Все что нужно знать о технологии Bluetooth. Как разобраться в Bluetooth-версиях Максимальная скорость блютуз 4.0 достигает
Заходи и вспомни, как всё начиналось.
Как лично вы относитесь к проводам? Давайте обрисуем весьма неординарную и даже несколько забавную ситуацию.
Apple Watch подключаются к смартфону через Lightning-порт (без него не работают); у спортсмена нет выбора в чем слушать музыку - только провода, только хардкор; вся «умная» техника в доме работает только при подключения смартфона «по шнурку»…
Не слишком радужная перспектива, правда?
Страшный сон гаджетомана
А все это могло бы быть сегодняшней реальностью, если бы 20 лет назад крупные корпорации не задумались о создании единой технологии беспроводной передачи данных с незначительным радиусом действия - Bluetooth.
Пора объединяться
Над созданием единого стандарта беспроводной передачи данных сразу ряд производителей в лице Ericsson, Nokia, Intel, Toshiba и еще десятки других задумались. Объединив усилия и собрав в единую группу весь инженерный потенциал, 20 мая 1998 года вышеперечисленные компании официально вошли в так называемую группу SIG - Special Interest Group.
Цель этой «группы с общими интересами» заключалась во внедрении технологии беспроводной передачи данных Bluetooth . И самое главное - новая технология должна была стать унифицированной, поставив крест на путанице и совместимости устройств при необходимости беспроводного сопряжения.
Dell, Xircom, Motorola, Compaq, Qualcomm - все эти бренды очень скоро входят в состав SIG.
А уже сегодня состав SIG включает более 30 000 компаний со всего мира. Bluetooth уже давно воспринимается как данность и количество устройств, в которых интегрирован данный протокол беспроводной связи, не поддается подсчету.
Тем временем, приблизительное количество девайсов, поддерживающих Bluetooth-соединение, насчитывает около 8,2 млрд устройств.
Первый пошел: Bluetooth 1.0–1.2
В 98-м о ней мечтали многие бизнесмены
Первенцем беспроводного протокола стал анонсированный в 1998 году Bluetooth 1.0. Без недостатков и ошибок первая версия обойтись явно не могла.
Среди ключевых проблем - весьма нестабильный сигнал и постоянное прерывание соединения. Более того, производители стали отмечать отсутствие должной совместимости устройств. Например, две разных компании, выпустивших на рынок два совместимых друг с другом устройства, не могли быть уверены, что пользователь сможет подключить их посредством Bluetooth.
Ситуацию тут же бросились спасать и через год представили обновленный Bluetooth 1.0B. Стало лучше, но идеала было еще далеко. Bluetooth 1.0(B) требовал обязательной передачи адреса устройства, а значит говорить о какой-либо анонимности не было смысла. Это и стало главным недостатком протокола на стадии зарождения. В 2000 году состоялась презентация обновленного Bluetooth 1.1. Теперь пользователи могли определить уровень сигнала беспроводного соединения и передавать данные по нешифрованным каналам.
Легендарная Bluetooth 1.2 совместимая гарнитура от Motorola
Первым глобальным обновлением стал Bluetooth 1.2, получивший сразу ряд улучшений: от повышения скорости передачи данных (до 1 Мбит/с) и улучшения помехоустойчивости до поддержки профиля A2DP, впервые позволившего передавать стереозвук .
Пора взрослеть: Bluetooth 2.0 – 2.1 (EDR)
Мечта разработчика любителя - Bluetooth 2.0 модуль для Arduino
В 2004 году производители дождались Bluetooth 2.0. Среди нововведений этой версии:
- Увеличенная скорость передачи данных. Согласно документации, Bluetooth 2.0 обладал пропускной способность в 3 Мб/с, но практика - беспощадная вещь. Максимум, что можно было выжать из Bluetooth 2.0 - 2,1 Мб/с.
- Появление технологии EDR, которая и свидетельствовала о более совершенной версии протокола, прямо влияя на скорость.
- Дополнительная полоса пропускания для синхронного подключения нескольких устройств.
- Незначительное снижение энергопотребления.
