Одна із стійких тенденцій розвитку мобільних пристроїв- вдосконалення засобів бездротових комунікацій, які забезпечують можливість з'єднання з Інтернетом, локальною мережею, а також з різним периферійним обладнанням (навушниками, гарнітурами, акустичними системами, принтерами тощо) та іншими гаджетами, що розташовані поблизу. Технології бездротового зв'язку, як, втім, та інших компонентів мобільних пристроїв, – постійно розвиваються. З'являються нові версії специфікацій, збільшується пропускну здатність, розширюється набір функцій тощо. Завдяки цьому забезпечується якісний розвиток, без якого немислимий технічний прогрес. Втім, прогрес має і зворотний бік: з кожним роком користувачам стає все складніше розібратися з тим, у чому полягає різниця різних моделей.

Зазвичай з короткого опису мобільного пристрою можна отримати лише назви бездротових інтерфейсів, якими воно обладнане. У докладній специфікації зазвичай є додаткові відомості, зокрема версії бездротових інтерфейсів (наприклад, Wi-Fi 802.11b/g/n і Bluetooth 2.1). Однак і цього далеко не завжди достатньо для того, щоб повною мірою оцінити можливості бездротових комунікацій пристрою. Наприклад, щоб зрозуміти, чи працюватиме той чи інший периферійний пристрій, що підключається через Bluetooth, з наявним у вашому розпорядженні смартфоном або планшетом.

У цій статті ми розповімо про різні нюанси, на які необхідно звернути увагу, оцінюючи можливості пристроїв, обладнаних інтерфейсом Bluetooth.

Сфера використання

Бездротовий інтерфейс з невеликим радіусом дії, що отримав назву Bluetooth, був розроблений в 1994 інженерами шведської компанії Ericsson. Починаючи з 1998-го розвитком та просуванням даної технології займається організація Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), заснована компаніями Ericsson, IBM, Intel, Nokia та Toshiba. До теперішнього часу список членів Bluetooth SIG включає понад 13 тис. компаній.

Впровадження інтерфейсу Bluetooth у споживчих пристроях для масового ринку розпочалося у першій половині минулого десятиліття. В даний час вбудованими адаптерами Bluetooth оснащуються багато моделей портативних ПК та мобільних пристроїв. Крім того, у продажу представлений широкий асортимент периферійних пристроїв (бездротових гарнітур, маніпуляторів, клавіатур, акустичних систем тощо), які обладнані цим інтерфейсом.

Основною функцією Bluetooth є створення так званих персональних мереж (Private Area Networks, PAN), які забезпечують можливість обміну даними між розташованими поблизу (всередині одного будинку, приміщення, транспортного засобу тощо) настільними та портативними ПК, периферійними та мобільними пристроями та ін.

Головними перевагами Bluetooth у порівнянні з конкуруючими рішеннями є низький рівеньенергоспоживання та невисока вартість приймачів, що дозволяє вбудовувати його навіть у малогабаритні пристрої з мініатюрними елементами живлення. Крім того, виробники обладнання звільнені від виплати ліцензійних відрахувань за встановлення у своїх виробах приймачів Bluetooth.

Підключення пристроїв

За допомогою інтерфейсу Bluetooth можна об'єднати як два, так і кілька пристроїв. У першому випадку підключення здійснюється за схемою «крапка - крапка», у другому - за схемою «крапка - крапка». Незалежно від схеми з'єднання один із пристроїв є провідним (master), інші - веденими (slave). Провідний пристрій задає шаблон, який використовуватимуть всі керовані пристрої, а також синхронізує їх роботу. З'єднані таким чином пристрої утворюють пікомережу (piconet). В рамках однієї пікомережі можуть бути об'єднані одне провідне і до семи ведених пристроїв (рис. 1 і 2). Крім того, допускається наявність у пікосеті додаткових ведених пристроїв (понад сім), які мають статус заблокованих (parked): вони не беруть участь в обміні даними, але при цьому перебувають у синхронізації з провідним пристроєм.

Мал. 1. Схема пікомережі,
що об'єднує два пристрої

Мал. 2. Схема пікомережі,
що об'єднує кілька пристроїв

Декілька пікомереж можна об'єднати в розподілену мережу (scatternet). Для цього пристрій, що працює як ведений в одній пікосеті, повинен виконувати функції ведучого в іншій (рис. 3). Пікосетки, що входять до складу однієї розподіленої мережі, не синхронізовані один з одним та використовують різні шаблони.

Мал. 3. Схема розподіленої мережі, що включає три пікосети

Максимальна кількістьпікомереж у складі розподіленої мережі не може перевищувати десяти. Таким чином, розподілена мережа дозволяє об'єднати в цілому до 71 пристрою.

Зазначимо, що у практиці потреба у створенні розподіленої мережі виникає рідко. За нинішнього ступеня інтеграції апаратних компонентів складно уявити ситуацію, коли власнику смартфона або планшета потрібно було б підключити по Bluetooth більше двох-трьох пристроїв одночасно.

Радіус дії

У специфікації Bluetooth передбачено три класи приймачів (див. таблицю), що розрізняються за потужністю, а отже, за ефективним радіусом дії. Найбільш поширеним варіантом, який застосовується в більшості мобільних електронних пристроїв і ПК, що нині випускаються, є прийомопередавачі Bluetooth Class 2. Маломощними системами Class 3 оснащується медична апаратура, а основною сферою застосування найбільш «дальнобійних» модулів Class 1 є системи моніторингу та управління промисловим обладнанням.

Зрозуміло, розраховувати на стабільне бездротове з'єднанняміж пристроями, віддаленими на граничну відстань (наприклад, на 10 м у разі приймачів Class 2), можна лише за відсутності між ними великогабаритних перешкод (стіни, перегородки, двері тощо). Реальний радіус дії може змінюватись як залежно від особливостей приміщення, так і від наявності в ефірі радіоперешкод та джерел сильного електромагнітного випромінювання.

Версії Bluetooth та їх відмінності

Перша версія специфікації (Bluetooth 1.0) було затверджено 1999 року. Незабаром після проміжної специфікації (Bluetooth 1.0В) було затверджено Bluetooth 1.1 - у ній виправлено помилки та усунено багато недоліків першої версії.

У 2003 році було затверджено базову специфікацію Bluetooth 1.2. Одним із її ключових нововведень стало впровадження методу адаптивної переналаштування робочої частоти (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), завдяки якому бездротове з'єднання стало набагато стійкішим до впливу електромагнітних перешкод. Крім того, вдалося скоротити час, що витрачається на виконання процедур виявлення та підключення пристроїв.

Ще одним важливим покращенням версії 1.2 стало підвищення швидкості обміну даними до 433,9 Кбіт/с у кожну сторону при використанні асинхронного зв'язку симетричним каналом. У разі асиметричного каналу пропускна здатність становила 723,2 Кбіт/с в один бік та 57,6 Кбіт/с - в іншу.

Також було додано вдосконалений варіант технології синхронного зв'язку із встановленням з'єднання (Extended Synchronous Connections, eSCO), який дозволив покращити якість передачі потокового звуку за рахунок застосування механізму повторного відправлення пакетів, пошкоджених у процесі передачі.

