Bluetooth – Jak to działa?

Technologia łączności Bluetooth jest ogólnoświatowym standardem przesyłu danych metodą bezprzewodową na niewielkie odległości. Takie moduły łączności stosuje się na przykład w telefonach komórkowych, zestawach słuchawkowych i głośnomówiących, tabletach, modemach, samochodach, urządzeniach wskazujących (na przykład mysz lub klawiatura komputerowa) lub w głośnikach bezprzewodowych, a także wielu innych urządzeniach.

Bluetooth – co to jest?

Moduł Bluetooth, który często możemy zobaczyć w sklepach z częściami elektronicznymi, to niewielki element (układ scalony na płytce drukowanej z odpowiednimi wyprowadzeniami) spełniający rolę nadajnika i odbiornika. Po odpowiednim połączeniu z urządzeniem, zapewnia dwustronną łączność z innym modułem Bluetooth. Dzięki niemu na niewielkich odległościach (ale bez przewodu) można w obie strony można przesyłać dane z urządzenia na urządzenie. Tego typu wyposażenie znajduje się obecnie w większości produkowanych telefonów komórkowych (smartfonów), laptopów i wielu innych urządzeń. Standard Bluetooth jest wykorzystywany na przykład do przesyłu plików multimedialnych z telefonu na komputer, do łączności z zestawem głośnego mówienia w aucie, ze słuchawkami bezprzewodowymi czy do łączności komputera z myszą lub klawiaturą. Zasięg Bluetooth to zazwyczaj od kilku do około 100 metrów (licząc w linii prostej bez przeszkód utrudniających odebranie sygnału). Zasięg może zmieniać się w zależności od mocy nadajnika oraz odbiornika, przeszkód napotkanych między nimi lub innych zakłóceń. W mieszkaniu lub innych budynkach użytkowych taki zasięg wynosi zazwyczaj do 10 m. Mogłoby się wydawać, że stosunkowo niewielki zasięg jest wadą tego standardu łączności, jednak w rzeczywistości jest to po prostu cecha tego rozwiązania, która z powodzeniem jest wykorzystywana. Takie moduły stosuje się jedynie w urządzeniach, których funkcje obsługiwane przez Bluetooth nie wymagają stałej łączności bezprzewodowej na większych odległościach. Przykładowo, bezprzewodowe słuchawki zostały stworzone po to, aby wyeliminować okablowanie między torebką, kieszenią spodni czy plecakiem, a uszami słuchacza. Dzięki niedużemu zasięgowi, nawet w obszarach, w których nagromadzenie urządzeń Bluetooth będzie wysokie, nie będą się one wzajemnie zakłócały. W samochodach, w których łączność Bluetooth jest nawiązywana automatycznie, po wyjściu z kabiny jest również zrywana automatycznie – właśnie dzięki niskiemu poziomowi łączności.

Czym jest fala elektromagnetyczna?

Aby zrozumieć, jak działa Bluetooth, dobrze jest znać mniej więcej zasadę działania radia.

Bluetooth to technologia przesyłu danych, która działa na podobnej zasadzie jak radio. Wykorzystuje do tego celu promieniowanie elektromagnetyczne, a konkretniej jego odmianę, którą są fale radiowe. Dzisiejsza nauka doprowadziła do stanu wiedzy, dzięki któremu wiadomym jest, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w naturze. Do technologii Bluetooth zostały dobrane częstotliwości, na których nie pracuje większość innych urządzeń. Fale elektromagnetyczne nas otaczają od zawsze – to dzięki nim działają takie urządzenia jak mikrofalówka, lub telefony komórkowe, ale należy również pamiętać, że na przykład światło jest falą elektromagnetyczną. To po prostu fala o długości widzialnej dla ludzkich oczu. Światło widzialne promieniowanie elektromagnetyczne z falami o długościach w zakresie od 4×10-7 m do około 7×10-7 m (400 nm – 700 nm). Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długości większej niż 10-4 m (0,1 mm), o częstotliwości z zakresu od 3 kHz do 3 THz. W przypadku Bluetooth częstotliwość działania obserwuje się w paśmie 2,4 GHz. Było to kiedyś pasmo radiowe przeznaczone jedynie do zastosowań przemysłowych, medycznych oraz naukowych. Zarówno nadajniki radiowe, jaki nadajniki Bluetooth opierają swoje działanie na podobnej zasadzie. Dzięki przyłożeniu zasilania do anteny, zaczynają poruszać się w niej elektrony, w skutek czego w jej pobliżu powstaje pole elektromagnetyczne na określonym obszarze. Jeżeli znajdzie się w nim antena – pole elektromagnetyczne spowoduje, że w niej również zacznie płynąć taki prąd (sygnał). Dzięki odpowiedniej modulacji generowanej fali (zmienianiu amplitudy lub częstotliwości) można przesyłać informacje – sygnał z zapisaną informacją.

