Kỹ thuật truyền thông bluetooth năng lượng thấp và ứng dụng trong y tế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TR¦êNG §¹I HäC C¤NG NGHÖ TH¤NG TIN Vµ TRUYÒN TH¤NG
----------------------------

KHOA THÀNH ĐĂNG

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG BLUETOOTH
NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN - 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TR¦êNG §¹I HäC C¤NG NGHÖ TH¤NG TIN Vµ TRUYÒN TH¤NG
----------------------------

KHOA THÀNH ĐĂNG

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG BLUETOOTH
NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ
Chuyên ngành:KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số:60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

GV hướng dẫn: TS. Phùng Trung Nghĩa

THÁI NGUYÊN - 2015

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn của TS Phùng Trung Nghĩa.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và mọi trích
dẫn trong báo cáo đều được ghi rõ nguồn gốc. Nếu có sử dụng bất hợp pháp
kết quả công trình nghiên cứu của người khác trong báo cáo tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Tác giả

Khoa Thành Đăng


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng của mình
tới thầy giáo, TS Phùng Trung Nghĩa. Trong quá trình tìm hiểu nghiên cứu để
hoàn thành luận văn tôi gặp không ít khó khăn, nhưng những lúc như vậy tôi
luôn nhận được sự động viên khích lệ của thầy. Thầy đã giúp đỡ tôi rất nhiều
trong quá trình nghiên cứu, hướng dẫn tận tình trong cách thức và phương
pháp nghiên cứu khoa học cũng như hỗ trợ tôi trong việc tìm tài liệu.
Để có được những kết quả trong luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến Thầy, Cô Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái
Nguyên đã tạo điều kiện cho tôi được học hỏi kiến thức thông qua các môn
học cũng như hoàn thành khóa học.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, người

thân và bạn bè đồng nghiệp đã khích lệ và động viên tôi hoàn thành luận
văn này.!


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG I:KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN BLUETOOTH . 4
1.1. Giới thiệu về Bluetooth ........................................................................... 4
1.1.1. Lịch sử phát triển Bluetooth ................................................................. 4
1.1.2. Kiến trúc của Bluetooth ........................................................................ 7
1.1.3. Các thành phần trong truyền thông Bluetooth ....................................... 8
1.1.4. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth .................................... 12
1.1.5. Địa chỉ thiết bị .................................................................................... 12
1.1.6. Trạng thái của thiết bị Bluetooth......................................................... 13
1.2. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong công nghệ Bluetooth ........................... 13
1.2.1. Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây .................................. 13
1.2.2. Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth ................................ 14
1.3. Cách thức hoạt động của Bluetooth ....................................................... 15
1.3.1. Cơ chế truyền và sửa lỗi ..................................................................... 15
1.3.2. Quá trình hình thành Piconet .............................................................. 16
1.3.3. Quá trình hình thành Scattenet ............................................................ 18
1.4. Cấu trúc Bluetooth................................................................................. 19
1.4.1. Tầng điều khiển .................................................................................. 20

1.4.2. Tầng host ............................................................................................ 21
1.4.3. Tầng ứng dụng.................................................................................... 23


iv

CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG BLE ........................ 25
2.1. Nhận xét về công nghệ truyền thông Bluetooth ..................................... 25
2.2. Tổng quan về sử dụng năng lượng trong BLE ....................................... 26
2.3. Các chế độ năng lượng trong BLE ......................................................... 27
2.3.1. Active mode ....................................................................................... 27
2.3.2. Hold mode .......................................................................................... 28
2.3.3. Sniff mode .......................................................................................... 29
2.3.4. Park mode .......................................................................................... 31
2.4. Ứng dụng của BLE ................................................................................ 33
CHƯƠNG III:XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG Y TẾ SỬ
DỤNG BLE ......................................................................................... 35
3.1. Yêu cầu bài toán ................................................................................... 35
3.2. Phân tích thiết kế hệ thống truyền thông y tế sử dụng BLE .................. 36
3.2.1. Sơ đồ khối .......................................................................................... 36
3.2.2. Chức năng của các khối phần cứng..................................................... 37
3.2.3. Thiết kế mạch phần cứng.................................................................... 46
3.2.4. Thiết kế phần mềm ............................................................................. 48
3.2.5. Đánh giá hoạt động của hệ thống ........................................................ 50
KẾT LUẬN ................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 59


