Bluetooth работно разстояние. Всичко, което трябва да знаете за Bluetooth технологията

Какво е Bluetooth и с какво се използва? Основи на технологията и дата на създаване


Bluetooth връзката е стандартна безжична технологияза обмен на данни на кратко разстояние, който използва късовълнови микровълнови радиовълни в ISM диапазона от 2,4 до 2,485 GHz, за обмен на данни между стационарни и мобилни устройства и изграждане на персонални мрежи (Personal Районна мрежаПАН).

Технологията е създадена от телекомуникационния доставчик Ericsson през 1994 г. и е станала такава част от ежедневието, че вече е невъзможно да си представим живота без нея. Включително живота на автомобила. Първоначално новата технология е замислена като безжична алтернатива на RS-232 интерфейса на кабелите за данни. Може да се свързва чрез Bluetooth различни устройства, избягвайки проблеми със синхронизацията и без използването на ненужни проводници.

Bluetooth спецификацията е разработена от Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), която днес има членове на повече от 25 000 компании, работещи в областта на телекомуникациите, компютрите, мрежово оборудванеи потребителска електроника.

Възходът на Bluetooth започва със споразумение, постигнато с IEEE, на базата на което Bluetooth спецификацията става част от стандарта IEEE 802.15.1. По това време бяха получени редица патенти, които се появиха по време на разработването на технологията.

Мистерията на името на Bluetooth

„Bluetooth“ е неправилно англизиране на скандинавското Blåtand/Blåtann, (старонорвежко blátǫnn), което е прякорът на крал Харалд Блутут, живял през 10 век. Той успява да обедини враждуващите датски племена в единно кралство, той въвежда и християнството. Следвайки примера на Харалд, който обедини нациите, Bluetooth направи същото с протоколите, комбинирайки ги в единен универсален стандарт.

И още малко за името. Думата "blå" в съвременните скандинавски езици означава "син", но по времето на викингите второто й значение също означава "черно". Следователно, най-вероятно Харалд, разбира се, имаше черен преден зъб, но не и син. И в превод датското Harald Blåtand би било по-правилно да се тълкува като Harald Blacktooth, а не Harald Bluetooth. Това е такава историческа неточност.

Идеята за името е предложена през 1997 г. от Джим Кардаш, който разработи система, позволяваща на мобилните телефони да „говорят“ с компютрите. По време на разработката Джим чете историческия роман „Кораби на викингите“ от Франс Г. Бенгтсон, който разказва историята на викингите и крал Харалд Блутут. Така романът повлия на името.

Логото на Bluetooth съчетава двете скандинавски руни "haglaz" и "berkana".

1998

Пет кампании формират Bluetooth Special Interest Group (SIG)

Bluetooth SIG приветства своя 400-ти член до края на годината

Името Bluetooth получава официален статут

1999

Публикувана спецификация на Bluetooth 1.0

Bluetooth в SIG е домакин на първата среща на разработчици на UnPlugFest

Bluetooth технологията е наградена като „Награда за най-добра технология на изложението“ на COMDEX

2000

Първият мобилен телефон с Bluetooth излиза на пазара

Появява се първата PC карта

Прототип на мишка за лаптоп и демонстриран на CeBIT 2000

Прототип USB модулпоказан на COMDEX

Първият чип, който съчетава радиочестота, базова лента, микропроцесорни функции и безжичен софтуер bluetooth връзка

Първите слушалки влизат в продажба

2001

Първи печатар

Първи лаптоп

Първо кола със свободни ръцекомплект

Първото устройство за свободни ръце с разпознаване на реч

Bluetooth SIG, Inc. образувано като дружество с нестопанска цел, неакционерно дружество

2002

Първи комплект клавиатура и мишка

Първи GPS приемник

Броят на квалифицираните Bluetooth продукти беше 500 единици

IEEE одобрява стандарта 802.15.1 за безжична технология Bluetooth

Първата цифрова камера

Внедряване на Bluetooth


Bluetooth работи на честоти от 2400 до 2483,5 MHz (включително толеранс от 2 MHz в долния диапазон и 3,5 MHz в горния). Съответно, както можете да видите, принципът на работа се основава на използването на радиовълни. Bluetooth радиокомуникацията се осъществява в ISM обхвата, който се използва в различни домакински уреди и безжични мрежи.

Bluetooth използва радио технология, наречена спазматично преструктуриранечестоти с разширен спектър, Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS. Bluetooth разделя данните на пакети и предава всеки пакет през един от определените 79 канала (работни честоти). Всеки канал има честотна лента от 1 MHz. Bluetooth 4.0 комуникацията използва честотна лента от 2 MHz, която побира 40 канала. Първият канал започва от 2402 MHz и продължава до 2480 MHz на стъпки от 1 MHz. Bluetooth използва метода на разширен спектър с прескачане на честотата, носещата честота на сигнала прескача 1600 пъти в секунда.

Последователността на превключване между честотите за всяка връзка е псевдослучайна и е известна само на предавателя и приемника, които синхронно превключват от една носеща честота към друга на всеки 625 μs (един времеви интервал). По този начин, ако няколко двойки приемник-предавател работят наблизо, те не си пречат. Този алгоритъм също е интегрална частсистеми за защита на поверителността на предаваната информация: преходът се извършва по псевдослучаен алгоритъм и се определя отделно за всяка връзка.

Bluetooth версии


Bluetooth 1.0

Първите устройства с версия 1.0 имаха редица проблеми. Имаха посредствена съвместимост с технологията производители на трети страни. В 1.0 и 1.0B беше задължително предаването на адреса на устройството (BD_ADDR) на етапа на установяване на връзка, което направи невъзможно прилагането на анонимност на връзката на ниво протокол и беше основният недостатък на версията.

Bluetooth 1.1

Първата актуализация 1.1 коригира много от недостатъците, открити във версия 1.0B. Добавено: поддръжка за некриптирани канали и RSSI (индикация за силата на получения сигнал) индикация за нивото на мощност.

