Блютуз дальность действия


На сколько метров обычно работает технология bluetooth. Как работает технология Bluetooth

Несмотря на то, что технология Bluetooth соединения достаточно старая и пользуется огромным распространением во всем мире, многие все же не знают, как работает Блютуз. При помощи такой связи вы можете обмениваться файлами, играть в совместные игры (к примеру, на телефонах), подключаться периферийное оборудование к ПК, передавать звук на аудиосистему и многое другое.

Но, чтобы знать, как создавать подключения и пользоваться технологией, вам нужно понять принцип работы Bluetooth. Технология достаточно проста и понятна. Более того, она дешевая. Благодаря этому Блютуз связь доступна абсолютно каждому. Каждый телефон, смартфон, планшет и ноутбук имеет встроенный адаптер беспроводной связи.

Что такое Bluetooth: Видео

Принцип работы Bluetooth

Многие задают вопрос, на какой расстоянии действует Bluetooth? Здесь все зависит от версии технологии. Но, прежде чем переходить к зоне покрытия, стоит отметить, что для передачи данных используются передатчики (приемники) весьма малых размеров. Они практически не занимают места.

Благодаря этому адаптер встраивается в самые миниатюрные телефоны. При этом радиус действия Блютуз достигает 10 метров. Если говорить о более новых стандартах, к примеру, Bluetooth 4.0, то радиус действия еще больше, около 100 метров на прямой видимости.

Работает приемник в диапазоне 2.4-2.48 Ггц. То есть это обычная радиосвязь, работающая в Скорость передачи данных в зависимости от версии может варьироваться от 721 Кбс (1.1), до 24 Мбс (3.0 и 4.0). Данная технология позволяет создавать частные сети, объединяя несколько устройств в группы. При этом вы можете не только передавать файлы, но и управлять оборудованием удаленно.

Ответ на вопрос, на каком расстоянии работает Блютуз - до 50 метров при прямой видимости и около 10-20 метров в зданиях. Конечно, производитель утверждает, что, начиная с версии 3.0, радиус действия может достигать 100 метров, но по факту область покрытия как минимум вдвое меньше.

При этом подключение происходить автоматически. Пользователям практически ничего настраивать не нужно. Стоит отметить, что многие современные устройства работают с такой связью. К примеру, наибольшим распространением пользуется беспроводная гарнитура, которую можно подключить к телефону или компьютеру.

Для переключения между частотами для каждого соединения используется псевдослучайная последовательность, которая известна только передатчику и приемнику. Они, в свою очередь, каждые 625 мкс синхронно переключаются с одной частоты на другую. 625 мкс - это один временной слот.

Благодаря такому алгоритму в случае, если рядом работает не одна пара (приемник-передатчик), они не мешают друг другу. Именно поэтому при подключении выполняется синхронизация. Более того, такая особенность позволяет повысить уровень безопасности и защищает систему конфиденциальности информации, которая передается между устройствами.

Как узнать версию Bluetooth: Видео

Как действуют беспроводные Bluetooth наушники

Благодаря широкому распространению беспроводной гарнитуры все чаще встречается вопрос, как работают Блютуз наушники?

Здесь очень просто. Гарнитура синхронизируется с телефоном (или другим источником звука) и воспроизводят получаемый звуковой сигнал. Суть заключается в том, что адаптер преобразует цифровой сигнал в аналоговый и передает его по радиоволнам. В наушниках Bluetooth модуль принимает радиоволны и преобразует их в цифровой сигнал.

Как подключить гарнитуру к телефону? Для этого вы зажимаете кнопку питания на наушниках и держите до тех пор, пока индикатор не начнет мигать синим и красным (цвета могут отличаться в зависимости от модели).

Выбираете нужное устройство и нажимаете «Подключить». После этого устройства синхронизируются.

Одна из устойчивых тенденций развития мобильных устройств - совершенствование средств беспроводных коммуникаций, которые обеспечивают возможность соединения с Интернетом, локальной сетью, а также c различным периферийным оборудованием (наушниками, гарнитурами, акустическими системами, принтерами и т.д.) и другими расположенными поблизости гаджетами. Технологии беспроводной связи, как, впрочем, и других компонентов мобильных устройств, - постоянно развиваются. Появляются новые версии спецификаций, увеличивается пропускная способность, расширяется набор функций и т.д. Благодаря этому обеспечивается качественное развитие, без которого немыслим технический прогресс. Впрочем, у прогресса есть и оборотная сторона: с каждым годом пользователям становится всё сложнее разобраться с тем, в чем же заключается различие разных моделей.

Обычно из краткого описания мобильного устройства можно почерпнуть лишь названия беспроводных интерфейсов, которыми оно оборудовано. В подробной спецификации, как правило, есть дополнительные сведения, в частности версии беспроводных интерфейсов (к примеру, Wi-Fi 802.11b/g/n и Bluetooth 2.1). Однако и этого далеко не всегда достаточно для того, чтобы в полной мере оценить возможности беспроводных коммуникаций рассматриваемого устройства. Например, чтобы понять, будет ли работать то или иное периферийное устройство, подключаемое по Bluetooth, с имеющимся в вашем распоряжении смартфоном или планшетом.

В данной статье мы расскажем о различных нюансах, на которые необходимо обратить внимание при оценке возможностей устройств, оборудованных интерфейсом Bluetooth.

Сфера применения

Беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, получивший название Bluetooth, был разработан в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. Начиная с 1998-го развитием и продвижением данной технологии занимается организация Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), основанная компаниями Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. К настоящему времени список членов Bluetooth SIG включает более 13 тыс. компаний.

Внедрение интерфейса Bluetooth в потребительских устройствах для массового рынка началось в первой половине минувшего десятилетия. В настоящее время встроенными адаптерами Bluetooth оснащаются многие модели портативных ПК и мобильных устройств. Кроме того, в продаже представлен широкий ассортимент периферийных устройств (беспроводных гарнитур, манипуляторов, клавиатур, акустических систем и т.д.), оборудованных этим интерфейсом.

Основной функцией Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Главными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет встраивать его даже в малогабаритные устройства с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования освобождены от выплаты лицензионных отчислений за установку в своих изделиях приемопередатчиков Bluetooth.

Подключение устройств

Посредством интерфейса Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка - точка», во втором - по схеме «точка - многоточка». Независимо от схемы соединения одно из устройств является ведущим (master), остальные - ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств (рис. 1 и 2). Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Рис. 1. Схема пикосети, объединяющей два устройства

Рис. 2. Схема пикосети, объединяющей несколько устройств

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (рис. 3). Пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Рис. 3. Схема распределенной сети, включающей три пикосети

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Отметим, что на практике потребность в создании распределенной сети возникает редко. При нынешней степени интеграции аппаратных компонентов сложно представить себе ситуацию, когда владельцу смартфона или планшета потребовалось бы подключить по Bluetooth более двух-трех устройств одновременно.

