Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
Едва ли какой-либо технологии предрекали кончину чаще, чем Bluetooth. При этом невозможно не признать идею беспроводной связи довольно успешной: версия Bluetooth 1.0 появилась на рынке более 15 лет назад, и никогда еще Bluetooth не использовался в таком количестве устройств, как сейчас. Все благодаря версии Bluetooth 4.0 , которая теперь уже, впрочем, кажется довольно медленной.
Обновление до 4.1
Каждый год продается один миллиард Bluetooth-устройств. Но гаджетов с Bluetooth 4.1 по-прежнему немного. На данный момент проанонсирован умный браслет Huawei TalkBand B1. Многие современные чипсеты, такие, как в смартфоне OnePlus, тоже будут усовершенствованы до 4.1.
На смену приходит Bluetooth Low Energy (или Bluetooth Smart) - версия, экономящая заряд аккумулятора. При этом радиус действия ограничен 10 м, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, но при передаче потребляется не более 10 мА.
И вот наступает следующий этап: организация Special Interest Group Bluetooth, в которую входят более 8000 компаний, готовит спецификацию версии . Безусловно, не стоит ожидать никаких революционных изменений, однако пользователей мобильных устройств ожидают некоторые важные нововведения. CHIP решил выяснить некоторые технические моменты.
Большая часть нововведений Bluetooth 4.1 относится к защите от помех. Сейчас Bluetooth является стандартным компонентом смартфонов и планшетов; вскоре в эти устройства начнут внедряться и LTE-модули.
К сожалению, Bluetooth использует нелицензируемый частотный диапазон 2,45 ГГц (наряду с 2,6 ГГц), а также диапазон LTE в России и в других странах. Это может привести к взаимным помехам (см. диаграмму). Проблема заключается в том, что пользователь никак не может повлиять на сигнал LTE.
От разработчиков Bluetooth требовались определенные действия, чтобы избежать помех. И именно это было сделано в новой версии.
Для минимизации помех в Bluetooth 4.1 будет встроен фильтр диапазона LTE. Если передатчик LTE создает помехи для передаваемых по Bluetooth данных, Bluetooth 4.1 моментально на это отреагирует
Отправка и получение данных LTE-модулем мешают работе Bluetooth. В версии 4.0 потери доходили до 75% пакетов. Bluetooth версии 4.1 не так чувствителен к помехам от LTE. Фильтр шума защищает радиомодуль. В сложных случаях автоматически переключается канал.
Так называемая система адаптивного переключения Bluetooth 4.1 будет искать другой канал, где меньше помех, передавая и принимая данные на другой частоте. Если для Bluetooth 4.0 LTE создает помехи в 75% случаев, с Bluetooth 4.1 этот показатель снижается до 25%.
Прием и передача данных без помех
Сейчас особенно популярны устройства с Bluetooth Low Energy. Специально для этого режима экономии энергии в версии 4.1 имеется новый способ передачи данных, который продлевает работу аккумулятора.
Наученные горьким опытом пользователи Bluetooth знают о проблеме разобщенных соединений. Зачастую случалось так, что если пользователь уходил в другую комнату, соединение прерывалось. После этого приходилось настраивать соединение вручную.
Меньше отключений с новым Bluetooth
Если два Bluetooth-устройства выйдут из зоны досягаемости, связь прервется. С Bluetooth 4.0 для автоматического соединения устройства должны вернуться в зону доступа в течение 30 с. В версии 4.1 это время увеличивается до трех минут.
С Bluetooth 4.1 производители могут установить фиксированные интервалы, чтобы пользователь мог не настраивать каждый раз новое соединение после отключения. Bluetooth 4.1 может работать при прерванном соединении до трех минут - ранее этот показатель составлял не более 30 с.
То, что для использования Bluetooth не обязательно подключаться к компьютеру, демонстрирует нововведение, разработанное специально для 3D-очков, работающих совместно с телевизором. Как правило, это требовало соединения с несколькими устройствами сразу, поэтому изображение на телевизорах часто отставало. Теперь все должно работать лучше.
Бесконтактный Slave Broadcast в Bluetooth 4.1 – это вторая новая функция, от которой выиграют фанаты трехмерного кино. Bluetooth-соединение осуществляется только в одном направлении, телевизор в фиксированные интервалы посылает данные, 3D-очки принимают данные, но не посылают никаких ответных соединений телевизору.
