Vývoj Technologie Bluetooth V Moderních Mobilních Komunikacníchˇ Zarízeníchˇ Develop of Specification of Bluetooth Technology for Mobile Communication Devices

VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikacníˇ techniky

Vývoj technologie Bluetooth v moderních mobilních komunikacníchˇ zarízeníchˇ Develop Of Specification Of Bluetooth Technology for Mobile Communication Devices

2015 Tomáš Jerga

Rád bych na tomto místˇepodˇekovalvšem, kteˇrími s prací pomohli, pˇredevšímmému vedoucímu Ing. PˇremysluMerovi, PhD. za jeho vˇecnépˇripomínkya rady. Abstrakt Tato práce si klade za cíl popsat vývoj technologie Bluetooth v moderních komunikaˇc- ních zaˇrízeních.První ˇcástpráce obsahuje struˇcnýpopis technologie Bluetooth, historii tohoto standardu, její parametry a základní vlastnosti. Ve druhé ˇcástipráce popisuje a po- rovnává jednotlivé vývojové verze technologie Bluetooth. Dále práce poskytuje pˇrehled moderních komunikaˇcníchzaˇrízeních,pˇredevšímmobilních telefon ˚u.Posledním bodem v této práci je analýza nasazování technologie Bluetooth do r ˚uznýchtechnologických ob- lastí.

Klícováˇ slova: Bluetooth, Bluetooth specifikace, bezdrátová komunikace, komunikaˇcní zaˇrízení

Abstract This thesis aims to describe the development of Bluetooth technology in modern communication devices. The first part contains a brief description of Bluetooth technology, the history of this standard, its parameters and basic properties. Second part describes and compares the development versions of Bluetooth. The work also provides an overview of modern communication devices, especially mobile phones. The last point in this work is the deployment analysis of Bluetooth technology in different technological areas.

Keywords: Bluetooth, Bluetooth specifications, wireless communication, communication devices Seznam použitých zkratek a symbol ˚u

p/4-DQPSK – p/4 rotated Differential Quaternary Phase Shift Keying - Diferenciální kvadraturní klíˇcovánífázovým posuvem pootoˇcenýmo p/4 6loWPAN – IPv6 over low power WPAN - IPv6 pˇresnízkovýkonovou WPAN 8DSPK – 8 phase Differential Quaternary Phase Shift Keying - Osmistavové di- ferenciální klíˇcovánífázovým posuvem A2DP – Advanced Audio Distribution Profile - Profil pro vylepšený pˇrenos zvuku ACL – Asynchronous Connection-Less - Asynchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenos ACL-C – ACL Control - Logický spoj pro ˇrízeníasynchronního pˇrenosu ACL-U – User Asynchronous/Isochronous - Uživatelský asynchronní/i- zochronní logický spoj ADVB – ADVertising Broadcast - Broadcastový logický pˇrenospro propagaci ADVB-C – ADVB Control - Logický spoj pro ˇrízeníspoje ADVB ADVB-U – ADVB User data - Uživatelský asynchronní logický spoj pro ADVB AES – Advanced Encryption Standard - Standard pokroˇciléhošifrování AHF – Adaptive Hopping Frequency - Adaptivní pˇreskakovánífrekvencí AM_ADDR – Active Member ADDRess - Adresa aktivního ˇclenu AMP – Alternative MAC/PHY - Alternativní MAC/PHY AMP-C – AMP Control - Logický spoj pro ˇrízeníAMP spoje AMP-U – AMP User Asynchronous/Isochronous - Uživatelský asynchronní/i- zochronní logický spoj pro AMP ARQ – Automatic Repeat reQuest - Zpˇetnávazba s automatickým opaková- ním ARQN – Automatic Request Repeat Number - Indikace potvrzení pˇrijatéhopa- ketu AR_ADDR – Access Request ADDRess - Adresa žádosti pˇrístupu ASB – Active Slave Broadcast - Broadcastový logický pˇrenospro aktivní za- ˇrízení slave ATT – ATTribute protocol - Atributový protokol AVRCP – Audio/Video Remote Control Profile - Profil pro dálkové ovládání zvuku nebo videa BD_ADDR – Bluetooth Device ADDRess - Adresa Bluetooth zaˇrízení BER – Bit Error Rate - Bitová chybovost BL – Baseband Layer - Základní vrstva BR/EDR – Basic Rate/Enhanced Data Rate - Základní ˇrídicíˇcást CAC – Channel Access Code - Pˇrístupovýkód kanálu CCM – Counter with cipher block Chaining-Message authentication code CID – Channel Identifier - Kanálový identifikátor CRC – Cyclic Redundancy Check - Cyklický redundantní souˇcet CSA – Core Specification Addenda - Dodatky pro Bluetooth specifikace CSB – Connectionless Slave Broadcast - Broadcastový logický pˇrenospro be- zespojové spojení mezi zaˇrízeními slave CTP – Cordless Telephony Profile - Profil pro bezdrátové telefony DAC – Device Access Code - Pˇrístupovýkód zaˇrízení DH – Data-High rate - DH pakety DIAC – Dedicated IAC - JednoúˇcelovýIAC DM – Data-Medium rate - DM pakety DUN – Dial-up Networking Profile - Profil pro pˇripojeník internetu DV – Data-Voice - DV pakety EDR – Enhanced Data Rate - Rozšíˇrenýdatový pˇrenos EIR – Extended Inquiry Response - Rozšíˇrenáodpovˇed’ na vyhledávací dotaz ETSI – European Telecommunications Standards Institute - Evropský ústav pro telekomunikaˇcnínormy eSCO – extended Synchronous Connection-Oriented - Rozšíˇrenýsynchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenos eSCO-S – User Extended Synchronous - Uživatelský rozšíˇrenýsynchronní lo- gický spoj EV – Enhanced-Voice - EV paket FAX – Fax Profile - Fax profil FDMA – Frequency Division Multiplex Access - Vícenásobný pˇrístups kmi- toˇctovýmdˇelením FEC – Forward Error Correction - Dopˇrednákorekce chyb FHS – Frequency Hop Synchronization - FHS paket FHSS – Frequency Hop Spread Spectrum - Metoda rozprostˇrenéhospektra s pˇreskakovánímkmitoˇct˚u FSK – Frequency Shift Keying - Klíˇcovánífrekvenˇcnímposuvem FTP – File Transfer Profile - Profil pro pˇrenossoubor ˚u GAP – Generic Access Profile - Hlavní pˇrístupovýprofil GATT – Generic ATTribute profile - Hlavní atributový profil GFSK – Gaussian Frequency Shift Keying - Gaussovo klíˇcovánífrekvenˇcním posuvem GIAC – General IAC - Všeobecný IAC GOEP – Generic Object Exchange Profile - Profil pro výmˇenudat pˇresproto- kol OBEX GPS – Global Positioning System - Globální polohovací systém HCI – Host Controller Interface - Hostitelské ˇrídicírozhraní HEC – Head Error Check - Kontrolní souˇcetzáhlaví HFP – Hands-free Profile - Profil pro hands-free HID – Human Interface Device Profile - Profil pro pˇripojení vstupních peri- férií HOGP – HID Over GATT Profile - HID pˇresGATT profil HS – High Speed - Vysoká rychlost HSP – Headset Profile - Profil pro headsety HV – High-quality Voice - HV paket IAC – Inquiry Access Code - Pˇrístupovýkód vyhledávání ICP – Intercom Profile - Profil intercom IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers - Institut pro elektro- technické a elektronické inženýrství IPSP – Internet Protocol Support Profile - Profil pro IPv6 pˇripojení ISM – Industrial, Scientific and Medical - Pr ˚umyslové,vˇedecké,zdravot- nické pásmo L2CAP – Logical Link Control and Adaptation Protocol layer - Vrstva pro ˇrízení a adaptaci spojení LAN – Local Area Network - Lokální sít’ LAP – Lower Address Part - Dolní adresní ˇcást LAP – LAN Access Profile - Profil pro vytváˇreníLAN LC – Link Control - Logický spoj pro ˇrízeníspoje LE – Low Energy - Nízká energie LE ACL – LE Asynchronous Connection - Asynchronní logický pˇrenosLE LE-C – LE Control - Logický spoj pro ˇrízeníspoje LE LE-U – User Asynchronous LE - Uživatelský asynchronní logický spoj pro LE L_CH – Logical Channel - Logický kanál LLCP – Link Layer Control Protocol - Protokol pro kontrolu základní vrstvy LLID – Link Layer ID - ID základní vrstvy LML – Link Manager Layer - Vrstva správy spojení LMP – Link Manager Protocol - Protokol správy spojení LT_ADDR – Logical Transport ADDRess - Adresa logického pˇrenosu LTE – Long Term Evolution MAC – Media Access Control - Základní vrstva AMP MAP – Message Access Profile - Profil pro zasílání zpráv MD – More Data - MD paket NAP – Non-significant Address Part - Nevýznamová ˇcástadresy NESN – nextExpectedSeqNum - Potvrzení poslední pˇrijatédatové jednotky NFC – Near Field Communication - Komunikace blízkých polí OBEX – OBject EXchange - Protokol pro výmˇenuobjekt ˚u OPP – Objective Push Profile - Profil pro výmˇenuobjekt ˚u PAL – Protocol Adaptation Layer - Vrstva pro adaptaci protokol ˚u PAN – Personal Area Network - Osobní sít’ PBD – Profile Broadcast Data - Broadcastový logický spoj pro pˇrenosCSB PDU – Protocol Data Unit - Datová jednotka PHY – PHYsical - Fyzická vrstva AMP PIM – Personal Identification Management - Správce osobních informací PIN – Personal Identification Number - Osobní identifikaˇcníkód PM_ADDR – Parked Member ADDRess - Adresa zaparkovaného ˇclenu PSB – Parked Slave Broadcast - Broadcastový logický pˇrenospro zaparko- vané zaˇrízení PSK – Phase Shift Keying - Klíˇcovánífázovým posuvem RFCOMM – Radio Frequency Communications port - Protokol pro emulaci sério- vého portu RS-232 RFU – Reserved for Future Use - Rezervováno pro budoucí použití RL – Radio Layer - Rádiová vrstva RSSI – Receiver Signal Strenght Indicator - Indikátor síly pˇrijímanéhosig- nálu SAP – SIM Access Profile - Profil pro pˇrístupuke kartˇeSIM SCO – Synchronous Connection-Oriented - Synchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenos SCO-S – User Synchronous - Uživatelský synchronní logický spoj SDP – Service Discovery Protocol - Protokol pro zjišt’ování služeb SDAP – Service DIscovery Application Profile - Profil pro zjišt’ování služeb SEQN – Sequence Number - Sekvenˇcníˇcíselnéschéma SIG – Special Interest Group - Speciální zájmová skupina SIM – Subscriber Identity Module - Úˇcastnickáidentifikaˇcníkarta SMP – Security Manager Protocol - Protokol správy bezpeˇcnosti SN – transitSeqNum - Identifikace paketu SPP – Serial Port Profile - Profil pro emulaci sériového portu SSP – Simple Security Pairing - Jednoduché bezpeˇcnépárování SYNCH – Synchronization Profile - Synchronizaˇcníprofil TCS – Telephony Control protocol Specification - Protokol pro ˇrízenítelefonie TDD – Time Division Duplex - Duplex s ˇcasovýmdˇelením TDMA – Time Division Multiplex Access - Vícenásobný pˇrístups ˇcasovýmdˇe- lením UAP – Upper Address Part - Horní adresní ˇcást UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - Univerzální asyn- chronní adaptér vysílaˇc/pˇrijímaˇc UCD – Unicast Connectionless Data - Jednosmˇernýbezespojový pˇrenosdat USB – Universal Serial Bus - Univerzální sériová sbˇernice WPAN – Wireless Personal Area Network - Bezdrátová osobní sít’ Obsah

Úvod 4

1 Technologie Bluetooth 5 1.1 Vývoj technologie Bluetooth ...... 5 1.2 Popis Bluetooth podle standardu IEEE 802.15.1 ...... 6

2 Vývojové verze Bluetooth 24 2.1 První generace Bluetooth ...... 24 2.2 Druhá generace Bluetooth ...... 25 2.3 Tˇretígenerace Bluetooth ...... 27 2.4 Ctvrtáˇ generace Bluetooth ...... 29 2.5 Používané ˇcipy ...... 38 2.6 Srovnání Bluetooth specifikací ...... 38

3 Pˇrehledkomunikaˇcníchzaˇrízenís technologií Bluetooth 40 3.1 První mobilní zaˇrízení ...... 40 3.2 Rozmach technologie Bluetooth v mobilních zaˇrízeních ...... 40 3.3 Nástup dotykových mobilních zaˇrízení ...... 41 3.4 Zaˇrízenís podporou Bluetooth Low Energy ...... 42

4 Oblasti použití technologie Bluetooth 43 4.1 Mobilní telefony ...... 43 4.2 Poˇcítaˇce,tablety, domácí elektronika ...... 43 4.3 Automobilový pr ˚umysl ...... 44 4.4 Zdravotnictví ...... 45 4.5 Chytrý domov ...... 45 4.6 Další vývoj technologie Bluetooth ...... 46

Závˇer 47

Seznam literatury 48 2

Seznam tabulek

1.1 Výkonové tˇrídyBluetooth ...... 9 2.1 Pˇríkladyˇcip˚uBluetooth [20] ...... 39 2.2 Srovnání specifikací ...... 39 3.1 Vybraná zaˇrízenís první generací Bluetooth ...... 40 3.2 Vybraná mobilní zaˇrízeníz let 2005 a 2006 ...... 41 3.3 Vybraná dotyková zaˇrízenídruhé a tˇretígenerace ...... 41 3.4 Zaˇrízenís profily pro Bluetooth Low Energy ...... 42 4.1 Pˇríkladyzaˇrízenípoužívané ve zdravotnictví [28] ...... 45 4.2 Pˇríkladyzaˇrízenípoužívané pro ekosystém chytrého domova [28] . . . . . 45 3

Seznam obrázk ˚u

1.1 Ukázka loga Bluetooth [27] ...... 5 1.2 Architektura technologie Bluetooth ...... 6 1.3 Vrstvový model pro pˇrenosdat ...... 7 1.4 Modulace GFSK [2] ...... 8 1.5 Topologie sítí v technologii Bluetooth ...... 10 1.6 Bluetooth adresa ...... 10 1.7 Vysílání paket ˚uv Bluetooth [8] ...... 11 1.8 Vysílání víceslotových paket ˚uv Bluetooth [8] ...... 11 1.9 Formát paketu Bluetooth ...... 14 1.10 Struktura záhlaví paketu Bluetooth ...... 15 1.11 Režimy zaˇrízeníBluetooth [9] ...... 18 1.12 Formát paketu LMP ...... 19 1.13 Komunikaci mezi Bluetooth jednotkami na protokolu L2CAP [9] . . . . . 20 2.1 Formát paketu použitý ve druhé generaci Bluetooth ...... 25 2.2 Vrstvy AMP ˇrídicíˇcástive srovnání s BR/EDR ...... 28 2.3 Architektura Bluetooth LE ...... 32 2.4 Formát paketu Bluetooth LE ...... 32 2.5 Záhlaví propagaˇcníhopaketu ...... 33 2.6 Záhlaví datového paketu ...... 34 2.7 Pˇríkladspojení zaˇrízeníve specifikaci 4.1 ...... 37 4

Úvod

Cílem mé práce je seznámit ˇctenáˇres jednou z nejrozšíˇrenˇejšíchtechnologií pro bezdráto- vou komunikaci na krátkou vzdálenost Bluetooth. Tato technologie se využívá v miliar- dách zaˇrízeníchpo celém svˇetˇea každým dnem pˇribývajístatisíce dalších. M ˚užemetedy ˇríct,že její d ˚uležitosta vliv na náš život roste stále více. Bluetooth se používá zejména pro komunikaci a pˇrenosudat mezi dvˇema,ˇcinˇekolikazaˇrízeními,mezi nichž lze zaˇraditna- pˇríkladmobilní telefony, tablety, osobní poˇcítaˇcenebo tiskárny. Bˇehemposledních let se pak Bluetooth zaˇcalve velkém množství implementovat do domácích spotˇrebiˇc˚u,aut nebo napˇríkladchytrých hodinek a umožˇnujetak bezdrátovou komunikaci mezi tˇemito pˇrístroji a osobními zaˇrízeními.Technologie Bluetooth má také široké využití zejména v lékaˇrskýchodvˇetvícha zaˇrízeních.Velkou výhodou této technologie je její nízká energe- tická nároˇcnost,která umožˇnujeimplementovat Bluetooth do zaˇrízeníse zanedbatelným výkonem. Další výhodou je pak nízká cena a hlavnˇenahrazuje propojení kabely na krát- kou vzdálenost uživatelsky pˇrínosnˇejšímbezdrátovým pˇrenosem. Ve vlastním textu bakaláˇrsképráce nejdˇrívenapíšu struˇcnoucharakteristiku technologie Bluetooth, její historii, hlavní parametry a základní vlastnosti. V následující kapitole popíšu jednotlivé vývojové verze standardu Bluetooth, jejich parametry, zmˇenyv jejich architektuˇre,rozsah funkcí apod. Tyto verze porovnám a srovnám jejich výhody a nevýhody oproti ostatním. Ve tˇretíkapitole se budu zabývat pˇrehledemmoderních ko- munikaˇcníchzaˇrízeníchvyužívající tuto technologii. Zde se budu hlavnˇesoustˇreditna mobilní telefony. Vždy vyberu nejpoužívanˇejšímobily dané generace a vypíši nejvíce používané funkce každé generace Bluetooth. Souˇcástíkapitoly bude vždy tabulka srov- návající jednotlivé modely r ˚uznýchvýrobc ˚ua jejich nejpoužívanˇejšíBluetooth profily. Poslední kapitola se bude vˇenovatpopisu r ˚uznýchodvˇetvích,kde se Bluetooth využívá. Jedná se pˇredevšímo mobilní pˇrístroje, poˇcítaˇcea jejich periférie, automobilový nebo lékaˇrskýpr ˚umysl.Poslední ˇcástíkapitoly je krátké nahlédnutí na možnou budoucnost tohoto standardu. 5