Следующее обновление датируется 2007 годом. Три года инженеры работали над возможностью снижения прожорливости протокола по отношению к аккумулятору портативных устройств и вместе с Bluetooth 2.1 анонсировали новую технологию Sniff Subrating. Энергоэффективность нового «синезуба» возросла до 10 раз, а сопряжение устройств стало значительно проще.
В том же году выходит и технология NFC (Near Field Communication), отвечающая за должную защиту соединения.
Почти Wi-Fi: Bluetooth 3.0 + HS
Вот такие смарт-часы Link Dream были в 2009 году
21 апреля 2009 года был принят новый стандарт Bluetooth 3.0. В этот раз инженеры поставили перед собой цель значительного повышения скорости передачи данных. В теории получился показатель 24 Мбит/с.
Bluetooth 3.0 включал две версии радиосистемы: стандартную 2.0 (до 3 МБ/с) и совместимую с 802.11, высокоскоростную (до 24 МБ/с).
В зависимости от размера передаваемого файла меняется и версия радиосистемы. Несмотря на использование стандарта 802.11, Bluetooth 3.0 несовместим с любой спецификацией Wi-Fi.
Сидящий на диете: Bluetooth 4.0 – 4.2
iPhone 4s стал первым смартфоном, получившим поддержку Bluetooth 4.0
Третья версия Bluetooth продержалась всего год. Ряд производителей не успели основательно «подсесть» на новый стандарт, как 30 июня 2010 года SIG утверждает Bluetooth 4.0 - новое слово в жизни беспроводной технологии.
Главный акцент технологии - крайне низкое энергопотребление. Разработчики делали ставку на интеграцию Bluetooth 4.0 в миниатюрные гаджеты , датчики, сенсоры и прочие устройства, в которых невозможно разместить емкий аккумулятор.
В результате, Bluetooth 4.0 заработал совершенно по иному принципу. Вместо постоянной активности, он включается лишь в момент отправки или приема данных, существенно экономя заряд аккумулятора устройства.
Например, от батарейки CR2032 миниатюрный датчик может проработать в течение нескольких лет:
Радиус действия увеличен до 100 метров, скорость передачи данных, в угоду энергоэффективности, снижена 1 Мбит/с.
В течение последующих четырех лет Bluetooth 4.0 получил еще два обновления: 4.1 - с акцентом на совместимость с сетями LTE и 4.2 - с увеличенной пропускной скоростью (в 2,5 раза) и улучшенной безопасностью.
Bluetooth 5.0
История развития протокола продолжает создаваться прямо на наших глазах. 17 июня 2016 года SIG анонсировала новую спецификацию .
Для того, чтобы по достоинству оценить обновленную технологию понадобится немного времени. Первые устройства с Bluetooth 5.0 появятся не раньше конца этого начала следующего года, но уже сегодня разработчики пообещали:
- в 4 раза увеличенную скорость передачи данных по сравнению с версией 4.2
- двукратное увеличение дальности действия сигнала
- уменьшенное энергопотребление по сравнению с Wi-Fi модулями
Но самое интересное, что Bluetooth 5.0 получил приставку «Smart», а значит «интеллект» мобильных гаджетов станет еще более продвинутым. Радужное будущее только начинается!
Беспроводные Bluetooth-гарнитуры - это категория именно тех устройств, которые в течение 18 лет оставались двигателем развития технологии. Гарнитуры прошли эволюцию от низкокачественного трещащего звука с минимальным временем автономной работы до стильных имиджевых аксессуаров, по которым просто приятно разговаривать.
Наш выбор в сегменте Bluetooth-гарнитур:
- Отменный и кристальный звук с Plantronics Explorer 500
- Неповторимый дизайн и великолепное качество передачи голоса
Все современные смартфоны оснащаются Bluetooth четвертого поколения – какие-то получают версию 4.0, какие-то 4.1, а некоторые 4.2. Тем временем вышла пятая версия «синего зуба». В этой статье мы расскажем о ее преимуществах над Bluetooth 4.2 и как эти плюсы применят на практике.
