Čo je Bluetooth®?
Bluetooth je definovaný štandardom IEEE 802.15.1 a zároveň spadá do kategórie Personálnych sietí (PAN). Pracuje v rovnakom pásme ISM (od 2,402 GHz do 2,480GHz) ako iné štandardné bezdrôtové technológie (rovnako ako WiFi), pritom ponúka optimálne funkcie na splnenie priemyselných požiadaviek na robustnosť, spoľahlivosť a bezproblémovú koexistenciu so sieťami LAN. Pre tento účel sa na prenos dát využíva metóda FHSS (Frequency-hopping spread spectrum), kedy sa počas jednej sekundy vykoná 1600 skokov (tzv. preladení) medzi 79-mi rôznymi kanálmi (frekvenciami) pri verzii classic Bluetooth (40 kanálov pri verzii Bluetooth Low Energy) s odstupom 1Mhz. Zvyčajne sa však počíta s 800 preskokmi za sekundu prostredníctvom Adaptive Frequency-Hopping (AFH).
Ako to funguje
Siete Bluetooth (bežne označované ako pikonet) používajú model Master/Slave na udeľovanie oprávnenia, kedy a kto môže odosielať údaje.
Master koordinuje komunikáciu v celej pikosieti. Môže posielať údaje ktorémukoľvek zo svojich Slave zariadení a tiež od nich požadovať údaje. Slave zariadenia môžu vysielať a prijímať údaje iba od Master zariadenia, s ktorým sú spárované. Nemôžu komunikovať priamo s ostatnými Slave zariadeniami v pikosieti.
Pokiaľ je v sieti iba jeden Master, jedná sa o pikosieť. V prípade, že v pikosieti je navzájom prepojený Master iba s jedným zariadením Slave a jedná sa o pripojenie typu bod-bod (Point-to-Point), sieť je v režime Mono Slave. Master sa však môže dostať aj do režimu Multi-Slave a to pripojením až k siedmim aktívnym zariadeniam Slave pomocou pripojenia bod-multibod (point-multipoint), pričom ďalšie zariadenia sa môžu zúčastniť pasívne v „zaparkovanom“ režime.
Bluetooth umožňuje vzájomné prepojenie pikosietí s cieľom vytvoriť širšiu sieť nazývanú scatternet. Vzhľadom k tomu, že v každej pikosieti môže operovať iba jeden Master, v režime scatternet je Master zariadení niekoľko. Preto sa na prepojenie jednotlivých pikosietí využívajú takzvané zariadenia „bridge node“, ktoré fungujú ako most medzi pikosieťami. Z toho taktiež vyplýva, že zariadenie, ktoré je v jednej pikosieti ako Master, môže byť v inej pikosieti ako Slave alebo jeden Slave môže operovať v dvoch pikosieťach súčasne.
Adresovanie a prihlasovanie
Pri zariadeniach Bluetooth sa používajú 48bitové adresy štandardu IEEE (BD_ADDR). Tieto adresy slúžia k jednoznačnej identifikácii zariadenia pri prihlasovaní do siete, v prípade zariadenia Master, k výpočtu sekvencie skokov ( pre metódu kmitočtových skokov rozprestretého spektra (Frequency Hopping Spread Spectrum) – FHSS). Adresa Bluetooth sa zvyčajne zobrazuje ako 6 bajtov zapísaných v hexadecimálnej sústave a oddelených dvojbodkami. Horná polovica adresy Bluetooth (prvých 24 bitov) je takzvaný Organizationally Unique Identifier (OUI). NAP - obsahuje prvých 16 bitov OUI. Hodnota NAP sa používa v rámcoch na synchronizáciu preskakovania frekvencie (Frequency Hopping Synchronization frames).
Po prihlásení do siete získajú všetky aktívne zariadenia Slave krátku trojbitovú adresu (tzv. active member adress, AM_ADDR), ktorú používajú pre komunikáciu v pikosieti. Vzhľadom k malej veľkosti adresy (3bit) je pikosieť obmedzená na sedem zariadení ktoré sa môžu do sieti pripojiť.
Ako technológia Bluetooth® robí bezdrôtovú komunikáciu spoľahlivou?
Interferencia
Rušenie je pri poskytovaní spoľahlivej dátovej komunikácie pre akúkoľvek bezdrôtovú technológiu najväčšou výzvou. Na rozdiel od technológií využívajúcich metalické alebo optické médium, bezdrôtové technológie musia zdieľať rovnaké prenosové médium. Napríklad, technológia Bluetooth operuje v rovnakom frekvenčnom pásme 2,4 GHz ISM ako Wi-Fi a technológie využívajúce štandard IEEE 802.15.4 . V dôsledku toho môže nastať, že sa paket prenášaný medzi dvoma zariadeniami Bluetooth poškodí alebo stratí, ak sa zrazí s paketom prenášaným v rovnakom čase a na rovnakom frekvenčnom kanáli aký používajú iné zariadenia Bluetooth, Wi-Fi alebo 802.15.4 v dosahu.
Ako technológia Bluetooth® prekonáva rušenie
Malý a rýchly paket
Pri snahe vyhnúť sa kolíziám, je najlepšie byť malý a rýchly. Napríklad v porovnaní s inými „low-power“ bezdrôtovými sieťovými technológiami sú pakety Bluetooth zvyčajne polovičné a niekoľkonásobne rýchlejšie. Malé, rýchle pakety umožňujú efektívnejšie využitie spektra a výrazne znižujú pravdepodobnosť kolízií.
