Bluetooth

Bluetooth est une spécification de l'industrie des télécommunications. Elle utilise une technique radio courte distance destinée à simplifier les connexions entre les appareils électroniques. Elle a été conçue dans le but de remplacer les câbles entre les ordinateurs et les imprimantes, les scanneurs, les claviers, les souris, les manettes de jeu vidéo, les échiquiers DGT Bluetooth, les téléphones portables, les PDA, les systèmes et kits mains libres, les autoradios, les appareils photo numériques, les lecteurs de code-barres, les bornes publicitaires interactives. Les premiers appareils utilisant la version 3.0 de cette technologie sont apparus début 2010.

Logo Bluetooth

Sommaire

Origine du nom

Le nom Bluetooth est directement inspiré du roi danois Harald Ier surnommé Harald Blåtand (« homme à la dent bleue »), connu pour avoir réussi à unifier les États du Danemark, de Norvège et de Suède. Le logo de Bluetooth, est d'ailleurs inspiré des initiales en alphabet runique du Futhark récent de Harald Blåtand :  (Hagall)_(ᚼ)_et_H-rune.gif (Hagall) (ᚼ) et Runic letter berkanan.svg (Bjarkan) (ᛒ).

Historique

Spécification

Le SIG travaille sur la spécification de la norme, qui a évolué des versions 1.0, 1.1, 1.2, 2.0, 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate), 2.1 + EDR, 3.0 + HS, 4.0. Le site Internet http://www.bluetooth.org/[1] regroupe les travaux du SIG, et toutes les versions de la norme Bluetooth.

La pile de protocoles

Afin d'assurer une compatibilité entre tous les périphériques Bluetooth, la majeure partie de la pile de protocoles est définie dans la spécification.

Couches de la spécification Bluetooth
Oreillette Bluetooth
Adaptateur USB Bluetooth

Normes Bluetooth

Le standard Bluetooth se décompose en différentes normes :

  • IEEE 802.15.1 définit le standard Bluetooth 1.x permettant d'obtenir un débit de 1 Mbit/s ;
  • IEEE 802.15.2 propose des recommandations pour l'utilisation de la bande de fréquence 2,4 GHz (fréquence utilisée également par le Wi-Fi). Ce standard n'est toutefois pas encore validé ;
  • IEEE 802.15.3 est un standard en cours de développement visant à proposer du haut débit (20 Mbit/s) avec la technique Bluetooth ;
  • IEEE 802.15.4 est un standard en cours de développement pour des applications sans fils à bas débit et à faibles coûts. Il est actuellement utilisé par Zigbee pour ses couches basses.

Les éléments fondamentaux d'un produit Bluetooth sont définis dans les deux premières couches protocolaires, la couche radio et la couche bande de base. Ces couches prennent en charge les tâches matérielles comme le contrôle du saut de fréquence et la synchronisation des horloges.

La couche radio (RF)

La couche radio (la couche la plus basse) est gérée au niveau matériel.

C'est elle qui s'occupe de l'émission et de la réception des ondes radio.

Elle définit les caractéristiques telles que la bande de fréquence et l'arrangement des canaux, les caractéristiques du transmetteur, de la modulation, du récepteur, etc.

Le système Bluetooth opère dans les bandes de fréquences ISM* (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 GHz dont l'exploitation ne nécessite pas de licence. Cette bande de fréquences est comprise entre 2 400 et 2 483,5 MHz.

Un transceiver à saut de fréquences est utilisé pour limiter les interférences et l'atténuation.

Deux modulations sont définies : une modulation obligatoire utilise une modulation de fréquence binaire pour minimiser la complexité de l'émetteur ; une modulation optionnelle utilise une modulation de phase (PSK à 4 et 8 symboles). La rapidité de modulation est de 1 Mbaud pour toutes les modulations. La transmission duplex utilise une division temporelle.

Les 79 canaux RF sont numérotés de 0 à 78 et séparés par 1 MHz en commençant par 2 402 MHz.

Le codage de l'information se fait par sauts de fréquence. La période est de 625 µs, ce qui permet 1 600 sauts par seconde.

Il existe trois classes de modules radio Bluetooth sur le marché ayant des puissances différentes et donc des portées différentes :

Classe Puissance Portée
1 100 mW (20 dBm) 100 mètres
2 2,5 mW (4 dBm) 10 à 20 mètres
3 1 mW (0 dBm) Quelques mètres

La plupart des fabricants d'appareils électroniques utilisent des modules classe 2.

