Bluetooth is een radioverbinding voor de korte afstand die bedoeld is om verbindingskabels tussen apparaten te vervangen. Met Bluetooth uitgeruste apparaten kunnen verbindingen maken en zelfs taken uitvoeren zonder enige inmenging van gebruikers. Het gaat hier om een massaproduct – men denkt aan aantallen van honderd miljoen of meer en prijzen van 5 euro of minder. Bluetooth is een techniek voor digitale communicatie die deels in hardware en deels in software wordt geïmplementeerd. Hans van Thiel geeft uitleg.
Kabels zijn lastig. Ze zijn of te kort of te lang. Ze zitten in de weg en het zijn er te veel. Ze beperken de mobiliteit van apparatuur. Je moet kabels losmaken en dan weer vastzetten. Ze breken als ze te vaak gebogen worden. Losse kabels zijn gevaarlijk bij het autorijden en op het werk.
In 1994 begon Ericsson Mobile Communications een studie of het niet mogelijk zou zijn mobiele telefoons en accessoires op een andere manier te verbinden dan door kabels. In 1998 werd als vervolg daarop de Bluetooth Special Interest Group opgericht door Ericsson en enkele partners, en al snel sloten andere grote spelers zich er bij aan. Zo raakte Philips Semiconductors in 1999 bij het initiatief betrokken en inmiddels heeft de Bluetooth SIG niet minder dan 2500 leden. Die hebben zich verplicht hun producten te certificeren en het merk ‘Bluetooth’ zal dus een bepaalde kwaliteit garanderen.
De doelstelling van de SIG was en is heel eenvoudig: een universeel alternatief ontwikkelen voor verbindingskabels. Zo’n alternatief is, per definitie, draadloos en dat brengt een aantal problemen met zich mee. De doelstelling mag dan wel eenvoudig zijn, de uitwerking is dat zeker niet. De Bluetooth specificatie 1.1 van februari 2001 beslaat dan ook rond de 1100 bladzijden.
Concurrenten
Kabels zijn heel handig. Het zijn punt-tot-punt verbindingen en adressering is niet moeilijk. Ze zijn redelijk betrouwbaar en gemakkelijk te isoleren zodat ze elkaar niet storen. Dataverkeer is niet op afstand uit de lucht te plukken. De topologie van kabelverbindingen is flexibel en schaalbaar. Kabels zijn goedkoop – een modale kabel voor een modale toepassing kost niet meer dan 10 tot 20 euro. En kabels hoeven weinig stroom te verbruiken. Dat laatste is voor mobiele applicaties zoals Ericsson die voor ogen stond, een belangrijk aspect.
Draadloze verbindingen tussen apparaten zijn natuurlijk niet nieuw. Al in 1993 publiceerde de Infrared Data Association (IrDA) een verzameling standaarden voor datacommunicatie met infrarood licht als medium. De ontwikkeling daarvan is sindsdien doorgegaan en inmiddels zijn snelheden van 4.0 Mb/s en 16 Mb/s haalbaar geworden. Infrarood connecties zijn echter zichtverbindingen, terwijl radiogolven minder last hebben van obstakels.
Dect (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) is een standaard van de Etsi (European Telecommunications Standards Institute) uit 1992 die ook niet stil is blijven staan. Oorspronkelijk bedoeld voor draadloze telefonie is Dect inmiddels uitgebreid met onder meer Isdn Interworking en GSM Interworking. Dect-verbindingen kunnen worden doorgegeven van het ene basisstation naar het andere (handover) en dat maakt toepassingen zeer mobiel. Er wordt volop over nagedacht hoe Bluetooth verbindingen dynamisch zouden kunnen overspringen, maar met de huidige versie is dat niet mogelijk.
