الهندسة والآليات > كيف تعمل الأشياء
البلوتوث
سنتعرف أولاً على عدة معلومات عن البلوتوث ضمن هذا الإنفوغراف:
نستخدم جميعنا الاتصالات اللاسلكية حتى ولو لم نكن دائماً مدركين لذلك، حيث تلتقط مستقبلات أجهزة الراديو والتلفزيون إشارات البرامج عبر الأمواج الراديوية من الهواء لمئات وآلاف الكيلومترات.
تستخدم الهواتف اللاسلكية المنزلية تقنية مشابهة لنقل المكالمات من قبضة الهاتف إلى قاعدته البعيدة الموجودة في مكان ما في المنزل.
إذا كنت تستخدم تقنية Wi-Fi فإن جهاز الكمبيوتر الخاص بك سيرسل ويستقبل تدفقاً منتظماً من البيانات مع جهاز الراوتر الموصول على الأغلب سلكياً مع شبكة الانترنت.
تتضمن كل هذه التقنيات المذكورة إرسال المعلومات جيئةً وذهاباً عبر الأمواج الراديوية الغير مرئية والموجودة في الهواء، ومن دون استخدام الأسلاك النحاسية.
ماهي تقنية البلوتوث:
تشبه تقنية البلوتوث تقنية الأمواج الراديوية، لكنها مصممة بشكل أساسي للاتصال عبر مسافات قصيرة بحدود بضعة أمتار، وبشكل عام يستخدم البلوتوث بإصداراته الأولى لتحميل الصور من الكاميرا الرقمية إلى جهاز الكمبيوتر أو لربط الفأرة اللاسلكية بجهاز اللابتوب أو وصل سماعة الأذن مع جهاز الخليوي، وغيرها من التطبيقات الأخرى التي لا تحتاج سرعات نقل بيانات عالية.
يمكن جعل الأجهزة الإلكترونية (القديمة) تعمل على البلوتوث من خلال وصلات بلوتوث توصل عبر منفذ USB، ويغطي المرسل مسافة يمكن تصنيفها في ثلاث فئات:
الفئة الأولى: تتضمن الأجهزة الأكثر قوةً والتي تغطي مسافة 100 متر.
الفئة الثانية: وهي فئة الأجهزة الأكثر استخداماً، وتغطي مسافة 10 متر.
الفئة الثالثة: الأجهزة الأقل طاقة، وتغطي مسافة أقل من 1 متر.
كيف يعمل البلوتوث؟
يرسل البلوتوث ويستقبل الأمواج الراديوية ضمن نطاق يتكون من 79 تردد مختلف (قنوات)، وتتمركز عند الترددGHz 2.45 .
إن طاقة الإرسال المنخفضة تضمن عدم حصول تداخل عند استخدام البلوتوث مع أي جهاز لاسلكي آخر في المنزل، لذا تعد المسافة القصيرة التي ينقل بها البلوتوث المعلومات واحدة من أكبر إيجابياته فهي أكثر أماناً من الشبكات اللاسلكية التي تعمل ضمن مسافات أطول مثل شبكات الواي فاي.
تكتشف وتتصل أجهزة البلوتوث ببعضها تلقائياً، حيث يمكن أن يتصل كل منها مع ثمانية أجهزة في وقت واحد دون أن تتداخل حيث يتم اتصال كل جهازين عبر قناة من القنوات الـ 79 المتاحة، فإذا أراد جهازان أن يتصلا فإنهما يختاران قناة بشكل عشوائي، وإذا كانت القناة مشغولة من أجهزة أخرى، ينتقلان إلى قناة أخرى تلقائياً ويختارانها أيضاً بصورة عشوائية، تسمى هذه التقنية باسم القفز الترددي للطيف المنشور spread-spectrum frequency hopping. (سنتحدث عن هذه التقنية بعد قليل) ويقوم كل زوج من الأجهزة المتصلة بتغيير التردد المستخدم آلاف المرات في الثانية وذلك لتقليل احتمال التداخل مع الأجهزة الأخرى ولزيادة الأمن.
