Что такое Bluetooth и с чем его «едят». Основы технологии и дата создания
Связь Bluetooth - это стандарт беспроводной технологии для обмена данными на кроткой дистанции, которая использует коротковолновые СВЧ радиоволны в ISM диапазоне от 2.4 до 2.485 ГГц, для обмена данными между стационарными и мобильными устройствами, и построении персональных сетей (Personal Area Network PAN).
Создана технология была телекоммуникационным поставщиком Ericsson в 1994 году и так серьезно вошла в повседневную жизнь, что представить себе жизнь без нее стал невозможным. В том числе и автомобильную жизнь. Изначально новая технология была задумана как беспроводная альтернатива интерфейсу RS-232 кабелей данных. При помощи Bluetooth могут подключаться различные устройства, избегая проблем с синхронизацией и без использования лишних проводов.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая на сегодняшний день имеет в членстве более чем 25.000 компаний работающих в области электросвязи, вычислительной техники, сетевого оборудования и потребительской электроники.
Началось восхождение Bluetooth с достижения соглашения с IEEE, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1. В это время был получен ряд патентов, которые появились в процессе разработки технологии.
Тайна названия Bluetooth
"Bluetooth" является не совсем правильной англизированной версией скандинавского Blåtand/Blåtann, (старонорвежский blátǫnn) являющейся прозвищем короля Харальда Синезубого, жившего в X веке. Ему удалось объединить враждовавшие датские племена в единое королевство, по преданию он также ввел Христианство. По примеру Харальда объединившего народы, Bluetooth делал тоже самое с протоколами, объединяя их в единый универсальный стандарт.
И еще немного по поводу названия. Слово «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», но в то время когда жили викинги его второе значение означало и «черный цвет». Поэтому, скорее всего у Харальда, конечно же, был черный передний зуб, но никак ни синий. И в переводе датское Harald Blåtand более правильно было б интерпретировать как Harald Blacktooth, нежели Harald Bluetooth. Вот такая историческая неточность.
Идея названия была предложена в 1997 году Джим Кардашем, который разработал систему, позволявшую мобильным телефонам «общаться» с компьютерами. На момент разработки, Джим читал исторический роман Франса г. Бенгтссона «Корабли Викингов», повествовавшем о Викингах и о короле Харальде Синезубом. Таким образом роман и повлиял на название.
Логотип Bluetooth сочетает две скандинавские руны «хаглаз» и «беркана».
1998
Пятью кампаниями формируется Bluetooth Special Interest Group (SIG)
К концу года Bluetooth SIG принимает своего 400го члена
Имя Bluetooth получает официальный статус
1999
Выпущена спецификация Bluetooth 1.0
Bluetooth в SIG организовывает первую встречу разработчиков UnPlugFest
Технология Bluetooth награждена в качестве "Best of Show Technology Award" на COMDEX
2000
На рынок выходит первый мобильный телефон с поддержкой Bluetooth
Появляется первая PC card
Прототип мыши для ноутбука и продемонстрированы на CeBIT 2000
Прототип USB модуля показан на выставке COMDEX
Первый чип объединивший радиочастоту, основную полосу частот, функции микропроцессора и беспроводное программное обеспечение связи Bluetooth
В продажу уходит первая гарнитура
2001
Первый принтер
Первый ноутбук
Первый hands-free автомобильный комплект
Первый hands-free с распознаванием речи
Bluetooth SIG, Inc. формируется как некоммерческая, неакционерная компания
2002
Первый комплект клавиатуры и мыши
Первый GPS приемник
Количество кондиционных Bluetooth продуктов составило 500 единиц
IEEE одобряет, что 802.15.1 стандарт соответствует беспроводной технологии Bluetooth
Первая цифровая фотокамера
Реализация Bluetooth
Bluetooth работает на частотах от 2400 до 2483.5 МГц (включая поле допусков от 2 МГц в нижнем диапазонt и 3.5 МГц наверху). Соответственно как видно, принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне ISM применяющемся в различных бытовых приборах и беспроводных сетях.
