Personal Area Network dan Bluetooth

PAN adalah jaringan komputer yang digunakan untuk berkomunikasi antara dua perangkat atau lebih, bertukar data satu sama lain, ataupun untuk menghubungkan ke jaringan yang lebih luas (misalnya internet). PAN dapat dilakukan dengan kabel antara bus komputer seperti USB dan Firewire. PAN yang menggunakan teknologi nirkabel disebut WPAN (Wireless PAN). Contoh WPAN antara lain IrDA (Infrared Data Association), Bluetooth, Z-Wave, Zigbee. Jarak jangkauan WPAN sangat bervariasi dari beberapa centimeter sampai beberapa meter. IrDA dan Bluetooh merupakan teknologi WPAN yang paling populer dibenamkan dalam mobile phone sampai dekade ini. Namun, teknologi terbaru WPAN yang mulai populer saat ini adalah NFC (Near Field Communication) yang bisa digunakan untuk alat pembayaran mobile (contactless payment system), bertukar informasi seperti jadwal, peta, bussiness card, coupon hanya dalam waktu yang sangat singkat. Walaupun NFC dan bluetooth sama-sama WPAN yang terintegrasi pada mobile phone, NFC menawarkan proses setup yang sangat sederhana, tidak memerlukan pairing seperti bluetooth. Jarak transmisinya juga pendek (4cm) sehingga relatif lebih aman daripada bluetooh. NFC juga memiliki Tag (NFC Tag) seperti RFID yang dapat dibaca menggunakan device yang memiliki teknologi NFC didalamnya. Berikut ini tabel perbandingan teknologi bluetooth dan NFC.

Pemanfaatan WPAN juga mulai merambah ke bidang game. Contoh yang menggunakan PAN adalah game StreetFighter IV pada Nintendo 3DS dimana setiap konsol game yang berdekatan secara otomatis akan membentuk PAN dan melakukan simulasi pertarungan serta dapat membentuk wireless arcade dimanapun jika berdekatan dengan pengguna Nintendo 3DS yang lain.

Bluetooth

Dari sekian banyak jenis jenis PAN dan WPAN, Pada tulisan ini akan dijabarkan dengan detail mengenai Bluetooth sebagai salah satu jenis teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific and Medical) dengan menggunakan sebuah frequency hopping tranceiver yang mampu menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time antara host-host bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas. Bluetooth sendiri dapat berupa card yang bentuk dan fungsinya hampir sama dengan card yang digunakan untuk wireless local area network (WLAN) dimana menggunakan frekuensi radio standar IEEE 802.11, hanya saja pada bluetooth mempunyai jangkauan jarak layanan yang lebih pendek dan kemampuan transfer data yang lebih rendah. Pada tulisan ini akan diuraikan tentang sejarah munculnya bluetooth dan perkembangannya, teknologi yang digunakan pada sistem bluetooth dan aspek layanan yang mampu disediakan, uraian tentang perbandingan metode modulasi spread spectrum FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) yang digunakan oleh bluetooth dibandingkan dengan metode spread spectrum DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) serta interferensi bluetooth dengan ponsel.