Наприкінці 2004 року було затверджено базову специфікацію Bluetooth 2.0 + EDR. Найбільш важливим новаторством другої версії стала технологія Enhanced Data Rate (EDR), завдяки впровадженню якої вдалося значно (у кілька разів) збільшити пропускну спроможність інтерфейсу. Теоретично використання EDR дозволяє досягти швидкості передачі даних 3 Мбіт/с, проте на практиці цей показник зазвичай не перевищує 2 Мбіт/с.

Необхідно відзначити, що EDR не є обов'язковою функцією для приймачів, що відповідають специфікації Bluetooth 2.0.

Пристрої, обладнані приймачами Bluetooth 2.0, сумісні з модулями попередніх версій (1.x). Природно, що швидкість передачі обмежується можливостями повільнішого пристрою.

У 2007 році було затверджено базову специфікацію Bluetooth 2.1 + EDR. Одним із реалізованих у ній нововведень стала енергозберігаюча технологія Sniff Subrating, що дозволила значно (від трьох до десяти разів) збільшити тривалість автономної роботимобільних пристроїв. Також було суттєво спрощено процедуру встановлення зв'язку між двома пристроями.

У серпні 2008-го було затверджено базові доповнення (Core Specification Addendum, CSA) до специфікацій Bluetooth 2.0 + EDR та Bluetooth 2.1 + EDR. Внесені зміни спрямовані на зниження рівня енергоспоживання, підвищення рівня захисту даних, що передаються, та оптимізацію процедур ідентифікації та з'єднання Bluetooth-пристроїв.

У квітні 2009 року було затверджено базову специфікацію Bluetooth 3.0 + HS. Абревіатура HS в даному випадкурозшифровується як High Speed ​​(висока швидкість). Її головне нововведення – реалізація технології Generic Alternate MAC/PHY, що забезпечує можливість передачі даних зі швидкістю до 24 Мбіт/с. Крім того, передбачається використання двох модулів приймачів: низькошвидкісного (з невисоким енергоспоживанням) та високошвидкісного. Залежно від ширини потоку даних, що транслюються (або розміру переданого файлу) задіюється або низькошвидкісний (до 3 Мбіт/с), або високошвидкісний приймач. Це дозволяє знизити рівень енергоспоживання у ситуаціях, коли не потрібна висока швидкість передачі даних.

Базову специфікацію Bluetooth 4.0 було затверджено в червні 2010 року. Ключова особливість цієї версії – застосування технології передачі даних з низьким енергоспоживанням (low energy technology). Зниження енергоспоживання досягається як за рахунок обмеження швидкості передачі даних (не більше 1 Мбіт/с), так і за рахунок того, що приймач не працює постійно, а включається лише на час обміну даними. Всупереч поширеній помилці, інтерфейс Bluetooth 4.0 не забезпечує більш високу швидкість передачі даних у порівнянні з версією Bluetooth 3.0+HS.

Профілі Bluetooth

Можливості взаємодії пристроїв при підключенні за інтерфейсом Bluetooth багато в чому визначаються набором профілів, який підтримує кожен із них. Той чи інший профіль забезпечує підтримку певних функцій, наприклад, передачу файлів або потоку медіаданих, забезпечення мережного з'єднання тощо. Відомості про деякі профілі Bluetooth наведено у врізанні.

Важливо розуміти, що задіяти з'єднання Bluetooth для виконання будь-якої задачі можна лише за підтримки відповідного профілю як у ведучого, так і у веденого пристрою. Так, передати по Bluetooth-з'єднанню «візитну картку» або контакт з одного мобільного телефонана інший можна лише за умови, що обидва апарати підтримують профіль OPP (Object Push Profile). А, наприклад, для використання мобільного телефону як бездротовий стільниковий модем необхідно, щоб цей апарат і комп'ютер, що підключається до нього, підтримували профіль DUN (Dial-up Networking Profile).

Нерідко виникають ситуації, коли Bluetooth-з'єднання між двома пристроями встановлено, проте виконати будь-яку дію (скажімо, передати файл) не вдається. Однією з ймовірних причин виникнення подібних проблем може бути відсутність підтримки профілю в одного з пристроїв.

Таким чином, набір профілів, що підтримуються, є важливим фактором, який необхідно брати до уваги при оцінці можливостей того чи іншого пристрою. На жаль, у деяких моделях мобільних пристроїв підтримується мінімальний набір профілів (наприклад, тільки A2DP та HSP), що суттєво обмежує можливості бездротового підключення до іншого обладнання.

Зазначимо, що набір профілів, що підтримуються, визначається не тільки специфікою та конструктивними особливостями пристрою, а й політикою виробника. Наприклад, у деяких апаратах заблоковано можливість передачі файлів певних форматів (зображення, відео, електронні книги, додатки і т.д.) під приводом боротьби з піратством. Щоправда, насправді від подібних обмежень страждають аж ніяк не любителі контрафактного медіаконтенту та програмного забезпечення, а чесні користувачі, змушені навіть власноруч зняті вбудованою камерою фотографії передавати на ПК манівцями (наприклад, відсилаючи потрібні файлина власну електронну адресу).

Профілі Bluetooth A2DP(Advanced Audio Distribution Profile) - забезпечує передачу двоканального (стереофонічного) аудіопотоку від джерела сигналу (ПК, плеєра, мобільного телефону) до бездротової стереогарнітури, акустичній системіабо іншого пристрою, що відтворює. Для стиснення потоку, що передається, може використовуватися стандартний кодек SBC (Sub Band Codec) або інший, визначений виробником пристрою. AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile) – дозволяє керувати стандартними функціями телевізорів, систем домашнього кінотеатру тощо. Пристрій за допомогою профілю AVRCP здатний виконувати функції бездротового пульта дистанційного керування. Може застосовуватися у зв'язці з профілями A2DP або VDPT. BIP(Basic Imaging Profile) - забезпечує можливість передачі, прийому та перегляду зображень. Наприклад, дозволяє передавати цифрові фотографіїз цифрової камери на пам'ять мобільного телефону. Передбачена можливість зміни розмірів і форматів зображень, що передаються, з урахуванням специфіки підключених пристроїв. BPP(Basic Printing Profile) - базовий профіль друку, що забезпечує передачу різних об'єктів(текстових повідомлень, візитних карток, зображень тощо) для виведення на принтер. Наприклад, на принтері можна роздрукувати текстове повідомлення або фотографію з мобільного телефону. Важливою особливістюпрофілю BPP є те, що на пристрої, з якого здійснюється надсилання об'єкта на друк, не потрібно встановлювати специфічний драйвер для моделі принтера. DUN(Dial-up Networking Profile) – забезпечує підключення ПК або іншого пристрою до Інтернету за допомогою мобільного телефону, який виконує в цьому випадку функцію зовнішнього модему. FAX(Fax Profile) – дозволяє використовувати зовнішній пристрій (мобільний телефон або МФУ з факсимільним модулем) для прийому та надсилання факсимільних повідомлень з ПК. FTP (File Transfer Profile) - забезпечує передачу файлів, а також доступ до файловій системіпідключеного пристрою. Стандартний набір команд дозволяє здійснювати навігацію за ієрархічною структурою логічного дискапідключеного пристрою, а також копіювати та видаляти файли. GAVDP(General Audio/Video Distribution Profile) - забезпечує передачу звукового та відеопотоку від джерела сигналу до відтворюючого пристрою. Є базовим для профілів A2DP та VDP. HFP(Hands-Free Profile) - забезпечує підключення автомобільних пристроїв hands-free до мобільного телефону для голосового зв'язку. HID(Human Interface Device Profile) - описує протоколи та способи підключення бездротових пристроїв введення (мишей, клавіатур, джойстиків, пультів дистанційного керування тощо) до ПК. Профіль HID підтримується в ряді моделей мобільних телефонів і КПК, що дозволяє використовувати їх як бездротові пульти для керування графічним інтерфейсом ОС або окремими додаткамина ПК. HSP(Headset Profile) - дозволяє підключити бездротову гарнітурудо мобільного телефону чи іншого пристрою. Крім передачі звукового потокузабезпечується робота таких функцій, як набір номера, відповідь на вхідний дзвінок, завершення дзвінка та регулювання гучності. OPP(Object Push Profile) – базовий профіль для пересилання об'єктів (зображень, візитних карток тощо). Наприклад, можна надіслати список контактів з одного мобільного телефону на інший або фотографію зі смартфона на ПК. На відміну від FTP, профіль OPP не надає доступу до файлової системи підключеного пристрою. PAN(Personal Area Networking Profile) - дозволяє об'єднати два або наскільки пристроїв у локальну мережу. У такий спосіб можна підключити кілька ПК до одного, який має доступ до Інтернету. Крім того, цей профіль забезпечує віддалений доступдо ПК, що виконує функції провідного пристрою. SYNC(Synchronization Profile) - використовується у зв'язці з базовим профілем GOEP і здійснює синхронізацію персональних даних (щоденника, списку контактів тощо) між двома пристроями (наприклад, н астольним ПК та мобільним телефоном).

