikace dovoluje simultánně použít až 10 pikosítí na ploše o průměru 10 metrů a tyto pikosítě dále sdružovat do tzv. scatternets neboli „rozprostřených“ sítí.

Bluetooth a Wi-Fi

Implementačně je u Wi-Fi s Bluetooth podobný tzv. ad-hoc způsob komunikace. Wi-Fi pracuje na linkové vrstvě síťového modelu ISO/OSI, nestará se o typ přenášeného protokolu. Naproti tomu Bluetooth řeší sám o sobě vyšší, až aplikační vrstvy síťového modelu. Z toho vyplývá, že pro každý typ připojitelného zařízení musí mít Bluetooth definován speciální protokol, pomocí kterého s ním bude komunikovat. Tento způsob komplikuje vývoj softwarové podpory Bluetooth (tj. ovladač zařízení), ale i kompatibilitu jednotlivých implementací, jež mohou obsahovat chyby, které způsobí nefunkčnost komunikace. Na druhou stranu však zjednodušují vývoj software, který dané zařízení používá a konfiguraci jednotlivých zařízení, která mají být propojena.

Bluetooth zařízení

Bluetooth je integrováno v mnoha zařízeních, jako je iPod Touch, Lego Mindstorms EV3, PlayStation 3, PSP Go, telefony, Nintendo Wii aj. Technologie je použita při přenosu informací mezi dvěma nebo více zařízeními, která jsou blízko sebe. Bluetooth je běžně používán v mobilních telefonech často spojené s náhlavní soupravou nebo v přenosu dat mezi telefonem a počítačem. Bluetooth protokoly usnadňují rozpoznání a nastavení služeb mezi jednotlivými zařízeními. Bluetooth zařízení mohou využít všech služeb, které poskytují.

Požadavky počítače

Osobní počítač, který nemá vestavěné Bluetooth, může použít adaptér Bluetooth, který umožní počítači komunikovat s ostatními zařízeními Bluetooth, například mobilními telefony, počítačovou myší, klávesnicí. Zatímco některé stolní počítače a nejnovější notebooky mají vestavěný přijímač Bluetooth, ostatní zařízení budou vyžadovat externí přijímač v podobě hardwarového zařízení. Na rozdíl od svého předchůdce IrDA, který vyžaduje pro komunikaci s každým zařízením jeden vyhrazený adaptér, Bluetooth umožňuje více zařízením zároveň komunikovat s počítačem přes jeden sdílený adaptér.

Podpora operačních systémů

Apple podporuje Bluetooth od macOS v10.2, který byl uvolněn v roce 2002. Pro Windows XP je pro SP2 a novější podporován Bluetooth 1.1, 2.0 a 2.0 +EDR (předchozí verze vyžadovaly od uživatele instalaci ovladačů, které nebyly přímo podporovány společností Microsoft). Windows Vista s Feature Pack pro bezdrátové sítě nebo Windows Vista SP2 podporují Bluetooth 2.1 +EDR. Windows 7 podporují Bluetooth 2.1+EDR a rozšířenou kontrolu EIR. Zmíněné verze Windows nativně podporují tyto profily: PAN, SPP, DUN, HID, HCRP. Využít lze též implementace Bluetooth od třetích stran, které mohou podporovat novější verze Bluetooth nebo další profily. Pro Linux existují pro Bluetooth dvě implementace: BlueZ a Affix. BlueZ je součástí většiny linuxových jader a byl původně vyvinut společností Qualcomm. Affix byl vyvinut firmou Nokia. Systém FreeBSD nabízí podporu Bluetooth od verze 5.0. NetBSD podporuje Bluetooth od verze 4.0, implementace byla portována též na OpenBSD.

Požadavky mobilního telefonu

Mobilní telefon je schopen spárovat se s mnoha zařízeními. Aby byla zajištěna co nejširší podpora funkcí spolu se staršími zařízeními, Open Mobile Terminal Platform (OMTP) fórum vydalo doporučený dokument s názvem „Bluetooth Local Connectivity“.

Specifikace a funkce

Specifikace Bluetooth byla vyvinuta v roce 1994 Jaapem Haartsenem a Svenem Mattissonem, kteří pracovali pro Ericsson ve švédském Lundu. Specifikace je založena na přeskakování několika frekvencí FHSS. Specifikace byly formalizovány Bluetooth Special Interest Group (SIG). SIG byl oficiálně představen 20. května 1998. Dnes má členství více než 13.000 společností po celém světě. Založeno bylo společnostmi Ericsson, IBM, Intel, Toshiba a Nokia a později se přidalo mnoho dalších společností.