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSDL

Cơ sở dữ liệu

BLE

Bluetooth năng lượng thấp

ISM

Băng tần công nghiệp, khoa học, y tế

CES

Hiển thị mức tiêu thụ năng lượng

MAC

Điều khiển truy nhập môi trường

AMA

Địa chỉ thành phần tích cực

PMA

Địa chỉ thành phần đóng gói

ACL

Liên kết bất đồng bộ

SCO

Liên kết kết hướng đồng bộ

SM

Quản lý bảo mật

ATT

Attribute Protocol

HCI

Giao diện điều khiển host

UUID

Mã phân biệt toàn cầu

LMP

Giao thức quản lý liên kết


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình. 1.1. Kiến trúc Bluetooth ................................................................................. 8
Hình. 1.2.Mô hình một Piconet .............................................................................. 10
Hình. 1.3. Một Scatternet ....................................................................................... 11
Hình. 1.4. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số................................................................. 14
Hình. 1.5. Các packet truyền trên các tần số khác nhau.......................................... 14
Hình. 1.6. Các packet truyền trên khe thời gian ..................................................... 15
Hình. 1.7. Mô hình Piconet .................................................................................... 16
Hình. 1.8. Quá trình truy vấn tạo kết nối. ............................................................... 17
Hình. 1.9. Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế. ............................... 18
Hình. 1.10. Minh họa một Scatternet. .................................................................... 19
Hình 1.11. Cấu trúc của Bluetooth ......................................................................... 19
Hình 1.12. Dải tần kênh của lớp vật lý ................................................................... 20
Hình. 2.1. Hold Mode Interaction .......................................................................... 28
Hình. 2.2. Sniff Mode Interaction .......................................................................... 29
Hình 2.3. Ví dụ về các chế độ tiết kiệm năng lượng của BLE ................................ 32
Hình 2.4. Ứng dụng BLE trong y tế và các lĩnh vực khác ...................................... 34
Hình 3.1. Hệ thống thu thập đa thông số bằng cảm biến y tế. ................................. 35
Hình 3.2. Sử dụng module BLE kết nối Arduino Uno với điện thoại và kết nối
Internet từ điện thoại bằng 3G/GPRS. ................................................... 36
Hình 3.3. Sơ đồ khối.............................................................................................. 36
Hình 3.4. Sơ đồ chân trong ATmega 328 ............................................................... 37
Hình 3.5. Cảm biến nhiệt độ TMP006 ................................................................... 38
Hinh 3.6. Sơ đồ chân TMP006 .............................................................................. 39
Hình 3.7. Cảm biến XD-58C ................................................................................ 40
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý XD-58C ....................................................................... 41
Hình 3.9. Module BLE HM-10 .............................................................................. 42
Hình 3.10. Sơ đồ chân module BLE HM-10 .......................................................... 43

vii

Hình 3.11. Hình ảnh thực tế chip FT232RL ........................................................... 45
Hình 3. 12. Lưu đồ thuật toán lặp gửi dữ liệu liên tục qua HM-10 ............................. 48
Hình 3. 13. Lưu đồ thuật toán hiển thị dữ liệu thu từ BLE trên điện thoại và truyền
lên server .............................................................................................. 49
Hình 3.14. Hình ảnh thực tế toàn mạch .................................................................. 51
Hình 3.15. Hình ảnh thực tế mạch xử lý trung tâm lớp TOP .................................. 51
Hình 3.16. Hình ảnh thực tế mạch xử lý trung tâm lớp BOTTOM ......................... 52
Hình 3. 17. Hình ảnh kết quả chạy phần mềm trên điện thoại Android .................. 52
Hình 3.18. Hình ảnh hiển thị thời gian thực các thông số thu thập được trên web .. 53
Hình 3.19. Máy đo oxylo đo cường độ dòng .......................................................... 55


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Bảng mô tả chức năng của các chân trong BLE HM-10 ......................... 44
Bảng 3.2. Thông số nhịp tim đo được qua cảm biến và hiển thị trực tiếp bằng cách
kết nối trực tiếp máy tính với vi điều khiển ........................................... 53
Bảng 3.3. Thông số nhiệt độ đo được qua cảm biến và hiển thị trực tiếp bằng cách
kết nối trực tiếp máy tính với vi điều khiển ........................................... 54
Bảng 3.4. Kết quả đánh giá về độ chính xác của BLE với 10 lần đo mỗi chế độ ......... 54
Bảng 3.5. Kết quả đánh giá về độ trễ của 2 chế độ Sniff và Parkvới chu kỳ nghỉ 1s
(thông qua đo thời gian thực tại vi điều khiển và điện thoại) ................. 55
Bảng 3.6. Kết quả đánh giá về mức tiêu hao năng lượng của 2 chế độ Sniff và Park
với V = 3.3 V........................................................................................ 56

