lịch sử phát triển và hình thành của bluetooth low energy ble

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Ánh

Lại Tiến Cường Lê Văn Tuấn Linh

Nguyễn Đăng Thắng Bùi Khánh Tùng

BÀI THUYẾT TRÌNH NHÓM 2

Truyền thông vô tuyến

Trường Đại học Thủy LợiLớp 63ĐTVT1 - Nhóm 2

Môn: Truyền thông vô tuyếnGiảng viên: TS Mai Văn Lập

1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HÌNH

BLE Technology

• Phiên bản Bluetooth đầu tiên với tốc độ 1Mpbs, nhưng khả năng tương thích chưa cao.

Bluetooth 2.0 + ERD

• Bản nâng cấp của Bluetooth 2.0 với cơ chế kết nối phạm vi nhỏ.

Bluetooth 2.1 + ERD

•Ra mắt vào năm 2009 với tốc độ lý thuyết lên đến 24 Mbps Bluetooth 3.0 rất phổ biến trên các mẫu điện thoại lúc bấy giờ, phù hợp với việc truyền dữ liệu nhỏ như hình ảnh, file nhạc,

Bluetooth 3.0 + HS

•Ra đời vào ngày 30/6/2010 là một phiên bản tối ưu hóa các chuẩn Bluetooth trước đó (Classic Bluetooth) cho phép

truyền tải tốc độ cao nhờ vào Bluetooth High Speed và tiêu tốn năng lượng thấp hơn nhờ vào Bluetooth Low Energy.

Bluetooth 4.0

•Là thế hệ mới nhất hiện tại 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 5.0

• Nâng cấp thêm khả năng tìm hướng AoA (Angle of

Arrival) và AoD (Angle of Departure) giúp xác định vị trí

chính xác của thiết bị Ngoài ra Bluetooth 5.1 còn trang bị

khả năng kết nối không cần gói dữ liệu giúp kết nối,

đồng bộ đơn giản và ít điện năng hơn

Bluetooth 5.1

• Được ra mắt năm 2020 với tính năng giao thức thuộc tính

nâng cao (EATT) giúp giảm độ trễ và tăng mã hóa trong

kết nối, tính năng kiểm soát LEPC để kiểm soát nguồn và

ổn định chất lượng tín hiệu, giảm tỉ lệ lỗi nhận tín hiệu và tính năng ISOC cho phép truyền dữ liệu hai chiều với cùng lúc nhiều thiết bị.

Bluetooth 5.2

3

Group 2 - 63ĐTVT1

Bluetooth Low Energy

4

Bluetooth Low Energy (BLE) là phiên bản mới

hơn của công nghệ Bluetooth được giới thiệu vào

năm 2010 BLE, còn được gọi là Bluetooth Smart,

được thiết kế cho các ứng dụng tiêu thụ ít năng

lượng như máy theo dõi thể dục, thiết bị nhà thông minh và đèn hiệu BLE sử dụng cùng băng tần ISM 2,4 GHz như Bluetooth cổ điển nhưng có mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và phạm vi ngắn hơn.

Các thiết bị BLE có thể chạy bằng pin dạng đồng xu trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm BLE có tốc độ dữ liệu tối đa là 1 Mbps và phạm vi lên tới 50 mét Các thiết bị BLE có thể kết nối với các thiết bị khác bằng nhiều giao thức khác nhau như GATT (hồ sơ thuộc tính chung) để trao đổi dữ liệu và GAP (hồ sơ truy cập chung) để khám phá và kết nối thiết bị.

Bluetooth Low Energy (BLE)

5

Ưu, nhược điểm của BLE

Ưu điểm của BLE:

• Sự tiêu thụ ít điện năng• Thời gian chờ lâu

• Chi phí phát triển thấp• Cải thiện theo dõi

• Mở quyền truy cập vào tài liệu

• Khoảng không quảng cáo tự động chính xác hơn• Sự phổ biến ở điện thoại thông minh

Nhược điểm của BLE:

Nguyên lý hoạt động của BLE

BLE

Technology

7

Nguyên lý hoạt động của BLE

Bluetooth Low Energy hiện đang xác định cấu trúc các thông tin trao đổi với nhau dựa trên cấu trúc dữ liệu dạng phân cấp Cụ thể là một thiết bị Bluetooth Low Energy sẽ hoạt động với vai trò của thiết bị ngoại vi để các thuộc tính, dịch vụ của nó để ứng dụng vào giao tiếp, tương tác với những thiết bị khác Những thuộc tính trên thiết bị sẽ được xác định dựa vào cấu hình GATT (thuộc tính chung) Từng thuộc tính sẽ thể hiện giá trị dưới hình thức gói nhỏ thông tin và có khả năng thay đổi qua thời gian.

