Vše, co potřebujete vědět o technologii Bluetooth. Co ovlivňuje verze bluetooth. Jak porozumět verzím Bluetooth

Přenos dat přes Bluetooth probíhá na frekvenci 2,4 GHz. Tento rozsah je rozdělen do 79 kanálů. Každá z nich je zároveň opatřena pásmem o šířce 1 MHz. Všechny dostupné specializace využívají synchronní nebo asynchronní typ komunikace.

Poslední úpravy (hlavní)

Bluetooth 2.0

Bluetooth 2.0, vydaný v listopadu 2004, poskytuje ještě rychlejší přenos dat a je zpětně kompatibilní s předchozími verzemi. Zvýšená rychlost je zajištěna použitím technologie EDR. Její inzerovaná rychlost je 3 Mb/s.Jak však ukazuje praxe, díky této technologii dosahuje maximální rychlost přenosu dat pouze2,1 Mbps. Ve verzi 2.0 bylo možné dosáhnout nejen zlepšení rychlosti, ale také výrazného zvýšení odolnosti proti hluku, což v konečném důsledku pomohlo snížit náklady na energii.

Kromě toho se 2.0 vyznačuje zjednodušením připojení několika zařízení k němu. Toho bylo dosaženo v důsledku zvýšení bitové hloubky adresování. To umožnilo připojit přes místní síť ne 8 zařízení jako dříve, ale již 256.

Specifikace 2.0+EDR má následující vlastnosti:

1. Zrychluje rychlost přenosu dat Bluetooth 3krát(ve skutečnosti na 2,1 Mbps).
2. Přidání další šířky pásma částečně vyřešilo problém připojení více zařízení k Bluetooth najednou.
3. Snížená spotřeba energie díky snížené zátěži.

Bluetooth 3.0

Specifikace Bluetooth 3.0 byla přijata v roce 2009 a vyvolala velký úspěch, protože rychlost přenosu dat při jejím používání dosahuje 24 Mbps. To bylo možné díky použití dvou modulů, z nichž jeden byl obvyklý Bluetooth 2.0 a druhý pracující pod protokolem 802.11 s podporou rychlostí až 24 Mbps. Modul vybraný pro přenos dat závisí na velikosti souboru. Pomalý kanál se tedy používá pro přenos malých souborů a vysokorychlostní pro velké soubory.

Hlavní negativní stránkou Bluetooth 3.0 + HS je příliš velká spotřeba energie při provozu. Kupodivu je takové mínus standardu 3.0 spojeno s jeho vysokou rychlostí. Standard 3.0 má však jednu nespornou výhodu. Konkrétně se jedná o schopnost pracovat pomocí protokolu 802.11, nebo jednodušeji Wi-Fi. V důsledku toho se výrazně zvýšila rychlost přenosu dat. Teoreticky by při použití verze 3.0 měla dosáhnout rychlosti připojení 54 Mbps.

Takže díky standardu 3.0 bude možné stahovat data o objemu DVD v nejkratších časových obdobích. Nicméně podle vývojářů skutečnou rychlost standard je 3.0 22-26 Mbps.

Bluetooth 4.0

Výhodou Bluetooth 4.0 oproti předchozí specifikaci je snížená spotřeba. Rychlost přenosu dat při použití standardu 4.0 dosahuje 1 Mb/s(velikost paketu 8-27 bajtů). Kromě toho je rychlost připojení zařízení vyhovujících specifikaci 4.0 snížena na 5 milisekund a vzdálenost, na kterou lze přenášet data, dosahuje 100 metrů. Také standard 4.0 poskytuje dostatečnou úroveň zabezpečení, kterou zaručuje 128bitové rozšíření AES.

Výhody Bluetooth 4.0:

1. Kombinuje předchozí protokoly. Podporuje hlavní funkce předchozích protokolů.
2. Zvýšení rychlosti.
3. Výrazné snížení spotřeby energie zařízení využívajícího standard 4.0, dosažené díky upravenému algoritmu provozu (vysílač je zapnut pouze v okamžiku přenosu dat).

Standard 4.0 je zpravidla vhodnější pro miniaturní elektronické snímače. Například pro náramkové měřiče tlaku a teploty, pro simulátory různá miniaturní zařízení s nízkou spotřebou energie.

Jeden z trendů udržitelného rozvoje mobilní zařízení- zlepšení prostředků bezdrátové komunikace, které poskytují možnost připojení k internetu, místní síti, jakož i různým periferním zařízením (sluchátka, náhlavní soupravy, reproduktory, tiskárny atd.) a dalším blízkým zařízením. Technologie bezdrátová komunikace, stejně jako další součásti mobilních zařízení, se neustále vyvíjejí. Existují nové verze specifikací, zvyšuje se propustnost, rozšiřuje se sada funkcí a tak dále. Díky tomu je zajištěn kvalitativní vývoj, bez kterého je technický pokrok nemyslitelný. Pokrok má však stinnou stránku: každý rok je pro uživatele stále obtížnější zjistit, jaký je rozdíl mezi různými modely.

Ze stručného popisu mobilního zařízení lze obvykle vyčíst pouze názvy bezdrátových rozhraní, kterými je vybaven. Podrobná specifikace zpravidla obsahuje další informace, zejména verze bezdrátových rozhraní (například Wi-Fi 802.11b/g/n a Bluetooth 2.1). To však zdaleka ne vždy stačí k plnému posouzení schopností bezdrátové komunikace daného zařízení. Například abyste pochopili, zda to či ono periferní zařízení připojené přes Bluetooth bude fungovat s vaším smartphonem nebo tabletem.

V tomto článku budeme hovořit o různých nuancích, kterým je třeba věnovat pozornost při hodnocení schopností zařízení vybavených rozhraním Bluetooth.

Rozsah použití

Bezdrátové rozhraní krátkého dosahu nazvané Bluetooth bylo vyvinuto v roce 1994 inženýry švédské společnosti Ericsson. Od roku 1998 tuto technologii vyvíjí a propaguje skupina Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), založená společnostmi Ericsson, IBM, Intel, Nokia a Toshiba. K dnešnímu dni obsahuje seznam členů Bluetooth SIG více než 13 tisíc společností.

Přijetí rozhraní Bluetooth ve spotřebitelských zařízeních pro masový trh začalo v první polovině minulého desetiletí. aktuálně vložené Bluetooth adaptéry jsou vybaveny mnoha modely přenosných počítačů a mobilních zařízení. Kromě toho je v prodeji široká škála periferních zařízení (bezdrátová sluchátka, manipulátory, klávesnice, akustické systémy atd.) vybavených tímto rozhraním.

Hlavní funkcí Bluetooth je vytváření tzv. osobních sítí (Private Area Networks, PAN), které poskytují možnost výměny dat mezi blízkými (uvnitř stejného domu, areálu, vozidla atd.) stolními a přenosnými počítači, periferními a mobilních zařízení atd.

Hlavními výhodami Bluetooth oproti konkurenčním řešením je nízká spotřeba a nízká cena transceiverů, což umožňuje zabudování i do malých zařízení s miniaturními bateriemi. Výrobci zařízení jsou navíc osvobozeni od placení licenčních poplatků za instalaci transceiverů Bluetooth do svých produktů.

