بلوتوث؛ ارتباط بی‌سیم در دنیای دیجیتال

سیستم بلوتوث، چیزیه ما روزانه بارها ازش به آسانی استفاده میکنیم. بین موبایل و هدفون، موس و لپتاپ، دسته بازی و.... آیا تا حالا فکر کردید بلوتوث چجوری کار میکنه؟ در این پست مقاله ی GeeksforGeeks درمورد بلوتوث بررسی و به صورت ساده یه ترجمه و خلاصه از این مقاله ارائه شده.

. اما قبلش نیازه که خیلی خیلی خلاصه درمورد دوتا از پایه ای ترین و اساسی ترین مبحث های علم دیجیتال صحبت کنیم. مطالبی که درموردشون ارائه شده فقط در حد درک بلوتوث بوده و تکمیل نیستند، اگر میخواید بیشتر درموردشون مطالعه کنید میتونم بهتون منبع های کامل معرفی کنم. • صفر و یک، اعداد باینری یا دودویی: در حقیقت پایه اصلی دنیای دیجیتال بر اساس دو حالت ساده کار میکنن: 1. برق هست: 1 : روشن 2. برق نیست: 0 : خاموش و این دوتا تنها حالت هایی هستند که چیپ یا تراشه های الکتریکی و کامپیوتر ها قادر به درکش هستند. برای مثال 01111000 کد دودویی عدد 120 هست. وقتی این عدد به عنوان مقدار شدت صدا استفاده شود، سیستم آن را به بلندی مناسب صدا تبدیل می‌کند. مثلا 01000001 کد باینریه عدد 65 هست. که وقتی تفسیر میشه همون حرف A انگلیسیه. یه مثال دیگه 11111111 کد باینریه عدد 255 هست که بعد از تفسیر میشه شدت رنگ قرمز (رنگ قرمز حداکثری توی اون پیکسل) بعضی اوقات ممکنه ASCII رو با کد های باینری اشتباه بگیریم. کد باینری تبدیل میشه به عدد (مثل همون 120 و 65) ولی ASCII یه جدوله که هر عدد چه معنی ای رو میده (مثلا 66 حرف B) حالا سوال اصلی اینه، چجوری این کدها تبدیل میشن به موج و صدا و تصویر و...؟ 1. موج: موج رادیویی در حقیقت نشات گرفته از نوسانات برق. حالا چیپ با استفاده از 0 و 1 (روشن و خاموش کردن برق) این نوسانات رو ایجاد میکنه و دستگاه گیرنده این نوسانات سریع برق رو دریافت میکنه. (سرعت قطع و وصل شدن برق خیلی بالاست و هیچ صدا یا نور واقعی نیست.) 2. صدا: صدا در اصل از لرزش هوا به وجود میاد و این امواج باعث بالا و پایین رفتن فشار هوا میشن. حالا میکروفون چیکار میکنه؟ میکروفون لرزش هوا رو می‌گیره و تبدیلش می‌کنه به جریان برق. چیپ این جریان رو لحظه به لحظه می‌خونه و هر لحظه یک عدد می‌سازه. این اعداد به چیپ می‌گن صدا در اون لحظه چقدر بلند باشه، و در نهایت همین اعداد دوباره به صدا تبدیل می‌شن که ما میشنویم. 3. تصویر: تصویر ها در دنیای دیجیتال از مربع های خیلی ریزی به اسم پیکسل تشکیل شدن (اگر ماینکرفت بازی کرده باشید درکش خیلی راحت میشه) و هر پیکسل یک رنگ خاص داره. رنگ های اصلی ای که ما در هنر میشناسیم زرد و قرمز و آبی هستند ولی در کامپیوتر رنگ ها از ترکیب سه رنگ اصلی متفاوت ساخته میشن: قرمز (R) سبز (G) و آبی (B) برای مثال یک پیکسل سفید تشکیل شده از: R: 255, G: 255, B: 255 یا یک پیکسل سیاه: R: 0, G:0, B: 0 یا یک پیکسل قرمز کامل: R: 255, G: 0, B: 0 4. ویدیو: ویدیو تشکیل شده از مجموعه ای از فریم ها (یک تصویر از ویدیو، معمولا هر ثانیه 30 تا فریم داره) که مثل همون تصویر هر رنگ یه کد مشخص داره. (تصویر بالا)