عندما يتشارك جهازا بلوتوث أو أكثر المعلومات بينهم، تتشكل وصلة لاسلكية تعرف باسم ad-hoc وهي شبكات كمبيوتر صغيرة تسمى piconet حيث تستطيع الأجهزة أن ترتبط أو تغادر البيكونت الموجود في أي وقت، حيث يقوم جهاز واحد يسمى (السيد Master) بِدَور المتحكم بالشبكة (الذي يقوم بإنشائها)، بينما تَتَبِع باقي الأجهزة (التوابع Slaves) التعليمات، ويمكن أن يحصل ارتباط بين عدة piconets ومشاركة للبيانات فتتشكل شبكة جديدة تسمى scatternet.
البلوتوث والواي – فاي، من نختار:
غالباً ما يخلط الناس بين تقنيتي البلوتوث والواي – فاي، حيث يبدوان من النظرة الأولى كأنهما يقومان بنفس العمل ولكن في الحقيقة هما مختلفان جداً.
يُستخدَم البلوتوث بشكل أساسي لوصل وربط الكمبيوترات والأجهزة الالكترونية من خلال وصلة ad_hoc وضمن مسافات قصيرة جداً، ويستخدم غالباً من أجل الاتصالات القصيرة زمنياً والتي تتضمن تبادل بيانات قليل نسبياً.
يعتبر البلوتوث آمن نسبياً، حيث يستخدم طاقة صغيرة للاتصال المباشر وهي نظرياً لا تؤذي الصحة
أما تقنية الواي -فاي فهي مصممة لنقل بيانات أكثر بين أجهزة الكمبيوتر والانترنت عبر مسافات أكبر، ويتضمن تشفيراً متنوعاً للمعلومات كما يستخدم طاقة أعلى بشكل عام، لذا فهو قد يسبب خطراً أكبر على الصحة إذا استُخدِم لفترات طويلة
تعتبر تقنيتا البلوتوث والواي - فاي مكملتان لبعضهما البعض ولا تتنافسان، وبالإمكان استخدام كليهما لجعل الأجهزة الالكترونية تعمل بأكثر شكل ملائم لاحتياجات المستخدم.
إصدارات البلوتوث:
تطورت تقنية البلوتوث منذ اختراعها عام 1994 لتشمل عدة إصدارات آخرها Bluetooth v4.0 ولا تزال معظم إصداراته القديمة منتشرة بكثرة.
1. البلوتوث Bluetooth v1.2
تعتبر إصدارات 1.x أساس هذا الإصدار وأكثره استقراراً الإصدار v1.2. وهو إصدار محدود الإمكانيات والانتشار مقارنة بالإصدارات اللاحقة.
يدعم الإصدار سرعة نظرية في النقل 1 Mbps لكن عملياً لا تتجاوز 0.7 Mbps، وبمدى 10 أمتار.
2. البلوتوث Bluetooth v2.1 + EDR
قدم هذا الإصدار v2.x لأول مرة مفهوم النقل المعزز للبيانات enhanced data rate EDR حيث ارتفعت السرعة النظرية لتبادل البيانات إلى 3 Mbps وعملياً بحدود 2.1 Mbps. تم إطلاق التحديث Bluetooth v2.1 في عام 2007 وتضمن تقنية جديدة سميت بالارتباط المبسط الآمن secure simple pairing SSP والتي شملت تحديث أسلوب ارتباط الأجهزة ببعضها.
لا تزال أجهزة ربط Modules التي تعتمد على هذا الإصدار Bluetooth v2.1 شائعة حتى يومنا هذا لأن سرعة النقل 2 Mbps تعتبر سرعة أعلى مما تحتاجه الكثير من المعالجات الصغرية microcontrollers لتحقيق وظيفة الاتصال اللاسلكي، وبالتالي لا داعي لاستخدام الإصدارات الأعلى (الأغلى ثمناً).
3. البلوتوث Bluetooth v3.0 + HS
تعتبر السرعة أهم تطويرات هذا الإصدار والتي وصلت إلى 24 Mbps بالإضافة لتحسين التحكم بالاستطاعة و وضعية التدفق Streaming mode.