Bluetooth 1.2

Последвалата актуализация имаше подобрения: Бърза връзкаи откриване. Той е станал устойчив на радиосмущения благодарение на използването на адаптивна честотна гъвкавост с разширен спектър. Скорост на трансфер на данни до 1 Mbit/s. Появиха се подобрени синхронни връзки (eSCO), които подобряват качеството на предаване на глас в аудио потока. Интерфейсът на хост контролер (HCI) вече поддържа трижилен UART интерфейс. Стандартът IEEE 802.15.1-2005 е приет като стандарт.

Bluetooth 2.0+EDR

EDR осигурява следните предимства: 3x увеличение на скоростта на предаване до 2,1 Mbps, възможност за установяване на множество връзки поради допълнителната честотна лента. Намалена консумация на енергия поради намалено натоварване.

Bluetooth 2.1

Добавена е технология за разширено търсене на характеристиките на устройството, енергоспестяваща технология Sniff Subrating, която ви позволява да увеличите времето за работа на устройството с едно зареждане на батерията с 3-10 пъти. Актуализираната спецификация значително опростява и ускорява установяването на комуникация между две устройства, позволява ви да актуализирате ключа за криптиране, без да прекъсвате връзката

Bluetooth 2.1+EDR

През август 2008 г. Bluetooth SIG представи версия 2.1+EDR. Новото Bluetooth издание намалява консумацията на енергия с 5 пъти, подобрява сигурността на данните и улеснява разпознаването и свързването на Bluetooth устройства чрез намаляване на броя на необходимите стъпки.

Bluetooth 3.0+HS

На 21 април 2009 г. се появи Bluetooth 3.0+HS. Скоростта на пренос на данни (теоретично) е увеличена до 24 Mbit/s. Специална функция беше добавянето на AMP (алтернативен MAC/PHY), допълнение към 802.11 като високоскоростно съобщение. За AMP бяха предоставени две технологии: 802.11 и UWB.

Bluetooth 4.0

Четири години по-късно, на 30 юни 2010 г., Bluetooth SIG одобри спецификацията 4.0. Bluetooth 4.0 включваше следните протоколи: класически Bluetooth, високоскоростен Bluetooth и Bluetooth с ниска енергия.

Bluetooth 4.1

SIG представи спецификацията Bluetooth 4.1 в края на 2013 г. Едно от подобренията, въведени в спецификацията на Bluetooth 4.1, се отнася до сътрудничество Bluetooth и четвърто поколение LTE мобилни комуникации. Стандартът осигурява защита срещу взаимни смущения чрез автоматично координиране на предаването на пакети данни.

Bluetooth 4.2

Bluetooth 4.2 беше представен на 2 декември 2014 г. Стандартът е подобрен в своите скоростни характеристики и информационна сигурност.

Bluetooth 4.2 добавя възможност за директно свързване с интернет. Тоест, устройствата с поддръжка на Bluetooth 4.2 ще могат не само да взаимодействат директно помежду си, но и да се свързват с интернет (благодарение на поддръжката на протокола IPv6/6LoWPAN) чрез подходящи точки за достъп. Основната идея зад разработването на стандарта е, че чрез Bluetooth е възможно да се свързват всякакви устройства едно с друго.

В допълнение към сигурната и бърза свързаност, Bluetooth 4.2 ще бъде и по-енергийно ефективен, като всичко това ще измести тенденцията от последните месеци към мрежова свързаност: всичко повече устройстваТе започват да използват Bluetooth за това, което освен всичко друго има положителен ефект върху живота на батерията.

2003

Първият MP3 плейър с Bluetooth технология

Bluetooth версия 1.2 се приема от Bluetooth SIG

Доставките на Bluetooth продукти нарастват до 1 милион на седмица

Първата одобрена медицинска Bluetooth система

2004

SIG приема Core Specification Version 2.0 Enhanced Data Rate (EDR)

Bluetooth технологията е инсталирана като стандарт на 250 милиона устройства

Доставките надхвърлят 3 милиона единици на седмица

Първите стерео слушалки

2005

Доставките на продукти нараснаха до 5 милиона чипсета на седмица

SIG приветства своя 4000-ти член

SIG отваря централата си в Белвю, Вашингтон, с регионални офиси в Малмьо, Швеция и Хонконг

SIG пуска Profile Testing Suite (PTS) v1.0, напълно разработен инструмент за тестване и тип тестване самикомпании

2006

Първи слънчеви очила

Първи часове

Първата цифрова фото рамка, която поддържа Bluetooth

Bluetooth е инсталиран на 1 милиард устройства

Доставките на Bluetooth устройства достигат 10 милиона на седмица

Тестването на Profile Tuning Suite (PTS) става задължителна част от квалифицираните Bluetooth продукти

SIG обявява, че ще интегрира Ultra-Wide Band (UWB) технология с WiMedia Alliance

2007

Първото радио будилник

Първа телевизия

SIG приветства 8000 членове

Изпълнителният директор на Bluetooth SIG, Майкъл Фоли, получава наградата за лидерство в телематиката

PTS Protocol Viewer е пуснат като част от наскоро публикуваната версия 2.1.1 заедно със значително актуализиран потребителски интерфейс

Най-често срещаните Bluetooth профили

За да използват безжичната технология Bluetooth, устройствата трябва да могат да интерпретират определени Bluetooth профили, които са специфични за конкретни области на приложение и да показват общи формиповедение към Bluetooth съвместими устройстваможе да се използва за комуникация с други Bluetooth устройства.

Профил - набор от функции или възможности, достъпни за конкретно устройство Bluetooth.

Има широк набор от Bluetooth профили, които описват различни типове приложения или сценарии за използване на устройството.

Списък на основните профили, одобрени от Bluetooth SIG с кратко описание и цел:

Разширен профил за разпространение на аудио (A2DP)предназначени за предаване на музика към безжични слушалки или други устройства.

Аудио/Видео ДистанционноПрофил (AVRCP)предназначени за управление стандартни функцииТелевизори, високо прецизна техника. Позволява ви да създавате устройства с функции за дистанционно управление.

Основен профил за изображения (BIP)предназначен за изпращане на изображения между устройства. С този профил е възможно да преоразмерите изображение и да го конвертирате във формат, поддържан от приемащото устройство.

