Что такое Bluetooth. Bluetooth v4.2: что же действительно нового и как это работает

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.

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.

Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…

1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских 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.

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.

• 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?

• чипы nRF51822 и nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 Dongle;
• nRF51822 EK.

Интересным словом Bluetooth называют протокол для обмена информацией на небольших расстояниях. Зона покрытия у него по сравнению с Wi-Fi довольно скромная (максимум 100 метров, и то в лучшем случае, если у вас последняя версия), да и скорость передачи данных невысока. Но эти минусы компенсируются низким энергопотреблением и высокой скоростью соединения (т. н. спаривания) телефонов.

Bluetooth - весьма старая технология на IT-рынке; первая версия (1.0) появилась на свет в далеком 1998 году. На данный момент она считается морально устаревшей, и ни в одном устройстве, имеющемся в продаже, не используется.

Версии Bluetooth

Следующая версия протокола - 1.2 - ныне тоже считается устаревшей, однако она верой и правдой служила пользователям телефонов гораздо дольше. Ее и сейчас можно встретить в некоторых дешевых мобильных устройствах китайского производства. Максимальная скорость передачи данных Bluetooth 1.2 составляет 721 Кбит/сек. Телефоны спариваются гораздо быстрее, находиться в сети можно анонимно. Данная версия протокола позволяет передавать не только музыку и картинки, но и другие виды файлов, а также сервисные данные.

Появление технологии EDR, или Enhanced Data Rate, стало следующим шагом в развитии Bluetooth, причем довольно большим. Скорость передачи данных в теории возросла до 3 Мбит/сек, хотя на практике выше 2 Мбит/сек она обычно не поднималась. Эту технологию поддерживают две версии блютуз - 2.0, выпущенная в 2004 году, и 2.1, появившаяся на свет в 2007-м. Они практически полностью идентичны, отличаются лишь технологиями энергосбережения.

С Bluetooth 2.1 совместимы практически все имеющиеся в продаже мобильные телефоны, навигаторы, гарнитуры и др. устройства. Энергопотребление по сравнению с предыдущими версиями протокола упало почти в 10 раз, что сделало возможным массовое производство компактных гарнитур.

Блютуз версии 3.0 появился в 2009 году, и с его появлением стала возможной передача информации с гораздо большей скоростью, чем раньше (технология HS, или High Speed). Совместимые с Bluetooth 3.0 + HS устройства оснащаются 2.1 + EDR (до 3 Мбит/сек), а также вторым модулем, который работает аналогично вайфаю и обеспечивает скорость до 24 Мбит/сек. Несмотря на похожий принцип работы, совместимости непосредственно с Wi-Fi нет.

Технология HS при всех своих достоинствах имела один серьезный недостаток - высокое энергопотребления. Однако уже в 2010 году, когда появилась Bluetooth 4.0 , он был исправлен. Чип этой версии присутствует во всех топовых смартфонах и планшетах, а также в большинстве ультрабуков. Передавать данные можно на расстоянии до 100 метров со скоростью до 30 Мбит/сек.

Стоит, однако, отметить, что не все возможности данного стандарта Bluetooth являются обязательными. Так, возможность длительной автономной работы (функция Bluetooth Low Energy ) поддерживается только самыми новыми устройствами.

Большинство периферийных устройств, таких как гарнитуры, навигаторы и пр., поддерживает Bluetooth 2.1 + EDR, так что если ваш аппарат поддерживает ту же версию, все будет в порядке. Хотя некоторые устройства могут поддерживать другие версии протокола. Так, отладочные часы Texas Instruments MetaWatch, отображающие на дисплее разнообразную информацию о смартфоне, поддерживают Bluetooth 4.0. Чтобы все работало, ваш аппарат должен поддерживать ту же версию.

Если для вас важна высокоскоростная передача информации, тогда вам нужен Bluetooth версии 3.0 или 4.0 на обоих аппаратах. Хотя высокой скорости передачи данных можно добиться и за счет технологии NFC (функция S Beam в новых Samsung’овских смартфонах). Да и Wi-Fi Direct во многих случаях использовать целесообразнее, ведь эта функция поддерживается многими устройствами на базе ОС Android 4.0, а скорость передачи по сравнению с Bluetooth намного выше.

Bluetooth профили

С версиями Bluetooth разобрались; у каждой свои особенности - не спутаешь. И также не стоит путать версии блютуза с профилями. Профилем называют определенную активность, которая возможна на различных версиях протокола.

Профиль A2DP предусматривает возможность передачи файлов и стереозвука, которая доступна в версии Bluetooth 1.2 и выше. Однако каждый конкретный аппарат может располагать своим набором профилей, так что какие-то действия, даже учитывая свежую версию блютуза, могут оказаться недоступными. Так, смартфоны на базе ОС Windows не поддерживают обмен информацией посредством Bluetooth, и пользователю придется прибегнуть к некоторым хитростям, если он желает задействовать эту возможность протокола.

С овременные смартфоны и другие устройства, рекламируют поддержку «Bluetooth 5.0» в своем списке спецификаций. Вот что нового в последней и самой лучшей версии Bluetooth.

Что такое Bluetooth?