Sejarah Bluetooth

Nama bluetooth berawal dari proyek prestisius yang dipromotori oleh perusahaan-perusahaan raksasa internasional yang bergerak di bidang telekomunikasi dan komputer, di antaranya Ericsson, IBM, Intel, Nokia, dan Toshiba. Proyek ini di awal tahun 1998 dengan kode nama bluetooth, karena terinspirasi oleh seorang raja Viking (Denmark) yang bernama Harald Blatand. Raja Harald Blatand ini berkuasa pada abad ke-10 dengan menguasai sebagian besar daerah Denmark dan daerah Skandinavia pada masa itu. Dikarenakan daerah kekuasaannya yang luas, raja Harald Blatand ini membiayai para ilmuwan dan insinyur untuk membangun sebuah proyek berteknologi metamorfosis yang bertujuan untuk mengontrol pasukan dari suku-suku di daerah Skandinavia tersebut dari jarak jauh. Maka untuk menghormati ide raja Viking tersebut, yaitu Blatand yang berarti bluetooth (dalam bahasa Inggris) proyek ini diberi nama. Pertamakali dirilis untuk bluetooth versi 1.0 dan 1.0 B pada tanggal 26 Juli 1999 produk ini belum sempurna, karena mempunyai banyak masalah dan perusahaan manufaktur pendukungnya mengalami kesulitan dalam menerapkan teknologi ini pada produk mereka. Untuk versi ini dibutuhkan perintah manual pada Hardware Device Address (BD-ADDR) transmisi saat proses koneksi di antara dua device dalam satu jaringan (handshaking process) sehingga keamanan pengguna tidak terjamin, dan penggunaan protokol tanpa nama (anonymite mode) tidak dimungkinkan di versi ini. Jadi settingan yang harus dilakukan juga cukup rumit. Pada bulan Oktober di tahun yang sama, Bluetooth telah diperbarui dan dirilis versi 1.1 dan 1.2. Untuk versi ini telah dilakukan penyempurnaan dan perbaikan antara lain :

• Digunakannya masks pada perangkat Hardware Device Address (BD-ASSR) untuk melindungi pengguna dari identity snooping (pengintai) maupun tracker.
• Penggunaan protokol tanpa nama (anonymite mode) sudah tersedia namun tidak diimplementasikan, sehingga konsumen biasa tidak dapat menggunakannya.
• Adaptive Frequency Hopping (AFH), dengan memperbaiki daya tahan dari gangguan frekuensi radio yang digunakan oleh banyak orang di dalam hopping sequence.
• Transmisi berkecepatan tinggi.

Dengan bertambahnya perusahaan manufaktur pendukung, antara lain 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, Motorola, Nokia, dan Toshiba yang lebih dikenal dengan nama The Bluetooth SIG (Special Interest Group), maka teknologi ini pun mengalami perbaikan-perbaikan untuk versi 2.0-nya. Fitur tambahan yang dirilis oleh periset dari Ericsson tidak menjelaskan secara detail, tetapi intinya ada beberapa tambahan pada Bluetooth ini, antara lain:

• Diperkenalkannya Non-hopping narrowband channels. Pada channel ini bisa digunakan untuk memperkenalkan layanan profile bluetooth oleh berbagai device dengan volume yang sangat tinggi dari perangkat bluetooth secara simultan.
• Tidak dienkripsinya informasi yang bersifat umum secara realtime, sehingga dasar kemacetan trafik informasi dan laju trafik ke tujuan dapat dihindari waktu ditransmisikan oleh perangkat dengan melewati setiap host dengan kecepatan tinggi.
•  Koneksi berkecepatan tinggi.
• Multiple speeds level.

Bluetooth menggunakan salah satu dari dua jenis frekuensi Spread Specturm Radio yang digunakan untuk kebutuhan wireless. Jenis frekuensi yang digunakan adalah Frequency Hopping Spread Spedtrum (FHSS), sedangkan yang satu lagi yaitu Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) digunakan oleh IEEE802.11xxx. Transceiver yang digunakan oleh bluetooth bekerja pada frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Pada beberapa negara terdapat perbedaan penggunaan frekuensi dan channel untuk Bluetooth ini. Seperti di Amerika dan Eropa, frekuensi yang digunakan adalah dari 2400–2483,5 yang berarti menggunakan 79 channel. Cara perhitungannya sebagai berikut : untuk RF Channel yang bekerja frekuensi f = 2402+k MHz, di mana k adalah jumlah channel yang digunakan yaitu : 0 sampai dengan 78 = 2402+79 = 2481 MHz. Kemudian ditambah dengan pengawal frekuensi yang diset pada 2 MHz sampai dengan 3,5 MHz untuk lebar pita gelombang 1 MHz, sehingga totalnya menjadi 2481+2,5 = 2483,5 MHz.