Spojovací zařízení

Pomocí rozhraní Bluetooth můžete kombinovat dvě i několik zařízení najednou. V prvním případě se připojení provádí podle schématu „bod-bod“, ve druhém - podle schématu „bod-multibod“. Bez ohledu na schéma zapojení je jedno ze zařízení master (master), zbytek jsou slave (slave). Master nastaví šablonu, kterou budou všechny podřízené jednotky používat, a synchronizuje jejich provoz. Takto připojená zařízení tvoří pikonet. V rámci jedné pikonety lze kombinovat jedno master a až sedm slave zařízení (obr. 1 a 2). Kromě toho je povoleno mít v pikonetu další podřízená zařízení (více než sedm), která mají stav blokována (zaparkována): neúčastní se výměny dat, ale jsou synchronizována s nadřízeným zařízením.

Rýže. 1. Schéma pikonetu,
propojení dvou zařízení

Rýže. 2. Schéma pikonetu,
připojení více zařízení

Několik pikonetů lze kombinovat do distribuované sítě (scatternet). K tomu musí zařízení fungující jako slave v jedné pikonětě fungovat jako master v jiné (obr. 3). Pikonety, které jsou součástí jednoho distribuovaná síť, nejsou vzájemně synchronizovány a používají různé šablony.

Rýže. 3. Schéma distribuované sítě včetně tří pikonet

Maximální počet pikonet v distribuované síti nesmí překročit deset. Distribuovaná síť tedy umožňuje kombinovat celkem až 71 zařízení.

Všimněte si, že v praxi se potřeba vytvořit distribuovanou síť objevuje jen zřídka. Při současném stupni integrace hardwarových komponent si lze jen těžko představit situaci, kdy by majitel smartphonu či tabletu potřeboval přes Bluetooth připojit více než dvě nebo tři zařízení současně.

Akční rádius

Specifikace Bluetooth poskytuje tři třídy transceiverů (viz tabulka), které se liší výkonem, a tedy i efektivním dosahem. Nejrozšířenější variantou, která se používá u většiny v současnosti vyráběných mobilních elektronických zařízení a počítačů, jsou Bluetooth transceivery třídy 2. Nízkoenergetické systémy třídy 3 jsou vybaveny lékařským vybavením a hlavním rozsahem jsou ty nej "dlouhé" Moduly třídy 1 jsou monitorovací a řídicí systémy pro průmyslová zařízení.

Samozřejmě se můžete spolehnout na stabilní bezdrátové spojení mezi zařízeními, která jsou daleko (například 10 m v případě transceiverů třídy 2), pouze pokud mezi nimi nejsou velké překážky (stěny, příčky, dveře atd. .). Skutečný dosah se může lišit jak v závislosti na vlastnostech místnosti, tak na přítomnosti rádiového rušení a zdrojů silného elektromagnetického záření ve vzduchu.

Verze Bluetooth a jejich rozdíly

První verze specifikace (Bluetooth 1.0) byla schválena v roce 1999. Krátce po prozatímní specifikaci (Bluetooth 1.0B) byl schválen Bluetooth 1.1 – opravoval chyby a odstranil mnoho nedostatků první verze.

V roce 2003 byla schválena základní specifikace Bluetooth 1.2. Jednou z jeho klíčových novinek bylo zavedení metody adaptivního frekvenčního přeskakování rozprostřeného spektra (AFH), díky níž bylo bezdrátové připojení mnohem odolnější vůči elektromagnetickému rušení. Kromě toho bylo možné zkrátit čas strávený procedurami zjišťování a připojování zařízení.

Dalším důležitým vylepšením ve verzi 1.2 bylo zvýšení rychlosti výměny dat na 433,9 Kbps v každém směru při použití asynchronní komunikace přes symetrický kanál. V případě asymetrického kanálu byla propustnost 723,2 Kbps v jednom směru a 57,6 Kbps ve druhém.

Přibyla také vylepšená verze technologie Extended Synchronous Connections (eSCO), která zlepšila kvalitu přenosu streamovaného zvuku pomocí mechanismu pro opětovné zasílání paketů, které byly při přenosu poškozeny.

Koncem roku 2004 byla schválena základní specifikace Bluetooth 2.0 + EDR. Nejdůležitější novinkou druhé verze byla technologie Enhanced Data Rate (EDR), díky jejímž zavedení bylo možné výrazně (několikanásobně) zvýšit šířku pásma rozhraní. Teoreticky vám použití EDR umožňuje dosáhnout rychlosti přenosu dat 3 Mbps, ale v praxi toto číslo obvykle nepřesahuje 2 Mbps.

Je třeba poznamenat, že EDR není požadovaná funkce pro transceivery vyhovující specifikaci Bluetooth 2.0.

Zařízení vybavená transceivery Bluetooth 2.0 jsou zpětně kompatibilní s moduly z předchozích verzí (1.x). Rychlost přenosu dat je přirozeně omezena možnostmi pomalejšího zařízení.

V roce 2007 byla schválena základní specifikace Bluetooth 2.1 + EDR. Jednou z inovací v něm implementovaných byla energeticky úsporná technologie Sniff Subbrating, která umožnila výrazně (třikrát až desetkrát) zvýšit výdrž baterie mobilních zařízení. Výrazně se zjednodušil i postup navazování komunikace mezi dvěma zařízeními.

V srpnu 2008 byl schválen dodatek Core Specification Addendum (CSA) pro specifikace Bluetooth 2.0 + EDR a Bluetooth 2.1 + EDR. Provedené změny jsou zaměřeny na snížení úrovně spotřeby energie, zvýšení úrovně ochrany přenášených dat a optimalizaci postupů pro identifikaci a připojení Bluetooth zařízení.

V dubnu 2009 byla schválena základní specifikace Bluetooth 3.0+HS. Zkratka HS v tomto případě znamená High Speed ​​​​( vysoká rychlost). Jeho hlavní inovací je implementace technologie Generic Alternate MAC / PHY, která poskytuje možnost přenosu dat rychlostí až 24 Mbps. Kromě toho je zajištěno použití dvou modulů transceiveru: nízkorychlostní (s nízkou spotřebou energie) a vysokorychlostní. V závislosti na šířce vysílaného datového toku (nebo velikosti přenášeného souboru) se používá buď nízkorychlostní (do 3 Mbps) nebo vysokorychlostní transceiver. To snižuje spotřebu energie v situacích, kdy nejsou vyžadovány vysoké přenosové rychlosti.

Základní specifikace Bluetooth 4.0 byla schválena v červnu 2010. Klíčovou vlastností této verze je použití nízkoenergetické technologie pro přenos dat. Snížení spotřeby energie je dosaženo jak omezením rychlosti přenosu dat (ne více než 1 Mbit/s), tak tím, že transceiver nepracuje neustále, ale zapíná se pouze po dobu výměny dat. Na rozdíl od obecně rozšířené mylné představy, Bluetooth 4.0 neposkytuje vyšší rychlosti přenosu dat než Bluetooth 3.0 + HS.

Bluetooth profily

Možnosti interakce mezi zařízeními při připojení přes rozhraní Bluetooth jsou do značné míry určeny sadou profilů, které každé z nich podporuje. Konkrétní profil poskytuje podporu pro určité funkce, jako je přenos souborů nebo streamování médií internetové připojení atd. Informace o některých profilech Bluetooth najdete na postranním panelu.

Je důležité pochopit, že připojení Bluetooth můžete použít k provedení jakékoli úlohy pouze v případě, že příslušný profil podporuje hlavní i podřízené zařízení. Přenést „vizitku“ nebo kontakt z jednoho mobilního telefonu do druhého je tedy možné prostřednictvím Bluetooth spojení pouze v případě, že obě zařízení podporují profil OPP (Object Push Profile). A například používat mobilní telefon jako bezdrátový mobilní modem Toto zařízení a počítač k němu připojený musí podporovat profil DUN (Dial-up Networking Profile).