Основен профил за печат (BPP)с негова помощ е възможно изпращането на текст, съобщения електронна поща, vCard към принтер. Профилът не изисква драйвери.

Общ ISDN профил за достъп (CIP)използва се за достъп до устройството цифрова мрежас интеграция на услуги, ISDN.

Профил за безжична телефония (CTP)поддържа безжична телефония.

Профил на ID на устройството (DIP)помага да се определи класът на устройството, неговият производител и версията на продукта.

Профил за комутируема мрежа (DUN)протоколът предвижда стандартен достъпкъм интернет или друга телефонна услуга чрез Bluetooth.

Факс профил (ФАКС)осигурява интерфейс между мобилни или стационарен телефон, както и персонален компютър, на който е инсталиран софтуер за работа с факсове.

Профил за прехвърляне на файлове (FTP_profile)осигурява достъп до файловата система на устройството.

Общ профил за разпространение на аудио/видео (GAVDP)база за A2DP и ​​VDP.

Профил за общ достъп (GAP)база за други профили.

Общ профил за обмен на обекти (GOEP)база за други профили за трансфер на данни, базирани на OBEX.

Профил за подмяна на кабели на хартиен носител (HCRP)замяна кабелна връзкамежду устройството и принтера. Отрицателната страна на профила, което го прави неуниверсален, е необходимостта от инсталиране на драйвери.

Профил за свободни ръце (HFP)

Профил на устройство с човешки интерфейс (HID)осигурява поддръжка за устройства с HID, които включват клавиатури, мишки, джойстици и др. Отличителна черта е, че използва бавен канал и работи на намалена мощност.

Профил на слушалките (HSP)използвани за свързване Безжични слушалкии телефон.

Интерком профил (ICP)осигурява гласови повикваниямежду Bluetooth съвместими устройства.

Профил за достъп до LAN (LAP)осигурява достъп на Bluetooth устройства до компютърни мрежи LAN, WAN или интернет чрез друго Bluetooth устройство, което има физическа връзкакъм тези мрежи.

Профил за достъп до SIM (SAP, SIM)позволява достъп до SIM картата на телефона ви, което прави възможна употребаедна SIM карта за няколко устройства.

Профил за синхронизация (SYNCH)ви позволява да синхронизирате лични данни (PIM).

Профил за разпространение на видео (VDP)ви позволява да предавате поточно видео.

Носител на протокол за безжично приложение (WAPB)протокол за организиране на P-to-P (Point-to-Point) връзки чрез Bluetooth.

Какво е новото в Bluetooth 5.0? Двойно увеличение на скоростта, възможност за криптиране на трафик, увеличение на обхвата с 400% и много други предимства.

Новината за появата на Bluetooth 5.0 мина на страниците на медийните ресурси през юни 2016 г., но обществеността, заета с по-важни неща, не обърна нужното внимание на появата на нов технологичен стандарт в света на безжичните комуникации. По това време устройства, базирани на Bluetooth 5.0, все още не бяха пуснати. През май 2017 г., след пускането на пазара на Samsung Galaxy S8 и Xiaomi Mi 6, хората започнаха да говорят за новата спецификация по съвсем различен начин. В крайна сметка Bluetooth 5.0 предостави на потребителите няколко дългоочаквани предимства, за които ще говорим в тази статия.

Добра новина за разработчиците

Безжично съвместно съществуване - запомнете този термин. Скоро той ще промени цялата структура безжични комуникации. Bluetooth Special Interest Group обещава невиждани досега нива на оперативна съвместимост с други комуникационни протоколи. Дори ни се обещава паралелно и безконфликтно съвместно съществуване на Bluetooth и Wi-Fi.

Спецификация 5.0 предполага работа в пакети от 255 октета (вместо 31 пакета, както в предишна версия) и преход към съседни честоти без загуба на трафик байтове. Честотната лента от 2,4 GHz, претъпкана с битове и байтове, ще улесни потребителите, програмистите и дори операционните системи и чипове да дишат по-лесно.

Разработчиците ще могат да внедряват фини настройкисофтуерни продукти, производителите ще започнат да интегрират Bluetooth 5.0 модули дори в ютии и прахосмукачки. А операционна системаще спре претоварването на процесорите, опитвайки се да организира работата по рационализиране на затрупания трафик. Анализаторите твърдят, че това ще бъде началото на „Интернет на нещата“, за който всички футуролози говорят толкова дълго.

Какво да очаквате като потребител

За редовен потребителПоявата на Bluetooth устройства спецификация 5.0 е интересна по две причини. първо, нов стандартувеличава скоростта на споделяне на файлове 2 пъти. Второ, обхватът на действие се увеличава 4 пъти.

В цифри звучи още по-добре – скоростта на Bluetooth 5.0 се е увеличила до 2 Mbit/s, а обхватът се увеличава до 100 метра. Сега можете да слушате песни с високо качество на звука, дори ако вашият смартфон е в къщата, а вие сте навън с безжична колонка или слушалки.

Освен това новият протокол позволява не само увеличаване на обхвата - Bluetooth 5.0 е готов да работи не с един източник, а с няколко наведнъж. И консумацията на енергия при този процес ще бъде значително по-ниска от тази на предишните версии на модулите за безжична комуникация. Просто казано, Bluetooth 5.0 ще спести батерията както на вашия смартфон, така и на мобилната колонка.

Друг добри новини– възможност за криптиране на трафик, предаван по Bluetooth канала. Разработчиците и производителите вече говорят за замяна на късата NFC каишка с по-усъвършенстван протокол, който ви позволява да превърнете вашия смартфон в пълна подмянабанкова карта.

Вярно е, че всички тези предимства все още са достъпни само за няколко собственици на мобилни устройства.

Смартфони с Bluetooth 5.0

В момента можете да закупите само три устройства с Bluetooth 5.0 свързаност. Това са смартфони и . Засега новата спецификация се прилага само на флагмани, така че за правото да използвате всички иновации на Bluetooth 5.0 ще трябва да платите от 500 до 1000 щатски долара.

