Bluetooth версия 2.0. Bluetooth v4.2: что же действительно нового и как это работает

Технология Bluetooth, которую начала разрабатывать еще в 1994 году шведская компания Ericsson, первоначально предназначалась вовсе не для мобильных телефонов, а для создаваемого в те годы концепта Flyway (www.swedetrack.com). Flyway – это система персонального автоматического транспорта. Она представляет собой разветвленную монорельсовую дорогу с вагончиками небольшой вместимости. Каждый из них может перемещаться по своему индивидуальному маршруту в рамках сети – что-то вроде такси, только без водителя. Технологии Bluetooth в этой новой транспортной системе отводилось ключевое место: именно с ее помощью все элементы обменивались между собой данными.

Само название Bluetooth первоначально было лишь кодовым названием этого проекта. Происходит оно от прозвища датского короля Харольда Блатанда, который, как гласит предание, получил его из-за своих гнилых зубов. Почему тогда синий? Оказывается, во времена викингов слово «бла» означало и «синий», и «черный» цвет. Несмотря на не совсем здоровые зубы, король смог объединить обособленные удельные княжества Дании и создать сильное государство. Идея объединения людей и стала основополагающей при разработке Flyway и ее протокола синхронизации. Когда дело дошло до коммерческого запуска технологии, более подходящего названия, чем кодовое Bluetooth, разработчики стандарта придумать не смогли.

Первые шаги нового стандарта

Уже в ходе разработки технологии в Ericsson поняли, что она отлично подойдет и для передачи данных между мобильными устройствами. В 1998 году по инициативе компании была создана группа разработчиков Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG, www.bluetooth.com), в которую также вошли IBM, Intel, Toshiba и Nokia. В том же году появилась версия протокола Bluetooth 1.0, а чуть позднее, в начале 1999 года, увидел свет ее исправленный вариант – Bluetooth 1.0B. В этих версиях протокола для установки соединения требовалась обязательная передача устройствами своих аппаратных адресов, что делало невозможными анонимные соединения. В первых спецификациях не были жестко зафиксированы некоторые технические характеристики. Из-за этого оборудование разных производителей оказалось фактически несовместимым между собой: настроить два разных устройства Bluetooth было, мягко говоря, непросто.

Частотный хоппинг

В 2001 году была представлена спецификация Bluetooth 1.1 – в ней не было полной обратной совместимости с двумя предыдущими версиями протокола 1.0, однако разработчики исправили все недостатки и ошибки.

Появились и новые функции: соединение могло быть незашифрованным, устройства отображали уровень принимаемого сигнала. А главное, с версией Bluetooth 1.1 обратно совместимы уже все последующие варианты протокола Bluetooth, поэтому ее до сих пор можно встретить во многих работающих устройствах. Модули Bluetooth 1.1 сейчас настолько просты и дешевы, что их наличие увеличивает себестоимость изделия лишь на несколько центов.

В 2003 году вышла спецификация Bluetooth 1.2. В ней использовалась технология AFH, позволяющая отдавать приоритет наименее зашумленным частотам. Это значительно повысило помехоустойчивость связи и позволило увеличить скорость передачи данных. Новых схем модуляции, однако, не применялось, поэтому максимальная скорость Bluetooth осталась прежней – 721 кбит/с. Разница по сравнению с версией 1.1 была только в том, что у Bluetooth 1.2 реальная скорость работы оказывалась ближе к теоретически возможному пределу благодаря наличию AFH.

Затем за счет технологии eSCO улучшилось качество передачи голоса. Кроме того, в новой версии в два раза увеличилась скорость обнаружения и спаривания устройств, появилась опциональная возможность одновременного подключения двух устройств. Вместе с версией 1.2 началась передача стереозвука по профилю A2DP.

Переход на второй уровень

В ноябре 2004 года вышла новая версия Bluetooth 2.0, в которой впервые опционально была реализована технология EDR – устройства с ее поддержкой до сих пор помечают как «2.0+EDR». За счет применения новейших алгоритмов кодирования сигнала EDR позволяет передавать данные в 3 раза быстрее – до 2,1 Мбит/с. В самом потоке данных скорость передачи может достигать 3 Мбит/с. Однако часть этой пропускной способности «съедается» – тратится на повторную отправку ошибочных пакетов (из-за помех). Кроме того, расходуется служебный трафик – для кодирования и шифрования информации.

Увеличение скорости передачи данных вместе с ростом помехоустойчивости позволило снизить энергопотребление Bluetooth приблизительно в три раза. Правда, это утверждение справедливо не для всех устройств, а только для тех, которым не требуется увеличенная скорость передачи данных (например, гарнитуры). Также упростилось одновременное подключение нескольких устройств: за счет увели чения разрядности адресации появилась возможность при построении локальной беспроводной сети использовать в ней не 8, как раньше, а 256 устройств.