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và công
nghệ điện tử, truyền thông, vấn đề chăm sóc sức khỏe từ xa ngày càng được
quan tâm nhiều hơn. Sự hội tụ của các trào lưu công nghệ như cảm biến và
thiết bị di động nối mạng khắp nơi thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị
điện tử y tế cá nhân.Trong cuộc sống thường ngày, các bệnh về tai biến
mạch máu não, xuất huyết não,…ngày càng gia tăng. Các thông số sức khỏe
như nhịp tim, nhiệt độ cơ thể và huyết áp của bệnh nhân nặng, người cao
tuổi,…do đó cần phải được giám sát liên tục để tránh khỏi nguy cơ đột quỵ.
Thay vì, dùng cặp nhiệt độ để đo nhiêt độ cơ thể, dùng máy đo Boso
Oscillphon để đo huyết áp hay máy đo điện tâm đồ để đo nhịp tim thì ngành
điện tử y tế đã đưa ra các loại cảm biến khác nhau tích hợp trong các thiết bị
nhỏ gọn để đo cả 3 thông số trên. Để truyền thông các thông số sức khỏe
trên một cách chính xác, hiệu quả, tiện dụng thì các mạng truyền thông vô
tuyến ứng dụng trong y tế đóng một vai trò quan trọng [1]. Mặc dù hiện nay
có rất nhiều công nghệ truyền thông không dây được sử dụng trong đời
sống, công nghiệp, không phải công nghệ nào cũng có thể sử dụng trong y tế
do không phù hợp hoặc có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do
khoảng cách truyền giữa các nút cảm biến y tế hoặc giữa nút cảm biến y tế
tới bộ điều khiển trung tâm thường nằm trong phạm vi ngắn từ 10m tới dưới
100m [2, 3]. Do vậy, các kỹ thuật truyền thông vô tuyến khoảng cách ngắn
có vai trò quan trọng các hệ thống thiết bị y tế [4, 5, 6].
Trong số các kỹ thuật truyền thông khoảng cách ngắn, kỹ thuật
Bluetooth năng lượng thấp (BLE) được xem là một kỹ thuật triển vọng cho

2

các hệ thống thu thập, giám sát trong y tế và trong các mạng không dây cá
nhân WPAN nói chung [4]. Nó không gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người
do dải tần quy định nằm trong phạm vi an toàn, tiêu thụ nặng lượng thấp dẫn
tới công suất phát và thu thấp. Công nghệ BLE cũng phù hợp để truyền thông
các dữ liệu y tế kích cỡ nhỏ như các thông số nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp vốn
không yêu cầu độ rộng dải thông của kênh truyền lớn, công suất thu và phát
cao. Nó cũng đảm bảo các nút mạng cảm biến không dây có thời gian sống
lâu, duy trì tính ổn định của hệ thống vốn yêu cầu chặt chẽ như các hệ thống
truyền thông y tế.
Ngoài ra, một lí do thúc đẩysự phát triển không ngừng của các công
nghệtruyền thông Bluetooth như truyền thông BLE chính là sự hỗ trợ của các
hệ điều hành dành cho điện thoại đi động trên thế giới dành cho Bluetooth luôn
được các nhà sản xuất điện thoại quan tâm và cập nhật. Có thể nói tất cả các
chuẩn tiên tiến, mới nhất về truyền thông Bluetooth đều được tích hợp trong
phần cứng, phần mềm của các điện thoại di động smartphones dẫn tới việc sử
dụng điện thoại di động smartphones làm nút truyền thông BLE trở nên dễ
dàng. Khi đã thu thập được các thông số y tế bằng điện thoại smartphones cá
nhân, việc hiển thị các thông tin trên điện thoại di động cũng như truyền lên
máy chủ để bác sỹ giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.
Ở Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu về truyền thông vô tuyến trong y
tế [7, 8, 9]. Tuy nhiên, vẫn chưa có các nghiên cứu vềBLE, vấn đề sử dụng
năng lượng trong BLEcũng như các ứng dụng của BLE trong y tế.Chính vì
các lí do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học là “Kỹ thuật truyền thông
Bluetooth năng lượng thấp và ứng dụng trong y tế”.
2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này là nghiên cứu về kỹ thuật truyền
thông BLE và ứng dụng trong y tế, trong đó chú trọng đến vấn đề sử dụng

