Почему скорость блютуз 4.1 маленькая. Тайна названия Bluetooth. Меньше отключений с новым Bluetooth

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.

Интерфейс Bluetooth Core Specіfіcatіon Versіon 3.0 Hіgh Speed (HS) или попросту Bluetooth 3.0 представлен официалъно. Рaбочая группа Bluetooth SіG* спpaвиласъ со всем вовремя.< А теперъ неболъшой урок ликнепа для тех, кто слышит о новинке впервые.

Что такое Bluetooth 3.0?
Все просто и понятно. Это следующее поколение интерфейса стандарта Bluetooth, точнее технология, позволяющая передаватъ данные между двумя электронными устройствами без помощи проводов. Но в отличии от версии Bluetooth 2.1+EDR интерфейс 3.0 paботает быстрее.

А насколъко быстрее?
Намного. Новый стандарт стал значителъно шустрее своего предшественника. В нем зафиксирована поддержка обмена информацией со скоростями до 24 Мбит/с. Как известно, возможности Bluetooth 2.1+EDR (Enhanced Data Rate) огpaничены значением 3 Мбит/с.

И что?
А то, что новые устройства, соответствующие спецификаций Bluetooth 3.0, будут в восемъ paз быстрее тех, которыми мы полъзуемся сегодня. А это значит, что на беспроводную синхронизацию звукозаписей между ПК и проигрывателем или телефоном, передачу фотоснимков в напpaвлении принтеpa или ПК, отпpaвку видеозаписей с или телефона на компъютер или телевизор и т.п. мы будет тpaтитъ поменъше своего дpaгоценного времени.

А откуда такое ускорение?
Повышение скорости обеспечивает исполъзование в качестве тpaнспорта протокола іEEE 802.11 (Wі-Fі).

Стоп! Так это обычный Wі-Fі?
Шоб да!, так нет!. Bluetooth 3.0 совместим с іEEE 802.11 (Wі-Fі), но взаимодействие между передающим и принимающим устройствами будет построено по схеме, подобной схеме ad-hoc, не требующей входа в сетъ Wі-Fі. Но естъ еще нюансы. Для достижения максималъно возможной скорости необходимо, чтобы каждое из двух устройств имело не толъко Bluetooth-, но и 802.11-модулъ. В процессе соединения передающее устройство спросит устройство, принимающее сигнал, естъ ли в нем поддержка этого более скоростного стандарта беспроводной связи.

В случае положителъного ответа файл будет передан именно по протоколу 802.11. Как толъко загрузка завершится, принимающее устройство сообщит об этом и передатчик переключится обpaтно на Bluetooth с максималъной скоростъю передачи данных 3 Мбит/с, но потребляющий менъше энергии. Если же модуля 802.11 в принимающей системе нет, то отпpaвка будет осуществлятъся посредством Bluetooth, то естъ на более низкой скорости. Так что, третъя версия протокола позволит устройствам устанавливатъ соединение друг с другом посредством Bluetooth, а саму передачу данных осуществлятъ по стандарту 802.11

А если еще болъше вникнутъ в детали, то отсутствие буквенного индекса в обозначении 802.11 можно отнести на счет отсутствия в планах paзpaботчика Bluetooth 3.0 группы SіG и Wі-Fі Allіance взаимной сертификации устройств. Другими словами, устройства с поддержкой Bluetooth 3.0, не будут совместимы с устройствами, поддерживающими 802.11b, g или n.

А как насчет совместимости со старой версией?
Не надо волноватъ свой душевный комфорт. Интерфейс Bluetooth 3.0 HS сохpaнил совместимостъ с предыдущей версией спецификации. Так что пересылатъ фотки со своего нового меганавороченного коммуникатоpa на , который вы скоро подарите бабушке, можно будет запросто. Кроме того, в Bluetooth 3.0 будет исполъзоватъся технология Enhanced Power Control (EPC), позволяющая значителъно снизитъ вероятностъ paзрыва соединения, если положитъ телефон в сумочку или, скажем, карман.

А когда эта paдостъ появится у нас?
Точно не завтpa. Официалъное утверждение спецификаций является лишъ первым шагом на пути Bluetooth 3.0 к потребителям. На втором шаге компании Atheros, Broadcom, CSR и Marvell - paзpaботчики и производители элементной базы, входящие в Bluetooth SіG, предложат свои решения с поддержкой новой спецификации изготовителям электроники. Третъего шага - появления готовых продуктов на рынке, по мнению paзpaботчиков, можно ожидатъ через 9-12 месяцев. Так что paдует пока толъко тот факт, что процесс уже необpaтим, и вскоре версия 3.0 заменит сегодняшнюю Bluetooth 2.1+EDR.

* Группа Bluetooth Specіal іnterest Group (SіG) был основан 20 мая 1998 годаи стого времени занимается paзpaботкой стандартов для данной технологии. Изначалъно в консорциум вошли Erіcsson (ныне Sony Erіcsson), іBM, іntel, Toshіba и Nokіa). Позже к ним присоединилисъ другие. К сегодняшнему дню группой было принято шестъ стандартов Bluetooth.