Aplikasi dan Layanan Bluetooth

Protokol bluetooth menggunakan sebuah kombinasi antara circuit switching dan packet switching. Bluetooth dapat mendukung sebuah kanal data asinkron, tiga kanal suara sinkron simultan atau sebuah kanal dimana secara bersamaan mendukung layanan data asinkron dan suara sinkron. Setiap kanal suara mendukung sebuah kanal suara sinkron 64 kb/s. Kanal asinkron dapat mendukung kecepatan maksimal 723,2 kb/s asimetris, dimana untuk arah sebaliknya dapat mendukung sampai dengan kecepatan 57,6 kb/s. Sedangkan untuk mode simetris dapat mendukung sampai dengan kecepatan 433,9 kb/s. Sebuah perangkat yang memiliki teknologi wireless bluetooth akan mempunyai kemampuan untuk melakukan pertukaran informasi dengan jarak jangkauan sampai dengan 10 meter (~30 feet), bahkan untuk daya kelas 1 bisa sampai pada jarak 100 meter. Sistem bluetooth menyediakan layanan komunikasi point to point maupun komunikasi point to multipoint.

Produk bluetooth dapat berupa PC card atau USB adapter yang dimasukkan ke dalam perangkat. Perangkat-perangkat yang dapat diintegerasikan dengan teknologi bluetooth antara lain : mobile PC, mobile phone, PDA (Personal Digital Assistant), headset, kamera digital, printer, router dan masih banyak peralatan lainnya. Aplikasi-aplikasi yang dapat disediakan oleh layanan bluetooth ini antara lain : PC to PC file transfer, PC to PC file synch (notebook to desktop), PC to mobile phone, PC to PDA, wireless headset, LAN connection via ethernet access point dan sebagainya. Contoh modul aplikasi beberapa peralatan yang kemungkinan dapat menggunakan teknologi bluetooth dapat dilihat pada gambar seperti dibawah ini.

Sistem Bluetooth

Sistem bluetooth terdiri dari sebuah radio transceiver, baseband link Management dan Control, Baseband (processor core, SRAM, UART, PCM USB Interface), flash dan voice code. sebuah link manager. Baseband link controller menghubungkan perangkat keras radio ke baseband processing dan layer protokol fisik. Link manager melakukan aktivitas-aktivitas protokol tingkat tinggi seperti melakukan link setup, autentikasi dan konfigurasi. Secara umum blok fungsional pada sistem bluetooth secara umum dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Spread Spectrum

Wireless LAN mentransfer data melalui udara dengan menggunakan gelombang elektromagnetik dengan teknologi yang dipakai adalah Spread-Sprectum Technology (SST). Dengan teknologi ini memungkinkan beberapa user menggunakan pita frekuensi yang sama secara bersamaan. SST ini merupakan salah satu pengembangan teknologi Code Division Multiple Access (CDMA). Dengan urutan kode (code sequence) yang unik data ditransfer ke udara dan diterima oleh tujuan yang berhak dengan kode tersebut.

Dengan teknologi Time Division Multiple Access (TDMA) juga bisa diaplikasikan (data ditransfer karena perbedaan urutan waktu/time sequence). Dalam teknologi SST ada dua pendekatan yang dipakai yaitu :

• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), sinyal ditranfer dalam pita frekuensi tertentu yang tetap sebesar 17 MHz. Prinsip dari metoda direct sequence adalah memancarkan sinyal dalam pita yang lebar (17 MHz) dengan pemakaian pelapisan (multiplex) kode/signature untuk mengurangi interferensi dan noise. Untuk perangkat wireless yang bisa bekerja sampai 11M bps membutuhkan pita frekuensi yang lebih lebar sampai 22 MHz. Pada saat sinyal dipancarkan setiap paket data diberi kode yang unik dan berurut untuk sampai di tujuan, di perangkat tujuan semua sinyal terpancar yang diterima diproses dan difilter sesuai dengan urutan kode yang masuk. Kode yang tidak sesuai akan diabaikan dan kode yang sesuai akan diproses lebih lanjut.
• Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), sinyal ditransfer secara bergantian dengan menggunakan 1MHz atau lebih dalam rentang sebuah pita frekuensi tertentu yang tetap. Prinsip dari metoda frequency hopping adalah menggunakan pita yang sempit yang bergantian dalam memancarkan sinyal radio. Secara periodik antara 20 sampai dengan 400ms (milidetik) sinyal berpindah dari kanal frekuensi satu ke kanal frekuensi lainnya.