3

năng lượng trong BLE. Đánh giá độ ổn định và hiệu quả của kỹ thuật BLE
qua việc xây dựng một hệ thống thực nghiệm thu thập các thông số sức khỏe
con người và truyền thông bằng BLE tới điện thoại di động bệnh nhân để
bệnh nhân tự giám sát và bác sỹ có thể giám sát thời gian thực từ xa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là kỹ thuật truyền thông BLE và
ứng dụng trong y tế. Đây là đối tượng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu
trên thế giới quan tâm trong thời gian gần đây.
Phạm vi của luận văn bao gồm nghiên cứu tổng quan tổng quan về
truyền thông vô tuyến ứng dụng trong y tế, nghiên cứu về kỹ thuật truyền
thông BLE, đặc biệt là vấn đề sử dụng năng lượng trong BLE. Luận văn cũng
nghiên cứu xây dựng hệ thống thực nghiệm thu thập các thông số sức khỏe
con người và truyền thông bằng BLE tới điện thoại di động bệnh nhân để
bệnh nhân tự giám sát và bác sỹ có thể giám sát thời gian thực từ xa.Trên cơ
sở các đánh giá thực nghiệm về độ chính xác và tính ổn định của hệ thống,
luận văn sẽ đưa ra các khuyến nghị, đề xuất.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu tổng hợp các lý
thuyết đã có trên thế giới [1-9] kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên một
hệ thống thu thập thông số, truyền thông tin y tế cụ thể.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu về kỹ thuật truyền thông BLE có vai trò quan trọng trong
các hệ thống truyền thông y tế. Đây không phải vấn đề nghiên cứu mới trên thế
giới nhưng còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Đặc biệt, nghiên cứu về vấn đề sử
dụng năng lượng trong BLE và kết hợp đánh giá thực nghiệm trong một hệ
thống thu thập, truyền thông tin y tế cụ thể chưa được nghiên cứu ở Việt Nam.

Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.


4

CHƯƠNG I
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN BLUETOOTH
1.1. Giới thiệu về Bluetooth
1.1.1. Lịch sử phát triển Bluetooth
a, Khái niệm
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp
với nhau trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến thông qua băng tần ISM
(Industrial Scientific Medical) có phổ tần 2.4 GHz – 2.4835 GHz. Đây là dãy
băng tần không cần đăng ký dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây
trong công nghiệp, khoa học và y tế.
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính
và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối giữa các thiết bị điện tử lại với
nhau một cách thuận lợi và có giá thành rẻ.
Khi được kích hoạt Bluetoth có thể tự động định vị những thiết bị khác
có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng. Nó
được định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói.
b, Lịch sử phát triển
Bluetooth là tên của nhà vua Đan Mạch – Harald I Bluetooth (910 - 985).
Harald Bluetooth đã hợp nhất Đan Mạch và Na-uy. Ngày nay, Bluetooth là
biểu tượng của sự thống nhất giữa Computer và Telecom, giữa công nghệ
máy tính và công nghệ truyền thông đa phương tiện.
- Năm 1994: lần đầu tiên hãng Ericsson đưa ra một đề án nhằm họp nhất
liên lạc giữa các loại thiết bị điện tử khác nhau mà không phải dùng đến các
sợi cáp nối cồng kềnh, phức tạp. Đây thực chất là một mạng vô tuyến không
dây cự ly ngắn chỉ dùng một vi mạch cỡ 9mm có thể chuyển các tín hiệu sóng

vô tuyến điều khiển thay thế cho các sợi dây cáp điêù khiển rối rắm.
- Năm 1998: 5 công ty lớn nhất thế giới gồm: Ericsson, Nokia, IBM,
Intel và Toshiba đã liên kết, hợp tác thiết kế và triển khai phát triển một chuẩn


5

công nghệ kết nối không dây mới mang tên “bluetooth” nhằm kết nối các thiết
bị điện tử lại với nhau dùng sóng vô tuyến.
- Ngày 20/5/1998: Nhóm nghiên cứu Special Interest Group – SIG chính
thức được thành lập với mục đích phát triển công nghệ Bluetooth trên thị
trường viễn thông. Bất kỳ công ty nào có kế hoạch sử dụng công nghệ
Bluetooth thì đều có thể tham gia vào.
- Tháng 7/1999: Các chuyên gia trong SIG đã đưa ra thuyết minh kỹ
thuật Bluetooth phiên bản 1.0.
- Năm 2000: SIG đã bổ sung thêm 4 thành viên mới là: 3Com, Lucent
Technologies, Microsoft và Motorola. Công nghệ Bluetooth đã được cấp dấu
chứng nhận kỹ thuật ngay trong lần ra mắt đầu tiên.
- Năm 2001: Bluetooth 1.1 ra đời cùng với bộ bluetooth software
development kit – XTNDAccess Blue SDK, đánh giá bước phát triển chưa
từng có của công nghệ bluetooth trên nhiều lihx vực khác nhau với sự quan
tâm của nhiều nhà sản xuất mới. Bluetooth được bình chọn là công nghệ vô
tuyến tốt nhất trong năm.
- Tháng 7/ 2002: Bluetooth SIG thiết lập cơ quan đầu não toàn cầu tại
Overland Park, Kansas, USA. Năm 2002 đánh dấu sự ra đời các thế hệ máy
tính Apple hỗ trợ Bluetooth. Sau đó không lâu Bluetooth cũng được thiết lập
trên máy Macintosh với hệ điều hành MAC OXS. Bluetooth cho phép chia sẻ
tập tin giữa các máy MAC, đồng bộ hóa và chia sẻ thông tin liên lạc giữa các
máy Palm, truy cập Internet thông qua điện thoại di động có hỗ trợ Bluetooth.
- Tháng 5/2003: CSR (Cambridge Silicon Radio) cho ra đời một chip

