Bluetooth là gì? Tổng quan công nghệ Bluetooth

Công nghệ Bluetooth được sử dụng để cung cấp kết nối không dây từ tai nghe không dây đến điện thoại di động, máy tính xách tay và chuột máy tính không dây hay nhiều thiết bị khác,… Công nghệ này đã phát triển và mở rộng mạnh mẽ để cung cấp không chỉ các ứng dụng hàng ngày như Loa, tai nghe, Máy tính,… mà còn được ứng dụng ngày càng nhiều trong các dự án IoT.

Bluetooth là gì?

Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs).

Đây là một đặc điểm kỹ thuật (IEEE 802.15.1) để sử dụng truyền thông vô tuyến công suất thấp để liên kết điện thoại, máy tính và các thiết bị mạng khác trong khoảng cách ngắn mà không cần dây. Tín hiệu Bluetooth phủ sóng trong khoảng cách ngắn, thường lên đến 30 feet (10 mét). Bluetooth sử dụng sóng vô tuyến UHF trong băng tần ISM, từ 2,402 GHz đến 2,48 GHz, hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 721 Kbps.

Lịch sử phát triển của Bluetooth

Thuật ngữ “Bluetooth” (có nghĩa là “răng xanh”) được đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch, vua Harald Bluetooth. Ông được ghi nhận là người đã hợp nhất Đan Mạch và Na Uy, cũng như công nghệ không dây Bluetooth được ghi nhận là hợp nhất hai thiết bị khác nhau.

Biểu trưng Bluetooth cũng là sự kết hợp giữa các chữ cái đầu của Harald Bluetooth, H.B. theo hệ chữ cổ. Mặc dù chỉ là vô tình nhưng giữa người Viking và Bluetooth còn có một điểm tương đồng nữa: Người Viking sử dụng nô lệ (gọi là thralls), và Bluetooth cũng vậy.

Công nghệ Bluetooth xuất hiện từ nhiệm vụ do Ericsson Mobile Communications thực hiện vào năm 1994 nhằm tìm ra giải pháp thay thế không dây cho cáp dữ liệu RS-232. Năm 1998, các công ty Ericsson, IBM, Nokia và Toshiba thành lập Bluetooth Special Interest Group (SIG), phiên bản Bluetooth đầu tiên được phát hành vào năm 1999.

Bluetooth hoạt động như thế nào?

Mạng Bluetooth bao gồm mạng cá nhân (Personal Area Network) hoặc một piconet có chứa tối thiểu 2 đến tối đa 8 thiết bị ngang hàng BlueTooth. Thường là một thiết bị Master duy nhất và tối đa 7 thiết bị Slave. Master là thiết bị bắt đầu giao tiếp với các thiết bị khác. Master điều khiển liên kết truyền thông và giao tiếp giữa chính nó và các Slave được liên kết với nó. Slave là thiết bị phản hồi với thiết bị Master. Các Slave được yêu cầu để đồng bộ hóa chúng đang truyền/ nhận thời gian với Master.

Ngoài ra, việc truyền bởi các Slave được điều chỉnh bởi Master (tức là khi nào Master ra lệnh thì Slave có thể truyền). Cụ thể, một thiết bị Slave chỉ có thể bắt đầu quá trình truyền trong một khoảng thời gian ngay sau khi được xử lý bởi Master hoặc trong một thời gian được dành riêng cho Slave một cách rõ ràng.

Hệ thống Bluetooth hoạt động ở băng tần ISM 2,4 GHz và sử dụng phương pháp trải phổ nhảy tần (Frequency hopping spread spectrum – FHSS) thay vì DSSS để truyền tín hiệu của chúng.

(a) IEEE 802.15.4 Channels and (b) Bluetooth Channels

Hình trên mô tả cơ chế hoạt động cơ bản của Bluetooth. Băng thông tín hiệu được truyền là 1 MHz, nhưng kênh tần số được thay đổi bằng cách sử dụng một chuỗi giả ngẫu nhiên. Số bước tối đa trong Bluetooth là 1600 bước/ giây ở trạng thái kết nối. Có 79 kênh tần số trong Bluetooth cách nhau 1 MHz:

Bluetooth frequency channels = 2402 + k ((0≤ k ≤ undefined78) với k là số kênh)

Trình tự nhảy tần được xác định bởi địa chỉ thiết bị Bluetooth (BD_ADDR) của thiết bị Master. Đầu tiên, Master sẽ gửi một tín hiệu vô tuyến yêu cầu phản hồi từ các Slave cụ thể trong phạm vi địa chỉ. Các Slave phản hồi và đồng bộ hóa tần số bước nhảy của chúng cũng như xung clock với tần số của Master.

