پایان نامه بلوتوث Bluetooth

پیشگفتار

در دهه های گذشته ، پیشرفت فناوری میکروالکترونیک و VLSI باعث گسترش استفاده همگانی از تجهیزات مخابراتی و محاسباتی در کاربردهای تجاری شده است. موفقیت محصولاتی از جمله کامپیوترهای شخصی و کیفی ، تلفن های بی سیم و سلولی ( سیار ) ، و تجهیزات جانبی آنها همواره کار دست و پاگیری بوده است که عمدتا با اتکا به کابلهای رابط خاص انجام می شده است.

اخیرا یک واسط رادیویی ( بی سیم ) همگانی برای ایجاد ارتباط بی سیم برد کوتاه طراحی شده است. این فناوری که Bluetooth   نامیده شده است، نیاز به استفاده از سیم و کابل و ارتباط دهنده های لازم برای برقراری ارتباط بین تلفن های بی سیم یا سلولی ، مودم ها ، کامپیوترها ، چاپگرها و … فناوری ما را قادر به طراحی سیستمهای رادیویی کم توان ، کوچک و ارزان می کند و با توجه به این مزایا ، این سیستم ها را می توان به راحتی در تجهیزات قابل حمل موجود کار گذاشت.

بدین ترتیب سیستم های رادایویی تعبیه شده باعث ایجاد ارتباطی همگانی و فراگیر می شود که این فناوری امکان تحقق ارتباط فوق را بدون هیچ گونه دخالت آشکار کاربر فراهم می کند.

مشخصه کلیدی آن پایداری ، پیچیدگی کم ، توان کم و هزینه کم است. با این که این تکنولوژی برای کار در محیط نویزی فرکانسی طراحی شده است. و از تاییدهای سریع و مدل پرش فرکانسی بهره می برد تا ارتباط را پایداری بخشد . عناصر بلوتوس در باند بی جواز ۲٫۴GHz کار می کند و با کمک پرش فرکانسی پس از مبادله بسته ها از تداخل جلوگیری می کند. در قیاس با باقی سیستم های مشابه در چنین فرکانسی ، بلوتوس سریعتر پرش می کند و از بسته های کوچکتر بهره می برد .

بخش تاریخچه و معرفی

تاریخچه Bluetooth   

در سال ۱۹۹۴ مطالعاتی در شرکت اریکسون برای برقراری ارتباط رادیویی کم توان و ارزان بین تلفن های سیار و تجهیزات جانبی آنها آغاز شد شرایط مورد نظر برای قیمت ، ظرفیت و اندازه این سیستم چنان تعیین شد که این تکنیک از تمام راه حلهای مبتنی بر استفاده از کابل بین دستگاههای سیار پیشی گیرد.

برای این کار ، ابتدا باید یک واسط رادیویی مناسب و یک بازه فرکانسی متناظر تعیین شود . همچنین واحد رادیویی باید به اندازه ای کوچک و کم مصرف باشد که بتوان آن را در دستگاههای قابل حمل کار گذاشت . باید بتوان توسط این فناوری هم صورت و هم داده را منتقل کرد، و بالاخره این فناوری باید در تمام دنیا قابل استفاده باشد.

تحقیقات به زودی نشان داد که یک راه حل مبتنی بر ارتباط رادیویی کوتاه برد برای این منظور مناسب است .

هنگامی که طراحان اریکسون شروع به کار روی تراشه فرستنده/ گیرنده کردند، به زودی مشخص شد که این کار نیازمند همکاری سایر شرکتها برای پیشبرد این فناوری است. این تلاش مشترک نه تنها برای بهبود کیفیت و تواناییهای محصولات ارائه شده ، بلکه برای ایجاد یک پایگاه یکپارچه و وسیع پشتیبانی کننده بازار در زمینه های سخت افزار کامپیوتر شخصی، کامپیوترهای قابل حمل، و تلفن های سیار نیز انجام شده است.

اریکسون، اینتل ، آی بی ام، توشیبا و نوکیا ، در سال ۱۹۹۸ یک گروه ویژه SIG   interest group ) ( special تشکیل دادند . نگاهی به تخصص های اعضای این گروه به خوبی نشان دهنده تنوع دست اندر کاران لازم برای پشتیبانی خوب از این فناوری جدید است.