Современный этап развития

В 2007 году спецификация Bluetooth обновилась – появилась версия 2.1 (также с опциональной поддержкой EDR), которая получила технологию расширенного запроса характеристик устройства для быстрой настройки всех профилей.

Кроме того, была добавлена энергосберегающая технология Sniff Subrating с оптимизированными циклами работы и ожидания. Она позволяет увеличивать продолжительность работы устройства Bluetooth от одного заряда аккумулятора в пять раз. Обновленная спецификация беспроводного стандарта Bluetooth 2.1 существенно упростила и ускорила установление связи между двумя устройствами и позволила производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, что улучшает защиту. Правда, такое упрощение установки связи возможно только в том случае, если оба устройства оснащены модулями NFC. Они создают в небольшом радиусе вокруг себя электромагнитное поле: достаточно поднести устройства друг к другу, чтобы запустить процесс соединения.

Большинство существующих адаптеров (здесь мы принимаем в расчет не только пользовательские, но и корпоративные системы) снабжено устаревшими модулями Bluetooth 1.1 и 1.2. Поддержка стандарта Bluetooth 2.0+EDR присутствует в современных моделях телефонов и ноутбуков. Что же касается Bluetooth 2.1+EDR, то новая версия стандарта вплоть до последнего времени не получила широкого распространения: многие производители почему-то игнорируют эту версию.

Возможно, причина в следующем: все ее преимущества достигаются лишь при наличии встроенного модуля NFC, который требует как минимум дополнительной антенны. Но есть и более простое объяснение: устаревшие модули Bluetooth 2.0 дешевле, поэтому их выгоднее использовать и в самых современных моделях.

BLUETOOTH ДЛЯ ОДЕЖДЫ

Создание энергосберегающей версии Bluetooth 4.0 открывает перед разработчиками захватывающие перспективы. Например, перчатки Swany G-CELL Gloves могут соединяться с мобильным телефоном. Они снабжены специальными кнопками для приема или отбоя вызовов, встроенным микрофоном и динамиком, так что владельцу даже не придется доставать телефон для разговора. Сейчас они оснащены модулем Bluetooth 2.0 и способны проработать на одной зарядке лишь 48 часов в режиме разговора и 240 часов в режиме ожидания. Переход на Bluetooth 4.0 избавит от необходимости постоянной подзарядки аккумулятора.

Скоростной Bluetooth

В 2009 году была принята очередная спецификация Bluetooth 3.0+HS. HS (High Speed) – это новый уровень скорости передачи данных, которая может достигать 24 Мбит/с. Многим специалистам такой параметр показался нереальным, однако новейшие модули и в самом деле работают быстрее, чем их предшественники Bluetooth 2.1. Действительно, это выглядит неправдоподобным: если Intel выпускает новые процессоры, опережающие старые модели на несколько процентов, все компьютерные журналы пишут об этом как о невероятном достижении. А когда консорциум Bluetooth SIG создает новую спецификацию беспроводного стандарта, ускоряющего передачу данных в 10 раз (!), событие остается вне поля зрения большинства по льзователей, словно оно их вообще не касается.

Дело в том, что такая высокая скорость возможна вовсе не при передаче данных по каналу Bluetooth: в нем по-прежнему максимальная скорость ограничена 2,1 Мбит/с, как это и было в случае с использованием технологии EDR. Для перехода на 24 Мбит/с применяется прямое соединение по протоколу Wi-Fi. Протокол Bluetooth в данном случае используется не на физическом, а лишь на логическом уровне: для организации самого соединения между устройствами. Wi-Fi выступает в роли транспортного радиопротокола, тогда как сам интерфейс Bluetooth остается только в качестве каркаса для связывания устройств.

Однако использование технологии Wi-Fi для передачи данных не означает совместимости устройства Bluetooth с привычными сетями Wi-Fi. Речь идет только об использовании той же физической модели передачи по стандарту IEEE 802.11 – никакой логической совместимости с сетями 802.11a/b/g/n у телефонов и смартфонов с Bluetooth как не было, так и нет.

