Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
- TI SimpleLink CC2640R2 SDK 1.35.00.33. https://github.com/ti-simplelink/ble_examples.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Bluetooth: технология и ее применение
…и сказал он: "да воссоединятся все".
Вполне возможно, что именно с этими словами средневекового датского короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) связано его другое прозвище - "объединитель", через 1000 лет ставшее названием нового интерфейса беспроводной связи.
Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.
Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.
Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, коим является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.
Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (я еще не встречал корректного русского перевода этого термина, но один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master"ом в одной и slave"ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.
Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.
Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.
Часто приходится сталкиваться с мнением, что находящиеся в пределах действия связи Bluetooth-устройства могут просто соединиться и начать обмениваться информацией, которая, возможно, не предназначена для сторонних ушей или глаз. На самом деле автоматический обмен информацией между Bluetooth-устройствами ведется лишь на уровне аппаратного обеспечения, т.е. исключительно для определения самого факта возможности соединения. А вот на уровне приложений пользователь сам решает, ввести или запретить автоматическую установку связи. Таким образом, использование Bluetooth становится не опаснее подключения к Интернету, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.
Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.
Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть). Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.
Давайте сравним Bluetooth с другим не менее известным интерфейсом беспроводной связи - IEEE 802.11, тем более что оба решения уже доступны на широком рынке. Основные различия между ними можно свести к следующему:
| IEEE 802.11 | Bluetooth | |
|---|---|---|
| 1. Назначение | Беспроводные домашние/офисные сети | Замена кабельных соединений для компактных коммуникационных средств |
| 2. Рабочая частота | 2.4 ГГц | 2.4 ГГц |
| 3. Максимальная скорость передачи данных | 11 Мбит/сек (IEEE 802.11b), 2Мбит/сек (IEEE 802.11) | 721 Кбит/сек |
| 4. Дальность действия | 100 м | 10 м или 100 м |
| 5. Максимальное количество узлов | 128 устройств на сеть | 8 устройств на одну пикосеть, макс. 10 пикосетей, т.е. до 71 устройства на один scatternet |
| 6. Голосовые каналы | Нет (опционально) | 3 канала |
| 7. Доступность | Сейчас | Сейчас |
| 8. Цена | $100-$400 за узел | Около $5 за узел |
Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум.
Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.
Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue . Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:
Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.
Характеристики:
- дальность действия - до 10 м,
- скорость передачи - 300-115200 Кбит,
- напряжение питания - 9-30 Вольт.
Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:
Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.
Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.
Есть даже адаптер для Palm V: Palm просто кладется в него, как в стандартную кроватку, после чего можно синхронизироваться с настольным компьютером или выходить в Интернет при помощи мобильного телефона, также снабженного Bluetooth интерфейсом. Данный адаптер питается от батареи самого Palm"а.
На выставке можно было найти даже Bluetooth адаптер для Compact Flash:
Компания Troy XCD представила адаптер для подключения принтера с интерфейсом Centronics к Bluetooth:
Компания обещает выпустить его на рынок в начале лета, примерная стоимость - около 195$.
Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M , представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:
А вот фотография его прототипа в работе:
3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.
Для расширения доступа к серверу могут использоваться малогабаритные точки доступа Red-M 1000AP:
Сервер автоматически определяет и конфигурирует все точки доступа, находящиеся в пределах дальности его действия. Внешние устройства могут быть подсоединены к точке доступа через 10/100 Мбит Ethernet.
Схожую систему представил MiTAC: их Bluetooth Access Point несет на борту 750МГц процессор Transmeta Crusoe TM5400, встроенный NAT и DHCP сервер и, как и предыдущий образец, мощный приемопередатчик дальностью действия до 100 м:
Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:
Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.
Распространенным вариантом является подключение стандартных устройств ввода через Bluetooth, например, вот так:
Sony представила на CeBIT специальный модуль в формате Memory Stick под названием InfoStick:
Очень неплохая идея, особенно учитывая наличие аналогичного устройства для Compact Flash.
Остается только заметить, что лицензирование поддержки Bluetooth бесплатно и необходимо только для заключения соглашения об использовании торговых марок. Так что в скором будущем мы вполне можем ожидать появление Bluetooth в лампочках и утюгах:). А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.
Введение
Bluetooth (от слов англ. blue - синий и англ. tooth - зуб; произносится /bluːtuːθ/) - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Описание стандарта
Название и логотип
Слово Bluetooth - перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Так прозвали когда-то короля викингов Харальда I Синезубого, жившего в Дании около тысячи лет назад. Прозвище это король получил за темный передний зуб. Харальд I правил в X веке Данией и частью Норвегии и объединил враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт. Хотя «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», во времена викингов оно также могло означать «чёрного цвета». Таким образом, исторически правильно было бы перевести датское Harald Blåtand скорее как Harald Blacktooth , чем как Harald Bluetooth .