Pita 2.4GHz dibagi-bagi kedalam beberapa sub bagian yang disebut channel/kanal. Salah satu standar pembagian kanal ini adalah sistem ETSI (European Telecommunication Standard Institute) dengan membagi kanal dimulai dengan kanal 1 pada frekuensi 2.412MHz, kanal 2 2.417MHz, kanal 3 2.422MHz dan seterusnya setiap 5MHz bertambah sampai kanal 13.

Dengan teknologi DSSS maka untuk satu perangkat akan bekerja menggunakan 4 kanal (menghabiskan 20MHz, tepatnya 17MHz). Dalam implementasinya secara normal pada lokasi dan arah yang sama hanya 3 dari 13 kanal DSSS yang bisa dipakai. Parameter lain yang memungkinkan penggunaan lebih dari 3 kanal ini adalah penggunaan antena (directional antenna) dan polarisasi antena itu sendiri (horisontal/vertikal). Penggunaan antena Omni-directional akan membuat sinyal

ditransfer ke seluruh arah (360 derajat).

Teknologi FHSS ditujukan untuk menghindari noise/gangguan sinyal pada saat sinyal ditransfer, secara otomatis perangkat FHSS akan memilih frekuensi tertentu yang lebih baik untuk transfer data. Kondisi ini menjadikan satu keuntungan dibandingkan dengan DSSS.

Karakteristik Radio

Bluetooth mempunyai beberapa karakteristik yang akan memberikan ciri-ciri dibandingkan dengan teknologi lainnya. Pada tabel 2.1 dibawah ini dituliskan beberapa karaketristik radio bluetooth sesuai dengan dokumen Bluetooth SIG (Special Interest Group) ini dibentuk oleh beberapa vendor terkemuka yaitu Ericsson , Intel , IBM , dan Nokia.

Frequency Hopping

Spread spectrum dengan frequency hopping adalah proses spread atau penyebaran spektrum yang dilakukan pemancar dengan frekuensi pembawa informasi yang merupakan deretan pulsa termodulasi acak semu (pseudorandom) yang dilompatlompatkan dari satu nilai frekuensi ke nilai frekuensi yang lain dalam lebar spektrum frekuensi yang telah ditetapkan sebelumnya dan berulang kali dengan pola kode yang dapat dimodifikasi secara saling bebas, sehingga dapat menempatkan sejumlah pemakai dalam lebar spektrum frekuensi tersebut dengan berbeda pola acak kode generatornya. Teknik penyebaran spektrum (spread spectrum) digunakan, karena :

• Kemampuannya membatasi interferensi internal akibat padatnya lalu lintas komunikasi yang menggunakan frekuensi radio.
• Kemampuan menolak terhadap penyadapan informasi oleh penerima yang tidak dikenal.
• Dapat dioperasikan dengan kerapatan spektral berenergi rendah.
• Penggunaan yang lebih aman. Frekuensi ini dapat melakukan lompatan gelombang hingga 1600 lompatan per detik. Hal ini mempersulit dilakukan penyadapan data, karena lompatan sinyal data yang cepat dan tidak beraturan sulit ditangkap oleh transceiver lain, kecuali transceiver penerimanya.
• Penggunaan yang lebih aman. Frekuensi ini dapat melakukan lompatan gelombang hingga 1600 lompatan per detik. Hal ini mempersulit dilakukan penyadapan data, karena lompatan sinyal data yang cepat dan tidak beraturan sulit ditangkap oleh transceiver lain, kecuali transceiver penerimanya.

Noise yang lebih kecil dan jarak pita gelombang yang sempit dapat menolak interferensi.

