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.

Главный тезис пресс-релиза: версия 4.2 - идеальна для интернета вещей (IoT).
В этой статье я хочу рассказать, как реализованы эти 3 пункта. Кому интересно добро пожаловать.

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

1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских данных.

Самым главным недостатком у BLE была малая скорость передачи данных. Хотя с какой стороны посмотреть, ведь изначально BLE придумывали ради сохранения энергии источника, питающего устройство. А чтобы беречь энергию, надо с перерывами выходить на связь и передавать немного данных. Однако, все равно, весь интернет заполнен возмущениями о малой скорости и вопросами о возможности ее увеличения, а также увеличения размера передаваемых данных.

И вот с появлением версии 4.2, Bluetooth SIG заявил об увеличении скорости передачи в 2,5 раза и размера передаваемого пакета в 10 раз. Как же они этого добились?

Сражу скажу, что эти 2 цифры связаны друг с другом, а именно: скорость увеличилась потому, что увеличился размер передаваемого пакета.

Посмотрим на PDU (protocol data unit) канала данных:


Каждый PDU содержит 16-ти битный заголовок (header). Так вот, этот заголовок в версии 4.2 отличается от заголовка в версии 4.1.

Вот заголовок версии 4.1:

А вот заголовок версии 4.2:

Примечание: RFU (Reserved for Future Use) - поле, обозначенное этой аббревиатурой зарезервировано для будущего использования и заполняется нулями.

Как мы видим, последние 8 бит заголовка отличаются. Поле «Length» - это сумма длин полезных данных и поля MIC (Message Integrity Check), находящегося в PDU (если последнее включено).
Если в версии 4.1 поле «Length» имеет размер 5 бит, то в версии 4.2 это поле размером 8 бит.

Отсюда несложно вычислить, что поле «Length» в версии 4.1 может содержать значения в промежутке от 0 до 31, а в версии 4.2 в промежутке от 0 до 255. Если из максимальных значений вычесть длину поля MIC (4 октета), то получим, что полезных данных может быть 27 и 251 октет для версии 4.1 и 4.2 соответственно. На самом деле максимальное кол-во данных еще меньше, т.к. в полезной нагрузке находятся еще и служебные данные L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета), но это мы рассматривать не будем.

Таким образом размер передаваемых пользовательских данных увеличился приблизительно в 10 раз. Что же касается скорости, которая, почему-то, увеличилась не в 10 раз, а всего в 2.5 раза, то тут нельзя говорить о пропорциональном увеличении, потому, что все упирается еще и в гарантированность доставки данных, ведь гарантировать доставку 200 байт немного сложнее чем 20-ти.

2. Возможность подключения к интернету.

Пожалуй, самое интересное нововведение, из-за которого Bluetooth SIG и объявила, что версия 4.2 делает интернет вещей (IoT) лучше именно благодаря этой возможности.

Еще в версии 4.1 в L2CAP появился режим «LE Credit Based Flow Control Mode». Этот режим позволяет управлять потоком данных, используя т.н. схему, основанную на кредите. Особенность схемы в том, что она не использует сигнальные пакеты, для обозначения кол-ва передаваемых данных, а запрашивает у другого устройства кредит на определенный объем данных для передачи, тем самым ускоряя процесс передачи. При этом, принимающая сторона каждый раз при получении фрейма, уменьшает счетчик фреймов, и при достижении последнего фрейма может разорвать соединение.

В списке команд L2CAP появилось 3 новых кода:
- LE Credit Based Connection request – запрос на соединение по схеме кредита;
- LE Credit Based Connection response – ответ на соединение по схеме кредита;
- LE Flow Control Credit – сообщение о возможности получить дополнительные LE-кадры.

В пакете «LE Credit Based Connection request»


есть поле «Initial Credits» длиной в 2 октета, указывающее на кол-во LE-фреймов, которое устройство может отправить на уровне L2CAP.