1 Technologie Bluetooth

Bluetooth je otevˇrenýtechnologický standard pro bezdrátovou komunikaci na krátké vzdálenosti. Technologie patˇrímezi bezdrátové osobní sítˇes krátkým dosahem WPAN (Wireless Personal Area Network) a popisuje ji standard IEEE 802.15.1 (Institute of Electri- cal and Electronics Engineers). V dnešní dobˇeje tato technologie nasazována do naprosté vˇetšinymoderních komunikaˇcníchzaˇrízení.Její velkou výhodou je nízká cena, snadná implementace a nízká spotˇreba.Na rozdíl od infraˇcervenéhopˇrenosudat není potˇreba pˇríméviditelnosti mezi zaˇrízeními.Další významnou vlastností je schopnost souˇcasnˇe zpracovávat data i hlasový pˇrenos.[1, 2]

1.1 Vývoj technologie Bluetooth V roce 1994 zaˇcalašvédská firma Ericsson pracovat na vývoji technologie Bluetooth. V roce 1998 byla založena nezisková skupina Bluetooth SIG (Special Interest Group), která od té doby publikuje specifikace, stará se o propagaci a ochranu obchodní znaˇckyBluetooth⃝R . Tato skupina byla založena firmami IBM, Toshiba, Nokia, Ericsson a Intel. První verzi specifikace 1.0 pˇredstavilaskupina Bluetooth SIG v ˇcervenciroku 1999 a první výrobky s Bluetooth verze 1.0 pˇrišlyna trh v roce 2000. Ke skupinˇese mezitím pˇridalifirmy 3Com, Lucent Technologies, Microsoft a Moto- rola. Hlavním sídlem skupiny je Kirkland v americkém státˇeWashington. Další poboˇcky se nacházejí v Soulu, Pekingu, Tokiu a Malmö. Dnes má tato skupina více než 24000 ˇclen˚u,a to zejména firmami z oblasti výpoˇcetnítechniky a telekomunikací. Svými ˇcas- tými aktualizacemi standardu Bluetooth udržuje tuto technologii mezi nejpoužívanˇejšími technologii pro pˇrenosdat na krátkou vzdálenost. [3, 4]

Obrázek 1.1: Ukázka loga Bluetooth [27]

1.1.1 Historie názvu

Název této technologie pochází z vikingské historie. Harald Modrozub (anglicky „Blueto- oth“) byl dánským králem v letech 940-981. Byl znám svými výbornými diplomatickými dovednostmi, díky kterým pˇresvˇedˇcilznepˇrátelenékmeny, aby spolu zaˇcalykomuniko- vat a ukonˇcilyroky neshod. Stejnˇejako král Harald i technologie Bluetooth se snaží o usnadnˇenívzájemné komunikace mezi lidmi. [2, 5] 6

1.2 Popis Bluetooth podle standardu IEEE 802.15.1 V následujících kapitolách se nachází popis jádra a jednotlivých vrstev technologie Blu- etooth. Tento popis vychází ze specifikace IEEE 802.15.1-2005, ˇcili Bluetooth specifikace 1.2.

1.2.1 Jádro technologie Bluetooth

Jádro technologie Bluetooth tvoˇrí ˇctyˇrinejnižší vrstvy a protokoly definované každou specifikací. Dále obsahuje protokol pro zjišt’ování služeb SDP(Service Discovery Protocol) a pˇrístupový profil GAPGeneric ( Access Profile). Kompletní Bluetooth aplikace pak obsahuje další služby a protokoly vyšších vrstev definované v dané specifikaci. Nejnižší tˇrivrstvy se nazývají Bluetooth Controller, neboli ˇrídicí ˇcást. Rídicíˇ ˇcástse skládá z:

• rádiového rozhraní RL (Radio Layer) – je zde definované frekvenˇcnípásmo a je zod- povˇednýza vysílání a pˇrijímánípaket ˚u,

• základní vrstvy BL (Baseband Layer) – zde se sestavují pakety a pˇredávajíse rádio- vému rozhraní,

• vrstvy správy spojení LML (Link Manager Layer) – souˇcástívrstvy je protokol správy spojení LMP (Link Manager Protocol), jehož úˇcelemje sestavení, udržování a zrušení spojení.

Obrázek 1.2: Architektura technologie Bluetooth

Rídicíˇ ˇcástje pak spojena pˇreshostitelské ˇrídícírozhraní HCI (Host Controller Inter- face) k vyšší vrstvˇeˇrízenía adaptaci spojení L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol layer), která se používá k propojení základní vrstvy v ˇrídicíˇcástis protokoly na 7 vyšších vrstvách, jako je napˇríkladSDP. Protokoly a ovladaˇcena vyšších vrstvách vˇcetnˇe L2CAP se pak souhrnnˇeoznaˇcujíjako hostitelská ˇcást Bluetooth Host. Popis architektury Bluetooth se nachází na obrázku 1.2. [2, 4]

1.2.2 Vrstvový model prenosuˇ dat

Vrstvový model pro pˇrenosdat se rozdˇelujena pˇetˇcástí:fyzický kanál, fyzický spoj, lo- gický pˇrenos,logický spoj a L2CAP kanál. Toto rozdˇeleníumožˇnujeefektivnˇejipopsat pˇrenosdat na základní vrstvˇe.Souhrnnˇese toto nazývá jako vrstvový model pˇrenosu dat, který zahrnuje fyzickou, logickou a L2CAP vrstvu, viz obrázek 1.3. Vrstvový model tak kopíruje architekturu Bluetooth z hlediska pˇrenosudat. Podrobnˇejšípopis jednotli- vých ˇcástínásleduje v dalších kapitolách.

Obrázek 1.3: Vrstvový model pro pˇrenosdat

1.2.3 Rádiové rozhraní

Bluetooth na fyzické vrstvˇepracuje v bezlicenˇcnímISM (Industrial, Scientific and Medical) frekvenˇcnímpásmu 2,4 GHz. Celý rozsah frekvenˇcníhopásma se nachází na frekvencích 2,400 až 2,4835 GHz. Takovýto rozsah se nepoužívá ve všech zemích, napˇríkladve Francii je to 2,4465 až 2,4835 GHz. Toto pásmo je rozdˇelenona 79 subkanál ˚use šíˇrkoupásma 1 MHz. V tomto frekvenˇcnímpásmu se zároveˇnnachází dvˇeochranná pásma:

• dolní ochranné pásmo, jehož šíˇrkaje 2 MHz,

• horní ochranné pásmo, jehož šíˇrkaje 3,5 MHz.

Bluetooth pro pˇrenosdat používá vždy stejné frekvenˇcnípásmo. Data se pˇrenášejí pomocí paket ˚u,které jsou umístˇenyv tzv. ˇcasovýchslotech. Jeden ˇcasovýslot trvá 625 ms. Pro plnˇeduplexní pˇrenosdat se používá ˇcasovýduplex TDD (Time Division Duplex). [1] 8

1.2.3.1 Použité modulace

Na frekvenci 2,4 GHz pracují kromˇeBluetooth také wi-fi nebo mikrovlnné trouby. Aby se pˇredešlo nežádoucímu rušení pˇri komunikaci mezi zaˇrízeními, využívá Bluetooth metodu rozprostˇrenéhospektra s pˇreskakovánímkmitoˇct˚uFHSS (Frequency Hop Spread Spectrum). Použitím tohoto systému je tak zajištˇenalepší kvalita spojení mezi jednotli- vými zaˇrízeními.Signál mezi jednotlivými frekvencemi pˇreskakuje1600 za sekundu, a to mezi všemi 79 subkanály. Vedle metody rozprostˇrenéhospektra s kmitoˇctovýmipˇreskokyFHSS používá technologie Bluetooth pro pˇrenosdat Gaussovu modulaci GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Je to typ FSK (Frequency Shift Keying) modulace, kde je modulovaný signál tvaro- ván do podoby Gaussovy kˇrivky. Modulace GFSK je dvoustavová a její modulaˇcnírych- lost je rovna 1 MBd. Binární jedniˇckupˇredstavujekladná odchylka a binární nula je re- prezentována zápornou odchylkou, viz obrázek 1.4. Frekvenˇcnímodulace se u Bluetooth používají pˇredevšímkv ˚ulisvé vysoké bezpeˇcnostia odolnosti proti rušení. [1, 2, 6]

Obrázek 1.4: Modulace GFSK [2]

1.2.3.2 Výkonové trídyˇ

Standard Bluetooth definuje tˇrivýkonové tˇrídy, které se rozdˇelujípodle vstupního vý- konu vysílací antény. Nejˇcastˇejise používá tˇrída2 do 10 metr ˚u.Rozdˇelenítˇrídm ˚užete vidˇetv tabulce 1.1. [1]

1.2.3.3 Úrovneˇ citlivosti

Minimální citlivost Bluetooth pˇrijímaˇceje nastavena na -70 dBm. Pˇritéto citlivosti se nesmí pˇrekroˇcithodnota chybovosti BER (Bit Error Rate) 0,1%. Maximální hodnotou cit- 9

Výkonová Maximální Nominální Minimální Dosah tˇrída vstupní výkon vstupní výkon vstupní výkon 1 100 mW (20 dBm) N/A 1 mW (0 dBm) do 100 m 2 2,5 mW (4 dBm) 1 mW (0 dBm) 0,25 mW (-6 dBm) do 10 m 3 1 mW (0 dBm) N/A N/A do 1 m

Tabulka 1.1: Výkonové tˇrídyBluetooth livost je pak -20 dBm. I zde musí být hodnota BER 0,1% nebo nižší. Ve specifikaci 1.1 zde pˇribylaindikace síly pˇrijímanéhosignálu RSSI (Receiver Signal Strenght Indicator). Tento prvek obsluhuje protokol správy spoje LMP a zajistí, že vysílací strana m ˚užev pˇrípadˇe potˇrebymˇenitvýkonovou úroveˇnu pˇrijímacíhozaˇrízení.[1]

1.2.4 Základní vrstva

Hlavní ˇcinnostítéto vrstvy je sestavení paket ˚ua následné pˇreposlánírádiovému roz- hraní. Základní vrstva definuje topologii sítˇe,fyzické kanály, fyzické spoje, logické ka- nály, logické spoje, typy paket ˚unebo provozní stavy jednotlivých Bluetooth zaˇrízení.

1.2.4.1 Topologie sítí

Technologie Bluetooth je založena na nahodilém seskupení zaˇrízení,tzv. ad-hoc. Jednot- livá zaˇrízenímezi sebou m ˚užoutvoˇrittopologii bod – bod nebo bod – více bod ˚u,viz obrázek 1.5. Takovéto sítˇe,které sdílejí sv ˚ujfyzický kanál, se nazývají pikosítˇemi(piconet). Pokud se sít’ vytvoˇríz nˇekolikapikosítí, mluvíme o rozprostˇrenésíti (scatternet). Zaˇrízeníse mohou od sítˇekdykoliv pˇripojitnebo odpojit. [6] V pikosíti je jedno zaˇrízenívždy urˇcenojako tzv. master, tedy je nadˇrazenovšem ostat- ním. Podˇrízenézaˇrízeníse nazývají slave. Každé zaˇrízenív pikosít’i má 3 bitovou adresu logického pˇrenosuLT_ADDR (Logical Transport ADDRess), která limituje poˇcetzaˇrízenív jedné pikosíti na 8. V pikosíti tak m ˚užebýt nanejvýš 7 slave. Zaˇrízení slave vždy komunikuje pouze s master. Pokud chce slave komunikovat s jinými podˇrízenýmizaˇrízeními, probíhá komunikace opˇetpˇreszaˇrízení master. Rídicíˇ zaˇrízení master také synchronizuje, pˇridˇelujesekvenci pˇreskok˚umezi kmitoˇctya díky systému mnohonásobného pˇrístupu s ˇcasovýmdˇelenímTDMA (Time Division Multiplex Access) alokuje ˇcasovésloty jednotli- vým zaˇrízením slave. [4, 6] Sít’ scatternet se skládá z nˇekolikapikosítí. Jednotlivé zaˇrízenítak mohou patˇritna- pˇríkladdo dvou, ˇcinˇekolikapikosítí, v jedné se m ˚užezaˇrízeníjevit jako slave a ve druhé jako master. Jedno zaˇrízenívšak m ˚užebýt oznaˇcenojako master pouze pro jednu pikosít’.

1.2.4.2 Bluetooth adresování

Každý pˇrijímaˇcBluetooth má svou unikátní Bluetooth adresu BD_ADDR (Bluetooth De- vice ADDRess) o velikosti 48 bit ˚u,viz obrázek 1.6. Ta se dále skládá ze tˇríˇcástí: 10

Obrázek 1.5: Topologie sítí v technologii Bluetooth

• pole LAP (Lower Address Part) – dolní adresní ˇcásto velikosti 24 bit ˚u,z nˇehožse vytvoˇrípˇrístupovýkód nebo sekvence pˇreskok˚u,

• pole UAP (Upper Address Part) – horní adresní ˇcásto velikosti 8 bit ˚u,který se pou- žívá pro šifrování, kontrolu dat a vytváˇrí,stejnˇejako LAP, sekvenci pˇreskok˚u,

• pole NAP (Non-significant Address Part) – nevýznamová ˇcásto velikosti 16 bit ˚u, který slouží k odlišení Bluetooth zaˇrízeníod jednotlivých výrobc ˚u.

Obrázek 1.6: Bluetooth adresa

Dále má každé zaˇrízeníadresu aktivního ˇclenuAM_ADDR (Active Member ADDRess), která byla v pozdˇejší specifikaci nahrazena adresou logického pˇrenosuLT_ADDR, aad- resu zaparkovaného ˇclenuPM_ADDR (Parked Member ADDRess), které mají velikost 3 a 8 bit ˚ua používají se pro adresaci zaˇrízení,které je v pikosíti aktivní nebo v zaparkovaném stavu. [1, 4] 11

1.2.4.3 Fyzický kanál

Kanál je reprezentován pseudonáhodnou posloupností frekvenˇcníchskok ˚upˇres79 rá- diových subkanál ˚u.Pro každou pikosít’ je tato sekvence unikátní. Je urˇcenaadresou BD_ADDR nadˇrazenéhozaˇrízení master a jejími vnitˇrnímihodinami Bluetooth Clock. Rych- lost pˇreskok˚umezi kanály je 1600 za sekundu. Každý kanál je rozˇclenˇendo ˇcasovýchúsek ˚u(slot ˚u),kde každý úsek odpovídá jed- nomu kanálovému pˇreskoku.Délka tohoto slotu je 625 ms. Sloty se ˇcíslujípodle vnitˇrních hodin nadˇrízenéhozaˇrízení(0 − 227−1). V tˇechtoslotech lze mezi zaˇrízeními master a slave pˇrenášetdata. Obousmˇernákomunikace se vytvoˇrídíky ˇcasovémudˇelícímudu- plexu TDD. Master zaˇrízenívysílá vždy v sudých úsecích, slave v lichých. Maximální doba trvání jednoho paketu je 366 ms, zbylých 259 ms je vyhrazeno pro zmˇenufrekvence. Paket lze poslat i pˇresnˇekolikˇcasovýchúsek ˚u,a to jako jednoslotový, tˇríslotovýnebo pˇetislotovýpaket. Princip vysílání paket ˚ulze vidˇetna obrázku 1.7 a obrázku 1.8. [1, 7]

Obrázek 1.7: Vysílání paket ˚uv Bluetooth [8]

Obrázek 1.8: Vysílání víceslotových paket ˚uv Bluetooth [8]

Ve standardu Bluetooth existují ˇctyˇrifyzické kanály: 12

• Základní fyzický kanál pikosítˇe(Basic Piconet Physical Channel) – pokud se zaˇrízení dostanou do pˇripojenéhorežimu, automaticky se používá základní kanál pikosítˇe.

• Adaptivní fyzický kanál pikosítˇe(Adapted Piconet Physical Channel) – používá AHF (Adaptive Hopping Frequency) pˇreskakování,které lépe chrání pˇrenosdat v ˚uˇciinter- ferencím. Rozdílem mezi AHF a základním systémem pˇreskakovánífrekvencí je v tom, že AHF m ˚užepoužívat ménˇenež 79 frekvencí. To u základního fyzického kanálu není možné.

• Fyzický kanál pro vyhledávání (Inquiry Scan Physical Channel) – na tomto kanálu m ˚užezaˇrízenívyhledávat ostatní zaˇrízeníBluetooth. Tento kanál používá pˇreska- kovací frekvence pomalejší než u základního fyzického kanálu.

• Fyzický kanál pro pˇripojení(Page Scan Physical Channel) – fyzický kanál používaný pro pˇripojenídvou zaˇrízeníBluetooth k sobˇe.