През втората половина на май към линията флагмани на Samsung и Xiaomi ще се присъедини премиум смартфон, чиято официална спецификация включва нов стандарт за безжична комуникация. Този път за предимствата на Bluetooth 5.0 ще трябва да платите от 650 долара до 750 евро, в зависимост от това къде се продава новият смартфон на HTC.

До началото на лятото, около година след анонса на Bluetooth 5.0, на пазара ще се появи още един флагман с нова спецификация за безжична комуникация. Очаквани разходиЯпонското устройство ще бъде 800 щатски долара.

В дългосрочен план анализаторите прогнозират появата на пета спецификация в Samsung Galaxy Note 8 и новия Google Phone от линията Pixel. Но в евтини мобилни телефони Bluetooth телефони 5.0 няма да се регистрира много скоро. Въпросът е, че тази спецификация трябва да се поддържа от чипсети. Сред евтините решения, за съжаление, нито един процесор все още няма такива възможности.

Bluetooth (в превод „син зъб” или популярно „син зъб”) е една от технологиите безжични мрежи, осигуряващи обмен на информация между различни устройства, включително персонални компютри, лаптопи, Мобилни телефони, принтери, камери и други подобни продукти. Bluetooth позволява на устройствата да комуникират - максималният обхват е 100 метра едно от друго.

Основната задача на Bluetooth технологията е да прехвърля данни между устройства безжично - осигурявайки икономична и евтина радиовръзка между тях различни видовеелектронни устройства.


Принципът на работа се основава на използването на радиовълни, а самата Bluetooth технология е малък чип, който е високочестотен приемо-предавател. Работи в обхвата ISM (Индустрия, наука и медицина), тъй като тези честоти не изискват лиценз за използване - те са безплатни за използване в целия свят (изключения: Франция и Испания).

Основният принцип за изграждане на мрежи, базирани на Bluetooth, е методът на честотния разширен спектър (FHSS). Методът FHSS е лесен за изпълнение - осигурява устойчивост на широколентови смущения, а оборудването е евтино.

Предавателят разделя данните на пакети и ги предава с помощта на псевдослучаен алгоритъм, при който носещата честота (модел) се променя 1600 пъти в секунда и приема стойността на една от 79 подчестоти. Последователността на превключване между честотите за всяка връзка е псевдослучайна и е известна само на предавателя и приемника.


Няколко устройства, свързани с помощта на Bluetooth, образуват така наречената piconet - колекция от две до осем устройства, работещи по един и същи шаблон. В пиконет едно от устройствата е главно, а другото е подчинено. Bluetooth технологията може да поддържа няколко подчинени устройства - до максимум седем. Главното е потребителското устройство, което инициира комуникацията. Той също така контролира работата на устройствата в piconet.

Bluetooth позволява предаване както на глас, така и на данни. Гласът се предава по три аудио канала със скорост от 64 Kbps всеки. Скоростите на трансфер на данни са приблизително 720 Kbps в асиметричен режим и 420 Kbps в напълно симетричен или пълен дуплекс (двупосочен) режим. „Синият зъб“ може да работи на относително къси разстояния. Според спецификациите (версии 1.1 и 1.2), той има два класа адаптери: клас 1 (клас A) поддържа до 100 метра, а клас 2 (клас B) работи в рамките на 10 метра (все още най-често срещаният клас сред спецификациите ) .

В момента най-новата Bluetooth спецификация е 4.0. Bluetooth SIG одобри спецификацията на 30 юни 2010 г. Нискоенергийният протокол Bluetooth поддържа предаване на данни като сензори за температура, налягане, влажност, скорост на движение и други, базирани на този стандарт могат да предават информация на различни устройства: мобилни телефони, персонални компютри, смартфони и други подобни мобилни продукти.


Bluetooth технологията може да се използва и в различни области мобилен живот. Можете да го използвате за следните цели без никакви затруднения:

  • За автоматична синхронизациямежду устройства. Например, веднага щом въведете нови данни в адресната книга на вашия лаптоп, съответните записи на вашия настолен компютър автоматично се променят и обратно
  • За автоматичен резервно синхронизиране. Пример за това е следната ситуация: мениджърът промени плана ви за действие, докато сте на почивка. Офисният компютър изпраща промените на вашето мобилно устройство, което автоматично се свързва с лаптопа и предава променения график
  • Да използвате лаптоп като високоговорител. Като свържете безжичните слушалки към вашия лаптоп, можете да ги използвате в офиса, колата или дома
  • Да свързва всички участници в обмена на информация. Докато на всяко бизнес събитие можете бързо да обсъдите въпрос от интерес с всички негови участници. Освен това можете да изпълнявате контролни функции от разстояние. Например включете проектора
  • За предаване на различно мултимедийно съдържание отвсякъде. Камерата се свързва с вашия телефон (безжично) и вие добавяте коментари с помощта на клавиатурата на вашия телефон или лаптоп. Снимки и текст се изпращат на получателя

Всичко по-горе е само най-малката част, където може да се използва безжичната Bluetooth технология. Сега вече се появяват такива екзотични опции, като вграждане на модули, работещи по тази технология, в принтери, карти с памет и различни други устройства.

В близко бъдеще Bluetooth технологията, в допълнение към мобилните телефони, смартфони и други взаимосвързани устройства, ще бъде вградена дори в домакински уреди. Само си го представете: телевизор, прахосмукачка, хладилник, микровълнова печка и други Битова техникаможе да се управлява с помощта на смартфон - точно както с универсално дистанционно управлениеуправление. Освен това в момента тече разработка алтернативни решения, който би трябвало сериозно да се конкурира с така наречения „син зъб” и дори вероятно да надмине тази технология.

Bluetooth осигурява обмен на информация между устройства като персонални компютри (настолни компютри, джобни, лаптопи), мобилни телефони, принтери, цифрови фотоапарати, мишки, клавиатури, джойстици, слушалки, слушалки на надеждна, евтина, универсално достъпна радиочестота за кратко обхват комуникация.

Bluetooth позволява на тези устройства да комуникират на разстояние от 1 до 100 метра едно от друго (обхватът зависи до голяма степен от препятствия и смущения), дори в различни стаи.