Радиус действия

В спецификации Bluetooth предусмотрены три класса приемопередатчиков (см. таблицу), различающихся по мощности, а значит, по эффективному радиусу действия. Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройств и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Разумеется, рассчитывать на стабильное беспроводное соединение между устройствами, удаленными на предельное расстояние (например, на 10 м в случае приемопередатчиков Class 2), можно лишь при отсутствии между ними крупногабаритных препятствий (стены, перегородки, двери и т.п.). Реальный радиус действия может варьироваться как в зависимости от особенностей помещения, так и от наличия в эфире радиопомех и источников сильного электромагнитного излучения.

Версии Bluetooth и их различия

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 - в ней исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с - в другую.

Также был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет применения механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. Одним из реализованных в ней новшеств стала энергосберегающая технология Sniff Subrating, позволившая значительно (от трех до десяти раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed (высокая скорость). Ее главное новшество - реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY, обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного (с невысоким энергопотреблением) и высокоскоростного. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в ситуациях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

Базовая спецификация Bluetooth 4.0 была утверждена в июне 2010 года. Ключевая особенность этой версии - применение технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Вопреки распространенному заблуждению, интерфейс Bluetooth 4.0 не обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с версией Bluetooth 3.0 + HS.

Профили Bluetooth

Возможности взаимодействия устройств при подключении по интерфейсу Bluetooth во многом определяются набором профилей, который поддерживает каждое из них. Тот или иной профиль обеспечивает поддержку определенных функций, например передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д. Сведения о некоторых профилях Bluetooth приведены во врезке.

Важно понимать, что задействовать Bluetooth-соединение для выполнения какой­либо задачи можно лишь при поддержке соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению «визитную карточку» или контакт с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и подключаемый к нему компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile).

Нередко возникают ситуации, когда Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, однако выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается. Одной из вероятных причин возникновения подобных проблем может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Таким образом, набор поддерживаемых профилей является важным фактором, который необходимо принимать во внимание при оценке возможностей того или иного устройства. К сожалению, в некоторых моделях мобильных устройств поддерживается минимальный набор профилей (например, только A2DP и HSP), что существенно ограничивает возможности беспроводного подключения к другому оборудованию.

Отметим, что набор поддерживаемых профилей определяется не только спецификой и конструктивными особенностями устройства, но и политикой производителя. Например, в некоторых аппаратах заблокирована возможность передачи файлов определенных форматов (изображения, видеоролики, электронные книги, приложения и т.д.) под предлогом борьбы с пиратством. Правда, на деле от подобных ограничений страдают отнюдь не любители контрафактного медиаконтента и программного обеспечения, а честные пользователи, вынужденные даже собственноручно снятые встроенной камерой фотографии передавать на ПК окольными путями (например, отсылая нужные файлы на собственный адрес электронной почты).

Профили Bluetooth

A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) - обеспечивает передачу двухканального (стереофонического) аудиопотока от источника сигнала (ПК, плеера, мобильного телефона) к беспроводной стереогарнитуре, акустической системе или иному воспроизводящему устройству. Для сжатия передаваемого потока может использоваться стандартный кодек SBC (Sub Band Codec) либо другой, определенный производителем устройства.

AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) - позволяет управлять стандартными функциями телевизоров, систем домашнего кинотеатра и т.д. Устройство с поддержкой профиля AVRCP способно выполнять функции беспроводного пульта ДУ. Может применяться в связке с профилями A2DP или VDPT.

BIP (Basic Imaging Profile) - обеспечивает возможность передачи, приема и просмотра изображений. Например, позволяет передавать цифровые фотографии с цифровой камеры в память мобильного телефона. Предусмотрена возможность изменения размеров и форматов передаваемых изображений с учетом специфики подключенных устройств.

BPP (Basic Printing Profile) - базовый профиль печати, обеспечивающий передачу различных объектов (текстовых сообщений, визитных карточек, изображений и т.п.) для вывода на печатающем устройстве. Например, можно распечатать на принтере текстовое сообщение или фотографию с мобильного телефона. Важной особенностью профиля BPP является то, что на устройстве, с которого производится отправка объекта на печать, не требуется устанавливать специфический драйвер для имеющейся модели принтера.

DUN (Dial-up Networking Profile) - обеспечивает подключение ПК или иного устройства к Интернету посредством мобильного телефона, выполняющего в данном случае функцию внешнего модема.

FAX (Fax Profile) - позволяет использовать внешнее устройство (мобильный телефон или МФУ с факсимильным модулем) для приема и отправки факсимильных сообщений с ПК.

FTP (File Transfer Profile) - обеспечивает передачу файлов, а также доступ к файловой системе подключенного устройства. Стандартный набор команд позволяет осуществлять навигацию по иерархической структуре логического диска подключенного устройства, а также копировать и удалять файлы.

GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile) - обеспечивает передачу звукового и видеопотока от источника сигнала к воспроизводящему устройству. Является базовым для профилей A2DP и VDP.

HFP (Hands-Free Profile) - обеспечивает подключение автомобильных устройств hands-free к мобильному телефону для голосовой связи.

HID (Human Interface Device Profile) - описывает протоколы и способы подключения беспроводных устройств ввода (мышей, клавиатур, джойстиков, пультов ДУ и пр.) к ПК. Профиль HID поддерживается в ряде моделей мобильных телефонов и КПК, что позволяет использовать их в качестве беспроводных пультов для управления графическим интерфейсом ОС или отдельными приложениями на ПК.

HSP (Headset Profile) - позволяет подключить беспроводную гарнитуру к мобильному телефону или иному устройству. Помимо передачи звукового потока обеспечивается работа таких функций, как набор номера, ответ на входящий звонок, завершение вызова и регулировка громкости.

OPP (Object Push Profile) - базовый профиль для пересылки объектов (изображений, визитных карточек и т.д.). Например, можно передать список контактов с одного мобильного телефона на другой или фотографию со смартфона на ПК. В отличие от FTP, профиль OPP не обеспечивает доступ к файловой системе подключенного устройства.

PAN (Personal Area Networking Profile) - позволяет объединить два или насколько устройств в локальную сеть. Таким способом можно подключить несколько ПК к одному, имеющему доступ в Интернет. Кроме того, данный профиль обеспечивает удаленный доступ к ПК, выполняющему функции ведущего устройства.

SYNC (Synchronization Profile) - используется в связке с базовым профилем GOEP и осуществляет синхронизацию персональных данных (ежедневника, списка контактов и пр.) между двумя устройствами (например, н астольным ПК и мобильным телефоном).

Производители постоянно внушают потребителям, что новые решения безусловно лучше старых. Новые процессоры обладают более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением по сравнению с предшественниками; новые дисплеи имеют более высокое разрешение и широкий цветовой охват и т.д. Однако применять подобный подход для оценки возможностей интерфейса Bluetooth вряд ли целесообразно.

