เกริ่นนำ

บูลทูธ (Bluetooth) คือเทคโนโลยีการสื่อสารคอมพิวเตอร์แบบไร้สายประเภทหนึ่ง เทคโนโลยีบูลทูธเป็นเทคโนโลยีที่ออกแบบมาสำหรับการสื่อสารในระยะใกล้ภายในรัศมีของบุคคลหนึ่ง ๆ หรืออาจจะเรียกได้ว่าเป็นเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายแบบ Wireless Personal Area Network (WPAN)  หน่วยงาน IEEE ได้กำหนดให้บูลทูธเป็นมาตรฐานในชื่อ IEEE 802.15 WPAN เทคโนโลยีบูลทูธรับส่งข้อมูลโดยใช้ความถี่ย่าน 2.4 GHz ซึ่งเป็นความถี่ย่านเดียวกับเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายแบบไวไฟ (WiFi) อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีบูลทูธจะเน้นที่การสื่อสารภายในรัศมีของบุคคลที่มีปริมาณข้อมูลรับส่งต่อเวลาไม่สูงนัก ขณะที่เทคโนโลยีไวไฟจะเหมาะกับการสื่อสารที่มีปริมาณข้อมูลรับส่งต่อเวลาสูงกว่า

พัฒนาการของมาตรฐานบูลทูธ

นับตั้งแต่หน่วยงาน Bluetooth SIG ซึ่งเป็นผู้กำหนดมาตรฐานบูลทูธได้ประกาศมาตรฐานบูลทูธรุ่น 1.0 เมื่อปี 2542 นั้น มาตรฐานบูลทูธก็ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาอย่างต่อเนื่องตลอด 20 ปี แม้จุดประสงค์แรกเริ่มของบูลทูธคือการติดต่อสื่อสารแบบอนุกรม (serial communication) แบบไร้สายแต่การพัฒนาการบูลทูธอย่างต่อเนื่องก็ทำให้การใช้งานบูลทูธเปลี่ยนแปลงจากเดิมเป็นอย่างมาก การพัฒนาการของมาตรฐานบูลทูธจะมุ่งไปที่ความสามารถ 3 ด้านคือ ระยะใช้งาน ความสามารถในการรับส่งข้อมูล และพลังงานที่ใช้ ทั้งนี้อาจแบ่งการพัฒนาบูลทูธได้เป็น 2 ระยะใหญ่ ๆดังนี้

1. บูลทูธยุคคลาสสิก (Classic Bluetooth)

บูลทูธยุคนี้หมายถึงรุ่น 1.0 – 3.0 ซึ่งมีประสิทธิภาพด้อยกว่าบูลทูธยุคปัจจุบันเป็นอย่างมาก  บูลทูธรุ่น 1.0 ใช้เทคนิคการมอดูเลชั่นแบบความถี่ (Frequency Modulation : FM ) ที่ใช้สองความถี่แทนค่า 0 และ 1 โดยใช้วิธี Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) เพื่อลดการรบกวน สามารถรับส่งข้อมูลได้สูงสุดเพียง 1 Mbps เรียกว่า basic rate และมีระยะใช้งานสูงสุด 10 เมตรเท่านั้น บูลทูธ 2.0 ได้เพิ่มการมอดูเลชั่นแบบเฟส (Phase Modulation : PM) คือ p/4-DQPSK and 8DPSK ทำให้สามารถเพิ่มความสามารถด้านการรับส่งข้อมูลสูงสุดเป็น 2 – 3 Mbps ได้ ต่อมาบูลทูธ 3.0 ได้เพิ่มความสามารถด้านการรับส่งข้อมูลตาม IEEE 802.11 โดยกำหนดให้เป็นทางเลือก ทำให้ความสามารถด้านการรับส่งข้อมูลสูงสุดเป็น 24 Mbps

อย่างไรก็ตามอุปกรณ์บูลทูธในยุคแรกนี้ยังไม่เป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายมากนักโดยเฉพาะการนำไปใช้กับอุปกรณ์ขนาดเล็กและอุปกรณ์ด้าน IoT เนื่องจากบูลทูธยุคนี้ต้องการใช้พลังงานสูงมาก