Často dochází k situacím, kdy je navázáno Bluetooth spojení mezi dvěma zařízeními, ale není možné provést nějakou akci (řekněme přenést soubor). Jeden z pravděpodobné příčiny výskytem takových problémů může být nedostatek podpory odpovídajícího profilu v jednom ze zařízení.

Sada podporovaných profilů je tedy důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu při hodnocení schopností konkrétního zařízení. Některé modely mobilních zařízení bohužel podporují minimální sadu profilů (například pouze A2DP a HSP), což výrazně omezuje možnost bezdrátového připojení k dalšímu zařízení.

Všimněte si, že sada podporovaných profilů je určena nejen specifiky a konstrukčními vlastnostmi zařízení, ale také politikou výrobce. U některých zařízení je například pod záminkou boje proti pirátství zablokována možnost přenášet soubory určitých formátů (obrázky, videa, e-knihy, aplikace atd.). Pravda, ve skutečnosti takovým omezením netrpí milovníci padělaného mediálního obsahu a softwaru, ale poctiví uživatelé, kteří jsou nuceni přenášet fotografie pořízené vlastníma rukama vestavěným fotoaparátem do PC kruhovým způsobem (např. například zasláním potřebných souborů na jejich vlastní e-mailovou adresu).

Výrobci neustále inspirují spotřebitele, že nová řešení jsou rozhodně lepší než ta stará. Nové procesory nabízejí vyšší výkon a nižší spotřebu energie než jejich předchůdci; nové displeje mají vyšší rozlišení a širší barevný gamut atd. Je však stěží vhodné použít takový přístup k posouzení schopností rozhraní Bluetooth.

Nejprve musíte vzít v úvahu vlastnosti již existující flotily zařízení Bluetooth. Ostatně, jak již bylo zmíněno, maximální rychlost přenosu dat je určena zařízením vybaveným nejstarší verzí rozhraní. Kromě toho nejsou pro všechny úkoly vyžadovány vysoké přenosové rychlosti dat. Pokud je to opravdu důležitý faktor pro kopírování mediálních souborů (zvukové nahrávky, obrázky) nebo vysílání audio streamu s nízkým stupněm komprese, pak funkce Bluetooth 2.0 postačí pro běžnou interakci telefonu s bezdrátovým headsetem nebo pro výměnu kontaktů. s jiným zařízením.

Za druhé, v mnoha případech je mnohem důležitějším faktorem než maximální rychlost bezdrátového připojení sada podporovaných profilů Bluetooth. Je to totiž on, kdo ve skutečnosti určuje rozsah zařízení, se kterým je stávající zařízení schopno interagovat. Bohužel tyto informace jsou málokdy uvedeny i v úplné specifikaci zařízení a často je musíte hledat v textu návodu k použití nebo na uživatelských fórech.

Ahoj.

3. prosince 2014 Bluetooth SIG oficiálně oznámil specifikaci bluetooth verze 4.2.
Tisková zpráva uvádí 3 hlavní novinky:

• zvýšení rychlosti příjmu a přenosu dat;
• možnost připojení k internetu;
• zlepšení soukromí a bezpečnosti.

Vše popsané níže platí pouze pro BLE, pojďme ...

1. Zvýšení rychlosti příjmu a přenosu uživatelských dat.

A s příchodem verze 4.2 oznámil Bluetooth SIG zvýšení přenosové rychlosti 2,5krát a velikosti přenášeného paketu 10krát. Jak toho dosáhli?

Řeknu, že tato 2 čísla spolu souvisí, konkrétně: rychlost se zvýšila, protože se zvětšila velikost přenášeného paketu.

Podívejme se na PDU (protocol data unit) datového kanálu:


Každý PDU obsahuje 16bitové záhlaví. Toto záhlaví ve verzi 4.2 se nyní liší od záhlaví ve verzi 4.1.

Zde je název verze 4.1:

A zde je záhlaví verze 4.2:

Poznámka: RFU (Reserved for Future Use) - pole označené touto zkratkou je vyhrazeno pro budoucí použití a je vyplněno nulami.

Jak vidíme, posledních 8 bitů hlavičky je odlišných. Pole "Délka" je součtem délek užitečného zatížení a pole MIC (Kontrola integrity zprávy) nalezených v PDU (pokud je tato možnost povolena).
Pokud má ve verzi 4.1 pole "Délka" velikost 5 bitů, pak ve verzi 4.2 má toto pole velikost 8 bitů.

Odtud lze snadno vypočítat, že pole "Délka" ve verzi 4.1 může obsahovat hodnoty v rozsahu od 0 do 31 a ve verzi 4.2 v rozsahu od 0 do 255. Pokud od maximální hodnoty odečteme délku pole MIC (4 oktety), dostaneme, že užitečná data mohou být 27 a 251 oktetů pro verze 4.1 a 4.2. Ve skutečnosti je maximální počet dat ještě menší, protože užitečné zatížení také obsahuje režii L2CAP (4 oktety) a ATT (3 oktety), ale to nebudeme uvažovat.

Velikost přenášených uživatelských dat se tak zvýšila přibližně 10krát. Pokud jde o rychlost, která se z nějakého důvodu nezvýšila 10krát, ale pouze 2,5krát, pak nelze hovořit o proporcionálním navýšení, protože vše také spočívá na garantovaném doručení dat, protože garantování doručení 200 bajtů je o něco obtížnější než 20.

2. Možnost připojení k internetu.

Ve verzi 4.1 L2CAP zavedl „LE Credit Based Flow Control Mode“. Tento režim umožňuje řídit datový tok pomocí tzv. kreditní schéma. Zvláštností tohoto schématu je, že nepoužívá signálové pakety k indikaci množství přenášených dat, ale požaduje od jiného zařízení kredit pro určité množství přenášených dat, čímž urychluje proces přenosu. V tomto případě přijímající strana při každém přijetí rámce sníží počítadlo rámců a při dosažení posledního rámce může přerušit spojení.

V seznamu příkazů L2CAP jsou 3 nové kódy:
- LE Credit Based Connection request – požadavek na připojení dle kreditního schématu;
- odpověď LE Credit Based Connection – odpověď na připojení na základě kreditního schématu;
- LE Flow Control Credit – zpráva o možnosti získat další LE-rámce.

V balíčku „Žádost o připojení LE Credit Based Connection“.


je zde pole "Initial Credits" dlouhé 2 oktety udávající počet LE rámců, které může zařízení odeslat na úrovni L2CAP.

V paketu odpovědi "LE Credit Based Connection response"


stejné pole udává počet LE rámců, které může poslat jiné zařízení, a pole „Výsledek“ označuje výsledek požadavku na připojení. Hodnota 0x0000 znamená úspěch, ostatní hodnoty znamenají chybu. Konkrétně hodnota 0x0004 označuje selhání připojení z důvodu nedostatku zdrojů.

Již ve verzi 4.1 tak bylo možné přenášet velké množství dat na úrovni L2CAP.
A nyní, téměř současně s vydáním verze 4.2, je zveřejněno:

• služba: "IP Support Service" (IPSS) .
• Profil IPSP (Internet Protocol Support Profile), který definuje podporu pro přenos IPv6 paketů mezi zařízeními, která mají BLE.