Вечный двигатель

Конечно, Bluetooth 3.0+HS можно считать настоящим технологическим прорывом, однако у него, как и у всякого большого достижения, есть оборотная сторона. Работа на такой высокой скорости быстро истощает аккумулятор, поэтому создатели нового стандарта сразу же столкнулись с проблемой энергосбережения. Для ее решения в декабре 2009 года была выпущена новейшая спецификация Bluetooth 4.0, что также можно считать неординарным событием: если мы обратимся к истории, то увидим, что ранее между выпусками версий Bluetooth проходило, как правило, от 4 до 5 лет. В Bluetooth 4.0 нет принципиальных изменений относительно скорости передачи данных, нововведения касаются лишь энергопотребления. Этот стандарт предназначается для использования преимущественно в различных датчиках, которые могут применяться в тренажерах, медицинских приборах, автомобилях. Передатчик Bluetooth включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы модуля от одной часовой батарейки в течение нескольких лет! В таком режиме стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета 8–27 байт. Намного быстрее происходит соединение: два устройства Bluetooth могут устанавливать его менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.

Профили Bluetooth

Каждое Bluetooth-устройство поддерживает определенный набор так называемых профилей – они представляют собой стандартизированные алгоритмы обмена данными. Поддержка тех или иных профилей позволяет легко определить возможности устройства. Для работоспособности функции требуется поддержка профиля обоими Bluetooth-устройствами.

Для более качественной передачи звука используется A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) – расширенный профиль распространения аудио. Он отвечает за передачу стереозвука по радиоканалу Bluetooth на какое-либо принимающее устройство. Профиль различает два типа устройств: передатчик (A2DP-SRC - Advanced Audio Distribution Source), например телефон; приемник (A2DP-SNK – Advanced Audio Distribution Sink), например наушники. При установке связи передатчик и приемник согласуют кодек, который необходимо применить, и параметры кодирования: битрейт, частоту дискретизации и др. Стандартом определен один обязательный кодек SBC – он не требует большой вычислительной мощности для кодирования и декодирования, но отличается низким качеством звука. SBC выбирается, если приемник и передатчик не могут «договориться» об использовании других кодеков: MP3, AAC, ATRAC.

Обычно устройства, работающие с A2DP, поддерживают и профиль AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) . Он предназначен для дистанционного управления источником сигнала и в версии AVRCP 1.0 позволяет запускать или останавливать воспроизведение, осуществлять перемотку и переход между треками. В версии профиля AVRCP 1.3 протокол передает текущее состояние источника и метаданные о самом медиаэлементе, например название песни. В версии AVRCP 1.4 появилась возможность просмотра плей-листов и выбора композиции.

HID (Human Interface Device Profile) обеспечивает поддержку устройств ввода: мышей, джойстиков, клавиатур. Существует также довольно большое количество и других профилей Bluetooth – их общее количество доходит до 28 (данные на момент написания статьи).

Стеки Bluetooth

Помимо профиля, в Bluetooth есть такое понятие, как стек. Для удобства понимания можно представить его как программное обеспечение, управляющее аппаратным модулем, то есть набор драйверов устройства. Каждый из таких драйверов отвечает за реализацию определенного профиля. Для пользователя разница в наличии на компьютере того или иного стека Bluetooth заключается в поддержке определенного набора профилей и в различном графическом интерфейсе для работы с ними.

Widcomm

Первым стеком Bluetooth для операционных систем компании Windows стал Widcomm. После приобретения компании Widcomm фирмой Broadcom он был, соответственно, переименован в стек Broadcom. В настоящее время этот стек распространен мало и работает только с устройствами, производители которых приобрели лицензию у Broadcom. Он поддерживает редко встречающиеся, но нужные некоторым пользователям профили - HCRP, BPP и BIP. А кроме того – имеет дружелюбный интерфейс, прекрасно вписывающийся в стандартный интерфейс Windows.

Microsoft

В Windows, начиная с выхода Windows XP SP2, появился собственный стек Bluetooth. В Windows Vista он был обновлен: добавились поддержка HID-устройств до загрузки ОС, профили A2DP и AVRCP. Дополнительные профили, вроде FTP, BIP, BPP, стали доступны в виде подключаемых модулей, выпускаемых сторонними производителями. Предусмотрена поддержка Bluetooth 2.0+EDR, а в Vista Feature Pack – еще и Bluetooth 2.1+EDR, который также поддерживается в штатном стеке Windows 7.

BlueSoleil

Среди альтернативных стеков наиболее распространен BlueSoleil, предложенный IVT Corporation. Недостаток BlueSoleil – некорректная работа с Bluetooth-модулями различных производителей. Периодически обращаясь к своему серверу, стек может вдруг выяснить, что аппаратный адрес устройства не лицензирован, после чего перейдет в режим ограниченной функциональности, в котором можно передать лишь 5 Мб данных. Впоследствии вам потребуется повторная активация стека BlueSoleil.