Произход на името Bluetooth

Думата Bluetooth - превод на английски езикДатска дума "Blåtand" ("Синозъб"). Това прозвище е носено от крал Харалд I, който управлява Дания и част от Норвегия през 10 век и обединява воюващите датски племена в едно кралство. Изводът е, че Bluetooth прави същото с комуникационните протоколи, като ги комбинира в един универсален стандарт.

Откъде започна?Bluetooth?

Първата концепция за Bluetooth технология се появява в малкото шведско градче Лунд през 1994 г., където Ericsson решава да издигне нов камък там (своеобразен ритуал) в памет на великия човек. Надписът на този паметник гласи (първоначално на староскандинавски): „Компания Ericsson Mobile Communications AB постави този камък в чест на Harald Bluetooth, който даде името си на нова безжична технология за мобилни комуникации."

След това, в началото на 1998 г., пет големи компании- Ericsson, Nokia, IBM, Intel и Toshiba - се обединиха, за да започнат работа по създаването на нова безжична технология, наречена Bluetooth. На 20 май същата година е сформирана специална група за по-нататъшно популяризиране на новата технология на телекомуникационния пазар. работна група(Група със специални интереси - SIG). Всяка компания, която планира да разработи Bluetooth устройства, може да се присъедини към тази група безплатно. В момента SIG включва повече от три хиляди компании, сред които има и стари представители, които са дали началото на развитие от този стандарт, и нови - например такива гиганти като Lucent, Microsoft, Motorola и др.

Основни принципи на технологията Bluetooth

Както бе споменато по-горе, Bluetooth е модерна технология безжично предаванеданни, което ви позволява да свържете почти всяко устройство едно с друго. Можете да свържете всичко, което се свързва, тоест има вграден Bluetooth микрочип. Технологията е стандартизирана, следователно не би трябвало да има проблем с несъвместимост между устройства от конкурентни компании.

Bluetooth е малък чип (фиг. 1), който е високочестотен (2,4 - 2,48 GHz) трансивър.

Ориз. 1 чипBluetooth

Консумацията на енергия (мощност на предавателя) не трябва да надвишава 10 mW. Първоначално технологията предполагаше възможност за комуникация на разстояние не повече от 10 метра. Днес някои компании предлагат Bluetooth чипове, които могат да комуникират на разстояние до 100 метра. Като радио технология, Bluetooth е в състояние да "заобикаля" препятствията, така че свързаните устройства да не са в пряка видимост. Връзката се осъществява автоматично, веднага щом Bluetooth устройствата са в обхват, не само на база точка до точка (две устройства), но и на база точка към много точки (едно устройство работи с няколко други).

Ориз. 2Bluetooth-чип и мач наблизо

Bluetooth чипът е внедрен, като се вземат предвид всички съвременни тенденции. Размерът на чипа (фиг. 2) е по-малък от един квадратен сантиметър. Използваната честота ви позволява да ограничите консумацията на енергия до 1 mW. Такива характеристики позволяват интегрирането на Bluetooth чипове в устройства като мобилни телефони и PDA устройства.

Как работи Bluetooth

Bluetooth технологията включва два вида комуникация: синхронна - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронна - ACL (Asynchronous Connectionless). Първият тип, SCO, е предназначен за установяване на симетрична връзка от точка до точка и служи основно за предаване на гласови съобщения. Скоростта на предаване на информация SCO е 64 Kit/s. Вторият, ACL, е предназначен за пакетен трансфер на данни. Поддържа симетрични и асиметрични връзки от точка към много точки. Скоростта на предаване на пакетна информация с ACL е около 721 Kbit/s. Пакетите с данни имат фиксиран формат. В началото на блока има 72-битов код за достъп. Може да се използва по-специално за синхронизиране на устройства. Това е последвано от 54-битов хедър на пакет, съдържащ контролната сума на пакета и информация за неговите параметри (например повторно предаване на блок данни). Пакетът се затваря от зоната, съдържаща директно изпратената информация. Размерът на тази област варира от 0 до 2745 бита.

Фундаменталният принцип за изграждане на Bluetooth системи е използването на метода Frequency Hop Spread Spectrum (FHSS). Целият честотен диапазон от 2,402-2,480 GHz, предназначен за Bluetooth радиокомуникации, е разделен на N честотни канала. Ширината на честотната лента на всеки канал е 1 MHz, каналното разстояние е 140-175 kHz. Честотната манипулация се използва за кодиране на пакетна информация.

За САЩ и Европа N = 79. Изключение правят Испания и Франция, където се използват 23 честотни канала за Bluetooth. Каналите се сменят по псевдослучаен закон 1600 пъти в секунда. Постоянното редуване на честотите позволява на Bluetooth радио интерфейса да излъчва информация в целия ISM обхват и да избягва смущения от устройства, работещи в същия обхват. Ако този канал е шумен, системата ще превключи на друг и това ще се случи, докато не бъде намерен канал без смущения.

Ориз. 3. Честотно-времева диаграма на работа на Bluetooth модулите

На фиг. Фигура 3 показва равнина време-честота, илюстрираща едновременното работата на трима Bluetooth модули. Модулите работят на цикли (слотове) с продължителност 625 μs. На всеки модул в рамките на всеки тактов цикъл се присвоява съответен честотен канал и режим на предаване или приемане.

Когато двойка Bluetooth устройства се свърже, те образуват пиконет (фиг. 4).

Един от тях, действащ като главно устройство, генерира честотна синхронизация и сигнали за промяна на честотата. Обикновено главният модул е ​​този, който се намира в най-мощното устройство, като например персонален компютър. Всички други устройства са подчинени.