Во­первых, необходимо принимать в расчет особенности уже имеющегося парка Bluetooth-устройств. Ведь, как уже было упомянуто, максимальная скорость передачи данных определяется устройством, оборудованным наиболее старой версией интерфейса. К тому же высокая скорость передачи данных требуется далеко не для всех задач. Если для копирования медиафайлов (звуковых записей, изображений) или трансляции звукового потока с низкой степенью компрессии это действительно важный фактор, то для нормального взаимодействия телефона с беспроводной гарнитурой или для обмена контактами с другим аппаратом вполне хватит возможностей Bluetooth 2.0.

Во­вторых, во многих случаях гораздо более важным фактором, нежели максимальная скорость беспроводного соединения, является набор поддерживаемых профилей Bluetooth. Ведь именно он фактически определяет круг оборудования, с которым способно взаимодействовать имеющееся устройство. К сожалению, эти сведения редко приводятся даже в полной спецификации устройства, и зачастую их приходится искать в тексте руководства по эксплуатации или на форумах пользователей.

Передача данных посредством Bluetooth осуществляется на частоте 2.4 ГГц. Данный диапазон разделен на 79 каналов. При этом, каждому из них предоставлена полоса, шириной 1 МГц. Все имеющиеся специализации используют синхронный, либо асинхронный вид связи.

Последние модификации (основные)

Bluetooth 2.0

Вышедший в ноябре 2004 года, Bluetooth 2.0 обладает еще большей скоростью передачи данных, а также имеет обратную совместимость с предшествующими версиями. Увеличенная скорость обеспечивается за счет использовании технологии EDR. Ее заявленная скорость равняется 3 Мб/с .Однако, как показывает практика, за счет данной технологии максимальная скорость передачи данных доходит лишь до 2.1 Мб/с . В версии 2.0 удалось добиться не только улучшения скорость, но и значительно увеличить помехоустойчивость, что в итоге помогло снизить и энергозатраты.

Помимо этого, 2.0 отличается упрощением подключения к ней нескольких устройств. Добиться этого удалось в следствие увеличения разрядности адресации. Это позволило подключаться по локальной сети не 8 устройствам, как прежде, а уже 256.

2.0 + EDR спецификация обладает следующими особенностями:

  1. Ускоряет скорость передачи данных по Bluetooth в 3 раза (в действительность на 2.1 Мб/с ).
  2. Добавление дополнительной полосы пропускания частично решило проблему подключения к Bluetooth сразу нескольких устройств.
  3. Уменьшились энергозатраты, в следствие уменьшения нагрузки.

Bluetooth 3.0

Спецификация Bluetooth 3.0 была принята в 2009 году и произвела настоящий фурор, так как скорость передачи данных при ее использовании доходит до 24 Мб/с . Возможным это стало в следствие применения в ней двух модулей, один из которых был обычным Bluetooth 2.0, а другой работающий по протоколу 802.11, поддерживая скорость до 24 Мб/с . При этом выбираемый для передачи данных модуль зависит от размера файла. Так, медленный канал используется для передачи небольших файлов, а высокоскоростной для больших.

Основной негативной стороной Bluetooth 3.0 + HS является слишком большое энергопотребление при работе. как ни странно, такой минус стандарта 3.0 связан с высокой скоростью его работы. Однако, стандарте 3.0 имеется и одно неоспоримое преимущество. А именно, это возможность работать по протоколу 802.11 или, проще говоря, Wi-Fi. Благодаря этому скорость передачи данных значительно увеличилась. В теории, используя версию 3.0 скорость соединения должна достигать 54 Мб/с .

Так, благодаря стандарту 3.0 можно будет в самые сжатые временные отрезки прокачивать данные DVD-объема. Тем не менее, по словам разработчиков реальная скорость стандарта 3.0 составляет 22–26 Мб/с .

Bluetooth 4.0

Преимуществом Bluetooth 4.0 по сравнению с предыдущей спецификацией является его уменьшенное энергопотребление. Скорость передачи данных при использовании стандарта 4.0 достигает 1 Мб/с (размер пакета 8-27 байт). Кроме того, скорость соединения устройств, совместимых с спецификацией 4.0, уменьшена до 5 миллисекунд, а расстояние, на которое возможна передача данных, достигает 100 метров . Также, стандарт 4.0 предоставляет достаточный уровень безопасности, который гарантирует 128-битное AES-расширение.

Преимущества Bluetooth 4.0:

  1. Совмещает в себе предшествующие протоколы. Поддерживает основные функции предыдущих протоколов.
  2. Увеличение скорости.
  3. Значительное уменьшение энергопотребления устройства, использующего стандарт 4.0, достигнутое за счет измененного алгоритма работы (передатчик включается только в тот момент, когда происходит передача данных).

Как правило, стандарт 4.0 больше подходит для миниатюрных электронных датчиков. К примеру, для наручных измерителях давления, температуры, для тренажеров, различных миниатюрных устройств с небольшой энергоемкостью.

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

  1. Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.

Bluetooth (в переводе означает «синий зуб» или в народе «синезуб») - одна из технологий беспроводных сетей, обеспечивающих обмен информацией между различными устройствами, включая персональные компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, принтеры, фотоаппараты и другие подобные продукты. Bluetooth позволяет устройствам сообщаться - максимальный радиус действия равен 100 метрам друг от друга.

Главная задача технологии Bluetooth заключается в передаче данных между устройствами без помощи проводов - обеспечение экономичной и дешёвой радиосвязи между различными типами электронных устройств.

Принцип действия основан на использовании радиоволн, а сама технология Bluetooth представляет собой маленький чип, являющийся высокочастотным приёмопередатчиком. Он работает в диапазоне ISM (Industry, Science and Medicine; промышленный, научный и медицинский), так как для использования этих частот не требуется лицензия - они свободны для применения по всему миру (исключения: Франция и Испания).

Основополагающий принцип построения сетей на базе Bluetooth - метод расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Метод FHSS прост в реализации - он обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму, при котором несущая частота (шаблон) меняется 1600 раз в секунду и принимает значение одной из 79 подчастот. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику.

Несколько устройств, объединённых при помощи Bluetooth, образует так называемую пикосеть (Piconet) - это совокупность от двух до восьми устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В рамках пикосети одно из устройств является ведущим, а другое - ведомым. Ведомых устройств технология Bluetooth может поддерживать несколько - максимум до семи. Ведущим же является пользовательское устройство, инициирующее связь. Оно же управляет и работой устройств в пикосети.

