Bluetooth – Jak to funguje?

Komunikační technologie Bluetooth je celosvětový standard pro bezdrátový přenos dat na krátkou vzdálenost. Takové moduly pro připojení se používají například v mobilních telefonech, náhlavních soupravách a hands-free sadách, tabletech, modemech, automobilech, ukazovacích zařízeních (například myš nebo počítačová klávesnice) nebo bezdrátových reproduktorech a v mnoha dalších zařízeních.

Bluetooth – co to je?

Modul Bluetooth, se kterým se často setkáváme v obchodech s elektronickými součástkami, je malá součástka (integrovaný obvod na desce plošných spojů s příslušnými vývody), která funguje jako vysílač a přijímač. Po správném připojení k zařízení zajišťuje obousměrnou komunikaci s jiným modulem Bluetooth. Umožňuje přenášet data ze zařízení do zařízení na krátké vzdálenosti (ale bez kabelu) oběma směry. Tento typ zařízení se dnes nachází ve většině vyráběných mobilních telefonů (smartphonů), notebooků a mnoha dalších zařízeních. Standard Bluetooth se používá například k přenosu multimediálních souborů z telefonu do počítače, ke komunikaci se sadou hands-free v automobilu, s bezdrátovými sluchátky nebo k propojení počítače s myší či klávesnicí. Dosah Bluetooth je obvykle od několika metrů do přibližně 100 metrů (v přímém směru bez překážek bránících příjmu signálu). Dosah se může lišit v závislosti na výkonu vysílače a přijímače, překážkách, které se mezi nimi vyskytují, nebo jiném rušení. V bytě nebo jiných komerčních budovách je takový dosah obvykle do 10 m. Mohlo by se zdát, že relativně malý dosah je nevýhodou tohoto komunikačního standardu, ale ve skutečnosti je to prostě vlastnost tohoto úspěšně využívaného řešení. Takové moduly se používají pouze v zařízeních, jejichž funkce podporující Bluetooth nevyžadují stálé bezdrátové spojení na větší vzdálenosti. Například bezdrátová sluchátka jsou navržena tak, aby odpadla kabeláž mezi kabelkou, kapsou kalhot nebo batohem a ušima posluchače. Díky krátkému dosahu se nebudou vzájemně rušit ani v místech, kde bude kumulace zařízení Bluetooth vysoká. V automobilech, kde je připojení Bluetooth navázáno automaticky, se také při opuštění kabiny automaticky přeruší – právě kvůli nízké úrovni připojení.

Co je elektromagnetická vlna?

Abychom pochopili, jak Bluetooth funguje, je dobré vědět, jak víceméně fungují rádia.

Bluetooth je technologie přenosu dat, která funguje na podobném principu jako rádio. Využívá elektromagnetické záření, přesněji jeho variantu, kterou jsou rádiové vlny. Dnešní věda dospěla k poznání, že elektromagnetická interakce je jednou ze čtyř základních interakcí v přírodě. Pro technologii Bluetooth byly vybrány frekvence, na kterých většina ostatních zařízení nepracuje. Elektromagnetické vlny nás obklopují od nepaměti – díky nim fungují zařízení, jako jsou mikrovlnné trouby nebo mobilní telefony, ale je třeba si také uvědomit, že například světlo je elektromagnetické vlnění. Je to prostě vlna o délce, která je viditelná lidským zrakem. Viditelné světlo je elektromagnetické záření s vlnovou délkou v rozsahu od 4×10-7 m do přibližně 7×10-7 m (400 nm – 700 nm). Rádiové vlny jsou elektromagnetické vlny s vlnovou délkou větší než 10-4 m (0,1 mm) s frekvencí od 3 kHz do 3 THz. V případě Bluetooth je sledována provozní frekvence v pásmu 2,4 GHz. Dříve se jednalo o rádiové pásmo určené pouze pro průmyslové, lékařské a vědecké aplikace. Rádiové vysílače i vysílače Bluetooth jsou založeny na podobném principu. Když je na anténu přivedeno napájení, začnou se v ní pohybovat elektrony, které v okolí antény vytvářejí elektromagnetické pole. Pokud je v této oblasti umístěna anténa, elektromagnetické pole způsobí, že takový proud (signál) poteče i skrze ni. Vhodnou modulací generované vlny (změnou amplitudy nebo frekvence) lze přenášet informace – signál s uloženou informací.