Komunikasi RF Pada Spektrum Frekuensi 2,4 Ghz

Sistem Bluetooth bekerja pada frekuensi 2.402GHz sampai 2.480GHz, dengan 79 kanal RF yang masing-masing mempunyai spasi kanal selebar 1 MHz, menggunakan sistem TDD (Time-Division Duplex). Secara global alokasi frekuensi bluetooth telah tersedia, namun untuk berbagai negara pengalokasian frekuensi secara tepat dan lebar pita frekuensi yang digunakan berbeda. Penggunaan spektrum frekuensi 2.4 GHz secara global belum diatur. Namun ada beberapa persyaratan yang harus diikuti dalam penggunaannya. Hal ini meliputi :

• Spektrum dibagi menjadi 79 kanal frekuensi (walaupun beberapa negara seperti Perancis dan Spanyol hanya menyediakan 23 kanal frekuensi saja).
• Bandwidth dibatasi sampai 1 MHz per kanal.
• Penggunaan frekuensi hopping dalam metode pengiriman datanya
• Interferensi harus dapat diatasi dan ditangani dengan baik.

Komunikasi RF banyak menggunakan spektrum frekuensi ini, seperti HomeRF (sebuah spesifikasi untuk komunikasi RF dalam lingkungan perumahan); dan juga IEEE 802.11 juga menggunakan spektrum ini untuk spesifikasi dari teknologi Wireless LAN. Oven microwave juga beroperasi dalam range frekuensi ini, karena spektrum frekuensi ini belum dilisensikan, maka banyak teknologi yang menggunakannya, sehingga radio interferensi sangat memungkinkan untuk terjadi. Oleh karena itu persyaratan dan pengalamatan mutlak diperlukan bagi teknologi yang menggunakan spektrum 2.4 GHz ini.

Komunikasi bluetooth didesain untuk memberikan keuntungan yang optimal dari tersedianya spektrum ini dan mengurangi interferensi RF. Semuanya itu akan terjadi karena bluetooth beroperasi menggunakan level energi yang rendah. Batas frekuensi serta kanal RF yang digunakan oleh beberapa negara dapat dilihat pada Tabel 2.2 dibawah ini.

Timeslot

Kanal dibagi dalam time slot-time slot, masing-masing mempunyai panjang 625 μs. Time slot-time slot tersebut dinomori sesuai dengan clock bluetooth dari master piconet. Batas penomoran slot dari 0 sampai dengan 227-1 dengan panjang siklus 227. Di dalam time slot, master dan slave dapat mentransmisikan paket-paket dengan menggunakan skema TDD (Time-Division Duplex), seperti pada Gambar 2.3 dibawah ini. Master hanya memulai melakukan pentransmisiannya pada nomor time slot genap saja sedangkan slave hanya memulai melakukan pentransmisiannya pada nomor time slot ganjil saja.

Protokol Bluetooth

Protokol-protokol bluetooth dimaksudkan untuk mempercepat pengembangan aplikasi-aplikasi dengan menggunakan teknologi bluetooth. Layer-layer bawah pada stack protokol bluetooth dirancang untuk menyediakan suatu dasar yang fleksibel untuk pengembangan protokol yang lebih lanjut. Protokol-protokol yang lain seperti RFCOMM diambil dari protokol-protokol yang sudah ada dan protokol ini hanya dimodifikasi sedikit untuk disesuaikan dengan kepentingan bluetooth. Pada protoko-protokol layer atas digunakan tanpa melakukan modifikasi. Dengan demikian, aplikasi-aplikasi yang sudah ada dapat digunakan dengan teknologi bluetooth sehingga interoperability akan lebih terjamin.