2. บูลทูธยุคประหยัดพลังงาน (Bluetooth Low Energy : BLE)

เนื่องจากข้อด้อยการใช้พลังงานระดับสูงของอุกรณ์บูลทูธคลาสสิกทำให้หน่วยงาน Bluetooth SIG ได้พัฒนามาตรฐาน Bluetooth ขึ้นมาใหม่ที่ทำงานร่วมกับมาตรฐานเดิมไม่ได้ แต่สามารถประหยัดพลังงานมากขึ้นและประกาศใช้งานมาตรฐาน 4.0 ในปี 2554 โดยใช้ชื่อทางการตลาดว่า Bluetooth SMART อย่างไรก็ตามข้อกำหนดของ Bluetooth 4.0 กำหนดว่าอุปกรณ์สามารถเลือกที่จะรองรับการทำงานแบบใดแบบหนึ่ง หรือรองรับการทำงานทั้งสองแบบก็ได้ ต่อมาในปี 2559  หน่วยงาน Bluetooth SIG ก็ยกเลิกการใช้คำว่า Bluetooth SMART เหลือเพียงแต่คำว่า Bluetooth และรู้จักกันทั่วไปในชื่อ Bluetooth Low Energy หรือ BLE นอกจากความสามารถด้านการประหยัดพลังงานแล้ว อุปกรณ์ BLE ยังสามารถเชื่อมต่อได้ไม่จำกัดจำนวนอีกด้วย (เดิมบูลทูธคลาสสิกจำกัดการเชื่อมต่อสูงสุดที่ 7 อุปกรณ์ )

บูลทูธรุ่น 4.0 ที่ทำงานแบบ BLE นั้นเริ่มใช้เทคนิค Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) แต่ยังจำกัดความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูงสุดไว้ที่ 1 Mbps (ความสามารถเท่ากับ basic rate ของ รุ่น 1.0 แต่ประหยัดพลังงานมากกว่า ) แม้ความสามารถด้านการรับส่งข้อมูลแบบ BLE จะไม่สูงมากนัก แต่ก็มากพอสำหรับอุปกรณ์หลายประเภท เช่นอุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกาย (fitness tracker) หรืออุปกรณ์ IoT  จึงทำให้เกิดอุปกรณ์บูลทูธใหม่ ๆ เกิดขึ้นในตลาดอย่างมากมาย

บูลทูธรุ่น 5.0 ที่ทำงานแบบ BLE ยังคงเน้นเรื่องการประหยัดพลังงานแต่เพิ่มความสามารถด้านการรับส่งข้อมูลที่หลากหลายขึ้นโดยแบ่งความสามารถด้านนี้ออกเป็น 4 ระดับ คือ 125 kbps, 500 kbps, 1 Mbps และ 2 Mbps  หากต้องการรับส่งข้อมูลที่รวดเร็วขึ้นก็ต้องแลกกับระยะทางการใช้งานที่ลดลง แต่ถ้าต้องการระยะทางใช้งานที่ใกล้ขึ้นเช่น 200 เมตรก็ต้องยอมรับส่งข้อมูลที่ 125 kbps เป็นต้น  ความสามารถที่เพิ่มขึ้นมาอีกเรื่องหนึ่งของบูลทูธรุ่น 5.0 คือมีช่องทางการสื่อสารระหว่างหูฟังผ่าน BLE ทำให้หูฟังประหยัดพลังงานมากขึ้น อีกทั้งบูลทูธ 5.0 ยังรองรับการส่งสัญญาณเสียงไปยังอุปกรณ์เชื่อมต่อพร้อม ๆ กัน 2 อุปกรณ์ได้ ดังนั้นหากโทรศัพท์หรือเครื่องเล่นเพลงรองรับบูลทูธ 5.0 ก็จะสามารถส่งสัญญาณเสียงคุณภาพดีไปยังหูฟังบูลทูธ 2 คู่พร้อม ๆ กันได้