Scatternets được tạo khi một thiết bị trở thành thành viên tích cực của nhiều piconet. Về cơ bản, thiết bị liền kề chia sẻ các time slots của chính chúng giữa các piconet khác nhau.

Kiến trúc Bluetooth

Kiến trúc Bluetooth sử dụng hai mạng: Piconet và Scatternet

Bluetooth Piconet

Piconet là một đơn vị cơ bản của mạng bluetooth. Các thiết bị hoạt động như Master và Slave trong piconet. Có hai cấu hình: một Master và một Slave hoặc một Master và nhiều Slave. Master sẽ xác định kênh và pha.

Như piconet sẽ có 3 bit. Điều này có nghĩa là piconet có thể có tối đa 8 thiết bị, gồm 1 thiết bị bluetooth Master và 7 thiết Slave.

Bluetooth Scatternet

Mạng bluetooth bao gồm một hoặc nhiều piconet được gọi là Scatternet. Các thiết bị trong một loại piconet có thể hoạt động như một Master hoặc Slave trong một loại piconet khác của cùng một scatternet. Loại mạng bluetooth này cho phép nhiều thiết bị chia sẻ cùng một vùng mạng. Điều này sẽ cho phép sử dụng hiệu quả băng thông.

Sự khác biệt giữa Piconet và Scatternet

Piconet	Scatternet
Trong mạng bluetooth này, thiết bị có thể hoạt động như master hoặc slave.	Trong mạng bluetooth này, thiết bị có thể hoạt động như master hoặc slave hoặc (master+slave)
Vùng phủ sóng nhỏ hơn.	Vùng phủ sóng lớn hơn.
Nó hỗ trợ tối đa 8 nút.	Nó hỗ trợ hơn 8 nút.
Sử dụng ít hiệu quả hơn băng thông trên kênh bluetooth có sẵn.	Sử dụng hiệu quả hơn băng thông trên kênh bluetooth có sẵn.

Giao thức Bluetooth

Các thông số kỹ thuật cốt lõi của Bluetooth bao gồm 5 lớp

Physical Radio

Thông số vô tuyến đáp ứng các yêu cầu đối với truyền dẫn vô tuyến – bao gồm tần số, điều chế và đặc tính công suất – đối với bộ thu phát Bluetooth.

Baseband Layer

Nó xác định các kênh vật lý và logic và các loại liên kết (thoại hoặc dữ liệu); xác định các định dạng gói khác nhau, timing truyền và nhận, điều khiển kênh, và cơ chế nhảy tần (chọn bước nhảy) và định địa chỉ thiết bị. Nó chỉ định các liên kết điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm. Độ dài của một gói tin có thể từ 68 bit (mã truy cập rút gọn) đến tối đa là 3071 bit.

LMP- Link Manager Protocol (LMP)

là hệ thống quản lý việc thiết lập kết nối giữa các thiết bị. LMP chịu trách nhiệm cho việc thiết lập, xác thực và cấu hình liên kết.

Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)

L2CAP được sử dụng để ghép nhiều kết nối logic giữa hai thiết bị bằng cách sử dụng các giao thức cấp cao hơn khác nhau. Cung cấp phân đoạn và tập hợp lại các gói tin trực tuyến.

Service Discovery Protocol (SDP)

Cho phép thiết bị Bluetooth truy vấn thiết bị Bluetooth khác để biết thông tin thiết bị, dịch vụ được cung cấp và đặc điểm của các dịch vụ đó.

Ba lớp đầu tiên có trong module Bluetooth, trong khi hai lớp cuối cùng tạo nên máy chủ. Giao diện giữa hai nhóm logic này được gọi là Giao diện Bộ điều khiển Máy chủ (Host Controller Interface – HCI)

Giao diện Bộ điều khiển Máy chủ cung cấp một giao diện lệnh cho bộ điều khiển và cho trình quản lý liên kết, cho phép truy cập vào trạng thái phần cứng và các thanh ghi điều khiển. Giao diện này cung cấp một lớp truy cập cho tất cả các thiết bị Bluetooth. Lớp HCI của máy trao đổi lệnh và dữ liệu với firmware HCI có trong thiết bị Bluetooth. Một trong những tác vụ HCI quan trọng nhất phải được thực hiện là tự động phát hiện các thiết bị Bluetooth khác nằm trong bán kính phủ sóng.