Bluetooth 1.0 a 1.b

Verze 1.0 a 1.0b měla mnoho problémů a výrobci měli potíže, aby jejich výrobky byly interoperabilní. Verze 1.0 a 1.0b obsahovala také povinné hardwarové adresy Bluetooth zařízení (BD_ADDR) v připojeném procesu (interpretace anonymity není možná na úrovni protokolu), který byl hlavní překážkou pro některé služby, plánované pro použití v Bluetooth.

Bluetooth 1.1

• V roce 2002 schválen jako IEEE Standard 802.15.1
• Nalezeno mnoho chyb u verze 1.0b, byly stanoveny specifikace.
• Přidána podpora pro nešifrované kanály.
• Indikátor síly signálu (RSSI).

Bluetooth 1.2

Zpětně kompatibilní s 1.1, k hlavnímu vylepšení patří:

• Rychlejší připojení a vyhledání zařízení.
• Přeskakování frekvence (AFH), která zlepšuje odolnost vůči rádiovému rušení a zamezení používání přeplněných frekvencí.
• Vyšší přenosové rychlosti než v1.1 až do 721 kbit/s.
• Rozšířená synchronní připojení (ESCO), která zlepšují kvalitu hlasu.Tím umožňuje přenosy poškozených souborů a může být zvolena zvýšená zvuková latence, která zajistí lepší podporu souběžného přenosu dat.
• Standardizované rozhraní mezi hostitelem a řadičem (HCI), podpora pro třídrátové USART rozhraní.
• V roce 2005 schválen jako IEEE Standard 802.15.1.
• Představeno řízení toku dat a režim L2CAP pro přenos.

Bluetooth 2.1 + EDR

Bluetooth Core specifikace verze 2.1+EDR je plně zpětně kompatibilní s 1.2, a byla přijata sdružením Bluetooth SIG 26. července v roce 2007. Hlavním rysem v2.1 je bezpečné jednoduché párování (SSP), to zlepšuje spárování zařízení a zároveň používání zvýšené bezpečnosti. Podrobnější informace o párování níže. Verze 2.1 umožňuje různá další vylepšení, obsahuje např.: rozšířené informace EIR, která poskytuje více informací v průběhu vyhledávání, které umožní lepší třídění zařízení před připojením, což snižuje spotřebu energie v režimu nízké energie.

Bluetooth 3.0 + HS

Specifikace verze 3.0 + HS Bluetooth Core byla přijata Bluetooth SIG dne 21. dubna 2009. Bluetooth 3.0 + HS podporuje teoretickou rychlost přenosu dat až 24 Mbit/s i když ne přes samotné propojení Bluetooth. Místo toho je Bluetooth použito k navázání spojení a vysokorychlostní přenos se provádí přes souběžné spojení 802.11 známé jako Wi-Fi. Novinkou je AMP (Alternate MAC/PHY) jako vysokorychlostní přenos dat. Pro APM se očekávají dvě nové technologie: 802.11 a UWB, ale pro UWB chybí specifikace. Vysokorychlostní přenos není povinnou součástí specifikace, a tudíž pouze zařízení s "+ HS" budou skutečně podporovat vysokorychlostní přenos dat Bluetooth přes Wi-Fi. Zařízení Bluetooth 3.0 bez přípony HS nebudou podporovat vysokorychlostní přenos, ale stačí mít podporu UCD (Unicast Connectionless Data).

Alternativní MAC / PHY

Přenos dat technologií Bluetooth umožňuje použití alternativní vrstvy MAC a PHY. Technologie Bluetooth je stále používána k vyhledávání zařízení, k počátečnímu připojení a konfiguraci. K posílení množství dat je použita vysokorychlostní alternativa MAC PHY 802.11 (typicky spojená s Wi-Fi). Znamená to, že osvědčené připojení Bluetooth modelu s nízkým výkonem je použito při nečinnosti systému zatímco při odesílání velkého množství dat je použito rychlejší připojení.

Jednosměrné vysílání dat

Služba povoluje odesílání dat bez zřízení explicitního L2CAP kanálu. Určen je pro aplikace vyžadující krátkou odezvu mezi akcí, kterou provede uživatel a připojením nebo přenosem dat. Vhodné pouze pro přenos malého objemu dat.