Bluetooth mới với khả năng tích hợp dễ dàng và giá cả hợp hơn. Điều này
góp phần cho sự ra đời thế hệ Motherboard tích hợp Bluethooth, giảm sự
chênh lệch giá cả giữa những mainboard cellphone có và không có Bluetooth.
- Tháng 11/2003: Dòng sản phẩm Bluetooth 1.2 ra đời. Tổ chức Cahners
In-Stat dự báo rằng các sản phẩm gắn Bluetooth sẽ lên tới 1 tỷ.


6

- Năm 2004: Các công ty điện thoại di động tiếp tục khai thác thị trường
sôi nổi này bằng cách cho ra đời các thế hệ điện thoại di động đời mới hỗ trợ
Bluetooth (N7610, N6820, N6230). Motorola cho ra đời sản phẩm đầu tay
của mình. Các sản phẩm Bluetooth tiếp tục tra đời và được xúc tiến mạnh mẽ
qua chương trình “Operation Blueshock” International Consumer Electronics
Show (CES) tại Las Vegas ngày 9/1/2004.
- Ngày 6/1/2004: Trong hội nghị Bluetooth CES (Consumer Electronics
Show) tại Las Vegas, tổ chức SIG thông báo số thành viên của mình đã đạt
con số 3000, trở thành tổ chức có số thành viên đông đảo thuộc nhiều lĩnh vực
công nghệ: từ máy móc tự động đến thiết bị y tế, PC đến điện thoại di động,
tất cả đều sử dụng kỹ thuật không dây tầm ngắn trong sản phẩm của họ.
- Năm 2008: Bluetooth 3.0 ra đời hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới
24Mbps, và dành chủ yếu cho các ứng dụng audio và chia sẻ file.
- Năm 2009: Phiên bản mới nhất của Bluetooth đã được tổ chức SIG
thông qua. Tuy nhiên, khác với Bluetooth 3.0 bản Bluetooth 4.0 mới nhất chỉ
dành cho các ứng dụng trong lĩnh vực y tế, chăm sóc sức khỏe và an ninh.
- Ngày 30/6/2010: Bluetooth SIG đã đưa ra Bluetooth phiên bản 4.0 là sự
kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high
speed” (Bluetooth 3.0 + HS) và “Bluetooth low energy – Bluetooth năng
lượng thấp” (Bluetooth Smart Ready/Bluetooth Smart).
c, Các đặc điểm của Bluetooth

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps. Bluetooth có hỗ
trợ tốc độ truyền tải dũ liệu lên tới 720Kbps trong pham vi 10m. Khác với kết
nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng dải tần
2.4GHz.
Bluetooth tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều
loại thiết bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.


7

Bluetooth có giá thành hạ (giá một con chip Bluetooth đang giảm dần).
Khoảng cách giao tiếp cho phép:
 Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời
và 5m trong tòa nhà.
 Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m
ngoài trời và 30m trong nhà.
Bluetooth sử dụng băng tần đăng ký 2.4GHz trên dãy băng tần ISM. Tốc
độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà
các thiết bị không cần phải lấy trực tiếp nhau.
Việc phát triển ứng dụng Bluetooth rất dễ dàng, Bluetooth kết nối một
ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth
profiles”, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để
truyền tiếng nói và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
Bluetooth có độ an toàn và bảo mật, được tích hợp với sự xác nhận và
mã hóa.
Bluetooth có tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng
cũng như phần mềm hỗ trợ.
1.1.2. Kiến trúc của Bluetooth
Mô hình trong mạng sử dụng công nghệ Bluetooth là ad-hoc. Các thiết bị

hoạt động trong một phạm vi bán kính tối đa 10m. Một tập hợp các thiết bị giao
tiếp với nhau trong phạm vi cho phép gọi là 1 piconet. Tất cả các thiết bị trong
cùng một piconet sẽ chia sẽ cùng một kênh. Mỗi piconet có một master và ít
nhất một slave. Bất cứ thiết bị nào cũng có thể đóng vai trò là master hay slave
tuỳ vào sự quy định của người dùng. Có tối đa 7 slave trong một piconet. Vì
thế mỗi thiết bị trong một piconet được xác định bằng 3 bit định danh.