Bluetooth использует радио технологию, которая называется скачкообразной перестройкой частоты с расширенным спектром, Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS. Bluetooth делит данные на пакеты и передает каждый пакет по одному из обозначенных 79 каналов (рабочих частот). Каждый канал имеет полосу пропускания 1 МГц. Связь Bluetooth 4.0 использует 2 МГц интервал, который вмещает в себя 40 каналов. Первый канал запускается на 2402 МГц и продолжается до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты, несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду.
Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.
Версии Bluetooth
Bluetooth 1.0
Устройства первой версии 1.0 имели ряд проблем. У них наблюдалась посредственная совместимость с техникой сторонних производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком версии.
Bluetooth 1.1
Первое же обновление 1.1 исправило много недочетов найденных в версии 1.0B. Добавлены: поддержка нешифрованных каналов и RSSI (Received Signal Strength Indication) индикация уровня мощности.
Bluetooth 1.2
У последующего обновления были улучшения: Быстрое подключение и обнаружение. Она стала стойкой к радиопомехам, благодаря использованию адаптивной перестройки частоты с расширенным спектром. Скорости передачи данных до 1 Мбит/с. Появилось Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), улучшившее качество передачи голоса в аудиопотоке. В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART. В качестве стандарта принят IEEE Standard 802.15.1-2005.
Bluetooth 2.0 + EDR
EDR обеспечивает следующие преимущества: увеличение скорости передачи в 3 раза до 2,1 Мбит/с, возможность установки нескольких подключений в связи с дополнительной полосой пропускания. Снижение потребления энергии из-за уменьшения нагрузки.
Bluetooth 2.1
Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства, энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения
Bluetooth 2.1 + EDR
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.
Bluetooth 3.0 + HS
21 апреля 2009 года появился Bluetooth 3.0+HS. Скорость передачи данных (теоретически) возросла до 24 Мбит/с. Особенностью являлось добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB.
Bluetooth 4.0
Через четыре года, 30 июня 2010, Bluetooth SIG утвердил спецификацию 4.0. Bluetooth 4.0 включал протоколы: классический Bluetooth, высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением.
Bluetooth 4.1
SIG в конце 2013 года представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных.
Bluetooth 4.2
Bluetooth 4.2 был представлен 2 декабря 2014 года. Стандарт улучшили в его скоростных характеристиках и информационной безопасности.
Bluetooth 4.2 добавить возможность прямого подключения к Сети. То есть устройства с поддержкой Bluetooth 4.2 смогут не только напрямую взаимодействовать друг с другом, но и подключаться к Интернет (благодаря поддержке протокола IPv6/6LoWPAN) через соответствующие точки доступа. Ключевая идея развития стандарта заключается в том, чтобы с помощью Bluetooth можно было соединить любые устройства друг с другом.
В дополнение к безопасной и быстрой связи Bluetooth 4.2 также будет более энергоэффективен, всё это сдвинет тенденцию последних месяцев к подключению к сети: всё больше устройств начинают для этого использовать Bluetooth, что, кроме всего прочего, положительно сказывается на автономности работы.
2003
Первый MP3-плеер с технологией Bluetooth
Версия Bluetooth 1.2 принята Bluetooth SIG
Поставка продуктов Bluetooth выросло до 1 млн в неделю
Первая одобренная медицинская система Bluetooth
2004
SIG принимает версию Core Specification Version 2.0 Enhanced Data Rate (EDR)
Технология Bluetooth установлена в качестве базовой комплектации на 250 млн устройств
Поставки превзошли 3 млн. единиц в неделю
Первые стереонаушники
2005
Поставки продукции поднялись до 5 млн чипсетов в неделю
SIG приветствует своего 4,000 участника
Открыта штаб-квартира SIG в Белвью, штат Вашингтон, региональные офисы начали работать в г. Мальме, Швеции и Гонконге
SIG запускает Profile Testing Suite (PTS) v1.0, инструмент для тестирования и проведения типовых испытания полностью разработанный собственными силами компании
2006
Первые солнцезащитные очки
Первые часы
Первая цифровая фоторамка поддерживающая Bluetooth
Bluetooth установлен на 1 млрд устройств
Поставки Bluetooth устройств достигает 10 миллионов в неделю
Тестирование Profile Tuning Suite (PTS) становится обязательной частью продуктов Bluetooth квалификационного отбора
SIG объявляет, что она будет интегрировать технологию сверхширокополосной связи (Ultra-Wide Band, UWB) с WiMedia Alliance
2007
Первый будильник радио
Первый телевизор
SIG приветствует 8,000 участника
Исполнительный директор Bluetooth SIG , Майкл Фолей, получает награду Telematics Leadership Award
PTS Protocol Viewer выпущен в качестве части недавно опубликованной версии 2.1.1 наряду со значительно обновленным пользовательским интерфейсом
Самые распространенные профили Bluetooth
Чтобы использовать беспроводную технологию Bluetooth, устройства должны быть в состоянии интерпретировать определенные профили Bluetooth, которые находятся определенных областях применения и указывают общие формы поведения, чтобы Bluetooth совместимые устройства могли использовать для связи с другими устройствами Bluetooth.