1.2.4.4 Fyzický spoj

Fyzický spoj se stará o spojení mezi jednotlivými zaˇrízeními.Mezi jeho vlastnosti patˇrí napˇríkladˇrízenívýkonu mezi zaˇrízeními,dohled spoje, zajišt’uje kódování, zmˇenarych- losti pˇrenosudat v závislosti na kvalitˇespojení atd. Fyzický spoj je úzce spojený s funkcí fyzického kanálu. Souˇcástítéto podvrstvy jsou dvˇeentity pojmenované jako aktivní fyzický spoj (Active Physical Link) a zaparkovaný fyzický spoj (Parked Physical Link). [1]

1.2.4.5 Logický prenosˇ

Na podvrstvˇelogického pˇrenosum ˚užebýt sestaveno mezi zaˇrízeními master a slave nˇe- kolik kanál ˚ulogického pˇrenosu.Mezi tyto kanály patˇrí:[1]

• Synchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenosSCO (Synchronous Connection-Oriented) - symetrické bod-bod spojení mezi zaˇrízeními master a slave. SCO používá rezervo- vané ˇcasovésloty v pˇresnýchintervalech, takže jej lze považovat za spojení zalo- ženým na principu pˇrepojovánímkanál ˚u.Typicky se používá pro pˇrenoshlasu. Master m ˚uževytvoˇritaž tˇriSCO spojení mezi jedním nebo více slave. Zaˇrízení slave m ˚užebýt spojen tˇremiSCO spojeními z jednoho master nebo dvˇemaspojeními z r ˚uznýchzaˇrízeních master. Pakety SCO se nikdy nepˇreposílávají.

• Rozšíˇrenýsynchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenoseSCO (extended Synchro- nous Connection-Oriented) - má podobnou strukturu jako SCO, ale jeho výhodou je možnost pˇreposláníchybného paketu.

• Asynchronní spojovˇeorientovaný logický pˇrenosACL (Asynchronous Connection- Less) - kanál je založen na principu pˇrepojovánípaket ˚u.ACL spojení lze vytvoˇrit mezi zaˇrízením master a všemi aktivními zaˇrízeními slave v pikosíti. Mezi dvˇema 13

zaˇrízenímilze vytvoˇritpouze jedno ACL spojení. Pro vˇetšinuACL paket ˚uje zajiš- tˇenopˇreposíláníz d ˚uvod˚uzajištˇeníintegrity dat. Pokud ACL paket není adresován specifickému zaˇrízení slave, je považován za broadcast paket a je pˇreposlánvšem ak- tivním slave v pikosíti. Pokud v paketu nejsou žádná data, pˇrenosmezi zaˇrízeními v ˚ubecneprobˇehne.

• Broadcastový logický pˇrenos pro aktivní zaˇrízení slave ASB (Active Slave Broadcast) - umožˇnujepˇrenosdat mezi master a všemi aktivními slave v dané pikosíti. ASB m ˚užebýt použit mezi zaˇrízenímiv tzv. kanálové skupinˇevrstvy L2CAP.

• Broadcastový logický pˇrenospro zaparkované zaˇrízení slave PSB (Parked Slave Broad- cast) - umožˇnujepˇrenosdat mezi master a zaparkovanými slave v pikosíti.

1.2.4.6 Logické spoje

Logické spoje se starají o správu a ˇrízeníspojení nebo pˇrenosasynchronních, izochron- ních a synchronních uživatelských dat. Standard definuje pˇetlogických spoj ˚u:[1]

• Logický spoj pro ˇrízeníspoje LC (Link Control) – je namapován na záhlaví paketu. Je pˇrenášenna všech paketech, kromˇeID paketu, který je bez záhlaví. Kanál pˇrenáší informace o ˇrízenítoku nebo informaci ARQ (Automatic Repeat reQuest).

• Logický spoj pro ˇrízeníasynchronního pˇrenosuACL-C (ACL Control) – na tomto logickém spoji se pˇrenášíˇrídicíinformace mezi vrstvami pro správu spoje LML. M ˚užebýt nesen ACL i SCO pˇrenosem.

• Uživatelský asynchronní/izochronní logický spoj ACL-U (User Asynchronous/Isochro- nous) – pˇrenášíasynchronní a izochronní uživatelská data vrstvy L2CAP.

• Uživatelský synchronní logický spoj SCO-S (User Synchronous) – pˇrenášísynchronní uživatelská data.

• Uživatelský rozšíˇrenýsynchronní logický spoj eSCO-S (User Extended Synchronous) – pˇrenášírozšíˇrenásynchronní uživatelská data.

1.2.4.7 Formát paketu

Data jsou pˇrenášenyve formˇepaketu. Každý paket se skládá z pˇrístupovéhokódu o velikosti 72 bit ˚u,záhlaví o velikosti 54 bit ˚ua informaˇcníhopole, který má velikost v rozmezí 0 až 2745 bit ˚u,viz obrázek 1.9. Jednotlivé pakety m ˚užoubýt složeny i ve zkrácené po- dobˇe.Mohou se skládat pouze z pˇrístupovéhokódu nebo z pˇrístupovéhokódu a záhlaví. 14

Obrázek 1.9: Formát paketu Bluetooth

1.2.4.8 Prístupovýˇ kód

Každý paket zaˇcínápˇrístupovýmkódem. Používá se pro synchronizaci, kompenzaci stej- nosmˇernésložky a identifikaci. Je vytvoˇrenz adresy LAP a identifikuje všechny pakety posílané v dané pikosíti. Používá se také ve vyhledávacím a pˇripojovacímrežimu. V tˇechtopˇrípadechje pˇrístupovýkód použit jako signalizaˇcnízpráva. Mohou být tˇridruhy pˇrístupovýchkód ˚u:

• pˇrístupovýkód kanálu CAC (Channel Access Code), který se používá pro identifiko- vání pikosítˇe,

• pˇrístupovýkód zaˇrízeníDAC (Device Access Code), který se používá pro signalizaˇcní procesy,

• pˇrístupovýkód dotazování IAC (Inquiry Access Code), který se používá pˇrivyhle- dávání ostatních zaˇrízení.

Pˇrístupovýkód IAC se ještˇedˇelína všeobecný GIAC (General IAC), který vyhledává všechny dostupné Bluetooth zaˇrízení,a jednoúˇcelovýDIAC (Dedicated IAC), který se po- užívá pˇrivyhledávání zaˇrízenís urˇcitoucharakteristikou. [1]

1.2.4.9 Záhlaví

Záhlaví obsahuje informace pro ˇrízení a spojení. Délka záhlaví je 18 bit ˚u,ale díky zabez- peˇceníFEC 1/3 (Forward Error Correction) záhlaví tˇrikrátzvˇetšísvou velikost na 54 bit ˚u. Skládá se z 6 polí:

• Adresa aktivního ˇclenuAM_ADDR, která jednoznaˇcnˇereprezentuje zaˇrízení slave v dané pikosíti. Všechny pakety poslané mezi master a slave mají stejnou adresu AM_ADDR. Pokud se zaˇrízení slave odpojí a znovu pˇripojíve stejné pikosíti, bude mít jinou adresu.

• Kód TYPE, jehož velikost je 4 bity a rozlišuje, který typ paketu je pro pˇrenospoužit.

• Kód FLOW je jednobitový a jeho úlohou je ˇrízenítoku pˇresspoj ACL.

• Indikace ARQN (Automatic Request Repeat Number) slouží jako potvrzení úspˇešného doruˇcenípaketu, který je zabezpeˇcencyklickým kódem CRC (Cyclic Redundancy Check), vysílaˇci.Využívá se zde rozhodovací zpˇetnávazby ARQ. 15

• SEQN (Sequence Number) poskytuje sekvenˇcníˇcíselnéschéma proudu paket ˚u. • HEC (Head Error Check) je osmibitové kontrolní slovo, které obsahuje každé záhlaví. Toto slovo kontroluje integritu celého záhlaví.

Schéma záhlaví paketu je znázornˇenona obrázku 1.10. [1, 7]

Obrázek 1.10: Struktura záhlaví paketu Bluetooth

1.2.4.10 Informacníˇ pole

V informaˇcnímpoli se rozlišují dva formáty: [1, 7]

• Hlasové pole, který se používá pro pakety spojení SCO a má konstantní délku 240 bit ˚upro pakety HV (High-quality Voice) a 80 bit ˚upro pakety typu DV (Data-Voice). • Datové pole, který se používá pro pakety spojení ACL a skládá se ze tˇríˇcástí:zá- hlaví informaˇcníhopole, tˇelainformaˇcníhopole a CRC souˇctu,který je volitelný. Záhlaví informaˇcníhopole specifikuje logický kanál L_CH (Logical Channel), ˇrídí tok logického kanálu pomocí kódu FLOW a obsahuje indikátor délky informaˇc- ního pole (velký 5 nebo 9 bit ˚u,a to podle délky záhlaví). Tˇeloinformaˇcníhopole obsahuje samotná data, informace o uživateli a urˇcujeefektivní uživatelskou pro- pustnost. CRC kód je sestaven velmi podobnˇejako HEC kód v záhlaví celého paketu.

1.2.4.11 Typy paket ˚u

Pakety v pikosíti jsou svázány s kanálem logického pˇrenosu,pˇreskterý jsou posílány. Paket ˚u,které pˇrenášejíužiteˇcnéinformace je celkem 15. Pakety se dˇelído ˇctyˇrsegment ˚u.První segment obsahuje ˇctyˇrikontrolní pakety ur- ˇcenépro oba typy spoj ˚u.Druhý segment je pro pakety, které používají jeden ˇcasovýslot. Zde je definováno sedm paket ˚u.Tˇretísegment je pro pakety, které používají tˇriˇcasové sloty. Jsou definovány ˇctyˇritypy paket ˚u.Poslední segment je pro pakety používající pˇet ˇcasovýchslot ˚upro sv ˚ujpˇrenos.Obsahuje dvojici tˇechtopaket ˚u. Mezi kontrolní pakety patˇrí:[1]

• ID paket – tento typ paketu není do pˇrehleduzahrnut. Má fixní délku 68 bit ˚u.Pou- žívá se ve vyhledávacím, pˇripojovacíma odpovídacím režimu. • NULL paket – nemá žádné informaˇcnípole. Má délku 126 bit ˚ua je použit pˇripˇre- nosu informace o potvrzení doruˇcenípaketu vysílaˇcinebo stavu vyrovnávací pa- mˇeti. 16

• POLL paket – je stejný jako NULL paket, ale pˇripˇrijetítohoto paketu musí druhé zaˇrízeníodpovˇedˇet.

• FHS paket (Frequency Hop Synchronization) – celková délka paketu je 240 bit ˚ua pˇre- náší se v nˇemadresa zaˇrízeníBD_ADDR a stav vnitˇrníchBluetooth hodin. Používá se ve vyhledávacím, pˇripojovacímrežimu a výmˇenˇe master a slave zaˇrízení.Dále je použit napˇríkladpro synchronizaci frekvenˇcníchskok ˚u.

• DM1 paket (Data-Medium rate) – podporuje pˇrenoskontrolních zpráv a m ˚užepˇre- nášet i uživatelská data.

SCO pakety se vyznaˇcujítím, že nemají zabezpeˇceníCRC kódem a v pˇrípadˇenepˇri- jatého paketu se zpˇetnˇeneposílají. Mezi tyto pakety patˇrí:[1]

• HV1, HV2, HV3 paket – velikost paketu je 10, 20 a 30 bajt ˚u.Velikost informaˇcního pole je u všech paket ˚u240 bit ˚ua pˇrenosovárychlost je 64 kbit/s. Jsou to pakety, které pˇrenášejíhlasové informace a liší se ve velikosti a délce záznamu pˇrenášené ˇreˇci.

• DV paket – kombinace hlasového a datového paketu. Hlasové a datové informaˇcní pole se zpracovávají zvlášt’. Hlas se zpracovává synchronnˇe,data mají zabezpeˇcení CRC kódem a v pˇrípadˇepotˇrebymohou být znovu pˇrenesena.

eSCO pakety obsahují zabezpeˇceníCRC kódem a je možné je opˇetovnˇeposlat pˇri chybném doruˇcení.Zde patˇrí:[1]

• EV3 paket (Enhanced-Voice) – m ˚uženabývat velikosti až 30 bajt ˚ua pˇrenášíse v jednom ˇcasovémslotu.

• EV4 paket – m ˚uženabývat velikosti až 120 bajt ˚u,pˇrenášíse ve tˇrechˇcasovýchslo- tech a je zabezpeˇcendopˇrednouochranou 2/3 FEC.

• EV5 paket – m ˚uženabývat velikosti až 180 bajt ˚ua pˇrenášíse v pˇetiˇcasovýchslo- tech.

ACL pakety mohou pˇrenášetužiteˇcnádata nebo kontrolní data. Pro ACL je defino- váno 7 paketových typ ˚u:[1]

• DM1 paket – nese pouze informace. Informaˇcnípole je velké 18 bajt ˚ua obsahuje 16 bitový CRC kód. Pˇrenášíse v jednom ˇcasovémslotu. Paket je navíc zabezpeˇcen kódem FEC 2/3, který pˇridá5 paritních bit ˚udo každého 10 bitového segmentu.

• DH1, DH3, DH5 paket – podobný jako DM1 paket, ale neprobíhá u nˇejFEC kódo- vání. Informaˇcnípole má u tˇechtopaket ˚uvelikost 28, 185 nebo 341 bajt ˚u.Pakety se liší poˇctempotˇrebnýchˇcasovýchslot ˚uk pˇrenosu.

• DM3, DM5 paket – jedná se o rozšíˇrenépakety DM1. Informaˇcnípole je velké 123 nebo 226 bajt ˚ua k pˇrenosupoužívá tˇrinebo pˇetˇcasovýchslot ˚u. 17

• AUX1 paket – podobný jako DH1 paket, ale nemá zabezpeˇceníCRC kódem. Infor- maˇcnípole má velikost 30 bajt ˚ua k pˇrenosupoužívá jeden ˇcasovýslot.

1.2.4.12 Režimy jednotek Bluetooth

Bluetooth jednotka se m ˚užev aktivní pikosíti nacházet v nˇekolikar ˚uznýchrežimech. Blu- etooth zaˇrízeníse m ˚uženacházet ve tˇrechhlavních režimech: pohotovostním, zaparkova- ném a pˇripojeném režimu. V pohotovostním stavu spotˇrebovávázaˇrízenímalé množství energie a m ˚užepˇrejítdo vyhledávacího a pˇripojovacíhostavu, viz obrázek 1.11. Zaˇrízenív zaparkovaném stavu potˇrebujeke svému fungování malé množství energie, slave není souˇcástípikosítˇe,ale je synchronizován. Zaˇrízení v zaparkovaném re- žimu zahodí svou adresu LT_ADDR a pˇridˇelíse mu dvˇenové adresy AR_ADDR (Access Request ADDRess) a PM_ADDR. [1, 9]

• Vyhledávací režim (Inquiry) – zaˇrízeníje v tomto stavu pokud chce nalézt jiné zaˇrí- zení v dosahu. Bluetooth zaˇrízení sbírá adresy a ˇrídicíhodiny všech zaˇrízenív dosahu, které odpoví na vyhledávací dotaz. Poté mohou s tˇemitozaˇrízeníminavázat kontakt. Vyhledávací dotazy se posílají vždy na jiných pˇreskokových frekvencích a využívají se k tomu ID pakety. V jednom ˇcasovémslotu mohou být vysílány dva ID pakety. Paket obsahuje pˇrístupovýkód IAC.

• Pˇríjemvyhledávacího režimu (Inquiry scan) – zaˇrízenív tomto režimu naslouchá na jedné pˇreskokovéfrekvenci a pokud pˇrijmevyhledávací dotaz s odpovídajícím pˇrí- stupovým kódem IAC a vyšle druhému zaˇrízenípaket FHS, který nese informace o daném zaˇrízení.

• Pˇripojovacírežim (Page) – tento režim používá zaˇrízení master pro aktivaci a udr- žení spojení se zaˇrízením slave. Master se snaží zachytit ID paket, který nese pˇrístu- pový kód DIAC zaˇrízení slave, na r ˚uznýchpˇreskokovýchfrekvencích. Pro pˇresnˇejší a rychlejší proces pˇripojení využije master informaci o ˇrídicíchhodinách zaˇrízení slave. Zmenší se tak interval pˇreskokových frekvencí, na kterých m ˚užezaˇrízení slave pˇrijímat.

• Pˇríjempˇripojovacíhorežimu (Page scan) – je velmi podobný pˇríjmuvyhledávacímu režimu. Na jedné frekvenci naslouchá, a pokud pˇrijmeID paket se svým DIAC kó- dem, vyšle sv ˚ujID paket zaˇrízení master. Zaˇrízení master tak již bude znát frekvenci, na které slave vysílá a pošle FHS paket s informacemi (napˇr.stav ˇrídicíchhodin master zaˇrízení),které jsou potˇrebnék ustanovení spojení.

1.2.4.13 Pripojenýˇ režim

V pˇripojeném režimu je již sestaveno spojení a zaˇrízenísi mohou mezi sebou posílat data. V pˇripojenémrežimu m ˚užezaˇrízeníoperovat v nˇekolikarežimech: [1, 9] 18

Obrázek 1.11: Režimy zaˇrízeníBluetooth [9]

• Aktivní režim (Active Mode) – v tomto režimu se provádí aktivní pˇrenosdat na fyzic- kém kanálu. Celou komunikaci ˇrídízaˇrízení master. Aktivní režim také podporuje posílání synchronizaˇcníchpaket ˚upro udržení komunikace se zaˇrízením slave.

• Sniff režim (Sniff Mode) – ve Sniff režimu dochází k omezení provozu na fyzickém spoji ACL mezi zaˇrízeními. Master vysílá pakety pouze v urˇcitýchˇcasovýchslo- tech. Slave tak omezí spotˇrebuenergie. Tento režim ovlivˇnujepouze pˇrenosdat na fyzickém spoji ACL. Pˇrenosdat na SCO není nijak omezen.

• Režim podržení (Hold Mode) – v režimu podržení zaˇrízení slave nebude podporovat pˇrenosdat na fyzickém spoji ACL. SCO je stále plnˇepodporován. Tento režim je jen doˇcasný,po uplynutí urˇcitéhoˇcasuse zaˇrízenípˇrepnedo pˇredchozíhorežimu.