Виробники постійно вселяють споживачам, що нові рішення безумовно кращі за старі. Нові процесори мають більш високу продуктивність і менше енергоспоживання в порівнянні з попередниками; нові дисплеї мають більш високу роздільну здатність і широке колірне охоплення і т.д. Однак застосовувати такий підхід для оцінки можливостей інтерфейсу Bluetooth навряд чи є доцільним.

По-перше, необхідно враховувати особливості вже наявного парку Bluetooth-пристроїв. Адже, як вже згадувалося, максимальна швидкість передачі даних визначається пристроєм, обладнаним найстарішою версією інтерфейсу. До того ж, висока швидкість передачі даних потрібна далеко не для всіх завдань. Якщо для копіювання медіафайлів ( звукових записів, зображень) або трансляції звукового потоку з низьким ступенем компресії це дійсно важливий фактор, то для нормальної взаємодії телефону з бездротовою гарнітурою або для обміну контактами з іншим апаратом цілком вистачить можливостей Bluetooth 2.0.

По-друге, у багатьох випадках набагато важливішим фактором, ніж максимальна швидкість бездротового з'єднання, є набір підтримуваних профілів Bluetooth. Адже саме він фактично визначає коло обладнання, з яким здатне взаємодіяти існуючий пристрій. На жаль, ці відомості рідко наводяться навіть у повній специфікації пристрою, і часто їх доводиться шукати в тексті посібника з експлуатації або на форумах користувачів.

Логотип стандарту «Bluetooth»

Технологія Bluetooth є твердо усталеним комунікаційним стандартом для бездротового зв'язку на малих відстанях, з'єднуючи пристрої за допомогою однієї універсальної радіолінії з малим радіусом дії. Спочатку дальність дії радіоінтерфейсу закладалася рівною 10 метрам, проте зараз специфікаціями Bluetooth вже визначено і другу зону - близько 100 м. При цьому немає необхідності в тому, щоб пристрої знаходилися в зоні прямої видимості один одного. До того ж, прилади, що взаємодіють між собою, можуть перебувати в русі.

походження назви

Технологія отримала свою назву на честь скандинавського короля Харальда Синезубого (Harald Bluetooth), який прославився об'єднанням датських та норвезьких земель. У 1994 році компанія Ericsson спорудила пам'ятник Харальду в шведському місті Лунді, освіживши в пам'яті нащадків епізоди світової історії та надавши ім'я монарха нової. бездротовий технологіїдля мобільних комунікацій.

Створення та розвиток технології

1994

2014: Bluetooth 4.2

На початку грудня 2014 року організація Bluetooth Special Interest Group випустила технічну специфікацію бездротової технології передачі даних Bluetooth 4.2. Стандарт значно покращили у тому, що стосується швидкісних характеристикта інформаційної безпеки.

До стандарту обіцяють офіційно додати можливість прямого підключеннядо Мережі. Тобто, пристрої з підтримкою Bluetooth 4.2 зможуть не тільки безпосередньо взаємодіяти один з одним, але й підключатися до Інтернету (завдяки підтримці протоколу IPv6/6LoWPAN) через відповідні точки доступу.

Ключова ідея розвитку стандарту полягає в тому, щоб за допомогою Bluetooth можна було поєднати будь-які пристрої один з одним. Тобто, по суті, мова йдепро так званий Інтернет Речів (Internet of Things, IoT). Згідно з оцінками Harvard Business Review та Goldman Sachs, у 2020 році до Інтернету Речів буде підключено 28 млрд «речей». Розробники Bluetooth претендують на певну (мабуть, значущу) частку цього пирога. Враховуючи той факт, що технологія Bluetooth є досить енергоефективною, шанси на успіх високі.

Також специфікація Bluetooth стала безпечнішою. Відтепер активні Bluetooth-пристрої буде складніше відстежити або перехопити відповідний трафік доти, доки користувач самостійно не дозволить подібне в налаштуваннях. Нові Bluetooth-гаджети зможуть передавати дані зі швидкістю в 2,5 рази більше, ніж за попередньої версії протоколу. Це вдалося досягти за допомогою збільшення розміру стандартного пакета даних.

Очікується, що перші пристрої з підтримкою Bluetooth 4.2 будуть представлені на початку 2015 року. Точних термінів виробники поки що не називають.

2016: Bluetooth 5

17 червня 2016 року консорціум Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) представила таку версію стандарту Bluetooth- 5. Її поява на комерційному ринку запланована наприкінці 2016 або на початку 2017 року.

Bluetooth 5 запропонує вчетверо більший радіусдії, вдвічі велику швидкістьпередачі даних та восьмиразово збільшену ємність повідомлення безконтактної радіопередачі.

Контакти Bluetooth сьогодні та завтра, (2016)

Це перше значне оновлення стандарту, починаючи з 2009 року, коли ефір побачив Bluetooth 4.

Зі збільшенням ємності радіоповідомлень стане можливим передача більш складної, інтелектуальної інформації. Це призведе до зміни способу передачі інформації Bluetooth-пристроями. Модель створення пари піде у минуле. На її місце прийде так зване безконтактне з'єднання, стверджують у Bluetooth SIG.

Світові поставки пристроїв з підтримкою Bluetooth до 2020 року досягнуть 371 млн штук, згідно з оцінкою ABI Research. Восьмиразово збільшена ємність радіоповідомлень Bluetooth 5 надасть можливості для поширення радіомаяків та послуг із прив'язкою до місцевості у сферах автоматизації, промисловості та підприємництва.

Сьогодні у світі використовується 8,2 млрд Bluetooth-пристроїв. Завдяки подальшому розвитку Bluetooth, включаючи випуск Bluetooth 5, до 2020 року ця технологія буде присутня в одній третині всіх запущених пристроївінтернету речей. Марк Пауелл (Mark Powell), виконавчий директор Bluetooth SIG

2017

Bluetooth-вірус BlueBorne зміг розкрити сусідній пристрій за 10 секунд

Фахівці компанії Armis Labs виявили у вересні 2017 року вірус, який може розповсюджуватися та заражати смартфони та інші пристрої через Bluetooth без участі користувачів, пише видання Wired.