Jak Bluetooth využívá elektromagnetické vlny?

Moduly Bluetooth jsou zařízení, jejichž prostřednictvím může uživatel vysílat a přijímat data. Fungují jako přijímače i vysílače signálu. Umožňují jednosměrnou komunikaci (jako vysílačka – když jedno zařízení vysílá, nemůže přijímat a naopak) a obousměrnou komunikaci (zařízení může přijímat a vysílat současně – jako telefonní hovor). Během jednoho datového přenosu používají zařízení desítky frekvencí. Při připojení k jinému zařízení vytvářejí samostatnou, jedinečnou síť, určenou pouze pro potřeby obou zařízení. Při novém připojení dalších modulů na stejném místě se vytvoří druhá síť. Takové minisítě se nazývají tzv. pikonety. Zařízení při spojení velmi vysokou rychlostí provádějí synchronní skoky mezi frekvencemi. Za jednu minutu provedou až 100 000 skoků. Informace (například soubory) s velkou kapacitou jsou rozděleny a následně přenášeny po velmi malých částech. Během přenosu může v jedné oblasti pracovat současně mnoho pikosítí (minisítí). Vzniká pak riziko, že dvě sítě narazí na stejnou frekvenci ve stejnou dobu – pravděpodobnost, že se tak stane, je velmi malá, ale pokud by se tak pravděpodobně stalo, nic by se nestalo. Rušení by bylo tak krátké, že by nemohlo nijak významně ovlivnit přenosové časy. Aby sítě fungovaly co nejlépe (bez rušení), může být k jedné připojeno maximálně sedm dalších zařízení. Když je zařízení s modulem Bluetooth zapnuto, vyšle signál v rámci přidružené pikosítě. Ostatní moduly přidružené k síti signál okamžitě zachytí a odpoví – není třeba je aktivovat. Na tomto principu fungují například vestavěné hands-free systémy v nových automobilech. Po nastoupení do vozu a jeho spuštění vůz automaticky zjistí přítomnost připojeného modulu Bluetooth v telefonu vloženém do kapsy a připojí se k němu, takže řidič pak může za jízdy bezpečně telefonovat. Při opuštění vozidla se zařízení po ztrátě dosahu okamžitě odpojí.

Výhody standardu Bluetooth

Hlavní a pravděpodobně nejdůležitější výhodou standardu Bluetooth je kromě absence kabelů nízká spotřeba energie. Proto se také vyznačuje nízkým dosahem. Krátký dosah umožňuje spotřebovat k přenosu velmi málo energie. To má zase pozitivní vliv na náklady na spotřebu energie, které jsou velmi důležité zejména pro mobilní zařízení. Proto se telefony pomocí tohoto standardu připojují k přenosným reproduktorům nebo sluchátkům. Pro obě zařízení je vysokou prioritou spotřebovat co nejméně energie a zároveň plnit daný úkol v co nejlepší kvalitě (kde je jedním z ovlivňujících kritérií rychlost přenosu). To je jeden z důvodů, proč se technologie Bluetooth používá k propojení malých dokovacích sluchátek (která, aby byla pro zákazníky atraktivní, by měla fungovat několik hodin na jedno nabití) a telefonu (který současně dávkuje operační systém, displej, software pro přehrávání hudby, neustálé připojení k síti GSM a nejčastěji také mnoho programů běžících na pozadí).

Dosah Bluetooth – do kolika metrů funguje Bluetooth?