В ответном пакете «LE Credit Based Connection response»


в том же поле указано кол-во LE-фреймов, которое может отправить другое устройство, а также в поле «Result» указан результат запроса на соединение. Значение 0x0000 говорит об успехе, остальные значения указывают на ошибку. В частности, значение 0x0004 указывает на отказ в соединении из-за отсутствия ресурсов.

Таким образом уже в версии 4.1 появилась возможность передачи большого кол-ва данных на уровне L2CAP.
И вот, практически одновременно с выходом версии 4.2, публикуется:

• сервис: «IP Support Service» (IPSS) .
• профиль IPSP (Internet Protocol Support Profile) , который определяет поддержку передачи пакетов IPv6 между устройствами, имеющими BLE.

Главным требованием профиля для уровня L2CAP является «LE Credit Based Connection» появившееся в версии 4.1, которое, в свою очередь позволяет передавать пакеты с MTU >= 1280 октетов (надеюсь намек на цифру понятен).

Профиль определяет следующие роли:
- роль маршрутизатора (Router) – используется для устройств, которые могут маршрутизировать IPv6 пакеты;
- роль узла (Node) – используется для устройств, которые могу только принимать или отправлять пакеты IPv6; имеют функцию обнаружения сервисов и имеют сервис IPSS, позволяющий маршрутизаторам обнаруживать данное устройство;

Устройства с ролью маршрутизатора, которым необходимо подключение к другому маршрутизатору могут иметь роль узла.

Как ни странно, но передача пакетов IPv6 не является частью спецификации профиля, и указывается в IETF RFC «Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy» . В этом документе опредлен еще один интересный момент, а именно то, что при передаче пакетов IPv6 используется стандарт 6LoWPAN - это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEE 802.15.4.

Посмотрите на рисунок:


В профиле определено, что IPSS, GATT и ATT используются только для обнаружения сервиса, а GAP используется только для обнаружения устройства и установки соединения.

А вот выделенное красным, как раз говорит о том, что передача пакетов не входит в спецификацию профиля. Это позволяет программисту написать свою реализацию передачи пакетов.

3. Улучшение конфиденциальности и безопасности.

Одной из обязанностей менеджера безопасности (Sequrity manager) (SM) является сопряжение двух устройств. В процессе сопряжения создаются ключи, которые затем используются для шифрования связи. Процесс сопряжения состоит из 3-х фаз:

• обмен информацией о способах сопряжения;
• генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK));
• обмен ключами.

В версии 4.2 2-я фаза разделилась на 2 части:

• генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK)) под названием «LE legacy pairing»
• генерация долговременных ключей (Long Term Key (LTK)) под названием «LE Secure Connections»

А 1-я фаза добавилась еще одним способом сопряжения: «Numeric Comparison» который работает только со вторым вариантом 2-й фазы: «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.

Все функции используют алгоритм шифрования AES-CMAC с 128-ми битным ключом.

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

то по методу «LE Secure Connections» генерируется 1 ключ:

• Long Term Key (LTK): 128-ми битный ключ, используемый для шифрования последующих соединениЙ.

Результатом этого нововведения мы получили:

• 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.

Как это ни странно звучит, но за счет улучшения безопасности мы получили улучшение энерго-эффективности.

4. Есть ли уже возможность пощупать?

Да, есть.
NORDIC Semiconductor выпустил «nRF51 IoT SDK» который включает в себя стек, библиотеки, примеры и API для устройств серии nRF51. Сюда входят:

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

По

Одна из устойчивых тенденций развития мобильных устройств - совершенствование средств беспроводных коммуникаций, которые обеспечивают возможность соединения с Интернетом, локальной сетью, а также c различным периферийным оборудованием (наушниками, гарнитурами, акустическими системами, принтерами и т.д.) и другими расположенными поблизости гаджетами. Технологии беспроводной связи, как, впрочем, и других компонентов мобильных устройств, - постоянно развиваются. Появляются новые версии спецификаций, увеличивается пропускная способность, расширяется набор функций и т.д. Благодаря этому обеспечивается качественное развитие, без которого немыслим технический прогресс. Впрочем, у прогресса есть и оборотная сторона: с каждым годом пользователям становится всё сложнее разобраться с тем, в чем же заключается различие разных моделей.