Любой звук начинается с источника. Сегодня существует масса беспроводных протоколов для передачи звука. Некоторые из них значительно интереснее Bluetooth, но пока не получили должного распространения. Сегодня Bluetooth оборудованы почти все смартфоны, ноутбуки и планшеты, а оснастить устройство его поддержкой при наличии USB-выхода - дело пяти минут.

Поэтому сегодня ограничимся именно звуковоспроизводящими устройствами с использованием «голубого зуба» (гайд вполне подойдёт и для выбора Bluetooth-колонки). Технология эта имеет довольно долгую историю и массу подводных камней, о существовании которых не всегда знают пользователи.

Наличие Bluetooth-передатчика не говорит о том, что устройство можно использовать в качестве источника звука для беспроводной аудиоаппаратуры. Не всякий Bluetooth позволит слушать качественную музыку без искажений. Не всякий подойдёт и для прослушивания файлов с высоким битрейтом и в lossless-форматах.

На что обратить внимание, чтобы слушать музыку без проводов - будь то просто MP3 или высококачественный рип с виниловой пластинки, мы расскажем в этой статье.

Начнём с самого важного: этот параметр напрямую говорит о том, можно ли слушать при помощи устройства музыку.

Версия Bluetooth

В современных устройствах чаще всего можно встретить поддержку Bluetooth 3.0 или 4.0, в некоторых топовых смартфонах и прочих гаджетах - 4.1. При этом вполне может оказаться, что приобретаемая гарнитура поддерживает подключение только по протоколу версии 2.1. Адаптеры обратно совместимы, но при подключении работает наиболее медленный протокол из двух.

Отличие между версиями протокола для обычного пользователя минимальны за счёт обратной совместимости. Основное, что бросается в глаза, - с каждой новой версией снижается энергопотребление устройств, а начиная с 3.0 добавлен второй модуль для высокоскоростной передачи данных на скорости 24 Мбит/с.

Версия 2.1 + EDR передаёт данные со скоростью не более 2,1 Мбит/с. Этого достаточно для воспроизведения аудиопотока низкого битрейта. Для воспроизведения аудиовидеопотока рекомендуется использовать версию Bluetooth не ниже 3.0.

Необходимо учесть, что для полноценного использования девайса в качестве плеера, крайне желательно наличие Bluetooth версии 4.0 и выше, а лучше - со сниженным энергопотреблением.

Опознать такой адаптер можно благодаря следующим категориям.

Профили Bluetooth

Профили - набор определённых функций, поддерживаемых устройствами. Из всех используемых в Bluetooth для прослушивания музыки интересны следующие:

1. Headset Profile (HSP) необходим для связи гарнитуры и смартфона и беспроводной передачи монозвука с битрейтом 64 кбит/с.
2. Hands-Free Profile (HFP) также обеспечивает только передачу моно, однако с более высоким качеством.
3. Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) необходим для передачи двухканального аудиопотока.
4. Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) обеспечивает управление функциями воспроизводящих устройств (без него невозможно даже изменение громкости музыки).

Для полноценного прослушивания музыки необходим именно A2DP. Он не только обеспечивает передачу аудиопотока, но и управляет сжатием данных перед передачей.

Однако, даже если и передающее, и воспроизводящее устройство (например, смартфон и беспроводные наушники) оснащены Bluetooth 3.0 или 4.0 и поддерживают работу с необходимым протоколом, нужно обратить внимание на кодек, который используется.

Кодеки Bluetooth

Самое главное для воспроизведения музыки по протоколу A2DP - кодек, которым сжимается передаваемый на гарнитуру аудиопоток. Всего на данный момент существует три кодека:

1. Subband Coding (SBC) - кодек, используемый A2DP по умолчанию и созданный разработчиками профиля. К сожалению, SBC жмёт значительно грубее , чем MP3. И стало быть, для прослушивания музыки не подходит.
2. Advanced Audio Coding (AAC) - более продвинутый кодек, использующий другие алгоритмы сжатия. Звучит значительно лучше SBC.
3. AptX - вот он, правильный выбор! Хотя бы из-за возможности передавать файлы в MP3 и AAC без дополнительных манипуляций и перекодирования. А значит, и без ухудшения звука. Однако стоит оговориться. Для воспроизведения разных битрейтов существует несколько версий aptX. Каждая из них предназначена для своего звукового потока.

»
Главные особенности последних двух версий кодека - максимально сниженная задержка воспроизведения звука и сниженная нагрузка на процессор при кодировании. Версия Low Latency позволяет достигать задержки в 32 мс между источником аудиопотока и воспроизводящим устройством. Это позволит уменьшить искажения, вносимые аппаратурой при прослушивании музыки.

