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

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 th

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 Lợi

Lớp 63ĐTVT1 - Nhóm 2

Môn: Truyền thông vô tuyến

Giảng 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 1.0

• Phiên bản cải thiện lỗi của 1.0 nhưng không cải thiện tốc độ

Bluetooth 1.1

• Bản nâng cấp của Bluetooth 1.0 với sự cải tiến về tốc

độ kết nối, truyền tải

Bluetooth 1.2

• Ra mắt vào tháng 7/2007 với sự ổng định và tốc độ chia sẻ nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn các phiên bản trước

• 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

Technology

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:

• Vùng phủ song hạn chế

• Không thể hỗ trợ liên lạc đường dài (hỗ trợ tầm nhìn tối đa 200m)

• Không thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn do Wifi và liên lạc di động cung cấp (hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps)

• Dễ bị tác động bởi xung quanh (bức tường, cơ thể con người, v.v…)

Nguyên lý hoạt động của BLE

BLE Technology

7

8 8

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

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

SN Đặc trưng Bluetooth cổ điển Bluetooth năng lượng thấp

1 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 kênh 79 Kênh mỗi chiều rộng 1 MHZ 40 Kênh mỗi chiều rộng 2 MHZ

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

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

5 Phạm vi liên lạc 10m đến 30m 10m 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 thông Định hướng hai chiều (Bidirectional) Hướng một chiều (Unidirectional)

9 Ghép nối thiết bị Yêu cầu Không yêu cầu

10 Có khả năng giọng nói Đúng KHÔNG

11 Độ trễ 100 mili giây 6 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

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

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

• 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 bộ

2) Access Address (4 bytes): xác định một kênh truyền cụ thể trong quá trình truyền thông

3) 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

Header

+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_NONCONN_IND (Non-connectable

Advertising Indication): Loại PDU này được sử

dụng trong quảng cáo không thể kết nối

 ADV_SCAN_REQ (Scanning Request): Loại PDU này được sử dụng khi một thiết bị quét muốn nhận thêm thông tin từ một thiết bị quảng cáo

 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

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 hiệu

Tín 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

Good Data

Bad

Good Bad

Good Data Data

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

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

Các phép

biến đổi

• SubBytes()

Phép biến đổi dùng trong phép mã hóa áp dụng lên

trạng thái (kết quả mã hóa trung gian, được mô tả

dưới dạng một mảng chữ nhật của các byte) sử dụng

một bảng thay thế byte phi tuyến (Hộp S – bảng thay

thế phi tuyến, được sử dụng trong một số phép thay

thế byte và trong quy trình mở rộng khóa, nhằm thực

hiện một phép thay thế 1-1 đối với giá trị mỗi byte) trên

mỗi byte trạng thái một cách độc lập.

• ShiftRows()

Phép biến đổi dùng trong phép mã hóa áp dụng lên

trạng thái bằng cách chuyển dịch vòng ba hàng cuối

của trạng thái theo số lượng byte các offset khác

nhau.

• MixColumns()

Phép biến đổi trong phép mã hóa thực hiện bằng cách lấy tất cả các cột trạng thái trộn với dữ liệu của chúng (một cách độc lập nhau) để tạo ra các cột mới.

Phép giải mã

• Các phép biến đổi trong phép mã hóa có thể

được đảo ngược và sau đó thực hiện theo

chiều ngược lại nhằm tạo ra phép giải mã

trực tiếp của thuật toán AES Các phép biến

đổi sử dụng trong phép giải mã gồm:

• InvShiftRows()

Phép biến đổi InvShiftRows() là phép biến đổi ngược của ShiftRows() Các byte trong ba từ cuối của trạng thái được dịch vòng theo số byte khác nhau Ở hàng đầu tiên (r=0) không thực hiện phép chuyển dịch, ba hàng dưới cùng được dịch vòng Nb-shift(r,Nb) byte.

• InvMixColumns()

Phép biến đổi InvMixColumns() là phép biến đổi ngược của MixColumns() Nó thao tác theo từng cột của trạng thái, xem mỗi cột như một đa thức bốn hạng tử.