בלוטות'

בלוטות' (מאנגלית: Bluetooth, בתרגום לעברית: שן כחולה, נפוץ גם: בלוטוס) הוא תקן פתוח לתקשורת רדיו (RF) שהיא שידור וקליטה של  גלי מיקרו באורכי גל קצרים יחסית בקצב נמוך ובהספק נמוך יחסית. בלוטות' משמש בעיקר לתקשורת אלחוטית במרחב האישי WPAN והוא שולב בתעשייה במוצרים רבים, כולל טלפונים ניידים, מחשבים, כלי רכב, ציוד היקפי למחשבים כמו מדפסת ומקלדת ועכבר וכן במכשור רפואי, בציוד אישי כגון שעון חכם, דיבורית, אוזניות, מוצרי בית חכמים, ציוד ספורט ומתקני כושר וכדומה. 
טכנולוגיה זו מאפשרת למשתמשים להקים רשת מקומית זמנית לפי הצורך, בין מגוון רחב של התקנים ומכשירים אלקטרוניים שונים ומאפשרת העברת שמע ונתונים בקלות. וכן מספקת מנגנון ליצירת רשת אלחוטית קצרת טווח על בסיס אד הוק הנקראת פיקונט. רשת פיקונט כוללת עד שמונה התקני בלוטות' המצויים בקרבה פיזית ומשתמשים באותו ערוץ רדיו ובסדר דילוג תדרים דומה לפי שיטת FHSS. דוגמה לכך היא הרשת האלחוטית הנוצרת בין הטלפון הנייד ואוזניית בלוטות'. רשתות בלוטת' בדרך כלל דינאמיות ומוקמות על בסיס זמני, מה שמאפשר גמישות וסקלביליות בתקשורת בין התקנים ניידים ללא צורך בשרת ייעודי או בהתקן צד שלישי.

רקע

בשנת 1994 יזמה חברת אריקסון הקמת צוות מחקר יחד עם החברות IBM, אינטל, נוקיה וטושיבה להגדרת חיבור אלחוטי שיועד להחלפת החיבור הקיים באמצעות כבלי RS-232, למשל, בין מחשב להתקנים אחרים. צוות המחקר הרחיב את מטרת הפרוטוקול לחיבור אלחוטי של רשתות קצרות טווח (למשל לחיבור טלפון סלולרי לדיבורית), ופרסם בשנת 1999 את מפרט הגרסה הראשונה בחוברת בת 1,500 עמודים. לאחר פרסום התקן, אימצה IEEE את המפרט כבסיס לתקן 802.15 ופרסמה אותו כ-IEEE 802.15.1.

מקור השם

השם בלוטות' (שמשמעותו באנגלית: שן כחולה) הוא מילה מאונגלזת מסקנדינבית של Blåtand/Blåtann, שהיה כינויו של המלך האראלד הראשון, מלך דנמרק (כחול-השן) אשר מלך על דנמרק ועל חלקים מנורווגיה במאה ה-10, ואיחד את השבטים הדניים תחת ממלכה אחת. הרעיון לשם זה הוצע בשנת 1997 על ידי ג'ים קרדך שפיתח מערכת המאפשרת לטלפונים ניידים לתקשר עם מחשבים. בזמן ההצעה הוא קרא את הספר "הספינות הארוכות" של פראנץ בנגטסון שמספר את הסיפור של האראלד הראשון. שם זה נבחר כיוון שבלוטות' מתיימרת לאחד את פרוטוקולי התקשורת לפרוטוקול בסטנדרט אחיד, בדיוק כפי שעשה האראלד הראשון.
הלוגו של בלוטות' הוא שילוב של חפיפה של האות הגלז והאות ברקנן מהאלפאבית הרוני שהן ראשי תיבות של שמו של האראלד הראשון.

Wi-Fi לעומת בלוטות'

