Understanding reliability in Bluetooth technology
تحقق تقنية Bluetooth الموثوقية reliability من خلال الطرق المعقدة التي تستخدم بها الراديو لتشفير البيانات وتوصيلها. يعمل مخطط التعديل الذي تستخدمه Bluetooth لتشفير البيانات الرقمية، والمعروف باسم Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) بشكل جيد في مواجهة التداخل ويطبق مرشحًا سلسًا للإشارة مما يقلل من الضوضاء.
وبدلاً من استخدام قناة راديو واحدة، تستخدم البلوتوث عددًا من تقنيات انتشار الطيف، وأبرزها قفز التردد التكيفي (Adaptive Frequency Hopping AFH) مما يعني أن الحزم يتم إرسالها باستخدام تسلسل عشوائي يصل إلى 40 قناة راديو مميزة، لذلك لا يتأثر الاتصال من خلال قناة واحدة أو أكثر عرضة للتداخل. تشمل البروتوكولات التي تستخدمها البلوتوث إقرارات واكتشاف الأخطاء وأحيانًا مخططات تصحيح الأخطاء الاستباقية.
وبدلاً من استخدام قناة راديو واحدة، تستخدم البلوتوث عددًا من تقنيات انتشار الطيف، وأبرزها قفز التردد التكيفي (Adaptive Frequency Hopping AFH) مما يعني أن الحزم يتم إرسالها باستخدام تسلسل عشوائي يصل إلى 40 قناة راديو مميزة، لذلك لا يتأثر الاتصال من خلال قناة واحدة أو أكثر عرضة للتداخل. تشمل البروتوكولات التي تستخدمها البلوتوث إقرارات واكتشاف الأخطاء وأحيانًا مخططات تصحيح الأخطاء الاستباقية.
ماذا نعني بالموثوقية Reliability؟
بعبارات بسيطة، يُقال أن الاتصال موثوق به إذا كانت البيانات المرسلة هي نفس البيانات التي يتلقاها جهاز الوجهة. قد نجعل تعريفنا أكثر دقة مع المتطلبات المتعلقة بوقت الاستجابة أو من خلال تضمين الحد الأقصى من التسامح لنسبة صغيرة من حالات الفشل
بعبارات بسيطة، يُقال أن الاتصال موثوق به إذا كانت البيانات المرسلة هي نفس البيانات التي يتلقاها جهاز الوجهة. قد نجعل تعريفنا أكثر دقة مع المتطلبات المتعلقة بوقت الاستجابة أو من خلال تضمين الحد الأقصى من التسامح لنسبة صغيرة من حالات الفشل
ما هي أكبر التحديات التي تواجه البلوتوث في توفير اتصال موثوق به؟
تستخدم تقنية البلوتوث نطاق راديو ISM 2.4 جيجا هرتز، والذي تستخدمه أيضًا شبكة Wi-Fi والهواتف اللاسلكية وحتى أفران الميكروويف. توجد أجهزة Bluetooth في كل مكان إلى حد كبير وبأعداد متزايدة أيضًا، لذا فإن مشاركة نطاق ISM مع عدد كبير من الأجهزة والتقنيات اللاسلكية المتعددة هي أحد التحديات الرئيسية.
تستخدم التقنيات اللاسلكية الأخرى قناة راديو واحدة مكونة داخل نطاق ISM، لكن Bluetooth تستخدم تقنيات طيف منتشر مثل قفز التردد التكيفي، مما يقلل من احتمالية تصادم الحزم. من بين مختلف التقنيات اللاسلكية منخفضة الطاقة، تستخدم تقنية Bluetooth أسرع معدل رموز (المكافئ التناظري analogue equivalent لمعدل البت) وتكون الحزم صغيرة الحجم. يقلل هذا أيضًا من احتمالية تصادم الحزم نظرًا لوجود الحزم في الهواء لأقصر وقت.