8

Hình. 1.1. Kiến trúc Bluetooth
Chỉ có master mới có thể khởi động một mạng Bluetooth. Tuy nhiên, khi
mà liên kết đã được thiết lập slave có thể yêu cầu một master/ slave trở thành
một master. Các slave thì không thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Tất cả các
giao tiếp trong mạng Bluetooth là giao tiếp giữa slave và master. Nhiều
piconet bao phủ chồng lên nhau tạo thành một vùng gọi là scatternet. Mỗi
piconet chỉ có duy nhất một master, nhưng slave thì có thể thuộc các piconet
khác nhau.
1.1.3. Các thành phần trong truyền thông Bluetooth
a. Master Unit
Là thiết bị duy nhất trong 1 Piconet, Master thiết lập đồng hồ đếm xung
và kiểu bước nhảy (hopping) để đồng bộ tất cả các thiết bị trong cùng
piconet mà nó đang quản lý, thường là thiết bị đầu tiên chuyển đổi dữ liệu.
Master cũng quyết định số kênh truyền thông. Mỗi Piconet có một kiểu
hopping duy nhất.
b. Slave Unit
Là tất cả các thiết bị còn lại trong piconet, một thiết bị không là Master
thì phải là Slave. Tối đa 7 Slave dạng Active và 255 Slave dạng Parked
(Inactive) trong 1 Piconet. Có 3 dạng Slave trong một Piconet:
- Active: Slave hoạt động, có khả năng trao đổi thông tin với Master và

các Slave Active khác trong Piconet. Các thiết bị ở trạng thái này được phân


9

biệt thông qua 1 địa chỉ MAC (Media Access Control) hay AMA (Active
Member Address) - đó là con số gồm 3 bit. Nên trong 1 Piconet có tối đa 8
thiết bị ở trang thái này (1 cho Master và 7 cho Slave).
- Standby: Standby là một dạng inactive, thiết bị trong trạng thái này
không trao đổi dữ liệu, sóng radio không có tác động lên, công suất giảm đến
tối thiểu để tiết kiệm năng lượng, thiết bị không có khả năng dò được bất cứ
mã truy cập nào. Có thể coi là những thiết bị trong nằm ngoài vùng kiểm soát
của Master.
- Parked: là một dạng inactive, chỉ 1 thiết bị trong 1 Piconet thường
xuyên được đồng bộ với Piconet, nhưng không có 1 địa chỉ MAC. Chúng
như ở trạng thái "ngủ" và sẽ được Master gọi dậy bằng tín hiệu "beacon"
(tín hiệu báo hiệu). Các thiết bị ở trạng thái Packed được đánh địa chỉ
thông qua địa chỉ PMA (Packed Member Address). Đây là con số 8 bits để
phân biệt các packed Slave với nhau và có tối đa 255 thiết bị ở trạng thái
này trong 1 Piconet.
c. Piconet
Picotnet là tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua kỹ thuật Bluetooth
theo mô hình Ad-Hoc (đây là kiểu mạng được thiết lập cho nhu cầu truyền dữ
liệu hiện hành và tức thời, tốc độ nhanh và kết nối sẽ tự động huỷ sau khi
truyền xong). Trong 1 Piconet thì chỉ có 1 thiết bị là Master. Đây thường là
thiết bị đầu tiên tạo kết nối, nó có vai trò quyết định số kênh truyền thông và
thực hiện đồng bộ giữa các thành phần trong Piconet, các thiết bị còn lại là
Slave. Đó là các thiết bị gửi yêu cầu đến Master. Lưu ý rằng, 2 Slave muốn
thực hiện liên lạc phải thông qua Master bởi chúng không bao giờ kết nối trực
tiếp được với nhau, Master sẽ đồng bộ các Slave về thời gian và tần số. Trong