Даному способу злому було присвоєно ім'я BlueBorne, він використовує вразливість у протоколі Bluetooth, передається з одного пристрою на інший, причому діє вірус так, що користувачі не підозрюють про те, що їхня система зламана.

За словами керівника дослідницького підрозділу Armis Labs Бена Сері, BlueBorne може призвести до того ж масового зараження, як і вірус WannaCry. Зараження може статися протягом десяти секунд після того, як при скануванні найближчих пристроїв із увімкненим Bluetooth програма виявить вразливість.

Три виробники операційних систем вже заявили, що випустили оновлення для ліквідації вразливостей. У Apple заявили, що BlueBorne не страшний системам на iOS 10 або новіших версій, у Windows випустили відповідну «латку» ще в липні, а Google випустила оновлення в серпні, проте його установка може зайняти деякий час. Linux також розробляє спосіб захисту від нового вірусу, проте під керуванням цієї операційної системи працює безліч пристроїв (наприклад, телевізори), які або не отримують оновлення, або роблять це дуже рідко.

Bluetooth Mesh

У середині липня організація Bluetooth SIG, яка займається розвитком бездротової технології, анонсувала формат Bluetooth із багатоячековою передачею даних.

Представлений стандарт Bluetooth для передачі даних використовує віртуальну мережу з багатьох осередків. Дані в мережі передаються від одного осередку до іншого, поки не дійдуть адресата.

Орієнтовна схема мережі Bluetooth Mesh

Стандарт Bluetooth Mesh може застосовуватися, наприклад, якщо потрібно відправити дані з датчика в одній кімнаті на комп'ютер в іншій квартирі. Інформація передаватиметься через проміжні вузли: смартфони, планшети, комп'ютери та будь-які інші пристрої, які підтримують технологію.

У тому числі Bluetooth Mesh може виявитися корисним для організації взаємодії пристроїв інтернету речей (IoT) для «розумного» будинку. Датчики та сенсори зможуть обмінюватися даними із центральним вузлом на великих відстанях. Аналогічна відправка сигналу безпосередньо до приймача зажадала б більших витрат енергії, ніж передача на найближчу комірку. Як результат, пристрої інтернету речей зможуть працювати довше одного акумулятора, при цьому їх не потрібно підключати по дроту.

Особливість Bluetooth Mesh у тому, що він не потребує зміни апаратної начинки пристрою. Стандарт може працювати на всіх пристроях з Bluetooth 4.0 і 5.0, проте потрібне оновлення софту.

Серія продукції Toshiba Bluetooth із низьким енергоспоживанням підтримує стандарт Bluetooth Mesh

Рішення Toshiba для мереж із пористою топологією забезпечують збільшений радіус дії та підвищену надійність обміну даними Bluetooth.

Згідно з MYCE, у конфіденційному документі прогнозується, що Bluetooth LE, або Bluetooth Low Energy, ймовірно, буде одним із основних напрямків, орієнтованим на продовження терміну служби батарей для дедалі менших пристроїв.

"З основних можливостей, запланованих для дебюту, найцікавіше є функції позиціонування, які можуть добре поєднуватися з нещодавнім придбанням Apple WiFiSLAM, невеликої фірми, яка створила технологію "внутрішнього GPS" на основі Wi-Fi стандарту", пояснив AppleInsider.

"Нова ітерація Bluetooth, як очікується, буде готова в 2014 році і буде заснована на розширеній структурі пакету, який дозволяє здійснювати пеленгацію, відстеження руху та позиціонування внутрішнього GPS".

Тим часом інженери також працюють над інтеграцією IPv6 в Bluetooth LE - це дозволило б призначити кожному Bluetooth-сумісному пристрою унікальний ідентифікатор (IP-адреса), дозволяючи об'єктам реального світу бути виявленими та доступними через Інтернет.

Не дивно, що майбутні версії Bluetooth також пропонуватимуть вищу швидкість передачі, нижче енергоспоживання, розширений діапазон та підвищену конфіденційність.

Конкуруючі технології

• Wi-Fi Direct (Wi-Di) – протокол бездротової передачі даних, який побудований на базі Wi-Fi, але простіше в налаштуванні. Головні його переваги – швидкість з'єднання у 12 разів вища, ніж у Bluetooth, дальність зв'язку – до 100 метрів, а головне – гарна захищеність.

• Visible Light Communication (VLC) - у 2011 році використовуючи світлові хвилі, що випромінюються білими LED-джерелами, які модулюються на певній частоті, вченим з Німеччини вдалося скинути файл з одного комп'ютера на інший зі швидкістю 10 мегабіт на секунду. При цьому не використовувалися жодні кабелі та бездротові маршрутизатори. Тільки світлові хвилі, коливання яких непомітні для ока. Радіус дії технології, яка одержала назву Visible Light Communication або просто VLC близько 5 метрів. Розробники наголошують на неймовірній захищеності передачі даних від перехоплення.

Bluetooth: технологія та її застосування

…і сказав він: "Нехай з'єднаються всі".

Цілком можливо, що саме з цими словами середньовічного датського короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) пов'язане його інше прізвисько - "об'єднувач", що через 1000 років стало назвою нового інтерфейсу бездротового зв'язку.

Що таке Bluetooth? Це технологія бездротового зв'язку, створена 1998 року групою компаній: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В даний час розробки в області Bluetooth ведуться Bluetooth SIG (Special Interest Group), до якої входять також Lucent, Microsoft та багато інших.

Основне призначення Bluetooth - забезпечення економічного (з точки зору споживаного струму) та дешевого радіозв'язку між різними типамиелектронних пристроїв, причому чимале значення надається компактності електронних компонентів, що дає можливість застосовувати Bluetooth у малогабаритних пристроях розміром із наручний годинник.

Інтерфейс Bluetooth дозволяє передавати як голос (зі швидкістю 64 Кбіт/сек), так і дані. Для передачі даних можуть бути використані асиметричний (721 Кбіт/сек в одному напрямку та 57,6 Кбіт/сек в іншому) та симетричний методи(432,6 Кбіт/сек в обох напрямках). Працюючий на частоті 2.4 ГГц приймач, яким є Bluetooth-чіп, дозволяє в залежності від ступеня потужності встановлювати зв'язок в межах 10 або 100 метрів. Різниця у відстані, безумовно, велика, проте з'єднання в межах 10 м дозволяє зберегти низьке енергоспоживання, компактний розмір та достатньо невисоку вартістькомпонентів. Так, малопотужний передавач споживає всього 0.3 мА в режимі standby та в середньому 30 мА при обміні інформацією.

Bluetooth працює за принципом FHSS ( Frequency-Hopping Spread Spectrum). Коротко це можна пояснити так: передавач розбиває дані на пакети і передає їх за псевдовипадковим алгоритмом стрибкоподібної перебудови частоти (1600 разів на секунду) або шаблоном (pattern), складеним з 79 підчастот. "Зрозуміти" один одного можуть тільки ті пристрої, які налаштовані на той самий шаблон передачі - для сторонніх приладів передана інформація буде звичайним шумом.