בלוטות' ו-Wi-Fi הן טכנולוגיות דומות (שתיהן משתמשות בגלי מיקרו) ולעיתים חופפות אך שונות במספר היבטים חשובים במטרות ואופי השימוש בהן. 
בלוטות' מתאפיין בעיקר בחיבור של שניים או יותר התקנים קרובים ברשת אישית (PAN), בדגש על צריכת אנרגיה נמוכה ובקצב תעבורה נמוך של לכל היותר 25 Mbps ולכן הוא נוח לשימוש להעברת מידע בכמות מוגבלת כמו העברת שמע ממכשיר הטלפון לאוזניות. Wi-Fi הוא קישור ברמה מקומית (LAN) דרך נתב או שרת, צורך אנרגיה רבה יותר ופועל בקצב תעבורה ורוחב פס גבוהים יותר (250 Mbps). בשל כך נוח לשימוש בין היתר כאמצעי לקישור מספר מכשירים לאינטרנט ולהזרמת מדיה כמו וידאו ושמע באיכות גבוהה. 
בלוטות' הומצא בעיקר כדי להיפטר מהצורך בכבלי תקשורת ישנים כשהמרחק בין ההתקנים מאוד קצר, כעשרה מטרים, אם כי יכול להגיע לטווחים ארוכים יותר עם עלייה מתאימה בצריכת האנרגיה. עובדה זו מאפשרת הפעלת התקן בלוטות' על סוללות זעירות לפרק זמן ארוך. Wi-Fi לעומתו משדר בעוצמה רבה יותר ויכול להגיע לטווחים גדולים יותר בסדר גודל של מאות מטרים. בניגוד לתפיסה הרווחת Wi-Fi אינו חיבור לאינטרנט אלא הוא פרוטוקול תקשורת אלחוטית שיכול לחבר בין מכשירים מרוחקים, אם אחד מהם מחובר לאינטרנט עובדה זו מאפשרת שיתוף הקישור לאינטרנט בין כל ההתקנים המחוברים. כמו בלוטות' קיימת טכנולוגית Wi-Fi Direct המאפשרת לחבר בין התקנים ישירות ללא נתב או שרת.

ארכיטקטורה

הרעיון הבסיסי של בלוטות' הוא הקמת רשת אד הוק, רשת אלחוטית קצרת טווח המאפשרת חיבור קל וזריז בין התקנים הנמצאים בקרבה זה לזה ללא חיבור פיזי, מבלי צורך בעזרים כלשהם או התקני צד שלישי. כל התקן בלוטות' מכיל משדר/מקלט רדיו, יחידת בקרת קישוריות, יחידת תמיכה בניהול ותוכנה המאגדת בתוכה את פרוטוקול בלוטות' והממשקים. החיבור בין התקני בלוטות' נעשה במבנה אדון-משרת (Master-Slave), כאשר כל התקן יכול לשמש הן כאדון והן כמשרת. מפרט בלוטות' מפריד בין משימות של ה"מארח" וה"בקר". המארח אחראי על השכבות העיליות של הפרוטוקול כמו הקישור הלוגי של שכבת הקו, פרוטוקול העיבוד (L2CAP) ופרוטוקול שירות גילוי (SDP). הבקר אחראי על השכבות הנמוכות, הרדיו, איפנון, ריבוב ופרוטוקול ניהול/קישור נקודה לנקודה (PPP). פעילות הבקר מבוצעת באמצעות "מתאם בלוטות'" פנימי או חיצוני. התקשורת בין הבקר למארח נעשית לפי תקן תקשורת מעל ממשק בקר/מארח (HCI). השימוש בתקן מאפשר העברת מידע בין בקר ומארח שיוצרו על ידי יצרנים שונים. לעיתים קרובות שתי הישויות הללו מאוחדות בהתקן אחד כמו באוזניות בלוטות'. מבנה כללי של התקן בלוטות' מתואר בתרשים משמאל.