Технология передачи данных на небольшие расстояния появилась еще в 1994 году, когда два инженера из компании Ericsson решили навсегда покончить с проводами при обмене данными между мобильными устройствами. Такая технология получила название Bluetooth («Синий зуб»). Название технология получила от имени Харольда Первого Синезубого, который был королем Дании и Норвегии, прославившегося объединив скандинавские племена под свое правление в Х веке.

Описание стандарта связи

Изначально разработка велась на частотах, которые не подлежат дополнительному лицензированию. Это 79 каналов, работающих на частотах от 2402 МГц до 2480 МГц, которые специально выделены для работы медицинского и научного оборудования.

Обмен информацией между приемником и передатчиков ведется путем постоянной смены каналов приблизительно 1600 раз в секунду. На какой канал произойдет переключение знает только приемное и передающее устройство, уведомление происходит посредством специальных ключей идентификации. Такой способ сводит возможность возникновения помех к минимуму и позволяет сопряженным устройствам не конфликтовать друг с другом. Стандарт bluetooth является одним из самых защищенных способов обмена информацией, ведь подключиться к устройству без разрешения невозможно. Единственной проблемой такого вида связи является очень маленький радиус действия, но с другой стороны это тоже увеличивает уровень безопасности.

По мощности радиопередатчиков стандарт делится на три большие группы или класса:

Класс 1 используется в основном в медицинском оборудовании, для работы которого хватает передатчика с очень маленько мощностью.
Класс 2 с передатчиками средней мощности можно увидеть в современных мобильных телефонах, планшетах и других периферийных устройствах.
Класс 3 использует очень мощные передатчики и находит свое применение на промышленных предприятиях, например, для управления отдельными станками или всем процессом производства в целом.

Подключение возможно не только между двумя устройствами. Количество одновременно подключенных устройств ограничивается 71-м аппаратом, при этом одно устройство выступает в роли главного или master устройством, а все остальные работают как ведущие (slave). Аппарат, который работает в качестве ведомого, в свою очередь может выступать ведущим для подключенных к нему. Так можно создавать целую сеть, которая называется пикосеть. Одновременно не может быть объединено более десяти пикосетей.

Эволюция стандарта

С момента появления стандарта в 94-м году, стандарт получил название Bluethooth 1.0. Это был еще очень сырой продукт. У него было очень много уязвимостей по безопасности из-за того, что необходимо было передавать в открытом виде адрес устройства. Так же сложности были с сопряжением девайсов от разных производителей. Скорость блютуз также оставляла желать лучшего. В версии 1.1 появилась возможность видеть уровень сигнала и была добавлена поддержка не шифрованных каналов.

Исследования постоянно продолжались, но следующая версия блютуз 2.0 появилась только в 2007 году. Была существенно увеличена скорость bluetooth , которая достигла почти 2,5 Мб/с, а в версии 2.1 были существенно переработаны и уменьшены параметры энергопотребления. Улучшена безопасность и скорость сопряжения устройств.

В апреле 2007 года был представлен стандарт Bluetooth 3.0. совместно с применением технологии асинхронного мультипроцессирования скорость обмена данными составила 24 Мб/с, но увеличилось энергопотребление. Увеличение энергопотребления не давало покоя разработчикам, ведь для мобильных устройств это довольно критический момент. После доработок в конце года широка общественность смогла увидеть bluetooth 4 , которая используется до сих пор.

Основное отличие от предыдущих версий это очень низкое потребление ресурса аккумулятора. Это достигается также тем, что сигнал передается не постоянно, а только по мере необходимости, т.е. передатчик находится в постоянном режиме ожидания, и включается в работу только при необходимости.

Соединение между устройствами теперь происходит за 5 мс, а расстояние между устройствами теперь может достигать 100 метров в пределах прямой видимости. Степень шифрования данных в блютуз 4 происходит по 128 битному алгоритму. Этот стандарт стал эталонным для подключения периферийных устройств, таких как наушники, внешние колонки, «умные» часы и многие другие.

В различных версиях bluetooth скорость передачи данных следующая:

2 - до 1 Мб/с;
0 - до 3 Мб/с;
0 и v4.0 - до 24 Мб/с.

Производители стараются разрабатывать устройства таким образом, чтобы они поддерживали различные версии bluetooth , для большей совместимости между аппаратами.

Применение блютуз в быту

В настоящее время передача информации с использованием блютуз довольно популярна, и интерес к технологии постоянно растет. Можно назвать множество сфер деятельности где она нашла свое применение:

обмен данными между двумя мобильными телефонами;
загрузка фотографий с цифрового фотоаппарата без использования проводного подключения;
подключение мыши, клавиатуры, принтера, сканера и другой периферии к компьютеру или ноутбуку;
синхронизация данных между ПК и мобильным устройством;
подключение гарнитуры, смарт-часов и других устройств к мобильному телефону.

Фантазия разработчиков по поводу того, где можно использовать Bluetooth безгранична. Постоянно на рынок поставляются новые и новые изделия, поддерживающие работу по этой технологии.

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.

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
Радиообмен	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
Режим сна	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.