(GATT - Cung cấp cấu hình phát hiện và mô tả các dịch vụ cho giao thức Bluetooth năng lượng thấp)

Ngoài ra, những thuộc tính được xác định thường sẽ chứa những giá trị theo kiểu ghi hoặc kiểu đọc Thiết bị ngoại vi nào chia sẻ thuộc tính theo kiểu đọc sẽ truyền tải các

thông tin quan trọng cho trung tâm và gửi các dữ liệu đi Còn những thiết bị ngoại vi chia sẻ thuộc tính theo kiểu ghi sẽ có giao diện nhận các dữ liệu từ trung tâm.

Thông thường dữ liệu BLE sẽ được gửi đi và nhận với hình thức gói nhỏ dữ liệu Trong

Bluetooth LE 4.1 và 4.0 thì kích thước dữ liệu cao nhất là 27 byte Trong đó, gói dữ liệu này còn chứa tiêu đề có kích thước 4 byte làm cho tổng gói tăng lên 31 byte

9

Sự khác biệt giữa Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy (BLE)

BLE Technology

Bluetooth Classic & Bluetooth Low Energy

Điểm khác biệt giữa Classic Bluetooth và BLE là phạm vi giao tiếp của chúng. Bluetooth cổ điển có phạm vi phủ sóng dài hơn BLE nên phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng lớn hơn. BLE có phạm vi ngắn hơn nên phù hợp hơn với các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng nhỏ hơn như điều hướng trong nhà hoặc các dịch vụ dựa trên vị trí.

Về mặt bảo mật, cả Classic Bluetooth và BLE đều cung cấp các tính năng bảo mật tương tự như

mã hóa và xác thực. Tuy nhiên, thiết bị BLE cũng có thể sử dụng kết nối an toàn, cung cấp lớp bảo mật bổ sung bằng cách sử dụng giao thức trao đổi khóa an toàn để thiết lập kết nối an toàn giữa các thiết bị.

Một trong những khác biệt chính giữa Classic Bluetooth và BLE là mức tiêu thụ điện năng của chúng. Các thiết bị Bluetooth cổ điển tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các thiết bị BLE, điều này khiến chúng ít phù hợp hơn với các ứng dụng di động và chạy bằng pin

Các thiết bị BLE được thiết kế để tiêu thụ rất ít năng lượng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin nhỏ. Đây là lý do tại sao BLE thường được sử dụng trong các thiết bị IoT như máy theo dõi thể dục, đồng hồ thông minh và các thiết bị đeo khác.

11

SNĐặc trưngBluetooth cổ điểnBluetooth năng lượng thấp1 Băng tần (Đã sử dụng 2,402 GHZ-2,480 GHZ)Băng tần ISM 2,4 GHZ (Đã sử dụng 2,402 GHZ-2,480 GHZ)Băng tần ISM 2,4 GHZ

2 Số kênh79 Kênh mỗi chiều rộng 1 MHZ40 Kênh mỗi chiều rộng 2 MHZ

3 Sử dụng/lan rộng kênhTrải phổ nhảy tần (FHSS)Trải phổ nhảy tần (FHSS)

4 Sự tiêu thụ năng lượngCao (Xấp xỉ 1W)Thấp (Xấp xỉ 0,001 W-0,5 W)

5 Phạm vi liên lạc10m đến 30m10m đến 30m

6 Tốc độ dữ liệu 2-3 Mbps cho EDR1 Mbps cho BR 500kbps-1Mbps

7 Kỹ thuật điều chế 8-DPSK hoặc π/4-DQPSK cho EDRGFSK cho BR GFSK

8 Hướng truyền thôngĐịnh hướng hai chiều (Bidirectional)Hướng một chiều (Unidirectional)

9 Ghép nối thiết bịYêu cầuKhông yêu cầu

10 Có khả năng giọng nóiĐúngKHÔNG

11 Độ trễ100 mili giây6 mili giây

12 Trường hợp sử dụng Được sử dụng để phát trực tuyến các ứng dụng như truyền phát âm thanh, truyền tệp và tai nghe

Được sử dụng cho dữ liệu cảm biến, điều khiển thiết bị và ứng dụng băng thông thấp

