Передача данных в сетях GSM

Передача данных по каналам мобильной связи. Операторы предоставляют шлюзы для выхода в Интернет – свои или других провайдеров, например МТТ – Межрегиональный Транзит Телеком. В сети Интернет есть огромный запас или ресурс данных.

Рассмотрим тот, который предназначен для мобильных телефонов: WAP (Wireless Application Protocol) - это протокол беспроводного доступа к информационным и сервисным услугам глобальной сети Интернет непосредственно с мобильных телефонов. Для использования данной услуги, требуется телефон, поддерживающий WAP, и соответствующие способы передачи данных. Необходимо произвести настройки WAP-браузера телефона и подключить, если требуется, услугу. Используется для «загрузки» мелодий, картинок, игр, просмотра различных расписаний или других WAP-страниц. Если в описании телефона указано «WAP» это означает, что телефон может «выйти» или «просмотреть» эти страницы. Но возможность «загрузить» - под вопросом!!! Предназначена ли эта мелодия или картинка для этого телефона?.. – формат может не подойти, и ещё много других ограничений: есть телефоны, которые могут только «просмотреть» страницы, а «загрузить» - нет.

Для доступа к ресурсам Интернет используются разные способы:

CSD - его поддерживают все операторы;

HS CSD – аналог CSD более высокоскоростной (обязательны поддержка оператором и телефоном);

GPRS – пакетный способ передачи данных (обязательны поддержка оператором и телефоном).

При выходе в Интернет по CSD или HS CSD оплачивается время соединения, через GPRS – объём принятой/переданной информации.

Сравнительная таблица возможных скоростей/способов передачи:

Type (Тип)	Uplink (Передача)	Downlink (Прием)
GPRS	14 kbps	28-64 kbps
GSM CSD	9.6-14 kbps	9.6-14 kbps
HSCSD	28 kbps	28 kbps

GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не времени, проведённому online.

GPRS — это пакетная система передачи данных, функционирующая аналогично с cетью Интернет. Весь поток данных отправителя разбивается на отдельные пакеты и затем доставляется получателю через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, где пакеты собираются воедино, и совсем необязательно, что все пакеты пойдут одним маршрутом.

Cегодня мобильной связью и Интернетом никого не удивить — это факт, теперь можно смело утверждать, что эти два слова означают практически одно и то же, их объединяет GPRS. Это своеобразная надстройка над обычной GSM сотовой сетью, которая позволяет передавать данные на существенно более высоких, чем в обычной GSM сети, скоростях.

Федеральная тройка в России использует безусловный приоритет голосового трафика перед данными, поэтому скорость передачи зависит не только от возможностей оборудования, но и от загрузки сети. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных, теоретический максимум при всех занятых таймслотах составляет 171,2 кбит/c.

Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом.

· Class A — подразумевает одновременное использование: можно одновременно совершать/принимать вызов и принимать передавать данные. На июнь 2005 года устройств класса А не производят.

· Class B — подразумевает автоматическое переключение между сессиями: в перерывах между сеансами приёма/передачи данных (даже если сессия не прервана) можно совершать голосовые звонки.

· Class C — подразумевает использование только одного вида сервиса, применяется в GPRS-модемах.

Мультислот-классы указывают на возможности по скорости обмена данными.

Сводная таблица мультислот-классов
Класс	Приём	Передача	Всего	Старт

Где:

· Приём — максимальное доступное устройству число тайм-слотов для приёма данных.

· Передача — максимальное доступное устройству число тайм-слотов для передачи данных.

· Всего — максимально доступное устройству число одновременно используемых тайм-слотов.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD, EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.

EDGE это технология высокоскоростной передачи данных в сетях GSM. EDGE базируется на другом типе модуляции, которая позволяет передавать 3 бита на каждое изменение фазы несущего сигнала, т.е. другими словами позволяет уместить в одном тайм-слоте не 1 бит информации, а 3 бита. Максимально возможная скорость передачи данных при помощи данной технологи составляет 473,6 Кбит/сек, однако на практике она зависит от настроек операторов, возможностей вашего телефона, качества сигнала, загрузки сети и свободных ресурсов базовой станции с которой в данный момент вы работаете.

Разумеется, реальная скорость намного ниже. Для передачи информации EDGE, так же как и GPRS, использует таймслоты. Существует идентичная GPRS политика распределения таймслотов между каналами на прием и передачу. Еще одно преимущество состоит в том, что максимальная скорость потока в одном таймслоте составляет 57,6 кбит/с (против 14,4 Кбит/с у GPRS). Естественно, что такая скорость достигается только при идеальном приеме, в реальности все будет обстоять гораздо хуже.

Изначально EDGE подразумевался как расширение технологии GPRS. Впервые о нем заговорили в далеком 1997 году, тогда же была представлена его первая расшифровка как Enhanced Data Rates for GSM Evolution (Усовершенствованная Технология передачи данных для Развития GSM).