Основним структурним елементоммережі Bluetooth є так звана "пікомережа" (piconet) - сукупність від 2 до 8 пристроїв, що працюють на тому самому шаблоні. У кожній пікосеті один пристрій працює як master, а інші як slave. Master визначає шаблон, на якому будуть працювати всі slave-пристрої його пікомережі, та синхронізує її роботу. Стандарт Bluetooth передбачає з'єднання незалежних і навіть не синхронізованих між собою пікомереж (до 10) до так званої "scatternet" (я ще не зустрічав коректного російського перекладу цього терміну, але один з варіантів перекладу дієслова to scatter звучить як "розсіювати"). Для цього кожна пара пікомереж повинна мати як мінімум один загальний пристрій, який буде master"ом в одній і slave"ом в іншій. Таким чином, в межах окремої scatternet з інтерфейсом Bluetooth може бути одночасно пов'язано максимум 71 пристрій, проте ніхто не обмежує застосування пристроїв-гейтів, які використовують той самий Internet для подальшого зв'язку.

Частотний діапазон Bluetooth у більшості країн вільний від ліцензування, але у Франції, Іспанії та Японії через законодавчі обмеження необхідно використовувати відмінні від зазначених вище частоти.

Говорячи про бездротовий зв'язок, не можна не порушити питання безпеки такого з'єднання. Крім фокусу з частотними шаблонами і необхідності синхронізації прийому передачі в стандарті Bluetooth передбачено шифрування даних, що передаються з ключем ефективної довжини від 8 до 128 біт і можливістю вибору односторонньої або двосторонньої аутентифікації (звичайно, можна обійтися взагалі без аутентифікації), що дозволяє встановлювати стійкість результуючого із законодавством кожної окремої країни (у деяких країнах заборонено використання сильної криптографії:). На додаток до шифрування на рівні протоколу може бути застосовано шифрування на рівні додатків - тут уже застосування будь-яких стійких алгоритмів ніхто не обмежує.

Часто доводиться стикатися з думкою, що Bluetooth-пристрої, що знаходяться в межах дії зв'язку, можуть просто з'єднатися і почати обмінюватися інформацією, яка, можливо, не призначена для сторонніх вух або очей. Насправді автоматичний обмінінформацією між Bluetooth-пристроями ведеться лише рівні апаратного забезпечення, тобто. виключно визначення самого факту можливості з'єднання. А ось на рівні програм користувач сам вирішує, ввести або заборонити автоматичну установку зв'язку. Таким чином, використання Bluetooth стає небезпечнішим за підключення до Інтернету, в якому всі вузли також з'єднані електрично, але це ще не означає отримання беззастережного доступу до будь-якого ресурсу.

Варто також зауважити, що стандарт Bluetooth розроблявся з розрахунком на малу потужність, тому його вплив на організм людини зведено до мінімуму.

Основним напрямком використання Bluetoothмає стати створення так званих персональних мереж (PAN або private area networks), що включають такі різнопланові пристрої, як мобільні телефони, PDA, МР3-плеєри, комп'ютери і навіть Мікрохвильові печіз холодильниками (ось що давно не підключали в мережу). Можливість передачі голосу дозволяє вбудовувати інтерфейс Bluetooth у бездротові телефониабо, наприклад, бездротові гарнітури для мобільних телефонів. Можливості застосування Bluetooth на практиці безмежні: крім синхронізації PDA з настільним комп'ютером або приєднання щодо низькошвидкісної периферії на кшталт клавіатур або мишей інтерфейс дозволяє дуже просто і з невеликими витратами організувати домашню мережу. Причому вузлами цієї мережі можуть бути будь-які пристрої, які потребують інформації або мають необхідну інформацію.

Давайте порівняємо Bluetooth з іншим не менш відомим інтерфейсом бездротового зв'язку - IEEE 802.11, тим більше, що обидва рішення вже доступні на широкому ринку. Основні відмінності між ними можна звести до наступного:

	IEEE 802.11	Bluetooth
1. Призначення	Бездротові домашні/офісні мережі	Заміна кабельних з'єднаньдля компактних комунікаційних засобів
2. Робоча частота	2.4 ГГц	2.4 ГГц
3. Максимальна швидкість передачі	11 Мбіт/сек (IEEE 802.11b), 2Мбіт/сек (IEEE 802.11)	721 Кбіт/сек
4. Дальність дії	100 м	10 м чи 100 м
5. Максимальна кількість вузлів	128 пристроїв на мережу	8 пристроїв на одну пікосеть, макс. 10 пікомереж, тобто. до 71 пристрою на один scatternet
6. Голосові канали	Ні (опціонально)	3 канали
7. Доступність	Зараз	Зараз
8. Ціна	$100-$400 за вузол	Близько $5 за вузол

Як легко помітити, інтерфейс Bluetooth набагато краще пристосований для використання в бездротових пристроях зв'язку, де потрібна досить низька ціна, немає необхідності у високих швидкостях і бажано низьке енергоспоживання. Однак, як уже зазначалося, можливе створення комбінованих мереж, тим більше що IEEE 802.11 працює зовсім за іншим принципом кодування даних, отже, перебуваючи на одній і тій же робочій частоті, обидва стандарти чутимуть один одного фізично, але чужі сигнали будуть розцінені кожним їх як сторонній шум.

Важливим аспектом розвитку Bluetooth є той факт, що ця технологія не підлягає ліцензуванню і її використання не вимагає виплати будь-яких ліцензійних відрахувань (хоча і вимагає підписання безкоштовної угоди). Така політика дозволила багатьом компаніям активно включитися в процес розробки пристроїв з інтерфейсом Bluetooth, які були в велику кількістьпродемонстровано на виставці CeBIT 2001 року.

Найбільший інтерес, природно, викликають пристрої, що забезпечують перехід із існуючих інтерфейсів на Bluetooth. Одним із них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведської компанії connectBlue. Як видно з назви, цей пристрій призначений для промислового застосування та дозволяє підключати до Bluetooth будь-які прилади, обладнані послідовним портом:

Типовим варіантом використання може стати, наприклад, конфігурування промислових установок за допомогою ноутбука.

Характеристики:

• дальність дії – до 10 м,
• швидкість передачі – 300-115200 Кбіт,
• напруга живлення – 9-30 Вольт.

Компанія Belkin, відома, зокрема, своїми продуктами для шини USB, представила цілий набір пристроїв Bluetooth:

Ця карта формату PCMCIA Type II дозволяє всім пристроям, що мають подібний слот, отримати Bluetooth інтерфейсзі швидкістю до 721 Кбіт/сек. Дальність дії – 10 м.

Тут ми бачимо відмінне USB рішення для настільних (і не тільки) комп'ютерів: характеристики ті ж, що й у попередньому випадку, до того ж цей пристрій дозволяє обмінюватися даними голосовими каналами.

Є навіть адаптер для Palm V: Palm просто кладеться в нього, як у стандартне ліжечко, після чого можна синхронізуватися з настільним комп'ютером або виходити в Інтернет за допомогою мобільного телефону, також з Bluetooth інтерфейсом. Цей адаптер живиться від батареї самого Palm'а.

На виставці можна було знайти навіть Bluetooth адаптердля Compact Flash:

Компанія Troy XCD представила адаптер для підключення принтера з інтерфейсом Centronics до Bluetooth:

Компанія обіцяє випустити його на ринок на початку літа, приблизна вартість – близько 195 $.