Профиль — набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth.
Существует широкий спектр профилей Bluetooth, которые описывают различные типы приложений или сценариев использования устройства.
Список основных профилей одобренных Bluetooth SIG с кратким описанием и предназначением:
Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) разработан для передачи музыки, к беспроводной гарнитуре или иным устройствам.
Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP) создан для управления стандартными функциями телевизоров, высокоточного оборудования. Позволяет создавать устройства с функциями дистанционного управления.
Basic Imaging Profile (BIP) разработан для пересылки изображений между устройствами. С помощью этого профиля, возможно, изменять размер изображения и конвертировать его в поддерживаемый принимающим устройством формат.
Basic Printing Profile (BPP) с его помощью возможно пересылать текст, сообщения электронной почты, vCard на принтер. Профилю не требуется наличие драйверов.
Common ISDN Access Profile (CIP) используется для доступа устройств к цифровой сети с интеграцией служб, ISDN.
Cordless Telephony Profile (CTP) поддерживает беспроводную телефонию.
Device ID Profile (DIP) помогает определить класс устройства, его производителя и версию продукта.
Dial-up Networking Profile (DUN) протокол предоставляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису через Bluetooth.
Fax Profile (FAX) предоставляет интерфейс между мобильным или стационарным телефоном, а также персональным компьютером на котором установлено программное обеспечение для работы с факсами.
File Transfer Profile (FTP_profile) обеспечивает доступ к файловой системе устройства.
General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP) база для A2DP и VDP.
Generic Access Profile (GAP) база для остальных профилей.
Generic Object Exchange Profile (GOEP) база для других профилей передачи данных, основывается на OBEX.
Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP) замена кабельного соединения между устройством и принтером. Отрицательная сторона профиля, делающая его не универсальным- необходимость установки драйверов.
Hands-Free Profile (HFP)
Human Interface Device Profile (HID) обеспечивает поддержку устройств с HID в которые входят клавиатуры, мышки, джойстики и т.д. Отличительная особенность - использует медленный канал, работает на пониженной мощности.
Headset Profile (HSP) используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона.
Intercom Profile (ICP) обеспечивает голосовые звонки между Bluetooth совместимыми устройствами.
LAN Access Profile (LAP) обеспечивает доступ Bluetooth устройствам к вычислительным сетям LAN, WAN или Интернет посредством другого Bluetooth устройства, которое имеет физическое подключение к этим сетям.
SIM Access Profile (SAP, SIM) позволяет получить доступ к SIM-карте телефона, что делает возможным использование одной SIM-карты для нескольких устройств.
Synchronisation Profile (SYNCH) позволяет синхронизировать персональные данные (PIM).
Video Distribution Profile (VDP) позволяет передавать потоковое видео.
Wireless Application Protocol Bearer (WAPB) протокол для организации P-to-P (Point-to-Point) соединения через Bluetooth.
Что нового в Bluetooth 5.0? Двукратный прирост скорости, возможность шифровать трафик, увеличение радиуса действия на 400% и масса других преимуществ.
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 и . 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 – 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 – 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 , 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.
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.
Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Bluetooth позволяет этим устройствам общаться, на расстоянии от 1 до 100 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Происхождение названия Bluetooth
Слово Bluetooth - перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Это прозвище носил король Харальд I, правивший в X веке Данией и частью Норвегии и объединивший враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт.
С чего начался Bluetooth?