Ориз. 4 Piconet

Piconet е основна форма на комуникация в технологията Bluetooth. Пиконет може да съдържа до 7 активни подчинени устройства. Освен това може да има неактивни подчинени устройства в близост (област на надеждно приемане) на главното устройство, които също са синхронизирани към общ часовник и честотна последователност, но не могат да обменят данни, докато главното устройство не ги активира. Ако има повече от 8 устройства в мрежата, тогава ще се формира втора пиконет и така нататък. Няколко (до 10) независими и дори не синхронизирани пиконети, между които е възможен обмен на информация, могат да бъдат комбинирани в така наречената голяма Scatternel мрежа. За да направите това, всяка двойка пиконети трябва да има поне една общо устройство, който ще бъде главен в единия и подчинен в другия. По този начин в рамките на един Scatternet могат да бъдат свързани едновременно максимум 71 устройства.

Блокова диаграма на архитектурата на Bluetooth


Ориз. 5 Bluetooth архитектура

Важна част от архитектурата (фиг. 5) е интерфейсът Host to Controller (HCI), който осигурява взаимодействие между софтуерната подсистема Host и хардуерната подсистема Controller. Цялото взаимодействие между горните нива на Bluetooth системата и нейния хардуер става чрез HCI команди, инициирани от драйвера.

Основни блокове на архитектурата:
RF
Радиоблокът се занимава с преобразуване на битови последователности в радиосигнали. Въпросите на модулацията, спектралните характеристики и физиката на битрейт процесите - всичко това е разрешено на по-ниското ниво на модела.

Baseband Layer = Link Controller + Baseband Manager + Диспечер на устройства
Слоят на основната лента е представен под формата на три блока, чиято обща задача е да управляват физическите канали, по които се установяват физически връзки. Bluetooth адресиране, синхронизиране на генератори на устройства, управление на кодове за достъп до физически канали, търсене на устройства и установяване на физически канал между тях - всичко това са задачи на ниво Baseband.

Мениджър на връзки

След две по-ниски нивапредоставяйки ни физическа връзка между устройствата, става въпрос за организиране на логически канали, които впоследствие ще станат основа за предаване на трафик на приложения. Link Manager отговаря за установяването, промяната и освобождаването на логическите връзки между устройствата, както и за актуализирането на параметрите на физическите връзки. За тези цели Link Manager използва Link Management Protocol (LMP).

L2CAP слой= Мениджър на канали + Мениджър на ресурси L2CAP
Това е Bluetooth Host блок на високо ниво, зает от L2CAP слоя. Протоколът за контрол и адаптиране на логическата връзка (L2CAP) е протокол, който работи върху създадените логически връзки, осигурявайки сегментиране и възстановяване на пакети данни от всички надлежащи приложения.

Скачков Максим Константинович

Bluetooth 5.0 стана реалност. В сравнение с Bluetooth 4.0 нова версияТо има два пъти по-голям капацитет, четири пъти по-голям обхватИ цяла линиядруги подобрения. Нека да разгледаме предимствата на Bluetooth 5.0 пред неговите предшественици, включително пример Процесор CC2640R2Fот Texas Instruments.

Популярност на версията Bluetooth протокол 4, както и някои от неговите ограничения, станаха причините за създаването на следващата спецификация на Bluetooth 5. Разработчиците си поставиха редица цели: разширяване на обхвата, увеличаване на пропускателната способност при изпращане на излъчвани пакети, подобряване на шумоустойчивостта и т.н. На.

Сега, когато започнаха да се появяват първите устройства с Bluetooth 5, потребителите и разработчиците с право имат въпроси: кои от предишните обещания са станали реалност? Колко са се увеличили обхватът и скоростта на трансфер на данни? Как това повлия на нивата на потребление? Как се промени подходът за генериране на излъчвани пакети? Какви подобрения са направени за подобряване на устойчивостта на шум? И, разбира се, основният въпрос е - има ли обратна съвместимост между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Нека да отговорим на тези и някои други въпроси и да разгледаме основните предимства на Bluetooth 5.0 пред неговите предшественици, включително като използваме примера на истински процесор с поддръжка на Bluetooth 5.0, произведен от компанията Texas Instruments.

Да започваме Преглед на Bluetooth 5.0 с отговор на най-често задавания въпрос относно обратната съвместимост с Bluetooth 4.x

Bluetooth 5.0 обратно съвместим ли е с Bluetooth 4.x?

Да, така е. Bluetooth 5 приема повечето функции и разширения на Bluetooth 4.1 и 4.2. Например устройствата с Bluetooth 5 запазват всички подобрения в сигурността на данните на Bluetooth 4.2 и поддържат LE Data Length Extension. Струва си да припомним, че благодарение на LE Data Length Extension, започвайки с Bluetooth 4.2, размерът на пакета данни (блок за пакетни данни, PDU) по време на установена връзка може да бъде увеличен от 27 на 251 байта, което ви позволява да увеличите скорост на обмен на данни с 2,5 пъти.

Поради големия брой разлики между версиите на протокола, традиционният механизъм за договаряне на параметри между устройствата при установяване на връзки се запазва. Това означава, че преди да започнат да обменят данни, устройствата се „опознават“ и определят максимална честотатрансфер на данни, дължина на съобщението и т.н. В този случай параметрите на Bluetooth 4.0 се използват по подразбиране. Преходът към параметрите на Bluetooth 5 става само ако по време на процеса на сдвояване се окаже, че и двете устройства поддържат по-нова версия на протокола.

Говорейки за инструментите, които вече са достъпни за разработчиците, заслужава да се отбележи нов процесор CC2640R2F и безплатен BLE5-Stack от Texas Instruments. За радост на разработчиците, BLE5-Stack е базиран на предишната версия на BLE-Stack и промените в използването му засягат само новите функции на Bluetooth 5.0.

Как се увеличи скоростта на пренос на данни в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 използва безжична връзка с физически скорости на трансфер на данни до 2 Mbps, което е два пъти по-бързо от Bluetooth 4.x. Тук си струва да се отбележи, че ефективната скорост на обмен на данни зависи не само от физическата пропускателна способност на предавателния канал, но и от съотношението на услугата и полезна информация в пакета, както и от свързаните „режийни“ разходи, напр. , загуба на време между пакетите (Таблица 1).