В два раза быстрее
Данные через Bluetooth 5-ого поколения будут теперь передаваться на максимальной скорости 6,25 МБ/с – раньше было 3,125 МБ/с . Это все еще намного меньше, чем у проводных конкурентов:
- Apple Lightning – 60 МБ/c
- USB 2.0 – 60 МБ/с
- USB 3.0 – 625 МБ/с
- USB 3.1 – 1210 МБ/с
Но на то они и проводные!
В результате, увеличится скорость синхронизации умных часов со смартфоном, элементов интернета вещей друг с другом и с базой.
В четыре раза дальше
В помещениях радиус действия увеличился с 10 до 40 метров , на улице – с 50 до 200 метров .
Бегать на стадионе можно будет без смартфона в кармане. Оставьте его в рюкзаке, наденьте Bluetooth-наушники и бегите себе – в кармане не будет ничего болтаться. Может быть именно телефон мешал вам пробежать марафон! Правда, на 42 километра 195 метров с беспроводными наушниками не убежишь.
Возможно, Фабрегас не попадает в состав, потому что ему мешают наушники с Bluetooth 4.2
Для организации интернета вещей особенно важен увеличенный радиус действия. Если для квартир как-то хватало и старых версий Bluetooth, то в большом доме приходилось идти на компромиссы. Теперь же можно без проблем выставить какой-то элемент IoT во двор, подальше от остальных.
В восемь раз больше данных через широковещательные каналы
Широковещательные каналы нужны, чтобы интернет вещей работал со сторонними Bluetooth-устройствами без предварительного подключения. В таком режиме теперь можно передавать больше информации: 255 байт против 31 в Bluetooth 4.2.
Объясню на примере, зачем нужны широковещательные каналы. Представим современную больницу, в которой реализован интернет вещей. Человек заходит и ему через Bluetooth сразу прилетает информация, в какой кабинет ему нужно. Больше он ничего не может получить, потому что не подключен полноценно к больничному интернету вещей.
Объем этой информации – 31 байт, потому что используется Bluetooth 4.2. А с 5-ой версией человек получит еще имя доктора, примерное время ожидания и телефон главврача для жалоб – размер этих данных составляет уже 255 байт.
Расходует в 2,5 раза меньше энергии
Кажется, что с увеличенными показателями скорости и дальности действия Bluetooth 5 станет прожорливее. На деле же все ровно наоборот — новый стандарт гораздо экономичнее к потреблению энергии. Для смартфонов с батарейками по 3 000 мАч расход энергии Bluetooth 4.2 не был критичным. В случае же с умными часами прирост автономности может быть ощутимым, хотя, конечно, нужно проверять на практике.
Последовательная система подключения
Масштабировать интернет вещей станет проще благодаря новой последовательной системе подключения. Раньше каждый девайс соединялся с общим базовым, а теперь достаточно будет подключиться к соседнему элементу.
Вспоминаем физику!
Может, когда-то мы увидим городскую систему IoT не в рамках квартиры или дома, а целого района или даже города? И основана она будет на энергоэффективном и легко масштабируемом Bluetooth 5.
Почему ещё Bluetooth связывают с интернетом вещей? Дело в том, что элементы IoT слишком разрозненны: каждый производитель делает что-то (или вообще всё) по-своему. Bluetooth же – одна из вещей, которая их всех объединяет. Он используется практически во всех устройствах: телефонах, часах, ноутбуках, автомобилях и так далее.
Кстати, новый стандарт обратно совместим со старыми протоколами.
Когда ждать?
Да уже дождались. Вся необходимая документация для разработки девайсов и ПО с поддержкой Bluetooth 5 появилась на официальном сайте еще в начале года, а на днях вышли первые смартфоны с пятой версией «синего зуба» – .
Bluetooth 5 – это не революция ни в коем случае, а, скорее, эволюционное развитие технологии. В новом стандарте лишь улучшили показатели предыдущего, но ничего нового «синий зуб» делать не научили. Протокол 4.2 умеет все то же, что и Bluetooth 5, только хуже в несколько раз.
Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
Здравствуйте.
