1          Tekniskt ramverk
1.1 	Bluetooth
Bluetooth är en samling trådlösa standarder som kommunicerar över det licensfria ISM-bandet på 2.4GHz. Bluetooth-specifikationen delas in i två huvudtekniker; BR/EDR och BLE. Dessa kommer förklaras närmare i nästkommande två kapitel för att ge grund för att utföra experiment och besvara frågeställningarna i studien. Gemensamt för de båda teknikernas kärnsystem är att de består av två huvudstackar; en host och en controller. Som en brygga mellan dessa finns ett så kallat Host Controller Interface (HCI) som möjliggör kommunikation i båda riktningarna. Host-stacken definieras som en logisk enhet som innehåller alla lager under de profiler som ej ingår i kärnan samt ovanför HCI:n. Det enda gemensamma protokollet för BLE och BR/EDR i host-stacken är det så kallade Logical Link Control and Adoptation Layer Protocol (L2CAP) som ligger närmast HCI:n och har som uppgift att t. ex. multiplexa data mellan protokoll i högre lager samt segmentera och återskapa paket [8]. Kontrollstacken ligger i botten av modellen och består av ett fysiskt lager (PHY) och ett länklager (LL/LM). PHY är det lägsta lagret i stacken och är det lager som ansvarar för att skicka och ta emot rådata från radiobandet och digitalisera data för LL/LM som i sin tur kommunicerar med HCI. De olika teknikerna har olika PHY och LL/LM som kommer förklaras under respektive kapitel.

Figur 2: De olika Bluetooth-stackarna
Tagen från [10]

 1.2 	Bluetooth Classic
// TODO: Förklaring övergripande om just classic.
Bluetooth Classic är ett samlingsnamn för de olika teknikerna Basic Rate, Enhanced Data Rate och Alternate MAC/PHY som är tekniker före  bluetooth 4.0. Tekniken är bäst anpassad för att överföra mycket data över korta distanser och att hantera ljud. BR har en teoretisk överföringshastighet på 1 Mbps och EDR kan genom så kallad PSK-modulation nå 2 till 3 Mbps beroende på vilken typ av PSK som applicerats [8]. Med AMP kan hastigheter på upp till 24 Mbps nås då tekniken använder en inbyggd 802.11-radio. 2-3 Mbps som är den högsta teoretiska hastigheten mellan teknikerna som enbart kommunicerar via bluetooth.
Classic har tillgång till adaptive frequency hopping och använder binära radio modulationer för att minska störningar. Även då den teoretiska hastigheten på classic utan AMP är 3 Mbps så är det inte i ett verkligt scenario.( ca 2.1 Mbps).Här kommer delar av Classic tekniken introduceras för att kunna ge grund till experimentet och studien.

1.2.1 Controller
Kontroll-stackens Lager som tillhör classic är Radio, baseband som tillsammans blir PHY lagret samt Linkmanager och HCI som i figur[].

PHY lagret:
BR/EDR har 3 olika paket typer och olika binära modulationer i PHY:n som ändrar överföringshastighet i luften samt hur störning känsligheten påverkas på paketen.
BR/EDR delar in 2,4GHz-bandet i 79 kanaler på med en kanalbredd på 1 MHz enligt följande:

f=2402+k MHz, k=0, …, 78

FHSS använder sig av en pseudo algoritm för att använda dessa kanaler för att undvika statiska störningar på radio bandet och detta sker mellan sändning och mottagning.

Olika PHY-varianter för BR/EDR:
·         BR PHY = 1Mb/s(GFSK)
·         EDR PHY = 2Mb/s(𝜋/4-DQPSK)
·         EDR PHY = 3Mb/s(8DPSK)

GFSK står för Guassian frequency shift keying  och är standard modulationen för BR inom classic. Tekniken existerar för att kunna urskilja symboler 0 och 1 som kommer från radiobandet. Det två EDR PHY:n som finns använder också GFSK men delar upp modulationen i paketet. Access code blocket och header moduleras i GFSK, guard time blocket ändrar PHY:n och dess modulation som payload och trailer skickas med. (𝜋/4-DQPSK) eller (8DPSK) beroende på EDR stöd av modulen. Det olika moduleringarna ger möjlighet till fler bitar data per symbal att  hanteras. I 𝜋/4-DQPSK så är det två bitar istället för en därför är dubbla hastigheten jämfört med GFSK. Med EDR så ökade antal bytes som kan utnyttjas från 339 till 1021 bytes vilket bidrar till ökad hastighet.

