فكرة عمل البلوتوث Bluetooth

1. ما هي تقنية البلوتوث ؟
هي اسم لتقنيات جديدة أصبحت متوفرة في الأسواق التجارية هذه الأيام. البلوتوث عبارة عن تكنولوجيا تمكن من ربط أي عدد من الأجهزة الإلكترونية مع بعضها البعض عن طريق موجات الراديو بدلاً من الأسلاك.

تمت تسمية التقنية ببلوتوث على اسم موحد الدانمرك والنرويج الملك هيرالد بلوتوث الذي حكم الدانمرك ما بين عامي 910 - 940 ميلادية وذلك لأن أغلب الشركات المؤسسة لتقنية البلوتوث هي من الدول الاسكندينافية - نوكيا من فنلندا و أريكسون من السويد. فهم يعلنون احترامهم للملك الذي وحد جزءاً من اسكندنافيا.

وهناك روايتان عن سبب تسمية الملك هيرالد بـ"بلوتوث". الرواية الأولى تقول أنه كان مولعاً بأكل التوت البري، الأمر الذي أدى إلى صبغ أسنانه باللون الغامق، ملصقاً بهذا الملك صفة فريدة من نوعها. الرواية الثانية تقول إن التسمية أتت من السواد الشديد للون شعره؛ فإذا رجعنا إلى أصل كلمة بلوتوث باللغة الدانمركية نجدها بلاوتاند أو Blatand؛ ومعنى الكلمة صاحب البشرة الداكنة فشعره الداكن كان غريباً حيث كان الشعر الأشقر هو السمة السائدة في تلك المناطق.

2. أهم مميزات تقنية البلوتوث:
كما ذكرنا سابقاً إن هذه التكنولوجيا تمكن من الربط بين الأجهزة باستخدام موجات الراديو، وهي قادرة الآن على التوصيل في حدود دائرة يبلغ قطرها بحدود 100 متر، وتستخدم هذه التكنولوجيا الجديدة تردداً للموجات يبلغ حوالي 2.4GHz وقيمة هذا التردد قد تم الاتفاق عليه من قبل الاتفاقية العالمية لاستعمال الأجهزة الصناعية والعلمية والطبية ISM Industrial, Scientific and Medical وهو خارج الترددات المحظورة المخصصة لأجهزة الاتصالات الأمنية وغيرها.

لتقنية البلوتوث ميزات عديدة من أهمها أنها رخيصة الكلفة ولا تستهلك استطاعة كبيرة، كما أن أجهزة البلوتوث تجد بعضها البعض بنفسها، وتملك إشارات البلوتوث ممانعة كبيرة للتداخل مع إشارات بقية الأجهزة عن طريق تقنية القفز الترددي Frequency Hopping،كما أنَّ نقل المعطيات باستخدام هذه التقنية يُؤمِّن درجة عالية من الأمن لاستخدام طريقة الطيف المنثور، هذا وبالإضافة لأن موجات الراديو الخاصة بهذه التكنولوجيا تنتشر بكل الاتجاهات، وتستطيع اختراق الجدران والموانع غير المعدنية بكل سهولة في حدود دائرة البث مما يسمح بالتحكم في الأجهزة الموجودة في غرف مختلفة.

3. استخدامات البلوتوث:
إن التطور الكبير لهذه التقنية وانخفاض تكاليفها هو الذي أدى لانتشارها بشكل واسع في العديد من المجالات الخدمية اليومية، وقد بدأت العديد من الشركات الكبرى بإطلاق العديد من أجهزتها الجديدة المزودة بهذه التقنية. ويمكننا ذكر بعض استخدامات هذه التقنية:
• وصل الهاتف الخلوي مع سماعة الرأس :
هذا يعني اتصال خلوي مع حرية كاملة لليدين وبدون أسلاك وتلقي المكالمات وإرسالها بشكل صوتي دون الحاجة للمس الهاتف.
• وصل الطابعة مع الحاسب الشخصي .
• وصل الهاتف الخلوي مع الحاسب الشخصي :
هذا يعني تحديثاً دائماً لدفتر العناوين، والتقويم، ويمكن أن يتم إنشاء القوائم واللوائح باستخدام الحاسب وولوج الشبكة أينما كنت.
• توصيل بقية الأجهزة المنزلية الكهربائية بجهاز الحاسب أو بجهاز الهاتف الجوال:
هذه ليست سوى البداية، فهذه التقنية تعدنا بالكثير في مجال تحسين ودعم حقل الأتمتة الصناعية ودعم إمكانيات الألعاب، كلها متطلبات ليست ممكنة فقط بل حتمية مع تقنية البلوتوث اللاسلكية الجديدة.

4. مبدأ عمل البلوتوث:
كما ذكرنا سابقاً فإن تقنية البلوتوث تعتمد على إرسال إشارات ذات تردد 2.4GHZ ويستخدم تقنية القفز الترددي لمنع التداخل مع الإشارات المماثلة؛ حيث يتم الربط بين الأجهزة على أساس علاقة السيِّد/التابع Masters/Slaves، فكل سيد يستطيع التحكم بسبع توابع تعمل في النمط الفعال على الأكثر.