Bluetooth позволяет передавать как голос, так и данные. Голос передаётся по трём аудиоканалам со скоростью 64 Кбит/с в каждом. Скорость передачи данных составляет приблизительно 720 Кбит/с в ассиметричном и 420 Кбит/c в полностью симметричном или полнодуплексном (двустороннем) режиме. Работать «синий зуб» может на сравнительно небольших расстояниях. Согласно спецификациям (версии 1.1 и 1.2), он имеет два класса адаптеров: класс 1 (класс A) поддерживает расстояние до 100 метров, а класс 2 (класс B) работает в пределах 10 метров (до сих пор является самым распространенным классом среди спецификаций).

В настоящее время самая новая спецификация Bluetooth имеет индекс 4.0. Bluetooth SIG утвердил спецификацию 30 июня 2010 года. Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением поддерживает передачу таких данных, как датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и другие на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства: мобильные телефоны, персональные компьютеры, смартфоны и другие тому подобные мобильные продукты.

Также технология Bluetooth может применяться в самых различных сферах мобильной жизни. Вы без какого-либо труда можете применять её для следующих целей:

  • Для автоматической синхронизации между устройствами. Например, как только вы вводите новые данные в адресную книгу в ноутбуке, автоматически модифицируются соответствующие записи в настольном компьютере, и наоборот
  • Для автоматической резервной синхронизации. Примером станет такая ситуация: руководитель изменил ваш план мероприятий, в то время как вы находитесь в отпуске. Офисный ПК посылает изменения на ваше мобильное устройство, которое автоматически соединяется с ноутбуком и передает модифицированное расписание
  • Для использования портативного ПК в качестве спикерфона. Соединив беспроводный головной телефон с ноутбуком, можно использовать его в офисе, автомобиле или дома
  • Для соединения всех участиников обмена информацией. Находясь на каком-либо деловом мероприятии, можно быстро обсудить интересующий вопрос со всеми ее участниками. Кроме того, вы можете дистанционно выполнять функции управления. Например, включить проектор
  • Для передачи различного мультимедийного контента из любой точки. Фотоаппарат соединяется с телефоном (без проводов), а вы добавляете комментарии посредством использования клавиатуры на телефоне или ноутбуке. Фотографии и текст отправляются адресату

Все вышеперечисленное - это лишь самая малая часть, где может применяться беспроводная технология Bluetooth. Сейчас уже появляются такие экзотичные варианты, как встраивание модулей, работающих на этой технологии, в принтеры, карты памяти и другие различные устройства.

В ближайшем будущем технология Bluetooth, помимо мобильных телефонов, смартфонов, и других соединяемых между собой устройств, будет встраиваться даже в бытовую технику. Стоит только представить это: телевизор, пылесос, холодильник, микроволновая печь и другая домашняя техника может управляться с помощью смартфона - также, как и с универсального пульта управления. Кроме того, в настоящее время ведутся разработки альтернативных решений, которые должны составить серьёзную конкуренцию так называемому «синему зубу» и даже, вероятно, превзойти эту технологию.

www.anyhost.ru

Bluetooth 5.0: преимущества, радиус действия, скорость

Новость о появлении Bluetooth 5.0 промелькнула на страницах медиаресурсов в июне 2016 года, но занятая более важными вещами публика не обратила должного внимания на появление нового технологического стандарта в мире беспроводной связи. Устройств на базе Bluetooth 5.0 на тот момент пока еще не выпустили. В мае 2017, после появления Samsung Galaxy S8 и Xiaomi Mi 6, о новой спецификации заговорили в совсем другом ключе. Ведь Bluetooth 5.0 преподнес потребителям сразу несколько долгожданных преимуществ, о которых мы поговорим в этой статье.

Хорошие новости для разработчиков

Беспроводное сосуществование – запомните этот термин. Скоро он изменит всю структуру беспроводных коммуникаций. Bluetooth Special Interest Group обещает невиданный ранее уровень взаимодействия с другими протоколами связи. Нам даже обещают параллельное и бесконфликтное сосуществование Bluetooth и Wi-Fi.

Спецификация 5.0 предполагает работу 255 октет-пакетами (вместо 31 пакета, как у предыдущей версии) и переход на соседние частоты без потери байт трафика. В переполненном битами и байтами диапазоне 2,4 ГГц станет легче дышать и потребителям, и программистам, и даже операционным системам и чипам. Разработчики смогут осуществлять тонкие настройки программных продуктов, производители начнут интегрировать модули Bluetooth 5.0 даже в утюги и пылесосы. А операционные системы перестанут перегружать процессоры, пытаясь выстроить работу по упорядочиванию замусоренного трафика. Аналитики утверждают, что с этого и начнется тот самый «интернет вещей», о появлении которого так долго говорили все футурологи.

Что ждать потребителю

Для обычного пользователя Bluetooth-устройств появление спецификации 5.0 интересно двумя моментами. Во-первых, новый стандарт увеличивает скорость обмена файлами в 2 раза. Во-вторых, радиус действия увеличивается в 4 раза.

В цифрах это звучит еще лучше – скорость Bluetooth 5.0 выросла до 2 Мбит/с, а радиус действия увеличивается до 100 метров. Теперь вы сможете слушать треки с высоким качеством звука даже в том случае, если ваш смартфон находится в доме, а вы с беспроводной колонкой или наушниками – на улице.

Кроме того, новый протокол позволяет не только нарастить дальность — Bluetooth 5.0 готов работать не с одним источником, а сразу с несколькими. И энергоемкость у этого процесса будет существенно ниже, чем у предыдущих версий модулей беспроводной связи. Проще говоря, Bluetooth 5.0 будет беречь батарею и смартфона, и мобильной колонки. Еще одна хорошая новость – возможность шифровать трафик, передаваемый по Bluetooth-каналу. Разработчики и производители уже поговаривают о замене короткого поводка NFC более совершенным протоколом, позволяющим превратить смартфон в полноценную замену банковской карты.

Правда, все эти преимущества пока доступны лишь немногим владельцам мобильных устройств.

Смартфоны с Bluetooth 5.0

Прямо сейчас вы можете купить только три устройства с модулями связи Bluetooth 5.0. Это смартфоны Samsung Galaxy S8/S8+ и Xiaomi Mi 6. Пока новая спецификация реализуется только на флагманах, так что за право пользоваться всеми нововведениями Bluetooth 5.0 вам придется заплатить от 500 до 1000 долларов США.

Во второй половине мая к линейке флагманов Самсунг и Сяоми присоединится HTC U 11 – премиум-смартфон, в официальную спецификацию которого вписан новый стандарт беспроводной связи. На этот раз за преимущества Bluetooth 5.0 придется отдать от 650 долларов до 750 евро, в зависимости от места продажи нового смартфона HTC.

К началу лета, спустя примерно год с момента анонса Bluetooth 5.0, на рынке появится Sony Xperia XZ Premium – еще один флагман с новой спецификацией беспроводной связи. Ориентировочная стоимость японского устройства составит 800 долларов США.