لكن لا بد من التنبيه إلى أن سرعة النقل 24 Mbps غير متوفرة لمجرد أن الجهاز يدعم الإصدار v3.0 إذ أنه يجب أن يدعم معها تقنية +HS وهي اختصار للسرعة العليا High Speed حيث يعتمد مبدأ عمل التقنية على أن يقوم البلوتوث بعملية إنشاء الجلسة بين الجهازين المتصلين وإدارتها فقط، أما عملية تبادل المعطيات فتتم على شبكة WiFi أي البروتوكول 802.11 وهذا الذي يعطي سرعة النقل العالية 24 Mbps، أما في حال عدم دعم ميزة +HS ستبقى سرعة النقل 3 Mbps.
4. البلوتوث Bluetooth v4.0 and Bluetooth Low Energy
قام هذا الإصدار بتقسيم محددات البلوتوث إلى ثلاثة مجموعات: المجموعة الكلاسيكية، مجموعة السرعة العالية ومجموعة الطاقة المنخفضة.
تعمل المجموعة الكلاسيكية بناءاً على معايير البلوتوث v2.1+EDR السابق، في حين تعمل مجموعة السرعة العالية بناءاً على معايير v3.0+HS، وبالتالي التطوير الحقيقي لهذا الإصدار يتمثل بمجموعة الطاقة المنخفضة Bluetooth low energy BLE التي شملت كماً كبيراً من التطويرات التي تتعلق باستخدام البلوتوث في تطبيقات تحتاج استطاعة منخفضة مع مدى 50 متر ومعدل تبادل بيانات 0.27 Mbps (يتم توفير الطاقة على حساب السرعة) فهو يستهدف في هذه الوضعية الأجهزة المحيطية التي تعمل بالبطاريات ولا تحتاج سرعات تبادل بيانات عالية أو ثابتة كالساعات الذكية.
لمزيد من الإيضاح يعرض الجدول التالي مقارنة بين إصدارات البلوتوث وتقنية Wi-Fi:
الطيف الترددي المنتشر:
يعلم من يستخدم أجهزة التحدث اللاسلكية مثل Walkie-Talkie عبر حزمة المدينة اللاسلكية أن من الممكن أن يوجد أشخاص آخرون يستخدمون نفس التردد مما يعرض المحادثة للتقطع باستمرار. ماذا يمكنك أن نفعل؟ معظم مستخدمي اللاسلكي الخبراء يعلمون الإجابة: حيث يجب أن يتم تغيير التردد (الحزمة) لدى الطرفين المتحدثين وصولاً لتردد غير مشغول من أحد واستئناف المحادثة. يمكن نظرياً استخدام نفس التقنية لإجراء محادثات مخفية، فإذا كنت تتكلم مع صديقك عبر اللاسلكي، وقام أحدهم بالتنصت على التردد المستخدم، تستطيع أن تستخدم كلمة دليليه مع صديقك بحيث تقومان وبسرعة بالانتقال إلى تردد آخر متفق عليه مسبقاً، وبحيث لا يتمكن المُتَنَصِت من إيجادكم (على الرغم من انه قد يتمكن من التقاط إشارتك لاحقاً).
وبما أن الأجهزة اللاسلكية هي أجهزة الكترونية ذكية، إذاً لماذا لا تقوم بهذه الحيلة من تلقاء نفسها؟ لماذا لا تنتقل لتردد آخر تلقائياً لمنع التداخل والتنصت؟
إن الإجابة على هذه الأسئلة تشكل القاعدة الأساسية خلف التقنية التي تسمى القفز الترددي للطيف المنشور، حيث يحدث انتقال بين الترددات بسرعة وبصورة عشوائية (ظاهرياً) عبر المجال الواسع من الترددات المختلفة مما يعزز الخصوصية والثقة بالاتصالات اللاسلكية.
ساهم العديد من المخترعين ومن أشهرهم المهندس الكهربائي نيكولا تسلا Nikola Tesla والممثلة الأميركية هيدي لامار Hedy Lamarr في اكتشاف تقنية الطيف المنتشر، كما طوروا نظاماً عملياً للجيش الأمريكي خلال الحرب العالمية الثانية.
المراجع:
[1] هنا
[2] هنا
مصادر الصور:
مصدر الإنفوغراف: