Bluetooth

2         Bluetooth

2.1           Motivation

2.2           Netzstrukturen

2.3           Protokollstack

2.4           Funktionsblöcke

2.4.1             Radio-Unit

2.4.2             Link-Controller-Unit

2.4.2.1               Kanalaufteilung

2.4.2.2               Fehlerkorrektur

2.4.2.3               Paketaufbau

2.4.3             Link-Manager- und I/O-Unit

2.4.3.1               Link-Management-Protocol (LMP)

2.5           Logical Link-Control and Adaption-Protocol (L2CAP)

2.6           Verbindungstypen

2.7           Bandbreiten


2   Bluetooth

 

2.1   Motivation

Bluetooth wurde 1998 den von Firmen Ericsson. Nokia, Toshiba, IBM und Intel ins Leben gerufen, wobei jede der beteiligten Firmen ihr Know-How in ihrem jeweiligen Bereich einbrachte. Dadurch waren weitreichende Kenntnisse aus den Bereichen Funkübertragung, Mobile Computing und Chipfertigung vorhanden.

Die Motivation der fünf Firmen, die sich in der -Bluetooth Special Interest Group- (SIG) zusammenschlossen, war die verwirrende Vielzahl von Peripherieschnittstellen durch eine einzige zu ersetzen.

Das Ziel war eine universelle, kostengünstige, für Enduser leicht zu bedienende Schnittstellentechnologie zu entwickeln, welche zusätzlich noch kleine, drahtlose Netze im Home-, Homeoffice und Smalloffice ermöglicht. Durch eine weitestgehend vollautomatische Konfiguration der BT-Netze, welches sowohl Sprach- als auch Datendienste anbieten kann, soll die Mobilität der User in der Hinsicht unterstützt werden, dass diese ihre mobilen Endgeräte (Laptop, PDA, Handy) ohne Probleme untereinander vernetzen und somit Daten austauschen können.

 

2.2   Netzstrukturen

Das BT-Netz basiert auf dem Master/Slave-Prinzip. Wobei sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen möglich sind. Obendrein finden sich aber auch neuartige Eigenschaften, die dezentral und selbstorganisiert sind. Zwei oder mehr BT-Gegenstellen können beispielsweise bei gegebener Freischaltung denselben Kanal teilen und ad hoc ein so genanntes Piconetz bilden - das sind räumlich gesehen sehr kleine Netze. Eine BT-Einheit agiert dabei als Master, die übrigen - bis zu sieben je Piconetz - als aktive Slaves. Jedes Piconetz verwendet ein anderes Frequenz-Hopping-Muster (siehe 2.4.2.1 Kanalaufteilung - Seite 1), das der Master vorgibt und so den Kanalzugriff regelt. Neben dem Master und den aktiven Slaves können an einem Piconetz viele geparkte Slaves passiv teilnehmen. Ebenfalls synchron mit dem Master, wechseln sie die Frequenzen und Slots, doch ist ihnen der Kanalzugriff nicht gestattet; sie horchen lediglich.

Mehrere Piconetze können nebeneinander im selben oder in überlappenden Versorgungsbereichen koexistieren, miteinander ein Scatter-Netz bilden - die Mitglieder der verschiedenen Pico-Netze stehen indirekt mit den übrigen Teilnehmern dieses Verbunds über die jeweiligen Master in Kontakt. Jedes Piconetz darf nur einen Master haben (nur einer kann den Takt des Frequenz-Hoppings vorgeben), doch Slaves können auf Basis eines Zeitmultiplexschemas an verschiedenen Piconetzen partizipieren. Ein Master in einem Piconetz kann in einem anderen Piconetz Slave sein.

Abbildung 2-1 / Netzstrukturen

 

2.3   Protokollstack

Um den Anforderungen in den in 2.1 Motivation (Seite 1) geschilderten Einsatzgebieten gerecht zu werden, wurde der Aufbau und die Funktionen der einzelnen Protokollschichten einfache und 'schlank' gehalten.

Abbildung 2-2 / Protokollstack

 

2.4   Funktionsblöcke

Eine BT-Einheit von einem Endgerät besteht im wesentlichen aus drei Funktionsblöcken (siehe hierzu auch Abbildung 2-3 / Funktionsblöcke).

Abbildung 2-3 / Funktionsblöcke

2.4.1   Radio-Unit

Die Radio-Unit realisiert die eigentlichen mittels Transceiver. Die Übertragung findet im lizenzfreien ISM-Band (2,4 GHz) statt.

2.4.2   Link-Controller-Unit

In der Link-Controller-Unit sind die Baseband-Protokolle definiert sowie einige Low-Level-Link-Routinen. D.h. hier wird der Medienzugriff, Signalmodulation und Übertragungungsmodus gesteuert.

2.4.2.1   Kanalaufteilung

Oberhalb von 2042 MHz sind 79 Kanäle (bzw. 23 in diversen Ländern) mit einem Frequenzband von je 2 MHz definiert, welche mittels GFSK-Modulation (Gaussian-Frequency-Shift-Keying) verwendet werden. Eine 1 wird als eine positive Frequenz-Deviation, eine 0 als negative Frequenz-Deviation übertragen. Typisch für Frequenzmodulationen kommt GFSK mit einem effizienten Verstärker aus, was den Stromverbrauch und die Hitzeentwicklung senkt. Auch ist die Demodulation einfach.