Nog een mogelijke concurrent van Bluetooth: het Shared Wireless Access Protocol (Swap) van de Homerf Working Group (Hrfwg). De Hrfwg stamt uit 1998 en houdt zich bezig met draadloze verbinding tussen pc’s en consumentenelektronica in de thuisomgeving. Multimedia is hier het belangrijkste trefwoord.
En natuurlijk zijn er dan nog de wlan’s (‘wireless local area network’) zoals Ieee 802.11 en diverse anderen. Wlan’s zijn weliswaar niet bedoeld als universele draadloze verbindingen tussen allerlei soorten (elektronische) apparaten, zoals Bluetooth, maar er zijn overlappingen in functionaliteit. Zo kent Bluetooth onder de naam piconet een punt-meerpunts verbinding die tot acht toestellen kan omvatten en in een scatternet uitbreidbaar is met andere piconetten.
Hoewel die functionaliteit belangrijk is, en zeker veel gebruikt zal worden, is Bluetooth toch niet primair een netwerk, maar een radioverbinding voor de korte afstand die bedoeld is om verbindingskabels tussen apparaten te vervangen. Dat moet dan op zo’n manier gebeuren dat de verbinding transparant is voor de gebruiker. Een nadeel van kabels dat hier nog niet werd genoemd, maar dat als bron van irritatie algemeen bekend zal zijn, is het gedoe met stekkers die niet op elkaar passen. Nog erger: stekkers die wel passen, maar onverenigbare communicatieprotocollen. Dat moet met Bluetooth allemaal verleden tijd worden. Het idee achter Bluetooth is dat de gebruiker de toestellen bij elkaar in de buurt plaatst en dat de apparaten zelf verbinding zoeken en bovendien aan elkaar bekendmaken welke diensten zij ondersteunen. Een volgende stap is dan dat dergelijke diensten automatisch, zonder enige inmenging van de gebruiker (kunnen) worden uitgevoerd. Deze transparantie voor de eindgebruiker is zo belangrijk dat er een aparte afkorting voor is bedacht: oobe. Dit staat voor ‘out of the box experience’.
De techniek
Een andere manier om oobe te omschrijven is met de ondertitel van de ‘Specification of the Bluetooth system’ die luidt: ‘Wireless connections made easy’. Om dat te verwezenlijken is wel het een en ander noodzakelijk. De basis is opgebouwd uit vier delen: ‘Radio specification’, ‘Baseband specification’, ‘Link manager protocol’ en ‘Logical link control and adaptation control specification’.
De Bluetooth-radioverbinding maakt gebruik van de ism (‘industrial, scientific and medical’) band die zich in het 2.4 GHz bereik bevindt. Er zijn drie vermogensklassen gedefinieerd. Klasse 3 is met 1mW vermogen en een effectief bereik van 5m (rekening houdend met absorptie) het meest voorkomend. Klasse1 is bedoeld voor grote ruimten en heeft met 100 mW een bereik van 100 m. Klasse 2 ligt daar tussen in. Het frequentiegebied is onderverdeeld in 79 kanalen van elk 1 MHz breed, en een Bluetooth-verbinding gebruikt op elk tijdstip afwisselend één van die kanalen. De modulatietechniek is Gfsk (‘Gaussian frequency shift keying’) en de maximale datasnelheid van een kanaal is 1Mb/s.
Meerdere Bluetooth-verbindingen die zich binnen elkaars bereik bevinden maar niets met elkaar te maken hebben, zouden elkaar natuurlijk kunnen storen. Om dat te voorkomen wordt ‘frequency hopping spread spectrum’ (fhss) toegepast. Elke Bluetooth-verbinding, zowel enkelvoudig als in een piconet, wordt aangestuurd door een ‘master’. Een ‘master’ kan één (punt tot punt) of meerdere (piconet) ‘slaves’ aansturen.