Гибкие соединения с Bluetooth 4.1
Архитектура соединений Bluetooth 4.1 функционирует в соответствии с принципом Master-Slave. Одно устройство при этом действует как ведущее (Master), а второе - как ведомое (Slave). Все устройства могут работать как в качестве ведущих, так и в качестве ведомых.
Таким образом, данные фитнес-браслета или пульсомера теперь можно передавать непосредственно в смартфон, который затем произведет их анализ. Ранее прямое взаимодействие фитнес-браслета и смартфона было невозможным.
Два преимущества обновления Bluetooth: во-первых, не нужно беспокоиться о совместимости. Bluetooth 4.0 и Bluetooth 4.1 абсолютно совместимы. Новый чип для Bluetooth 4.1 тоже не нужен. Bluetooth 4.1 будет доступен при помощи обновления прошивки Bluetooth 4.0.
Эксперты также прогнозируют, что Bluetooth 4.1 будет поддерживать IPv6. Сейчас этого нет. Поскольку новая версия Bluetooth полностью поддерживает IPv6, всем устройствам Bluetooth будет присвоен IP-адрес, и к ним будет открыт доступ через Интернет. Так что можно говорить о том, что революция Bluetooth уже началась.
Bluetooth в сравнении
Bluetooth существует уже 15 лет, а новые версии выходят каждые два года. В версии 4.0 появился профиль с низким потреблением энергии. Поскольку предшественники его не имеют, в протоколах 4.0 и 4.1 не предусмотрена обратная совместимость. В 4.1 планируется работа по протоколу IPv6.
| Bluetooth 4.0 | Bluetooth 3.0 | Bluetooth 2.x | Bluetooth 1.x | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Базовая скорость | 1 Мбит/c | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с |
| Повышенная скорость передачи данных (EDR) | 3 Мбит/c | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | нет |
| High Speed | 54 Мбит/c | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с | нет | нет |
| Дальность (макс./мин. мощность) | 100 м/10 м | 100 м/10 м | 100 м/нет | 100 м/нет | 100 м/нет |
| Режим низкого энергопотребления | да | да | нет | нет | нет |
| Двойной профиль (одновременная роль в качестве Slave и Master) | да | нет | нет | нет | нет |
| Поддержка IPv6 | готовится | нет | нет | нет | нет |
| Сопряжение с NFC | да | да | да | да | нет |
| 128-битное шифрование AES | да | да | нет | нет | нет |
Фотографии в статье: компании-производители
Технология Bluetooth, которую начала разрабатывать еще в 1994 году шведская компания Ericsson, первоначально предназначалась вовсе не для мобильных телефонов, а для создаваемого в те годы концепта Flyway (www.swedetrack.com). Flyway – это система персонального автоматического транспорта. Она представляет собой разветвленную монорельсовую дорогу с вагончиками небольшой вместимости. Каждый из них может перемещаться по своему индивидуальному маршруту в рамках сети – что-то вроде такси, только без водителя. Технологии Bluetooth в этой новой транспортной системе отводилось ключевое место: именно с ее помощью все элементы обменивались между собой данными.
Само название Bluetooth первоначально было лишь кодовым названием этого проекта. Происходит оно от прозвища датского короля Харольда Блатанда, который, как гласит предание, получил его из-за своих гнилых зубов. Почему тогда синий? Оказывается, во времена викингов слово «бла» означало и «синий», и «черный» цвет. Несмотря на не совсем здоровые зубы, король смог объединить обособленные удельные княжества Дании и создать сильное государство. Идея объединения людей и стала основополагающей при разработке Flyway и ее протокола синхронизации. Когда дело дошло до коммерческого запуска технологии, более подходящего названия, чем кодовое Bluetooth, разработчики стандарта придумать не смогли.
Первые шаги нового стандарта
Уже в ходе разработки технологии в Ericsson поняли, что она отлично подойдет и для передачи данных между мобильными устройствами. В 1998 году по инициативе компании была создана группа разработчиков Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG, www.bluetooth.com), в которую также вошли IBM, Intel, Toshiba и Nokia. В том же году появилась версия протокола Bluetooth 1.0, а чуть позднее, в начале 1999 года, увидел свет ее исправленный вариант – Bluetooth 1.0B. В этих версиях протокола для установки соединения требовалась обязательная передача устройствами своих аппаратных адресов, что делало невозможными анонимные соединения. В первых спецификациях не были жестко зафиксированы некоторые технические характеристики. Из-за этого оборудование разных производителей оказалось фактически несовместимым между собой: настроить два разных устройства Bluetooth было, мягко говоря, непросто.