1 Piconet có tối đa 7 Slave đang hoạt động tại 1 thời điểm.


10

Hình. 1.2.Mô hình một Piconet
 Cách hình thành một Piconet
Một piconet bắt đầu với 2 thiết bị kết nối với nhau, như laptop PC với 1
Mobilephone. Giới hạn 8 thiết bị trong 1 Piconet (3 bit MAC cho mỗi thiết
bị). Tất cả các thiết bị Bluetooth đều ngang hàng và mang chức năng xác
định. Tuy nhiên khi thành lập 1 Piconet, 1 thiết bị sẽ đóng vai Master để đồng
bộ về tần số và thời gian truyền phát, và các thiết bị khác làm Slave.
d. Scatternet
Là 2 hay nhiều Piconet độc lập và không đồng bộ, các Piconet này kết
hợp lại truyền thông với nhau.
Lưu ý:
- Một thiết bị có thể vừa là Master của Piconet này, vừa là Slave của
Piconet khác.
- Vai trò của 1 thiết bị trong Piconet là không cố định, có nghĩa là nó
có thể thay đổi từ Master thành Slave và ngược lại, từ Slave thành Master.
Ví dụ nếu Master không đủ khả năng cung cấp tài nguyên phục vụ cho


11

Piconet của mình thì nó sẽ chuyển quyền cho 1 Slave khác giàu tài nguyên
hơn, mạnh hơn, bởi vì trong 1 piconet thì Clock và kiểu Hopping đã được
đồng bộ nhau sẵn.

Hình. 1.3. Một Scatternet

Có 2 cách hình thành một Scatternet
- Cách 1: Piconet này cử ra 1 Slave làm Slave của Piconet kia (các
Piconet là độc lập với nhau và không đồng bộ). Slave này sẽ phân chia các
time slots (TS), một vài TS ở Piconet này, vài TS ở Piconet kia.
- Cách 2: Một Slave trong Piconet này trở thành 1 Master trong 1
Piconet khác. Cũng bằng cách chia các TS như trên cách 1. Cách này cho
phép 2 Piconet đồng bộ nhau về clock (xung nhịp) và kiểu hopping (kiểu
nhảy tần số). Vì 1 Slave đóng vai trò Master trong 1 Piconet mới, sẽ mang
theo clock và hopping của Piconet cũ, đồng bộ cho các Slave trong Piconet
mới mà nó làm Master.
Khi có nhiều Piconet độc lập, có thể bị nhiễu trên một số kênh, những
packet đó sẽ bị mất và được truyền lại. Nếu tín hiệu là tiếng nói (tín hiệu
thoại), chúng sẽ bị bỏ qua.


12

1.1.4. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth
- Liên kết bất đồng bộ(Asynchronous connectionless - ACL): được thiết
lập cho việc truyền dữ liệu, những gói dữ liệu cơ bản (primarily packet data).
Là một kết nối point-tomultipoint giữa Master và tất cả các Slave tham gia
trong piconet. Chỉ tồn tại duy nhất một kết nối ACL. Chúng hỗ trợ những kết
nối chuyển mạch gói (packet-switched connection) đối xứng và không đối
xứng. Những gói tin đa khe dùng ACL link và có thể đạt tới khả năng truyền
tối đa 723 kbps ở một hướng và 57.6 kbps ở hướng khác. Master điều khiển
độ rộng băng tầng của ACL link và sẽ quyết định xem trong một piconet một
slave có thể dùng băng tầng rộng bao nhiêu. Những gói tin broadcast truyền
bằng ACL link, từ master đến tất cả các slave. Hầu hết các gói tin ACL đều
có thể truyền lại.Liên kết bất đồng bộ được sử dụng cho chuyền dữ liệu.
- Liên kết kết hướng đồng bộ (Synchronous connection-oriented - SCO):

hỗ trợ kết nối đối xứng, chuyển mạch mạch (circuit-switched), point-to-point
giữa một Master và một Slave trong 1 piconet. Kết nối SCO chủ yếu dùng để
truyền dữ liệu tiếng nói. Hai khe thời gian liên tiếp đã được chỉ định trước sẽ
được dành riêng cho SCO link. Dữ liệu truyền theo SCO link có tốc độ
64kbps. Master có thể hỗ trợ tối đa 3 kết nối SCO đồng thời. SCO packet
không chứa CRC (Cyclic Redundancy Check) và không bao giờ truyền lại.
Liên kết SCO được thiết lập chỉ sau khi 1 liên kết ACL đầu tiên được thiết
lập.Liên kết kết hướng đồng bộ được sử dụng để truyền âm thanh, hình ảnh.
1.1.5. Địa chỉ thiết bị
Có 4 loại địa chỉ khác nhau có thể gán cho một thiết bị Bluetooth: BDADDR, AM-ADDR, PM-ADDR, AR-ADDR.
- BD-ADDR (Bluetooth Device Address): là 48 bit đại chỉ MAC theo
tiêu chuẩn IEEE quy định (giống như địa chỉ MAC trên mỗi card mạng), xác
định duy nhất 1 thiết bị Bluetooth trên toan cầu, trong đó 3 byte cho nhà sản
xuất thiết bị và 3 byte cho sản phẩm.