والسيِّد هو ببساطة أول جهاز يقوم بالاتصال وهو الذي يحدد الساعة clockوالتتالي من القفزات الترددية خلال الاتصال، وكل الأجهزة الموجودة في نفس المجموعة تتبع هذا التتالي وتكون متزامنة مع ساعة السيِّد. بالإضافة لذلك فإن أي جهاز يمكن أن يشترك في أكثر من مجموعة بحيث يكون سيِّداً في أحدها و تابعاً في واحدة أخرى أو يكون تابع في جميعها. كما يوضّح الشكل 1.

وفي نظام البلوتوث يتم تقسيم الزمن إلى شرائح مقدار كل منها 625 مايكروثانية، تُرقَّم هذه الشرائح الزمنية تبعاً لساعة السيِّد. ويقوم السيِّد والتابع بالإرسال بشكل متناوب. يقوم السيِّد بالإرسال خلال الشرائح الزمنية ذات الأرقام الزوجية بينما يقوم التابع بالإرسال خلال الشرائح الزمنية ذات الأرقام الفردية. يبدأ إرسال الرزم مع بداية الشريحة الزمنية حيث يقوم السيِّد بإرسال رزمة وفق التردد f(k), التابع المرسَل إليه هو فقط الذي لديه الحق بالرد في الشريحة الزمنية التي تلي وصول الرزمة من السيِّد حيث يرسل التابع هذا الرد على التردد f(k+1), و ذلك مُوضَّح بالشكل 2:

ويبقى مبدأ مثنوية اقتسام الزمن TDM Time Division Multiplexing مُطبَّقاً عندما يكون هناك اتصال بين السيِّد و عدة توابع كما هو مُوَضَّح بالشكل 3.

يُعرَّف الإطار Frameبأنه حزمة معلومات منقولة باعتبارها وحدةً مُفردة. يخضع كل إطار للتنظيم الأساسي نفسه ويتضمن معلومات تحكم. كما أنه ولزيادة سرعة تبادل الرزم فإن البلوتوث يدعم في حالة رابطة ACL Asynchronous Connection-Less link الإرسال على 3 أو 5 شرائح زمنية حيث نحصل على ما يُسمَّى الأطر متعددة الشرائح الزمنيةMulti-Slot Frames و ذلك مُوضَّح بالشكل 4.

5. أنماط العمل لجهاز بلوتوث :
يعمل جهاز البلوتوث في نمطين أساسيين : ترقُب Standby و ارتباط connection. نمط الترقب هو النمط الافتراضي الذي هو أساساً لغرض توفير الاستطاعة وفيه لا يكون هناك أي تفاعل مع أي جهاز آخر. في نمط الارتباط يتم إنشاء السيد والتابع ومن ثم تبادل المعلومات.

عندما يكون جهاز البلوتوث في نمط الارتباط فإنه يكون في أحد الأنماط الفرعية التالية:
• النمط الفعال Active Mode:
في هذا النمط يشترك جهاز البلوتوث بشكل فعال بقناة الاتصال. يقوم السيِّد بجدولة عمليات تبادل المعلومات مع مختلف التوابع ويضمن بقاء هذه التوابع متزامنة.
• نمط التنصت Sniff Mode:
يقوم جهاز البلوتوث في هذا النمط بالتنصت على الأجهزة الموجودة معه في نفس المجموعة لفترات قصيرةT(win) خلال مجالات منتظمة T(sniff) ممَّا يمكنه من إعادة مزامنة نفسه مع باقي الأجهزة و إرسال أو استقبال المعلومات. يكون استهلاك الاستطاعة أقل كلما كان T(sniff) أكبر.
ملاحظة: المقدار T(sniff) قابل للبرمجة وقيمته تختلف باختلاف التطبيق.
• نمط الإمساك Hold Mode :
يمكن للسيِّد أن يضع أي تابع في نمط الإمساك لفترة زمنية محدودة، عندها يعمل فقط مؤقت داخلي ضمن التابع لتحديد نهاية هذه الفترة، وبعدها يُستَأنف تبادل المعطيات مباشرةً.
• نمط الإيقاف Park Mode :
لا يساهم جهاز البلوتوث في هذا النمط في حركة تبادل المعطيات. ولكنه يقوم بالتنصت من حين لآخر لإعادة مزامنة نفسه. يمكن أن يوجد ضمن المجموعة الواحدة 256 جهازاً موضوعاً في نمط الإيقاف كحد أقصى.
ملاحظة: الأنماط الثلاثة الأخيرة هي أساساً لغرض توفير الاستطاعة وهي مرتبة تصاعدياً ( من الأقل توفيراًً إلى الأكثر توفيراً).

6. إعداد الارتباط:
يتم إعداد الارتباط بين جهازي بلوتوث وفق مرحلتين:
• مرحلة الاستعلام inquiry:
في هذه المرحلة يتم تفعيل إجراء الاستعلام inquiry procedure الذي يمكن جهاز البلوتوث من معرفة الأجهزة الموجودة في مجاله، و تحديد عناوين هذه الأجهزة.
• مرحلة الرصد paging:
هذه المرحلة تلي مرحلة الاستعلام و فيها يتم تفعيل إجراء الرصد paging procedure حيث يتم إنشاء الارتباط بالاعتماد فقط على عنوان جهاز البلوتوث Bluetooth Device Address .
الجهاز الذي يقوم بإعداد الارتباط ( الذي ينفذ إجراء الرصد ) سيكون هو السيِّد.
ملاحظة: يمكن أن يتم تفعيل إجراء الرصد بدون أن يكون قد تم تفعيل إجراء الاستعلام إذا كان لدى جهاز البلوتوث بعض التفاصيل عن الجهاز المراد إعداد الاتصال معه ( من خلال اتصال سابق ).

الشكل 5 يوضح أنماط العمل المختلفة لجهاز بلوتوث

7. عنونة أجهزة البلوتوث:
يوجد ثلاثة أنواع ممكنة من العناوين يمكن أن تعطى لأجهزة البلوتوث مما يسمح لها بالتعرف على بعضها البعض.
• عنوان جهاز البلوتوث Bluetooth Device Address:
كل جهاز بلوتوث يعطى عنواناً وحيداً مؤلفاً من 48 خانة ثنائية 48-bit.
• عنوان العضو الفعال Active Member Address:
هو عبارة عن رقم مؤلف من 3 خانات ثنائية يكون فعالاً عندما يكون جهاز بلوتوث في النمط الفعال. هذا يُفسِّر كون العدد الأعظم للأجهزة العاملة في النمط الفعال ضمن المجموعة هو 8 ( 2^3 = 8 ).
• عنوان العضو الموقوف Parked Member Address:
هو عبارة عن رقم مؤلف من 8 خانات ثنائية يكون فعالاً عندما يكون جهاز بلوتوث في نمط الإيقاف. هذا يُفسِّر كون العدد الأعظم للأجهزة العاملة في نمط الإيقاف ضمن المجموعة هو 256 ( 2^8 = 256 ).

8. الرزم Packets:
يمكن تعريف الرزمة بأنها وحدة معلومات ترسل كاملةً من تجهيزة إلى أخرى عبر شبكة. كل المعلومات يتم تبادلها بين أجهزة البلوتوث على شكل رزم.
تتألف كل رزمة من ثلاثة أقسام:
• شفرة النفاذ Address Code:
يتألف من 72 خانة ثنائية و يستخدم لأغراض تحقيق التزامن, الاستعلام و الرصد.
• الترويسة Header:
تتألف من 54 خانة ثنائية و تحتوي معلومات من أجل التعرُف على الرزمة وتحديد ترتيبها لضمان الحصول على معلومات مرتبة بنفس ترتيبها في طرف الإرسال. كما تحتوي على عنوان التابع المرسل إليه.
• الحمل Payload:
يتراوح حجمه من الصفر حتى 2745 خانة ثنائية و يحتوي على المعلومات المراد إرسالها.
الشكل 6 يوضح بنية الرزمة.

Bluetooth6.JPG (8.91 KiB) شوهد 1025 مرات

9. أنواع الروابط Links:
يعرف الرابط بأنه وصلة فيزيائية عن طريق سلك، أو ترددات راديوية، أو كبل ليف ضوئي، أو وسيطة أخرى بين تجهيزتي اتصال أو أكثر. هناك نوعان من الروابط يمكن أن توجد بين جهازي بلوتوث:
• وصلة متزامنة ارتباطية التوجه Synchronous Connection-Oriented link SCO link:
تُطلق صفة ارتباطي التوجه Connection-Oriented على طريقة إرسال المعطيات التي تتطلب ارتباطاً مباشراً بين عقدتين في شبكة واحدة أو أكثر، وصلة SCO هي عبارة عن وصلة بين السيِّد و تابع واحد فقط في المجموعة؛ حيث تُرسَل المعلومات على شكل رزم باستخدام شرائح زمنية محجوزة مسبقاً ومفصولة بعضها عن بعض بأزمنة متساوية. يمكن للسيِّد أن يدعم حتى ثلاث وصلات SCO في آن واحد، وكذلك الأمر بالنسبة للتوابع.
يستخدم هذا النوع من الوصلات بشكل رئيسي لنقل الصوت، والسرعة العظمى لنقل المعطيات في هذا النوع من الوصلات432.6 kb/s .
• وصلة غير متزامنة عديمة الارتباط Asynchronous Connection-Less link ACL link:
تُطلق صفة عديم الارتباط Connection-Less على طريقة إرسال المعطيات التي لا تتطلب ارتباطاً مباشراً بين عقدتين في شبكة واحدة أو أكثر، يُنجَز الاتصال العديم الارتباط بتمرير رزم معطيات تتضمن كل منها عنوان المصدر و الجهة، وذلك من طريق العقد و حتى الوصول إلى الشبكة. وصلة ACL هي عبارة عن وصلة بين السيِّد و تابع واحد أو أكثر. يمكن للسيِّد إنشاء هذا النوع من الوصلات خلال الشرائح الزمنية غير المحجوزة للوصلات SCO. السرعة العظمى لنقل المعطيات في هذا النوع من الوصلات 721 kb/s.