Jak Bluetooth korzysta z fali elektromagnetycznej?

Moduły Bluetooth to urządzenia, dzięki którym użytkownik może przesyłać i odbierać dane. Działają jednocześnie jako odbiorniki i nadajniki sygnału. Umożliwiają komunikację jednostronną (na zasadzie krótkofalówki – w momencie, kiedy jedno urządzenie nadaje, nie może odbierać, i odwrotnie) oraz dwustronną (urządzenie może w tym samym czasie odbierać i nadawać – jak podczas rozmowy telefonicznej). Podczas pojedynczego przesyłu danych urządzenia korzystają z kilkudziesięciu częstotliwości. Łącząc się z drugim urządzeniem, tworzą osobną, unikalną sieć, przeznaczoną tylko na potrzeby tych dwóch urządzeń. W momencie, kiedy w tym samym miejscu powstanie nowe połączenie kolejnych modułów, powstanie druga sieć. Takie minisieci noszą nazwy tak zwanych piconetów. Urządzenia podczas połączenia z bardzo dużą prędkością wykonują synchroniczne skoki między częstotliwościami. W ciągu jednej minuty wykonują aż 100 000 przeskoków. Informacje (na przykład pliki) o dużych pojemnościach są dzielone, a następnie przesyłane w bardzo niewielkich częściach. Podczas przesyłu w jednym obszarze może funkcjonować wiele pikosieci (minisieci) jednocześnie. Powstaje wtedy ryzyko, że dwie sieci trafią w jednym momencie na tę samą częstotliwość – szansa na takie zdarzenie jest bardzo niska, ale jeżeli doszłoby do takiej sytuacji prawdopodobnie, nic się nie zdarzy. Zakłócenie byłoby tak krótkie, że w żaden istotny sposób nie mogłoby wpłynąć na czas przesyłu. Aby sieci działały możliwie najlepiej (bez zakłóceń), do jednego urządzenia można podłączyć maksymalnie siedem innych. Po włączeniu urządzenia z modułem Bluetooth wysyła sygnał w ramach powiązanego pikosieć. Pozostałe moduły powiązane z siecią natychmiast wychwycą sygnał i odpowiedzą – nie ma konieczności uruchamiania ich. Na takiej zasadzie działają na przykład wbudowane systemy głośnomówiące w nowych samochodach. Samochód po wejściu do środka i uruchomieniu automatycznie wykrywa obecność połączonego z nim modułu Bluetooth w telefonie włożonym do kieszeni i łączy się z nim, dzięki czemu kierowca może później bezpiecznie rozmawiać przez telefon w trakcie jazdy. Po wyjściu z pojazdu urządzenia po utracie zasięgu natychmiast samoczynnie się rozłączają.

Zalety standardu Bluetooth

Podstawową i prawdopodobnie najważniejszą zaletą standardu Bluetooth, poza brakiem przewodów, jest niskie zużycie energii. Właśnie dlatego jest również nacechowany niskim zasięgiem. Niewielki zasięg pozwala na używanie bardzo niewielkich mocy, aby go nadawać. To z kolei przekłada się pozytywnie na koszty zużycia energii, które mają bardzo duże znaczenie, szczególnie w przypadku urządzeń mobilnych. Właśnie dlatego telefony łączą się przy pomocy tego standardu z przenośnymi głośniczkami czy ze słuchawkami. Dla obu urządzeń wysoką wartością jest możliwie najniższe zużycie energii, przy jak najlepszej jakości wykonywanego zadania (gdzie jednym z kryteriów wpływających jest prędkość przesyłu). Między innymi dlatego stosuje się właśnie technologię Bluetooth do łączenia niewielkich słuchawek dokanałowych (które aby były atrakcyjne dla klientów, powinny pracować kilka godzin na jednym ładowaniu) oraz telefonu (jednocześnie dawkującego energię do pracy systemu operacyjnego, ekranu, programu odtwarzającego muzykę, stałego połączenia z siecią GSM i najczęściej również wielu uruchomionych programów w tle).

Zasięg Bluetooth – do ilu metrów działa Bluetooth?