ปัจจุบันมาตรฐานบูลทูธคือรุ่น 5.1 ซึ่งประกาศเมื่อเดือนมกราคม 2562 ซึ่งรองรับการหาตำแหน่งของอุปกรณ์ที่ความแม่นยำระดับเซ็นติเมตร

            ความสามารถของมาตรฐานบูลทูธรุ่นต่าง ๆ แบบย่อ เป็นไปตามตารางที่ 1

 

ชื่อมาตรฐาน	ความสามารถที่เพิ่มขึ้น	รับส่งข้อมูลได้สูงสุด
Bluetooth V1.0	Basic Rate	1 Mbps
Bluetooth V2.0	EDR (Enhanced Data Rate)	3 Mbps
Bluetooth V2.1	Secure Simple Pairing	3 Mbps
Bluetooth V3.0	HS (High Speed Protocol)	24 Mbps
Bluetooth V4.0	LE (Low Energy Protocol) 1 Mbps max	24 Mbps
Bluetooth V4.2	LE with Secure connection	54 Mbps
Bluetooth V5.0	IoT (Internet of Things)	54 Mbps
Bluetooth V5.1	Location finding	54 Mbps

ตารางที่ 1 ความสามารถมาตรฐานบูลทูธรุ่นต่าง ๆ แบบย่อ

ระยะใช้งานของอุปกรณ์บูลทูธ

ระยะใช้งานของอุปกรณ์บูลทูธขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยเช่นการใช้งานภายในอาคารหรือภายนอกอาคาร ความสามารถในการรับส่งข้อมูล ลักษณะเสาอากาศ และกำลังส่งของอุปกรณ์ ทั้งนี้อุปกรณ์บูลทูธแบ่งประเภทกำลังส่งเป็น 3 ประเภทคือ

1. Power Class 1 อุปกรณ์ในประเภทนี้จะมีกำลังส่งสูงสุดไม่เกิน 100 มิลลิวัตต์ โดยมีกำลังส่งต่ำสุด 1 มิลลิวัตต์ มีระยะการใช้งานสูงสุดได้ถึง 100 เมตรหรือมากกว่า
2. Power Class 2 อุปกรณ์ในประเภทนี้จะมีกำลังส่งสูงสุดไม่เกิน 5  มิลลิวัตต์ โดยมีกำลังส่งต่ำสุด 0.25 มิลลิวัตต์
3. Power Class 3 อุปกรณ์ในประเภทนี้จะมีกำลังส่งสูงสุดไม่เกิน 1  มิลลิวัตต์ ไม่กำหนดกำลังส่งต่ำสุด ระยะใช้งานสูงสุดมักไม่เกิน 10 เมตร

การเชื่อมต่ออุปกรณ์บูลทูธ

การนำอุปกรณ์บูลทูธมาใช้งานครั้งแรกนั้น ผู้ใช้งานจำเป็นจะต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์บูลทูธเข้าด้วยกันเสียก่อน กระบวนการนี้เรียกว่าการจับคู่อุปกรณ์ (pairing) วิธีการจับคู่อุปกรณ์ของบูลทูธหลายวิธี คือ