Bluetooth 4.0

Specifikace Bluetooth verze 4.0 byla vydána v červenci 2010. Nová verze 4.0 nemá za cíl nahradit dřívější verzi 3.0, jak by se mohlo zdát. Klíčovou vlastností nové specifikace je nízkoenergetická náročnost vhodná pro zařízení nepotřebující vysoké datové toky.

Očekává se, že verzi 4.0 budou využívat například handsfree náhlavní soupravy, kterým se tak může výrazně zvýšit životnost na jedno nabití baterie. Oproti tomu při přenosu větších objemů (foto, audio, video soubory) se využije verze 3.0, která ve spojení s WI-FI modulem nabízí rychlý přenos dat.

Bluetooth 4.2

Specifikace Bluetooth 4.2 byla vydána v prosinci 2014. Zahrnuje protokol 6LoWPAN, který ke komunikaci používají například chytré žárovky.^[2]

Bluetooth 5

Specifikace Bluetooth 5 (číslo verze je bez desetinného místa)^[3] byla vydána 6. června 2016,^[4][5][6] první podporu mají nové mobilní telefony (flagship) z roku 2017 (Sony Xperia XZ, Samsung Galaxy S8, iPhone 8).^[7][8] Obchodníci přijali zkrácené označení Bluetooth 5. Pro BLE může krátkodobě zvýšit rychlost na 2 Mbps (na úkor dosahu) nebo naopak dosáhnout až 4× delšího dosahu na úkor rychlosti než verze 4.2. Zvýšení propustnosti by mělo pomoci při používání desítek IoT zařízení v jedné domácnosti. Zvyšuje kapacitu pro zaříení bez spojení, jako jsou zařízení pro určování pozice (navigace), například BLE majáky v tunelech^[9] či obchodních centrech. Společně s touto změnou byly přidané různé rozsahy rychlosti.^[4][5][6]

Bluetooth 5.1

Specifikace Bluetooth 5.1 byla představena 21. ledna 2019. Mezi hlavní novinky patří podpora mesh sítí a AoA (určení směru, odkud přichází signál).

Bluetooth 5.2

Specifikace Bluetooth 5.2 byla představena 31. prosince 2019,^[10] specifikace Bluetooth Low Energy Audio (BLE Audio) byla dokončena až 12. července 2022.^[11] Mezi hlavní vylepšení patří řízení výkonu pro BLE a podpora pro BLE Audio,^[12] které Bluetooth SIG představila v lednu 2020 na CES. Rozdílem proti Bluetooth Audio je, že Bluetooth LE Audio umožňuje úsporu elektrické energie při přenosu zvuku, umožňuje všesměrové vysílání (one-to-many a many-to-one), což umožňuje příjem zvuku více příjemců z jednoho zdroje nebo jeden příjemce z více zdrojů (viz též Auracast^[13]). Přináší nový LC3 kodek (pro zakódování přenášeného audia) a podporu pro naslouchátka.

Bluetooth 5.3

Specifikace Bluetooth 5.3 byla představena 13. července 2021.^[14] Mezi vylepšení patří: Connection Subrating, Periodic Advertisement Interval, Channel Classification Enhancement, Encryption Key Size Control Enhancements. Zahrnuto naopak nebylo Alternate MAC and PHY (AMP) Extension.

Technické informace

Bluetooth protokol

Bluetooth je definován jako architekturová vrstva, kterou tvoří několik základních protokolů. Náhradní kabelový protokol, telefonní kontrolní protokol a protokol o příjmu Bluetooth. Pro Bluetooth jsou povinné protokoly LMP, L2CAP a SDP. Kromě toho jsou všeobecně podporovány protokoly HCI a RFCOMM.

LMP

Používá se k řízení radiového spojení mezi dvěma zařízeními a je realizován na řadiči.

L2CAPeditovat | editovat zdroj

Používá se k multiplexnímu logickému spojení mezi dvěma zařízeními pomocí různých protokolů vyšší úrovně. Poskytuje segmentaci a on-air pakety. V základním režimu L2CAP mají pakety minimální MTU 48 bajtů, výchozí hodnota je 672 bajtů a maximální až 64 KiB. Spolehlivost L2CAP režimu je dána opakovaným přenosem jedním kanálem a CRC kontrolou.

Do jádra Bluetooth Core specifikace byly dodatečně přidány další dva L2CAP režimy: Zdroj:https://cs.wikipedia.org?pojem=IEEE_802.15.1
Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.