1.2.5 Protokol správy spojení LMP

LMP je protokol, který ˇrídí,sestavuje a ukonˇcujespojení mezi dvˇemaBluetooth zaˇríze- ními. Kontroluje spojení mezi fyzickými a logickými kanály jednotlivých zaˇrízení.LMP komunikuje mezi dvˇemazaˇrízenímipomocí fyzického spoje ACL. Pro komunikaci mezi LM vrstvami používá LMP zprávy. Šíˇríse v informaˇcnímpoli paket ˚u.LM zprávy se vždy v LM vrstvˇeodfiltrují a nepˇrenášíse do vyšších vrstev. Soupis možných zpráv protokolu LMP:

• Kontrola spojení – zde patˇrínapˇríkladsestavení a ukonˇceníspojení, ˇrízení výkonu, kontrola víceslotových paket ˚uapod.

• Bezpeˇcnost– zde patˇríautentizace, párování, šifrování, výmˇenaklíˇc˚uapod. 19

• Informaˇcnízprávy – zprávy zde posílají informace o verzi LMP protokolu, hodnotu vnitˇrníchhodin apod.

• Správa režim ˚u– zde se spravují režimy zaˇrízenív pˇripojenémstavu.

Zprávy se pˇrenášív rámci datové jednotky PDU (Protocol Data Unit). Zprávy protokolu LMP a L2CAP se rozlišují pomocí jiného logického kanálu L_CH umístˇenéhov záhlaví informaˇcníhopole. Pakety PDU jsou pˇrenášenyv jednom ˇcasovémslotu a sklá- dají se z pole provádˇecíhoID (Transaction ID) a operaˇcníhoznaku (OpCode), které má velikost jeden bajt, a vlastního informaˇcníhopole, zde jako obsah. Provádˇecí ID je bitový znak, který urˇcuje,zda je zaˇrízení master nebo slave. Operaˇcníznak urˇcujedruh zprávy, obsah její parametry. Velikost obsahu závisí na poˇctuparametr ˚u.[1, 9] Znázornˇenípaketu LMP na obrázku 1.12.

Obrázek 1.12: Formát paketu LMP

1.2.6 Rozhraní HCI

Hostitelské kontrolní rozhraní HCI poskytuje rozhraní pro pˇríkazymezi základní vrstvou a vrstvou pro ˇrízeníspoje. Další funkcí tohoto rozhraní je pˇrístupk hardwarovým ˇcástemBluetooth zaˇrízenía jeho registr ˚um.Zjednodušenˇeto lze popsat jako možnost komunikace uživatele s ˇrídicíˇcástíBluetooth. HCI je tedy ekvivalentem transportní vrstvy referenˇcníhomodelu ISO/OSI. Pˇrenos zpráv a signál ˚use pˇrenášímezi fyzickými sbˇernicemi,které se ovládají pomocí HCI ovla- daˇcev hostitelské ˇcástia HCI firmware ˇrídicíˇcásti.Vv této specifikaci jsou definované tˇritransportní vrstvy HCI: [1, 5]

• transportní vrstva USB HCI (Universal Serial Bus),

• transportní vrstva RS 232 HCI,

• transportní vrstva UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) HCI.

1.2.7 Protokol pro rízeníˇ a adaptaci spojení L2CAP

Protokol pro ˇrízenía adaptaci spojení poskytuje spojové a bezespojové datové služby pro protokoly vyšší vrstvy. Propojuje základní vrstvu v ˇrídicíˇcástis vyššími vrstvami v hos- titelské ˇcástisystému Bluetooth. L2CAP provádí multiplexaci datových tok ˚u,segmentaci a operaci pro zpˇetnésestavení paket ˚u.Dalším prvkem L2CAP je monitorování kvality 20 spojení QoS (Quality of Service). Zajišt’uje tak dodržení dohodnutých parametr ˚u.L2CAP dovoluje posílat a pˇrijímatpakety vyšších vrstev do velikosti 64 kB. L2CAP podporuje pouze multiplexování dat posílaných pˇresfyzický spoj ACL. Pro identifikaci každého kanálu se používá kanálový identifikátorChannel CID( Identifier). Kanálový identifikátor je relativní ke každému zaˇrízenía pˇriˇrazujese nezávisle najiném zaˇrízení. Pˇrispojovˇeorientovaném pˇrenosuse data pˇrenášímezi dvˇemazaˇrízenímizároveˇn. Pˇribezespojovˇeorientovaném pˇrenosuse pˇrenášídata pouze jedním smˇerem. Tohoto se využívá pˇredevšímpro kanálové skupiny, což je situace, kdy zdrojový CID kanál reprezentuje více Bluetooth zaˇrízení,viz obrázek 1.13.

Obrázek 1.13: Komunikaci mezi Bluetooth jednotkami na protokolu L2CAP [9]

L2CAP m ˚užefungovat ve tˇrechrežimech: • základní L2CAP režim (Basic L2CAP Mode), • režim ˇrízenítoku (Flow Control Mode), • režim opˇetovnéhopˇrenosu(Retransmission Mode). Základní režim je použit standardnˇe,pokud není výslovnˇepovoleno použití jednoho ze dvou dalších režim ˚u. V režimu ˇrízenítoku a režimu opˇetovnéhopˇrenosuse datové jednotky PDU pˇrenášejí oˇcíslovanéa jsou pˇripˇrijetípotvrzovány. Rozdíl mezi tˇemitodva režimy je v tom, že v re- žimu ˇrízenítoku se chybné pakety zpátky nepˇreposílávají,zatímco v režimu opˇetovného pˇrenosuano. [1, 4]

1.2.8 Protokoly vyšších vrstev

Ve specifikaci 1.1 se nachází nˇekolikprotokol ˚uvyšších vrstev, napˇríkladprotokol SDP, GAP, protokol TCS (Telephony Control protocol Specification) nebo protokol RFCOMM (Ra- dio Frequency Communications port). 21

Protokol SDP slouží k zjišt’ování dostupných služeb pro zaˇrízeníBluetooth. Spoleˇcnˇe s pˇrístupovýmprofilem GAP je základním prvkem vyšších vrstev hostitelské ˇcástiBlue- tooth. SDP protokol pracuje na mechanizmu klient-server. Bluetooth zaˇrízení,který na- bízí služby je server, zaˇrízení,které vyhledává služby je klient. Server uchovává seznam dostupných služeb. Každá položka seznamu odpovídá jedné službˇe(atributu). TCS je protokol pro ˇrízenítelefonie. Tento protokol simuluje terminál s telefonními funkcemi mezi dvˇemaBluetooth zaˇrízeními.TCS umožˇnujebod - bod signalizaci a v ur- ˇcitýchpˇrípadechi bod - více bod ˚usignalizaci. Bod – bod signalizace se používá, když se ví, která strana zahájila hovor. Bod – více bod ˚use používá v pˇrípadˇe,kdy je nutno zavolat na více zaˇrízenív dosahu. Tento zp ˚usobpˇrenášíL2CAP pomocí bezespojovˇeori- entovaných kanál ˚u. RFCOMM protokol emuluje sériové rozhraní RS-232 nad protokolem L2CAP. Proto- kol podporuje až 60 spojení mezi dvˇemazaˇrízeními.[1, 4]

1.2.9 Bezpecnostˇ technologie Bluetooth

Standard Bluetooth využívá pro zabezpeˇceníhned nˇekolikr ˚uznýchmechanism ˚u.Sa- motný stupeˇnzabezpeˇcenísi každý výrobce volí sám a dˇelíse do 4 zabezpeˇcovacích režim ˚u:

• zabezpeˇcovacírežim 1 - zaˇrízenípracuje bez jakékoliv ochrany,

• zabezpeˇcovacírežim 2 - zabezpeˇcenína úrovni služeb,

• zabezpeˇcovacírežim 3 - zabezpeˇcenína úrovni spojové vrstvy,

• zabezpeˇcovacírežim 4 - zabezpeˇcenína úrovni spojové vrstvy s výmˇenoušifrova- cích klíˇc˚u.

Zabezpeˇceníkomunikace mezi zaˇrízenímise provádí na spojové vrstvˇe.Využívají se zde 4 entity:

• adresa Bluetooth zaˇrízeníBD_ADDR - tato adresa má velikost 48 bit ˚u,každé zaˇrí- zení má svou jedineˇcnouadresu a je nemˇenná,

• autentizaˇcníklíˇc- odvozuje se bˇehemnavázání spojení mezi dvˇemazaˇrízenímia jeho velikost je 128 bit ˚u,

• šifrovací klíˇc– je odvozen od autentizaˇcníhoklíˇcebˇehemautentizace. Délka tohoto klíˇcese pohybuje od 8 do 128 bit ˚u.Tento klíˇcse musí zmˇenitkaždých 23,3 hodin, jinak se spojení zruší. Autentizaˇcníi šifrovací klíˇcese generují podle PIN kódu da- ného zaˇrízení,

• náhodné ˇcíslo– toto ˇcísloje r ˚uznépro každé zaˇrízenía generuje se vždy pˇriinicia- lizaci nové operace. 22

Díky této autentizaci se pˇredcházínežádoucímu úniku dat. Pˇrispojení dvou mobil- ních telefon ˚um ˚užebýt jako autentizaˇcníkód požadován napˇríkladPIN (Personal Identi- fication Number) jednoho z telefon ˚u. Co se týˇcebezpeˇcnosti,je nutné poznamenat, že je tento standard náchylný napˇríklad na DoS útoky nebo odposlechy. [2, 5]

1.2.10 Bluetooth profily

Bluetooth profily obsahují operace, které dvˇezaˇrízenípoužijí pˇrivyužití dané služby. Definuj tak zp ˚usobkomunikace mezi zaˇrízeními.Profily se z hlediska architektury na- cházejí nad všemi ostatními protokoly. Ve specifikaci 1.1 se nachází tˇechtoprofil ˚u13, v souˇcasnostijich je kolem padesáti. Základním profilem, který používají všechna zaˇrízení je GAP profil. GAP profil zajišt’uje služby spoleˇcnépro všechny Bluetooth zaˇrízenía definuje, jakým zp ˚usobemse mohou dvˇezaˇrízeník sobˇepˇripojit.Profil zahrnuje služby, které používají transportní, protokolové a aplikaˇcníprofily, tedy napˇríkladbezpeˇcnost,autentizace nebo režimy jednotek. Tento profil je také základním ˇclánkempro ostatní profily. Ostatní profily z nˇejvycházejí a využívají pak jeho urˇcitouˇcást. Mezi další profily patˇrínapˇríklad:[10]

• Cordless Telephony Profile CTP - urˇcenýpro pˇrístupke službám pevné telefonní sítˇe,

• Dial-up Networking Profile DUN - poskytuje standardní pˇrístupk internetu a jiným vytáˇcenýmslužbám,

• Fax Profile FAX - umožˇnujepˇrijímata odesílat faxy,

• File Transfer Profile FTP - umožˇnujepˇrenossoubor ˚u,

• Generic Access Profile GAP - definuje ostatní profily,

• Generic Object Exchange Profile GOEP - definuje protokoly a procedury pro pˇrenos dat mezi dvˇemaBluetooth zaˇrízenímipˇresprotokol OBEX (OBject EXchange),

• Headset Profile HSP - poskytuje podporu hlasového pˇrenosupro sluchátka s mikro- fonem,

• Intercom Profile ICP - umožˇnujepˇrenoshlasu mezi mobilním telefonem a pevnou sítí,

• LAN Access Profile LAP - umožˇnujepˇrístupk sítím LAN nebo WAN pˇresjiné zaˇrí- zení, které má fyzické pˇripojeník síti,

• Object Push Profile OPP - je základní profil, který používá profil GOEP pro pˇrenášení drobných "objekt ˚u",jakými jsou napˇríkladobrázky nebo virtuální vizitky,

• Service Discovery Application Profile SDAP - zjišt’uje, jaké služby jsou k dispozici na zaˇrízeníBluetooth, ke kterému se chceme pˇripojit, 23

• Serial Port Profile SPP - který se používá pro komunikaci se sériovým portem RS 232,

• Synchronization Profile SYNCH - pomocí nˇehožumožˇnujevýmˇenuPIM (Personal Identification Management) informací (napˇr.telefonní seznamy) mezi mobilními telefony.

Další profily jsou následující: [10]

• Advanced Audio Distribution Profile A2DP - pˇrenášízvuk ve vysoké kvalitˇemezi pˇri- pojenými zaˇrízeními,

• Audio/Video Remote Control Profile AVRCP – profil, používaný k dálkovému ovládání televizor ˚u,autonavigací apod.

• Hands-free Profile HFP - jehož ˇcinnostíje komunikace mobilního telefonu se sadou hands-free v automobilech,

• Human Interface Device Profile HID – slouží k pˇripojenívstupních periférií (myš, klá- vesnice) k pˇrístroji,

• HID Over GATT Profile HOGP – HID profil pro zaˇrízenís ˇrídicíˇcástíLE,

• SIM Access Profile SAP - profil, který se používá v automobilech k synchronizaci údaj ˚uSIM (Subscriber Identity Module) karty s automobilovým hands-free setem. 24

2 Vývojové verze Bluetooth

Vývoj Bluetooth zaˇcaljiž v roce 1994, kdy zamˇestnancišvédské firmy Ericsson, Jaap Haartsen a Sven Mattison, poprvé pˇredstavilinávrh nové technologie pro bezdrátový pˇrenosdat mezi dvˇemazaˇrízeními.Specifikace pak byla v roce 1998 formalizovaná sku- pinou Bluetooth SIG, v lednu 1999 se objevila specifikace 0.8, která se však ještˇedoˇckala nˇekolikapˇrepracování.V ˇcervenci1999 pak tato skupina vydala první oficiální specifikaci Bluetooth 1.0. Všechny specifikace standardu Bluetooth jsou navrhnuty tak, aby byly zpˇetnˇekompa- tibilní s nižšími verzemi. Pokud se však takto zaˇrízeníspárují, musí použít pouze funkce dané nižší specifikací.

2.1 První generace Bluetooth První oficiální specifikací byla verze 1.0. Tuto specifikaci zanedlouho následovaly další dvˇeverze Bluetooth 1.0a a Bluetooth 1.0b. Specifikace mˇelyinovovat urˇcitéprvky navr- žené ve verzi 1.0. Specifikace 1.0a se zamˇeˇrilana samotnou architekturu Bluetooth, verze 1.0b pak specifikovala 13 Bluetooth profil ˚u.Použitelnost tˇechtoverzí v reálném uživa- telském prostˇredíale nebyla pˇrílišvelká. Výrobci mˇelivelké problémy s kompatibilitou svých zaˇrízenís jinými výrobky ostatních firem. Problémy se objevovaly již pˇri samotném párování mezi dvˇemazaˇrízeními,problé- mové bylo i vytváˇreníjednoduchých pikosítí. Také se naskytly problémy s využitím nˇe- kterých plánovaných služeb, které mˇeloBluetooth v budoucnu poskytnout. [5, 11] Verze 1.1 byla první skuteˇcnˇepoužitelnou specifikaci Bluetooth technologie, kterou lze nasadit do komerˇcnˇevyrábˇenýchzaˇrízení.Byla vydána v únoru 2001 a z velké ˇcásti opravuje chyby pˇredešlýchverzí. V roce 2002 byla tato specifikace pˇrijatajako standard IEEE 802.15.1-2002. Tato specifikace podporuje pˇrenosdat v rychlosti do 1 Mbit/s. Reálnˇe však rychlosti dosahovaly mnohem menších hodnot. [12] Tato verze obsahovala nˇekoliknových funkcí. Byl pˇridánindikátor síly pˇrijímaného signálu RSSI a byla pˇridánamožnost využití nešifrovaného komunikaˇcníhokanálu mezi dvˇemapˇripojenýmizaˇrízeními. Specifikace 1.2 byla vydána v roce 2003 a jedná se o pˇrepracovanouspecifikaci 1.1 umožˇnujícípˇrenosdat na vyšších rychlostech, až 721 kbit/s. Specifikace se doˇckalapˇre- pracování z hlediska formalizace a logické návaznosti. Kapitoly jsou ted’ ˇrazenydo lo- giˇctˇejšíhosledu. Specifikace 1.2 byla pˇrijatajako standard IEEE 802.15.1-2005. Mezi hlavní zmˇenypatˇrí využití adaptivní pˇreskakování AHF, rychlejší pˇripojení mezi dvˇemazaˇrízeními,pˇrepracovánívrstvového modelu pro pˇrenosdat, a to pˇrede- vším na základní vrstvˇe,využití logického pˇrenosueSCO pro rychlejší pˇrenoshlasových dat, vylepšená detekce chyb a ˇrízení toku. Pro kanály logického pˇrenosueSCO byly za- vedeny nové typy paket ˚uEV. Pˇredstavenybyly rozšíˇrenérežimy pro protokol L2CAP a nová transportní vrstva HCI pro tˇrídrátový UART. [5] 25

2.2 Druhá generace Bluetooth Specifikace 2.0 byla vydána v ˇríjnu2004 a její hlavní zmˇenouoproti specifikaci 1.2je použití funkce pro rychlejší pˇrenosdat EDR (Enhanced Data Rate), který používá nový zp ˚usobmodulace dat. Díky použití nové modulace se pˇrenosovárychlost zvyšuje až na 3 Mbit/s. Specifikace 2.1 byla vydána v ˇcervenci2007 a je evolucí pˇredchozíhostandardu. Mezi nejvýznamnˇejšínové funkce patˇrísystém bezpeˇcnéhopárování mezi zaˇrízenímiSSP (Sim- ple Security Pairing), rozšíˇrenáodpovˇed’ na vyhledávací dotaz EIR (Extended Inquiry Re- sponse) nebo funkce sniff subrating, která umožˇnujesnížit výkon zaˇrízenípomocí omezení pracovního cyklu zaˇrízení. Další zmˇenybyly provedeny napˇríkladna hostitelském rozhraní HCI a v oblasti bez- peˇcnosti.V této specifikaci byla poprvé pˇridánapodpora pro NFC(Near Field Communi- cation). Bluetooth zaˇrízeníse dokáže spárovat se zaˇrízeníms podporou NFC na vzdále- nost nˇekolikacentimetr ˚u.