Маса 1. Скорост на комуникация за различни версииBluetooth

Във версиите Bluetooth 4.0 и 4.1 физическата честотна лента на канала беше 1 Mbit/s, което с дължина на PDU пакета данни от 27 байта направи възможно постигането на скорости на обмен до 305 kbit/s. Bluetooth 4.2 представи LE Data Length Extension. Благодарение на него, след установяване на връзка между устройствата, стана възможно да се увеличи дължината на пакета до 251 байта, което доведе до увеличаване на скоростта на обмен на данни с 2,5 пъти - до 780 kbit/s.

Bluetooth версия 5 запазва поддръжката на LE Data Length Extension, което, заедно с увеличаването на физическата пропускателна способност до 2 Mbit/s, позволява постигането на скорост на обмен на данни до 1,4 Mbit/s.

Както показва практиката, такова ускоряване на трансфера на данни не е границата. Например безжичният микроконтролер CC2640R2F може да работи със скорост до 5 Mbps.

Струва си да се спомене разпространеното погрешно схващане, че увеличаването на пропускателната способност до 2 Mbit/s е постигнато чрез намаляване на обхвата. Разбира се, физически приемо-предавателният чип (PHY), когато работи на честота от 2 Mbit/s, има 5 dBm по-малка чувствителност, отколкото когато работи на честота от 1 Mbit/s. Въпреки това, в допълнение към чувствителността, има и други фактори, които допринасят за увеличаване на обхвата, например преходът към кодиране на данни. Поради тази причина, при равни други условия, Bluetooth 5 се оказва по-надежден и има по-голям обхват в сравнение с Bluetooth 4.0. Това е обсъдено подробно в един от следващите раздели на статията.

Как да активирам високоскоростен режим на пренос на данни в Bluetooth 5?

При установяване на връзка между две Bluetooth устройства първоначално се използват настройките на Bluetooth 4.0. Това означава, че на първия етап устройствата обменят данни със скорост от 1 Mbit/s. След като връзката бъде установена, главният активиран Bluetooth 5.0 може да започне процедурата за актуализиране на PHY, чиято цел е да се установи максимална скорост от 2 Mbps. Тази операция ще успее само ако подчиненото устройство поддържа и Bluetooth 5.0. В противен случай скоростта остава 1 Mbit/s.

За разработчиците, които преди са използвали BLE-Stack на Texas Instruments, добрата новина е, че новият BLE5-Stack предоставя една функция, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(), за изпълнение на тази процедура. По този начин, когато преминат към Bluetooth 5.0, потребителите на продукти на TI няма да имат проблеми с първоначалната инициализация. Също така полезен за разработчиците ще бъде пример, публикуван на портала GitHub, който ви позволява да оцените работата на два микроконтролера CC2640R2F, работещи като част от CC2640R2 LaunchPads в режими High Speed ​​​​и Long Range.

Как се увеличи обхватът на Bluetooth 5?

Спецификацията на Bluetooth 5.0 гласи, че обхватът е четири пъти по-голям от Bluetooth 4.0. Това е доста тънък въпрос, на който си струва да се спрем по-подробно.

Първо, понятието „четири пъти“ е относително и не е обвързано с определен диапазон в метри или километри. Факт е, че обхватът на радиопредаване силно зависи от редица фактори: състоянието на околната среда, нивото на смущения, броя на едновременно предаващите устройства и т.н. В резултат на това нито един производител, както и разработчикът на самия стандарт Bluetooth SIG, не предоставя конкретни стойности. Увеличението на обхвата се измерва в сравнение с Bluetooth 4.0.

За по-нататъшен анализ е необходимо да се извършат някои математически изчисления и да се оцени бюджетът на мощността на радиоканала. Когато се използват логаритмични стойности, бюджетът на радиоканала (dB) е равен на разликата между мощността на предавателя (dBm) и чувствителността на приемника (dBm):

Бюджет на радиоканала = мощностT X(dBm) – чувствителностR X(dBm)

За Bluetooth 4.0 стандартната чувствителност на приемника е -93 dBm. Ако приемем, че мощността на предавателя е 0 dBm, тогава бюджетът е 93 dB.

Учетворяването на диапазона би изисквало 12 dB увеличение на бюджета, което води до стойност от 105 dB. Как трябва да се постигне тази стойност? Има два начина:

  • увеличаване на мощността на предавателя;
  • повишаване на чувствителността на приемниците.

Ако следвате първия път и увеличите мощността на предавателя, това неизбежно ще доведе до увеличаване на консумацията. Например, за CC2640R2F, преминаването към изходна мощност от 5 dBm води до увеличаване на консумацията на ток до 9 mA (Фигура 1). При 10 dBm токът ще се увеличи до 20 mA. Този подход не е привлекателен за повечето безжични устройства, захранвани с батерии, и не винаги е подходящ за IoT, което е областта, към която Bluetooth 5.0 е насочен основно. Поради тази причина второто решение изглежда за предпочитане.

За увеличаване на чувствителността на приемника се предлагат два метода:

  • намаляване на скоростта на предаване;
  • използване на кодирано PHY кодиране на данни.

Намаляването на скоростта на предаване на данни с фактор осем теоретично увеличава чувствителността на приемника с 9 dB. Така желаната стойност е само 3 dB кратка.

Необходимите 3 dB могат да бъдат постигнати с помощта на допълнително кодирано PHY кодиране. Преди това във версиите на Bluetooth 4.x битовото кодиране беше недвусмислено 1:1. Това означава, че потокът от данни е изпратен директно към диференциалния демодулатор. В Bluetooth 5.0, когато използвате кодиран PHY, има два допълнителни формата за предаване:

  • с кодиране 1:2, при което всеки бит данни е свързан с два бита в потока от радио данни. Например, логическо "1" се представя като последователност от "10". В този случай физическата скорост остава равна на 1 Mbit/s, а реалната скорост на трансфер на данни пада до 500 kbit/s.
  • С кодиране 1:4. Например, логическо "1" е представено от последователността "1100". Скоростта на трансфер на данни е намалена до 125 kbit/s.

Описаният подход се нарича Forward Error Correction (FEC) и позволява грешките да бъдат открити и коригирани от приемащата страна, вместо да изисква препредаванепакети, какъвто беше случаят с Bluetooth 4.0.