В последствии, с появлением спецификации сетей 3-го поколения, название EDGE было перефразировано и сейчас оно расшифровывается как Enhanced Data rates for Global Evolution (Усовершенствованная Технология передачи данных для Глобального Развития). Так что можно сказать, EDGE – полноценное переходное звено на пути к 3G или, как его иногда называют, 2.5G.

Стандарт IMT-MC450 (CDMA2000)

IMT-MC — цифровой стандарт связи основанный на технологии CDMA и относится к группе стандартов CDMA2000, которой уже является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей cdmaOne.

На данный момент развитие технологии CDMA происходит в рамках CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, Интернетом, передачу данных и неподвижных изображений.

Переход к следующей фазе CDMA2000 1xEV-DO происходит при использовании той же полосы частот, но скорость передачи возрастает до 2.4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном, что делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и даёт возможность предоставлять самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени.

Следующей фазой развития стандарта является 1ХEV-DO Rev A, что позволяет увеличить сетевую ёмкость и скорость передачи данных. На данном этапе обеспечивается передача данных со скоростью до 3.1 Мбит/с по направлению к абоненту и до 1.8 Мбит/с по направлению от абонента.

Поскольку прогресс не стоит на месте, разработчики оборудования уже работают над реализацией следующей фазы — 1ХEV-DO Rev B, — что позволит достигнуть следующих скоростей на одном частотном канале: 4.9 Мбит/с к абоненту и 2.4 Мбит/с от абонента. К тому же будет обеспечиваться возможность объединения нескольких частотных каналов для увеличения скорости.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищённость, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1 Вт (в импульсе). Справедливости ради отметим, что мнение о вредном влиянии излучения мобильных телефонов на организм человека учёными так и не доказано, но и не опровергнуто.В России в этом стандарте связи работает оператор Скайлинк, который изпользует дипазон частот 450 МГц.

Основная проблема заключается в том, что данный диапазон помимо России применяется еще только в 3 странах мира (Латвия, Белорусь, Казахстан), что не позволяет реализовать обширный роуминг в других странах, а также сказывается на ассортименте мобильных станций для этого диапазона.

UMTS (IMT-DS/WCDMA)

UMTS, Универсальная система мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System, УСМС) – технология сотовой связи, относящаяся к поколению 3G. Применяется модификация технологии CDMA – WCDMA (wired CDMA), использующая увеличенную ширину канала до 5 МГц, что позволяет реализовать скорость передачи данных до 2,4 Мбит/сек.

Системы WCDMA/UMTS включают усовершенствованную базовую сеть GSM и радиоинтерфейс по технологии WCDMA. Скорость передачи в радиоканале для мобильного абонента достигает 2 Мбит/с.

До недавнего времени основным фактором, определяюшим развитие мобильных коммуникаций, была традиционная передача голоса. Однако внедрение новых технологий высокоскоростной передачи данных, включая GPRS и EDGE, и эволюция к системам UMTS/WCDMA позволит операторам сотовой связи предоставлять неограниченные беспроводные мультимедиа-услуги, например, электронные открытки, просмотр Web-страниц, доступ к корпоративным сетям.

UMTS - это один из стандартов 3G, который разрабатывается под эгидой Европейского Института Стандартизации Телекоммуникаций (ETSI). Он был разработан на основе самой распространенной технологий мобильной связи GSM и имеет все перспективы стать действительно глобальным стандартом персональной мультимедиа-связи.

Согласно спецификациям стандарта, UMTS использует частоты: 1885 МГц – 2025 МГц для передачи данных в режиме «от мобильного терминала к базовой станции» и 2110 МГц – 2200 МГц для передачи данных в режиме «от станции к терминалу».

В США по причине занятости спектра частот в 1900 МГц сетями GSM выделены диапазоны 1710 МГц – 1755 МГц и 2110 МГц – 2155 МГц соответственно. Кроме того, операторы некоторых стран дополнительно эксплуатируют полосы частот 850 МГц и 1900 МГц.

Для операторов связи, уже оказывающих услуги в формате GSM, переход в формат UMTS представляется лёгким с технической точки зрения и значительно затратным одновременно: при создании сетей нового уровня сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры, но вместе с тем получение лицензий и приобретение нового оборудования для базовых станций требует значительных капитальных вложений.

Также стоит отменить, что на сегодняшний день на базе сетей UMTS активно внедряется технология HSDPA, позволяющая увеличить скорость передачи данных. Это технология высокоскоростной передачи данных по направлению «вниз», позволяющий достичь скорости передачи данных по направлению «вниз» 14 Мбит/с.

На практике пользователи почувствуют преимущества HSDPA в виде существенного улучшения качества предоставляемых услуг. Значительно возрастет скорость обмена информацией, например, при загрузке данных, доступе в Интернет и работе в корпоративных сетях.

HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) — протокол передачи данных мобильной связи 3G (третьего поколения) из семейства HSPA. Позволяет сетям oснованным на UMTS передавать данные на более высоких скоростях - практически реализованы до 42 Мбит/с. При дальнейшем совершенствовании до 337 Мбит/с для HSDPA+ в 11 релизе стандартов 3GPP. Рассматривается как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвёртого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет свыше 80 Мбит/с, практически же достижимая скорость в существующих сетях обычно не превышает 14,4 Мбит/с

HSUPA(англ. High-Speed Uplink Packet Access,) - аналогично HSDPA, технология высокоскоростной пакетной передачи данных в направлении "от абонента" представляет собой стандарт мобильной связи, позволяющий ускорить передачу данных от W-CDMA устройств конечного пользователя до базовой станции за счёт применения более совершенных методов модуляции. Теоретически стандарт HSUPA рассчитан на максимальную скорость передачи данных от абонента до 5,7 Мбит/с, позволяя, таким образом, использовать приложения третьего поколения, требующие обработки огромных потоков данных от мобильного устройства к базовой станции, например, видеоконференцсвязь.

GPP Long Term Evolution (LTE) (с англ. — долговременное развитие) — проект разработки консорциумом 3GPP стандарта усовершенствования технологий мобильной передачи данных CDMA, UMTS. Эти усовершенствования могут, например, повысить скорость, эффективность передачи данных, снизить издержки, расширить и улучшить уже оказываемые услуги, а также интегрироваться с уже существующими протоколами. Скорость передачи данных по стандарту 3GPP LTE в теории достигает 326,4 Мбит/с (демонстрационно 1 Гбит/с на оборудовании для коммерческого использования) на приём (download) и 172,8 Мбит/с на отдачу (upload); в стандарте же установлены 173 Мбит/с на приём и 58 Мбит/с на отдачу.

Стандарт LTE Advanced, под которым понимается релиз 10 и более поздние релизы LTE,утвержден МСЭ как стандарт, отвечающий всем требованиям беспроводной связи четвёртого поколения, и включен в IMT-Advanced.

Радиус действия базовой станции LTE может быть различным в зависимости от мощности и используемых частот. В оптимальном случае это порядка 5 км, но при необходимости дальность действия может составлять 30 км или даже 100 км (при достаточном возвышении антенны).

Общие принципы работы сотовых сетей. Регистрация в сети. Территориальное деление сети и handover

Основные составляющие сотовой сети — это cотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции, он налаживает связь с другой.

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Давайте же попробуем разобраться, как организованы и на каких принципах функционируют сети GSM.

Самая простая часть структурной схемы - переносной телефон, состоит из двух частей: собственно "трубки" -и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента), получаемой при заключении контракта с оператором. Сам телефон снабжен уникальным номером - IMEI (International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства), который может передаваться сети по ее запросу. SIM, в свою очередь, содержит так называемый IMSI (International Mobile Subscriber Identity - международный идентификационный номер подписчика). Думаю, разница между IMEI и IMSI ясна - IMEI соответствует конкретному телефону, а IMSI - определенному абоненту.

"Центральной нервной системой" сети является NSS (Network and Switching Subsystem - подсистема сети и коммутации), а компонент, выполняющей функции "мозга" называется MSC (Mobile services Switching Center - центр коммутации). Именно последний именуют "коммутатор", а также, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. Коммутатор в сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия с многопроцессорными компьютерными системами). Он занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинговой системы, управляет многими процедурами - проще сказать, что НЕ входит в обязанности коммутатора, чем перечислять все его функции.

Следующими по важности компонентами сети является HLR (Home Location Register - реестр собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register - реестр перемещений). HLR, грубо говоря, представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших с рассматриваемой сетью контракт. В ней хранится информация о номерах пользователей (под номерами подразумеваются, во-первых, упоминавшийся выше IMSI, а во-вторых телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных услуг и многое другое.

В отличие от HLR, который в системе один, VLR`ов может быть и несколько - каждый из них контролирует свою часть сети, например какой-то определенный район или округ города. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся на данный момент в сети на его (и только его!) территории (причем обслуживаются не только свои абоненты, но и зарегистрированные в сети роумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR, информация о нем копируется в другой VLR, а из старого удаляется.

Фактически, между тем, что есть об абоненте в HLR и в VLR много общего,но при этом есть и принципиальное отличие: в первом расположена информация обо всех подписчиках сети, независимо от их местоположения, а во втором - данные только о тех, кто находится на подведомственной этому VLR территории. В HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот VLR, который с ним сейчас работает, при этом сам VLR может принадлежать чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли.