В отдаленных перспективах аналитики прогнозируют появление пятой спецификации в OnePlus 5, Samsung Galaxy Note 8 и новом гуглофоне из линейки Pixel. А вот в дешевых мобильных телефонах Bluetooth 5.0 пропишется еще очень не скоро. Дело в том, что эта спецификация должна поддерживаться чипсетами. Среди недорогих решений такими способностями, к нашему сожалению, пока не обладает ни один процессор.

5nch.com

Bluetooth: радиус действия, инструкция, отзывы

Технология Bluetooth встроена в 7 из 10 устройств, и объясняется это тем, что она становится все более популярной и доступной. На определенном радиусе действия Bluetooth можно подключить беспроводные устройства - от наушников до кардиомониторов, от носимых гаджетов до метеостанций. Последние версии выделяются значительными улучшениями, особенно в части режимов работы с низким энергопотреблением. Они направлены на подготовку технологии для будущего потока информации для Интернета вещей (IOT). В данной статье поговорим о технологии Bluetooth, о том, где она применяется и чем заслуживает доверие к себе.

История названия

Со словом Bluetooth знаком каждый. По сути, это синоним беспроводной технологии, которая может быть представлена от смартфонов до управления «умным» домом.

Инновационная технология беспроводной Bluetooth – не аббревиатура, и она не содержит в себе скрытый смысл. Откуда такое название?

В 1996 году лидеры компаний Intel, Ericsson и Nokia встретились, чтобы обсудить стандартизацию технологии радиосвязи малого радиуса действия для обеспечения возможности подключения и взаимодействия между различными информационными продуктами.

Во время этой встречи Джим Кардаш из Intel предложил слово Bluetooth в качестве временного кодового названия. Когда пришло время выбрать постоянное название для беспроводной технологии, его заменили на RadioWire и на PAN (персональная сеть). Эти названия на время закрепились за технологией, но позже вернулись к первоначальному варианту – Bluetooth.

Название быстро завоевало популярность, распространилось по всей отрасли, став синонимом беспроводной технологии ближнего действия.

Удивительно, но это слово существует более чем тысячу лет. Восходит оно к королю Харальду Bluetooth Гормссону, который был известен объединением Дании и Норвегии в 958 году и гнилым зубом темно-синего цвета, принесшим ему прозвище «Голубой зуб».

Логотипом Bluetooth являются сочетание двух нордических («скандинавских») рун: Хагалаз младшего футарка (ᚼ) и Беркана (ᛒ) - инициалы Харальда.

Области решения

Одной из основных причин успеха технологии является радиус действия Bluetooth-гарнитуры. Это не просто технология радиосвязи, а комплексные методы, предназначенные для решения конкретных задач беспроводной связи. То есть, если стоит вопрос о потоковой передаче данных и звука между устройствами, создании службы определения местоположения или образовании большой сети устройств, Bluetooth - наилучший вариант.

Потоковое аудио

Топология P2P доступна на Bluetooth BR/EDR, она используется для подключения одного устройства связи к другому (1:1) и оптимизирована для потокового аудио, что делает беспроводную аудиопродукцию идеальной. Сюда входит гарнитура, громкоговорители и hands-free система в автомобиле.

Беспроводная гарнитура — это оригинальное устройство беспроводного аудиорынка. Она теперь используется и в дороге, предоставляя возможности для прослушивания музыки в высоком качестве.

Беспроводные колонки используются по Bluetooth, радиус действия в метрах составляет до десяти метров. Будь то высококлассная развлекательная система для дома или портативная опция для пляжа, парка, бассейна, она основана на беспроводном принципе.

Дом и автомобиль

В доме с такими устройствами пользователи могут централизованно управлять настройками термостата, сигнализацией, бытовой техникой и освещением при особых знаниях инструкции Bluetooth. Технология позволяет подключать все элементы домашнего кинотеатра без проводов и передавать потоковое аудио и видео с мобильного устройства или компьютера на телевизор. Через Bluetooth можно подключать устройства к электронной панели автомобиля, чтобы была удобная возможность отвечать на звонки сотового телефона, воспроизводить музыку с мобильного устройства или получать указания от устройства GPS прямо с навигационного дисплея автомобиля.

Компьютеры

Bluetooth интегрирован в персональные компьютеры и периферийные устройства. Поэтому без использования проводов можно подключать ноутбук или настольный компьютер к компьютерной мыши, клавиатуре и динамикам. И вопрос о том, как подключить к компьютеру Bluetooth, не возникнет.

Кроме того, технологию можно использовать для передачи файлов между двумя компьютерами, поддерживающими эту функцию, или отправки документов на включенный беспроводной принтер. Bluetooth с малым радиусом действия делает его идеальным для офиса с несколькими включенными близкорасположенными приборами. Эту технологию также можно использовать для передачи файлов с компьютеров на мобильные устройства (планшеты, смартфоны).

Бытовая электроника

Бытовая электроника с поддержкой Bluetooth, такая как телефоны, камеры, телевизоры, динамики и наушники, упрощает обмен данными между устройствами без необходимости дополнительной установки драйвера Bluetooth. Например, в мобильном телефоне Bluetooth может подключаться к гарнитуре, чтобы упростить вызов по громкой связи или может отправлять изображения на другой телефон или компьютер. При наличии мобильного телефона с подключенным интернетом этой функцией можно пользоваться для компиляции информации на телефоне, которая впоследствии передается через интернет. Примерами могут быть: отправка другу фотографий или автоматическая отправка сигнала бедствия после автокатастрофы.

Здоровье

Топология P2P доступна на Bluetooth Low Energy (LE) и используется один к одному (1:1). Она делает его идеальным для подключенных устройств, таких как фитнес-трекер и монитор здоровья.

Беспроводное соединение, которое становится возможным благодаря существованию определенного радиуса действия Bluetooth, может автоматически записывать информацию с медицинского оборудования (стетоскопов, кардиостимуляторов или мониторов глюкозы) в компьютеры или электронные журналы, экономя ценное время врачей и пациентов.

Фитнес-оборудование с поддержкой Bluetooth упрощает выполнение упражнений благодаря мониторам сердечного ритма и GPS-трекерам, которые автоматически сообщают о маршрутах, сожженных калориях на смартфон или стереонаушники.