Таким образом, при определённых предпочтениях можно выбрать определённый кодек. Если воспроизведение lossless-потока не предполагается, а высокая задержка звука не критична - стоит ограничиться стандартным aptX и не переплачивать за поддержку устройством последующих версий.

Стоит помнить, что необходимый профиль и кодек должен поддерживаться как смартфоном (или другим источником аудиопотока), так и самой гарнитурой (или Bluetooth-колонкой). В противном случае алгоритм A2DP автоматически начнёт работу с использованием SBC.

C Bluetooth любые два устройства всегда работают, используя самую низкую версию, самый простой кодек и протокол. Так что, если одно из них не обладает поддержкой необходимой технологии, в полной мере насладиться качеством звучания не удастся.

Для прослушивания музыки в течение долгого времени требуется поддержка Bluetooth не ниже версии 3.0, кодека aptX и профиля A2DP. Для прослушивания музыки с высоким битрейтом необходима поддержка кодека aptX Lossless - ни один другой не подойдёт, поскольку музыка будет сжиматься при передаче на воспроизводящее устройство.

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

Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:

• скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
• дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
• пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.

Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.

Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

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

C момента своего появления и до последних лет стандарт Bluetooth опережал своё время. Создатель Bluetooth, компания Ericsson, начала свои исследования в области беспроводных интерфейсов для мобильных телефонов ещё в начале девяностых годов прошлого века. В 1998 году Ericsson, совместно с компаниями IBM, Intel, Nokia и Toshiba, выпустил первую спецификацию стандарта Bluetooth 1.0. В первую очередь новый стандарт был призван заменить интерфейсные кабели сотовых телефонов.

Интересно, что в те годы далеко не все пользователи сотовых телефонов понимали, зачем вообще нужен интерфейсный кабель. Было всего два класса устройств, к которым мог быть подключен сотовый телефон. Прежде всего, существовали гарнитуры "hands-free" и системы громкой связи, для которых требовалась двунаправленная передача монофонического аудио среднего качества на расстояние в несколько метров.

Кроме того, существовали персональные компьютеры, с которыми телефон взаимодействовал как электронный органайзер или как внешний модем. Здесь новый стандарт должен был предоставить беспроводную замену последовательному порту (RS-232).

При таких задачах от стандарта Bluetooth не требовались ни скорость передачи данных, ни большая сетевая функциональность, ни большой радиус действия. Предназначенный для мобильных устройств, стандарт должен был обеспечивать низкое энергопотребление, а кроме того, чтобы успешно конкурировать с кабельными соединениями, он должен был быть очень дешёвым в реализации.

Создателей Bluetooth часто обвиняют в слишком медленном выводе их творения на рынок цифровых устройств. Действительно странно, что официально опубликованная в 1998 году спецификация Bluetooth получила широкое распространение только в начале третьего тысячелетия. Однако причины такой задержки следует искать не в медлительности разработчиков стандарта, а в отставании самого рынка. В те годы для Bluetooth просто не было достаточного количества задач.

Тем не менее, основатели стандарта довольно быстро оценили потенциал своего творения. Уже в 1999 году они продемонстрировали своё желание продолжать его совершенствование. Так появилась группа Bluetooth SIG (Special Interest Group). Наряду с пятью основателями в группу вошло довольно много компаний, среди которых были Palm, Microsoft, Motorola, Handspring, Qualcomm и Lucent.

Идея Bluetooth довольно быстро трансформировалась. Новый интерфейс уже не рассматривали как тривиальную замену кабелей сотовых телефонов. Он начал превращаться в универсальный беспроводной интерфейс для персональных сетей, в которые могли входить практически любые устройства. Периодически у стандарта отыскивались недостатки, мешающие воплотить новую концепцию, что служило поводом для выпуска новых версий спецификации с относительно небольшими изменениями и дополнениями. Так появились версии 1.1 и 1.2, которые и в наши дни не имеют конкурентов среди радиоинтерфейсов для персональных сетей.

Почему "2.0/EDR"?

Начавшееся в 2001 и 2002 годах широкое распространение устройств с поддержкой Bluetooth показало, что этот, лучший в своей области стандарт, всё же недостаточно хорош. Что ж, фактически, разработчики Bluetooth 1.x работали опираясь не столько на практические данные, сколько на прогнозы далёкого (по меркам цифровой индустрии) будущего, и предусмотреть всё они просто не могли.

В 2002 году Bluetooth был стандартизован в IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), как стандарт 802.15.1. В том же году представители Ericsson обнародовали планы новой версии стандарта - 2.0. Было отмечено, что новую спецификацию стоит ждать лишь в конце 2004 года, когда рынок до неё дорастёт.