هل يمكنك توضيح المزيد عن قفز التردد التكيفي (Adaptive Frequency Hopping AFH)؟
يمتد نطاق راديو ISM على مدى الترددات التي تبدأ من 2400 ميجاهرتز وتنتهي عند 2483.5 ميجاهرتز. يعمل Bluetooth منخفض الطاقة (Low Energy LE) على تقسيم هذا النطاق إلى 40 قناة كل منها 2 ميجا هرتز. عندما يتم توصيل جهازين ويتواصلان، يتم إرسال الحزم واستلامها على قناة محددة عشوائيًا. بشكل دوري، وأحيانًا بمعدل 7.5 مللي ثانية، تتغير القناة المحددة التي يستخدمها كلا الجهازين إلى قناة جديدة. تقيس الأجهزة مدى جودة أداء كل قناة وأي اكتشاف يواجه عددًا كبيرًا من الأخطاء، يتم استبعاده من عملية اختيار القناة.
بهذه الطريقة، تتكيف خوارزمية قفز التردد وتتجنب أجزاء من نطاق ISM التي تتعرض حاليًا للتداخل. إن الجمع بين قفز التردد لنشر الاتصال عبر نطاق ISM بأكمله والطريقة التي يتكيف بها AFH مع الظروف الحالية، يجعل اتصال Bluetooth موثوقًا، حتى في بيئات الراديو المعادية تمامًا.
يمتد نطاق راديو ISM على مدى الترددات التي تبدأ من 2400 ميجاهرتز وتنتهي عند 2483.5 ميجاهرتز. يعمل Bluetooth منخفض الطاقة (Low Energy LE) على تقسيم هذا النطاق إلى 40 قناة كل منها 2 ميجا هرتز. عندما يتم توصيل جهازين ويتواصلان، يتم إرسال الحزم واستلامها على قناة محددة عشوائيًا. بشكل دوري، وأحيانًا بمعدل 7.5 مللي ثانية، تتغير القناة المحددة التي يستخدمها كلا الجهازين إلى قناة جديدة. تقيس الأجهزة مدى جودة أداء كل قناة وأي اكتشاف يواجه عددًا كبيرًا من الأخطاء، يتم استبعاده من عملية اختيار القناة.
بهذه الطريقة، تتكيف خوارزمية قفز التردد وتتجنب أجزاء من نطاق ISM التي تتعرض حاليًا للتداخل. إن الجمع بين قفز التردد لنشر الاتصال عبر نطاق ISM بأكمله والطريقة التي يتكيف بها AFH مع الظروف الحالية، يجعل اتصال Bluetooth موثوقًا، حتى في بيئات الراديو المعادية تمامًا.
ما هي التقنيات الأخرى لضمان اتصال موثوق؟
توجد ميزات الموثوقية في معظم طبقات مكدس Bluetooth ، من الطبقة المادية في الأسفل إلى الطبقات الأعلى مثل بروتوكول السمات والطريقة التي تعمل بها المراسلة في شبكة Bluetooth المتداخلة. يتم تحقيق التواصل الموثوق من خلال التأثيرات الجماعية للتقنيات المختلفة.
على سبيل المثال، تتضمن حزم Bluetooth دائمًا فحصًا دوريًا للتكرار (CRC)، والذي يسمح باكتشاف الأخطاء في البيانات المستلمة. تشتمل الحزم المشفرة أيضًا على فحص سلامة الرسالة (MIC) الذي يوفر حماية مشفرة ضد العبث المتعمد بالحزم، على عكس التغييرات التي ترجع إلى الظروف البيئية. من الممكن استخدام تقنية تسمى Forward Error Correction (FEC) أيضًا وهذا يمكّن جهاز الاستقبال من إصلاح أخطاء البيانات ديناميكيًا، مما يؤدي إلى زيادة النطاق بشكل كبير في العملية لأنه يعني أنه يمكن فك تشفير حزم Bluetooth عند الإشارة المنخفضة إلى نسبة الضوضاء التي يتم اختبارها لفترة أطول مسافات من جهاز الإرسال.
يمكن لأجهزة الاستقبال أن تطلب ديناميكيًا من جهاز الإرسال ضبط قوة الإرسال الخاصة به بحيث يظل عند المستوى الأمثل. تستخدم البروتوكولات تقنيات مثل الإقرارات والمعاملات والتحكم في التدفق لمعالجة أنواع مختلفة من مشكلة الموثوقية. وتستخدم تقنية البلوتوث المعشقة تقنيات مثل إرسال الرسائل المتعددة وتسليمها متعدد المسارات عبر الشبكة لضمان وصول الرسائل إلى الوجهات المقصودة، ربما على الجانب الآخر من مبنى كبير.