12

Bluetooth cung cấp khả năng giao tiếp liên tục theo

hai hướng BLE chỉ giao tiếp theo từng đợt ngắn và

một số kết nối BLE chỉ đi theo một hướng

Bluetooth thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ 1-3MB BLE được giới hạn ở 125KBs-

Bluetooth có khả năng thoại còn BLE thì không

có độ trễ là 6ms Hãy nhớ rằng độ trễ càng thấp càng

Bluetooth sử dụng công suất

1 Watt BLE sử dụng từ 0,01 đến 0,5 Watt Điều này có nghĩa là một số thiết bị BLE

sử dụng ít năng lượng hơn 100 lần

Mô hình mạng truyền thông cho BLE

BLE Technology

Một thiết bị BLE có thể giao tiếp với bên

ngoài thông qua 2 cơ chế: Broadcasting hoặc Connection

Mỗi cơ chế có thế mạnh và giới hạn riêng, cả hai được thiết lập bởi GAP (Generic Access Profile).

Broadcasting và Observing

• Thiết bị Broadcaster: Gửi các gói tin quảng bá

phi kết nối đến bất kỳ thiết bị nào có thể nhận.

• Thiết bị Observer: Quét liên tục theo tần số

đặt trước để nhận các gói tin quảng bá phi kết nối

Đây là kiểu truyền thông cho phép một thiết bị có thể truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị khác nhau cùng lúc (một chiều) Đây là cơ chế nhanh chóng và dễ sử dụng, là lựa chọn tốt nếu muốn truyền lượng nhỏ dữ liệu đến nhiều thiết bị cùng lúc Hạn chế là dữ liệu không được bảo đảm an ninh, vì thế không phù hợp để truyền các dữ liệu nhạy cảm.

•Thiết bị Central (Master): Quét các gói tin quảng bá hướng kết nối theo tần số đặt trước, khi phù hợp thì khởi tạo một kết nối với một peripheral Central quản lý timing và bắt đầu những sự trao đổi dữ liệu theo chu kỳ.

•Thiết bị Peripheral (Slave): Phát các gói tin quảng bá hướng kết nối theo chu kỳ và chấp nhận kết nối do central yêu cầu.

•Khởi tạo kết nối:

oKhi muốn kết nối, slave phát các gói tin quảng bá ra không gian.

oCentral nhận được các gói tin quảng bá của slave, trong đó chứa các thông tin cần thiết cho phép kết nối với slave đó.

oDựa trên đó, central gửi yêu cầu kết nối đến slave để thiết lập một kết nối riêng giữa hai thiết bị.

oKhi kết nối được thiết lập, slave dừng quảng bá và hai thiết bị có thể bắt đầu trao đổi dữ liệu hai

chiều Vai trò Master và Slave không ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu, mặc dù Master là bên quản lý thiết lập kết nối.

Phương pháp điều chế GFSK

BLE Technology

Phương

pháp điều chế GFSK

• Kỹ thuật FSK vận chuyển thông tin bằng cách thay đổi tần số sóng mang để đại diện cho mức 0 và 1 Nhị phân 1 được đại diện bằng cách tăng tần số sóng mang và nhị phân 0 được đại điện bằng cách giảm tần số sóng mang.

• GFSK sử dụng bộ lọc Gaussian cho tín hiệu trước khi điều chế bằng FSK Bộ lọc Gaussian sẽ lọc trơn các cạnh nhọn của xung tần số do vậy có thể tránh được các tần số cao tại thời điểm switching.

Sơ đồ điều chế GFSK

Sóng băng gốc Bộ lọc Gauss Điều chế FSK Sóng truyền đi

Sóng mang

Kênh truyền và gói tin của BLE

BLE Technology

I Kênh truyền

 Ở BLE có tổng cộng 40 kênh truyền khác nhau trong dải 2.4Ghz và có băng bảo vệ 2Mhz

 Kênh 37 (2402Mhz), 38

(2426Mhz) ,39 (2480Mhz ) được gọi là các kênh quảng cáo chính có chức năng là thông báo với các thiết bị ngoại vi

 37 kênh còn lại là kênh quảng cáo phụ chúng cũng là những kênh để truyền dữ liệu khi được kết nối