Niewielki zasięg Bluetooth to jego oczywista cecha, o której można przeczytać powyżej. Warto jednak zwrócić uwagę, że w zależności od urządzenia może być w nim zastosowana jedna z trzech klas, od których będzie on zależał. Zasięg determinowany jest przez ilość użytej mocy – klasa pierwsza zapewnia zasięg do 100 metrów, przy czym do jego nadania używana jest moc o wartości 100 mW. Jaki zasięg ma Bluetooth klasy drugiej? Ta najczęściej stosowana wersja pozwala na połączenie z urządzeniami oddalonymi do 10 metrów – w takiej konfiguracji moc potrzebna do wygenerowania sygnału równa jest już 2,5 mW. Bardzo rzadko stosowana w wyjątkowych przypadkach jest klasa trzecia – urządzenia łączące się przy pomocy standardu Bluetooth mogą być od siebie oddalone maksymalnie w granicy jednego metra, ale korzyścią jest wtedy zaledwie 1 mW mocy konieczny do wygenerowania sygnału. Jednak co wówczas, kiedy takie odległości nam nie odpowiadają? Jak zwiększyć zasięg Bluetooth? W tym celu stosuje się specjalne anteny kierunkowe, które radzą sobie z tym problemem znakomicie.

Wersje Bluetooth – standardy

Każda technologia, która odniosła sukces i stała się popularna wśród użytkowników, jest później ulepszana i aktualizowana. Można było to obserwować na wielu przypadkach – dobrym przykładem jest komputerowe złącze USB, które możemy spotkać teraz w prawie każdym nowoczesnym urządzeniu. Obecnie najczęściej stosuje się już trzecią generację tego standardu. Specyfikacja USB 1.0 pojawiła się 1998 roku – maksymalna przepustowość przez takie gniazdo jest określona na zaledwie 1,5 MB/s. Dzisiejsze USB w wersji 3.2 oferuje do 2,5 GB/s, czyli około 1700 razy większą prędkość w stosunku do USB 1.0. W 2002 roku standard IEEE 802.15.1 został oficjalnie zatwierdzony – chodzi oczywiście o Bluetooth. Była to pierwsza wersja: Bluetooth 1.0 – transmisja osiągała prędkość do 21 kb/s. Kolejnym etapem był Bluetooth 1.2 (transmisja – 328 kb/s), następnie pojawiło się Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) – transfer wzrósł do 2,1 Mb/s. Druga generacja również została ulepszona – Bluetooth 2.1 + EDR zaoferował użytkownikom prostszy proces parowania urządzeń i przede wszystkim transmisja potrzebowała mniejszego zużycia energii. Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) przyspieszyło do aż 24 Mb/s, wersja Bluetooth 3.1 + HS prawie podwoiła prędkość do – 40 Mb/s. Bluetooth 4.0 + LE (Low Energy) – zapewnia użytkownikowi transmisję na poziomie 1 Mb/s, co pomogło znacząco ograniczyć ilość zużywanej energii i pozwoliło na zwiększenie zasięgu do około 100 m. Uaktualniona wersja została stworzona do zastosowania urządzeń z modułem Bluetooth 4.1 ze sprzętem wpisującym się w koncepcję internetu rzeczy (z angielskiego Internet Of Things). Następnie pojawił się Bluetooth 4.2 (szybszy transfer, lepsze bezpieczeństwo i prostsze nawiązanie łączności z przedmiotami. Bluetooth 5.0 to dzisiejsza ujednolicona wersja z transferem na poziomie 2 Mb/s dla urządzeń typu „wearables” oraz aż 50 Mb/s do reszty sprzętów. W przypadku Bluetooth 5.0 zasięg działania sięga 140 m w otwartej przestrzeni.

Podsumowując, standard Bluetooth prezentuje się następująco:

• 1.0 – szybkość przesyłania danych do 21 kb/s.
• 1.1 – do 124 kb/s.
• 1.2 – do 328 kb/s.
• 2.0 + EDR – do 2,1 Mb/s.
• 3.0 + HS – do 24 Mb/s.
• 3.1 + HS – do 40 Mb/s.
• 4.0 + LE
• Bluetooth 4.1
• Bluetooth 4.2
• Bluetooth 5.0