Profil definuje následující role:
- Role routeru – používá se pro zařízení, která mohou směrovat pakety IPv6;
- Role uzlu – používá se pro zařízení, která mohou pouze přijímat nebo odesílat pakety IPv6; mají funkci zjišťování služeb a mají službu IPSS, která umožňuje routerům zjišťovat toto zařízení;

Roli hostitele mohou mít zařízení s rolí routeru, která se potřebují připojit k jinému routeru.

Kupodivu přenos IPv6 paketů není součástí specifikace profilu a je specifikován v IETF RFC „Přenos IPv6 paketů přes Bluetooth Low Energy“. Dalším zajímavým bodem uvedeným v tomto dokumentu je, že pakety IPv6 jsou přenášeny pomocí standardu 6LoWPAN, což je standard pro spolupráci IPv6 přes nízkoenergetické bezdrátové osobní sítě IEE 802.15.4.

Podívej se na obrázek:


Profil určuje, že IPSS, GATT a ATT se používají pouze pro zjišťování služeb, zatímco GAP se používá pouze pro zjišťování zařízení a navazování připojení.

Ale zvýrazněno červeně, jen říká, že přenos paketů není zahrnut ve specifikaci profilu. To umožňuje programátorovi napsat vlastní implementaci přenosu paketů.

3. Vylepšené soukromí a zabezpečení.

• výměna informací o metodách párování;
• generování krátkodobých klíčů (Short Term Key (STK));
• výměna klíčů.

• Generování krátkodobého klíče (STK) s názvem "LE starší párování"
• generace dlouhodobých klíčů (Long Term Key (LTK)) s názvem „LE Secure Connections“

V tomto ohledu se kromě 3 existujících funkcí v kryptografické sadě nástrojů bezpečnostního manažera objevilo 5 dalších a těchto 5 se používá pouze pro obsluhu nového procesu párování „LE Secure Connections“. Tyto funkce generují:

• LTK a MacKey;
• podpůrné proměnné;
• autentizační kontrolní proměnné;
• 6místná čísla používaná k zobrazení na spárovaných zařízeních.

Pokud tedy během párování ve 2. fázi pomocí metody „LE legacy pairing“ byly vygenerovány 2 klíče:

• Dočasný klíč (TK): 128bitový dočasný klíč používaný ke generování STK;
• Short Term Key (STK): 128bitový dočasný klíč používaný k šifrování spojení

• Long Term Key (LTK): 128bitový klíč používaný k šifrování následných připojení.

• prevence sledování, as nyní díky "Numeric Comparison" je možné ovládat schopnost připojení k vašemu zařízení.
• zlepšená energetická účinnost, as nyní není potřeba žádná další energie k opětovnému generování klíčů na každém připojení.
• průmyslové standardní šifrování pro zabezpečení citlivých dat.

4. Je už příležitost cítit?

• čipy nRF51822 a nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 dongle;
• nRF51822EK.

Od svého vzniku až do posledních let standard Bluetooth předběhl dobu. Tvůrce Bluetooth, společnost Ericsson, zahájil výzkum v oblasti bezdrátových rozhraní pro mobilní telefony na počátku devadesátých let minulého století. V roce 1998 Ericsson spolu s IBM, Intel, Nokia a Toshiba vydal první specifikaci pro standard Bluetooth 1.0. Za prvé, nový standard měl nahradit propojovací kabely mobilních telefonů.

Je zajímavé, že v těch letech ne všichni uživatelé mobilních telefonů chápali, proč je kabel rozhraní vůbec potřeba. Existovaly pouze dvě třídy zařízení, ke kterým bylo možné připojit mobilní telefon. Především to byly náhlavní soupravy handsfree a systémy handsfree, které vyžadovaly obousměrný přenos středně kvalitního mono zvuku na vzdálenost několika metrů.

Navíc tam byly osobní počítače se kterým telefon interagoval jako elektronický organizér nebo jako externí modem. Zde nový standard měl poskytnout bezdrátovou náhradu za sériový port (RS-232).

Pro takové úkoly standard Bluetooth nevyžadoval ani rychlost přenosu dat, ani větší funkčnost sítě ani velký dosah. Standard, určený pro mobilní zařízení, musel poskytovat nízkou spotřebu energie a kromě toho, že úspěšně konkuroval kabelovým připojením, musel být velmi levný na implementaci.

Tvůrci Bluetooth jsou často obviňováni, že svůj výtvor uvádějí na trh příliš pomalu. digitální zařízení. Je vskutku zvláštní, že specifikace Bluetooth, oficiálně zveřejněná v roce 1998, se rozšířila až na začátku třetího tisíciletí. Důvody takového zpoždění je však třeba hledat nikoli v pomalosti vývojářů standardu, ale v zaostalosti trhu samotného. V těch letech prostě nebylo dost úkolů pro Bluetooth.

Přesto zakladatelé standardu rychle ocenili potenciál jejich tvorby. Již v roce 1999 prokázali touhu pokračovat v jeho zlepšování. Tak se zrodila Bluetooth SIG (Special Interest Group). Spolu s pěti zakladateli skupina zahrnovala několik společností, včetně Palm, Microsoft, Motorola, Handspring, Qualcomm a Lucent.

Myšlenka Bluetooth se vyvinula poměrně rychle. Nové rozhraní již nebyl považován za triviální náhradu kabelů mobilních telefonů. Začalo se to měnit v univerzální bezdrátové rozhraní pro osobní sítě, které by mohly zahrnovat téměř jakékoli zařízení. Čas od času byly v normě zjištěny nedostatky, které bránily implementaci nový koncept, což byl důvod vydání nových verzí specifikace s relativně drobnými změnami a doplňky. Tak se objevily verze 1.1 a 1.2, které ani dnes nemají mezi rádiovými rozhraními pro osobní sítě konkurenci.

Proč "2.0/EDR"?

Široké používání zařízení s podporou Bluetooth, které začalo v letech 2001 a 2002, ukázalo, že tento nejlepší standard ve svém oboru stále není dost dobrý. Ve skutečnosti vývojáři Bluetooth 1.x nepracovali ani tak na praktických datech, ale na předpovědích vzdálené (podle standardů digitálního průmyslu) budoucnosti, a prostě nemohli předvídat všechno.

V roce 2002 bylo Bluetooth standardizováno IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) jako standard 802.15.1. Ve stejném roce zástupci Ericssonu oznámili plány na novou verzi standardu – 2.0. Bylo poznamenáno, že nová specifikace by se měla očekávat až na konci roku 2004, kdy k ní trh poroste.

V listopadu 2004 vydala Bluetooth SIG specifikaci Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). Tentokrát prakticky nedošlo k žádnému zpoždění ve vzhledu zařízení podporujících nový standard. Broadcom, CSR a RF Micro Devices testovaly prototypy 2.0+EDR a téměř okamžitě zahájily sériovou výrobu čipů. Rychlé vytlačování verzí 1.x z trhu však nezačalo.

Prvním zařízením s podporou Bluetooth 2.0+EDR nebyl telefon, jak by se dalo čekat, ale notebook od Jablko. Bluetooth SIG očekává, že mobilní telefony přijmou nový standard po celém světě nejdříve příští rok. Výrobci telefonů přitom očekávají mnohem větší potíže, než tomu bylo při přechodu z verze 1.1 na 1.2.

Objeví se legitimní otázka, o tom, proč vůbec udělali nový standard, když ho opravdu nikdo nepotřebuje a jeho předchůdce je stále mimo konkurenci kvůli stejné lacinosti a šetrnosti v energii. Na základě čeho vývojáři doufají v blízký nárůst popularity verze 2.0?