Не менш цікавим варіантом застосування технології Bluetooth може стати організація бездротового доступу до локальної мережі та/або Інтернету для пристроїв у малому офісі або вдома. Безумовним лідером у цій галузі стала компанія Red-M, що представила своє рішення - сервер Red-M 3000AS:

А ось фотографія його прототипу у роботі:

3000AS є Linux-сервер, який може також працювати як шлюз в локальну мережу або Інтернет. На відміну від більшості інших Bluetooth-пристроїв 3000AS має потужний приймач, що забезпечує зв'язок в межах 100 м, причому в комплект входить зовнішня антена, що підвищує надійність зв'язку за наявності зовнішніх перешкод. Для підключення можна використовувати ISDN (з вибором варіантів постійно онлайн або підключення на вимогу), 10/100 Мбіт Ethernet, а також RS-232 для сервісного застосування. Сервер також може бути запитаний через UPS.

Для розширення доступу до сервера можуть використовуватися малогабаритні точки доступу Red-M 1000AP:

Сервер автоматично визначає та конфігурує всі точки доступу, що знаходяться в межах дальності його дії. Зовнішні пристрої можуть бути підключені до точки доступу через 10/100 Мбіт Ethernet.

Таку систему представив MiTAC: їх Bluetooth Access Point несе на борту 750МГц процесор Transmeta Crusoe TM5400, вбудований NAT і DHCP сервер і, як і попередній зразок, потужний приймач дальністю дії до 100 м.

Відмінним доповненням до такої системи може стати пристрій від Canon. Bluetooth модульдля цифрового фотоапарата:

Тільки уявіть собі – фотоапарат зможе автоматично скидати знімки через Bluetooth-гейт на вашу робочу станцію, або той самий субноутбук, або навіть через підключений до Інтернету стільниковий телефон з підтримкою Bluetooth… загалом можливості нескінченні.

Найпоширенішим варіантом є підключення стандартних пристроїв введення через Bluetooth, наприклад, ось так:

Sony представила на CeBIT спеціальний модуль у форматі Memory Stick під назвою InfoStick:

Дуже непогана ідея, особливо з огляду на наявність аналогічного пристрою для Compact Flash.

Залишається лише помітити, що ліцензування підтримки Bluetooth є безкоштовним і необхідне лише для укладання угоди про використання торгових марок. Так що незабаром ми цілком можемо очікувати появу Bluetooth в лампочках і прасках:). А якщо серйозно, то технологія Bluetooth може зробити справжню революцію у світі персональних комунікацій та взагалі у житті людини. А ось наскільки нам потрібна ще одна революція - це ще доведеться вирішити.

Передача даних через Bluetooth здійснюється на частоті 2.4 ГГц. Говорячи ще точніше, діапазон роботи знаходиться у межах 2402-2480 ГГц. При цьому у більшості країн світу для передачі даних виділено 79 каналів. Ширина такого каналу становить 1 МГц. Цей діапазон використовується для цивільних цілей.

Принцип роботи

Принцип роботи Bluetoothполягає у передачі даних за допомогою швидкої зміни частот, яка відбувається приблизно 1600 раз на секунду. Дана схема роботи забезпечує відмінну захищеність від перешкод і надає можливість пристроям, що приймають сигнал, не заважати один одному, внаслідок змішування частот. З іншого боку, це забезпечує практично повну безпеку користувачам внутрішньої мережі, т.к. підключитися до приймаючих пристроїв неможливо. До того ж, маленький радіус дії Bluetooth, не сприяє несанкціонованому підключенню, з можливістю залишитися непоміченим.

Стрибкоподібна зміна частоти

Зміна каналу при передачі даних через Bluetooth відбувається кожні 625 мкс. Ці 625 мкс одночасно є інтервалом часу, протягом якого здійснюється передача даних, яка вимірюється в пакетах. При цьому один пакет може бути переданий не за один такий інтервал, а за декілька. Після завершення передачі пакета даних відбувається заздалегідь визначена для кожного пристрою зміна каналу (частоти).
Також, може застосовуватися і адаптивна стрибкоподібна зміна частоти. Воно необхідно для того, щоб обмежити передачу даних із пристроїв певною кількістю каналів. При цьому відкрився Частотний діапазонможна використовувати передачі даних іншими пристроями. Таким чином зменшується ризик виникнення частотних перешкод для пристроїв пікомережі.

Крім того, необхідність обмежити діапазон частот для передачі даних може бути викликаний, забороною використання певних частотних каналіву низці країн. Наприклад, у деяких європейських країнах, зокрема в Іспанії та Франції, дозволяється використовувати лише 22 частоти, замість звичайних 79.

Основні стандарти Bluetooth

1. Серйозні нововведення було введено до стандарту 2.0. При цьому в ньому спостерігалося значне збільшення швидкості передачі даних, що було пов'язано з підтримкою EDR. Передача даних у стандарті 2.0 була збільшена до 2.0-2.4 Мб/с. А крім того, 2.0 специфікація серйозно збільшила безпеку та захищеність від виникнення перешкод.
2. Стандарт 3.0 вразив користувачів небаченою до того швидкістю передачі даних, яка збільшилася до 24 Мб/с. Пов'язано це було насамперед із тим, що специфікація 3.0 підтримувала Wi-Fi. Однак, виробники вважають за краще встановлювати на пристрої два стандарти, т.к. специфікація 3.0 витрачає надто багато енергії.
3. Більш специфічною є стандарт 4.0, який поєднав у собі невелику швидкість передачі даних, гарну безпеку та неймовірно мале витрачання енергії, засноване на непостійній роботі передавача. Пристрої, що використовують цей стандарт, як правило, застосовуються для спортивних, медичних та інших цілей, є мініатюрними і не розраховані на велику кількість даних, що передаються.

Переваги Bluetooth 4.0:

1. Поєднує у собі попередні протоколи. Підтримує основні функції попередніх протоколів.
2. Збільшення швидкості.
3. Значне зменшення енергоспоживання пристрою, що використовує стандарт 4.0, досягнуте за рахунок зміненого алгоритму роботи (передавач включається лише у той момент, коли відбувається передача даних).

Як правило, стандарт 4.0 найбільше підходить для мініатюрних електронних датчиків. Наприклад, на наручних вимірювачах тиску, температури, для тренажерів, різних мініатюрних пристроїв з невеликою енергоємністю.

Bluetooth 5.0 став реальністю. У порівнянні з Bluetooth 4.0, нова версія має удвічі більшу пропускну здатність, збільшену вчетверо дальність діїі низку інших поліпшень. Розглянемо переваги Bluetooth 5.0 над попередниками, у тому числі на прикладі процесора CC2640R2Fвід Texas Instruments .

Популярність версії протоколу Bluetooth 4, а також деякі його обмеження стали причинами для створення наступної специфікації Bluetooth 5. Розробники ставили перед собою цілу низку цілей: розширення радіуса дії, зростання пропускну здатністьпри розсилці широкомовних пакетів, поліпшення перешкодозахищеності і так далі.

Тепер, коли почали з'являтися перші пристрої з Bluetooth 5, у користувачів та розробників справедливо виникають питання: які із заявлених раніше обіцянок втілилися в реальність? Наскільки зросли радіус дії та швидкість передачі даних? Як це позначилося лише на рівні споживання? Яким чином змінився підхід до формування широкомовних пакетів? Які були зроблені удосконалення, спрямовані на зростання перешкоди захищеності? І звичайно, головне питання— Чи існує зворотна сумісність між Bluetooth 5 та Bluetooth 4? Відповімо на ці та деякі інші питання та розглянемо основні переваги Bluetooth 5.0 перед попередниками, у тому числі – на прикладі реального процесораз підтримкою Bluetooth 5.0 виробництва компанії Texas Instruments.