Bluetooth 5.0 является последней версией стандарта беспроводной связи Bluetooth. Он обычно используется для беспроводных наушников и другого аудиооборудования, а также для беспроводных клавиатур, мышей и игровых контроллеров. Bluetooth также используется для связи между различными устройствами умного дома и Интернета вещей (IoT).

Новая версия стандарта Bluetooth означает различные улучшения, но только при использовании с совместимыми периферийными устройствами. Другими словами, Вы не увидите никакой выгоды от обновления телефона с Bluetooth 5.0, если все Ваши аксессуары Bluetooth были разработаны для более старой версии Bluetooth. Однако Bluetooth обладает обратной совместимостью, поэтому Вы можете продолжать использовать существующие Bluetooth 4.2 и более старые устройства с телефоном Bluetooth 5.0. И когда Вы покупаете новые периферийные устройства с поддержкой Bluetooth 5.0, они будут работать лучше благодаря Вашему телефону с Bluetooth 5.0.

Низкое энергопотребление Bluetooth для беспроводных наушников (и многое другое)

Важно отметить, что все усовершенствования Bluetooth относятся к спецификации Bluetooth Low Energy, которая была введена с Bluetooth 4.0, а не к классическому Bluetooth-радио, которое использует больше энергии. Технология Bluetooth Low Energy предназначена для снижения энергопотребления периферийных устройств Bluetooth. Первоначально он использовался для носителей, маяков и других маломощных устройств, но имел некоторые серьезные ограничения.

Например, беспроводные наушники не могли общаться через Bluetooth Low Energy, поэтому вместо этого им пришлось использовать более мощный голосовой стандарт Bluetooth. С Bluetooth 5.0 все аудиоустройства обмениваются данными по Bluetooth Low Energy, что означает снижение потребления энергии и увеличение срока службы батареи. В будущем многие другие типы устройств смогут связываться с Bluetooth Low Energy.

Примечательно, что AirPods от Apple не используют Bluetooth 5.0. Они используют Bluetooth 4.2 и специальный чип Apple W1 для улучшения соединения. На Android Bluetooth 5.0 должен помочь сделать Bluetooth-наушники чем-то, что Вы хотите использовать.

Dual Audio

Bluetooth 5.0 также обеспечивает отличную новую функцию, позволяющую одновременно воспроизводить звук на двух подключенных устройствах. Другими словами, у Вас могут быть две пары беспроводных наушников, подключенные к Вашему телефону, и они одновременно передают звук обоим из них через стандартный Bluetooth. Или Вы можете воспроизводить аудио на двух разных динамиках в разных комнатах. Вы могли бы одновременно передавать два разных аудиоисточника на два разных аудиоустройства одновременно, поэтому два человека могли слушать две разные части музыки, но транслировались бы они с одного телефона.

Эта функция называется «Dual Audio» на Samsung Galaxy S8. Просто подключите два аудиоустройства Bluetooth к Вашему телефону, включите функцию Dual Audio, и Вы готовы к работе. Однако это не должно быть функцией Samsung. Он включен Bluetooth 5.0 и, как мы надеемся, появится на устройствах других производителей.

Больше скорости, расстояния и пропускной способности

Основными преимуществами Bluetooth 5.0 являются улучшенная скорость и больший диапазон. Другими словами, он работает быстрее и может работать на больших расстояниях, чем более старые версии Bluetooth.

Когда Вы его получите?

Сегодня Вы можете получить устройства, поддерживающие Bluetooth 5.0, такие как iPhone 8 и 8 Plus, iPhone X, Samsung Galaxy S8 и S9 и будущие телефоны Android. Однако, Вам также понадобятся Bluetooth 5.0. Они еще не получили широкого распространения, но многие производители обещают выпускать устройства Bluetooth 5.0 в 2018 году.

Поскольку Bluetooth поддерживает обратную совместимость, Ваши Bluetooth 5.0 и более старые устройства Bluetooth будут работать вместе. Это немного похоже на переход на новый, более быстрый стандарт Wi-Fi. Даже после того, как Вы получите новый маршрутизатор, поддерживающий более быстрый Wi-Fi, Вам также необходимо обновить все остальные устройства. Но Ваши более старые устройства с поддержкой Wi-Fi все еще могут подключаться к Вашему новому маршрутизатору, причем на более медленной скорости, чем маршрутизатор поддерживает.

Если Вы можете получить доступ к телефону Android с Bluetooth 5.0 и наушникам с Bluetooth 5.0, у Вас, скорее всего, будет намного лучший беспроводной звук, чем у старого стандарта Bluetooth.

Пользователи iPhone могут получить хороший опыт работы с собственными наушниками AirPods или Beats от Apple благодаря чипу W1, но теперь на Android получить хороший Bluetooth-звук. Bluetooth 5.0 должен даже улучшить беспроводные наушники на iPhone, если Вы решите перейти на сторонние наушники Bluetooth 5.0 вместо наушников Apple с чипом W1.

Однако мы не рекомендуем обновлять каждую мелочь. Даже если у Вас ноутбук с поддержкой Bluetooth 5.0, например, обновление мыши с поддержкой Bluetooth 5.0, вероятно, не будет большим улучшением. Но, поскольку поддержка Bluetooth 5.0 находит свое отражение в каждом новом устройстве Bluetooth, Bluetooth-периферия станет лучше, а Bluetooth станет более надежным и энергоэффективным.