Сервисы определения местоположения

Некоторые доступные по устройству Bluetooth топологии позволяют производить соединение устройств связи один ко многим (1:m), так оптимизируется локальный обмен информацией. По такой технологии обеспечивается поиск в здании, работа Smart Home и умных городов. Перечислим, как Bluetooth помогает в различных сферах нашей жизни:

  1. Навигация внутри помещений. Решения для внутренней навигации и поиска путей на основе маяковых сигналов Bluetooth быстро стали стандартным способом преодоления проблем покрытия внутри помещений при заходах на посадку на основе GPS. Решения на основе Bluetooth широко распространены на крупных площадках, включая аэропорты, вокзалы, а также стадионы по всему миру.
  2. Информация о точках интереса. Ритейлеры рано начали использовать маяки точек интереса (PoI), но Smart Cities теперь открывают для себя множество способов, которыми маяки PoI могут улучшить качество жизни граждан и улучшить качество обслуживания посетителей. Например, PoI-маяки широко используются в музеях, а также в пешеходных экскурсиях по городу.
  3. Пункт слежения. Недорогие решения для отслеживания предметов помогут вам найти практически любое имущество. В больницах используются масштабные решения для отслеживания пациентов и дорогого мобильного оборудования.
  4. Использование космического радиомаяка. Bluetooth-решение применяется в офисных зданиях, аэропортах, выставочных центрах и даже на городских улицах по всему миру, чтобы владельцы зданий и градостроители могли лучше понять, как используются разные места.

Взгляд в будущее

На конец 2018 года было выпущено около 4 миллиардов устройств, поддерживающих технологию Bluetooth.

С каждым годом технология обновляется, добавляются новые сферы применения:

  • рост и оздоровление сообщества членов Special Interest Group (SIG);
  • инновационные технологии стараются увеличивать радиус действия Bluetooth, используя наработки и открытия в потоковой передаче аудио, услуг определения местоположения и сети устройств;
  • рассматриваются новые тенденции на традиционных рынках Bluetooth, а также прогнозы на развивающихся рынках (Smart Building, Smart Industry, Smart City и Smart Home).

Преимущества

Во-первых, это беспроводная сеть, что исключает провода. В отличие от ИК-связи линия визирования не требуется. Эта форма связи в значительной степени уменьшила помехи, создаваемые проводами.

Во-вторых, устройства с портативным Bluetooth недорогие. При использовании этой технологии особых затрат не возникает.

В-третьих, совместимость. Bluetooth является стандартизированной спецификацией. Поэтому устройства с его поддержкой хорошо совместимы друг с другом. Они хорошо понимают друг друга, так что никакого вмешательства человека не требуется. Находясь в пределах досягаемости, они обнаруживают друг друга и начинают самостоятельно взаимодействовать. Процесс установки соединения происходит автоматически.

В-четвертых, эффективность. Bluetooth использует сигналы малой мощности, что требует мало энергии. Из-за скачкообразного изменения частотного спектра помехи для беспроводных устройств не являются проблемой.

В-пятых, с гарнитурой Bluetooth человек легко может общаться. Можно использовать мобильный телефон, не задействуя при этом руки. Это позволяет спокойно разговаривать по телефону и в то же время заниматься другим делом. Благодаря технологии Bluetooth не нужно находиться рядом с используемым устройством.

Ограничения

Скорость связи по беспроводному Bluetooth не так велика. Соединение Wi-Fi происходит на гораздо более высоких скоростях по сравнению с Bluetooth. Хотя эта функция считается безопасной, если пользователь оставляет свое устройство в режиме «обнаружения», хакер может установить соединение с «обнаруженным» устройством.

Если Bluetooth включен, он разряжает батарею. Таким образом, нужно быть внимательным со своевременным отключением функции. Его лучше оставлять включенным только во время связи и выключать после ее завершения. Эта практика также снижает риски хакерства, связанные с технологией Bluetooth.

Чем отличается эта технология от Wi-Fi?

Важно отметить, что Bluetooth - не Wi-Fi. Обе системы используют радиоволны и частоты для подключения, но технологии разные, как и цели использования. Bluetooth не нуждается в сети Wi-Fi для работы.

Он предназначен для непосредственного соединения устройств для обмена данными (звука, инструкций) между устройствами. Радиус действия Bluetooth, к которому подключается устройство, исчисляется в нескольких метрах, радиус действия Wi-Fi больше.

Wi-Fi обычно используется для подключения многих устройств к одному центральному устройству, обычно маршрутизатору с поддержкой Wi-Fi, чаще всего для выхода в Интернет. Он считается более стабильным, предназначен для подключения в течение более длительного времени и передачи больших объемов данных.

Bluetooth и Wi-Fi полностью независимы друг от друга. Устройство с соответствующей установленной технологией может подключаться и к сети Wi-Fi, и к устройству Bluetooth.

Безопасность

Беспроводная связь всегда менее безопасна, чем проводная. Взломать проводное сообщение, в отличие от беспроводного, относительно сложно. Помните, как в старых шпионских фильмах секретные агенты прослушивают телефонную связь, чтобы из разговоров людей узнать интересующую информацию?

Взломать проводную передачу данных сложнее. Подслушивать по беспроводной связи, очевидно, намного проще, потому что информация распространяется легко. Все, что нужно сделать, это находиться в зоне действия беспроводного передатчика, чтобы принимать сигналы. Беспроводные сети Интернет зашифрованы, поэтому нужно использовать шифрованную связь, чтобы не столкнуться в данной проблемой.

Насколько безопасно устройство и есть ли о Bluetooth отзывы? Как и Wi-Fi, связь зашифрована, тут есть множество других функций безопасности. Например, можно открывать доступ определенным устройствам. Это называется безопасностью на уровне устройства. Вы также можете ограничить действия, которые различные гаджеты Bluetooth могут выполнять с другими устройствами, используя защиту уровня обслуживания.

Преступники становятся все более изощренными, находя разные способы взлома сетей Bluetooth. Многие слышали о блюгинге (захват устройства Bluetooth без разрешения), о блюксинге (отправка сообщении на устройства других людей, часто в рекламных целях) и блюзнарфинге (загрузка информации с чужого устройства через соединение).

В итоге системы использования пространства на основе Bluetooth могут значительно повысить производительность, снизить затраты и улучшить жизнь людей.

По отзывам, если соблюдаются меры предосторожности при использовании устройств Bluetooth в общественных местах, вопрос безопасности данных не стоит. В целом, такая связь надежна, и многие пользователи с этим согласны: правила безопасности не позволяют устройствам обмениваться данными, если они предварительно не были одобрены пользователем.

fb.ru

Главные отличия между Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5.0

В апреле 2017 года исследователи безопасности обнаружили несколько эксплойтов в программном обеспечении Bluetooth на различных платформах, включая Microsoft Windows, Linux, Apple iOS и Google Android. Эти уязвимости в совокупности называются «BlueBorne». Эксплойты позволяют злоумышленнику подключаться к устройствам или системам без аутентификации и получать «практически полный контроль над устройством». Исследовательский центр связался с разработчиками Google, Microsoft, Apple, Samsung и Linux, чтобы они могли исправить свое программное обеспечение до согласованного объявления об уязвимостях.