טכנולוגיה

בלוטות' פועל מעל רצועת תדרים ללא רישוי, "תעשייתית, מדעית ורפואית" הנקראת בקיצור ISM, בטווח תדרים בין 2.4000 ג'יגה־הרץ ל-2.4835 ג'יגה־הרץ, בדומה לרשת WLAN לפי תקן IEEE 802.11b/g. כדי להתגבר על הפרעות בשידור, בלוטות' מיישם טכנולוגיית רדיו שנקראת FHSS. תקן BR/EDR של בלוטות' מחולק ל-79 ערוצי רדיו שונים ברוחב פס של 1 MHz כל אחד, על ידי 1600 דילוגים (שינוי תדרים) בשנייה עבור שמע ונתונים ו-3200 דילוגים לשנייה בזמן דפדוף (page) וסריקה (scan). במשך כל זמן השידור, כל תדר בשימוש לפרק זמן מאוד קצר (625 מיקרו-שנייה), שלאחריו מתבצע דילוג לתדר אחר לפי רצף פסאודו-אקראי שנקבע מראש.
בלוטות' 4.0 בצריכת אנרגיה נמוכה פועל בטווח דומה של תדרים אך הוא מחולק ל-40 ערוצים ברוחב פס של 2 MHz כל אחד. שלושה מתוך הערוצים הללו משמשים ל"פרסום" דהיינו שידור מידע לצורך שלב החיבור. יתר הערוצים הם ערוצי מידע. ערוצים אילו בתצורת TDMA מספקים את הקישוריות הכפולה באנרגיה נמוכה המאפיינת את בלוטות' אנרגיה נמוכה. קישוריות זו מתנהלת בשיטה שבה תחילה התקן אחד משדר מידע בזמן מוגדר וקבוע מראש וההתקן השני מגיב לאחר מרווח זמן מוגדר.
תכונה חשובה של בלוטות' היא בקרת אנרגיה המאפשרת להתקני בלוטות' להתאים במשותף את רמת האנרגיה או עוצמת אות בהתאם למדידות. כל התקן בודק את רמת האנרגיה של האות המתקבל אצלו והוא יכול לבקש מההתקנים האחרים להתאים את רמת האנרגיה שלהם, כלומר להגביר או להחליש הדרגתית את עוצמת השידור. מאפיין זה נועד לחיסכון באנרגיה וכן לשמירה על מאפייני האות בטווח הרצוי. השילוב של דילוג תדרים אקראי עם בקרת אנרגיה מוסיף במידה מוגבלת לביטחון בלוטות' נגד ציתות וחדירה זדונית. אולם מחקרים מראים שתוספת הביטחון אינה משמעותית ולמעשה קל לחשוף את רצף הדילוגים של הרשת באמצעים פשוטים ויחסית זולים.
בלוטות' הבסיסי הנקרא BR קיצור של Base Rate תומך בשיטת אפנון הפועלת על שינויי תדר הגל הנושא הנקראת GFSK, כדי לשאת את המידע בקצב העברה של 1 מגה ביט לשנייה. אחרי הצגת בלוטות' 2.0 + EDR החל בלוטות' לתמוך גם בגרסאות של אפנון פאזה הנקראות π/4-DQPSK ו-8DPSK בין התקנים תומכים. המושג EDR קיצור של Enhanced Data Rate (קצב העברה משופר) משמש לתיאור המודולציות π/4-DQPSK ו- 8DPSK שתומכות קצב העברה של 2 ו-3 מגה ביט לשנייה בהתאם. השילוב של שני הסוגים הללו יחד נקרא בקיצור BR/EDR.
כל ערוץ של בלוטות' מחולק לחריצים (slots) בגודל 625 מיקרו שנייה והשידור מתבצע בשני הכיוונים באמצעות חלוקת זמן. המידע מועבר בערוץ במנות הנקראות חבילות. כל חבילה מאכלסת מחריץ אחד עד חמשה חריצים לכל היותר. פרוטוקול בלוטות' מנתב את המידע בשילוב של מיתוג מנות עם מיתוג מעגלים. אפשר להקצות עד שלושה חריצים במקביל לחבילות סינכרוניות הנושאות שמע או חבילות אסינכרוניות הנושאות נתונים או שילוב בין השניים. ערוץ אסינכרוני תומך בקצב העברה של 723.2 קילו בתים לשנייה בכיוון אחד ו-57.6 קילובתים בכיוון ההפוך או 433.9 קילובתים בשני הכיוונים באופן סימטרי. מערכת בלוטות' תומכת בקישור נקודה לנקודה בין שני צמתים בלבד או נקודה אחת לנקודות מרובות, כאשר הערוץ משותף למספר התקנים ליצירת רשת פיקונט שבה אחד ההתקנים מתנהג כאדון והוא שולט בה ועד שבעה התקנים לכל היותר מחוברים לרשת כמשרתים (למרות שלא כל המכשירים תומכים במספר זה). כל המשרתים חולקים את השעון של האדון וחילוף המנות מבוסס על השעון הבסיסי שנקבע על ידי האדון שעובד בטווחים של 312.5 מיקרו שנייה. משרתים נוספים יכולים להיות מחוברים במצב חניה שבו הם מסונכרנים עם האדון אך אינם יכולים להיות פעילים. שתי פעימות שעון מהוות חריץ נתונים אחד של 625 מיקרו שנייה, שני חריצים מהווים זוג חריצים של 1250 מיקרו שנייה, במקרה הפשוט של חבילות בחריץ אחד האדון משדר בחריץ הזוגי וקולט באי זוגי, ובהתאם המשרת משדר בחריץ האי זוגי וקולט בזוגי. חבילות יכולות להיות באורך של 1,3 או 5 חריצים אבל בכל המקרים האדון צריך להתחיל את השידור בחריצים זוגיים והמשרת צריך לשדר באי זוגיים. במהלך ההתקשרות שני מכשירים יכולים, בתיאום, להחליף תפקידים ביניהם כך שהאדון נהיה המשרת והמשרת נהיה האדון.
תקן בלוטות' מאפשר חיבור בין מספר רשתות פיקונט המצויות במצב חפיפה חלקי ליצירת רשת מפוזרת (scatternet) של בלוטות'. ברשת מפוזרת של בלוטות' התקנים רבים יכולים להתחבר למספר רשתות פיקונט בו זמנית הן כאדון והן כמשרת בשיטת ריבוב מבוססת זמן. בכל רגע נתון ניתן להעביר מידע בין האדון לבין התקן אחר כאשר האדון הוא זה שבוחר לאיזה התקן לפנות, באופן כללי האדון מחליף בין ההתקנים המחוברים אליו בתור. מכיוון שהאדון הוא זה שבוחר למי לפנות ועל המשרת רק להקשיב לכל חריץ שהוא מקבל יותר קל להיות אדון בחיבור בלוטות' מאשר להיות משרת, תקן בלוטות' אינו תומך בריבוי אדונים, לכל פיקונט חייב להיות אדון אחד וכן התקנים אינם יכולים להיות בקשר ישיר בין משרתים של פיקונטים שונים, אלא אם כן יקימו רשת פיקונט חדשה שבה אחד מהם יהיה אדון.