La bande de base (baseband)

La bande de base (ou baseband en anglais) est également gérée au niveau matériel.

C'est au niveau de la bande de base que sont définies les adresses matérielles des périphériques (équivalentes à l'adresse MAC d'une carte réseau). Cette adresse est nommée BD_ADDR (Bluetooth Device Address) et est codée sur 48 bits. Ces adresses sont gérées par la IEEE Registration Authority.

C'est également la bande de base qui gère les différents types de communication entre les appareils. Les connexions établies entre deux appareils Bluetooth peuvent être synchrones ou asynchrones, ces connexions sont appelées "Liens Logiques" (Logical Link).

La bande de base peut donc gérer deux types majeurs de liens logiques :

  • les liens SCO (Synchronous Connection-Oriented) ;
  • les liens ACL (Asynchronous Connection-Less).

Les données transportées sur ces liens logiques sont sous forme de paquets. Il existe divers types de paquets et peuvent être utilisés par les deux liens logiques ou seulement par un seul type de lien. Chaque paquet est composé globalement de la même manière.

On retrouvera trois parties essentielles :

  • Le code d'accès → 72 ou 68 bits
  • L'entête (Header) → 54 bits
  • La charge utile (Payload = les données utiles) → de 0 à 2745 bits.

Picoréseau[2],[3]

Un picoréseau (on emploie également l'anglicisme piconet) est un mini-réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand plusieurs périphériques Bluetooth sont dans un même rayon. Un picoréseau est organisé selon une topologie en étoile : il y a un « maître » et plusieurs « esclaves ».

Réseau piconet

Un périphérique « maître » peut administrer jusqu'à :

  • 7 esclaves « actifs » ;
  • 255 esclaves en mode « parked ».

La communication est directe entre le « maître » et un « esclave ». Les « esclaves » ne peuvent pas communiquer entre eux.

Tous les « esclaves » du picoréseau sont synchronisés sur l'horloge du « maître ». C'est le « maître » qui détermine la fréquence de saut pour tout le picoréseau.

Inter-réseau Bluetooth (scatternet)

Les périphériques « esclaves » peuvent avoir plusieurs « maîtres » : les différents piconets peuvent donc être reliés entre eux. Le réseau ainsi formé est appelé un scatternet (littéralement réseau dispersé).

Réseau scatternet

Le contrôleur de liaisons (LC)

Il encode et décode les paquets bluetooth selon la charge utile et les paramètres liés au canal physique, transport logique et liaisons logiques.

Le gestionnaire de liaisons (LM)

Il crée, gère et détruit les canaux L2CAP pour le transport des protocoles de services et les flux de données applicatives. Il utilise le protocole 2CAP pour intéragir avec son homologue sur les équipements distants

Cette couche gère les liens entre les périphériques « maîtres » et « esclaves » ainsi que les types de liaisons (synchrones ou asynchrones).

C'est le gestionnaire de liaisons qui implémente les mécanismes de sécurité comme :

  • l'authentification ;
  • le pairage (l'association) ;
  • la création et la modification des clés ;
  • et le chiffrement.

L'interface de contrôle de l'hôte (HCI)

Cette couche fournit une méthode uniforme pour accéder aux couches matérielles. Son rôle de séparation permet un développement indépendant du matériel et du logiciel.

Les protocoles de transport suivants sont supportés :

HCI permet un transfert de données à débit maximum, soit 720 kbit/s pour la norme 1.2, et un débit trois fois plus élevé pour la norme 2.0+EDR.

La couche L2CAP

La couche L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) fournit les services de multiplexage des protocoles de niveau supérieur et la segmentation et le réassemblage des paquets ainsi que le transport des informations de qualité de service. Les protocoles de haut niveau peuvent ainsi transmettre et recevoir des paquets jusqu'à 64 Ko. Elle autorise un contrôle de flux par canal de communication.

La couche L2CAP utilise des canaux logiques.


Les services

RFCOMM

RFCOMM est un service basé sur les spécifications RS-232, qui émule des liaisons séries. Il peut notamment servir à faire passer une communication IP par Bluetooth. RFCOMM est utilisé lorsque le débit des données n'atteint pas plus de 360 kbit/s (par exemple, téléphones mobiles).