Existují dva takové důvody: zvýšené požadavky na rychlost a pohodlí osobních sítí a touha vývojářů standardu používat jej nejen v osobních sítích.

Uživatelé osobní sítě chtějí posílat rychle velké soubory s obsahem videa, zvuku a fotografií chtějí bezproblémově využívat bezdrátovou komunikaci s různými zařízeními současně, chtějí poslouchat vysoce kvalitní stereo zvuk přes bezdrátová sluchátka a počet takových úkolů neustále roste. Jedním z nejděsivějších příkladů jsou moderní tiskárny, které dokážou předběhnout zařízení s podporou Bluetooth, ze kterých se odesílají data k tisku. Neustálý růst počtu zařízení Bluetooth nemůže způsobit nárůst velikosti osobních sítí, kde mohou všechna zařízení pracovat současně a vzájemně se rušit. Bluetooth 1.x není připraven sloužit potřebám takových sítí, což je zvláště nešťastné vzhledem k přístupu konkurenčního komunikačního standardu - UWB. Pokud chce Bluetooth SIG i nadále představovat standard, který předběhl svou dobu, pak potřebuje něco lepšího než 1.x.

Kromě toho nezapomeňte, že standard Bluetooth 1.x je již široce používán nejen pro osobní sítě, ale také pro řadu dalších úkolů, včetně víceuživatelských lokálních sítí a senzorových aplikací. V těchto oblastech je pro Bluetooth 1.x stále obtížnější konkurovat jiným bezdrátovým standardům, jako jsou Wi-Fi a Zigbee.

Za takových podmínek by Bluetooth SIG mohl buď poskytnout budoucí trh konkurentům, nebo vytvořit zásadně nový standard se samostatným zaměřením na rychlost.

Novinka v Bluetooth 2.0/EDR

Pojďme se rychle podívat na inovace, které umožňují vývojářům počítat s růstem popularity nového standardu:

Enhanced Data Rate (EDR)

Téma rychlosti přenosu dat vytváří mnoho problémů pro vývojáře Bluetooth. Na jedné straně je mnoho úloh, které si za každých okolností vystačí s rychlostí 721 Kbps, kterou poskytuje verze 1.x, a na straně druhé multimediální úlohy vyžadující přenos stále většího množství data.

Přístupový bod Bluetooth / LAN v kombinaci s tiskovým serverem.

Rychlost 2,1 Mb/s, kterou poskytuje nová verze Bluetooth, je stále znatelně nedostatečná i pro ty nejpomalejší bezdrátové sítě, ale pro typické multimediální úlohy je téměř dostatečná.

Po 12 Mbps slíbených v roce 2002 vypadá číslo 2,1 více než skromně. Je však třeba vzít v úvahu, že vývojáři Bluetooth SIG byli silně omezeni požadavky na spotřebu energie a náklady, které byly a zůstávají nejvyšší prioritou tohoto standardu.

Bluetooth 1.x využívá jedno z nejprimitivnějších modulačních schémat – GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), jehož jednoduchost byla pro vývojáře velmi atraktivní v roce 1998, kdy se i rychlost 721 Kbps zdála přehnaná. Bluetooth 2.0/EDR využívá několik alternativních modulačních schémat, která téměř ztrojnásobují přenosovou rychlost. GFSK je však nadále podporována z důvodů kompatibility.

Nedostatek "přeskakování" frekvenčních kanálů.

Ve verzi Bluetooth 1.x lze komunikaci provádět pomocí jednoho ze 79 frekvenční kanály. Aby se zabránilo rušení jinými zařízeními pracujícími ve stejném frekvenčním rozsahu, kanály se mění 1600krát za sekundu. Jedná se o poměrně jednoduché řešení a navíc v roce 1998 mohl být takový protokol považován za dobrou ochranu hardwarové komunikace před vetřelci. Mezi nevýhody takového mechanismu patří pomalejší komunikace a potíže s dalším zlepšováním standardu.

Bluetooth 2.0 využívá modernější mechanismus proti rušení pro lepší využití možností standardu.

Podpora vícenásobného vysílání

V osobních sítích je často nutné přenášet stejná data do několika zařízení současně. Bluetooth 1.x poskytuje vícenásobný přenos těchto dat postupně pro každé zařízení. V určité síti Bluetooth mohlo být současně přítomno pouze jedno vysílací a jedno přijímající zařízení. Díky tomu bylo velmi obtížné pracovat v reálném čase s úkoly, jako je sdílení stejného zvuku na více sluchátkách Bluetooth nebo jak na to počítačové hry s více účastníky synchronizovanými přes Bluetooth. Navíc to jednoduše zpomaluje práci, protože pokaždé musíte znovu navázat spojení s dalším zařízením, což trvá znatelně dlouho.

Bluetooth 2.0 poskytuje možnost posílat stejná data na více zařízení současně. Tato funkce se nazývá „Multi-cast“ a je umožněna odstraněním mechanismu pro rychlé změny kanálů.

Systém QoS (kvalita služeb)

Při použití rozhraní Bluetooth pro komunikaci s více zařízeními současně často dochází k nežádoucím prodlevám. Dalo by se jim vyhnout, kdyby byly datové toky lépe organizovány.

Specifikace Bluetooth 2.0 poskytuje speciální mechanismus QoS (quality of service), který zajišťuje interakci zařízení s minimálním počtem zpoždění. Zařízení, která podporují QoS, spolu komunikují, aby odpovídala jejich potřebám pro okamžitý přenos dat a schopnost bezbolestně se vypořádat se zpožděním komunikace. Bez zvýšení skutečné rychlosti přenosu dat je tedy možné eliminovat efekt zpomalení, který uživatele tolik obtěžuje.

Distribuované řízení přístupu do prostředí

Síťový model v raných verzích Bluetooth je velmi jednoduchý. Síť má jednoho hlavního a od jednoho do sedmi podřízených. Data lze přenášet pouze mezi nadřízenými ("master") a podřízenými ("slave") zařízeními. Nadřazené zařízení zároveň řídí přístup zařízení k médiu pro přenos dat. Pokud hlavní zařízení z nějakého důvodu opustí síť, zbytek sítě nebude schopen fungovat.

Bluetooth 2.0 představuje nový protokol, který poskytuje distribuovanou kontrolu nad přístupem k médiu pro přenos dat, což zbavuje síť závislosti na jediném zařízení. Jakmile hlavní zařízení opustí síť, jeho funkce se přenesou na jiné zařízení.

Navíc v Bluetooth 2.0 byla maximální velikost sítě zvýšena z 8 na 256 zařízení. Ve verzích 1.x byl pro rozšíření sítě poskytnut poněkud nepohodlný mechanismus pro spojení jednoduchých sítí Bluetooth ("pikonet") do jedné velká síť("rozptyl"). Přitom stejné zařízení bylo v jedné jednoduché síti master a v jiné slave. Ve verzi 2.0 je vše mnohem jednodušší – k jednomu masteru je připojeno od jednoho až po 255 podřízených zařízení.

Zvýšená úspora energie

Zvýšená rychlost přenosu dat v Bluetooth 2.0 vedla ke zvýšení spotřeby energie zařízeními. Spotřeba energie ale nenarostla tolik jako rychlost, takže celková spotřeba na přenos stejného množství dat se znatelně snížila. U většiny úkolů je úspora energie více než dvojnásobná.

Chytřejší organizace práce s daty ovlivnila i spotřebu energie ve směru jejího snižování. Takže například použití současného přenosu dat do více zařízení je znatelně ekonomičtější než přenos těchto dat do každého zařízení zvlášť.