گروه SIG که در ابتدا ۵ عضو داشت، در حال حاضر بیش از ۲۱۰۰ عضو دارد که بر روی یک استاندارد باز برای Bluetooth  کار می کنند . SIG همچنین روی یک فرآیند تضمین کیفیت کار کرده است که شرایط لازم برای تضمین کیفیت محصول مطابق ویژگیهای Bluetooth   را تعیین می کند.

 

 نام Bluetooth

در آغاز بکار، اریکسون نام رمز پروژه خود را Bluetooth   قرار داد. این نام از یکی از پادشاهان وایکینگها در قرن دهم میلادی گرفته شده است. Harald Batland  پادشاه دانمارک در سالهای بین ۹۴۰ تا ۹۸۵ میلادی بوده است. گرفته می شود که وی در مدت حکومت خود کشورهای اسکاندیناوی از جمله دانمارک و نروژ را متحد نمود .

همچنین از او بعنوان فرمانروایی یاد می شود که مسیحیت را به شبه جزیره اسکاندیناوی وارد نمود. ترجمه ضعیفی از Batland  در زبان انگلیسی، Bluetooth   یا ” دندان آبی ” می باشد.

هر چند منشا این نامگذاری مشخص نیست، اما گفته می شود که این نامگذاری بدلیل رنگ تیره چهره وی بوده که در میان وایکینگها معمول نبوده است. از آنجائیکه سرآغاز این استاندارد در اسکاندیناوی بوده و ایجاد کنندگان آن بر این باور بوده اند که این تکنولوژی بسوی یکسان نمودن و هماهنگی تمامی ارتباطات رادیویی برد کوتاه پیش می رود، نمی توان نامگذاری Bluetooth  را بر روی آن توسط متخصصان [۱]Ericsson کاملا بی دلیل تلقی نمود.

 

علت Bluetooth   

 

همانگونه که قبلا نیز اشاره گردید ، هدف Bluetooth   حذف سیمهای ارتباطی انتقال داده و صوت در مسافتهای کوتاه ( تا یکصد متر ) می باشد . با استفاده از این تکنولوژی ، دستگاههایی نظیر تلفنهای همراه، کامپیوترهای قابل حمل، دوربینهای دیجیتال ، PDAها[۲] ، دستگاههای فاکس ، چاپگرها و … می توانند در هر لحظه بدون نیاز به اتصال از طریق کابل، به برقراری ارتباط پرداخته و از سرویسهای یکدیگر استفاده نمایند. کامپیوترهای قابل حمل می توانند از طریق ایجاد یک شبکه آنی[۳] به انتقال اطلاعات بپردازند یا از طریق یک تلفن همراه به اینترنت متصلل گردند .

دستگاههایی نظیر چاپگرها ، ماشینهای فاکس و حتی خطوط تلفن عادی ، بدون احتیاج به کابلهای ارتباطی می توانند بعنوان منابع مشترک از این طریق در دسترس استفاده کنندگانی که در یک محیط کاری نظیر یک شرکت مشغول به فعالیت هستند، قرار گیرند.

در حالت کلی ، برای یک چنین ارتباطی نمی توان هیچگونه محدودیتی قائل گردید و از نظر تئوری انواع مختلف کاربردهای آن نامحدود است. تمامی تلاش SIG بر یان بوده که آن را بعنوان یک لایه فیزیکی مجزا برای ارتباطات بین دستگاهها بکار گیرد و برای استفاده پروتکلهایی نظیر TCP/IP که امروزه کاربردهای بسیاری دارد تطبیق دهد، بنحوی که نیازی به بازنویسی برنامه های کاربردی که از پروتکلهای دیگری برای برقراری ارتباط استفاده می کنند وجود نداشته باشد.