II Gói tin của BLE

 Ở trong BLE gói tin hay gói quảng cáo có cấu trúc tương tự nhau  Với lớp vật lý không mã hóa (UNCODED PHY)

1) Preamble (1 bytes): để đảm bảo tín hiệu bên thu có thể nhận được bằng các bit đồng bộ2) Access Address (4 bytes): xác định một kênh truyền cụ thể trong quá trình truyền thông3) CRC (3bytes): Mã phát hiện lỗi CRC

4) Protocol Data Unit (2 – 39 bytes): giúp định dạng cách dữ liệu được gửi và nhận giữa các thiết bị BLE

a) Gói quảng cáo

+PDU type: Xác định kiểu quảng cáo

 ADV_IND (Advertising Indication): Loại PDU này được sử dụng trong quảng cáo không cụ thể Truyền bản tin tới mọi thiết bị

 ADV_DIRECT_IND (Advertising Direct

Indication): Loại PDU này được sử dụng để quảng cáo trực tiếp với một thiết bị cụ thể.

 ADV_SCAN_RSP (Scanning Response): Loại PDU này được sử dụng để cung cấp thông tin bổ sung khi một thiết bị quét đã gửi yêu cầu quét

+Length: Chiều dài trường payloadPayload

+Chứa địa chỉ, dữ liệu quảng cáo

b) Gói dữ liệu

Ở đây có thêm trường MIC "Message Integrity Check" (Kiểm tra tính toàn vẹn của tin nhắn) Trường MIC được sử dụng để đảm bảo rằng dữ liệu trong PDU (Packet Data Unit) kênh dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền

LLID: Trường này cho biết gói tin là PDU dữ liệu LL hay PDU điều khiển LL LLID chủ yếu xác

định loại dữ liệu mà PDU đó mang theo và quy định cách thiết bị BLE nên xử lý dữ liệu đó.

SN (Sequence Number): Trường này có chiều dài 1 bit và xác định số thứ tự của PDU hiện

tại Nó giúp xác định thứ tự trong một truyền dữ liệu.

MD (More Data): Trường này có chiều dài 1 bit và chỉ ra xem có thêm dữ liệu nằm ở phía

sau PDU hiện tại hay không Nếu giá trị là 1, có thêm dữ liệu Nếu giá trị là 0, không còn dữ liệu.

Length (Độ Dài): Trường này có chiều dài 8 bit và chỉ độ dài của dữ liệu payload.

Với lớp vật lý mã hóa (CODED PHY)

Khối FEC 1 luôn luôn được mã hóa với S = 8

Khối FEC 2 được mã hóa S=2 hoặc S=8 (tùy vào cấu hình của khối CI)

Kỹ thuật truyền kênh của BLE

BLE Technology

Kỹ thuật truyền

Đặt vấn đề:

BLE hiện tại đang sử dụng băng tần 2.4GHz là 1 băng tần không có cho giấy phép vì vậy rất nhiều thiết bị sử dụng băng tần này cho nên nhiễu tín hiệu rất là cao Vậy BLE đã xử lí việc này thế nào

Frequency hopping spread spectrum (FHSS)

•Ở FHSS, BLE sẽ chia băng tần thành 40 kênh nhỏ hơn (0 – 39) và nhảy (hopping) liên tục giữa các kênh đó khi truyền dữ liệu

•Hopping 1600 times/s

•Chỉ Tx và Rx mới biết mẫu nhảy (hopping pattern) của tín hiệuTín hiệu nhảy 1 cách ngẫu nhiên

Hopping pattern

Sơ đồ khối máy phát

Adaptive frequency hopping

- Được sử dụng ở phiên bản v1.2 của Bluetooth truyền thống

- Kỹ thuật dựa trên FHSS

- Có khả năng thích nghi với môi trường truyền

Adaptive-frequency-hopping (AFH)

Phương pháp phát hiện lỗi và sửa lỗi của BLE

BLE Technology

Giá trị chuỗi bit kiểm tra hay chuỗi CRC là số dư của phép chia của chuỗi bit dữ liệu cho một chuỗi bit đa thức sinh (Generator Polynomial) Đa thức sinh là số chia sẽ khác nhau tùy vào mỗi giao thức quy định Phép chia trong tính toán CRC sử dụng cách tính module - 2.