3 декабря 2014 года Bluetooth SIG официально анонсировала спецификацию bluetooth версии 4.2.
В пресс-релизе указаны 3 главных нововведения:
- увеличение скорости приема-передачи данных;
- возможность подключения к интернету;
- улучшение конфиденциальности и безопасности.
В этой статье я хочу рассказать, как реализованы эти 3 пункта. Кому интересно добро пожаловать.
Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…
1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских данных.
Самым главным недостатком у BLE была малая скорость передачи данных. Хотя с какой стороны посмотреть, ведь изначально BLE придумывали ради сохранения энергии источника, питающего устройство. А чтобы беречь энергию, надо с перерывами выходить на связь и передавать немного данных. Однако, все равно, весь интернет заполнен возмущениями о малой скорости и вопросами о возможности ее увеличения, а также увеличения размера передаваемых данных.
И вот с появлением версии 4.2, Bluetooth SIG заявил об увеличении скорости передачи в 2,5 раза и размера передаваемого пакета в 10 раз. Как же они этого добились?
Сражу скажу, что эти 2 цифры связаны друг с другом, а именно: скорость увеличилась потому, что увеличился размер передаваемого пакета.
Посмотрим на PDU (protocol data unit) канала данных:
Каждый PDU содержит 16-ти битный заголовок (header). Так вот, этот заголовок в версии 4.2 отличается от заголовка в версии 4.1.
Вот заголовок версии 4.1:
А вот заголовок версии 4.2:
Примечание: RFU (Reserved for Future Use) - поле, обозначенное этой аббревиатурой зарезервировано для будущего использования и заполняется нулями.
Как мы видим, последние 8 бит заголовка отличаются. Поле «Length» - это сумма длин полезных данных и поля MIC (Message Integrity Check), находящегося в PDU (если последнее включено).
Если в версии 4.1 поле «Length» имеет размер 5 бит, то в версии 4.2 это поле размером 8 бит.
Отсюда несложно вычислить, что поле «Length» в версии 4.1 может содержать значения в промежутке от 0 до 31, а в версии 4.2 в промежутке от 0 до 255. Если из максимальных значений вычесть длину поля MIC (4 октета), то получим, что полезных данных может быть 27 и 251 октет для версии 4.1 и 4.2 соответственно. На самом деле максимальное кол-во данных еще меньше, т.к. в полезной нагрузке находятся еще и служебные данные L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета), но это мы рассматривать не будем.
Таким образом размер передаваемых пользовательских данных увеличился приблизительно в 10 раз. Что же касается скорости, которая, почему-то, увеличилась не в 10 раз, а всего в 2.5 раза, то тут нельзя говорить о пропорциональном увеличении, потому, что все упирается еще и в гарантированность доставки данных, ведь гарантировать доставку 200 байт немного сложнее чем 20-ти.
2. Возможность подключения к интернету.
Пожалуй, самое интересное нововведение, из-за которого Bluetooth SIG и объявила, что версия 4.2 делает интернет вещей (IoT) лучше именно благодаря этой возможности.Еще в версии 4.1 в L2CAP появился режим «LE Credit Based Flow Control Mode». Этот режим позволяет управлять потоком данных, используя т.н. схему, основанную на кредите. Особенность схемы в том, что она не использует сигнальные пакеты, для обозначения кол-ва передаваемых данных, а запрашивает у другого устройства кредит на определенный объем данных для передачи, тем самым ускоряя процесс передачи. При этом, принимающая сторона каждый раз при получении фрейма, уменьшает счетчик фреймов, и при достижении последнего фрейма может разорвать соединение.
В списке команд L2CAP появилось 3 новых кода:
- LE Credit Based Connection request – запрос на соединение по схеме кредита;
- LE Credit Based Connection response – ответ на соединение по схеме кредита;
- LE Flow Control Credit – сообщение о возможности получить дополнительные LE-кадры.
В пакете «LE Credit Based Connection request»
есть поле «Initial Credits» длиной в 2 октета, указывающее на кол-во LE-фреймов, которое устройство может отправить на уровне L2CAP.