В ноябре 2004 года Bluetooth SIG выпустила спецификацию Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). На этот раз практически не было задержки с появлением устройств, поддерживающих новый стандарт. Компании Broadcom, CSR, и RF Micro Devices произвели тестирование прототипов 2.0+EDR и практически сразу же начали серийный выпуск чипов. Однако быстрого вытеснения версий 1.х с рынка не началось.

Первым устройством с поддержкой Bluetooth 2.0+EDR стал не телефон, как можно было предположить, а ноутбук от компании Apple. Bluetooth SIG ожидает повсеместного перехода мобильных телефонов на поддержку нового стандарта не ранее следующего года. При этом, производителей телефонов ожидает значительно больше трудностей, чем было при переходе с версии 1.1 на 1.2.

Появляется закономерный вопрос, относительно того, зачем вообще делали новый стандарт, если он особо никому не нужен, а его предшественник по прежнему вне конкуренции всё из-за тех же дешевизны и бережливости к энергии. На основании чего разработчики надеются на близкий рост популярности версии 2.0?

Таких оснований целых два: выросшие требования к скорости и удобству персональных сетей и желание разработчиков стандарта использовать его не только в персональных сетях.

Пользователи персональных сетей хотят быстро пересылать большие файлы с видео, аудио и фото-контентом, они хотят беспроблемно использовать беспроводную связь с различными устройствами одновременно, они хотят слушать стереофоническое аудио высокого качества через беспроводные наушники и количество подобных задач постоянно растёт. Один из самых пугающих примеров - современные принтеры, способные обогнать Bluetooth-устройства, с которых данные отправляются на печать. Постоянный рост количества Bluetooth-устройств не может не вызывать увеличения размера персональных сетей, где все устройства могут работать одновременно, мешая друг другу. Bluetooth 1.х не готов обслужить потребности таких сетей, что особенно печально в связи с приближением конкурирующего стандарта связи - UWB. Если Bluetooth SIG хочет и дальше представлять стандарт, опережающий своё время, то ей нужно что-то получше, чем 1.х.

Кроме того, не стоит забывать, что стандарт Bluetooth 1.х уже сейчас широко применяется не только для персональных сетей, но и для ряда других задач, среди которых многопользовательские локальные сети и сенсорные приложения. В этих областях стандарту Bluetooth 1.х всё труднее конкурировать с другими стандартами беспроводной связи, такими как Wi-Fi и Zigbee.

В таких условиях Bluetooth SIG могла либо подарить будущий рынок конкурентам, либо создать принципиально новый стандарт с отдельным упором на повышение скорости.

Новое в Bluetooth 2.0/EDR

Вкратце рассмотрим те нововведения, которые позволяют разработчикам рассчитывать на рост популярности нового стандарта:

Enhanced Data Rate (EDR)

Тема скорости передачи данных создаёт немало трудностей разработчикам Bluetooth. С одной стороны есть множество задач, которым при любых обстоятельствах хватит скорости 721 Кбит/с, которую предоставляют версии 1.х, а с другой - есть мультимедийные задачи, которые требуют передачи всё больших объёмов данных.

Точка доступа Bluetooth / LAN, совмещенная с принтсервером.

Скорость в 2,1 Мбит/с предоставляемая новой версией Bluetooth, всё ещё заметно не дотягивает даже до самых медленных беспроводных сетей, но для типичных мультимедийных задач её почти достаточно.

После обещанных в 2002 году 12 Мбит/с цифра 2,1 выглядит более чем скромно. Однако нужно учитывать, что разработчики Bluetooth SIG были сильно ограничены требованиями к энергопотреблению и стоимости, которые были и остаются наиболее приоритетными для данного стандарта.

В Bluetooth 1.х используется одна из наиболее примитивных схем модуляции - GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), простота которой была весьма привлекательна для разработчиков в 1998 году, когда даже скорость в 721 Кбит/с казалась избыточной. В Bluetooth 2.0/EDR используется несколько альтернативных схем модуляции, благодаря которым скорость передачи данных возрастает почти втрое. При этом, GFSK продолжает поддерживаться из соображений совместимости.

Отсутствие "прыгающих" частотных каналов.

В Bluetooth версий 1.х связь может осуществляться по одному из 79 частотных каналов. Чтобы избежать помех от других устройств, работающих в том же частотном диапазоне, каналы меняются 1600 раз в секунду. Это достаточно простое решение, а кроме того, в 1998 году такой протокол мог рассматриваться как неплохая аппаратная защита связи от злоумышленников. К неприятным чертам такого механизма относятся более медленная связь и трудности в дальнейшем совершенствовании стандарта.

В версии Bluetooth 2.0 для защиты от помех используется более современный механизм, что позволяет полнее использовать возможности стандарта.