Chuỗi CRC sẽ được tạo bởi bên phát

Kiểm tra CRC được thực hiện bằng cách: Lấy chuỗi dữ liệu có cả các bit kiểm tra CRC chia cho đa thức sinh Nếu số dư khác "0" thì dữ liệu nhận bị lỗi.

• FEC (Forward error

correction) phương pháp sửa lỗi trước là phương pháp tự phát hiện lỗi và sửa lỗi không yêu cầu truyền lại

• Các loại mã: Hamming, tích chập, mã lặp ,…

Bảo mật AES – 128 trong BLE

BLE Technology

Tiêu chuẩn bảo mật AES

Tiêu chuẩn Advanced Encryption

Standard (AES) - Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến là một thuật toán tiêu chuẩn của

chính phủ Hoa Kỳ nhằm mã hóa và giải

mã dữ liệu do Viện Tiêu chuẩn và Công

nghệ quốc gia Hoa Kỳ (National Institute Standards and Technology – NIST) phát hành ngày 26/11/2001

Đặc điểm kỹ thuật

AES là một thuật toán mã hóa khối đối xứng với độ dài khóa là 128 bít (một chữ số nhị phân có giá trị 0 hoặc 1), 192 bít và 256 bít tương ứng gọi là AES-128, AES-192 và AES-256 AES-128 sử dụng 10 vòng

(round), AES-192 sử dụng 12 vòng và AES-256 sử dụng 14 vòng.

Vòng lặp chính của AES thực hiện các hàm sau: SubBytes()

ShiftRows() MixColumns() AddRoundKey()

Ba hàm đầu của một vòng AES được thiết kế để ngăn

chặn phân tích mã bằng phương thức “mập mờ“ (confusion) và phương thức “khuếch tán“ (diffusion), còn hàm thứ tư mới thực sự được thiết kế để mã hóa dữ liệu Trong đó “khuếch tán“ có nghĩa là các kiểu mẫu trong bản rõ (Dữ liệu đầu vào của phép mã hóa hoặc dữ liệu đầu ra của phép giải mã) được phân tán trong các bản mã (Dữ liệu đầu ra của phép mã hóa hoặc dữ liệu đầu vào của phép giải mã), “mập mờ“ nghĩa là mối quan hệ giữa bản rõ và bản mã bị che

Một cách đơn giản hơn để xem thứ tự hàm AES là: Trộn từng byte (SubBytes)

Trộn từng hàng (ShiftRows)Trộn từng cột (MixColumns)Mã hóa (AddRoundKey)

Đặc tả thuật toán AES

• Đối với thuật toán AES-128, độ dài của khối đầu vào, khối đầu ra và trạng thái là 128 bít, số các cột (các từ có độ dài 32 bít) tạo nên trạng thái là Nb = 4,

• Độ dài khóa mã K là 128 Độ dài khóa được biểu diễn bằng Nk = 4 thể hiện số lượng các từ 32 bít (số cột) của khóa mã.

• Số vòng này được ký hiệu là Nr Nr = 10 khi Nk = 4

• Đối với phép mã hóa và phép giải mã, thuật toán AES sử dụng một hàm vòng gồm bốn phép biến đổi byte như sau: phép thay thế byte (một nhóm gồm 8 bít) sử dụng một bảng thay thế (Hộp-S), phép dịch chuyển hàng của mảng trạng thái theo các offset (số lượng

byte) khác nhau, phép trộn dữ liệu trong mỗi cột của mảng trạng thái, phép cộng khóa vòng và trạng thái Các phép biến đổi này (cũng như các phép nghịch đảo tương ứng của

chúng) được mô tả trong phần dưới đây.

Phép mã hóa

• Tại thời điểm bắt đầu phép mã hóa, đầu vào được sao chép vào mảng trạng thái sử dụng các quy ước Sau phép cộng khóa vòng khởi đầu, mảng trạng thái được biến đổi bẳng cách thực hiện một hàm vòng liên tiếp với số vòng lặp là 10, vòng cuối cùng khác biệt không đáng kể với Nr - 1 vòng đầu tiên Trạng thái cuối cùng được chuyển thành đầu ra Hàm vòng được tham số hóa bằng cách sử dụng một lược đồ khóa – mảng một

chiều chứa các từ 4 byte nhận từ phép mở rộng khóa.

• Phép biến đổi cụ thể gồm SubBytes(),

ShiftRows(), MixColumns() và AddRoundKey() dùng để xử lý trạng thái