WiFi i Bluetooth – różnice i podobieństwa

WiFi i Bluetooth to bardzo podobne do siebie standardy łączności bezprzewodowej. Mają wiele wspólnego w założeniach, jednak w rzeczywistości bardzo się od siebie różnią. Nie da się jednoznacznie powiedzieć, która z technologii jest lepsza (poza sytuacją, w której jest jednoznacznie określony cel konkretnego połączenia). Każdy ze standardów prezentuje wyjątkowe dla siebie cechy, które w różnych przypadkach stają się wartościowymi lub dyskwalifikującymi cechami. Obie technologie pracują na bardzo bliskich sobie częstotliwościach radiowych – WiFi korzysta z pasm częstotliwości 2,4 GHz (od 2400 MHz do 2485 MHz) lub 5 GHz (od 4915 MHz do 5825 MHz), natomiast Bluetooth korzysta z pasma 2,4 GHz (2400 MHz do 2485 MHz). Oba standardy są bezprzewodowe i służą do przesyłania danych, jednak stosuje się je do całkowicie odmiennych zastosowań. WiFi wymaga znacznie większego nakładu energii do przesyłu danych niż Bluetooth, ale za to zasięg oraz przepustowość takiego łącza jest znacznie wyższa. WiFi doskonale sprawdza się jako stacjonarne rozwiązanie, w szczególności biorąc pod uwagę fakt, że do nawiązania połączenia konieczna jest obecność routera. Bluetooth jest znacznie bardziej mobilny. Połączenie urządzeń przez interfejs Bluetooth jest znacznie prostsze i szybsze, niż skomplikowana procedura konfiguracji urządzeń, aby mogły znaleźć się w jednej sieci. Taka procedura jednak ma również swoje zalety. Zawiera ona elementy, które w znaczący sposób wpływają na bezpieczeństwo połączenia – Bluetooth jest znacznie mniej odporny na wszelkiego rodzaju ataki. Podsumowując, zaletami standardu Bluetooth w stosunku do WiFi jest znacznie szybsza konfiguracja, do przesyłu potrzebna jest znacznie mniejsza ilość energii, wystarczą jedynie urządzenia z modułem i ograniczony zasięg zapewnia możliwość współistnienia większej ilości połączeń na raz. Ceną za te zalety jest niższa przepustowość oraz znacznie mniejszy stopień bezpieczeństwa, dlatego moduły Bluetooth montuje się w urządzeniach, które nie wymagają takich cech.

Do czego służy Bluetooth?

Zastosowanie Bluetooth może być różnorodne i zależeć od urządzenia. Bluetooth obecnie wykorzystuje się bardzo często w smartfonach do przesyłu danych do innych urządzeń lub do połączenia z innymi urządzeniami. Znakomicie sprawdzają się również w myszach lub klawiaturach komputerowych, a także do słuchawek czy systemów głośnomówiących w samochodach. Fale radiowe “przechodzą” przez ściany i rozchodzą się promieniście, dzięki czemu nie ma konieczności zwracania nadajnika w kierunku odbiornika, aby sygnał został odebrany. To bardzo ważna właściwość, dzięki której w dzisiejszych czasach praktycznie już nie produkuje się między innymi pilotów do telewizorów działających na podczerwień. Te urządzenia wymagały skierowania źródła sygnału w stronę odbiornika – w prosty sposób można było zagrodzić drogę fragmentem dłoni lub ubrania. Dzisiaj większość pilotów działa za pośrednictwem technologii Bluetooth, która wyeliminowała całkowicie taką niedogodność.

Bluetooth jest wszędzie

Moduły Bluetooth montuje się także w takich urządzeniach jak smartwatche – dzięki nim zegarki stale utrzymują kontakt z telefonem. Wykorzystuje się je też do bezprzewodowego drukowania, udostępniania internetu, często montowane są w zaawansowanych urządzeniach automatyki domowej lub w robotach w celu komunikacji ze sterownikiem, lub innymi robotami. Na rynku dostępne są zabawki sterowane dzięki interfejsowi Bluetooth, bardzo popularne stały się też słuchawki oraz głośniczki Bluetooth. Obecnie popularne są również zawieszki Bluetooth, które po oddaleniu się od telefonu emitują głośny dźwięk – ma to funkcję przeciwkradzieżową oraz stanowi ułatwienie dla osób, które często szukają na przykład kluczy. Zasięg Bluetooth w telefonie wynosi ok. 10 metrów, jednak wartość ta może zmieniać się w zależności od innych działających urządzeń, mogących zakłócać pracę. Należy pamiętać, że fizyczne przykrywanie urządzenia może równie negatywnie wpływać na jego działanie.

Pochodzenie nazwy

Nazwa Bluetooth może dla wielu być nieintuicyjna – dosłowne tłumaczenie z angielskiego to “Niebieski ząb”. Bluetooth to przydomek duńskiego króla o imieniu Harald – panował on w drugiej połowie X wieku. Harald Blatand często był określany Harald Bluetooth (Harald Sinozęby) ze względu na pociemniałe uzębienie, jakie wtedy miał. Szukając w źródłach można dojść do faktu, który świadczy o tym, że dla ówczesnego ludu znaczenie słowa “siny” sugerowało dzisiejsze znaczenie słowa “ciemny”. Tak więc charakterystyczne niebieskie logo z runicznymi inicjałami HB (Herald Bluetooth) nie ma bezpośrednio uzasadnienia historycznego, jednak stanowi dzisiaj jeden z najlepiej rozpoznawalnych znaków towarowych. Bluetooth to w rzeczywistości marka (w przeciwieństwie na przykład do WiFi), nad którą opiekę sprawuje organizacja Bluetooth SIG.