قبل از ورود به بحث بلوتوث باید بدونیم «چیپ» یا تراشه ی الکتریکی چیه؟ چیپ در واقع در دستگاه های دیجیتالی مثل مغز در بدن انسان عمل میکنه. یک قطعه ی خیلی کوچک و ریز، در حد نوک ناخن که توی دستگاه های الکتریکی و دیجیتالی مثل موبایل، لپتاپ، هدفون و... و تمام کارهایی که با صفر و یک و جریان برق در ارتباط هستند رو انجام میده، از جمله پردازش داده‌ها، ذخیره ی موقت، و کنترل جریان برق و سیگنال‌ ها و... داخل چیپ هزاران ترانزیستور وجود داره. ترانزیستور یک کلید الکترونیکی خیلی کوچک است که کارش خاموش و روشن کردن جریان برق است. پس در واقع تمامی اعمال در دنیای دیجیتال از قطعی و وصلی برق توسط ترانزیستور ها در چیپ نشات میگیرند. (CPU که در حقیقت معز اصلی لپتاپ ها و کامپیوتر هاست یک نوع چیپ الکتریکی است.)

برگردیم به بحث اصلی، بلوتوث چیست؟ بلوتوث یک راه ارتباطی بدون سیم برای انتقال صدا و داده در فاصله‌ی کوتاه استفاده میشود، به این فرآیند شبکه شخصی بی‌سیم یا WPAN (Wireless Personal Area Network) گفته میشود. یعنی شبکه ای که چند دستگاه در فواصل کوتاه بدون نیاز به کابل یا اینترنت توانایی برقراری ارتباط با یکدیگر را دارند. نسل اولیه‌ی بلوتوث سال 1994 توسط شرکت اریکسون ساخته شد. بلوتوث برای فرستادن داده از امواج رادیویی استفاده میکند که روی یک فرکانس (تعداد یک حرکت یا موج در واحد زمان) خاص کار میکند: بین 2.4 تا 2.485 گیگاهرتز (GHz یکی از واحد های فرکانس، یعنی 2.4 میلیارد بار در ثانیه تا 2.485 میلیارد بار در ثانیه) به علاوه باند فرکانس بلوتوث به صورت آزاد استفاده میشود، یعنی نیازی به مجوز ندارد و میتوان از آن به صورت آزادانه استفاده کرد. برد معمولی بلوتوث معمولا 10 متر است و با توجه به نسخه، سرعت انتقال داده بین 1 تا 3 مگابیت بر ثانیه (در هر ثانیه 1 تا 3 میلیون صفر و یک (bit) منتقل کند) است. • FHSS یا پرش فرکانسی: بلوتوث از موج رادیویی 2.4 گیگاهرتز استفاده میکند اما استفاده از یک فرکانس باعث بروز اختلال در این فرآیند میشود، چرا که وای فای، مایکروویو و سایر دستگاه هایی از این قبیل هم از این باند استفاده میکنند و این باعث شلوغیه فضا میشود. اگر بلوتوث فقط روی یک فرکانس ثابت بماند باعث ایجاد نویز، خش خش، قطعی و وصلی ارتباط و... میشود. برای جلوگیری از این اتفاق FHSS مدام فرکانس را عوض میکند. چجوری؟ برای مثال بین گوشی و هدفون، قبل از شروع ارتباط مشخص میکنند که به ترتیب بین کانال ها بپرن، مثلا ترتیب کانال 13، کانال 44، کانال 8، کانال 16، کانال 88 و حالا هر چند میلی ثانیه به طور همزمان میپرن به کانال بعد، به این سیستم در بلوتوث پرش فرکانسی یا FHSS میگن. • Piconet یا ریز شبکه ی بلوتوثی: زمانی که چند دستگاه بلوتوثی که از فاصله ی نزدیک به هم قرار دارند به هم متصل میشن، مثل گوشی و ساعت هوشمند و هدفون. در این شبکه یک دستگاه نقش Mster (رهبر) رو اجرا میکنه و بقیه هم نقش Slave (خدمت کننده) رو ایفا میکنن. Piconet چهار تا قانون اصلی داره: 1.فقط 1 دستگاه اصلی وجود دارد. (Master) 2. میتوان حداکثر 7 دستگاه فرعی داشت. (Slave) 3. همه فقط با دستگاه اصلی حرف میزنن. 4. اعضا نمیتونن مستقیم با هم حرف بزنن. (عکس خود مقاله:)