Поддержка Multi-cast

В персональных сетях часто возникает необходимость передать одни и те же данные нескольким устройствам в одно и то же время. Bluetooth 1.х предусматривал многократную передачу этих данных по очереди, для каждого устройства. В один момент в отдельной Bluetooth-сети могло присутствовать только одно передающее и одно принимающее устройство. Это очень затрудняло работу в реальном времени с такими задачами, как совместное прослушивание одного и того же аудио на нескольких Bluetooth-наушниках, или как компьютерные игры с несколькими участниками, синхронизирующимися по Bluetooth. Кроме того, это просто замедляет работу, так как каждый раз надо заново устанавливать связь с очередным устройством, что занимает заметное время.

В Bluetooth 2.0 предусмотрена возможность одновременной отправки нескольким устройствам одних и тех же данных. Эта возможность называется "Multi-cast", она стала возможна благодаря устранению механизма быстрых смен частотных каналов.

Система QoS (quality of service)

При использовании интерфейса Bluetooth для связи с несколькими устройствами одновременно часто возникают нежелательные задержки. Их можно было бы избежать, если бы потоки данных были лучше организованы.

Спецификация Bluetooth 2.0 предусматривает специальный механизм QoS (quality of service), который обеспечивает взаимодействие устройств с минимальным количеством задержек. Устройства, поддерживающие QoS, коммуницируют между собой с целью согласовать свои потребности в немедленной передаче данных и возможности безболезненно справиться с задержкой связи. Таким образом, без повышения реальной скорости передачи данных, удаётся устранить эффект притормаживания, который так раздражает пользователей.

Распределённый контроль доступа к среде

Модель сети в ранних версиях Bluetooth очень проста. Сеть имеет одно главное и от одного до семи подчинённых устройств. Данные могут передаваться только между главным ("master") и подчинённым ("slave") устройствами. При этом, главное устройство контролирует доступ устройств к среде передачи данных. Если главное устройство по какой-то причине покинет сеть, то остальная сеть не сможет функционировать.

В Bluetooth 2.0 появился новый протокол, который предусматривает распределённый контроль за доступом к среде передачи данных, что избавляет сеть от зависимости от единственного устройства. Как только главное устройство покидает сеть, его функции передаются другому устройству.

Кроме того, в Bluetooth 2.0 максимальный размер сети увеличен с 8 до 256 устройств. В версиях 1.х для увеличения сети предусматривался довольно неудобный механизм объединения простых Bluetooth-сетей ("piconet") в одну большую сеть ("scatternet"). При этом, одно и то же устройство являлось главным в одной простой сети и подчинённым в другой. В версии 2.0 всё значительно проще - от одного до 255 подчинённых устройств соединяются с одним главным.

Усиленное энергосбережение

Возросшая скорость передачи данных в Bluetooth 2.0 привела к росту потребляемой устройствами мощности. Однако, потребляемая мощность выросла не так сильно, как скорость, поэтому общий расход энергии на передачу одного и того же объёма данных заметно сократился. Для большинства задач имеет место более чем двукратный выигрыш в сбережении энергии.

Более умная организация работы с данными также повлияла на энергопотребление в сторону его сокращения. Так, например, использование одновременной передачи данных нескольким устройствам заметно экономнее, чем передача этих данных каждому устройству отдельно.

Обратная совместимость с предыдущими версиями

Спецификация Bluetooth версии 2.0 предусматривает полную совместимость со всеми предыдущими версиями. Устройство, поддерживающее новый стандарт, способно обмениваться данными с устройствами всех версий, даже если они объединены в одну сеть. При этом, с новыми устройствами будет идти обмен данными на повышенной скорости 2,1 Мбит/с, а со старыми - на прежних 721 Кбит/с.

Будущее Bluetooth

Новую версию спецификации Bluetooth нельзя назвать окончательной. Прошли те годы, когда этот стандарт мог подолгу не развиваться, оставаясь выше текущих требований рынка. Теперь ему нужны регулярные обновления, чтобы соответствовать времени.

Bluetooth SIG планирует начать выпускать обновлённые спецификации ежегодно и обещает представить очередную версию уже в конце 2005 года. Разумеется, не каждая новая версия будет содержать столько новшеств, как версия 2.0/EDR.

Интересно, что скорость передачи данных больше не заявляется разработчиками стандарта в качестве ближайшей точки приложения их усилий. Значительно больше внимания в их планах уделено совершенствованию возможностей Bluetooth в области более совершенного использования имеющейся скорости, так, например, в 2005 году планируется доработать систему QoS, совершенствовать которую можно практически бесконечно, а в 2006 ожидается доработка системы Multi-Cast.