Bluetooth 5 разработчики обеспечили высокой конфиденциальностью и безопасностью. Bluetooth создаёт основу для будущего, он революционизирует восприятие IoT людьми. Новая версия этой технологии имеет такие преимущества как низкое энергопотребление, недорогое аппаратное обеспечение и небольшие реализации, которые используются в крупных интернет магазинах.

Bluetooth 5.0 является продолжением Low Energy LE. Его скорость составляет 48 Мбит / с (вдвое больше, чем в предыдущей версии). Он может быть подключен на расстояние до 300 метров или 985 футов (в 4 раза больше чемпоследняя версия). Диапазон ISM составляет 2,4-2,485 ГГц. Немного разочаровывает пользователей тем, что он не имеет обратной совместимости со своими старыми или предыдущими версиями. Это требует нового оборудования, которое должно быть современным и продвинутым, чтобы устройства соответствовали требованиям Bluetooth v5.0 для его бесперебойной работы.

Скорость Bluetooth 5 быстрее, чем Bluetooth 4. 2 с форматом 2 Мбит / с, что вдвое больше скорости Bluetooth 4, примерно 1 Мбит / с, что позволяет Bluetooth 5 соответствовать одному из требований IoT. Это все благодаря пропускной способности 5 Мбит / с Bluetooth 5 по сравнению с 2,1 Мбит / с Bluetooth 4. Поддержка устройств IoT Bluetooth 5 легко удовлетворяет требования различных устройств IoT с хорошим диапазоном и высокой скоростью передачи данных, в то время как Bluetooth 4 не может удовлетворять все требования устройств из-за его низкой скорости и малого рабочего диапазона. Это означает, что устройства IoT будут хорошо работать с Bluetooth 5 и правильно использовать все его функции. Его даже частично используют в веб-разработке под ключ.

Совместимость Bluetooth 4 лучше всего работает с устройствами, совместимыми с версией 4 серии, но не будет работать с устройствами, которые имеют Bluetooth 5, в то время как Bluetooth 5 компилируется с v1, v2 , v3, v4, v4.1 и версией 4.2, но несмотря на это не будут использоваться все функции Bluetooth 5.

Bluetooth 4 активно работает в радиусе 50 м на открытом пространстве и в радиусе 10 м в помещении, что делает его не очень удобным, в то время как Bluetooth 5 активно работает в радиусе 200 м на открытом пространстве и в радиусе 40 м в помещении.

Увеличение радиуса активной работы даст возможность, например, использовать беспроводные наушники вдали от телефона, например, во время бега на стадионе. Вы спокойно сможете оставить телефон в раздевалке и он не будет вам мешать при беге.

Для организации интернета вещей особенно важен увеличенный радиус действия. Если для квартир как-то хватало и старых версий Bluetooth, то в большом доме приходилось идти на компромиссы. Теперь же можно без проблем выставить какой-то элемент IoT во двор, подальше от остальных.

Bluetooth 5 Beacon стал более популярным благодаря увеличению дальности и скорости, в то время как Bluetooth 4 Beacon стали менее популярными из-за меньшей скорости и дальности, а также из-за низкой емкости сообщений в 31 байт.

Bluetooth 5 имеет большую емкость для сообщений - около 255 байтов, что дает больше пространства для фактической полезной нагрузки данных, в то время как Bluetooth 4 имеет небольшую емкость сообщений - около 31 байта, что дает от 17 до 20 байтов для реальной полезной нагрузки данных.

А сейчас на примере расскажу чем примечательно такое усовершенствование. Допустим вы пришли в больницу которая использует Интернет вещей. С версией 4.2 зайдя в больницу человек мог получить через Bluetooth только данные о том в какой кабинет ему необходимо, для получения большего количества информации данная версия не пригодна. Если же человек зашёл в больницу с 5 версией кроме информации о кабинете он также получит информацию о докторе, необходимых справках, времени ожидания и телефон главврача, а все потому, что эта технология уже имеет не 31 Байт, а 255.

Bluetooth 5 был специально разработан так, чтобы потреблять маленькое количество энергии на устройстве по сравнению с Bluetooth 4. Это означает, что вы можете держать свой Bluetooth включенным в течение более длительного периода времени и намного более активно его использовать по сравнению с Bluetooth 4, который потребляет больше энергии, чем его новый аналог.

Bluetooth 5 работает намного более надежно в перегруженной среде чем Bluetooth 4.2. Это объясняется тем, что новая версия была создана с учтением того факта, что важные процессы с участием Bluetooth чаще всего происходят в перегруженной среде, что негативно влияет на его работу.

Bluetooth 5 потребляет в несколько раз меньше электроэнергии с батареи чем свой предшественник. Для телефонов с емкостью батареи в 3000 мАч Bluetooth 4.2 не был проблемой, а вот для умных часов наоборот. Благодаря изменённой системе потребления энергии в Bluetooth 5 большинство умных часов увеличат свою автономность.

Скорость передачи данных между Bluetooth 5 и Bluetooth 4.2 отличается в 2 раза - если у версии 4.2 скорость передачи 3,125 Мб/с, то у версии 5 6,25 Мб/с. Это свидетельствует о том, что сама концепция технологии была сильно усовершенствована. В любом случае это не сравнится с проводными конкурентами, например, Apple Lightning, где скорость передачи данных достигает 60 МБ/C.

В любом случае благодаря увеличению скорости передачи данных в новой версии автоматически увеличится скорость синхронизации умных часов со смартфоном, элементов интернета вещей друг с другом и с базой, взаимодействие между компьютером и беспроводными или периферийными устройствами.

Масштабировать интернет вещей станет проще благодаря новой последовательной системе подключения. Раньше каждый девайс соединялся с общим базовым, а теперь достаточно будет подключиться к соседнему элементу.

Может, когда-то мы увидим городскую систему IoT не в рамках квартиры или дома, а целого района или даже города? И основана она будет на энергоэффективном и легко масштабируемом усовершенствовании Bluetooth 5.

Необходимо отметить, что внедрение Bluetooth 5 в “маячки” значительно улучшит их работу, ведь в новой версии увеличена ёмкость сообщений. В маячках используется Bluetooth из за его возможности передавать информацию неопределенным адресатам без установки соединения.

Все улучшения Bluetooth относятся к спецификации Bluetooth Low Energy, которая была впервые использована в Bluetooth 4.0, а не к обычному Bluetooth-радио, которое потребляет при своей работе большое количество энергии. Технология Bluetooth Low Energy изначально была создана для уменьшения энергопотребления периферийных устройств Bluetooth. Первоначально он использовался для носителей, маяков и других маломощных устройств, но обладал некоторыми серьезными ограничениями.

Например, любые беспроводные наушники не имели возможности обмениваться сообщениями через Bluetooth Low Energy, из за чего им пришлось осваивать намного более мощный голосовой стандарт Bluetooth. С Bluetooth 5.0 все аудиоустройства делятся данными по Bluetooth Low Energy, что предоставляет уменьшение потребления энергии и увеличение срока службы батареи.