Classic delas in i tre stycken power classes (1-3) beroende på maximum mW som modulens sändare klarar av. som förändrar räckvidd, strömförbrukning.

	·         klass 1 maximal styrka: 100mW(20dbm) minimal styrka : 1mW(0dbm)
·         klass 2 maximal styrka: 2.5mW(4dbm) minimal styrka : 0.25mW(-6dbm)
·         klass 3 maximal styrka: 1mW(0dbm) minimal styrka : -

Classic använder en teknik som heter TDD(Time-Division-Duplex) i PHY:n som delar upp tiden mellan sändning och mottagning i “slots” som är 625 us. Denna teknik tvingar mottagning och sändning att placeras inom dessa slots för att bättre hantera ojämn överföringshastighet mellan mottagning och sändning.ett paket som skickas eller tas emot börjar i en slot och kan sträcka sig upp till 5 slots.


				      Figur 3: BR-paket (DH5) [8]



Figur 4: EDR-paket (3-DH5) [8]

Link manager lagret :
Detta lagret kontrollerar och tar hand om förhandlingen mellan kopplade enheter.
ACL SCO eller eSCO är olika paket konfigureringar som sätts i logical transport i LMP. ACL paket är avsedd för dataöverföring medans SCO och eSCO är till för ljud. I denna studie så är ACL det som används då ljud inte är aktuellt för denna studie. Det finns olika ACL paket inom standarden men för vår del är det 3-DH5 som studien använder för att den tillåter den högsta hastigheten och user payload.


1.2.2 Host
//TODO: Här skall det skrivas om Protokoll (RFCOMM), Profiler (SPP), Mer?(Application)
För att strukturera och paketera data använder sig Bluetooth av något som kallas profiler. För att två enheter ska kunna kommunicera behöver båda ha tillgång till verktyg för att kunna hantera samma profil. Det finns 27 olika profiler specificerade för BR/EDR som var och en har definierade användningsområden. Profilen som används för dataöverföring och därmed kommer vara intressanta för denna studie är Serial Port Profile (SPP).
SPP använder RFCOMM-protokollet och nyttjas när Bluetooth skall efterlikna en seriell kabel såsom RS-232 [6]. SDP lagret identifierar och tar hand om services via UUIDS som är definerade.


1.3 	Bluetooth Low Energy
//TODO: Kort förklaring om BLE
BLE är en nyare teknik som kom under bluetooth 4.1. BLE huvudsyfte är att ha en mycket lägre total strömförbrukning som gör tekniken ideal för IoT enheter som ska skicka mindre data under korta intervaller. Vilket ändrar batteritid från dagar till år. Genom bluetooth 5 har dem ökat hastigheten för att kunna utöka gränserna för denna teknik.
BLE har 4 olika PHY:s som modulerar och paketerar data på olika sätt som resulterar i olika överföringshastigheter, räckvidd, förbrukning. Dessa skiljer sig ifrån classic PHY:s.
BLE använder också FHSS för att undvika störningar. Med ble har man fler alternativ jämfört med classic för att kunna diktera överföringshastigheten i form av att man kan själv välja önskade phy, önska MTU samt “connection interval” i applikationslagret istället som classic som själv aktiverar det phys som stöds mellan det kopplade enheterna. Här kommer delar av BLE tekniken introduceras för att kunna ge grund till experimentet och studien.

1.3.1 Controller
//TODO: LL, PHY(1M, 2M, coded s=2,8), Modulation (GFSK)
BLE är uppdelad i 40 kanaler med 2MHz kanalbredd där tre kanaler (37, 38, 39) enbart används för advertising.

f=2402+k*2 MHz, k=0, …, 39

Olika PHY-varianter för BLE:
·         LE 1M PHY =1Mb/s
·         LE 2M PHY =2Mb/S
·         LE Coded s=2 =500Kb/s
·         LE Coded s=8 =125Kb/S

LE 1M PHY är standard för BLE och en anslutning initieras alltid på denna. En förfrågan måste sedan ske från en kopplad enhet för att byta PHY. Båda enheterna måste dessutom ha stöd för den nya.




Figur 4: BLE-paket [8]
Stöd:


1.3.2 Host
//TODO: Protokoll (ATT, SMP), Profiler (GATT[custom], GAP)
BLE använder sig av ATT och GATT istället för fasta definierade profiler. Detta ger möjlighet att skapa skräddarsydda profiler vid behov, men det finns även ett antal färdiga profiler att nyttja såsom Object Transfer Profile (OTP), Alert Notification Profile (ANP).

1.4 	Säkerhet
1.4.1 Parning
1.4.2 Kryptering