2.2.1 Modulace použité pro rychlejší prenosˇ dat

Hlavní zmˇenouoproti pˇredchozímspecifikacím je v použití jiných modulací. Ve funkci EDR se pˇrístupovýkód a záhlaví paketu moduluje stejnˇejako v pˇredchozíchspecifika- cích, je tedy použita modulace GFSK. Informaˇcnípole je pak modulováno kombinací GFSK a vybrané PSK (Phase Shift Keying) modulace. PSK modulace použitá pro pˇrenosdat o rychlosti 2 Mbit/s je diferenciální kvadra- turní klíˇcovánífázovým posuvem pootoˇcenýmo 45 stupˇn˚u p/4-DQPSK (p/4 rotated Dif- ferential Quaternary Phase Shift Keying). PSK modulace použitá pro pˇrenosdat o rychlosti 3 Mbit/s je osmistavové diferen- ciální klíˇcovánífázovým posuvem 8DQPSK (8 phase Differential Quaternary Phase Shift Keying). [13]

2.2.2 Formát paketu druhé generace Bluetooth

Paket pro pˇrenospomocí EDR se skládá z pˇrístupovéhokódu a záhlaví, které se nijak nemˇeníoproti základnímu typu paketu, viz kapitola 1.2.4.7. Novˇeje souˇcástípaketu ochranný ˇcas,synchronizaˇcnísekvence, informaˇcnípole EDR a zápatí, viz obrázek 2.1.

Obrázek 2.1: Formát paketu použitý ve druhé generaci Bluetooth

Ochranný ˇcasse pohybuje v rozmezí 4,75 až 5,25 ms a vymezuje potˇrebný ˇcaspro zmˇenudané modulace. 26

Synchronizaˇcnísekvence má velikost 11 ms (11 DQPSK symbol ˚u)a generuje bitovou sekvenci pro vybranou DQPSK modulaci. Zápatí obsahuje dva nulové znaky. Pro modulaci p/4-DQPSK 00,00, pro 8DQPSK 000,000. [13]

2.2.3 Typy paket ˚u

Pro pˇrenosdat na logickém pˇrenosueSCO se používá ˇctveˇricenových typ ˚upaket ˚u:

• 2-EV3 paket – nese až 60 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci p/4-DQPSK.

• 2-EV5 paket – nese až 360 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci p/4-DQPSK.

• 3-EV3 paket – nese až 90 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci 8DQPSK.

• 3-EV5 paket – nese až 540 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci 8DQPSK.

Šest nových paket ˚ubylo pˇridánopro EDR pˇrenosdat na logickém kanálu ACL:

• 2-DH1 paket – nese až 56 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci p/4-DQPSK.

• 2-DH3 paket – nese až 369 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci p/4-DQPSK.

• 2-DH5 paket – nese až 681 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci p/4-DQPSK.

• 3-DH1 paket – nese až 85 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci 8DQPSK.

• 3-DH3 paket – nese až 554 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci 8DQPSK.

• 3-DH5 paket – nese až 1023 bajt ˚uinformace a používá se pˇrimodulaci 8DQPSK.

Všechny tyto pakety vycházejí z paket ˚upoužívaných pˇrizákladním pˇrenosudat. Více informací lze nalézt v kapitole 1.2.4.11. [13]

2.2.4 Jednoduché bezpecnéˇ párování

Hlavním cílem jednoduchého bezpeˇcnéhopárování je zjednodušit uživatel ˚umcelý proces párování a zlepšit bezpeˇcnostBluetooth. SSP má z hlediska bezpeˇcnostidva hlavní cíle, a to ochranu proti odposlechu a ochranu v ˚uˇcitzv. man-in-the-middle útok ˚um. Až do specifikace 2.0 se používalo párování, u kterého jsme chtˇelijistou úroveˇnbez- peˇcnosti,založené na použití PIN kódu mobilního zaˇrízení.Tento PIN kód je typicky pouze ˇctyˇrmístnýa jeho prolomení bylo snadné. SSP používá Diffie-Helmann ˚uvprotokol s využitím eliptických kˇrivek.Tento protokol dovoluje dvˇemazaˇrízenímposílat tajnou informaci na nezabezpeˇcenémkanálu, využívá se systém veˇrejnéhoa privátního klíˇce.Informace má tvar 192 bitového náhod- ného ˇcísla,prolomení je zde velmi složité a zabere spoustu ˇcasu.Tato ochrana se používá pˇredevšímpro ochranu proti odposlechu. 27

Ochrana komunikace proti útok ˚um man-in-the-middle je složitˇejší.Tento útok nastává, když se mezi dvˇepárovaná zaˇrízenívmˇestnátˇretízaˇrízení,ke kterému jsou obˇezaˇrízení pˇripojeny. Zde se jako ochrana používá porovnání ˇcísela zadání propojovacího kódu. [5, 14]

2.2.5 Rozšírenáˇ odpoved’ˇ na vyhledávací dotaz

EIR m ˚užeposkytnout více informací než základní odpovˇed’ na vyhledávací dotaz. Umožní lepší filtrování zaˇrízenípˇredzahájením procesu pˇripojovánínež pˇripoužití indikátoru síly výkonu RSSI. Pro pˇrenosinformace používá ACL pakety DM1, DM3, DM5, DH1, DH3, DH5. V jednom paketu tak lze poslat více informací najednou a ušetˇrítak ˇcaspro zahájení pˇripojování.[14]

2.3 Tretíˇ generace Bluetooth Specifikace Bluetooth 3.0 +High HS( Speed) byla vydána v dubnu 2009 a poskytla teore- tický pˇrenosdat rychlostí až 24 Mbit/s. Tato rychlost však není dosažena pˇressamostatné Bluetooth spojení. Vysoké rychlosti m ˚užemedosáhnout v pˇrípadˇe,že obˇezaˇrízenípod- porují wi-fi, tedy standard 802.11. Nejvˇetšízmˇenouv hardwaru Bluetooth je umístˇenídruhé ˇrídicíˇcástiAMP (Alternative MAC/PHY). Tato ˇcástje potˇrebnák vysokorychlostnímu pˇrenosudat, vytváˇríspoj na základˇestandardu 802.11 mezi dvˇemazaˇrízeními.Základní ˇrídicíˇcástse nyní oznaˇcuje jako BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate). Mezi další vylepšení m ˚užemezahrnout nové režimy pro vrstvu L2CAP, systém pro jednosmˇernýbezespojový pˇrenosdat UCD (Unicast Connectionless Data) nebo vylepšenou kontrolu výkonu zaˇrízení. Zaˇrízenívýrobc ˚umohou použít specifikaci 3.0 i bez podpory vysokorychlostního pˇre- nosu dat. Takové zaˇrízenínemá pˇríponu„HS“. [5, 15]

2.3.1 Rídicíˇ cástˇ pro vysokorychlostní prenosˇ dat

AMP je sekundární ˇrídicíˇcástív jádru Bluetooth systému. Jednotlivé zaˇrízením ˚užeob- sahovat jednu, více nebo žádnou AMP ˇrídicíˇcást.Pokud se sestaví kanály L2CAP mezi dvˇemazaˇrízeními skrze ˇrídícíˇcástBR/EDR, protokol pro správu AMP (AMP Manager) m ˚užedetekovat AMP ˇrídicíˇcástna druhém zaˇrízení.Pokud jsou AMP ˇrídicíˇcástiaktivní na obou zaˇrízení,pˇresunese datový provoz z BR/EDR ˇcástido AMP ˇcásti. Každá AMP ˇrídící ˇcástse skládá z fyzické vrstvy AMP PHY (PHYsical), základní vrstvy AMP MAC (Media Access Control). Nad tˇemitovrstvami je definována vrstva pro adaptaci protokol ˚uPAL (Protocol Adaptation Layer). Tato vrstva se stará o mapování Blu- etooth protokol ˚una specifické protokoly vrstev PHY a MAC. Vrstva L2CAP m ˚uževytvoˇritkanály spolupracující s AMP. Pokud nastane na fyzic- kém spoji AMP krátkodobé odstavení nebo není potˇrebavzhledem k velikosti dat tako- véto pˇrenosovékapacity, spojí se kanál L2CAP s BD/EDR ˇrídicíˇcástí. AMP ˇrídicíˇcástm ˚užebýt v pˇrípadˇepotˇrebyprogramovˇezastavena, aby se minima- lizovala spotˇrebaBluetooth zaˇrízení. 28

Obrázek 2.2: Vrstvy AMP ˇrídicíˇcástive srovnání s BR/EDR

AMP PHY je fyzickou vrstvou ˇrídicíˇcásti. MAC vrstva je definovaná v referenˇcnímmodelu standardu IEEE 802. Tato vrstva provádí adresaci, kontrolu a pˇrístupke kanál ˚um. Na této vrstvˇebyly nové fyzické kanály a logické spoje pro vrstvový model pˇrenosu dat. Jsou to:

• Fyzický kanál AMP (AMP Physical Channel) – kanál se vytvoˇríbˇehemnormální komunikace mezi dvˇemazaˇrízenímis podporou AMP.

• Fyzický spoj AMP (AMP Physical Link) – vytvoˇríspojení mezi dvˇemazaˇrízenímis ˇrídícíˇcástíAMP.

• Logický spoj pro ˇrízeníAMP spoje AMP-C (AMP Control) – jedná se o logický spoj reprezentující spojení vrstvy AMP PAL.

• Uživatelský asynchronní/izochronní logický spoj pro AMP AMP-U (AMP User Asyn- chronous/Isochronous) – pˇrenášívšechna asynchronní a izochronní data. Na rozdíl od ACL-U logického spoje podporuje pˇrenosdat více logických spoj ˚uv jednom fyzic- kém spoji.

AMP PAL je vrstvou, která propojuje AMP MAC s hostitelskou ˇcástí(L2CAP a protokol pro správu AMP). Pˇrekládá pˇríkazyz hostitelské ˇcástina pˇríkazysrozumitelné pro AMP MAC vrstvu, a naopak. Také poskytuje podporu pro správu AMP kanálu, ˇrídída- tový provoz na základˇespecifikací ˇrízenítoku a spravuje výkon AMP ˇrídicíˇcásti. Je to logické rozhraní propojující hostitelskou ˇcásts ˇrídicíˇcástí.HCI rozhraní se pou- žívá, pokud jsou tyto dvˇeˇcástífyzicky rozdˇeleny. Tato vrstva používá pˇríkazypro správu fyzických a logických spoj ˚unebo správˇekvality služeb QoS. Jedna transportní vrstva HCI m ˚užemultiplexovat nˇekolikAMP ˇrídicíˇcástido jedné fyzické sbˇernice, v pˇrípadˇe, kde více ˇrídicíchˇcástíexistuje v r ˚uznýchfyzických jednotkách. [15] 29

2.3.2 Jednosmernýˇ bezespojový prenosˇ dat

Jednosmˇernýbezespojový pˇrenosdat se váže k vrstvˇeL2CAP.Pˇrenosdat na vrstvˇeL2CAP m ˚užeprobíhat bud’ spojovˇe,kdy se data pˇrenášíobˇemasmˇery, nebo bezespojovˇe.Tento typ pˇrenosutrpˇelobˇcasnýmilatencemi v pr ˚ubˇehupˇrenosuz d ˚uvoduvelkého množství posílaných najednou. Tento nedostatek je vyˇrešenautomatickým uvolˇnovánímkanálu, pˇreskterý se posílají data, a to v pevnˇedaných intervalech. Kanál se tak nebude zahlcovat velkým množstvím dat. Uvolˇnovánídat bˇehempˇrenosulze nastavit pomocí pˇríkaz˚uvrstvy HCI. [5, 15]

2.3.3 Nové režimy L2CAP ve tretíˇ generaci Bluetooth

Ve specifikace 3.0 byly ke tˇremL2CAP režim ˚umpˇridánydalší, ato:

• rozšíˇrenýrežim opˇetovnéhopˇrenosu(Enhanced Retransmission Mode), • režim datového toku (Streaming Mode).

Rozšíˇrenýrežim opˇetovnéhopˇrenosuse využívá pro pakety pˇrenášenépˇresAMP kanály. Pokud bude paket chybný nebo se nepˇrenese,paket se opˇetovnˇepˇrenese.Jedná se o spolehlivý pˇrenosdat. Režim datového toku se používá pro izochronní pˇrenosdat v reálném ˇcase.Datové jednotky zde nejsou potvrzovány. Jedná se o nespolehlivý pˇrenos dat. [15]

2.4 Ctvrtáˇ generace Bluetooth Specifikace 4.0 byla vydána v ˇcervenci2010. Standard v sobˇezahrnuje standardní Blue- tooth protokoly, protokoly pro vysokorychlostní pˇrenosdat a protokoly pro nízkou spo- tˇrebuBluetooth LE (Low Energy). Jedná se o nejvˇetšízmˇenutohoto standardu od svého poˇcátku. Bluetooth LE je úzce spojeno s ˇrídicíˇcástíBR/EDR. Využívá stejných princip ˚u,ale je uzp ˚usobenapro co nejmenší spotˇrebuenergie. Bluetooth LE m ˚užebýt nasazeno v kon- cových zaˇrízeníchve dvou režimech:

• Jednoduchý režim – v tomto režimu je implementován pouze ˇcippro Bluetooth LE, tyto zaˇrízenímají marketingové oznaˇceníBluetooth Smart. • Duální režim – tento režim implementuje LE ˇrídicíˇcástdo již existující BR/EDR ˇrídicíˇcásti,zaˇrízenís tímto režimem se nazývají Bluetooth Smart Ready.

Mezi základní vlastnosti Bluetooth LE patˇrívelice nízká spotˇreba,kv ˚ulitomu i menší pˇrenosovárychlost, nízká cena, schopnost pracovat roky na jedno nabití v zaˇrízeních pracujících s nízkou spotˇrebou,rozšíˇrenýdosah apod. [5] Specifikace 4.1 byla vydána v prosinci 2013. Jedná se kompletnˇesoftwarovéo roz- šíˇrenípˇredchozíspecifikace Bluetooth 4.0. Specifikace obsahuje také dodatky, které vy- dávala organizace Bluetooth SIG bˇehemlet 2011 až 2013. Tyto dodatky se oznaˇcujíjako Bluetooth Core Specification Addenda (CSA 2, 3 a 4). 30

Mezi hlavními zmˇenamitéto specifikace jsou napˇríkladzlepšení koexistence smo- bilní sítí LTE (Long Term Evolution), zmˇenyv topologii Bluetooth LE, kde nyní m ˚užebýt zaˇrízenízároveˇn master a slave, což v pˇredchozíspecifikaci nebylo možné, podpora spo- jovˇeorientovaného L2CAP kanálu pomocí nového L2CAP režimu nebo vylepšení bez- peˇcnostipro Bluetooth LE. [5] Specifikace 4.2 byla vydána v prosinci 2014. Tato specifikace vylepšuje pˇredevším bezpeˇcnostpro zaˇrízenís ˇrídicí ˇcástíLE. Zvˇetšujeinformaˇcnípole LE paket ˚una 2056 bit ˚u,což umožˇnujepˇrenéstvˇetšímnožství informace. Tato specifikace také pˇredstavilavylepšení, týkající se "Internetu Vˇecí"(Internet of Things), který m ˚užemechápat jako sít’ zaˇrízení,propojených s internetem. Propojení by mˇelobýt bezdrátové a mˇeloby být schopné komunikovat se systémy napˇríˇccelou sítí. Bluetooth 4.2 tak pˇredstavilonapˇríkladprotokol 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) a s ním protokol IPv6, které jsou dostupné pˇresnový profil IPSP (Internet Protocol Support Profile), díky kterému je možné spojení s internetem. [5, 16, 19]

2.4.1 Základní popis Bluetooth Low Energy

Stejnˇejako BR/EDR i tato ˇrídicíˇcástpracuje v nelicencovaném pásmu 2,4 GHz. Aby se zabránilo nežádoucím interferencím, používá se modulace frekvenˇcníchpˇreskok˚uFHSS. Modulace dat obstarává modulace GFSK. Minimální výkon na výstupu se rovná 0,01 mW (-20 dBm). Standard podporuje pˇrenosdat rychlostí až 1 Mbit/s. LE používá dvˇemetody mnohonásobného pˇrístupu,a to frekvenˇcnípˇrístup FDMA (Frequency Division Multiplex Access) a ˇcasovýpˇrístupTDMA. Pˇripoužití FDMA se vy- tvoˇrí40 subkanál ˚uv rozmezí 2 MHz. Tˇriz tˇechtokanál ˚ujsou propagaˇcní.Zbytek patˇrí mezi kanály datové. TDMA je používáno v pˇrípadˇe,kdy zaˇrízeníposílá paket v pˇredem stanoveném ˇcasea zaˇrízenípˇrijímajícíodpoví paketem vysílaným po pˇredemstanove- ném ˇcase. Fyzický kanál je rozdˇelendo ˇcasovýchjednotek nazývaných jako události. Existují dva typy událostí:

• propagaˇcníudálosti,

• pˇripojovacíudálosti.