Обычно из краткого описания мобильного устройства можно почерпнуть лишь названия беспроводных интерфейсов, которыми оно оборудовано. В подробной спецификации, как правило, есть дополнительные сведения, в частности версии беспроводных интерфейсов (к примеру, Wi-Fi 802.11b/g/n и Bluetooth 2.1). Однако и этого далеко не всегда достаточно для того, чтобы в полной мере оценить возможности беспроводных коммуникаций рассматриваемого устройства. Например, чтобы понять, будет ли работать то или иное периферийное устройство, подключаемое по Bluetooth, с имеющимся в вашем распоряжении смартфоном или планшетом.

В данной статье мы расскажем о различных нюансах, на которые необходимо обратить внимание при оценке возможностей устройств, оборудованных интерфейсом Bluetooth.

Сфера применения

Беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, получивший название Bluetooth, был разработан в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. Начиная с 1998-го развитием и продвижением данной технологии занимается организация Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), основанная компаниями Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. К настоящему времени список членов Bluetooth SIG включает более 13 тыс. компаний.

Внедрение интерфейса Bluetooth в потребительских устройствах для массового рынка началось в первой половине минувшего десятилетия. В настоящее время встроенными адаптерами Bluetooth оснащаются многие модели портативных ПК и мобильных устройств. Кроме того, в продаже представлен широкий ассортимент периферийных устройств (беспроводных гарнитур, манипуляторов, клавиатур, акустических систем и т.д.), оборудованных этим интерфейсом.

Основной функцией Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Главными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет встраивать его даже в малогабаритные устройства с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования освобождены от выплаты лицензионных отчислений за установку в своих изделиях приемопередатчиков Bluetooth.

Подключение устройств

Посредством интерфейса Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка - точка», во втором - по схеме «точка - многоточка». Независимо от схемы соединения одно из устройств является ведущим (master), остальные - ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств (рис. 1 и 2). Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Рис. 1. Схема пикосети,
объединяющей два устройства

Рис. 2. Схема пикосети,
объединяющей несколько устройств

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (рис. 3). Пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Рис. 3. Схема распределенной сети, включающей три пикосети

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Отметим, что на практике потребность в создании распределенной сети возникает редко. При нынешней степени интеграции аппаратных компонентов сложно представить себе ситуацию, когда владельцу смартфона или планшета потребовалось бы подключить по Bluetooth более двух-трех устройств одновременно.

Радиус действия

В спецификации Bluetooth предусмотрены три класса приемопередатчиков (см. таблицу), различающихся по мощности, а значит, по эффективному радиусу действия. Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройств и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Разумеется, рассчитывать на стабильное беспроводное соединение между устройствами, удаленными на предельное расстояние (например, на 10 м в случае приемопередатчиков Class 2), можно лишь при отсутствии между ними крупногабаритных препятствий (стены, перегородки, двери и т.п.). Реальный радиус действия может варьироваться как в зависимости от особенностей помещения, так и от наличия в эфире радиопомех и источников сильного электромагнитного излучения.

Версии Bluetooth и их различия

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 - в ней исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с - в другую.

Также был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет применения механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. Одним из реализованных в ней новшеств стала энергосберегающая технология Sniff Subrating, позволившая значительно (от трех до десяти раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed (высокая скорость). Ее главное новшество - реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY, обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного (с невысоким энергопотреблением) и высокоскоростного. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в ситуациях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

Базовая спецификация Bluetooth 4.0 была утверждена в июне 2010 года. Ключевая особенность этой версии - применение технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Вопреки распространенному заблуждению, интерфейс Bluetooth 4.0 не обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с версией Bluetooth 3.0 + HS.

Профили Bluetooth

Возможности взаимодействия устройств при подключении по интерфейсу Bluetooth во многом определяются набором профилей, который поддерживает каждое из них. Тот или иной профиль обеспечивает поддержку определенных функций, например передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д. Сведения о некоторых профилях Bluetooth приведены во врезке.