Krátký dosah Bluetooth je jeho zřejmou vlastností, o které si můžete přečíst výše. Stojí však za zmínku, že v závislosti na zařízení existuje jedna ze tří tříd, na kterých bude záviset. Dosah je dán množstvím použitého výkonu – první třída poskytuje dosah až 100 metrů, přičemž k přenosu se používá výkon 100 mW. Jaký je dosah Bluetooth druhé třídy? Tato verze, která se používá nejčastěji, umožňuje spojení se zařízeními vzdálenými až 10 metrů – v této konfiguraci je výkon potřebný k vytvoření signálu již 2,5 mW. Velmi zřídka a ve výjimečných případech se používá třetí třída – zařízení připojená prostřednictvím standardu Bluetooth mohou být od sebe vzdálena jeden metr, ale pak je výhodou pouze 1 mW výkonu potřebného ke generování signálu. Co když nám ale takové vzdálenosti nevyhovují? Jak prodloužit dosah Bluetooth? K tomuto účelu se používají speciální směrové antény, které si s tímto problémem skvěle poradí.

Verze Bluetooth – standardy

Každá technologie, která se stane úspěšnou a oblíbenou u uživatelů, je později vylepšována a aktualizována. To lze pozorovat v mnoha případech – dobrým příkladem je počítačový konektor USB, který dnes najdeme téměř v každém moderním zařízení. V současné době se nejčastěji používá třetí generace tohoto standardu. Specifikace USB 1.0 se objevila v roce 1998 – maximální propustnost přes takovou zásuvku je udávána na pouhých 1,5 MB/s. Dnešní verze USB 3.2 nabízí rychlost až 2,5 GB/s, což je přibližně 1 700krát více než u USB 1.0. V roce 2002 byl oficiálně schválen standard IEEE 802.15.1 – jedná se samozřejmě o Bluetooth. Jednalo se o první verzi: Bluetooth 1.0 – přenos dosahoval rychlosti až 21 kb/s. Dalším stupněm byl Bluetooth 1.2 (přenos – 328 kb/s), poté přišel na řadu Bluetooth 1.2 (přenos – 328 kb/s). Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) – přenos se zvýšil na 2,1 Mb/s. Také druhá generace byla vylepšena – Bluetooth 2.1 + EDR nabídl uživatelům jednodušší proces párování zařízení a především přenos vyžadoval menší spotřebu energie. Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) zrychlil až na 24 Mb/s, verze Bluetooth 3.1 + HS rychlost téměř zdvojnásobila na -40 Mb/s. Bluetooth 4.0 + LE (Low Energy) – poskytuje uživateli přenosovou rychlost 1 Mb/s, což pomohlo výrazně snížit množství spotřebované energie a umožnilo zvýšit dosah na přibližně 100 m. Aktualizovaná verze byla vytvořena pro použití zařízení Bluetooth 4.1 se zařízeními, která jsou součástí konceptu internetu věcí (IoT). Následovala verze Bluetooth 4.2 (rychlejší přenos, lepší zabezpečení a jednodušší připojení k objektům. Bluetooth 5.0 je dnešní standardizovaná verze s přenosovou rychlostí 2 Mb/s pro nositelná zařízení a až 50 Mb/s pro ostatní zařízení. S technologií Bluetooth 5.0 dosahuje provozní dosah 140 m v otevřeném prostoru.

V souhrnu vypadá standard Bluetooth následovně:

• 1.0 – rychlost přenosu dat až 21 kb/s.
• 1.1 – do 124 kb/s.
• 1.2 – do 328 kb/s.
• 2.0 + EDR – do 2,1 Mb/s.
• 3.0 + HS – do 24 Mb/s.
• 3.1 + HS – do 40 Mb/s.
• 4.0 + LE
• Bluetooth 4.1
• Bluetooth 4.2
• Bluetooth 5.0