Zaˇrízení,které vysílá propagaˇcnípakety, se nazývá propagátor. Zaˇrízení,které pˇrijí- mají propagaˇcnípakety, ale nechtˇejíse spojit s propagátorem, se nazývají skenery. Tato komunikace probíhá na vyhrazených propagaˇcníchkanálech. Komunikace pomocí pro- pagaˇcníchudálostí umožˇnujebroadcastový nebo jednosmˇernýpˇrenosdat mezi dvˇema nebo více zaˇrízeními. Zaˇrízení,které se chtˇejípˇripojit,používají propagaˇcnípakety urˇcenék pˇripojení.Tyto zaˇrízeníse nazývají iniciátoˇri.Pokud iniciátor pˇrijmepropagaˇcnípaket, m ˚uženavázat spojení. Iniciátor se stane master a propagátor se stane zaˇrízením slave. Pˇripojovacíudá- losti jsou používány pro pˇrenospaket ˚umezi tˇemitozaˇrízeními.Pˇrenospaket ˚uvždy ini- cializuje master. 31

Nad fyzickým kanálem se nachází další spoje, kanály a protokoly. Uvnitˇrfyzického kanálu se vytvoˇrífyzický spoj mezi master a slave. Každý slave m ˚užebýt pˇripojenk master pouze jedním fyzickým spojem. V jednom fyzickém spoji lze pˇrenášetvíce logických spoj ˚u,které podporují asynchronní provoz. Zaˇrízení,které jsou v pikosíti aktivní, jsou spojeny základním kanálem logického pˇrenosuLE ACL (LE Asynchronous Connection). Tyto podvrstvy spravuje základní vrstva v ˇrídicíˇcásti. Vrstva L2CAP provádí fragmentaci, defragmentaci pˇrenášenýchdat a multiplexo- vání, demultiplexování více kanál ˚usdílejících jeden logický spoj. Nad touto vrstvou jsou definované dva protokoly. Protokol správy bezpeˇcnostiSMP (Security Manager Protocol), který používá pevné L2CAP kanály ke zlepšení bezpeˇcnostipˇrikomunikaci mezi dvˇema zaˇrízeními.Druhým protokolem je atributový protokol ATT (ATTribute protocol), který implementuje spojení mezi atributovým klientem a atributovým serverem. Co se týˇcebezpeˇcnosti,Bluetooth LE využívá pro potˇrebyzabezpeˇcenéhopárování podobných princip ˚ujako specifikace 2.1, tedy jednoduché párování SSP. Velkou zmˇenou je však použití šifer CCM (Counter with cipher block Chaining-Message authentication code) a AES-128 (Advanced Encryption Standard). [17]

2.4.2 Architektura Bluetooth Low Energy

Architektura Bluetooth LE je velmi podobná BR/EDR. Spodní ˇctyˇrivrstvy jsou sdílené, pouze jejich funkce se od sebe liší. Rídicíˇ ˇcástse skládá z rádiové vrstvy, základní vrstvy a vrstvy pro správu spojení, jehož souˇcástíje protokol LMP. Rídicíˇ ˇcástkomunikuje s hostitelskou ˇcástípomocí HCI. Hostitelská ˇcástse skládá z vrstvy pro ˇrízenía adaptaci spojení L2CAP, protokolu správy bezpeˇcnostiSMP,atributového protokolu ATT, hlavního atributového profilu GATT (Generic ATTribute profile) a pˇrístupovéhoprofilu GAP. Nástin jednotlivých vrstev jena obrázku 2.3.

2.4.3 Základní vrstva Bluetooth Low Energy

Z vrstev v ˇrídicíˇcástise základní vrstva nejvíce odlišuje od podobné vrstvy v ˇrídicíˇcásti BR/EDR. Zmˇenyna rádiovém rozhraní jsou již popsány v kapitole 2.4.1. Základní vrstva zajišt’uje sestavení a pˇreposílánípaket ˚urádiovému rozhraní pro samotný pˇrenosmezi zaˇrízeními.Definuje také topologii sítˇea stavy Bluetooth zaˇrízení.O tyto procedury se stará protokol pro kontrolu základní vrstvy LLCP (Link Layer Control Protocol). Základní vrstva pro Bluetooth LE podporuje filtrování zaˇrízenína základˇepˇríbuz- ných adres zaˇrízení.Zaˇrízenítak m ˚užeodpovídat menšímu množství dalších zaˇrízení. Každé zaˇrízenív urˇcitémstavu (propagátor, skener, iniciátor) má své pravidla pro filtro- vání. 32

Obrázek 2.3: Architektura Bluetooth LE

2.4.3.1 Pakety Bluetooth Low Energy

Bluetooth LE používá jen jeden formát paketu, viz obrázek 2.4. Ten se používá jak v propagaˇcníchudálostech, tak pro pˇrenosdat jako datový paket. Samotný paket se skládá z tˇechtopolí:

• Preambule – tato ˇcástje použita pˇripˇrijímánípaketu a urˇcujefrekvenˇcnísynchro- nizaci, ˇcasovánípro pˇríjemsymbol ˚ua automatickou kontrolu zisku. • Pˇrístupováadresa – pro propagaˇcnípaket je adresa vždy stejná, pro datový paket se musí mˇenitpro každé spojení vytvoˇrenémezi zaˇrízeními.Tuto adresu vytváˇrí pouze iniciátor. • Datová jednotka PDU – datové jednotky se rozdˇelujína datovou jednotku pro pro- pagaˇcnípaket a datovou jednotku pro datový paket. • CRC – každý paket musí mít na konci zabezpeˇcenícyklickým kódem.

Obrázek 2.4: Formát paketu Bluetooth LE

Nejd ˚uležitˇejšíˇcástíjsou datové jednotky. V propagaˇcnídatové jednotce se nachází 16 bitové záhlaví a informaˇcnípole libovolného rozsahu. Maximálnˇevšak m ˚užebýt datová 33 jednotka velká až 312 bit ˚u.Záhlaví je znázornˇenona obrázku 2.5. Skládá se z následují- cích polí:

• Typ datové jednotky – urˇcujetyp propagaˇcníhopaketu. Tˇechto typ ˚uje sedm a roz- dˇelujíse na typy pro propagaci (4 typy), skenování (2 typy) a pˇripojení(1 typ). Velikost tohoto pole je 4 bity.

• RFU (Reserved for Future Use) – tyto pole jsou 2 bitové a jsou urˇcenápro budoucí použití. Jsou tedy nulové.

• Tx, Rx adresa – tyto pole uchovávají informace specifické ke každému typu datové jednotky.

• Délka – indikuje velikost informaˇcníhopole celého paketu.

Obrázek 2.5: Záhlaví propagaˇcníhopaketu

Datová jednotka pro pˇrenosdat je v základu stejná jako pro propagaci, ale m ˚užeob- sahovat pole pro zabezpeˇcenízprávy (Message Integrity Check). Záhlaví je 16 bitové. Je znázornˇenona obrázku 2.6 a skládá se z tˇechtopolí:

• LLID (Link Layer ID) – 2 bitové pole definující formát informaˇcníhopole.

• NESN (nextExpectedSeqNum) – toto pole slouží pro potvrzení poslední pˇrijatéda- tové jednotky. Velikost pole je 1 bit.

• SN (transitSeqNum) – identifikuje paket posílaný pˇreszákladní vrstvu. Velikost pole je 1 bit.

• MD (More Data) – má dva stavy (0 a 1) a indikuje, zda zaˇrízeníještˇebude posílat další data. Velikost pole je 1 bit.

• RFU – pole urˇcenépro budoucí použití. Velikost tˇechtopolí jsou 3 bity.

• Délka - indikuje velikost informaˇcníhopole celého paketu. Velikost informaˇcního pole se pohybuje od 0 bit ˚udo 248 bit ˚u.

Existuje daný ˇcasovýinterval pro posílání dvou paket ˚una jednom fyzickém kanálu. Tento interval se nazývá mezirámcový prostor a je délka je 150 ms. [17] 34

Obrázek 2.6: Záhlaví datového paketu

2.4.3.2 Režimy jednotek Bluetooth Low Energy

Operace na základní vrstvˇese dají popsat v pˇetirežimech. Pouze jeden z tˇechtorežim ˚u m ˚užebýt na zaˇrízeníaktivní. Základní postup pˇrivyhledávání a pˇripojovánídvou, ˇci více zaˇrízeník sobˇeje již popsán v kapitole 2.4.1. Mezi režimy jednotek patˇrí:[17]

• Režim pozastaven - výchozí stav zaˇrízení.V tomto stavu zaˇrízenínevysílá ani ne- pˇrijímápakety.

• Režim propagaˇcní- zaˇrízenívysílá pakety s propagaˇcnídatovou jednotkou v pˇrí- slušných propagaˇcníchudálostech. Propagaˇcníudálost se uzavˇrepo odeslání stejné propagaˇcnídatové jednotky do všech propagaˇcníchkanál ˚u.

• Režim skenování - v režimu skenování naslouchá zaˇrízenípropagaˇcnímpaket ˚um. Skenování m ˚užebýt pasivní nebo aktivní. V pasivním skenování zaˇrízenípouze pˇrijímápakety. V aktivním skenování m ˚užepˇriobdržení propagaˇcníhopaketu s požadovaným typem datové jednotky požádat propagátora o poslání dalších in- formací.

• Režim inicializování - iniciátor naslouchá na propagaˇcníchkanálech na propagaˇcní paket s datovou jednotkou urˇcenoupro pˇripojení.Po úspˇešnémpˇrijetísprávného typu datové jednotky se mezi zaˇrízeníminaváže spojení.

• Režim pˇripojení- zaˇrízeníse nachází v režimu pˇripojení,pokud je spojeno s jiným. Základní vrstva m ˚užeposílat datové pakety v pˇripojovacíchudálostech. Jedna pˇri- pojovací událost se provádí na jednom datovém fyzickém kanálu.

2.4.4 Zmenyˇ ve vrstvovém modelu prenosuˇ dat

Díky novému systému Bluetooth LE bylo nutné vytvoˇritnové modely pˇrenosu dat. Nové kanály ˇcispoje se objevily ve všech ˇctyˇrechpodvrstvách vrstvového modelu pro pˇrenos dat. Pro Bluetooth LE byly pˇridánydva fyzické kanály: [17]

• LE kanál pikosítˇe(LE Piconet Channel) – tento fyzický kanál je využit pˇribˇežném pˇrenosumezi dvˇemapˇripojenýmizaˇrízeními.

• Fyzický kanál pro propagaˇcníbroadcast (Advertisment Broadcast Channel) – tento kanál je použit pro zˇrízenípˇripojenínebo pro broadcastový pˇrenosdat mezi nepˇri- pojenými zaˇrízeními. 35

S fyzickými kanály jsou pak úzce spojeny také fyzický spoj aktivního LE (LE Active Physical Link) a fyzický spoj propagace LE (LE Advertising Physical Link). Byly definovány dva nové kanály pro logický pˇrenos:[17]

• Asynchronní logický pˇrenosLE ACL – zaˇrízení master a slave jsou k sobˇepˇripojena tímto kanálem. LE ACL nese logické spoje a L2CAP kanál urˇcenýk signalizaci a pˇrenosasynchronních dat.

• Broadcastový logický pˇrenospro propagaci ADVB (ADVertising Broadcast) – logický pˇrenospro pˇrenosbroadcastových dat do všech dostupných zaˇrízeníve skenova- cím režimu.

Bluetooth LE definuje 4 logické spoje, které se m ˚užoupˇrenášetuvnitˇrkanál ˚ulogic- kého transportu. Tyto spoje jsou rozlišeny odlišným LLID, který se pˇrenášív záhlaví datové jednotky paketu, pˇrenášejícíhodata. Mezi logické spoje patˇrí:[17]

• Logický spoj pro ˇrízeníLE spoje LE-C (LE Control) – tento logický spoj pˇrenášísig- nalizaci mezi zaˇrízenímiv pikosíti.

• Uživatelský asynchronní logický LE spoj LE-U (User Asynchronous LE) – logický spoj pˇrenášíveškerá asynchronní data. Je pˇrenášenpˇreslogický transport LE ACL.

• Logický spoj pro ˇrízeníADVB spoje ADVB-C (ADVB Control) – logický spoj pˇrenáší signalizaci mezi všemi nespojenými zaˇrízeními.

• Uživatelský asynchronní logický ADVB spoj ADVB-U (ADVB User data) – logický spoj pˇrenášíbroadcastová uživatelská data mezi nespojenými zaˇrízeními.

2.4.5 Protokol správy bezpecnostiˇ

SMP je peer-to-peer protokol, který se stará o generování šifrovacích klíˇc˚ua klíˇc˚uidentity. Pro sv ˚ujprovoz používá pevného L2CAP kanálu. SMP také šifrovací klíˇceskladuje a je zodpovˇednýpro generování náhodných adres pro známá zaˇrízení.Tento protokol se používá pouze v Bluetooth LE. Podobnou funkci jako tento protokol má v BR/EDR ˇcásti protokol LMP. [17]

2.4.6 Atributový protokol

ATT je peer-to-peer protokol pro komunikaci mezi atributovým klientem a atributovým serverem. ATT klient komunikuje s ATT serverem pomocí pevného L2CAP kanálu. ATT klient posílá pˇríkazya potvrzování na ATT server, který zpátky posílá odpovˇedi.ATT klient tak ˇctev seznamu atribut ˚uATT serveru. [17] 36

2.4.7 Hlavní atributový profil

GATT reprezentuje atributový server a atributový klient. Profil uchovává informace o službách, profilech a atributech v seznamu pˇríslušnéhoserveru. K tˇemtoinformacím lze pˇristupovatpomocí atributového protokolu ATT. GATT je používán pouze pro zaˇrízení Bluetooth LE. [17]

2.4.8 Dodatek 2

Tento dodatek k Bluetooth LE byl vydaný v prosinci 2011. Obsahoval menší zmˇenyv pˇrí- stupovém profilu GAP, kde se pˇridalydatové typy pro propagaci zaˇrízenía rozšíˇrenou odpovˇed’ na vyhledávací dotaz. Zmˇenyse dotkly i vrstvy HCI, kde se zmˇenilaarchitek- tura pro podporu zvuku. Posledním dodatkem pak byla podpora standardu 802.11n pro vrstvu AMP PAL v ˇrídicíˇcástiAMP. [18]

2.4.9 Dodatek 3

Dodatek byl vydán v ˇcervenci2012. Tento dodatek obsahoval zmˇenypro urˇcitéslužby v profilu GAP, napˇríkladpro autentizaci nebo pˇripojení,pˇrípadnˇezmˇenyv adresování koncových zaˇrízenív duálním režimu. Na vrstvˇeHCI byly pˇridányinformaˇcnípˇríkazypro komunikování transportní vrstvy se zaˇrízením,používající jiné bezdrátové sítˇe,které by mohly rušit spojení mezi Bluetooth zaˇrízeními.Mohou se tak domluvit na používání jiných frekvencí a nemusí se tak navzá- jem rušit. Díky tomuto vylepšení musely být vytvoˇrenydvˇenové transportní vrstvy pro komunikaci mezi ˇrídicíˇcástíBluetooth systému a zaˇrízením,používající jinou bezdráto- vou mobilní sít’. Tyto transportní vrstvy byly vytvoˇrenéna základˇesériového rozhraní UART, a to na standardním poloduplexním nebo plnˇeduplexním spojení. [18]

2.4.10 Dodatek 4

Dodatek byl vydán v únoru 2013. Nejvˇetšízmˇenouje pˇridáníbroadcastového bezespojo- vého fyzického spoje pro zaˇrízení slave. Tento fyzický spoj zajišt’uje jednosmˇernýpˇrenos dat pro zaˇrízenís ˇrídicíˇcástíBR/EDR, které chtˇejíposílat data z jednoho master na více zaˇrízení slave. Pokud zaˇrízeníchce naslouchat paket ˚um,urˇcenýchpro tento pˇrenosdat, vytvoˇríse kanál logického pˇrenosuCSB (Connectionless Slave Broadcast). Je potˇrebazd ˚u- raznit, že tento typ logického pˇrenosunepˇrenášílogický spoj urˇcenýpro pˇrenosasyn- chronních dat kanál ˚uL2CAP, nýbrž se uvnitˇrkanálu pˇrenášílogický spoj PBD (Profile Broadcast Data). Logický spoj PBD je podobný spoj ˚umSCO-S a eSCO-S, které posílají data v pevným intervalech. Kv ˚ulibroadcastovému jednosmˇernémufyzickému spoji pro zaˇrízení slave bylo nutné vytvoˇritnový fyzický kanál, který sice tento spoj nepˇrenáší,ale je nutný k jeho správ- nému fungování. Samotný fyzický spoj se pˇrenášína adaptivním fyzickém kanálu piko- sítˇe.Novým kanálem je pak fyzický kanál pro synchronizaˇcnískenování (BR/EDR Syn- chronization Scan Physical Channel), který je použit zaˇrízenímpro obdržení informací o ˇcasovánía frekvencích použitých pro pˇrenosbroadcastových dat. 37

Dalším dodatkem pak je napˇríkladrychlý interval pro posílání propagaˇcníchpaket ˚u, který umožˇnujeurˇcitˇrídicíˇcásti,za jak dlouho lze vytvoˇritspojení mezi zaˇrízeními. Ca-ˇ sový rozsah je od 20 ms do 10,24 s. [18]

2.4.11 Topologie Bluetooth Low Energy

Nejvˇetšízmˇenouve specifikaci 4.1 je možnost pro zaˇrízenízároveˇnpracovat jako master a slave. Zaˇrízenítak napˇríkladmohou spolu komunikovat skrze prostˇredníka.Taková komunikace je znázornˇenana obrázku 2.7. ZaˇrízeníA je master pro zaˇrízeníC, a zároveˇn je slave pro zaˇrízeníB. V tˇechtopikosítích pak probíhá komunikace pomocí pˇripˇripo- jovacích událostí. Zaˇrízení D (iniciátor) se pokouší spojit se zaˇrízenímA. Pokud by se navázalo spojení, bylo by zaˇrízeníA master pro C a slave pro zaˇrízeníB i D. [18]