Вполне закономерно, что конкурирующие стандарты, как теснящие Bluetooth в новых для него областях, так и ожидающийся в типичной для него области персональных сетей, заставляют разработчиков продолжать совершенствовать наиболее сильную сторону стандарта - низкое потребление энергии. SIG намерена уже в 2005 году представить решения, ведущие к беспрецедентному снижению энергопотребления.

Кроме того, новые области применения Bluetooth, которых становится всё больше, предъявляют более жёсткие требования к безопасности данных, причём, их трудно даже сформулировать, не зная, куда именно новый стандарт будет распространяться. Пока направлению безопасности будет уделяться внимание в каждой новой версии спецификации стандарта.

Bluetooth и все-все-все

Очевидно, что новые возможности позволят Bluetooth 2.0 в самое ближайшее время вступить в активную конкурентную борьбу с некоторыми из существующих стандартов беспроводной связи. Ожидается также и появление новых стандартов, способных составить Bluetooth серьёзную конкуренцию.

Рассмотрим расстановку сил между Bluetooth и его основными соперниками:

Bluetooth vs. UWB

Новый стандарт беспроводной связи, называемый Wireless USB, предназначен практически для тех же задач, что и Bluetooth, то есть - для персональных сетей. Основная слабость нового стандарта заключается в том, что он ещё не готов, но его выпуск планируется на относительно недалёкое будущее, и уж тогда ничто не помешает разгореться соперничеству между называемый Bluetooth и Wireless USB, в котором на стороне первого будут низкие цена и энергопотребление, а на стороне второго - скорость передачи данных, при идеальных условиях связи достигающая 480 Мбит/с (как у USB 2.0). Множество уже существующих совместимых устройств вряд ли выручит Bluetooth в намечающейся борьбе, так как фактически, Wireless USB будет отличаться от сверхпривычного USB 2.0 только отсутствием кабеля и адаптация нового стандарта пройдёт быстро и безболезненно.

Быстрая победа одного из стандартов в ближайшее время совершенно нереальна. Пока существуют устройства, которым не принципиальна скорость, но важно низкое энергопотребление или наоборот, оба стандарта будут необходимы. В то же время, не следует ожидать быстрого деления мира устройств для персональных сетей на два несовместимых лагеря, так как довольно распространены устройства, одинаково заинтересованные и в скорости и в энергоэкономичности.

Вполне вероятна гонка, в которой разработчики Bluetooth будут наращивать скорость, а разработчики Wireless USB - снижать энергопотребление. Оба стандарта чисто технически имеют много общего, поэтому помимо победы одного из них можно рассматривать и вариант создания на их основе нового стандарта связи.

В любом случае, окончательное решение вопроса - дело не самых ближайших лет.

Bluetooth vs. Wi-Fi

Теоретически, стандарты Bluetooth и Wi-Fi предназначены для принципиально разных задач, но развитие мобильной связи и локальных сетей навстречу друг другу вызвало появление областей, где эти стандарты успешно конкурируют.

Прежде всего, это небольшие сети мобильных устройств, предназначенные, например, для игровых и мультимедийных задач. Скорость связи и расстояние, на котором эта связь возможна, являются в таких сетях второстепенными по отношению к экономному расходованию заряда батареи.

Фактически, увеличение скорости, имеющее место в последней версии Bluetooth, позволяет ему полностью вытеснить Wi-Fi из области мобильных сетей, где он только начал появляться. В тех же областях, где Wi-Fi останется конкурентоспособным, его будет выручать прежде всего не скорость, а специфическая "заточенность" под сложные сетевые задачи, и, особенно под интернет.

Скорее всего, смартфоны и игровые консоли будущего станут использовать Wi-Fi для связи с обычными немобильными сетями и с интернетом, а Bluetooth - для связи между собой. С мечтами о едином сетевом стандарте опять придётся подождать.

Bluetooth vs. Zigbee

Область сенсорных систем - это единственная область, где энергосбережение Bluetooth не просто не дотягивает до идеала, а не выдерживает даже самых минимальных требований. Речь здесь идёт не только об экономичной передаче данных, но и о более умном использовании энергии в остальное время.

Конкурирующий стандарт Zigbee, заметно отстающий от Bluetooth по скорости, позволяет сенсорным устройствам работать от одного аккумулятора по несколько лет.

В этом противоборстве стандартов ситуация простая: если Bluetooth, как обещают его разработчики, в ближайших спецификациях обгонит Zigbee по экономности, то рынок сенсорных систем можно считать захваченным, а если нет - Zigbee будет и дальше единолично занимать эту часть рынка.

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.