SDP

SDP signifie Service Discovery Protocol. Ce protocole permet à un appareil Bluetooth de rechercher d'autres appareils et d'identifier les services disponibles. Il s'agit d'un élément particulièrement complexe de Bluetooth.

OBEX

OBEX signifie Object Exchange. Ce service permet de transférer des objets grâce à OBEX, protocole d'échange développé pour l'IrDA.

Les profils

Un profil correspond à une spécification fonctionnelle d'un usage particulier. Les profils peuvent également correspondre à différents types de périphériques.

Les profils ont pour but d'assurer une interopérabilité entre tous les appareils Bluetooth.

Ils définissent :

  • la manière d'implémenter un usage défini
  • les protocoles spécifiques à utiliser
  • les contraintes et les intervalles de valeurs de ces protocoles

Les différents profils sont :

  1. GAP : Generic Access Profile
  2. SDAP : Service Discovery Application Profile
  3. SPP : Serial Port Profile
  4. HS Profile : Headset Profile
  5. DUN Profile : Dial-up Networking Profile
  6. LAN Access Profile : ce profil est maintenant obsolète ; il est remplacé par le profil PAN
  7. Fax Profile
  8. GOEP : Generic Object Exchange Profile
  9. SP : Synchronization Profile
  10. OPP : Object Push Profile
  11. FTP : File Transfer Profile
  12. CTP : Cordless Telephony Profile
  13. IP : Intercom Profile
  14. A2DP : Advanced Audio Distribution Profile (profil de distribution audio avancée)
  15. AVRCP : Audio Video Remote Control Profile (Commande à distance)
  16. HFP : HandsFree Profile
  17. PAN : Personal Area Network Profile
  18. VDP : Video Distribution Profile
  19. BIP : Basic Imaging Profile
  20. BPP : Basic Printing Profile
  21. SYNC : Synchronisation Profile
  22. SAP : SIM Access Profile
  23. PBAP : PhoneBook Access Profile
  24. HIDP : Human Interface Device Profile

Le profil d'accès générique (GAP)

Le profil d'accès générique est le profil de base dont tous les autres profils héritent. Il définit les procédures génériques de recherche d'appareils, de connexion et de sécurité.

La qualification et la certification Bluetooth

Afin d'obtenir la certification Bluetooth, des tests de qualification sont nécessaires. Les tests de qualification sont de deux types :

  • qualification RadioFréquence ;
  • qualification du logiciel.

Qualification RF : l'objectif des essais est de prouver que la plate-forme matérielle utilisée respecte les performances radio de la norme Bluetooth. Il existe une liste des tests RF à réaliser, en émission et en réception. Ces essais sont :

  • TRM/CA/01/C Output Power
  • TRM/CA/02/C Power Density
  • TRM/CA/04/C Tx Output Spectrum - Frequency Range
  • TRM/CA/05/C Tx Output Spectrum - 20 dB BW
  • TRM/CA/06/C Tx Output Spectrum - Adjacent Channel Power
  • TRM/CA/07/C Modulation Characteristics
  • TRM/CA/08/C Initial Carrier Frequency Tolerance
  • TRM/CA/09/C Carrier Frequency Drift
  • TRC/CA/01/C Out-of-Band Spurious Emissions
  • RCV/CA/01/C Sensitivity - single slot packets
  • RCV/CA/02/C Sensitivity - multi slot packets
  • RCV/CA/03/C C/I performance
  • RCV/CA/04/C Blocking Performance
  • RCV/CA/05/C Intermodulation Performance
  • RCV/CA/06/C Maximum Input Level
  • Les mesures de spurious sont réalisées conformément à la norme ETSI EN 300 328[4].

Les procédures des essais sont spécifiés dans le document Test Specification for the Bluetooth system[5]. La plupart des appareils de mesure permettent de réaliser les essais sur 3 canaux : les deux extrêmes et le canal central[6]. Pour des tests sur tous les canaux, il est nécessaire de développer des compléments d'essais. Les tests sont d'abord réalisés chez l'industriel, par l'industriel, afin de valider son design. Puis il est obligatoire de faire appel à un organisme agréé afin d'obtenir la certification Bluetooth (BQB : Bluetooth wireless Qualification Body)[7].