WiFi a Bluetooth – rozdíly a podobnosti

WiFi a Bluetooth jsou velmi podobné standardy bezdrátové komunikace. Předpoklady mají mnoho společného, ale ve skutečnosti jsou velmi odlišné. Nelze jednoznačně říci, která technologie je lepší (s výjimkou případů, kdy je jasně definován účel konkrétního připojení). Každá norma má své jedinečné vlastnosti, které se v různých případech stávají hodnotnými nebo diskvalifikujícími. Obě technologie pracují na velmi blízkých rádiových frekvencích – WiFi využívá frekvenční pásma 2,4 GHz (2400 MHz až 2485 MHz) nebo 5 GHz (4915 MHz až 5825 MHz), zatímco Bluetooth využívá pásmo 2,4 GHz (2400 MHz až 2485 MHz). Oba standardy jsou bezdrátové a slouží k přenosu dat, ale používají se pro zcela odlišné aplikace. WiFi vyžaduje k přenosu dat podstatně více energie než Bluetooth, ale dosah a propustnost spojení je mnohem vyšší. WiFi funguje dobře jako stacionární řešení, zejména vzhledem k tomu, že k navázání spojení je zapotřebí směrovač. Bluetooth je mnohem mobilnější. Připojení zařízení přes Bluetooth je mnohem jednodušší a rychlejší než složitý postup konfigurace zařízení, aby byla ve stejné síti. Takový postup má však i své výhody. Obsahuje prvky, které výrazně ovlivňují bezpečnost spojení – Bluetooth je mnohem méně odolný vůči všem druhům útoků. Souhrnně lze říci, že výhodou standardu Bluetooth oproti WiFi je mnohem rychlejší nastavení, mnohem menší spotřeba energie pro přenos, potřeba pouze zařízení s modulem a omezený dosah zajišťuje, že může existovat více spojení najednou. Cenou za tyto výhody je nižší propustnost a mnohem nižší stupeň zabezpečení, a proto se moduly Bluetooth instalují do zařízení, která tyto funkce nevyžadují.

K čemu se používá technologie Bluetooth?

Použití Bluetooth může být různé a závisí na zařízení. Bluetooth se v současné době hodně používá v chytrých telefonech k přenosu dat do jiných zařízení nebo k připojení k jiným zařízením. Výborně se hodí také pro počítačové myši nebo klávesnice, stejně jako pro sluchátka nebo hands-free systémy v automobilech. Rádiové vlny “procházejí” stěnami a šíří se radiálně, takže pro příjem signálu není nutné natáčet vysílač směrem k přijímači. To je velmi důležitá vlastnost, díky níž se dnes mimo jiné infračervené dálkové ovladače televizorů prakticky nevyrábějí. Tato zařízení vyžadovala, aby byl zdroj signálu nasměrován směrem k přijímači – kus ruky nebo oděvu mohl snadno zablokovat cestu. Dnes většina dálkových ovladačů funguje prostřednictvím technologie Bluetooth, která takovou nepříjemnost zcela odstranila.

Bluetooth je všude

Moduly Bluetooth se instalují také do zařízení, jako jsou chytré hodinky, a udržují je v neustálém kontaktu s telefonem. Používají se také pro bezdrátový tisk, přístup k internetu a často se instalují do pokročilých zařízení pro domácí automatizaci nebo robotů, aby komunikovaly s řídicí jednotkou nebo jinými roboty. Na trhu jsou k dispozici hračky ovládané přes Bluetooth a velmi populární se stala také sluchátka a reproduktory s Bluetooth. Oblíbené jsou dnes také přívěsky Bluetooth, které při vzdálení se od telefonu vydávají hlasitý zvuk – to má funkci proti krádeži a usnadňuje to také lidem, kteří často hledají například své klíče. Dosah telefonu přes Bluetooth je cca. 10 metrů, ale tato hodnota se může lišit v závislosti na dalších provozovaných zařízeních, která mohou provoz rušit. Vezměte prosím na vědomí, že fyzické zakrytí zařízení může také nepříznivě ovlivnit jeho provoz.

Původ názvu

Název Bluetooth může být pro mnohé neintuitivní – doslovný překlad z angličtiny je „ Modrý zub“. Bluetooth je přezdívka dánského krále Haralda, který vládl ve druhé polovině 10. století. Harald Blatand byl často označován jako Harald Bluetooth (Harald Modrozubý) kvůli tmavému chrupu, který v té době měl. Pátráním v pramenech lze dojít ke skutečnosti, která dokládá, že pro tehdejší lid význam slova „modrý“ naznačoval dnešní význam slova „tmavý“. Výrazné modré logo s runovými iniciálami HB (Herald Bluetooth) tak nemá přímé historické opodstatnění, ale dnes je jednou z nejrozpoznatelnějších ochranných známek. Bluetooth je ve skutečnosti značka (na rozdíl například od WiFi), na kterou dohlíží organizace Bluetooth SIG.