Важно понимать, что задействовать Bluetooth-соединение для выполнения какой­либо задачи можно лишь при поддержке соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению «визитную карточку» или контакт с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и подключаемый к нему компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile).

Нередко возникают ситуации, когда Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, однако выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается. Одной из вероятных причин возникновения подобных проблем может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Таким образом, набор поддерживаемых профилей является важным фактором, который необходимо принимать во внимание при оценке возможностей того или иного устройства. К сожалению, в некоторых моделях мобильных устройств поддерживается минимальный набор профилей (например, только A2DP и HSP), что существенно ограничивает возможности беспроводного подключения к другому оборудованию.

Отметим, что набор поддерживаемых профилей определяется не только спецификой и конструктивными особенностями устройства, но и политикой производителя. Например, в некоторых аппаратах заблокирована возможность передачи файлов определенных форматов (изображения, видеоролики, электронные книги, приложения и т.д.) под предлогом борьбы с пиратством. Правда, на деле от подобных ограничений страдают отнюдь не любители контрафактного медиаконтента и программного обеспечения, а честные пользователи, вынужденные даже собственноручно снятые встроенной камерой фотографии передавать на ПК окольными путями (например, отсылая нужные файлы на собственный адрес электронной почты).

Профили Bluetooth A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) - обеспечивает передачу двухканального (стереофонического) аудиопотока от источника сигнала (ПК, плеера, мобильного телефона) к беспроводной стереогарнитуре, акустической системе или иному воспроизводящему устройству. Для сжатия передаваемого потока может использоваться стандартный кодек SBC (Sub Band Codec) либо другой, определенный производителем устройства. AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) - позволяет управлять стандартными функциями телевизоров, систем домашнего кинотеатра и т.д. Устройство с поддержкой профиля AVRCP способно выполнять функции беспроводного пульта ДУ. Может применяться в связке с профилями A2DP или VDPT. BIP (Basic Imaging Profile) - обеспечивает возможность передачи, приема и просмотра изображений. Например, позволяет передавать цифровые фотографии с цифровой камеры в память мобильного телефона. Предусмотрена возможность изменения размеров и форматов передаваемых изображений с учетом специфики подключенных устройств. BPP (Basic Printing Profile) - базовый профиль печати, обеспечивающий передачу различных объектов (текстовых сообщений, визитных карточек, изображений и т.п.) для вывода на печатающем устройстве. Например, можно распечатать на принтере текстовое сообщение или фотографию с мобильного телефона. Важной особенностью профиля BPP является то, что на устройстве, с которого производится отправка объекта на печать, не требуется устанавливать специфический драйвер для имеющейся модели принтера. DUN (Dial-up Networking Profile) - обеспечивает подключение ПК или иного устройства к Интернету посредством мобильного телефона, выполняющего в данном случае функцию внешнего модема. FAX (Fax Profile) - позволяет использовать внешнее устройство (мобильный телефон или МФУ с факсимильным модулем) для приема и отправки факсимильных сообщений с ПК. FTP (File Transfer Profile) - обеспечивает передачу файлов, а также доступ к файловой системе подключенного устройства. Стандартный набор команд позволяет осуществлять навигацию по иерархической структуре логического диска подключенного устройства, а также копировать и удалять файлы. GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile) - обеспечивает передачу звукового и видеопотока от источника сигнала к воспроизводящему устройству. Является базовым для профилей A2DP и VDP. HFP (Hands-Free Profile) - обеспечивает подключение автомобильных устройств hands-free к мобильному телефону для голосовой связи. HID (Human Interface Device Profile) - описывает протоколы и способы подключения беспроводных устройств ввода (мышей, клавиатур, джойстиков, пультов ДУ и пр.) к ПК. Профиль HID поддерживается в ряде моделей мобильных телефонов и КПК, что позволяет использовать их в качестве беспроводных пультов для управления графическим интерфейсом ОС или отдельными приложениями на ПК. HSP (Headset Profile) - позволяет подключить беспроводную гарнитуру к мобильному телефону или иному устройству. Помимо передачи звукового потока обеспечивается работа таких функций, как набор номера, ответ на входящий звонок, завершение вызова и регулировка громкости. OPP (Object Push Profile) - базовый профиль для пересылки объектов (изображений, визитных карточек и т.д.). Например, можно передать список контактов с одного мобильного телефона на другой или фотографию со смартфона на ПК. В отличие от FTP, профиль OPP не обеспечивает доступ к файловой системе подключенного устройства. PAN (Personal Area Networking Profile) - позволяет объединить два или насколько устройств в локальную сеть. Таким способом можно подключить несколько ПК к одному, имеющему доступ в Интернет. Кроме того, данный профиль обеспечивает удаленный доступ к ПК, выполняющему функции ведущего устройства. SYNC (Synchronization Profile) - используется в связке с базовым профилем GOEP и осуществляет синхронизацию персональных данных (ежедневника, списка контактов и пр.) между двумя устройствами (например, н астольным ПК и мобильным телефоном).