1. การจับคู่แบบเดิม (legacy pairing) วิธีการนี้อุปกรณ์ทั้งคู่จะต้องป้อนรหัส (PIN code) อุปกรณ์จะจับคู่ได้สำเร็จหากอุปกรณ์ทั้งป้อนรหัสที่เหมือนกัน วิธีการนี้ใช้กับอุปกรณ์บูลทูธรุ่น 0 จนถึง 2.0
2. การจับคู่แบบเข้ารหัส (Secure Simple Pairing : SSP) วิธีการนี้ใช้กระบวนการเข้ารหัสที่ดีขึ้นและถูกรับรองโดย Federal Information Processing Standard (FIPS) การจับคู่แบบนี้ใช้ได้กับอุปกรณ์บูลทูธรุ่น 1 เป็นต้นไป โดยมีวิธีการใช้งานแตกต่างไปตามลักษณะของอุปกรณ์ดังนี้
   1. Just Work วิธีการนี้เป็นง่ายที่สุด เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ไม่สามารถแสดงผลและป้อนข้อมูลได้เช่นหูฟัง หรืออุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกาย
   2. Passkey  วิธีการนี้ใช้สำหรับจับคู่อุปกรณ์ที่มีจอแสดงผลและกับอุปกรณ์ที่ป้อนข้อมูลได้ หรือระหว่างอุปกรณ์ที่ป้อนข้อมูลได้ทั้งสองตัว โดยอุปกรณ์หนึ่งจะแสดงตัวเลข 6 หลักบนหน้าจอ จากนั้นผู้ใช้งานป้อนตัวเลขที่แสดงบนอุปกรณ์อีกตัวหนึ่ง หรือผู้ใช้ป้อนตัวเลขที่อุปกรณ์ทั้งสองตัว
   3. การจับคู่แบบ LE Secure Connection ใช้โปรโตคอล Elliptic-curve Diffie–Hellman (ECDH) เพื่อแลกเปลี่ยนคีย์ที่ปลอดภัยขึ้น วิธีการนี้ใช้กับอุปกรณ์บูลทูธรุ่น 4.2 เป็นต้นไป  ผู้ใช้งานสามารถจับคู่อุปกรณ์ได้ทั้งแบบ Just Work และ Passkey และมีวิธีที่เพิ่มขึ้นมาคือแบบ Numeric ซึ่งเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่สามารถแสดงผลและสามารถรับข้อมูลพื้นฐาน (เช่น yes หรือ no) ได้ เมื่อผู้ใช้ต้องการเชื่อมต่ออุปกรณ์ทั้งสองจะแสดงตัวเลข 6 หลักบนหน้าจอ ผู้ใช้ตรวจสอบว่าตัวเลขทั้งสองเหมือนกันแล้วจึงกดยืนยัน

เทคโนโลยีบูลทูธกับงานด้านต่าง ๆ

มาตรฐานบูลทูธรุ่นต่าง ๆ ที่กล่าวข้างต้นนั้นเป็นการระบุถึงความสามารถพื้นฐานในการด้านการรับส่งข้อมูล เทคโนโลยีบูลทูธสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานกับงานด้านต่าง ๆ ได้มากมาย อย่างไรก็ตามเพื่อให้อุปกรณ์ต่างยี่ห้อสามารถทำงานร่วมกันได้เช่นหูฟังไร้สายกับโทรศัพท์ไม่จำเป็นต้องเป็นยี่ห้อเดียวกัน หรือ คีย์บอร์ดไร้สายกับเครื่องคอมพิวเตอร์ต่างยี่ห้อก็สามารถทำงานร่วมกันได้ จึงจำเป็นที่จะต้องมีข้อตกลงการใช้เทคโนโลยีบูลทูธสำหรับงานด้านต่าง ๆ ข้อตกลงนี้เรียกว่าบูลทูธโปรไฟล์ ( Bluetooth profile) ดังอย่างบูลทูธโปรไฟล์ที่พบได้ทั่วไปเช่น เช่น

1. Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) โปรไฟล์นี้กำหนดวิธีการส่งสัญญาณเสียงแบบสเตอริโอระหว่างอุปกรณ์บูลทูธ
2. Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) โปรไฟล์นี้กำหนดวิธีการควบคุมภาพและเสียงผ่านอุปกรณ์บูลทูธ
3. Dial-up Networking Profile (DUN) โปรไฟล์นี้กำหนดวิธีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตผ่านอุปกรณ์บูลบูธ
4. Hands-Free Profile (HFP) โปรไฟล์นี้กำหนดวิธีการใช้พูดคุยตลอดจนการควบคุมโทรศัพท์เบื้องต้นเช่นรับสายโดยใช้อุปกรณ์บูลทูธ
5. Human Interface Device Profile (HID) โปรไฟล์นี้กำหนดวิธีการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยสำหรับอุปกรณ์ป้อนข้อมูลแบบบูลทูธ เช่นคีย์บอร์ด เมาส์ เป็นต้น