Первая концепция технологии Bluetooth появилась в небольшом городке Швеции Лунде, в 1994 году, где компания Ericsson решила воздвигнуть там новый камень (своеобразный ритуал) в память о великом человеке. Надпись на этом памятнике гласит (в оригинале - на древнескандинавском языке): «Компания Ericsson Mobile Communications АВ установила этот камень в честь Гаральда Блютуса, который дал свое имя новой беспроводной технологии для мобильных коммуникаций».
Далее, в начале 1998 года, пять крупных компаний - Ericsson, Nokia, IBM, Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая этого же года для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG). Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В настоящее время в SIG входит более трех тысяч компаний, среди которых есть и старые представители, давшие начало развитию данного стандарта, и новые - например, такие гиганты, как Lucent, Microsoft, Motorola и др.
Основные положения технологии Bluetooth
Bluetooth – это, как уже было сказано выше, современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства. Соединить можно все, что соединяется, то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth. Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.
Bluetooth - это маленький чип (рис. 1), представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик.
Рис. 1 Чип Bluetooth
Энергопотребление (мощность передатчика) не должно превышать 10 мВт. Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Как радиотехнология, Bluetooth способен "обходить" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими).
Рис. 2 Bluetooth -чип и спичка рядом
Чип Bluetooth реализован с учетом всех современных тенденций. Размер чипа (рис. 2) - менее одного квадратного сантиметра. Применяемая частота позволяет ограничить потребляемую мощность 1мВт. Подобные характеристики позволяют интегрировать чипы Bluetooth в таких устройствах, как мобильные телефоны и карманные компьютеры.
Принцип работы Bluetooth
Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную - ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка - точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка - много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.
Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов – 140-175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.
Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону 1600 раз в секунду. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.
Рис. 3. Частотно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth
На рис. 3 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трёх Bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приёма.
Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть (рис. 4).
Одно из них, выполняющее функции ведущего устройства, формирует сигналы синхронизации частоты и ее изменения. Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер. Все другие устройства являются ведомыми.
Рис. 4 Пикосеть
Пикосеть является фундаментальной формой коммуникации в технологии Bluetooth. Пикосеть может содержать до 7 активных ведомых устройств. Кроме того, в окрестности (зоне уверенного приема) ведущего устройства могут находиться неактивные ведомые устройства, которые также синхронизированы на общие часы и общую последовательность смены частот, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не активирует их. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Несколько (до 10) независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей, между которыми возможен обмен информацией, могут объединяться в так называемую большую сеть Scatternel. Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет главным в одной и подчиняемым в другой. Таким образом, в пределах отдельной Scatternet может быть одновременно связано максимум 71 устройство.
Структурная схема архитектуры Bluetooth
Рис. 5 Архитектура Bluetooth
Важной частью архитектуры (рис. 5) является Host to Controller интерфейс (HCI), обеспечивающий взаимодействие софтовой подсистемы Host с железной подсистемой Controller. Всё взаимодействие верхних уровней Bluetooth системы с ее аппаратной частью происходит через HCI-команды, инициируемые драйвером.
Основные блоки архитектуры:
RF
Блок Radio занимается преобразованием битовой последовательности в радио сигналы. Вопросы модуляции, спектральных характеристик и физики процессов обеспечения битовой скорости - все это решается на нижнем уровне модели.
Baseband Layer = Link Controller + Baseband Manager + Device Manager
Уровень baseband представлен в виде трех блоков, совместная задача которых состоит в управлении физическими каналами, поверх которых устанавливаются физические соединения. Bluetooth-адресация, синхронизации генераторов устройств, управление кодами доступа к физическим каналам, поиск устройств и установление физического канала между ними - все это задачи Baseband-уровня.
Link Manager
После того, как два нижних уровня обеспечили нас физическим соединением между устройствами, дело становится за организацией логических каналов, которые впоследствии и станут базой для передачи трафика приложений. Link Managerв ответе за установление, изменение и освобождение логических соединений между устройствами, а так же за обновление параметров физических соединений. Для этих целей Link Manager использует Link Management протокол (LMP).
L2CAP Layer
= Channel Manager + L2CAP Resource Manager
Это высокоуровневый блок Bluetooth Host, оккупированный L2CAP уровнем. Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) - протокол, работающий поверх созданных логических соединений, обеспечивающий сегментацию и восстановление пакетных данных от всех вышележащих приложений.
Скачков Максим Константинович
Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.