Vyhýbanie sa kolíziám
Bluetooth využíva techniku frekvenčného preskakovania rozprestretého spektra (FHSS) nazývanú adaptívne frekvenčné preskakovanie (AFH). Rovnako, ako všetky technológie FHSS, aj Bluetooth rozdeľuje frekvenčné pásmo na viacej kanálov (napr. 40 kanálov v prípade Bluetooth Low Energy) a pri prenose paketov rýchlo preskakuje medzi týmito kanálmi. Aby sa ďalej znížilo riziko rušenia, Bluetooth prispôsobuje svoju sekvenciu skokov (prelaďovanie). Kanály, ktoré sú rušené a zaneprázdnené, sú dynamicky sledované a pri odosielaní paketov sa im vyhýba.
Komponent Channel Clasification vyhodnocuje jednotlivé frekvencie v závislosti na ich zaťažení. Príslušné informácie AFH potom na všetky uzly v sieti Bluetooth rozdeľuje Link Management (LM). Jednotlivé kanály sa selektívne redukujú pomocou Hop Sequence Modification.
Za opakované hodnotenie kvality kanálu zodpovedá Channel Maintenance.
Výsledky testov dokazujú, že algoritmus AFH v koezistenčnych situáciách prináša 30% nárast výkonu pri technológii Bluetooth a 80% nárast výkonu pri sieťach WLAN. Tieto údaje odpovedajú napríklad aj výsledkom simulácií realizovaných pri iných metódach kmitočtových skokov.
V už existujúcich pikosieťach zadáva poradie frekvencií Master a potom sa pokračuje v pseudonáhodnom poradí , ktoré sa počíta podľa relatívne zložitých pravidiel z MAC adresy zariadenia Master a stavu jeho hodín. Tým je zaistené, že v každej pikosieti budú odlišné hodnoty frekvencií. Týmto spôsobom sa má zistiť prevádzka čo možno najväčšieho počtu navzájom nezávislých pikosietí.
Master poskytuje zariadeniam Slave pripojených v pikosieti časové obdobie 625 µs a platí, že prenos od všetkých členov pikosieti sa môže zahájiť iba na začiatku tohto obdobia. Na seba nadväzujúce pakety sa prenášajú na rôznych frekvenciách. Pri prenose veľkých paketov, ktoré zaberú tri až päť takýchto časových období sa frekvencia nemení až do okamihu, kedy dôjde k prenosu celého paketu. Nasledujúci paket sa už posiela na frekvencii, ktorá opäť zodpovedá stavu hodín.
Odosielanie potvrdení
Jednou z techník, ktoré technológia Bluetooth používa na kompenzáciu poškodených/stratených paketov je odosielanie potvrdení, ktoré umožňujú prijímajúcim zariadeniam potvrdiť úspešné prijatie údajov od odosielateľa. Potvrdenia sú technikou dostupnou pre pripojenia Bluetooth point-to-point (packet acknowledgement) a mesh networking (message acknowledgement).
Preposielanie kópií v rýchlom slede
Spoliehať sa na potvrdenia nie je vždy praktické. V prípade, že by jeden spínač ovládajúci 100 svetiel musel sledovať a čakať na potvrdenie o prijatí, zakaždým keď odoslal správu ( zapnutie/vypnutie). Na riešenie situácií, ako je táto, sieť Bluetooth využíva funkciu retransmisie, ktorá automaticky odosiela viacero kópií správy v rýchlom slede. Rýchly opakovaný prenos mesh správ dramaticky zvyšuje pravdepodobnosť úspešného prijatia v zarušených prostrediach a preto nie je potrebné odosielať potvrdenie o prijatí.
Komunikácia priemyselných zberníc cez Bluetooth
Bluetooth rádiový systém Schildknecht DATAEAGLE
Podpora zberníc: PROFINET,PROFIBUS, EtherCAT, Ethernet/IP, ETHERNET POWERLINK, Mdbus TCP, VARAN, Sercos, CAN.
Rádiový systém DATAEAGLE vykonáva predspracovanie dát pred odosielaním. Pomocou patentovaného algoritmu kontroluje obsah dát, časové značky, redundanciu a analyzované údaje rozdeľuje do malých informačných blokov a v prípade potreby ich dočasne ukladá. Cieľom predspracovania dát je dosiahnuť 100% robustnosť v priemyselnom prostredí.
Všetky telegramy (PROFIBUS, PROFINET a iných zberníc) roztriedené podľa pripojených účastníkov sú dočasne uložené v databáze a analyzuje sa ich obsah a atribúty. Takéto predspracovanie umožňuje použitie vysokých prenosových rýchlostí PROFIBUS (až do 12 Mbit) a nie je potrené zmeniť HW konfiguráciu siete.
Pomocou nastaviteľného času filtra (filter time) je možné udržiavať komunikáciu PROFIBUS, PROFINET bez výpadkov aj v prípade krátkych prerušení na strane rádiového prenosu. Čas filtra je možné nastaviť medzi 20 ms a 20 s. Počas tejto doby v prípade výpadku rádiového spojenia (alebo oneskorenia prenosu) modul DATAEAGLE po metalickej zbernici preposiela posledné prijaté resp. uložené dáta svojím pripojeným účastníkom a posledné prijaté odpovede riadiacemu systému.
Master zbernice prenáša cyklické dáta do podriadených zariadení (Slave), aj keď obsah dátových telegramov zostáva nezmenený. Tieto telegramy (PROFIBUS alebo PROFINET) sú analyzované a filtrované. Aby sa znížila prevádzka na rádiovom spojení, prenášajú sa iba telegramy so zmeneným obsahom (resp. len samotný zmenený údaj). Cieľom predspracovania dát je zaberať bezdrôtový kanál čo najmenej. Čas aktualizácie (update time) po rádiovom spojení je okolo 20 ms.