Als Übertragungsmodus wird das Time-Division-Duplex-Verfahren (TDD) eingesetzt, wobei Timeslices von 625ms definiert sind und dadurch 1600 Frequenzhops/s realisiert werden. Jedes Mal wenn ein Paket gesendet oder empfangen wurde, wechseln die beteiligten Funkmodule die Kanalfrequenz um Interferenzen mit anderen Funksignalen zu vermeiden. Verglichen mit anderen Systemen, die im ISM-Band funken (etwa Drahtlosnetze gemäß IEEE 802.11, aber auch Mikrowellenöfen), 'hüpft' BT schneller, und die Pakete sind kleiner. Letzteres erhöht zwar den Anteil der Verwaltung gegenüber den Nettodaten, doch ist das bei stark gestörter Funkumgebung, in der zerstörte Pakete erneut gesendet werden müssen, ökonomischer - je kleiner die Pakete, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass sie gerade in dem Moment gesendet werden, wenn keine Funkstörungen auftreten.

Die Reichweite von normalen BT-Systemen liegt bei ca. 10m, wobei ein Mindestabstand zwischen zwei Geräten von 10cm zu beachten ist. Die Funkleistung von normalen Systemen liegt bei ca. 1mW. Mit einem sog. Giga-Bluetooth-System können auch Reichweiten von bis zu 100m erreicht werden.

2.4.2.2   Fehlerkorrektur

Neben dem oben genannten TDD-Mode, womit versucht wird, Fehler erst gar nicht auftreten zu lassen, kommen als Fehlererkennung- bzw. -korrekturverfahren die so genannte Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC), sowie das Automatic Repeat Request-Verfahren (ARQ) und CRC (Cyclic Redundancy Check) zum Einsatz. Da die FEC einigen Raum im Paket beansprucht sowie den Verwaltungsaufwand erhöht und dadurch den Durchsatz senkt, dient sie dem Schutz der Nutzlast des Pakets nur dann, wenn der Funkraum stark gestört ist.

2.4.2.3   Paketaufbau

Abbildung 2-4 / Paketaufbau

Access-Code

zur Synchronisation

DC-Offset-Kompensation

Idendifikation ð Access-Types (Channel-Acces / Device-Access / Inquiry-Acces)

Header

wird für Managed Link-Control verwendet

FHS-Pakete für Hop-Syncronisation

für Reorganisation im Netz

Payload

0 - 2745Bits (enthält je nach Pakettyp weitere Control-Informationen)

 

Abbildung 2-5 / Headeraufbau

AM_ADDR

3-bit active member address

ARQN

1-bit acknowledge indication

TYPE

4-bit type control

SEQN

1-bit sequence number

FLOW

1-bit flow control

HEC

8-bit header error chech

2.4.3   Link-Manager- und I/O-Unit

Neben der Link-Controller-Unit (siehe 2.4.2 Link-Controller-Unit - Seite 1) stellt der Link-Manager einen zweiten wichtigen Funktionsblock in BT dar. Hier geschieht das Netzwerk- und Link-Management.

2.4.3.1   Link-Management-Protocol (LMP)

Im LMP werden das Management für das Piconetz, die Link-Konfiguration und die Security-Funktionen realisiert.

Übersicht der wichtigsten Funktionen des LMP

Piconetz-Management

Link-Konfiguration

Security-Funktionen

ein- und austragen von Slaves

Supported Features

Authentifikation

Master/Slave-Umschaltung

Quality of Service (Qos)

Verschlüsselung

ACL- und SCO-Links herstellen

useable packet types

Schlüsselmanagement

Behandlung der Energiespar-Moden (Hold, Sniff, Park)

Power Control

 

 

2.5   Logical Link-Control and Adaption-Protocol (L2CAP)

Das L2CAP dient zur Adaption der Protokolle der höheren Layer.

Protokolle die auf BT aufsetzten sind zur Zeit:

·        IrDA per IrOBEX (Object Exchange Protocol)

·        TCP/IP

·        RFCOMM (einfaches serielles Interface, vergleichbar mit V.24)

·        SDP (Service Discovery Protocol)

·        TSC (Telephony control Protocol)

Des weiteren übernimmt das L2CAP das SAR-Management (Segmentation und Reassembling) sowie das Group-Management wenn mehrere Teilnehmer in verschiedenen Scatternetzen logische Gruppen bilden wollen, welche nicht der Scatternetz-Struktur entsprechen.

 

2.6   Verbindungstypen

BT stellt sowohl verbindungslose, sogenannte 'Asymetric Connection Less'-Links (ACL), als auch 'Syncronuous Connection Oriented'-Links zur Verfügung. Wobei der SCO-Links für Point-to-Point-Verbindungen und der ACL-Link für Point-to-MultiPoint-Verbindungen gedacht ist.

 

2.7   Bandbreiten

Die Aufteilung der zur Verfügung stehenden Bandbreiten kann variabel gestaltet werden. Grundsätzlich werden asynchrone und synchrone Übertragungen unterschieden.

Bei der synchronen Übertragung, welche vornehmlich für Sprachdaten konzipiert ist (PCM oder CVSD-Modulation), stehen bis zu 3x 64kb/s zur Verfügung.

Asynchrone Verbindungen, welche für Datenübertragung ausgelegt sind, gibt zum einen eine asymetrische Aufteilung der Bandbreite in 723,2kb/s für den Downlink und 57,6kb/s für den Uplink, sowie eine symetrische Aufteilung in jeweils 433,9 kb/s.


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