גרסאות

נכון לשנת 2012 פורסמו שבע גרסאות של תקן בלוטות': 1.0, 1.1, 1.2, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 4.1 ו- 4.2 ו 5.0 בכל גרסה שופרו יכולות ותוקנו היבטים שונים הנוגעים לשידור.

גרסה 1.0 ו- 1.0B

לגרסאות 1.0 ו- 1.0B היו הרבה בעיות ויצרנים התקשו להשיג תאימות בין המוצרים השונים. כמו כן שתי גרסאות אלו הכתיבו שידור חובה של כתובת רכיב בלוטות'. בתהליך החיבור (מה שלא איפשר אנונימיות ברמת הפרוטוקול), דבר זה היה מכשול משמעותי ביצירת שירותים שונים שתוכננו לשימוש בסביבת בלוטות'.

גרסה 2.0 + EDR

גרסה זו של בלוטות' שוחררה בשנת 2004, ההבדל העיקרי מגרסאות קודמות הוא ההוספה של קצב מידע מוגבר (Enhanced Data Rate - EDR) שתרם להגברת קצב השידור של המידע. הקצב הנורמלי של EDR הוא בערך 3 מגה ביט לשנייה אבל הקצב המעשי הוא 2.1 מגה ביט לשניה. EDR משתמש בשילוב של Gaussian frequency-shift keying ו- Phase-shift keying ונותך צריכת אנרגיה טובה יותר הודות להורדת מחזור הפעילות. 
הנתונים של גרסה זו פורסמו כ "Bluetooth v2.0 + EDR" מה שמרמז שהאפשרות של EDR אופציונלית. מלבד EDR נוספו שיפורים קטנים אחרים לגרסה 2.0 ומוצרים יכולים לטעון תאימות עם 2.0 מבלי לתמוך במהירויות הגבוהות יותר.

גרסה 2.1 + EDR

גרסה זו של בלוטות' אומצה על ידי ארגון SIG ב-26 ביולי 2007. היכולת החשובה ביותר בגרסה זו הייתה ההוספה של Secure Simple Pairing - SSP: יכולת זו משפרת את חוויית החיבור של מכשירי בלוטות' תוך כדי העלאת החוזק והשימוש באבטחה. 
גרסה זו מאפשרת שיפורים נוספים שונים כגון Extended Inquiry Response - EIR שמספקת מידע נוסף במהלך תהליך החיפוש כדי לאפשר סינון של מכשירים לפני החיבור אליהם ו- Sniff Subrating שמשפר את צריכת האנרגיה במצב של צריכת אנרגיה נמוכה.

גרסה 5.0

בשנת 2015 הוכרז על גרסה 5.0, כאשר חברת סמסונג התחילה להשתמש בטלפונים סלולריים גלאקסי 8s והאייפון הבא יהיה גם באותה טכנולוגיה.
אחד מהחידושים בגרסה החדשה היא אפשרות להשתמש ב-2 סוגי אוזניות בו זמנית.