Các phiên bản Bluetooth

Bluetooth 1.0 và 1.0B

Tháng 7/1999, phiên bản Bluetooth 1.0 đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kết nối ban đầu là 1Mbps. Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ này chưa bao giờ đạt quá mức 700Kbps. Ngoài ra phiên bản này còn khá nhiều vấn đề về tính tương thích.

Bluetooth 1.1

Năm 2001, phiên bản Bluetooth 1.1 ra đời, là bản cải tiến của phiên bản 1.0 trước đó nhưng tốc độ vẫn chưa được thay đổi.

Bluetooth 1.2

Ra mắt vào tháng 11/2003, phiên bản 1.2 có thời gian dò tìm và kết nối nhanh hơn giữa các thiết bị, tốc độ truyền tải nhanh hơn so với chuẩn 1.1. Chuẩn này hoạt động dựa trên nền băng tần 2.4 Ghz và tăng cường kết nối thoại.

Bluetooth 2.0 +ERD

Được công bố năm 2004, là phiên bản lần đầu tiên giới thiệu công nghệ EDR (Enhanced Data Rate) giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ chuẩn của Bluetooth 2.0 + EDR lên tới 2.1 Mbps và giảm một nửa lượng tiêu thụ năng lượng so với phiên bản trước.

Bluetooth 2.1 +ERD

Là thế hệ nâng cấp của phiên bản 2.0, Bluetooth 2.1 có hiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, Bluetooth 2.1 không cho phép truyền các file lớn với tốc độ cao.

Bluetooth 3.0 + HS

Được giới thiệu vào tháng 4/2009,về mặt lý thuyết chuẩn kết nối này có thể cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 24Mbit/s, tuy nhiên không phải qua kênh Bluetooth. Thay vào đó, Bluetooth thiết lập kênh kết nối và dữ liệu tốc độ nhanh được truyền tải qua kết nối 802.11. Thiết bị Bluetooth không có hậu tố “+HS” (High Speed – Tốc độ cao) sẽ không hỗ trợ truyền tải dữ liệu tốc độ cao mà chỉ đảm bảo các tiêu chuẩn truyền thống của Bluetooth.

Bluetooth 4.0

Bluetooth SIG hoàn tất tiêu chuẩn chính của phiên bản 4.0, với tên gọi Bluetooth Thông minh và áp dụng từ ngày 30/6/2010. Bluetooth v4.0 bao gồm Bluetooth Truyền thống, Bluetooth Tốc độ cao (HS) Và Bluetoth tiết kiệm năng lượng (LE).

Bluetooth tiết kiệm năng lượng (Bluetooth low energy – Bluetooth LE), còn được biết đến với tên gọi Wibree, có giao thức kết nối mới nhằm nhanh chóng thiết lập liên kết đơn giản, thay thế cho giao thức truyền thống của Bluetooth v1.0 và Bluetooth v3.0 nhắm đến việc tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Việc lựa chọn giữa kết nối tiết kiệm năng lượng và kết nối truyền thống (tốn năng lượng hơn) do một chip chuyên dụng xử lý.

Bluetooth 4.1

Năm 2014, Bluetooth nâng cấp lên bản 4.1 cải thiện tình trạng chồng chéo dữ liệu của Bluetooth với mạng 4G, tối đa hóa hiệu năng nhờ tự điều chỉnh băng thông, đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn nhờ tối ưu thời gian chờ kết nối lại.

Bluetooth 4.2

Bluetooth 4.2 có tốc độ truyền tải dữ liệu gấp 2.5 lần so với Bluetooth 4.1. Ngoài ra dung lượng của dữ liệu truyền cũng được tăng lên giúp điện năng tiêu thụ của Bluetooth tiết kiệm hơn và ít xảy ra lỗi trong quá trình kết nối.

Đặc biệt Bluetooth 4.2 có tính bảo mật cao hơn giúp thiết bị khó bị tấn công hơn và bạn có thể chia sẻ kết nối internet từ điện thoại đến thiết bị khác thông qua chuẩn giao tiếp cao cấp IPv6.

Bluetooth 5.0

Được SIG trình làng vào ngày 16/6/2016 với nhiều cải tiến vượt bật như tầm phủ sóng rộng gấp 4 lần, tốc độ nhanh hơn gấp đôi và tiết kiệm điện hơn gấp 2.5 lần so với 4.0.