Obrázek 2.7: Pˇríkladspojení zaˇrízeníve specifikaci 4.1

2.4.12 Režim L2CAP pro Low Energy data

Ve specifikaci 4.1 byl pˇridánnový režim pro ˇrízenítoku LE dat. Tento režim sestaráo kontrolu toku LE dat použitím spojovˇeorientovaných kanál ˚uvytvoˇrenýchna základˇe kreditového schématu vytvoˇrenéhoz L2CAP dat. Nepoužívá se zde L2CAP signalizace. Toto je jediný režim, kde m ˚užeBluetooth LE použít k pˇrenosudat spojovˇeorientovaný kanál. [18]

2.4.13 Zabezpecenéˇ spojení pro základní rídicíˇ cástˇ

Zabezpeˇcenéspojení je režim pro zaˇrízenís BR/EDR ˇrídicíˇcástí,které se chtˇejíspárovat párováním SSP. Zabezpeˇcenéspojení Diffie-Hellman ˚uvprotokol s eliptickou šifrou, jejíž vytvoˇrenáinformace má tvar 256 bitového náhodného ˇcísla.Tento protokol je použit pro autentizaci. Pro šifrování používá AES-CCM šifru stejnˇejako specifikace 4.0. [18]

2.4.14 Low Energy soukromí

První verze LE soukromí se objevila už v pˇredchozíspecifikaci, ale zde se tato funkce zdokonalila. LE soukromí pracuje na základní vrstvˇe.Pˇripoužití této funkce se veˇrejná 38 adresa zaˇrízeníBD_ADDR zakryje za náhodnou privátní adresu, která má stejný formát a ostatním zaˇrízenímse jeví jako normální veˇrejnáadresa. Tato funkce se používá pˇredevšímpro ochranu pˇredsledováním zaˇrízení.Privátní adresa by se mˇelav pravidelných intervalech mˇenit,avšak pokud se adresa mˇenípˇríliš ˇcasto,m ˚užeto mít vliv na samotné spojení s jiným zaˇrízením.[19]

2.4.15 Zabezpecenéˇ spojení pro rídicíˇ cástˇ Low Energy

Je velice podobné zabezpeˇcenémuspojení BR/EDR, které bylo poprvé pˇredstavenov minulé specifikaci. Protokol SMP ted’ generuje šifrovací klíˇcena základˇeprotokolu Diffie- Helmann. Ten vytvoˇrí256 bit ˚udlouhé náhodné ˇcíslopro autentizaci bˇehempárování, pro šifrování se využívá AES-CCM šifrování. [19]

2.5 Používané cipyˇ V zaˇcátcíchBluetooth se nejvíce implementovaly ˇcipyna základních deskách, pozdˇejiv headsetech nebo mobilních telefonech. Mezi výrobce, kteˇrízaˇcalyvyrábˇettyto ˇcipy, patˇrí IBM, která se však zamˇeˇrovalaˇcistˇena poˇcítaˇcovékomponenty. První generaci Bluetooth ˇcip˚uvyrábˇelypˇredevšímdvˇevýrobní spoleˇcnostiCSR a Texas Instruments. Cipyˇ CSR byly výhodné v tom ohledu, že firma vyrábˇelapro více výkonových tˇrídzároveˇn. Cipyˇ tˇechtospoleˇcnostíse používali hlavnˇev mobilních telefonech a headsetech. Cipyˇ s prvními verzemi Bluetooth se již masovˇenevyrábˇejía jejich dostupnost je omezená. Cipyˇ druhé generace jsou i v souˇcasnostivyrábˇenya osazovány do urˇcitýchpˇrístroj ˚u. Vedle typických dodavatel ˚uCSR a Texas Instruments se objevovali další jako napˇríklad ConnectBlue, LM Technologies, Silicon Labs nebo Broadcom. Samotné ˇcipyse dˇelído r ˚uznýchskupin podle použití, ˇcipsety, které by umˇelykomu- nikovat skrze všechny dostupné profily, se nepoužívají. Nejvˇetšífirmy pro výrobu kon- cových komunikaˇcníchzaˇrízeníjako Apple, Samsung, používají pˇredevšímˇcipyfirmy CSR. Cipyˇ pro verzi Bluetooth 3.0 jsou pˇredevšímzáležitostí firmy CSR a Silicon Labs. Pro tyto ˇcipybyla d ˚uležitáspolupráce s ˇcipemtechnologie 802.11, ˇciliwi-fi. Ctvrtáˇ generace Bluetooth se rozdˇelilana ˇcipyv jednoduchém a duálním režimu. Cipyˇ v jednoduchém režimu byly vˇetšinounízkovýkonové a urˇcenék výdrži i nˇekolik let. Jejich velikost je v jednotkách milimetr ˚u,kdežto ˇcipyv duálním režimu mohou být až trojnásobnˇevelké. [20]

2.6 Srovnání Bluetooth specifikací Vývojových standard ˚uBluetooth je celá ˇradaa ne všechny jsou evolucí toho pˇredešlého. Dva standardy se od sebe mohou lišit v mnoha ohledech a jsou urˇcenypro jinou oblast komunikace. Všechny novˇejšíspecifikace jsou však kompatibilní se staršími, ale vtako- vém pˇrípadˇese využívá vlastností staršího standardu. 39

Výrobce Výrobní oznaˇcení Specifikace Výkonová Pˇríkladpoužití tˇrída Free2Move F2M03C1-101 1.1 1 Mobilní telefony, poˇcítaˇcové periférie CSR BC57E687C-ATB- 2.0 2, 3 Bezdrátové head- E4 sety CSR BC57E687B-ITB- 2.1 2, 3 Stereo sluchátka, E4 reprosoustavy Texas Instruments CC2541F256RHAT 4.0 3 Spotˇrební elektronika

Tabulka 2.1: Pˇríkladyˇcip˚uBluetooth [20]

První generace se již v souˇcasnostinevyužívá. Specifikace s oznaˇcením2.0 a 2.1 pˇri- nesly rychlejší pˇrenosdat, vylepšenou výdrž a hlavnˇebezpeˇcnost.Bluetooth 3.0 je urˇcen pro vysokorychlostní pˇrenosdat skrze wi-fi spojení. Používá se tak u zaˇrízenís imple- mentovanou technologií wi-fi. Ctvrtáˇ generace pˇrineslatechnologii Low Energy s velmi nízkou energetickou nároˇcností,zvýšený dosah a doˇckalase rozšíˇrenído nových techno- logických oblastí.

Bluetooth Bluetooth Bluetooth Bluetooth Bluetooth Bluetooth 1.1 1.2 2.0 2.1 3.0 LE Pˇrenosová rych- 0,721 0,721 2 nebo 3 2 nebo 3 24 24 lost [Mbit/s] Zpˇetnˇe kompati- Ano Ano Ano Ano Ano Ano bilní AHF Ne Ano Ano Ano Ano Ano Párování SSP Ne Ne Ne Ano Ano Ano 802.11 PAL Ne Ne Ne Ne Ano Ano Podpora NFC Ne Ne Ne Ano Ano Ano

Tabulka 2.2: Srovnání specifikací 40

3 Prehledˇ komunikacníchˇ zarízeníˇ s technologií Bluetooth

Technologie Bluetooth se v souˇcasnostinasazuje do spousty typ ˚uzaˇrízenía jsou urˇcené pro bezdrátovou komunikaci v nejr ˚uznˇejšíchodvˇetvích.Nejznámˇejšímizástupci jsou již od poˇcátkumobilní zaˇrízení,tedy mobilní telefony, pozdˇejichytré telefony a tablety.

3.1 První mobilní zarízeníˇ V roce 2000 se na trhu zaˇcaliobjevovat první zaˇrízenís implementovaným ˇcipemBlueto- oth. Jako první mobilní zaˇrízeníse pˇredstavilEricsson T36 v roce 2000. Tento telefon však nikdy nevstoupil do volného prodeje. O další rok pozdˇejijej následovaly další zaˇrízení firmy Ericsson, všechny osazené ˇcipemspecifikace 1.0b. Použitelnost služeb bylavšak kv ˚ulinestabilnímu pˇripojenímizivá a ostatní spoleˇcnostitak poˇckalina novou, vylepše- nou specifikaci 1.1. [10] Nokia pˇredstavilasv ˚ujprvní telefon s Bluetooth v roce 2001, již s verzí 1.1. Využívalo se profil ˚udefinovaných ve specifikaci 1.0b, spoleˇcnˇes profily, jejichž specifikace bylyvy- dané pozdˇeji.Mezi nˇepatˇrilnapˇríkladpopulární profil HFP pro pˇripojenímobilního telefonu k automobilovému hands-free setu. D ˚uležitéje poznamenat, že jednotlivé služby (profily) musí být pˇrítomnyv obou zaˇrízeních,v opaˇcnémpˇrípadˇenebude služba fungo- vat. Seznam základních a dalších vybraných profil ˚unaleznete v kapitole 1.2.10. [21, 22]

Zaˇrízení Rok výroby Verze Bluetooth Pˇríkladypoužitých profil ˚u Ericsson T36 2000 1.0b - Ericsson T68 2001 1.0b HSP, OPP, SYNCH Nokia 6310 2001 1.1 HFP, HSP, OPP, FTP Sony Ericsson T630 2003 1.0b HFP, HSP, FTP

Tabulka 3.1: Vybraná zaˇrízenís první generací Bluetooth

3.2 Rozmach technologie Bluetooth v mobilních zarízeníchˇ Po vydání specifikace 2.0 se zaˇcaloBluetooth nasazovat do naprosté vˇetšinymobilních zaˇrízení.Standard s oznaˇcením2.0 se implementoval pˇredevšímdo vlajkových lodí jed- notlivých výrobc ˚u,kdežto o generaci nižší verzi 1.2 se implementovala do levnˇejších model ˚u. Díky zvýšené pˇrenosovérychlosti nasazením novˇejšíspecifikace je možno využívat v mobilních zaˇrízeníchprofilu A2DP pro pˇrenoskvalitního stereo zvuku mezi pˇrístroji. Dále byla pˇridánapodpora profil ˚upro dálkové ovládání televizor ˚u,Hi-fi stanic, kláves- nic, myší, služba pro propojení více zaˇrízenís technologií Bluetooth do jedné sítˇePAN (Personal Area Network) nebo služba urˇcenápro získání dat SIM karty pˇríslušnéhotele- fonu jiným zaˇrízením.[21, 22] 41

Všechny zaˇrízeníspecifikace 2.0 jsou zpˇetnˇekompatibilní s nižšími verzemi, avšak pˇripˇripojenídvou zaˇrízenís r ˚uznýmispecifikacemi se užívají parametry a profily dané nižší verzí.

Zaˇrízení Rok výroby Verze Bluetooth Pˇríkladypoužitých profil ˚u Sony Ericsson K750 2005 2.0 HFP, FTP, HID Nokia 6230 2005 1.2 HFP, SAP Nokia 6300 2006 2.0 HFP, A2DV, SAP, PAN Sony Ericsson K800 2006 2.0 HFP, A2DV, HID, PAN

Tabulka 3.2: Vybraná mobilní zaˇrízeníz let 2005 a 2006

3.3 Nástup dotykových mobilních zarízeníˇ Na poˇcátkuroku 2007 pˇredstavilaamerická firma Apple první generaci svého chytrého mobilního telefonu s dotykovým displejem iPhone. Tento telefon byl osazen ˇcipemspe- cifikace 2.0. Kv ˚ulikompletnˇenovému systému a ovládání se u iPhonu uplatnila pouze malá ˇcástBluetooth profil ˚u,a to pro pˇrenoshlasu, ˇciliprofily HSP a HFP. Ostatní služby museli poˇckatna pˇrepracovánísvých specifikací. iPhone a jeho nástupce iPhone 3G pak následovaly Nokia s dotykové telefony založe- ných na operaˇcnímsystému Symbian. Nabídka služeb Bluetooth byla aktualizována pro potˇrebydotykových mobil ˚u. První chytré mobilní zaˇrízeníse specifikací 3.0 pro vysokorychlostní pˇrenosdat se staly pˇrístroje korejské firmy Samsung, konkrétnˇetyp Galaxy S. Tento telefon pracuje pod operaˇcnímsystémem Android. Nokie mezitím opustily Symbian pˇrešlyna operaˇcní systém Windows Phone. [21, 22] Kromˇeklasických služeb jako pˇrenosdat a spojení s headsety se objevily aplikace k zabránˇeníkrádeži nebo ztrátˇeurˇcitévˇeci,produktu. Chránˇenávˇecje vybavena Bluetooth nálepkou, která neustále komunikuje s mobilním zaˇrízením.Pokud se spojení pˇreruší, v mobilním zaˇrízeníse spustí alarm. Koncept byl poprvé použit v roce 2009. [5]

Zaˇrízení Rok výroby Verze Bluetooth Pˇríkladypoužitých profil ˚u iPhone 2007 2.0 pouze HFP, HSP iPhone 3G 2008 2.0 pouze HFP, HSP Nokia 5800 2008 2.0 HFP, A2DV, AVRCP Samsung Galaxy S 2010 3.0 HFP, A2DV, AVRCP Samsung Galaxy Nexus 2011 3.0 HFP, A2DV, HID Nokia Lumia 800 2011 2.1 HFP, A2DV

Tabulka 3.3: Vybraná dotyková zaˇrízenídruhé a tˇretígenerace 42

3.4 Zarízeníˇ s podporou Bluetooth Low Energy Oznámení specifikace pro zaˇrízenís velmi nízkým výkonem pˇrineslomobilním zaˇríze- ním nové možnosti, hlavnˇepro komunikaci se zaˇrízenímiBluetooth Smart. Mobilní zaˇrí- zení byly oznaˇcenyjako Bluetooth Smart Ready a mohou komunikovat jak se zaˇrízeními s velmi nízkým výkonem, tak s pˇrístroji osazenými staršími verzemi Bluetooth. Zaˇrízení Bluetooth Smart smí komunikovat pouze s Bluetooth Smart Ready. Samozˇrejmˇestále platí podmínka stejných profil ˚una obou zaˇrízeních.Seznam zaˇrízeníschopných komunikovat s výrobky Bluetooth Smart je v souˇcasnostiomezený. [23] Prvním komunikaˇcnímzaˇrízeníms Bluetooth Low Energy byl iPhone 4S firmy Ap- ple. Ten podporoval standardní služby jako spojení s headsety a pˇrenoskvalitního stereo zvuku, ale napˇríkladnemˇelprofil pro pˇrímouvýmˇenudat. Výmˇenadat mezi jinými znaˇckaminež Apple je ˇrešenapoužitím aplikací tˇretíchstran. [24] Operaˇcnísystém Android mˇeltrochu krkolomnˇejšízaˇcátky. Zprvu nemˇeliprogramá- toˇrik dispozici zdrojové kódy, až s nástupem vlajkových lodí jednotlivých výrobc ˚ua na podzim roku 2012 se objevily první aplikace pro Bluetooth Low Energy. [25] V nové specifikaci se vedle dˇrívedefinovaných profil ˚uobjevují profily pro komunikaci se zaˇrízeníBluetooth Smart. Tyto profily vychází z hlavního atributového profilu GATT a ne všechny jsou urˇcenépro mobilní zaˇrízení.Nejznámˇejšínabízené služby pro komunikaci mobilního zaˇrízenís jiným jsou následující: [21, 22, 26] • Služba pro upozorˇnování,která umožˇnujeklientovi pˇrijímatinformace o zmeška- ných hovorech nebo pˇrijatýchzpráv od dalšího zaˇrízení. • Služba pro komunikaci mezi mobilním telefonem a pˇrístrojem pro mˇeˇrenítlaku, srdeˇcníhotepu nebo krokomˇeru. • Služba pro urˇcenívzdálenosti mezi dvˇemazaˇrízenímiumožˇnujícínapˇríkladvaro- vat pˇredvýpadkem spojení. • Služba pro automatickou zmˇenuˇcasovézóny, pˇrípadnˇesamotného ˇcasuna pˇripo- jeném zaˇrízení.

Zaˇrízení Rok výroby Verze Bluetooth Pˇríkladypoužitých profil ˚u iPhone 4S 2011 4.0 HFP, A2DV, AVRCP, GATT Samsung Galaxy Note II 2012 4.0 HFP, HSP, A2DV, GATT Sony Xperia Z1 2013 4.0 HFP, A2DV, GATT iPhone 6 2014 4.1 HFP, A2DV, AVRCP, GATT Nokia Lumia 730 2014 4.0 HFP, A2DV, AVRCP, GATT Samsung Galaxy S6 2015 4.1 HFP, A2DV, AVRCP, GATT

Tabulka 3.4: Zaˇrízenís profily pro Bluetooth Low Energy

Nejnovˇejšíspecifikaci Bluetooth 4.2 zatím nemá žádný mobilní pˇrístroj. Dá se oˇceká- vat jeho nasazení v roce 2016. 43

4 Oblasti použití technologie Bluetooth

Hlavním d ˚uvodempro vytvoˇrenínové technologie bylo zjednodušení celého procesu komunikace mezi dvˇemazaˇrízenímina krátkou vzdálenost. Dosud se na takový pˇrenos používalo sériové rozhraní RS-232. Cíle byly zˇrejmé– odstranˇeníkabel ˚ua konektor ˚u jednodušším bezdrátovým pˇrenosem.Bluetooth se stal první technologií založenou na podobném principu. [5, 27] V souˇcasnostijsou ˇcipytechnologie Bluetooth rozšíˇrenév nˇekolika miliardách uni- kátních zaˇrízení.Jsou implementovány v mobilních telefonech, pˇrenosnýchpoˇcítaˇcích,v lékaˇrskýchzaˇrízeních,v automobilovém pr ˚umyslunebo v domácí elektronice. [27]

4.1 Mobilní telefony Mobilní telefony jsou pro koncové zákazníky nejˇcastˇejšímipˇrístroji, kde využívají služeb technologie Bluetooth. V dnešní dobˇepˇrevládajítzv. chytré telefony, jejichž výpoˇcetní kapacita je na úrovni poˇcítaˇc˚u,což umožˇnujejednodušší sbírání a analýzu údaj ˚u. Nejnovˇejšíchytré telefony obsahují ˇcipyv duálním režimu ˇctvrtégenerace Bluetooth. Umožˇnujítedy komunikaci jak s pˇrístroji Bluetooth Smart, tak s pˇrístroji v klasickém režimu. Mohou sloužit jako „brána“ mezi jednotlivými zaˇrízeními,napˇríkladpro výše zmínˇenésbírání dat. [27] Typické využití Bluetooth v mobilních telefonech m ˚užebýt následující: [27]

• Propojení s hands-free v automobilech nebo bezdrátovými sluchátky a headsety. • Komunikace s tablety a poˇcítaˇci,napˇríkladposílání menších soubor ˚u. • Spojení s chytrými hodinkami, napˇríklad možnost pˇrijmout,odmítnout hovor na hodinkách bez nutnosti manipulace s telefonem. • Jednoduchý sbˇerdat ze senzor ˚upro mˇeˇreníkrevního tlaku, tepu, krokomˇer˚uapod. • Propojení se zaˇrízenímina urˇcovánívzdálenosti. Mobilní telefon je spojen s tímto zaˇrízením,pokud se vzdálí na urˇcitouvzdálenost, spustí se alarm. • Použití telefonu jako dálkového ovladaˇce,napˇr.pro televizi nebo multimediálního centra.