NSS содержит еще два компонента - AuC (Authentication Center - центр авторизации) и EIR (Equipment Identity Register - реестр идентификации оборудования). Первый блок используется для процедур установления подлинности абонента, а второй, как следует из названия, отвечает за допуск к эксплуатации в сети только разрешенных сотовых телефонов.

Исполнительной, если так можно выразиться, частью сотовой сети, является BSS (Base Station Subsystem - подсистема базовых станций). Если продолжать аналогию с человеческим организмом, то эту подсистему можно назвать конечностями тела. BSS состоит из нескольких "рук" и "ног" - BSC (Base Station Controller - контроллер базовых станций), а также множества "пальцев" - BS (Base Station - базовая станция). Базовые станции можно наблюдать повсюду - в городах, полях - фактически это просто приемно-передающие устройства. Каждый BSC контролирует целую группу BS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и тому подобное. Обычно BSC в сети не один, а целое множество (базовых станций же вообще сотни).

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай - регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена).

Если сеть найдена, то по запросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны "прописки" его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом - уникальный номер конкретного подписчика. Например, начало IMSI 25099… соответствует российскому оператору Билайн. (250-Россия, 99 - Билайн). По номеру IMSI VLR определяет домашнюю сеть и связывается с ее HLR. Последний передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR, который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR, чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.

Очень интересен процесс определения подлинности абонента. При регистрации AuC домашней сети генерирует случайное число - RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации - так же как и IMSI, он содержится в SIM) и алгоритма идентификации А3 вычисляется ответ - SRES (Signed RESult) по формуле SRES = Ki * RAND. Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в AuC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES, вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC, то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI - временный номер мобильного абонента. TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия с сетью и может периодически меняться.

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI, но российские операторы в большинстве регионов не отслеживают IMEI используемых абонентами телефонов.

Но если рассматривать некую "идеальную" сеть, функционирующую так, как было задумано создателями GSM, то при получении IMEI сетью, он направляется в EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров. Белый список содержит номера санкционированных к использованию телефонов, черный список состоит из IMEI, украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации телефонов, и, наконец, серый список - "трубки" с проблемами, работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания "трубка" только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает - процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети - в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выпадении" телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BS - базовых станций (одна BS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BS объединяют в группы, получившие название LA (Location Area - области расположения). Вообще говоря, разбиение сети на LA довольно непростая инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально. Слишком мелкие LA приведут к частым перерегистрациям телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного рода сервисных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов. Если же сделать LA большими, то, в случае необходимости соединения с абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам, входящим в LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети.

Теперь рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover`ра (такое название получила смена используемого канала в процессе соединения). Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения, причем ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего.

Handover`ы принято разделять на четыре типа:

· смена каналов в пределах одной базовой станции – с одного канала на другой.

· смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под управлением того же контроллера.

· переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными контроллерами, но одним коммутатором.

· переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные контроллерами, но и коммутаторами.

В общем случае, проведение handover`а - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор, процессом смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.

Bluetooth— технология беспроводной передачи данных. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильный телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. В системе IEEE эта технология носит название 802.15.1

Связь по технологии Bluetooth устанавливается автоматически и почти мгновенно, на соединение устройств кабелем уходит больше времени. Применение средств Bluetooth, дальность действия которых, как правило, составляет около 10 м, позволяет отказаться от использования кабелей для соединения персональных электронных устройств. Например, с помощью технологии Bluetooth вы можете подключить ноутбук или карманный ПК к сотовому телефону и задействовать последний в качестве беспроводного модема.

Эта спецификация была разработана компанией Ericsson, позднее оформлена группой Special Interest Group (SIG). SIG была официально объявлена в 1999 году. Она была основана Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, а затем множество других компаний, включая Microsoft и Motorola, вступили в неё как ассоциированные члены.

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц, который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях и являлся свободным от лицензирования, обеспечивая передачу данных со скоростями до 723 Кбит/с на расстоянии до 100 м. На дальность влияет мощность передатчика, который характеризуется классом Bluetooth. На данный момент существует 3 класса Bluetooth:

1 класс – максимальная мощность до 100 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 100 м.

2 класс – максимальная мощность до 2,5 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 10 м.

3 класс – максимальная мощность до 1 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 1 м.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц)^[8][9]. В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты^[10] (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду^[7] (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint»^[7].

Спецификации

Bluetooth 1.0

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1

В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2

В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.

Главные улучшения включают следующее:

• Быстрое подключение и обнаружение.
• Адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам.
• Более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 721 кбит/с.
• Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.
• В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART.
• Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005^[11].
• Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных^[12].

Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно^[13].

Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях^[14].

Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:

• Увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях.
• Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания.
• Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1

2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0 + HS спецификация^[13] была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (асимметричная мультипроцессорная обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации^[15].

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.