Почнемо огляд Bluetooth 5.0 з відповіді на найпоширеніше питання про зворотну сумісність з Bluetooth 4.x

Чи Bluetooth 5.0 забезпечує зворотну сумісність із Bluetooth 4.x?

Так, забезпечує . Bluetooth 5 перейняв більшість особливостей та розширень Bluetooth 4.1 та 4.2. Наприклад, пристрої Bluetooth 5 зберігають усі покращення Bluetooth 4.2 в області підвищення захищеності даних та підтримують розширення LE Data Length Extension. Завдяки LE Data Length Extension, починаючи з Bluetooth 4.2, розмір пакету даних (packet data unit, PDU) при встановленому з'єднанні може бути збільшений з 27 до 251 байта, що дозволяє підняти швидкість обміну даними в 2,5 рази.

Через велику кількість відмінностей між версіями протоколу зберігається традиційний механізм узгодження параметрів між пристроями під час встановлення з'єднань. Це означає, що перед початком обмінюватися даними, пристрої «знайомляться» і визначають максимальну частоту передачі даних, довжину повідомлень і так далі. При цьому за промовчанням використовуються параметри Bluetooth 4.0. Перехід до параметрів Bluetooth 5 відбувається лише якщо в процесі узгодження виявляється, що обидва пристрої підтримують пізнішу версію протоколу.

Говорячи про інструменти, які вже зараз доступні для розробників, варто відзначити новий процесор CC2640R2F та безкоштовний стек BLE5-Stack від Texas Instruments. На радість розробників, BLE5-Stack заснований на попередній версії BLE-Stack, і зміни його використання торкнулися тільки нових особливостей Bluetooth 5.0.

Як збільшилася швидкість передачі даних у Bluetooth 5?

Bluetooth 5 використовує бездротове з'єднання з фізичною швидкістю передачі даних до 2 Мбіт/с, що вдвічі вище, ніж у Bluetooth 4.х. Тут варто відзначити, що ефективна швидкість обміну даними залежить не тільки від фізичної пропускної спроможності каналу передачі, а й від співвідношення службової та корисної інформаціїу пакеті, а також від супутніх "накладних" витрат, наприклад, втрати часу між пакетами (таблиця 1).

Таблиця 1. Швидкість обміну даними для різних версійBluetooth

У версіях Bluetooth 4.0 і 4.1 фізична пропускна здатність каналу становила 1 Мбіт/с, що при довжині пакета даних PDU 27 байт дозволяло досягати швидкості обміну до 305 кбіт/с. У версії Bluetooth 4.2 з'явилося розширення LE Data Length Extension. Завдяки йому після встановлення з'єднання між пристроями з'являлася можливість збільшити довжину пакета до 251 байта, що призводило до зростання швидкості обміну даними у 2,5 рази – до 780 кбіт/с.

У версії Bluetooth 5 збереглася підтримка LE Data Length Extension, що разом із зростанням фізичної пропускної спроможності до 2 Мбіт/с дозволяє досягати швидкості обміну даними до 1,4 Мбіт/с.

Як показує практика, таке прискорення передачі не є межею. Наприклад, бездротовий мікроконтролер CC2640R2F здатний працювати зі швидкостями до 5 Мбіт/с.

Варто сказати і про поширену помилку, що зростання пропускної спроможності до 2 Мбіт/с було досягнуто за рахунок скорочення радіусу дії. Звичайно, фізично мікросхема приймача (PHY) при роботі з частотою 2 Мбіт/с має на 5 дБм меншу чутливість, ніж при роботі з частотою 1 Мбіт/с. Однак, крім чутливості, є й інші фактори, які сприяють збільшенню радіусу дії, наприклад, перехід до кодування даних. З цієї причини за інших рівних умовах Bluetooth 5 виявляється більш надійним та має більший радіус дії в порівнянні з Bluetooth 4.0. Докладно про це розповідається в одному із наступних розділів статті.

Як активувати високошвидкісний режим передачі даних у Bluetooth 5?

Під час встановлення з'єднання між двома пристроями Bluetooth спочатку використовуються налаштування Bluetooth 4.0. Це означає, що у першому етапі пристрою обмінюються даними на швидкості 1 Мбіт/с. Після встановлення з'єднання майстер з підтримкою Bluetooth 5.0 може розпочати процедуру PHY Update Procedure, метою якої є встановлення максимальної швидкості 2 Мбіт/с. Ця операція буде успішною, тільки якщо керований також підтримує Bluetooth 5.0. Інакше швидкість залишається лише на рівні 1 Мбіт/с.

Для розробників, які раніше використовували BLE-Stack від Texas Instruments, гарною новиною стане те, що для виконання наведеної процедури в новому стеку BLE5-Stack виділено одну єдину функцію HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким чином, при переході на Bluetooth 5.0 у користувачів продуктів TI початкова ініціалізація не викликає проблем. Також для розробників буде корисний приклад, викладений на порталі GitHub, який дозволяє оцінити роботу двох мікроконтролерів CC2640R2F, які працюють у складі CC2640R2 LaunchPads у режимах High Speed ​​та Long Range.

Як збільшився радіус дії Bluetooth 5?

У специфікації Bluetooth 5.0 йдеться про збільшення радіусу дії вчетверо порівняно з Bluetooth 4.0. Це досить тонке питання, на якому варто зупинитись докладніше.

По-перше, поняття «вчетверо» є відносним і не прив'язується до конкретного радіусу дії в метрах чи кілометрах. Справа в тому, що дальність радіопередачі залежить від цілого ряду факторів: стану навколишнього середовища, рівня перешкод, числа одночасно передавальних пристроїв і так далі. У результаті жоден виробник, а також сам розробник стандарту Bluetooth SIG, конкретних значень не наводить. Збільшення радіусу дії оцінюється в порівнянні з Bluetooth 4.0.

Для подальшого аналізу необхідно виконати деякі математичні розрахунки та оцінити бюджет потужності радіоканалу. При використанні логарифмічних значень бюджет радіоканалу (дБ) дорівнює різниці потужності передавача (дБм) та чутливості приймача (дБм):

Бюджет радіоканалу = потужністьT X(ДБМ) - чутливістьR X(ДБМ)

Для Bluetooth 4.0 стандартна чутливість приймача становить -93 дБм. Якщо вважати потужність передавача 0 дБм, бюджет складає 93 дБ.

Збільшення радіусу дії вчетверо вимагатиме збільшення бюджету на 12 дБ, що дає значення 105 дБ. Як передбачається досягати цього значення? Є два шляхи:

• збільшення потужності передавачів;
• збільшення чутливості приймачів.

Якщо йти першим шляхом і збільшувати потужність передавача, це неминуче викличе зростання споживання. Наприклад, для CC2640R2F перехід на вихідну потужність 5 дБм призводить до зростання струму споживання до 9 мА (рисунок 1). За потужності 10 дБм струм збільшиться до 20 мА. Такий підхід не виглядає привабливим для більшості бездротових пристроїв з батарейним живленням і не завжди підходить для IoT, адже саме на цю область насамперед і орієнтувався Bluetooth 5.0. З цієї причини друге рішення виглядає кращим.