در این حالت، Bluetooth  تبدیل به یک واسط ارتباطی می گردد که برنامه ها بجای کابل، از آن برای انتقال اطلاعات خود استفاده می کنند. به همین منظور لایه های تطبیقی مختلفی در ساختار پروتکلی Bluetooth  گنجانده شده که در بخشهای بعد مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

به منظور استفاده عمومی و مقبولیت همگانی Bluetooth  در تمامی دستگاههایی که نیاز به ارتباطات رادیویی برد کوتاه دارند، تمامی سخت افزار سیستم که شامل یک فرستنده – گیرنده رادیویی نیز می گردد ، بصورت یک تک تراشه[۴] به بازار عرضه شده است که ابعادی بسیار کوچک داشته و برای استفاده در هر وسیله ای کاملا مناسب می باشد. شرکتهای تولید کننده به منظور تشویق استفاده هر چه بیشتر از این تراشه سیاستهای خود را بر پایه هر چه ارزانتر ساختن آنها قرار داده اند، تا جائیکه قیمت چنین تک تراشه ای تا پنج دلار کاهش یابد.

 

با توجه به پشتیبانی بسیار قوی از جانب شرکتهای پیشرو در SIG از سویی و از سوی دیگر استقبال از این تکنولوژی در دنیا، به نظر می رسد طی چند سال آینده Bluetooth  خود را کاملا جایگزین استانداردهای ارتباطی فعلی خواهد نمود و از آنجائیکه یک استاندارد باز[۵] می باشد محدودیتی برای توصعه کاربردهای خود نخواهد داشت .

 

فن آوری های رقیب :

 

رقیب اصلی Bluetooth  در بازار جایگزینی کابلهای رابط IrDA است. این فناوری یک واسط مادون قرمز است که ارتباط بی سیم بین دستگاهها را بر قرار می کند . این تکنیک در بازار مصرف کاملا شناخته شده است اما تمام محصولات موجود در بازار از یک پیاده سازی استاندارد پیروی نمی کنند . حداکثر نرخ اطلاعات قابل تبادل در این فناوری بیشتر از Bluetooth  می باشد اما دو ضعف عمده آن محدود بودنش به ارتباط نقطه به نقطه ( بین تنها دو دستگاه ) و نیاز آن به ارتباط دید مستقیم است.

 

مهم ترین رقیب Bluetooth  در بازار شبکه های محلی بی سیم، فناوری مبتنی بر استاندارد IEEE 802.11 است. برخی از فناوری ها از روش های پرش فرکانسی نیز استفاده می کنند. تفاوت اصلی بین Bluetooth  و این فناوری ها عبارتند از :

 

۱-این فناوری ها ظرفیت ارسال اطلاعات بیشتری دارند.

۲-تعداد کاربران همزمان در آنها بیشتر است.

۳-سخت افزار مورد نیاز در Bluetooth  به مراتب کوچک تر است.

۴-قیمت واحدهای Bluetooth  به مراتب کمتر است.تعداد پرش های فرکانسی ( در واحد  زمان ) به مراتب بیشتر است.

UWB یک فناوری رادیویی جدید است که ایده مورد استفاده در این فناوری شبیه به رادار است، پالس های کوتاه در محدوده فرکانسی وسیعی ارسال می شوند و اطلاعات در زمان و فرکانس پالس ها نهفته است. این تکنیک هنوز کاملا توسعه نیافته است ولی ممکن است خطری برای سیستم Bluetooth  باشد، چون مصرف توان و ظرفیت ارسال آن بسیار خوب می باشد. نمونه های اولیه این فناوری دارای ظرفیت ارسال تا ۱٫۲۵ Mb/s با برد ۷۰ متر و مصرف تنها ۰٫۵mW توان هستند.

 

فناوری دیگر home RF نام دارد که از ایده DECT گرفته شده است و همانند Bluetooth  در باند فرکانسی ۲٫۴GHz کار می کند و به عنوان روشی برای بازار لوازم خانگی طراحی گردیده است. شباهت زیادی بین این دو فناوری وجود دارد، مانند هزینه هر واحد ، برد ، توان ارسالی ، و … . تفاوت اصلی این دو فناوری در این است که در home RF امکان برقراری ارتباط بین ۱۲۷ واحد در هر شبکه وجود دارد و تعداد پرش فرکانسی در هر ثانیه ۵۰ بار است که این اعداد برای Bluetooth  به ترتیب ۸ و ۱۶۰۰ می باشد .

 

–      ساختار سیستم رادیویی Bluetooth  :

 

انتخاب طیف رادیویی در ابتدا با فرض عدم نیاز به وجود اپراتور برای عملکرد سیستم تعیین می شود . بر این مبنا طیف انتخابی باید بدون نیاز به گرفتن مجوز توسط عموم قابل استفاده باشد. و خوشبختانه یک باند فرکانسی بدون مجوز در سطح جهانی وجود دارد به نام باند ISM حول فرکانس ۲٫۴۵GHz .