В ответном пакете «LE Credit Based Connection response»
в том же поле указано кол-во LE-фреймов, которое может отправить другое устройство, а также в поле «Result» указан результат запроса на соединение. Значение 0x0000 говорит об успехе, остальные значения указывают на ошибку. В частности, значение 0x0004 указывает на отказ в соединении из-за отсутствия ресурсов.
Таким образом уже в версии 4.1 появилась возможность передачи большого кол-ва данных на уровне L2CAP.
И вот, практически одновременно с выходом версии 4.2, публикуется:
- сервис: «IP Support Service» (IPSS) .
- профиль IPSP (Internet Protocol Support Profile) , который определяет поддержку передачи пакетов IPv6 между устройствами, имеющими BLE.
Профиль определяет следующие роли:
- роль маршрутизатора (Router) – используется для устройств, которые могут маршрутизировать IPv6 пакеты;
- роль узла (Node) – используется для устройств, которые могу только принимать или отправлять пакеты IPv6; имеют функцию обнаружения сервисов и имеют сервис IPSS, позволяющий маршрутизаторам обнаруживать данное устройство;
Устройства с ролью маршрутизатора, которым необходимо подключение к другому маршрутизатору могут иметь роль узла.
Как ни странно, но передача пакетов IPv6 не является частью спецификации профиля, и указывается в IETF RFC «Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy» . В этом документе опредлен еще один интересный момент, а именно то, что при передаче пакетов IPv6 используется стандарт 6LoWPAN - это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEE 802.15.4.
Посмотрите на рисунок:
В профиле определено, что IPSS, GATT и ATT используются только для обнаружения сервиса, а GAP используется только для обнаружения устройства и установки соединения.
А вот выделенное красным, как раз говорит о том, что передача пакетов не входит в спецификацию профиля. Это позволяет программисту написать свою реализацию передачи пакетов.
3. Улучшение конфиденциальности и безопасности.
Одной из обязанностей менеджера безопасности (Sequrity manager) (SM) является сопряжение двух устройств. В процессе сопряжения создаются ключи, которые затем используются для шифрования связи. Процесс сопряжения состоит из 3-х фаз:- обмен информацией о способах сопряжения;
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK));
- обмен ключами.
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK)) под названием «LE legacy pairing»
- генерация долговременных ключей (Long Term Key (LTK)) под названием «LE Secure Connections»
В связи с этим в криптографическом тулбоксе менеджера безопасности помимо 3-х существующих функций, появилось еще 5 и эти 5 используются только для обслуживания нового процесса сопряжения «LE Secure Connections». Эти функции генерируют:
- LTK и MacKey;
- подтверждающие переменные;
- переменные проверки аутентификации;
- 6-ти значные числа, используемые для отображения на связываемых устройствах.
Так вот, если при сопряжении во 2-й фазе по методу «LE legacy pairing» генерировалось 2 ключа:
- Temporary Key (TK): 128-ми битный временный ключ, используемый для генерации STK;
- Short Term Key (STK): 128-ми битный временный ключ, используемый для шифрования соединениЯ
- Long Term Key (LTK): 128-ми битный ключ, используемый для шифрования последующих соединениЙ.
- предотвращение отслеживания, т.к. теперь за счет «Numeric Comparison» есть возможность контролировать возможность подключения к Вашему устройству.
- улучшение энерго-эффективности, т.к. теперь не требуется дополнительная энергия для повторных генераций ключей при каждом соединении.
- отраслевой стандарт шифрования для обеспечения конфиденциальных данных.
4. Есть ли уже возможность пощупать?
Да, есть.
NORDIC Semiconductor выпустил «nRF51 IoT SDK» который включает в себя стек, библиотеки, примеры и API для устройств серии nRF51. Сюда входят:
- чипы nRF51822 и nRF51422;
- nRF51 DK;
- nRF51 Dongle;
- nRF51822 EK.
Читая описания характеристик мобильных телефонов, смартфонов, планшетов и прочих гаджетов, мы постоянно сталкиваемся с различными номерами версий Bluetooth – 2.1 + EDR, 3.0, 4.0. Чем же отличаются эти протоколы, и нужна ли нам самая последняя версия Bluetooth?