Zpětně kompatibilní s předchozími verzemi

Specifikace Bluetooth verze 2.0 poskytuje plnou kompatibilitu se všemi předchozími verzemi. Zařízení, které podporuje nový standard, je schopno komunikovat se zařízeními všech verzí, i když jsou připojena ke stejné síti. Zároveň dojde k výměně dat se zapnutými novými zařízeními zvýšená rychlost 2,1 Mbps a se starými - na stejných 721 Kbps.

Budoucnost Bluetooth

Novou verzi specifikace Bluetooth nelze nazvat konečnou. Pryč jsou roky, kdy se tento standard nemohl dlouho vyvíjet a zůstal nad současnými požadavky trhu. Nyní potřebuje pravidelné aktualizace, aby držel krok s dobou.

Bluetooth SIG plánuje začít vydávat aktualizované specifikace každý rok a slibuje vydání další verze do konce roku 2005. Samozřejmě ne každá nová verze bude obsahovat tolik nových funkcí jako verze 2.0/EDR.

Zajímavé je, že datový tok už vývojáři standardu netvrdí jako nejbližší bod uplatnění jejich snažení. Mnohem větší pozornost je ve svých plánech věnována zlepšování schopností Bluetooth v oblasti lepšího využití dostupné rychlosti, například v roce 2005 je plánována finalizace systému QoS, který lze vylepšovat téměř donekonečna a v roce 2006 Očekává se, že bude dokončen systém Multi-Cast.

Je jen přirozené, že konkurenční standardy, které prosazují Bluetooth v nových oblastech pro něj, a očekávané v jeho typické oblasti osobních sítí, nutí vývojáře, aby se nadále co nejvíce zlepšovali. silná stránka standard - nízká spotřeba energie. SIG hodlá již v roce 2005 představit řešení vedoucí k bezprecedentnímu snížení spotřeby energie.

Nové oblasti aplikace Bluetooth, kterých je stále více, navíc kladou přísnější požadavky na bezpečnost dat a je dokonce obtížné je formulovat, aniž bychom přesně věděli, kde bude nový standard distribuován. Směru bezpečnosti bude prozatím věnována pozornost v každé nové verzi standardní specifikace.

Bluetooth a all-all-all

Je zřejmé, že nové funkce umožní Bluetooth 2.0 vstoupit do aktivní soutěže s některými stávajícími standardy bezdrátové komunikace ve velmi blízké budoucnosti. Očekává se také vznik nových standardů, které mohou z Bluetooth udělat vážného konkurenta.

Zvažte rovnováhu výkonu mezi Bluetooth a jeho hlavními rivaly:

Bluetooth vs. ZČU

Nový bezdrátový standard s názvem Wireless USB je určen pro téměř stejné úkoly jako Bluetooth, tedy pro osobní sítě. Hlavní slabinou nového standardu je, že ještě není hotový, ale jeho vydání se plánuje na poměrně blízkou budoucnost a ani tehdy nic nezabrání rozhoření rivality mezi tzv. Bluetooth a Wireless USB, ve které se první bude mít nízkou cenu a spotřebu energie na straně a na straně druhé - rychlost přenosu dat za ideálních komunikačních podmínek dosahuje 480 Mbit / s (jako USB 2.0). Mnoho stávajících kompatibilních zařízení pravděpodobně nepomůže Bluetooth v nadcházejícím boji, protože ve skutečnosti se Wireless USB bude lišit od super obvyklého USB 2.0 pouze absencí kabelu a přizpůsobení nového standardu bude rychlé a bezbolestné.

Rychlé vítězství jednoho ze standardů v blízké budoucnosti je zcela nereálné. Dokud budou zařízení, kterým nezáleží na rychlosti, ale důležitá je nízká spotřeba nebo naopak, budou potřeba oba standardy. Zároveň nelze očekávat rychlé rozdělení světa zařízení pro osobní sítě na dva neslučitelné tábory, protože zařízení, která mají stejný zájem jak o rychlost, tak o energetickou účinnost, jsou zcela běžná.

Je pravděpodobný závod, ve kterém vývojáři Bluetooth zvýší rychlost a vývojáři Wireless USB sníží spotřebu energie. Oba standardy mají čistě technicky mnoho společného, ​​a proto kromě vítězství jednoho z nich lze uvažovat i o variantě vytvoření nového komunikačního standardu na jejich základě.

Konečné řešení problému každopádně není věcí příštích let.

Bluetooth vs. WiFi

Teoreticky jsou standardy Bluetooth a Wi-Fi navrženy zásadně různé úkoly, ale rozvoj mobilních komunikací a lokálních sítí vůči sobě zapříčinil vznik oblastí, kde tyto standardy úspěšně konkurují.

Za prvé, tohle malé sítě mobilní zařízení určená například pro hraní her a multimediální úkoly. Rychlost komunikace a vzdálenost, na kterou je tato komunikace možná, jsou ve vztahu k ekonomickému využití bateriové energie v takových sítích druhotné.

Ve skutečnosti zvýšení rychlosti, ke kterému dochází v Nejnovější verze Bluetooth, umožňuje zcela vytěsnit Wi-Fi z oblasti mobilní sítě kde se právě začal objevovat. Ve stejných oblastech, kde zůstává Wi-Fi konkurenceschopná, mu pomůže především nikoli rychlost, ale specifické „zostření“ pro složité síťové úkoly a zejména pro internet.

S největší pravděpodobností budou chytré telefony a herní konzole budoucnosti používat Wi-Fi ke komunikaci s konvenčními nemobilními sítěmi a internetem a Bluetooth - ke vzájemné komunikaci. Sny o jednotném síťovém standardu budou muset opět počkat.

Bluetooth vs. Zigbee

Oblast senzorových systémů je jedinou oblastí, kde úspora energie Bluetooth nejenže není ideální, ale nesnese ani ty nejmenší požadavky. Nejde jen o ekonomický přenos dat, ale také o chytřejší využití energie v jiných časech.

Konkurenční standard Zigbee, který rychlostí za Bluetooth výrazně zaostává, umožňuje dotykovým zařízením fungovat na jednu baterii několik let.

V této konfrontaci standardů je situace jednoduchá: pokud Bluetooth, jak jeho vývojáři slibují, předběhne Zigbee z hlediska hospodárnosti v příštích specifikacích, pak lze trh senzorových systémů považovat za zajatý, a pokud ne, Zigbee bude nadále zabírat pouze tuto část trhu.

bluetooth 5.0 se stal realitou. Ve srovnání s Bluetooth 4.0 má nová verze dvojnásobná propustnost, čtyřnásobný rozsah a řadu dalších vylepšení. Zvažte výhody Bluetooth 5.0 oproti jeho předchůdcům, včetně příkladu procesor CC2640R2F z Texas Instruments.

Obliba verze protokolu Bluetooth 4 a také některá jeho omezení se staly důvodem pro vytvoření další specifikace Bluetooth 5. Vývojáři si stanovili řadu cílů: rozšíření dosahu, zvýšení propustnosti při odesílání paketů vysílání, zlepšení odolnost proti hluku a tak dále.

Nyní, když se začala objevovat první zařízení Bluetooth 5, mají uživatelé a vývojáři oprávněně otázky: které z dříve oznámených slibů se naplnily? Jak moc se zvýšil dosah a rychlost přenosu dat? Jak to ovlivnilo spotřebu? Jak se změnil přístup k vytváření broadcast paketů? Jaká vylepšení byla provedena pro zvýšení odolnosti proti hluku? A samozřejmě hlavní otázka – existuje zpětná kompatibilita mezi Bluetooth 5 a Bluetooth 4? Pojďme si na tyto a některé další otázky odpovědět a zvážit hlavní výhody Bluetooth 5.0 oproti jeho předchůdcům, včetně příkladu skutečného procesoru s podporou Bluetooth 5.0 vyráběného společností Texas Instruments.