 

قوانینی و مقررات موجود در خصوص نحوه استفاده از این پهنای باند اگر چه در نقاط مختلف دنیا تفاوت هایی دارد اما هدف تمامی آنها قادر ساختن هر کاربر به دسترسی عادلانه به باند فرکانسی است . این قوانین به طور کلی نحوه پخش شدن انرژی سیگنال در باند و حداکثر توان قابل ارسال را تعیین می کنند. برای عمل کردن سیستم در بعد جهانی نیازمند تکنیکی هستیم که بتواند همزمان تمام قوانین و مقررات را تامین کند. بنابراین هدف طراحی سیستم یبر اساس حداقل نیازها است.

 

از آنجا که استفاده از باند فرکانسی توسط هر فرستنده رادیویی ، تا زمانی که از مقررات تخطی نکند آزاد است، ایمنی سیستم در مقابل تداخل مساله ای مهم می باشد. دامنه این تداخل در باند ISM قابل پیش بینی نیست. فرستنده های رادیویی در این باند ، توانی از حدود ۱۰mW تا ۱W دارند . علاوه بر تداخل از منابع خارجی ، تداخل از طرف سایر کاربران Bluetooth  نیز باید در نظر گرفت.

 

ایمنی در مقابل تداخل را می توان به دو روش کم کردن تداخل و یا پرهیز از تداخل به دست آورد . برای کم کردن تداخل می توان از سیستم های کد کردن مورد استفاده در CDMA سود جست، اما محدوده دینامیکی سیگنال های تداخل کننده و سیگنالهای مورد نظر در یک محیط ارتباطی موردی بدون هماهنگی ممکن است بسیار زیاد باشد .

با در نظر گرفتن فواصل دور یا نزدیک و تفاوت توان سیگنال های فرستنده های نا هماهنگ ، اختلاف سطح توان بیش از ۵۰dB نیز ممکن است. از آنجا که نرخ ارسال اطلاعات کاربر در این سیستم در حدود حداکثر ۱Mb/s پیش بینی شده است، امکان به دست آوردن کارایی مناسب در حذف تداخل با استفاده از روش های کد کردن معمول ممکن نیست .

در عوض ، پرهیز از تداخل روش جذاب تری است زیرا در این روش می توان سیگنال مورد نظر را در نقاطی از فرکانس یا زمان که تداخل کمتر است یا وجود ندارد ارسال نمود.

پرهیز از تداخل در حوزه زمان در صورتی که سیگنال ارسالی قابل قطع کردن باشد و تداخل در زمان محدودی ( به صورت پالسی ) باشد، امکان پذیر است. اما پرهیز از تداخل در حوزه فرکانس عملی تر است. از آنجا که باند فرکانسی ISM در حدود ۸۰MHz پهنای باند قابل استفاده برای کاربر در اختیار می گذارد و اکثر سیستم های رادیویی پهنای باند محدودی دارند، به احتمال زیاد بخشی از طیف را می توان یافت که در آن تداخل غالب نباشد . فیلتر کردن در حوزه فرکانس نیز تداخل ناشی از منابع در سایر بخش های باند را کاهش می دهد.

سزا و کار استفاده از کانال در Bluetooth  بر اساس Hope Ferquency – CDMA بنا شده است. در باند ISM مجموعا ۷۹ فرکانس حامل ( که به آنها فرکانس پرش می گویند) با فواصل ۱MHz تعریف شده اند . کانال ارتباطی در Bluetooth  یک کانال با پرش فرکانسی ( FH ) با زمان توقف ( dwell time ) نامی  در هر فرکانس است.

برای استفاده از کانال ارتباطی ، تعدادی زیاد پرش فرکانس شبه تصادفی تعریف شده است که فرکانس حاصل مورد استفاده در ارسال اطلاعهات طبق این دنباله تغییر می کند ( به این ترتیب حتی اگر در فرکانسی تداخل غالب شود بخش ناچیزی از اطلاعات صدمه خواهد دید ) . دنباله هایی که در یک ارتباط خاص مورد استفاده قرار می گیرد توسط واحدی که کانال با پرش فرکانس را کنترل می کند ( و به آن فرمانده گفته می شود Master ) انتخاب می شود.