Частотный хоппинг
В 2001 году была представлена спецификация Bluetooth 1.1 – в ней не было полной обратной совместимости с двумя предыдущими версиями протокола 1.0, однако разработчики исправили все недостатки и ошибки.
Появились и новые функции: соединение могло быть незашифрованным, устройства отображали уровень принимаемого сигнала. А главное, с версией Bluetooth 1.1 обратно совместимы уже все последующие варианты протокола Bluetooth, поэтому ее до сих пор можно встретить во многих работающих устройствах. Модули Bluetooth 1.1 сейчас настолько просты и дешевы, что их наличие увеличивает себестоимость изделия лишь на несколько центов.
В 2003 году вышла спецификация Bluetooth 1.2. В ней использовалась технология AFH, позволяющая отдавать приоритет наименее зашумленным частотам. Это значительно повысило помехоустойчивость связи и позволило увеличить скорость передачи данных. Новых схем модуляции, однако, не применялось, поэтому максимальная скорость Bluetooth осталась прежней – 721 кбит/с. Разница по сравнению с версией 1.1 была только в том, что у Bluetooth 1.2 реальная скорость работы оказывалась ближе к теоретически возможному пределу благодаря наличию AFH.
Затем за счет технологии eSCO улучшилось качество передачи голоса. Кроме того, в новой версии в два раза увеличилась скорость обнаружения и спаривания устройств, появилась опциональная возможность одновременного подключения двух устройств. Вместе с версией 1.2 началась передача стереозвука по профилю A2DP.
Переход на второй уровень
В ноябре 2004 года вышла новая версия Bluetooth 2.0, в которой впервые опционально была реализована технология EDR – устройства с ее поддержкой до сих пор помечают как «2.0+EDR». За счет применения новейших алгоритмов кодирования сигнала EDR позволяет передавать данные в 3 раза быстрее – до 2,1 Мбит/с. В самом потоке данных скорость передачи может достигать 3 Мбит/с. Однако часть этой пропускной способности «съедается» – тратится на повторную отправку ошибочных пакетов (из-за помех). Кроме того, расходуется служебный трафик – для кодирования и шифрования информации.
Увеличение скорости передачи данных вместе с ростом помехоустойчивости позволило снизить энергопотребление Bluetooth приблизительно в три раза. Правда, это утверждение справедливо не для всех устройств, а только для тех, которым не требуется увеличенная скорость передачи данных (например, гарнитуры). Также упростилось одновременное подключение нескольких устройств: за счет увели чения разрядности адресации появилась возможность при построении локальной беспроводной сети использовать в ней не 8, как раньше, а 256 устройств.
Современный этап развития
В 2007 году спецификация Bluetooth обновилась – появилась версия 2.1 (также с опциональной поддержкой EDR), которая получила технологию расширенного запроса характеристик устройства для быстрой настройки всех профилей.
Кроме того, была добавлена энергосберегающая технология Sniff Subrating с оптимизированными циклами работы и ожидания. Она позволяет увеличивать продолжительность работы устройства Bluetooth от одного заряда аккумулятора в пять раз. Обновленная спецификация беспроводного стандарта Bluetooth 2.1 существенно упростила и ускорила установление связи между двумя устройствами и позволила производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, что улучшает защиту. Правда, такое упрощение установки связи возможно только в том случае, если оба устройства оснащены модулями NFC. Они создают в небольшом радиусе вокруг себя электромагнитное поле: достаточно поднести устройства друг к другу, чтобы запустить процесс соединения.
Большинство существующих адаптеров (здесь мы принимаем в расчет не только пользовательские, но и корпоративные системы) снабжено устаревшими модулями Bluetooth 1.1 и 1.2. Поддержка стандарта Bluetooth 2.0+EDR присутствует в современных моделях телефонов и ноутбуков. Что же касается Bluetooth 2.1+EDR, то новая версия стандарта вплоть до последнего времени не получила широкого распространения: многие производители почему-то игнорируют эту версию.