• Scatterne یا شبکه ی پراکنده ی بلوتوثی: زمانی که چند piconet به هم متصل شوند ساختاری به اسم Scatterne شکل میگیرد که امکان تبادل داده بین piconet ها را فراهم میکند. مثل گوشی (Master 1) و ساعت هوشمند و هدفون. و لپتاپ (Master 2) موس و دسته بازی. یک Slave در یک Piconet می‌تونه Master در Piconet دیگه باشه. برای مثال در Piconet 1 موبایل مستره و هدفون سلیو و در Piconet 2 لپتاپ مستره و موبایل سلیو، پس میتونن جابه جا بشن. (تصویر خود مقاله:) • Bridge Node گِرِه پُل: این نوع گِره به عنوان Bridge Node پیام‌ها را از یک شبکه به شبکه دیگر منتقل می‌کند. یعنی چی؟ همون مثال قبل رو در نظر بگیریم، موبایل-هدفون و لپتاپ-موبایل، حالا اینجا یه موبایل سومی وارد میشه به اسم Bridge Node که باعث ارتباط بین Piconet 1 و Piconet 2 میشه. • لایه ها و پروتکل های بلوتوث: 1. لایه ی RF (رادیویی): پایینی ترین لایه است و در مرحله نخست صفر و یک رو تبدیل به موج میکنه و دستگاه مقابل موج رو دریافت میکنه. 2. Baseband: داده هارو زمان بندی میکنه و ارتباط رو نظم میده. 3. امنیت یا LMP: امنیت رو چک میکنه، یعنی آیا این دستگاه مجازه؟ و رمزگذاری داده ها. 4. بسته بندی یا L2CAP: تبدیل داده های بزرگ به تکه های کوچک و ادغام داده ها در پایان (عکس صفحه بعد)

5. SDP (شناخت طرف مقابل): مثل یک فهرست قابلیت‌هاست که دستگاه‌ها قبل از ارسال داده چک می‌کنن (مثلا آیا دستگاه قابلیت پخش صدا داره یا نه) 6. RFCOMM (نوع ارتباط): یک مسیر ارتباط ساده را فراهم میکند. (شبیه یه کابل مجازی عمل میکنه) 7. OBEX : مدیریت انتقال فایل و اشیا بین دستگاه ها (فرستادن و دریافت فایل ها) 8. WAP: پروتکل دسترسی ساده به اینترنت (یه پروتکل قدیمی برای دسترسی به اینترنت از طریق بلوتوث) 9. TCS: مدیریت تماس ها و ارتباطات صوتی 10. Application Layer: ارتباط با اپلیکیشن و کاربر و اجرای دستور (مرحله نهایی (چیزی که مشاهده میشه))

انواع بلوتوث: • هدفون خودرو: برای مکالمه یا پخش صدا در خودرو بدون سیم. • هدفون استریو: برای پخش موسیقی با کیفیت بالا بدون سیم. • وب‌کم: اتصال دوربین به کامپیوتر یا موبایل بدون کابل. • پرینتر بلوتوث: اپ فایل بدون نیاز به اتصال سیمی. • GPS بلوتوث: اتصال موبایل به سیستم موقعیت‌یاب خودرو یا دستگاه GPS.