Производители постоянно внушают потребителям, что новые решения безусловно лучше старых. Новые процессоры обладают более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением по сравнению с предшественниками; новые дисплеи имеют более высокое разрешение и широкий цветовой охват и т.д. Однако применять подобный подход для оценки возможностей интерфейса Bluetooth вряд ли целесообразно.

Во­первых, необходимо принимать в расчет особенности уже имеющегося парка Bluetooth-устройств. Ведь, как уже было упомянуто, максимальная скорость передачи данных определяется устройством, оборудованным наиболее старой версией интерфейса. К тому же высокая скорость передачи данных требуется далеко не для всех задач. Если для копирования медиафайлов (звуковых записей, изображений) или трансляции звукового потока с низкой степенью компрессии это действительно важный фактор, то для нормального взаимодействия телефона с беспроводной гарнитурой или для обмена контактами с другим аппаратом вполне хватит возможностей Bluetooth 2.0.

Во­вторых, во многих случаях гораздо более важным фактором, нежели максимальная скорость беспроводного соединения, является набор поддерживаемых профилей Bluetooth. Ведь именно он фактически определяет круг оборудования, с которым способно взаимодействовать имеющееся устройство. К сожалению, эти сведения редко приводятся даже в полной спецификации устройства, и зачастую их приходится искать в тексте руководства по эксплуатации или на форумах пользователей.

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

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

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

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

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

Версия Bluetooth

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

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

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

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

Опознать такой адаптер можно благодаря следующим категориям.

Профили Bluetooth

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

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

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

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

Кодеки Bluetooth

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

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

Версия	Число поддерживаемых каналов	Максимальная частота дискретизации, кГц	Квантование, бит	Максимальный битрейт	Степень сжатия
AptX	2	44,1	16	320 кбит/с	2:1
Enhanced AptX	2, 4, 5.1, 5.1+2	48	16, 20, 24	до 1,28 Мбит / с	4:1
AptX Live	н/д	48	16, 20, 24	н/д	8:1
AptX Lossless	н/д	96	16, 20, 24	н/д	н/д
AptX Low Latency	н/д	48	16, 20, 24	н/д	н/д

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

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

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

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

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

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.

Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .

Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.

Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .

Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x

Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?

Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.

Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.

Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.

Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).

Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth

В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.

В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.

Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.

Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.

Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?

При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.

Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.

Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?

В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.

Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.

Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):

Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)

Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.

Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:

• увеличение мощности передатчиков;
• увеличение чувствительности приемников.

Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.

Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:

• снижение скорости передачи;
• использование кодирования данных Coded PHY.

Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.

Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:

• с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
• С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.

Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.

На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.

Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.

Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.

Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?

Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:

• при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
• все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
• новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.

Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.

Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.

Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?

Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5

Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.

CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.

Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.

Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.

Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5

Режим работы	Параметр	Значение (при Vcc = 3 В)
Активные вычисления	мкА/МГц ARM® Cortex®-M3	61 мкА/МГц
	Coremark/мА	48,5
	Coremark при частоте 48 МГц	142
Радиообмен	Пиковый ток при приеме, мА	5,9
	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
	Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА	1

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

Заключение

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

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

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

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

Литература

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