Возможно, причина в следующем: все ее преимущества достигаются лишь при наличии встроенного модуля NFC, который требует как минимум дополнительной антенны. Но есть и более простое объяснение: устаревшие модули Bluetooth 2.0 дешевле, поэтому их выгоднее использовать и в самых современных моделях.
BLUETOOTH ДЛЯ ОДЕЖДЫ
Создание энергосберегающей версии Bluetooth 4.0 открывает перед разработчиками захватывающие перспективы. Например, перчатки Swany G-CELL Gloves могут соединяться с мобильным телефоном. Они снабжены специальными кнопками для приема или отбоя вызовов, встроенным микрофоном и динамиком, так что владельцу даже не придется доставать телефон для разговора. Сейчас они оснащены модулем Bluetooth 2.0 и способны проработать на одной зарядке лишь 48 часов в режиме разговора и 240 часов в режиме ожидания. Переход на Bluetooth 4.0 избавит от необходимости постоянной подзарядки аккумулятора.
Скоростной Bluetooth
В 2009 году была принята очередная спецификация Bluetooth 3.0+HS. HS (High Speed) – это новый уровень скорости передачи данных, которая может достигать 24 Мбит/с. Многим специалистам такой параметр показался нереальным, однако новейшие модули и в самом деле работают быстрее, чем их предшественники Bluetooth 2.1. Действительно, это выглядит неправдоподобным: если Intel выпускает новые процессоры, опережающие старые модели на несколько процентов, все компьютерные журналы пишут об этом как о невероятном достижении. А когда консорциум Bluetooth SIG создает новую спецификацию беспроводного стандарта, ускоряющего передачу данных в 10 раз (!), событие остается вне поля зрения большинства по льзователей, словно оно их вообще не касается.
Дело в том, что такая высокая скорость возможна вовсе не при передаче данных по каналу Bluetooth: в нем по-прежнему максимальная скорость ограничена 2,1 Мбит/с, как это и было в случае с использованием технологии EDR. Для перехода на 24 Мбит/с применяется прямое соединение по протоколу Wi-Fi. Протокол Bluetooth в данном случае используется не на физическом, а лишь на логическом уровне: для организации самого соединения между устройствами. Wi-Fi выступает в роли транспортного радиопротокола, тогда как сам интерфейс Bluetooth остается только в качестве каркаса для связывания устройств.
Однако использование технологии Wi-Fi для передачи данных не означает совместимости устройства Bluetooth с привычными сетями Wi-Fi. Речь идет только об использовании той же физической модели передачи по стандарту IEEE 802.11 – никакой логической совместимости с сетями 802.11a/b/g/n у телефонов и смартфонов с Bluetooth как не было, так и нет.
Вечный двигатель
Конечно, Bluetooth 3.0+HS можно считать настоящим технологическим прорывом, однако у него, как и у всякого большого достижения, есть оборотная сторона. Работа на такой высокой скорости быстро истощает аккумулятор, поэтому создатели нового стандарта сразу же столкнулись с проблемой энергосбережения. Для ее решения в декабре 2009 года была выпущена новейшая спецификация Bluetooth 4.0, что также можно считать неординарным событием: если мы обратимся к истории, то увидим, что ранее между выпусками версий Bluetooth проходило, как правило, от 4 до 5 лет. В Bluetooth 4.0 нет принципиальных изменений относительно скорости передачи данных, нововведения касаются лишь энергопотребления. Этот стандарт предназначается для использования преимущественно в различных датчиках, которые могут применяться в тренажерах, медицинских приборах, автомобилях. Передатчик Bluetooth включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы модуля от одной часовой батарейки в течение нескольких лет! В таком режиме стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета 8–27 байт. Намного быстрее происходит соединение: два устройства Bluetooth могут устанавливать его менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.
Профили Bluetooth
Каждое Bluetooth-устройство поддерживает определенный набор так называемых профилей – они представляют собой стандартизированные алгоритмы обмена данными. Поддержка тех или иных профилей позволяет легко определить возможности устройства. Для работоспособности функции требуется поддержка профиля обоими Bluetooth-устройствами.