Elk Bluetooth-punt heeft een uniek 48 bit Ieee mac (‘medium access control’) adres en een 28 bit klok die onder meer voor synchronisatie wordt gebruikt. Uit het unieke adres van een ‘master’ en de klok van die ‘master’ kan nu een volgorde van kanalen worden gegenereerd die gevolgd wordt door zowel ‘master’ als ‘slaves’, maar verschilt van die van een andere ‘master’ met diens ‘ondergeschikten’. Elke verbinding en elk piconet springt dus op een verschillende manier door de 79 beschikbare kanalen en alleen af en toe zal er een toevallige botsing optreden. Zo’n pakket kan dan opnieuw verzonden worden door een ander kanaal.
Behalve Fhss om interferentie tegen te gaan gebruikt Bluetooth tdm (’time division multiplexing’) om verschillende toepassingen over eenzelfde verbinding te verdelen. De basiseenheid van tijd is 625 microseconden en er gaan dus 1600 van deze ‘slots’ in een seconde. Een sprong naar een ander kanaal kan na 1 slot plaatsvinden, maar dat hoeft niet. Een Bluetooth-pakket kan 1, 3 of 5 slots lang zijn (in bepaalde gevallen ook de helft) en een frequentiesprong vindt pas aan het eind van een pakket plaats.
Ook het zenden en ontvangen van ‘master’ en ‘slaves’ moet natuurlijk op elkaar afgestemd worden en ook daarvoor wordt de basiseenheid van 625 …s gebruikt.
Bluetooth kent twee typen verbindingen. ‘Synchronous connection oriented’ (sco) is bedoeld voor tijdgebonden verkeer zoals audio. Een ‘master’ kan drie sco-verbindingen ondersteunen naar dezelfde of meerdere ‘slaves’ en een ‘slave’ kan ook drie verbindingen aan (vanzelfsprekend naar zijn ‘master’). Afwisseling van zenden en ontvangen wordt van te voren bepaald door parameters en gebeurt op vaste momenten en perioden (uitgedrukt in slots) zonder foutcorrectie. Verminkte sco-pakketten worden dus niet opnieuw verstuurd. Elk sco-kanaal is full duplex (twee richtingen) met een capaciteit van 64 Kbs in elke richting. Dat is voldoende voor gsm-audio maar niet voor een ongecodeerde ontvangst van muziek van voldoende kwaliteit.
De ‘asynchronous connection-less’ (acl) verbinding is bedoeld voor dataverkeer dat onregelmatig kan plaatsvinden. Zenden en ontvangen wordt volledig bepaald door de ‘master’ en de ‘slaves’ kunnen alleen uitzenden als antwoord op een aan hen verstuurd pakket. Een ‘master’ kan ook nog al zijn ‘slaves’ tegelijk aanroepen (broadcast). Acl-dataverkeer kent een dh- (‘data high’) en een dm- (‘data medium’) modus. Dh is sneller en dm is minder foutgevoelig. Alle acl-pakketten gebruiken hetzelfde beginblok, een 72 bit toegangscode en een 54 bit pakketkop. De lading heeft nog een 16 bit crc (‘cyclic redundancy code’) voor foutopsporing. Het grootste pakket (DH5) beslaat 5 slots en voor een antwoord is minimaal 1 slot vereist. Dat komt neer op een capaciteit van 732 Kb per seconde in de ene richting en 57.6 Kb in de andere. Andere formaten hebben andere snelheden. De uiteindelijke datacapaciteit zal afhangen van de kwaliteit van de radioverbinding en dus altijd minder zijn vanwege hertransmissie van fout aangekomen pakketten. In een piconet delen meerdere ‘slaves’ dezelfde ‘master’ en moet alle dataverkeer dus één en dezelfde 1Mb/s basiscapaciteit delen. Uiteraard brengt dit de snelheid per verbinding verder omlaag.