Bluetooth 5.1

Bluetooth SIG đã giới thiệu Bluetooth 5.1 vào ngày 21 tháng 1 năm 2019. Về cơ bản, Bluetooth 5.1 sẽ cho phép bạn nắm bắt được hướng kết nối Bluetooth đang hướng đến nhờ cường độ tín hiệu. Phiên bản Bluetooth 5.1 sẽ có nhiều cách để cảm nhận hướng sóng bằng cách sử dụng ăng-ten trên điện thoại. Bên cạnh đó, Bluetooth 5.1 sẽ hỗ trợ tăng độ phủ sóng, cải thiện độ tin cậy khi kết nối.

Bluetooth 5.2

Tháng 1 năm 2020 tại CES 2020, Bluetooth SIG đã giới thiệu phiên bản Bluetooth mới nhất của mình, công nghệ Bluetooth 5.2. Thay đổi lớn được giới thiệu trong công nghệ Bluetooth 5.2 này là một tính năng mới được gọi là Isochronous Channels (ISOC) . ISOC đặt nền tảng cho việc triển khai LE Audio trong các thiết bị BLE (Bluetooth Low Energy), hỗ trợ Bluetooth 5.2 trở lên.

Ba tính năng chính được giới thiệu trong phiên bản mới nhất Bluetooth 5.2 bao gồm

• Giao thức thuộc tính nâng cao (EATT – Enhanced Attribute Protocol)
• Kiểm soát nguồn LE (LEPC – LE Power Control)
• Kênh đẳng thời (ISOC – Isochronous Channels)

Hạn chế của Bluetooth

Có một số nhược điểm đối với Bluetooth. Đầu tiên là nó có thể gây tiêu hao pin cho các thiết bị di động không dây, như điện thoại thông minh, mặc dù khi công nghệ (và công nghệ pin) đã được cải thiện, vấn đề này ít gây ảnh hưởng đáng kể hơn trước đây.

Ngoài ra, phạm vi khá hạn chế, thường chỉ mở rộng khoảng 30 feet (hơn 9m) và như với tất cả các công nghệ không dây, các chướng ngại vật như tường, sàn hoặc trần nhà có thể làm giảm phạm vi này hơn nữa.

Quá trình ghép nối cũng có thể khó khăn, thường phụ thuộc vào thiết bị liên quan, nhà sản xuất và nhiều yếu tố khác có thể dẫn đến sự thất vọng khi cố gắng kết nối.

Tính bảo mật của Bluetooth

Bluetooth triển khai tính bảo mật, xác thực và dẫn xuất khóa bằng các thuật toán tùy chỉnh dựa trên mật mã khối SAFER +. Việc tạo khóa Bluetooth thường dựa trên mã PIN Bluetooth, mã PIN này phải được nhập vào cả hai thiết bị. Quy trình này có thể được sửa đổi nếu một trong các thiết bị có mã PIN cố định (ví dụ: đối với tai nghe hoặc các thiết bị tương tự có giao diện người dùng bị hạn chế). Trong quá trình ghép nối, một khóa khởi tạo hoặc khóa chính được tạo bằng thuật toán E22. Mật mã E0 được sử dụng để mã hóa các gói, cấp tính bảo mật và dựa trên bí mật mật mã được chia sẻ, cụ thể là khóa liên kết hoặc khóa chính được tạo trước đó. Các khóa này, được sử dụng để mã hóa dữ liệu được gửi qua giao diện không gian tiếp theo, dựa vào mã PIN Bluetooth, đã được nhập vào một hoặc cả hai thiết bị.

Công nghệ Bluetooth đã chú ý đến vấn đề an toàn bảo mật với các tính năng xác thực, mã hóa, kiểm soát dịch vụ (QoS) và một số tính năng khác. Mặc dù vậy, những nghiên cứu gần đây cho thấy Bluetooth vẫn đứng trước hàng loạt nguy cơ an ninh xuất phát từ cả hai phía: sự thiếu cảnh giác cố hữu của người sử dụng cũng như khiếm khuyết của bản thân công nghệ, sản phẩm.

Các ứng dụng của Bluetooth

• Tự động đồng bộ hóa

Sử dụng mô hình máy tính ẩn, trong đó tập trung vào các ứng dụng, trong đó thiết bị sẽ tự động thực hiện nhiệm vụ nào đó trên danh nghĩa của người dùng mà không cần sự can thiệp của người dùng hoặc nhận thức.

• Truyền đa phương tiện

Có thể truyền dữ liệu đa phương tiện như bài hát, video, hình ảnh giữa các thiết bị bằng Bluetooth.

• Chia sẻ kết nối mạng qua Bluetooth.
• Kết nối các thiết bị ngoại vi (Chuột, bàn phím, tai nghe, loa, gamepad, điều khiển trình chiếu, máy in … ).