На хартия всичко изглежда добре. Остава само да разберем как тези теоретични изчисления съответстват на реалността. Като пример, нека вземем същия микроконтролер CC2640R2F. Благодарение на различни подобрения и нови режими на модулация на Bluetooth 5.0, трансивърът на този процесор има чувствителност от -97 dBm при 1 Mbps и -103 dBm при използване на кодиран PHY и 125 kbps. Така в последния случай липсват само 2 dBm от нивото от 105 dB.

За да оценят обхвата на CC2640R2F, инженерите от Texas Instruments проведоха полеви експеримент в Осло. В същото време, от гледна точка на нивото на шума, средата в този експеримент не може да се нарече „приятелска“, тъй като бизнес частта на града беше в непосредствена близост.

За да се получи бюджетна мощност, по-голяма от 105 dB, беше решено мощността на предавателя да се увеличи до 5 dBm. Това ни позволи да постигнем впечатляваща крайна стойност от 108 dBm (Фигура 2). При извършване на експеримента обхватът беше 1,6 км, което е много впечатляващ резултат, особено като се има предвид минималното ниво на консумация на радиопредаватели.

Как се промени подходът към съобщенията за излъчване на Bluetooth 5?

Преди това Bluetooth 4.x използваше три специални канала за данни за установяване на връзки между устройства (37, 38, 39). С тяхна помощ устройствата се намираха взаимно и обменяха служебна информация. Освен това беше възможно да се предават пакети с данни за излъчване през тях. Този подход има недостатъци:

  • с голям брой активни предаватели, тези канали могат просто да бъдат претоварени;
  • Все повече и повече устройства използват излъчвани съобщения, без да установяват връзка от точка до точка. Това е особено важно за интернет на нещата IoT;
  • новата система за кодирано PHY кодиране ще изисква осем пъти повече време за установяване на връзка, което допълнително ще натовари излъчваните канали.

За да се решат тези проблеми в Bluetooth 5.0, беше решено да се премине към схема, при която данните се предават по всичките 37 канала за данни, а служебните канали 37, 38, 39 се използват за предаване на указатели. Указателят се отнася до канала, по който ще бъде предадено излъченото съобщение. В този случай данните се предават само веднъж. В резултат на това е възможно значително да се облекчи натоварването на обслужващите канали и да се премахне това тясно място.

Също така си струва да се отбележи, че сега дължината на данните на един излъчван пакет може да достигне 255 байта вместо 6...37 байта PDU в Bluetooth 4.x. Това е изключително важно за IoT приложенията, тъй като позволява минимизиране на разходите за предаване и елиминиране на връзките, като по този начин намалява потреблението.

Bluetooth 5 поддържа ли Mesh мрежи?

Решения на Texas Instruments за Bluetooth 5

Един от първите микроконтролери с Bluetooth 5.0 беше високопроизводителният процесор CC2640R2F, произведен от Texas Instruments.

CC2640R2F е изграден върху модерно 32-битово ARM Cortex-M3 ядро ​​с работна честота до 48 MHz. Работата на радиопредавателя се управлява от второто 32-битово ядро ​​ARM Cortex-M0 (Фигура 3). В допълнение, CC2640R2F разполага с богата цифрова и аналогова периферия.

Предимството на микроконтролера CC2640R2F е и ниското му ниво на консумация (Таблица 2). Това важи за всички режими на работа. Например, в активен режим, при получаване на данни по радиоканал, консумацията е 5,9 mA, а при предаване - 6,1 mA (0 dBm) или 9,1 mA (5 dBm). При превключване в режим на заспиване захранващият ток пада напълно до 1 µA.

Комбинация от три важни качестваПоддръжката на Bluetooth 5.0, ниската консумация на енергия и високата пикова производителност правят CC2640R2F много интересно решение за Интернет на нещата. В същото време, използвайки този микроконтролер, можете да създадете цялата гама от IoT устройства: автономни сензори, които работят няколко години с една батерия, мостове между допълнителен контролен процесор и Bluetooth 5.0 канал, сложни приложения, които изискват висока изчислителна мощност .

Таблица 2. Консумация на безжичен микроконтролерCC2640 Р2 Ес подкрепатаBluetooth 5

Режим на работа Параметър Стойност (при Vcc = 3 V)
Активно изчисление µA/MHz ARM® Cortex®-M3 61 µA/MHz
Coremark/mA 48,5
Coremark на 48 MHz 142
Радиообмен Пиков ток на приемане, mA 5,9
Пиков ток по време на предаване, mA 6,1
Режим на сън Сензорен контролер, µA/MHz 8,2
Режим на заспиване с активиран RTC и запазване на паметта, mA 1

За бърз стартЗа да работи с CC2640R2F, Texas Instruments е подготвил традиционен комплект за отстраняване на грешки (Фигура 4). Използвайки няколко такива устройства, можете да оцените скоростта и обхвата на радиопредаване чрез Bluetooth 5.0. За да направите това, можете да използвате готови примери или да създадете свое собствено приложение, базирано на безплатния протокол BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новата версия на протокола Bluetooth 5.0 е фокусирана върху максимално съответствие с нуждите на Интернет на нещата (IoT). В сравнение с версията Bluetooth 4.0, той има редица качествени подобрения:

  • скоростта на трансфер на данни се удвои и достигна 2 Mbit/s;
  • обхватът на предаване се е увеличил четирикратно поради кодирано PHY и кодиране на данни с корекция на грешки (FEC);
  • пропускателна способност излъчвани съобщениясе увеличи 8 пъти.

В допълнение, Bluetooth 5.0 осигурява обратно съвместимс Bluetooth 4.x устройства и също така поддържа повечето разширения по-късни версиипротокол.

Оценка Bluetooth възможности 5.0 вече е достъпен с помощта на инструменти от Texas Instruments. Компанията произвежда микроконтролер с висока производителност и ниска мощност CC2640R2F, предоставя безплатен BLE 5 стек 1.0 и много готови примери за комплекта за отстраняване на грешки LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

  1. Bluetooth Core Specification 5.0 ЧЗВ. 2016. Bluetooth SIG.