Onderzoeken en oproepen
Bluetooth-apparaten moeten blindelings met elkaar kunnen samenwerken, maar dan moeten ze elkaar eerst vinden. Daarvoor is een ingenieus onderzoeksprotocol bedacht (inquiry) waarbij de aanvrager afwisselend op alle 79 kanalen uitzendt en de potentiële dienstverleners kanalen afluisteren. Dit gebeurt op zo’n manier dat eventuele eerder opgezette Bluetooth-verbindingen zo min mogelijk worden gestoord.
Als een luisterend toestel een onderzoeksvraag opvangt, wordt een fhs (‘frequency hop synchronisation’) pakket naar de onderzoeker gestuurd met het ‘Bluetooth device address’ en alle ander informatie die nodig is om een verbinding tot stand te brengen. Ook staat in een apart ‘class of device’-veld aangegeven wat voor apparaat de beantwoorder is – een printer, pc, fax, headset, enzovoort.
Vervolgens kan het toestel – dat nu inmiddels bekend is – worden opgeroepen (paging) en als alles gereed is voor een verbinding, wordt die opgezet. De connectie wordt geïmplementeerd door de Bluetooth-protocolstapel die op het hoogste niveau, in de ‘logical link control and adaptation’- (l2cap) laag, met standaard diensten en protocollen communiceert.
Een zo’n dienst is het Service Discovery Protocol (SDP) waarmee de aanvrager informatie kan inwinnen welke diensten het andere toestel ondersteunt. Dergelijke functies, zoals bijvoorbeeld een modem-dienst (‘dial up networking’), zijn op een standaard manier omschreven en daardoor kan SDP de aanvrager ook informeren over parameters en instellingen.
Stel dus dat een gebruiker op een notebook een document heeft gemaakt dat hij naar een klant wil faxen. De gebruiker loopt naar de ruimte waar zich een fax bevindt die, net als de computer, met een Bluetooth-module is uitgerust. De notebook onderzoekt (inquiry) welke andere Bluetooth apparaten binnen bereik zijn en de fax antwoordt met een fhs-pakket. De notebook piept de fax op (paging) en als het toestel gereed is, wordt een acl-verbinding tot stand gebracht. De notebook vraagt dan via SDP of de fax het Bluetooth-faxprofiel ondersteunt en ontvangt een bevestiging met nadere informatie zoals bijvoorbeeld de klasse van de fax. Vervolgens kan de notebook het document via Bluetooth aan het faxapparaat doorgeven, dat het naar de eindbestemming verstuurt. De rol van Bluetooth is hierbij volledig transparant – de gebruiker lijkt te faxen met de notebook. Er zijn natuurlijk allerlei varianten denkbaar op dit scenario, waaronder zelfs volledig automatische afhandeling. Het principe is steeds dat Bluetooth-apparaten elkaar altijd kunnen vinden en van elkaar kunnen ontdekken wat hun mogelijkheden zijn, ongeacht de toepassing en, niet minder belangrijk, ongeacht de leverancier van de Bluetooth-applicatie. Dat is oobe.
Protocollen en profielen
Er wordt wel het een en ander verwacht van de Bluetooth-technologie. De faxverbinding van bovenstaand voorbeeld moet kunnen functioneren in een omgeving waarin ook andere Bluetooth-apparaten met andere of zelfs gelijksoortige diensten bezig zijn. Stroomverbruik zal in mobiele toepassingen – en daarin ligt de grootste markt – van belang zijn en Bluetooth heeft voorzieningen daarvoor. Soms zal de controle van een ‘master’ overgedragen moeten worden op een ‘slave’ die dan ‘master’ wordt. Die mogelijkheid bestaat in Bluetooth. Aan authentificatie en beveiliging is op diverse manieren gedacht. Bluetooth-verbindingen kunnen versleuteld worden met het Safer+ algoritme. Tenslotte moet een module uiteindelijk nog geleverd kunnen worden voor een prijs van rond de 5 euro. Momenteel kost die nog zo’n 15 à 20 dollar.