13

- AM-ADDR (Active Member Address): nó còn gọi là địa chỉ MAC
(Media Access Control) của một thiết bị Bluetooth. Nó là một con số 3 bit
dùng để phân biệt giữa các active slave tham gia trong 1 piconet. 2^3 =8 nên
có tối đa 7 Slave active trong 1 piconet, còn 000 là địa chỉ Broadcast (truyền
đến tất cả các thành viên trong piconet). Địa chỉ nà chỉ tồn tại khi Slave ở
trạng thái active.
- PM-ADDR (parked member address): Là 1 con số 8 bit, phân biệt các
parked Slave. Do đó có tối đa 255 thiết bị ở trạng thái parked. Địa chỉ này chỉ
tồn tại khi Slave ở trạng thái parked.
- AR-ADDR (Access Request Address): Địa chỉ này được dùng bởi
parked Slave để xác định nơi mà nó được phép gửi thông điệp yêu câu truy
cập tới.

1.1.6. Trạng thái của thiết bị Bluetooth
Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong 1 piconet:
- Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thiết bị
Bluetooth khác.
- Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu
inquiry của thiết bị đang thực hiện inquiring và trả lời.
- Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với
thiết bị đã inquiry từ trước.
- Page scanning device (page scan mode): thiết bị nhận yêu cầu kết nối
từ paging device và trả lời.
1.2. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong công nghệ Bluetooth
1.2.1. Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây
Trong truyền thông bằng sóng radio cổ điển, người ta chỉ dùng một
tần số để truyền dữ liệu, nhưng khả năng mất dữ liệu là rất lớn do tần số này
có thể bị nhiễu, mặt khác tốc độ truyền sẽ không cao.


14

Truyền thông trải phổ là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều tần số
cùng 1 lúc (DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum) hoặc luân phiên (FHSS
- Frequency Hopping Spread Spectrum) để tăng khả năng chống nhiễu, bảo
mật và tốc độ truyền dữ liệu.
Trải phổ nhảy tần số là kỹ thuật phân chia giải băng tần thành một tập
hợp các kênh hẹp và thực hiện việc truyền tín hiệu trên các kênh đó bằng việc
nhảy tuần tự qua các kênh theo một thứ tự nào đó.

Hình. 1.4. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số
1.2.2. Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth
Việc truyền dữ liệu trong Bluetooth được thực hiện bằng sử dụng kỹ

thuật nhảy tần số, có nghĩa là các packet được truyền trên những tần số khác
nhau. Giải băng tần ISM 2.4Ghz được chia thành 79 kênh, với tốc độ nhảy là
1600 lần trong một giây, điều đó có thể tránh được nhiễu tốt và chiều dài của
các packet ngắn lại, tăng tốc độ truyền thông.

Hình. 1.5. Các packet truyền trên các tần số khác nhau


15

Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian. Chiều dài 1 khe thời gian
thông thường là 625µs. Một packet thường nằm trong 1 khe đơn, nhưng cũng
có thể mở rộng ra 3 hay 5 khe. Với các packet đa khe, yêu cầu tần số phải
không đổi cho đến khi toàn bộ packet gửi xong.

Hình. 1.6. Các packet truyền trên khe thời gian
Sử dụng packet đa khe, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhờ phần header
của mỗi packet chỉ đòi hỏi 1 lần 220µs (là thời gian chuyển đổi sau mỗi
packet). Có thể hiểu ngắn gọn là thời gian truyền 3 packets đơn khe sẽ lớn
hơn thời gian truyền 1 packet 3- khe. Bù lại, trong môi trường có nhiều tín
hiệu truyền, các packet dài chiếm nhiều timeslot dễ bị nhiễu hơn, do đó dễ bị
mất hơn.
1.3. Cách thức hoạt động của Bluetooth
1.3.1. Cơ chế truyền và sửa lỗi
Kỹ thuật Bluetooth thực sự là rất phức tạp. Nó dùng kỹ thuật nhảy tần
số trong các timeslot (TS), được thiết kế để làm việc trong môi trường nhiễu
tần số radio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết
truyền thông và truyền thông thông minh. Cứ mỗi lần gửi hay nhận một
packet xong, Bluetooth lại nhảy sang một tần số mới, như thế sẽ tránh được
nhiễu từ các tín hiệu khác.

So sánh với các hệ thống khác làm việc trong cùng băng tần, sóng
radio của Bluetooth nhảy tần nhanh và dùng packet ngắn hơn. Vì nhảy nhanh
và packet ngắn sẽ làm giảm va chạm với sóng từ lò vi sóng và các phương
tiện gây nhiễu khác trong khí quyển.