Для начала, Bluetooth – это протокол обмена данными на небольших расстояниях. Если сравнивать его с Wi-Fi, то скорость его ниже, а радиус действия заметно меньше, но есть и плюсы – более низкое энергопотребление и более быстрое «спаривание» устройств.
Перейдем к номерам версий. Первая версия (1.0) этого протокола появилась на свет в далеком 1998 году, и на данный момент настолько устарела, что ни одно из современных устройств эту версию уже не использует.
Следующая версия с номером 1.2 еще вполне может встретиться в некоторых сегодняшних устройствах. Например, некоторые дешевые китайские гарнитуры вполне до сих пор могут работать с этой версией протокола. Скорость обмена протокола Bluetooth 1.2 может достигать 721 Кбит/с, уже присутствует возможность быстрого спаривания и есть поддержка анонимности устройств в сети. С помощью Bluetooth 1.2 можно передавать множество типов данных, таких как речь, файлы, сервисную информацию и т.д.
Серьезным изменением в протоколе Bluetooth стало появление технологии EDR – Enhanced Data Rate (улучшенная скорость передачи данных). Благодаря этой технологии скорость обмена возросла до 3 Мбит/с (теоретически, а на практике скорость составляет около 1.5-2 Мбит/с).
Технология EDR присутствует в двух версиях Bluetooth – 2.0 и 2.1. Разница между этими версиями в различных технологиях энергосбережения. В версии 2.1 была добавлена энергосберегающая технология (Sniff Subrating) которая уменьшила энергопотребление в несколько раз. Кроме того была улучшена безопасность и скорость идентификации устройств, а также появилась возможность обновления ключа шифрования без разрыва соединения.
Bluetooth 2.1 – это наиболее распространенная версия стандарта. С этой версией протокола совместимо большинство устройств на современном рынке – обычные телефоны, навигаторы, медиацентры, беспроводные мыши, гарнитуры и прочие подобные устройства как правило работают именно с версией 2.1 + EDR. Так что если вы сейчас смотрите диплом на сайте http://zachteno.ru/ и при этом пользуетесь беспроводной Bluetooth мышкой, то она скорее всего использует протокол версии 2.1 + EDR.
В 2009 году появился новый стандарт Bluetooth 3.0 в котором присутствует высокоскоростная (HS, High Speed) передача данных со скоростью до 24 Мбит/с. На практике, устройства с Bluetooth 3.0 + HS имеют на борту сразу два модулями – Bluetooth 2.1 + EDR (с обычной скоростью до 3 Мбит/с) и модулем, передающим данные по протоколу 802.11 (аналогичному Wi-Fi), который уже обеспечивает высокую скорость. При этом непосредственной совместимости с Wi-Fi нет, и для работы со стандартными Wi-Fi сетями устройству требуется отдельный модуль.
В 2010 году с появлением протокола Bluetooth 4.0 был ликвидирован основной недостаток технологии HS, а именно относительно высокое энергопотребление. На текущий момент все старшие смартфоны поддерживают именно эту версию протокола Bluetooth. Большинство свежих моделей планшетов и многие современные ультрабуки и ноутбуки также имеют на борту чип Bluetooth 4.0.
Таким образом, ориентироваться на конкретную версию Bluetooth следует только в тех случаях, когда какое-либо конкретное устройство может полностью реализовать свои функции только с определенным протоколом. Примером такого устройства могут служить некоторые «умные часы» работающие совместно со смартфоном и выводящие на экран различную информацию, полученную от смартфона.
В остальном, большинство периферии, поддерживает версию Bluetooth 2.1 + EDR и более старшие версии протокола таким устройства не нужны. Если вам требуется высокоскоростная передача данных, то вместо поддержки Bluetooth 3.0 или 4.0 на своих устройствах, возможно стоит задуматься об использовании Wi-Fi, поскольку многие современные модели гаджетов поддерживают Wi-Fi Direct в котором скорость передачи заметно выше.
(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)