Для збільшення чутливості приймача пропонується два способи:

• зниження швидкості передачі;
• використання кодування даних Coded PHY.

Зменшення швидкості передачі у вісім разів теоретично підвищує чутливість приймача на 9 дБ. Таким чином, до заповітного значення не вистачає всього 3 дБ.

Необхідні 3 дБ вдається одержати за допомогою додаткового кодування Coded PHY. Раніше у версіях Bluetooth 4.х кодування бітів було однозначним 1:1. Це означає, що потік даних прямував на диференціальний демодулятор. У Bluetooth 5.0 при використанні Coded PHY існує два додаткових форматупередачі:

• з кодуванням 1:2, при якому кожному біту даних ставляться у відповідність два біти в потоці радіоданих. Наприклад, логічна «1» представляється як послідовність «10». При цьому фізична швидкість залишається рівною 1 Мбіт/с, а реальна швидкістьпередачі даних падає до 500 кбіт/с.
• З кодуванням 1:4. Наприклад, логічна "1" представляється послідовністю "1100". Швидкість передачі при цьому зменшується до 125 кбіт/с.

Описаний підхід називається Forward Error Correction (FEC) і дозволяє виявляти та виправляти помилки на приймальній стороні, а не вимагати повторної передачі пакетів, як це було в Bluetooth 4.0.

На папері все виглядає непогано. Залишається з'ясувати, наскільки ці теоретичні викладки відповідають реальності. Як приклад візьмемо той самий мікроконтролер CC2640R2F. Завдяки різним покращенням та новим режимам модуляції Bluetooth 5.0, приймач цього процесора має чутливість -97 дБм при швидкості обміну 1 Мбіт/с та -103 дБм при використанні Coded PHY та швидкості обміну 125 кбіт/с. Таким чином, в останньому випадку до рівня 105 дБ не вистачає всього 2 дБм.

Для оцінки радіусу дії CC2640R2F інженери з Texas Instruments провели польовий експеримент у місті Осло. При цьому з погляду рівня шумів довкілля у цьому досвіді не можна назвати «дружелюбною», оскільки у безпосередній близькості перебувала ділова частина міста.

Для отримання бюджету потужності більше 105 дБ було вирішено збільшити потужність передавача до 5 дБм. Це дозволило досягти значного підсумкового значення 108 дБм (рисунок 2). При виконанні експерименту дальність дії становила 1,6 км, що є дуже вражаючим результатом, особливо якщо врахувати мінімальний рівень споживання радіопередавачів.

Як змінився підхід до широкомовних повідомлень Bluetooth 5?

Раніше в Bluetooth 4.x для встановлення з'єднань між пристроями використовувалися три виділені канали даних (37, 38, 39). З їх допомогою пристрої знаходили один одного та обмінювалися службовою інформацією. По них можна було передавати широкомовні пакети даних. Такий підхід має недоліки:

• за великої кількості активних передавачів ці канали можна просто перевантажити;
• все більше пристроїв використовує широкомовні посилки без встановлення з'єднання «крапка-крапка». Це особливо важливо для Інтернету речей IoT;
• нова система кодування Coded PHY вимагатиме у вісім разів більше часу на встановлення з'єднання, що додатково навантажуватиме широкомовні канали.

Щоб вирішити ці проблеми в Bluetooth 5.0, було вирішено перейти до схеми, коли дані передаються по всіх 37 каналах даних, а службові канали 37, 38, 39 використовуються для передачі покажчиків. Покажчик відсилає до того каналу, яким здійснюватиметься передача широкомовного повідомлення. При цьому дані передаються лише один раз. У результаті вдається значно розвантажити службові канали та усунути це вузьке місце.

Також варто відзначити, що тепер довжина даних широкомовного пакета може досягати 255 байт замість 6…37 байт PDU у Bluetooth 4.x. Це надзвичайно важливо для додатків IoT, оскільки дозволяє мінімізувати накладні витрати на передачу та обійтися без встановлення з'єднань, а отже, і скоротити рівень споживання.

Чи підтримує Bluetooth 5 Mesh-мережі?

Рішення від Texas Instruments для Bluetooth 5

Одним з перших мікроконтролерів з Bluetooth 5.0 став високопродуктивний процесор CC2640R2F виробництва компанії Texas Instruments.

CC2640R2F побудований на базі сучасного 32-бітового ядра ARM Cortex-M3 із робочою частотою до 48 МГц. Роботою радіопередавача керує друге 32-бітове ядро ​​ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Крім того, CC2640R2F відрізняється багатою цифровою та аналоговою периферією.

Перевагою мікроконтролера CC2640R2F також є мінімальний рівень споживання (таблиця 2). Це стосується всіх режимів роботи. Наприклад, в активному режиміпри прийомі даних радіоканалу споживання становить 5,9 мА, а передачі – 6,1 мА (0 дБм) чи 9,1 мА (5 дБм). При переході в сплячий режим живить струм і зовсім падає до 1 мкА.

Поєднання трьох таких важливих якостей як підтримка Bluetooth 5.0, мале споживання та висока пікова продуктивність робить CC2640R2F дуже цікавим рішеннямдля Інтернету речей. При цьому за допомогою даного мікроконтролераможна створювати весь спектр IoT-пристроїв: автономні датчики, що працюють кілька років від однієї батареї, мости між додатковим процесором, що управляє, і каналом Bluetooth 5.0, складні програмивимагають високої обчислювальної потужності.

Таблиця 2. Споживання бездротового мікроконтролераCC2640 R2 Fз підтримкоюBluetooth 5

Режим роботи	Параметр	Значення (при Vcc = 3)
Активні обчислення	мкА/МГц ARM® Cortex®-M3	61 мкА/МГц
	Coremark/мА	48,5
	Coremark при частоті 48 МГц	142
Радіообмін	Піковий струм при прийомі, ма	5,9
	Піковий струм при передачі, ма	6,1
Режим сну	Контролер датчиків, мкА/МГц	8,2
	Режим Sleep mode з увімкненим RTC та збереженням пам'яті, мА	1

Для швидкого початку роботи з CC2640R2F компанія Texas Instruments підготувала традиційний налагоджувальний набір (рисунок 4). За допомогою пари таких пристроїв можна оцінити швидкодію та дальність радіопередачі через Bluetooth 5.0. Для цього можна скористатися готовими прикладами або створити власну програму на базі безкоштовного протоколу BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Висновок

Нова версія протоколу Bluetooth 5.0 орієнтована на максимальну відповідність до потреб Інтернету речей (IoT). У порівнянні з версією Bluetooth 4.0, вона має цілу низку якісних покращень:

• швидкість передачі даних збільшилася вдвічі і досягла 2 Мбіт/с;
• дальність передачі зросла вчетверо з допомогою кодування даних Coded PHY і Forward Error Correction (FEC);
• пропускна спроможність широкомовних повідомлень зросла у 8 разів.

Крім того, Bluetooth 5.0 забезпечує зворотну сумісність із пристроями Bluetooth 4.x, а також підтримує більшість розширень пізніх версійпротоколу.

Оцінити можливості Bluetooth 5.0 можна вже зараз за допомогою інструментів Texas Instruments. Компанія випускає високопродуктивний та малоспоживаючий мікроконтролер CC2640R2F, надає безкоштовний стек BLE 5 stack 1.0 та безліч готових прикладів для налагоджувального набору LAUNCHXL-CC2640R2.

Література

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