Для более качественной передачи звука используется A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) – расширенный профиль распространения аудио. Он отвечает за передачу стереозвука по радиоканалу Bluetooth на какое-либо принимающее устройство. Профиль различает два типа устройств: передатчик (A2DP-SRC - Advanced Audio Distribution Source), например телефон; приемник (A2DP-SNK – Advanced Audio Distribution Sink), например наушники. При установке связи передатчик и приемник согласуют кодек, который необходимо применить, и параметры кодирования: битрейт, частоту дискретизации и др. Стандартом определен один обязательный кодек SBC – он не требует большой вычислительной мощности для кодирования и декодирования, но отличается низким качеством звука. SBC выбирается, если приемник и передатчик не могут «договориться» об использовании других кодеков: MP3, AAC, ATRAC.
Обычно устройства, работающие с A2DP, поддерживают и профиль AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) . Он предназначен для дистанционного управления источником сигнала и в версии AVRCP 1.0 позволяет запускать или останавливать воспроизведение, осуществлять перемотку и переход между треками. В версии профиля AVRCP 1.3 протокол передает текущее состояние источника и метаданные о самом медиаэлементе, например название песни. В версии AVRCP 1.4 появилась возможность просмотра плей-листов и выбора композиции.
HID (Human Interface Device Profile) обеспечивает поддержку устройств ввода: мышей, джойстиков, клавиатур. Существует также довольно большое количество и других профилей Bluetooth – их общее количество доходит до 28 (данные на момент написания статьи).
Стеки Bluetooth
Помимо профиля, в Bluetooth есть такое понятие, как стек. Для удобства понимания можно представить его как программное обеспечение, управляющее аппаратным модулем, то есть набор драйверов устройства. Каждый из таких драйверов отвечает за реализацию определенного профиля. Для пользователя разница в наличии на компьютере того или иного стека Bluetooth заключается в поддержке определенного набора профилей и в различном графическом интерфейсе для работы с ними.
Widcomm
Первым стеком Bluetooth для операционных систем компании Windows стал Widcomm. После приобретения компании Widcomm фирмой Broadcom он был, соответственно, переименован в стек Broadcom. В настоящее время этот стек распространен мало и работает только с устройствами, производители которых приобрели лицензию у Broadcom. Он поддерживает редко встречающиеся, но нужные некоторым пользователям профили - HCRP, BPP и BIP. А кроме того – имеет дружелюбный интерфейс, прекрасно вписывающийся в стандартный интерфейс Windows.
Microsoft
В Windows, начиная с выхода Windows XP SP2, появился собственный стек Bluetooth. В Windows Vista он был обновлен: добавились поддержка HID-устройств до загрузки ОС, профили A2DP и AVRCP. Дополнительные профили, вроде FTP, BIP, BPP, стали доступны в виде подключаемых модулей, выпускаемых сторонними производителями. Предусмотрена поддержка Bluetooth 2.0+EDR, а в Vista Feature Pack – еще и Bluetooth 2.1+EDR, который также поддерживается в штатном стеке Windows 7.
BlueSoleil
Среди альтернативных стеков наиболее распространен BlueSoleil, предложенный IVT Corporation. Недостаток BlueSoleil – некорректная работа с Bluetooth-модулями различных производителей. Периодически обращаясь к своему серверу, стек может вдруг выяснить, что аппаратный адрес устройства не лицензирован, после чего перейдет в режим ограниченной функциональности, в котором можно передать лишь 5 Мб данных. Впоследствии вам потребуется повторная активация стека BlueSoleil.
Интерфейс Bluetooth Core Specіfіcatіon Versіon 3.0 Hіgh Speed (HS) или попросту Bluetooth 3.0 представлен официалъно. Рaбочая группа Bluetooth SіG* спpaвиласъ со всем вовремя.< А теперъ неболъшой урок ликнепа для тех, кто слышит о новинке впервые.
Что такое Bluetooth 3.0?
Все просто и понятно. Это следующее поколение интерфейса стандарта Bluetooth, точнее технология, позволяющая передаватъ данные между двумя электронными устройствами без помощи проводов. Но в отличии от версии Bluetooth 2.1+EDR интерфейс 3.0 paботает быстрее.
А насколъко быстрее?
Намного. Новый стандарт стал значителъно шустрее своего предшественника. В нем зафиксирована поддержка обмена информацией со скоростями до 24 Мбит/с. Как известно, возможности Bluetooth 2.1+EDR (Enhanced Data Rate) огpaничены значением 3 Мбит/с.
И что?