سایر شرکت کنندگان در کانال ارتباطی ( که فرمانبر نامیده می شوند Slave ) توسط کدشناسایی فرمانده ، نظیر همان دنباله را انتخاب می کنند و با تنظیم سیگنال ساعت خود، پرش فرکانسی گیرنده خود را با واحد فرمانده همزمان می کنند.

در حوزه زمان کانال به تعدادی بازه تقسیم می شود که طول هر یک  است. برای سادگی پیاده سازی، بازه های زمانی به تناوب برای ارسال و دریافت اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد.

جدا کردن بازه های زمانی ارسال و دریافت به نحود موثری از بروز پدیده همشنوی crosstalk بین عملیات ارسال و دریافت جلوگیری می کند و راهکاری اساسی برای تحقق فرستنده و گیرنده روی تراشه است. همچنین چون بازه های زمانی ارسال و دریافت اطلاعات متفاوت است، فرکانس حامل ارسال و دریافت اطلاعات نیز متفاوت است. در شکل ۳ کانال با پرش فرکانسی و بازه های زمانی مورد استفاده در Bluetooth  نشان داده شده است.

توجه کنید که در حالت وجود چند خطا ارتباطی موردی از کانال های با پرش فرکانسی متفاوت استفاده می شود، که ممکن است بازه های زمانی آنها بر هم منطبق نباشد.

۱- به نظر می رسد که نام صحیح این شرکت ، Ericsson باشد که Eric نیز از جمله پادشاهان وایکینگها است.
[۲] – Personal Digital Assistant
[۳] – Ad hoc
۴- Single Chip
[۵] –

 

فهرست مطالب:

پیشگفتار. ۳

بخش تاریخچه ومعرفی

تاریخچه Bluetooth.. 5

نام Bluetooth.. 6

علت Bluetooth.. 6

فن آوری های رقیب… ۸

-ساختار سیستم رادیویی Bluetooth  : ۹

فصل اول:بررسی ساختار پروتکلی Bluetooth

۱-۱ ساختار پروتکلی Bluetooth   ۱۳

۱-۱-۱- پروتکلهای انتقال.. ۱۵

۱-۱-۲- پروتکلهای میانی… ۱۸

۱-۱-۳- برنامه های کاربردی… ۲۱

فصل دوم: توصیف کلی شکل بسته ها و نحوه کنترل خطا

مشخصه های باند پایه.. ۲۴

توصیف کلی… ۲۴

توصیف کلی بخش RF.. 26

کانال فیزیکی… ۲۸

ارتباطات فیزیکی… ۲۸

بسته ها. ۲۹

کد دسترسی… ۳۰

انواع کدهای دسترسی… ۳۱

کلمه همزمانی… ۳۲

دنباله.. ۳۳

انواع بسته ها. ۳۶

تشکیلات محموله.. ۴۶

دامنه صوتی… ۴۶

دامنه داده ها. ۴۶

تصحیح خطا. ۵۲

جداسازی در نحوه ارسال مجدد. ۵۶

بسته هایBroadcast.. 58

آزمایش خطا. ۵۹

فصل۳:بررسی وتحلیل بلوک های مختلف فرستنده وگیرنده BLUETOOTH

ـ معماری گیرنده ۶۴

ـ معماری فرستنده ۶۹

ـ معماری تولیدکننده کلاک Clock Generator 71

ـ نوسان ساز کنترل شده با ولتاژVCO   ۷۳

ـ ترکیب کننده فرکانسی Synthesizer 77

فصل ۴:مدلهای کاربردیBluetooth

۴-۱- کامپیوتر بی سیم.. ۸۷

۴-۲-Ultimate Headset.. 87

۴-۳- تلفن سه کاره. ۸۷

۴-۴- انتقال داده و فایل… ۸۸

۴-۵- پل اینترنت… ۸۸

فصل۵:نتیجه گیری وپیشنهادات

۵-۱-نتیجه گیری .. ۹۰

۵-۲-پیشنهادات.. ۹۲

ضمائم . ۹۳

واژگان اختصاری ۹۹

واژه نامه فارسی به ا نگلیسی    ۱۰۲

منابع ومراجع۱۰۶