Začněme bluetooth přehled 5.0 z odpovědi na nejčastější otázku o zpětné kompatibilitě s Bluetooth 4.x

Je Bluetooth 5.0 zpětně kompatibilní s Bluetooth 4.x?

Ano. Bluetooth 5 převzal většinu funkcí a vylepšení Bluetooth 4.1 a 4.2. Zařízení Bluetooth 5 si například zachovávají všechna vylepšení zabezpečení dat Bluetooth 4.2 a podporují rozšíření LE Data Length Extension. Stojí za připomenutí, že díky rozšíření LE Data Length Extension, počínaje Bluetooth 4.2, lze velikost datového paketu (paketová datová jednotka, PDU) s navázaným připojením zvýšit z 27 na 251 bajtů, což umožňuje zvýšit rychlost výměny dat 2,5krát.

Vzhledem k velkému množství rozdílů mezi verzemi protokolů je zachován tradiční mechanismus pro vyjednávání parametrů mezi zařízeními při navazování spojení. To znamená, že před zahájením výměny dat se zařízení „seznámí“ a určí maximální frekvenci přenosu dat, délku zprávy a podobně. Výchozí nastavení je Bluetooth 4.0. K přechodu na parametry Bluetooth 5 dojde pouze v případě, že se během procesu párování ukáže, že obě zařízení podporují novější verzi protokolu.

Když už mluvíme o nástrojích, které jsou již pro vývojáře k dispozici, stojí za zmínku nový procesor CC2640R2F a bezplatný BLE5-Stack od Texas Instruments. K radosti vývojářů je BLE5-Stack založen na předchozí verzi BLE-Stack a pouze nové byly změněny v jeho použití. Funkce Bluetooth 5.0.

Jak se zvýšila rychlost přenosu dat v Bluetooth 5?

Bluetooth 5 využívá bezdrátové připojení s rychlostí fyzického přenosu dat až 2 Mbps, což je dvakrát více než u Bluetooth 4.x. Zde stojí za zmínku, že efektivní rychlost výměny dat závisí nejen na fyzické šířce pásma přenosového kanálu, ale také na poměru služby a užitečné informace v balíku, stejně jako z souvisejících „režijních“ nákladů, například ztráta času mezi balíky (tabulka 1).

Stůl 1. Rychlost komunikace pro různé verzeBluetooth

Ve verzích Bluetooth 4.0 a 4.1 byla fyzická šířka pásma kanálu 1 Mbps, což při délce datového paketu PDU 27 bajtů umožňovalo dosáhnout směnných kurzů až 305 kbps. Bluetooth 4.2 představilo rozšíření LE Data Length Extension. Díky němu bylo po navázání spojení mezi zařízeními možné zvýšit délku paketu na 251 bajtů, což vedlo ke zvýšení rychlosti výměny dat 2,5krát - až na 780 kbps.

Verze Bluetooth 5 si zachovává podporu LE Data Length Extension, která spolu se zvýšením fyzické šířky pásma až na 2 Mbps umožňuje dosáhnout rychlosti výměny dat až 1,4 Mbps.

Jak ukazuje praxe, takové zrychlení přenosu dat není limitem. Například bezdrátový mikrokontrolér CC2640R2F je schopen pracovat rychlostí až 5 Mbps.

Za zmínku stojí běžná mylná představa, že zvýšení propustnosti na 2 Mbps bylo dosaženo snížením dosahu. Samozřejmě, fyzicky má čip transceiveru (PHY) při provozu rychlostí 2 Mbps o 5 dBm menší citlivost než při provozu s rychlostí 1 Mbps. Kromě citlivosti však existují další faktory, které přispívají ke zvýšení rozsahu, například přechod na kódování dat. Z tohoto důvodu, za jinak stejných podmínek, je Bluetooth 5 spolehlivější a má větší dosah než Bluetooth 4.0. To je podrobněji popsáno v jedné z následujících částí článku.

Jak aktivovat vysokorychlostní datový režim v Bluetooth 5?

Když je navázáno spojení mezi dvěma Zařízení Bluetooth Zpočátku se používá nastavení Bluetooth 4.0. To znamená, že v první fázi si zařízení vyměňují data rychlostí 1 Mbps. Jakmile je spojení navázáno, může master s podporou Bluetooth 5.0 spustit proceduru aktualizace PHY, jejímž cílem je stanovit maximální rychlost 2 Mb/s. Tato operace bude úspěšná pouze v případě, že slave také podporuje Bluetooth 5.0. Jinak rychlost zůstává na 1 Mbps.

Pro vývojáře, kteří dříve používali BLE-Stack od Texas Instruments, je dobrou zprávou, že k provádění výše uvedeného postupu je v novém BLE5-Stacku přidělena jediná funkce HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Při upgradu na Bluetooth 5.0 tak uživatelé produktů TI nebudou mít problémy s počáteční inicializací. Pro vývojáře bude také užitečný příklad zveřejněný na portálu GitHub, který vám umožní vyhodnotit provoz dvou mikrokontrolérů CC2640R2F pracujících jako součást LaunchPadů CC2640R2 v režimech High Speed ​​​​​​a Long Range.

Jak se zvýšil dosah Bluetooth 5?

Specifikace Bluetooth 5.0 hovoří o čtyřnásobném dosahu oproti Bluetooth 4.0. To je poněkud subtilní otázka, která stojí za to se podrobněji zabývat.

Za prvé, pojem „čtyřnásobek“ je relativní a není vázán na konkrétní akční rádius v metrech nebo kilometrech. Faktem je, že dosah rádiového přenosu je velmi závislý na řadě faktorů: stavu prostředí, míře rušení, počtu současně vysílacích zařízení a tak dále. V důsledku toho žádný výrobce, stejně jako vývojář standardu Bluetooth SIG, neuvádí konkrétní hodnoty. Nárůst dosahu je odhadován ve srovnání s Bluetooth 4.0.

Pro další analýzu, některé matematické výpočty a odhadnout energetický rozpočet rádiového kanálu. Při použití logaritmických hodnot se rozpočet rádiového kanálu (dB) rovná rozdílu mezi výkonem vysílače (dBm) a citlivostí přijímače (dBm):

Rozpočet rozhlasového kanálu = výkonT X(dBm) - citlivostR X(dBm)

Pro Bluetooth 4.0 je standardní citlivost přijímače -93 dBm. Za předpokladu výkonu vysílače 0 dBm je rozpočet 93 dB.

Čtyřnásobné zvýšení dosahu by vyžadovalo navýšení rozpočtu o 12 dB, což by vedlo k hodnotě 105 dB. Jak má dosáhnout této hodnoty? Existují dva způsoby:

• zvýšení výkonu vysílače;
• zvýšení citlivosti přijímačů.

Pokud půjdete po první cestě a zvýšíte výkon vysílače, nevyhnutelně to způsobí zvýšení spotřeby. Například u CC2640R2F vede přepnutí na výstupní výkon 5 dBm ke zvýšení spotřeby proudu na 9 mA (obrázek 1). Při výkonu 10 dBm se proud zvýší na 20 mA. Tento přístup nevypadá pro většinu bezdrátových zařízení napájených baterií atraktivně a není vždy vhodný pro IoT, a právě na tuto oblast se Bluetooth 5.0 primárně zaměřil. Z tohoto důvodu se druhé řešení jeví jako vhodnější.