Qualification du logiciel : si l'industriel a lui-même réalisé le logiciel de son nouveau design, avec les couches hautes HCI, RFCOMM, L2CAP, SDP ou d'autres profils Bluetooth, ils doivent être qualifiés. La certification du logiciel s'effectue profil par profil. Chaque couche logicielle doit être conforme à la norme Bluetooth à respecter[5].

Ces deux catégories d'essais de qualification réalisés et acceptés, la certification Bluetooth est alors acceptée. Le produit ainsi fabriqué est conforme à la version de la norme Bluetooth pour lequel il est certifié, compatible avec les produits qui respectent la même version de la norme Bluetooth. L'industriel reçoit alors un certificat de conformité.

Utilisation pratique du Bluetooth

Principes généraux

Dans sa version actuellecàd?, largement répandue, essentiellement dans les appareils mobiles, comme les téléphones portables, la liaison Bluetooth exploite les caractéristiques suivantes :

  • très faible consommation d'énergie
  • très faible portée (sur un rayon de l'ordre d'une dizaine de mètres)
  • faible débit
  • très bon marché et peu encombrant

En conséquence, il sera présent sur des appareils fonctionnant souvent sur batterie, désirant échanger une faible quantité de données sur une courte distance :

  • téléphones portables (presque généralisé), où il sert essentiellement à la liaison avec une oreillette ou à l'échange de fichiers
  • ordinateurs portables, essentiellement pour communiquer avec les téléphones portables (pour servir de MODEM, pour sauvegarder les carnets d'adresses, pour l'envoi de SMS, etc.)
  • périphériques divers, comme des claviers, pour faciliter la saisie sur les appareils qui en sont dépourvus
  • périphériques spécialisés, comme des appareils à électrocardiogramme, qui peuvent communiquer sans fil avec l'ordinateur du médecin

La compatibilité entre marques est assez bonne, mais pas parfaite : certains appareils ne parviennent pas à se raccorder à d'autres.

Exemples d'utilisation dans le jeu vidéo

Les manettes sans-fil des consoles Nintendo Wii (manette nommée Wiimote), ainsi que des consoles de type Sony Playstation 3 utilisent le protocole Bluetooth.

Mise en œuvre

Afin d'échanger des données, les appareils doivent être appairés. L'appairage se fait en lançant la découverte à partir d'un appareil et en échangeant un code. Dans certains cas, le code est libre, et il suffit aux deux appareils de saisir le même code. Dans d'autres cas, le code est fixé par l'un des deux appareils (appareil dépourvu de clavier, par exemple), et l'autre doit le connaître pour s'y raccorder. Par la suite, les codes sont mémorisés, et il suffit qu'un appareil demande le raccordement et que l'autre l'accepte pour que les données puissent être échangées. Afin de limiter les risques d'intrusion, les appareils qui utilisent un code préprogrammé (souvent 0000) doivent être activés manuellement, et l'appairage ne peut se faire que durant une courte période.

Conditions d'utilisation des équipements radioélectriques

L'ARCEP, anciennement l'ART, Autorité de régulation des télécommunications, précise les conditions d'utilisation des installations radioélectriques dans la bande des 2,4 GHz :

  • La bande 2 400-2 454 MHz est utilisable à l’intérieur des bâtiments comme à l’extérieur avec une puissance* inférieure à 100 milliwatts (mW) ;
  • la bande 2 454-2 483,5 MHz est utilisable à l’intérieur des bâtiments avec une puissance* inférieure à 100 mW et à l’extérieur des bâtiments avec une puissance inférieure à 10 mW. Sur les propriétés privées, cette puissance peut atteindre 100 mW à l’extérieur avec une autorisation du ministère de la Défense[8],[9].

Notes et références

  1. (en) www.bluetooth.org
  2. (en) www.bluetooth.com
  3. (fr) Principes fondamentaux - Informations techniques sur bluetooth.com
  4. (en) ETSI EN 300 328 - Candidate Harmonized European Standard (Telecommunications series), ETSI, 2006 [PDF]
  5. a et b (en) Test Specification for the Bluetooth system - Sur bluetooth.org, login nécessaire
  6. (en) BT Designer: Test Equipment
  7. (en) BT Designer: Bluetooth Qualification
  8. Organismes de Normalisation, Réglementation et Régulation
  9. Lignes directrices relatives à l'expérimentation de réseaux ouverts au public utilisant la technique RLAN - Autorité de régulation des télécommunications (ART), novembre 2002 [PDF]

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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