Om het allemaal wat gemakkelijker te maken zijn de ‘baseband/link controller’ en de ‘link manager’, die samen verantwoordelijk zijn voor Bluetooth-pakketten en verbindingen, gescheiden gedacht van de l2cap-laag door een ‘host controller interface’ (hci). Dit maakt het mogelijk de Bluetooth-verbindingen (en natuurlijk de radio) in een aparte module te implementeren die zelf, bijvoorbeeld door een usb (‘universal serial bus’), verbonden is met een host. De basis hardware en software zit in dat geval dus in een Bluetooth-module die volledig aangestuurd kan worden door hci. Daarbovenop, in de ‘host’, implementeert l2cap de verdeling (multiplexing) van diensten. Hierbij gaat het dan nog niet noodzakelijkerwijs direct om applicaties, want die kunnen geïmplementeerd zijn voor bepaalde kabelverbindingen zoals het bekende RS232 – C. Bovenop l2cap zit dan ook een protocol dat de RS232 seriële verbinding emuleert: Rfcomm. Er zijn meer van dergelijke tussenprotocollen gestandaardiseerd.
In de profielen, waar deel 2 van de Bluetooth-specificatie zich mee bezig houdt, staat voor elke gedefinieerde dienst precies beschreven welke delen van de protocolstapel gebruikt worden en hoe dat gebeurt. Zo kan dus de Bluetooth-hoofdtelefoon van fabrikant A samenwerken met de Bluetooth-mobiele-telefoon van fabrikant B, als beiden het ‘headset profile’ ondersteunen.
De Bluetooth SIG hanteert een certificatieprocedure en ieder product dat het Bluetooth-merk mag hanteren, is door zo’n procedure heengegaan. Ook aparte componenten kunnen een waarmerk ontvangen van een Bqb (‘Bluetooth qualification body’) op basis van tests door een Bqtf (Bluetooth qualification test facility). Verder werden en worden producten en toepassingen regelmatig op verenigbaarheid getest in de zogenaamde ‘unplug fests’.
Het is echter niet de bedoeling van de SIG – en van de leden – om implementaties in een keurslijf te dwingen. Zo heeft Philips Semiconductors alle radiofuncties, afgezien van de antenne, geïntegreerd in de BGB100 radio module. In de ‘baseband controller’ PCF87750 kunnen – anders dan de naam doet verwachten – niet alleen de lagere protocollen maar de gehele Bluetooth-stapel inclusief profielen worden geïmplementeerd. Dit is mogelijk omdat die module is uitgerust met een 32-bits ARM7-processor en voldoende (niet vluchtig) geheugen. Fabrikanten zijn vrij om Bluetooth in hardware en software componenten te implementeren zoals hen dat het best lijkt. De complexiteit van de specificatie, die op het eerste gezicht een nadeel lijkt, blijkt in dat opzicht dan ook voordelen te bieden.
Zoals gezegd heeft de Bluetooth SIG 2500 leden en dat garandeert in ieder geval een grote drijvende kracht achter deze technologie. Hoewel de honderden miljoenen Bluetooth-modules die in 2000 voorspeld werden, nog ver weg liggen, zijn er in 2001 toch zo’n kleine 5 miljoen geleverd en lijkt de voorspelling van 20 miljoen stuks voor 2002 niet overtrokken.
De Bluetooth-golf mag dan niet de voorspelde tsoenami zijn – hij komt er wel aan.
Hans Van Thiel Freelance Medewerker
Met dank aan ir. V. Jongenelen, Philips Semiconductors in Nijmegen, en het ontwikkelteam van Technolution B.V. in Gouda
Bronnen
Bray, J., Sturman, C.F, Bluetooth – Connect without Cables, Prentice-Hall, London, (2001)
ISBN 0-13- 089840-6
Bluetooth 11 Specifications Book, Bluetooth SIG website: http://www.bluetooth.com
Bluetooth 11 Profiles Book, Bluetooth SIG website: http://www.bluetooth.com