Странно, но AirPods от Apple не используют Bluetooth 5.0. Их работа основанна на Bluetooth 4.2 и специально разработанном чипе Apple W1, который улучшает соединение между устройствами.

Стоит упомянуть и новую функцию Bluetooth 5, которая даёт возможность воссоздавать звук на двух подключённых устройствах одновременно. Это могут быть наушники, колонки, телевизоры - это не имеет значения, эти устройства все равно будут подключены к одному “командному” центру. Исполузя современные языки программирования можно настроить Bluetooth под себя как угодно.

И ещё одно важное но. Каждое устройство самостоятельно выбирает, что ему важнее - увеличенная скорость передачи информации или увеличеннное расстояние, на котором могут взаимодействовать устройства.

Вывод

Итак мы видим, что Bluetooth 5 значительно превосходит своего предшественника Bluetooth 4.2. Он очень сильно улучшает работу всех устройств которые взаимодействуют при помощи Bluetooth 5. Все характеристики увеличены в несколько раз, что положительно сказывается на его популярности. Новая версия предоставляет множество преимуществ, которые не могут быть не замеченными.

В общем, компания разработчиков отлично поработала над улучшениями. 

merehead.com

Диапазон Bluetooth на Android

В данной статье поговорим немного про диапазон Bluetooth на Android. Некоторых пользователей может не устраивать радиус действия их Bluetooth модуля: например, в доме, когда телефон находится от вас за тремя стенами, ваша гарнитура теряет соединение с вашим смартфоном. Многие в таких случаях ищут решение данной проблемы, пытаясь найти способ увеличить диапазон Bluetooth на Android. Об этом мы подробнее поговорим в данной статье.

Немного теории

Сам приемник работает в частотном диапазоне в 2.4 – 2.48 Ггц. Работает как обычная радиосвязь, у которой скорость обмена данными, в зависимости от версии приемника, может достигать до 721 Кб/с (в версии 1.1), до 24 Мб/с (в версии 3.0 – 4.0).

Что касается расстояния, на котором может происходить обмен информацией, то оно может достигать 50 метров при условии, что устройства будут находиться в зоне прямой видимости друг от друга, и около 10-20 метров – в зданиях.

Хоть производитель и уверяет, что с версии модуля 3.0 радиус действия может составлять 100 м, но это, скорее всего, в идеальных условиях: по факту покрытие в этих версиях как минимум в 2 раза меньше, то есть около 50 метров, опять-таки в зоне прямой видимости.

Что касается усиления частот на модуле смартфона, то этот вариант не всегда решит проблему, так как связь между устройствами зависит от обоих модулей. Чтобы вам было понятнее: даже если у вас получится расширить диапазон на телефоне, то радиус благополучной работы с вашей гарнитурой останется все тем же, из-за того, что наушник сможет найти смартфон на той же частоте, что и раньше.

Да, телефон сможет обнаружить гарнитуру на большем расстоянии, чем раньше, и даже, возможно, вы сможете сопрячь оба девайса, но расстояние, на котором успешно будет работать такая связка, не увеличится. Возможно, ваш голос из микрофона будет доходить до телефона, а вот слышать собеседника вы не сможете, или же наоборот.

Получится такая связка: телефон может скачивать с гарнитуры данные, а вот гарнитуре не хватит радиуса действия ее модуля.

Поэтому если хотите увеличить радиус работы, то придётся работать с двумя устройствами.

Что для этого потребуется

Теоретически для усиления синезуба, по аналогии с разгоном процессора, просто нужно подать большее напряжение на модуль: мы ожидаем, что должна быть какая-то программа, например, Bluetooth расширитель диапазона для Android, которая работала бы с ROOT правами и делала все в пару кликов… но, как ни печально, ничего подобного нигде нет.

Это связано с тем, что нельзя рассчитать параметры усиления, подходящие для всех типов модулей.

Ситуация такая же, как и с прошивками: для каждого устройства есть именно своя прошивка, и нет универсальной для всех. Все потому, что в параметрах ОС заданы индивидуальные параметры для комплектующих, и именно те, на которых правильно будут работать именно составляющие вашего смартфона.

Как вариант, можно расширить радиус действия путем добавления антенны. Если такой подход еще можно предположить на стационарном ПК, потому как там есть физическое пространство, куда можно добавить эту антенну, в ситуации со смартфоном данный метод просто неуместен.

Последний метод, который, на наш взгляд, наиболее удачен, – это приобретение специальной флэш-карты со встроенной функцией Bluetooth-приемника. Такие карточки по виду и размеру походят на обычную SD-card, имеют разные форматы, и в них еще добавлен модуль связи (существуют и с Wi-Fi).

Изначально такие карты выпускали для устройств, где нет встроенного модуля, но в вашем случае советуем попробовать их вставить: возможно, Bluetooth в карте окажется чувствительнее, чем тот, что встроен в ваше устройство; есть еще вероятность, что модуль карты будет иметь более новую версию, благодаря чему радиус действия будет больше, чем во встроенном модуле, установленном в вашем телефоне.

Подключать приемник очень просто. Нужно установить его на место обычной SD-карты, после чего система все должна сделать сама (подгрузить нужные драйвера), затем в настройках должны появиться параметры нового Bluetooth-устройства.

Данные карты не так просто найти у нас, поэтому советуем поискать их на известном китайском сайте.

Надеемся, что наша статья помогла решить вашу проблему, или же, наоборот, обосновала необходимость принять ситуацию как она есть.

Как увеличить диапазон Bluetooth на Android: Видео

v-androide.com

Все, что вы хотели знать о Bluetooth 5.0

5 октября 2017

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 CC2640R2F 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 [1, 2]. 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 [1, 3]. 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

Параметр Bluetooth 4.0/4.1 Bluetooth 4.2 Bluetooth 5.0
Физическая скорость передачи данных, Мбит/с 1 1 2
Длина пакета данных, байт PDU 27 27…255 27…255
Скорость передачи данных, Мбит/с 0,305 0,780 1,4

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 [2]. 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 [4], 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 [5]. При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):

Бюджет радиоканала = мощность TX (дБм) – чувствительность RX (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.

Рис. 1. Увеличение потребления микроконтроллера CC2640R2F при росте мощности передатчика

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.

Рис. 2. Бюджет мощности радиоканала CC2640R2F

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?

В июле 2017 года была опубликована спецификации для Bluetooth Mesh. Texas Instruments планирует поддерживать эту технологию в будущем.

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.

Рис. 3. Блок-схема микроконтроллера CC2640R2F

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 CR2032, мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.

Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC2640R2F 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 LAUNCHXL—CC2640R2 (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами [4] или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Рис. 4. Внешний вид отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2

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

•••

www.compel.ru


Смотрите также