А то, что новые устройства, соответствующие спецификаций Bluetooth 3.0, будут в восемъ paз быстрее тех, которыми мы полъзуемся сегодня. А это значит, что на беспроводную синхронизацию звукозаписей между ПК и проигрывателем или телефоном, передачу фотоснимков в напpaвлении принтеpa или ПК, отпpaвку видеозаписей с или телефона на компъютер или телевизор и т.п. мы будет тpaтитъ поменъше своего дpaгоценного времени.
А откуда такое ускорение?
Повышение скорости обеспечивает исполъзование в качестве тpaнспорта протокола іEEE 802.11 (Wі-Fі).
Стоп! Так это обычный Wі-Fі?
Шоб да!, так нет!. Bluetooth 3.0 совместим с іEEE 802.11 (Wі-Fі), но взаимодействие между передающим и принимающим устройствами будет построено по схеме, подобной схеме ad-hoc, не требующей входа в сетъ Wі-Fі. Но естъ еще нюансы. Для достижения максималъно возможной скорости необходимо, чтобы каждое из двух устройств имело не толъко Bluetooth-, но и 802.11-модулъ. В процессе соединения передающее устройство спросит устройство, принимающее сигнал, естъ ли в нем поддержка этого более скоростного стандарта беспроводной связи.
В случае положителъного ответа файл будет передан именно по протоколу 802.11. Как толъко загрузка завершится, принимающее устройство сообщит об этом и передатчик переключится обpaтно на Bluetooth с максималъной скоростъю передачи данных 3 Мбит/с, но потребляющий менъше энергии. Если же модуля 802.11 в принимающей системе нет, то отпpaвка будет осуществлятъся посредством Bluetooth, то естъ на более низкой скорости. Так что, третъя версия протокола позволит устройствам устанавливатъ соединение друг с другом посредством Bluetooth, а саму передачу данных осуществлятъ по стандарту 802.11
А если еще болъше вникнутъ в детали, то отсутствие буквенного индекса в обозначении 802.11 можно отнести на счет отсутствия в планах paзpaботчика Bluetooth 3.0 группы SіG и Wі-Fі Allіance взаимной сертификации устройств. Другими словами, устройства с поддержкой Bluetooth 3.0, не будут совместимы с устройствами, поддерживающими 802.11b, g или n.
А как насчет совместимости со старой версией?
Не надо волноватъ свой душевный комфорт. Интерфейс Bluetooth 3.0 HS сохpaнил совместимостъ с предыдущей версией спецификации. Так что пересылатъ фотки со своего нового меганавороченного коммуникатоpa на , который вы скоро подарите бабушке, можно будет запросто. Кроме того, в Bluetooth 3.0 будет исполъзоватъся технология Enhanced Power Control (EPC), позволяющая значителъно снизитъ вероятностъ paзрыва соединения, если положитъ телефон в сумочку или, скажем, карман.
А когда эта paдостъ появится у нас?
Точно не завтpa. Официалъное утверждение спецификаций является лишъ первым шагом на пути Bluetooth 3.0 к потребителям. На втором шаге компании Atheros, Broadcom, CSR и Marvell - paзpaботчики и производители элементной базы, входящие в Bluetooth SіG, предложат свои решения с поддержкой новой спецификации изготовителям электроники. Третъего шага - появления готовых продуктов на рынке, по мнению paзpaботчиков, можно ожидатъ через 9-12 месяцев. Так что paдует пока толъко тот факт, что процесс уже необpaтим, и вскоре версия 3.0 заменит сегодняшнюю Bluetooth 2.1+EDR.
* Группа Bluetooth Specіal іnterest Group (SіG) был основан 20 мая 1998 годаи стого времени занимается paзpaботкой стандартов для данной технологии. Изначалъно в консорциум вошли Erіcsson (ныне Sony Erіcsson), іBM, іntel, Toshіba и Nokіa). Позже к ним присоединилисъ другие. К сегодняшнему дню группой было принято шестъ стандартов Bluetooth.
Не успел набрать популярность Bluetooth 3.0 как на смену ему появился Bluetooth 4.0. Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0 30 июня 2010года Bluetooth 4.0 включает в себя следующие протоколы - Классический Bluetooth, Высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением. Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а Классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth.
Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением задумывался, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д. – пример ниже в видео). Низкое энергопотребление достигается за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.