Chytré telefony také využívají jiných bezdrátových technologií pro párování jednot- livých zaˇrízení.Pˇríklademm ˚užebýt NFC, které umožˇnujevelmi rychlé spárování dvou zaˇrízenía na pˇrenosdat je pak použit Bluetooth. [5]

4.2 Pocítaˇ ce,ˇ tablety, domácí elektronika Bluetooth je rozšíˇrenéi v zaˇrízeníchjako jsou poˇcítaˇcea tablety. Pokud poˇcítaˇcnemá nativní podporu Bluetooth, existuje velká škála Bluetooth adaptér ˚uumožˇnujícípˇripojení pˇresrozhraní USB. Nejˇcastˇejšímvyužitím Bluetooth je pro synchronizaci mezi poˇcítaˇcem, tabletem a mobilním telefonem. Další použití m ˚užebýt následující: [27] 44

• Bezdrátové pˇripojeníPC s tiskárnou, skenerem nebo vstupní perifériemi (kláves- nice, myši, apod.).

• Díky profilu PAN umožˇnujepropojení nˇekolikazaˇrízenído ad-hoc sítˇe,kde jeden poˇcítaˇcbude zaˇrízením master, ostatní jeho slave.

• Tablet m ˚užebýt propojen s televizí, která podporuje Bluetooth, klávesnicí nebo senzory Bluetooth Smart.

• Tablety urˇcenépro kreslení schémat nebo grafiky mohou být pˇripojenyk PC ajed- noduše tak synchronizovány.

Do domácí elektroniky m ˚užemeˇraditzaˇrízenípro poslouchání hudby jako pˇrenosné reproduktory, bezdrátová sluchátka. Dále se Bluetooth ve velké míˇreimplementuje do dálkových ovladaˇc˚ukomunikující s chytrou televizí, bezdrátové ovladaˇcepro herní kon- zole, foto rámeˇckypodporující technologii Bluetooth nebo digitální kamery pro okamžitý pˇrenosnatoˇcenéhomateriálu do pˇripojenéhoBluetooth zaˇrízení.[27]

4.3 Automobilový pr ˚umysl Bluetooth si našlo cestu i do automobilového pr ˚umyslu.Díky technologii Bluetooth je u aut nejˇcastˇejšíslužbou propojení mobilního telefonu s hands-free setem nebo obyˇcejným headsetem. Vyluˇcujetak fyzickou manipulaci s mobilním telefonem, a tím zaruˇcujeo nˇecovyšší bezpeˇcnostna cestách. Pokud samotný automobil podporuje Bluetooth, m ˚užese chytrý telefon pˇripojitpˇrímo na palubní poˇcítaˇc.Toto spojení nabízí široké spektrum možností použití, napˇr:[27]

• Pomocí hlasových pˇríkaz˚uje možno procházet adresáˇremkontakt ˚u.

• Zobrazení GPS navigace pˇresmobilní telefon na palubním poˇcítaˇci.

• Mobilní telefon pˇripojenýk mobilní síti m ˚užezjistit pˇrípadnénehody nebo uza- vírky.

• Aplikace pro chytrý telefon mohou ˇridiˇcevarovat pˇredzdravotními obtížemi, které se mohou bˇehemcesty objevit, napˇr.alergeny nebo pˇrespˇripojenýsenzor m ˚uže sledovat hladinu cukru.

Pˇrípadnýmajitel komunikaˇcníhozaˇrízeníby mˇelmít na pamˇeti,že obˇepˇripojené zaˇrízenímusí pro žádanou službu obsahovat stejný Bluetooth profil. Napˇríkladprofil pro zasílání a pˇrijímánízpráv mezi zaˇrízenímiMAP (Message Access Profile) není souˇcástí starších telefon ˚u,je tak nemožné používat tyto služby, pokud vlastníte starší mobilní telefon. [26] 45

4.4 Zdravotnictví Na trhu se v této dobˇenachází až 40 milion ˚uzaˇrízenípro lékaˇrskéúˇcely, a to jak pro profesionální užití, tak na domácí. K rozšíˇrenídomácích zaˇrízenís lékaˇrskýmúˇcelem napomohly zaˇrízeníBluetooth Smart. Hlavní zamˇeˇreníje pro sbírání dat o zdravotním stavu pacienta pˇressenzorové zaˇrízení,napˇr.mˇeˇriˇckrevního tlaku. Tyto údaje se zpracují v pˇríslušnéaplikaci mobilního telefonu nebo tabletu a výsledky se pak posílají pˇrímo doktorovi. Navíc díky vylepšené bezpeˇcnostipˇripárování zaˇrízení,které pˇrineslaˇctvrtá generace specifikace Bluetooth, je možno uchovat ˚uvˇernostbˇehempˇrenosu.d Pˇrístroje s Bluetooth se mohou využívat i pˇrímov ordinaci. Existují stetoskopy, které data o tlukotu vašeho srdce pˇrenášejíbezdrátovˇepˇrímodo poˇcítaˇce.Na podobném principu pracují i pˇrístroje pro mˇeˇrenícukru a inzulínu v krvi. Tyto pˇrístroje dokáží i, samo- zˇrejmˇeve spolupráci s ošetˇrujícímlékaˇrem,pˇresnˇeurˇcitpotˇrebnédávky inzulínu. Do oblasti zdravotnictví lze pˇriˇraditi váhy nebo senzory pro monitorování pulzu, srdeˇcního tepu. [27]

Výrobce Model Typ zaˇrízení BiiFit HRM01 Mˇeˇriˇcsrdeˇcníhotepu iHealth Lab GB5L Mˇeˇriˇccukru v krvi Prestigio Smart Blood Pressure Monitor Monitor krevního tlaku

Tabulka 4.1: Pˇríkladyzaˇrízenípoužívané ve zdravotnictví [28]

4.5 Chytrý domov Technologie Bluetooth Smart umožˇnujevybudovat uzavˇrenýekosystém založený na pro- pojení všech zaˇrízeník centrálnímu poˇcítaˇci.Každý pˇrístroj, jako napˇríkladchytré žá- rovky, zámky na dveˇre,termostaty komunikují pˇresBluetooth s komunikaˇcnímzaˇríze- ním, jehož aplikace m ˚užed ˚umovládat i automaticky. Mezi pˇrínosypodobného ekosystému je snižování nárok ˚una energie v dané denní dobˇe.K tomu slouží r ˚uznémˇeˇriˇce,které zaznamenávají informace o spotˇrebˇeenergie. Vlastník domu pak m ˚uženastavit výkon urˇcitéhozaˇrízení,napˇríkladklimatizace, a snížit tak energetickou spotˇrebu.Dalším pˇríklademm ˚užoubýt zámky na dveˇre,které se pˇri odchodu majitele uzamknou a naopak pˇripˇríchodunavážou komunikaci se zaˇrízením Bluetooth a automaticky otevˇredveˇre.[27]

Výrobce Model Typ zaˇrízení Chamberlain MyQ Ovladaˇcgarážových dveˇrí FBSC F-PLUG Mˇeˇriˇcspotˇrebyenergie Satechi Spectrum iQ Bulb Chytrá žárovka

Tabulka 4.2: Pˇríkladyzaˇrízenípoužívané pro ekosystém chytrého domova [28] 46

4.6 Další vývoj technologie Bluetooth Bluetooth se nyní soustˇred’uje na rozšíˇrenísvých zaˇrízenís ˇcipyspecifikace ˇctvrtége- nerace, tudíž pro potˇrebypˇrístroj ˚ufungujících na nízkou spotˇrebu.Dá se oˇcekávat,že pˇrístroje jako mˇeˇriˇcsrdeˇcníhotepu, r ˚uznéváhy nebo chytré žárovky budou stále osazo- vány ˇcipyBluetooth. Díky nové specifikaci 4.2 bude nejspíše pˇripravenanová generace zaˇrízení,které se k sobˇebudou moci pojit pomocí ekosystému „Internetu vˇecí“. Existují ale i oblasti, kde je výhodnˇejšípoužití jiné technologie než Bluetooth. Na- pˇríkladv tˇežkémpr ˚umysluje pro bezdrátový pˇrenosdat výhodnˇejšípoužití standardu 802.15.4 neboli ZigBee. Tato technologie se používá v oblastech, kde není požadována vysoká rychlost, ale zároveˇnse požaduje nízká spotˇreba. Další takovou technologií m ˚užebýt NFC, které se používá jako elektronická penˇe- ženka. Výhodou NFC se stala možnost spárování dvou zaˇrízeníve velmi krátkém ˇcase. Dosah této technologie je však jen jednotky centimetr ˚ua pˇrenosovérychlosti jsou nižší než u Bluetooth. M ˚užemetak ˇríci,že Bluetooth spíše m ˚užedoplˇnovat,než že by jej v budoucnu tˇrebanahradil. Faktem je, že Bluetooth je podporován a vyvíjen nejvˇetšímmnožstvím spoleˇcnostía všechny pokusy o jeho nahrazení budou minimálnˇepár následujících let zbyteˇcné. 47

Záverˇ

Cílem této bakaláˇrsképráce bylo popsat a porovnat technologii Bluetooth a jejich jednot- livé specifikace. Dalším bodem bylo zamˇeˇritse na koncové mobilní komunikaˇcnízaˇrí- zení, které tuto technologii využívají a v neposlední ˇradˇepopis r ˚uznýchoblastí, kde se m ˚užeBluetooth využívat. Ctenáˇrijeˇ tak podán ucelený obraz o bezdrátové technologii Bluetooth, zp ˚usobujeho fungování, popisu specifikací tohoto standardu a také možnosti jeho použití. V první ˇcástipráce bylo cílem struˇcnýmzp ˚usobem popsat technologii Bluetooth, a to vˇcetnˇejednotlivých vrstev ˇrídicía hostitelské ˇcásti,parametr ˚ua použitých protokol ˚u a služeb. V první ˇcástinechybí struˇcnáhistorie vývoje standardu. Pˇredlohoupro popis technologie byly veˇrejnostivolnˇedostupné specifikace Bluetooth a standard IEEE 802.15.1 z roku 2005, který vychází za specifikace 1.2. Ve druhé ˇcástipráce jsem popsal a porovnal dosud vydané specifikace, podrobnˇeji jsem popsal jejich parametry a nejvˇetšízmˇenyoproti ostatním specifikacím. Také jsem popsal používané ˇcipyv zaˇrízeníchpodle jednotlivých specifikací Bluetooth. Pˇripsaní této ˇcástijsem nejvíce využíval dostupných specifikací technologie Bluetooth ze serveru spoleˇcnostiBluetooth SIG, stejnˇejako v pˇredchozíkapitole. Kapitola 3 pak ˇctenáˇreseznámí s pˇrehledemjednotlivých mobilních zaˇrízení,pˇrede- vším tedy mobilních telefon ˚u.Tuto ˇcástjsem zpracoval postupnˇepodle let a souvisejících specifikací k danému období. Ke každému období je pˇripravenatabulka nejznámˇejšímis mobilními telefony té doby, samozˇrejmˇeosazené ˇcipemBluetooth. Ke každému typu jsou pak pˇripsánypˇríkladypoužitých profil ˚u,nejˇcastˇejijsou to základní profily jako pro pˇri- pojení k hands-free setu v automobilech apod. Pˇrípravatéto kapitoly byla v nˇekterých ohledech komplikovaná, ne všichni výrobci dají k dispozici kompletní informace k Blue- tooth a všechny použité profily. Poslední kapitola se zabývá technologickými oblastmi, kde se technologie uplatˇnuje. Každá oblast je krátce popsaná, poté vždy následují pˇríkladymožného použití v každé oblasti. Podkapitoly zdravotnictví a prostˇredí„chytrého domova“ navíc obsahují i pˇrí- klady r ˚uznýchzaˇrízení,které jsou v souˇcasnostivyrábˇenya používány. V této kapitole jsem se také krátce zamˇeˇrilna budoucnost, kterou se Bluetooth m ˚užeodebírat, a také na možnou konkurenci pro tento bezdrátový standard.

Tomáš Jerga 48

Seznam literatury

[1] Standard IEEE 802.15.1. IEEE 802.15.1: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for wireless personal area networks (WPANs). Cervenˇ 2005. ISBN 0-7381-4708-7.

[2] SVOBODA, J – SVOBODA, J. Principy a perspektivy technologie Bluetooth. Sdˇelovací technika. 2004, roˇc.52, ˇc.8, s. 3-6. ISSN 0036-9942.

[3] Our History | Bluetooth Technology Website [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://www.bluetooth.com/Pages/History-of-Bluetooth.aspx

[4] PRAVDA, Ivan. Bluetooth [online]. 2013 [cit. 2015-04-08]. Dostupné z: http://data.cedupoint.cz/oppa_e-learning/2_KME/.

[5] Bluetooth - Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

[6] ŠEBESTA, Roman a Marek DVORSKÝ. Rádiové sítˇeI pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báˇnská- Technická univerzita Ostrava, 2014, 1 CD-ROM. ISBN 978-80-248-3612-6

[7] SVOBODA, J – SVOBODA, J. Bluetooth – popis prvních dvou vrstev. Sdˇelovacítechnika. 2005, roˇc.53, ˇc.11/2005, s. 10-11. ISSN 0036-9942.

[8] Bluetooth specifikace verze 1.1. Specification of the Bluetooth System: Wireless Con- nection Made Easy, Core, Volume 1, Únor 2001.

[9] SVOBODA, J – SVOBODA, J. Bluetooth – vrstvy a protokoly. Sdˇelovacítechnika. 2005, roˇc.53, ˇc.12/2005, s. 14-15. ISSN 0036-9942.

[10] Techbox: Bluetooth sjednotilo bezdrátovou komunikace | mobilenet.cz [online]. 2013 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://mobilenet.cz/clanky/techbox-bluetooth- sjednotilo-bezdratovou-komunikaci-12085

[11] Základy technologie Bluetooth: p˚uvod a rozsah funkcí | PC World.cz [online]. 2009 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://pcworld.cz/hardware/Zaklady-technologie- Bluetooth-puvod-a-rozsah-funkci-6635

[12] Bluetooth Basics - learn.sparkfun.com [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: https://learn.sparkfun.com/tutorials/bluetooth-basics

[13] Bluetooth specifikace verze 2.0 + EDR. Specification of the Bluetooth System: Wireless Connection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, Ríjenˇ 2004.

[14] Bluetooth specifikace verze 2.1 + EDR. Specification of the Bluetooth System: Wireless Connection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, Cervenecˇ 2007. 49

[15] Bluetooth specifikace verze 3.0 + HS. Specification of the Bluetooth System: Wireless Connection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, 4, 5, Duben 2009.

[16] Internet of Things - Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Do- stupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things

[17] Bluetooth specifikace verze 4.0. Specification of the Bluetooth System: Wireless Con- nection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, 4, 5, 6, Cervenˇ 2010.

[18] Bluetooth specifikace verze 4.1. Specification of the Bluetooth System: Wireless Con- nection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Prosinec 2013.

[19] Bluetooth specifikace verze 4.2. Specification of the Bluetooth System: Wireless Con- nection Made Easy, Core, Volume 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Prosinec 2014.

[20] Online Catalog | DigiKey Electronics [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://www.digikey.com/catalog/en/

[21] GSMArena.com - GSM phone reviews, news, opinions, votes, manuals and more... [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://www.gsmarena.com/

[22] Phones (Phone Scoop) [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://www.phonescoop.com/phones/

[23] Bluetooth low energy - Wikipedia, the free encyclopedia [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy

[24] iOS: Podporované profily Bluetooth - Apple podpora [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Do- stupné z: https://support.apple.com/cs-cz/HT204387

[25] Android Needs To Get Serious About Bluetooth Low Energy | Pocketnow [online]. 2013 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://pocketnow.com/2013/01/17/bluetooth-low- energy

[26] Profiles Overview | Bluetooth Development Portal [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Do- stupné z: https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/Profiles.aspx

[27] Markets | Bluetooth Technology Website [online]. 2015 [cit. 2015-04-29]. Dostupné z: http://www.bluetooth.com/Pages/market.aspx

[28] Bluetooth Smart Devices List | Bluetooth Technology Website [online]. 2015 [cit. 2015- 04-29]. Dostupné z: http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Smart-Devices- List.aspx#Smart