Bluetooth Special Interest Group (SIG) telah mengembangkan spesifikasi bluetooth yang berisi tentang protokol yang akan digunakan dalam teknologi bluetooth ini. Protokol dasar bluetooth adalah Bluetooth Radio, Baseband dan Link Manager Protocol (LMP) yang disebut protokol inti. Sedangkan protokol yang ada di atasnya adalah protokol-protokol terapan yang dapat diadaptasikan pada arsitektur protokol bluetooth dan telah dikembangkan oleh organisasi lain seperti ETSI. Radio, baseband dan LMP ekivalen dengan lapis fisik dan data link pada lapis protokol OSI. Stack protokol bluetooth dapat dibagi ke dalam empat layer sesuai dengan tujuannya. Berikut protokol-protokol dalam layer-layer di dalam stack protokol bluetooth yang tertera pada Tabel dan Gambar dibawah ini.

Protokol inti bluetooth berisi protokol yang secara spesifik dikembangkan oleh bluetooth SIG. RFCOMM dan TCS Binary juga dikembangkan oleh Bluetooth SIG namun berdasarkan spesifikasi dari ETSI 07.10 dan rekomendasi ITU-T nomor Q.931. Protokol inti bluetooth adalah persyaratan yang mutlak ada di semua perangkat teknologi Bluetooth sedangkan protokol lainnya digunakan sesuai keperluan. Layer-layer pada sistem bluetooth dapat dilihat seperti Gambar dibawah ini.

Tiga buah lapisan fisik yang sangat penting dalam protokol arsitektur Bluetooth ini adalah :

• Bluetooth radio, adalah lapis terendah dari spesifikasi Bluetooth. Lapis ini mendefinisikan persyaratan yang harus dipenuhi oleh perangkat tranceiver yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz ISM.
• Baseband, lapis yang memungkinkan hubungan RF terjadi antara beberapa unit Bluetooth membentuk piconet. Sistem RF dari bluetooth ini menggunakan frekuensi-hopping-spread spectrum yang mengirimkan data dalam bentuk paket pada time slot dan frekuensi yang telah ditentukan, lapis ini melakukan prosedur pemeriksaan dan paging untuk sinkronisasi transmisi frekuensi hopping dan clock dari perangkat bluetooth yang berbeda.
• LMP, Link Manager Protocol, bertanggung jawab terhadap link set-up antar perangkat Bluetooth. Hal ini termasuk aspek securiti seperti autentifikasi dan enkripsi dengan pembangkitan, penukaran dan pemeriksaan ukuran paket dari lapis baseband.

Piconet

Kumpulan device yang terhubung menggunakan metode ad-hoc disebut piconet. Satu unit piconet bekerja sebagai MASTER sedangkan lainnya sebagai SLAVE. Master bertugas mendefinisikan hopping pattern yang unik dan slave melakukan sinkronisasi. Setiap piconet bisa memiliki 1 masker dan 7 slave. 

Untuk membentuk Piconet,  semua perangkat dalam piconet melakukan hop bersama-sama. Master memberikan slave-slave nya nilai clock dan ID perangkat. Hopping pattern didefisikan oleh ID perangkat (48 bit, unik). Fase dalam hopping pattern didefinisikan oleh clock. Untuk pengalamatan, Active Member Address (AMA, 3 bit)  Parked Member Address (PMA, 8 bit)

Transmisi Bluetooth VS Receiver Ponsel

Interferensi yang kedua ini disebankan oleh munculnya noise dari transmitter bluetooth yang akan menghalangi sinyal yang diterima oleh receiver ponsel. Dari segi kuantitas sinyal, maka tentunya besar sinyal pengganggu ini tidaklah sebesar interferensi sinyal dari transmitter modul seluler terhadap aktifitas modul bluetooth. Meskipun demikian, bluetooth memiliki sebuah arsitektur sistem yang cukup inovatif untuk mengatasi berbagai masalah yang berkenaan dengan sistem radio tersebut. Idealnya sebuah transmitter bluetooth tidak diperkenankan untuk menghasilkan interferensi dengan sinyal radio ponsel selama operasi. Tingkat noise dari sebuah transmitter bluetooth dalam pita tertentu harus dihitung pada saat maksimum output power, yaitu 0 dBm. Hal ini dimaksudkan agar noise yang dikirim dari transmitter bluetooth dalam sebuah ponsel tetap noise kanal saja yang diijinkan.