Existují dva způsoby, jak zvýšit citlivost přijímače:

• snížení přenosové rychlosti;
• použití kódování dat Coded PHY.

Snížení rychlosti přenosu dat o faktor osm teoreticky zvýší citlivost přijímače o 9 dB. K ceněné hodnotě tedy nestačí pouhé 3 dB.

Potřebné 3 dB lze získat pomocí dodatečného kódování Coded PHY. Dříve ve verzích Bluetooth 4.x bylo kódování bitů jednoznačné 1:1. To znamená, že datový tok byl přímo odeslán do diferenciálního demodulátoru. V Bluetooth 5.0 při použití kódovaného PHY existují dva další přenosové formáty:

• s kódováním 1:2, ve kterém jsou každému datovému bitu přiřazeny dva bity v rádiovém datovém toku. Například logická "1" je reprezentována jako sekvence "10". V tomto případě zůstává fyzická rychlost rovna 1 Mbps a skutečná rychlost přenosu dat klesne na 500 kbps.
• S kódováním 1:4. Například logická "1" je reprezentována posloupností "1100". Rychlost přenosu dat se pak sníží na 125 kbps.

Popsaný přístup se nazývá Forward Error Correction (FEC) a umožňuje detekovat a opravovat chyby na přijímací straně, spíše než vyžadovat opětovné vysílání paketů, jako tomu bylo v případě Bluetooth 4.0.

Na papíře vše vypadá dobře. Zbývá jen zjistit, jak tyto teoretické výpočty odpovídají skutečnosti. Jako příklad si vezměme stejný mikrokontrolér CC2640R2F. Díky různým vylepšením a novým modulačním režimům Bluetooth 5.0 má transceiver tohoto procesoru citlivost -97dBm při 1Mbps a -103dBm s Coded PHY a 125kbps. V druhém případě tedy chybí pouze 2 dBm k úrovni 105 dB.

K vyhodnocení dosahu CC2640R2F provedli inženýři Texas Instruments polní experiment v Oslu. Zároveň z hlediska hlučnosti nelze prostředí v tomto experimentu nazvat „přátelským“, neboť obchodní část města byla v bezprostřední blízkosti.

Aby bylo dosaženo energetického rozpočtu většího než 105 dB, bylo rozhodnuto zvýšit výkon vysílače na 5 dBm. To umožnilo dosáhnout působivé konečné hodnoty 108 dBm (obrázek 2). Při provádění experimentu byl akční dosah 1,6 km, což je velmi působivý výsledek, zvláště pokud vezmeme v úvahu minimální úroveň spotřeby rádiových vysílačů.

Jak se změnil přístup k vysílaným zprávám Bluetooth 5?

Dříve používal Bluetooth 4.x k navazování spojení mezi zařízeními tři vyhrazené datové kanály (37, 38, 39). S jejich pomocí se zařízení navzájem našla a vyměnila si servisní informace. Bylo také možné přes ně přenášet pakety broadcast dat. Tento přístup má nevýhody:

• s velkým počtem aktivních vysílačů mohou být tyto kanály jednoduše přetíženy;
• stále více zařízení používá všesměrové vysílání bez navázání spojení point-to-point. To je důležité zejména pro IoT;
• novému kódovacímu systému Coded PHY bude navázání spojení trvat osmkrát déle, což navíc načte vysílací kanály.

K vyřešení těchto problémů v Bluetooth 5.0 bylo rozhodnuto přejít na schéma, ve kterém jsou data přenášena přes všech 37 datových kanálů a servisní kanály 37, 38, 39 jsou používány pro přenos ukazatelů. Ukazatel odkazuje na kanál, na kterém se bude vysílat zpráva. V tomto případě jsou data přenášena pouze jednou. V důsledku toho je možné výrazně uvolnit obslužné kanály a odstranit toto úzké hrdlo.

Za zmínku také stojí, že nyní může datová délka vysílaného paketu dosáhnout 255 bajtů místo 6…37 bajtů PDU v Bluetooth 4.x. To je pro aplikace IoT extrémně důležité, protože to minimalizuje přenosovou režii a eliminuje navazování spojení, a tím snižuje spotřebu.

Podporuje Bluetooth 5 sítě mesh?

Řešení od Texas Instruments pro Bluetooth 5

Jedním z vůbec prvních mikrokontrolérů s Bluetooth 5.0 byl vysoce výkonný procesor CC2640R2F od Texas Instruments.

CC2640R2F je založen na moderním 32bitovém jádru ARM Cortex-M3 s pracovní frekvencí až 48 MHz. Činnost rádiového vysílače je řízena druhým 32bitovým jádrem ARM Cortex-M0 (obrázek 3). CC2640R2F navíc nabízí bohaté digitální a analogové periferie.

Výhodou mikrokontroléru CC2640R2F je také nízká spotřeba (tabulka 2). To platí pro všechny provozní režimy. Například v aktivním režimu při příjmu dat přes rádiový kanál je spotřeba 5,9 mA a při vysílání 6,1 mA (0 dBm) nebo 9,1 mA (5 dBm). Při přepnutí do režimu spánku klesne napájecí proud celkem na 1 μA.

Kombinace tří tak důležitých vlastností jako podpora Bluetooth 5.0, nízká spotřeba a vysoký špičkový výkon dělají z CC2640R2F velmi zajímavé IoT řešení. Zároveň pomocí tohoto mikrokontroléru můžete vytvořit celou řadu zařízení IoT: autonomní senzory, které fungují několik let na jednu baterii, mosty mezi přídavným řídicím procesorem a kanálem Bluetooth 5.0, složité aplikace vyžadující vysoký výpočetní výkon .

Tabulka 2 Spotřeba bezdrátového mikrokontroléruCC2640 R2 Fs podporoubluetooth 5

Aby bylo možné rychle začít s CC2640R2F, společnost Texas Instruments připravila tradiční ladicí sadu (obrázek 4). Pomocí dvojice takových zařízení můžete vyhodnocovat rychlost a dosah rádiového přenosu přes Bluetooth 5.0. K tomu můžete použít hotové příklady nebo vytvořit vlastní aplikace založené na bezplatném protokolu BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Závěr

Nová verze protokolu Bluetooth 5.0 je zaměřena na maximální soulad s potřebami internetu věcí (IoT). Oproti verzi Bluetooth 4.0 má řadu vylepšení kvality:

• rychlost přenosu dat se zdvojnásobila a dosáhla 2 Mbps;
• přenosový dosah čtyřnásobný s kódováním dat Coded PHY a Forward Error Correction (FEC);
• Propustnost vysílaných zpráv se zvýšila 8krát.

Bluetooth 5.0 navíc poskytuje zpětnou kompatibilitu se zařízeními Bluetooth 4.x a podporuje také většinu rozšíření pozdějších verzí protokolu.

Možnosti Bluetooth 5.0 můžete nyní zhodnotit pomocí nástrojů vyrobených společností Texas Instruments. Společnost uvádí na trh vysoce výkonný a nízkoenergetický mikrokontrolér CC2640R2F, poskytuje bezplatný zásobník BLE 5 stack 1.0 a mnoho připravených příkladů pro ladicí sadu LAUNCHXL-CC2640R2.

Literatura

1. Nejčastější dotazy ke specifikaci jádra Bluetooth 5.0. 2016. Bluetooth SIG.