Логотип Bluetooth является сочетанием двух нордических («скандинавских») рун: «хаглаз» - аналог латинской H и «беркана» - латинская B. Логотип похож на более старый логотип для Beauknit Textiles, подразделения корпорации Beauknit. В нём используется слияние отраженной K и В для «Beauknit», он шире и имеет скругленные углы, но в общем он такой же.
История создания и развития
Работы по созданию Bluetooth начал производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году как беспроводную альтернативу кабелям RS-232. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования - 14 июня 2002 года).
Принцип действия
Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же - 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.
Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка», но и соединение «точка-многоточка»
Особенности
В настоящее время технология Bluetooth представлена различными версиями (от 1.1 до 4.х) и скоростными диапазонами (1…5 Мбит/с). Причем достижение высоких скоростей последних версий стало возможным не за счет архитектуры построения беспроводной «ad-hoc» сети, а за счет функции «colocation» (две в одном устройстве), реализуемой совместно с другими технологиями, например, совместно с или UWB.
Если говорить о преимуществах Bluetooth, то, прежде всего, следует отметить ее как высокоскоростную технологию, которую можно смело поставить в ряд с UWB или Wi-Fi. К ее недостаткам, скорее, можно отнести энергоемкость (по сравнению, например, с технологией ). Поэтому основная проблема, которая решалась на протяжении последних лет и решается в настоящее время в последних версиях Bluetooth, заключается в увеличении срока службы автономных источников электропитания. Вопросы по созданию технологии Bluetooth в качестве энергосберегающей решаются в т.ч. за счет специальных алгоритмов работы радиопередающих устройств, которые включаются в сеть лишь на момент пересылки данных (версии 4.0.)
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) в 1998 г. В нее вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии группа Bluetooth SIG и организация IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1.
Радиосвязь Bluetooth осуществляется в безлицензионном ISM-диапазоне (2,4…2,4835 ГГц) со скоростями 1 Мбит/с (версия 1.2); 3 Мбит/с (версия 2.0); 24 Мбит/с (версия 3.0).
В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS. Метод FHSS прост и устойчив к помехам, а радиоустройства в основном недорогие.
Начиная с версии 1.2, были добавлены возможности адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что частично решило проблемы сосуществования разных систем в одном частотном диапазоне. Топологии сети: slave, точка-точка; master-slave, точка-Piconet; multi-masters, Scatternet.
Самоорганизующиеся сети на основе Bluetooth
Беспроводная сеть Bluetooth в классическом понимании - это беспроводная одноранговая динамическая сеть с переменным количеством мобильных узлов типа Piconet или Scatternet с децентрализованным управлением, которая может быть развернута в ограниченном пространстве (с количеством узлов до 80). Для организации беспроводной сенсорной сети необходима общая точка доступа в качестве центрального узла управления сетью и обработки информации.
Самоорганизующиеся сети на основе Bluetooth 3.0 состоят из ведущих и ведомых устройств (эти роли могут совмещаться), способных передавать данные как в синхронном, так и в асинхронном режимах. Синхронный режим передачи предполагает прямую связь между ведущим и ведомым устройствами с закрепленным каналом и временными слотами доступа. Данный режим используется в случае ограниченных по времени передач. Асинхронный режим предполагает обмен данными между ведущим и несколькими ведомыми устройствами с использованием пакетной передачи данных. Используется для организации пикосетей. Одно устройство (как ведущее, так и ведомое) может поддерживать до 3-х синхронных соединений.
В синхронном режиме максимальная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Максимальная скорость передачи в асинхронном режиме составляем 720 кбит/с.
Основной проблемой самоорганизующиихся сетей на основе Bluetooth 3.0 является относительно высокое энергопотребление узлов сети. Для решения этой проблемы в 2010 году в спецификацию ядра Bluetooth 4.0 была интегрирована технология с низким энергопотреблением (Bluetooth LE). Спецификация Bluetooth 4.0 ориентирована на различные мобильные устройства, требующие беспроводного обмена данными.
Спецификация Bluetooth 4.0 имеет жесткое ограничение по топологии сети: единственно возможной топологией является звезда. Такая сеть называется пикосетью (piconet). Одно из устройств в пикосети работает как ведущее, а остальные – подчиненные. Подчиненное устройство может быть одновременно подключено только к одному ведущему устройству. Ведущее устройство инициирует соединение в пикосети. В отличие от спецификации Bluetooth 3.0 для спецификации Bluetooth 4.0 отсутствует воз- можность организации распределенной сети (scatternet), когда ведущее устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой.
При организации сети модуль Bluetooth LE может также выполнять роли запра- шивающего устройства (advertiser) или сканера (scanner). Поскольку имеется возмож- ность программного изменения ролей Bluetooth LE устройства в сети, то появляется возможность ретрансляции сообщения от узла к узлу до достижения требуемого узла в сети. Такой подход реализуется в беспроводной сети датчиков , причем чаще всего направление передачи сообщений в такой сети фиксировано от датчиков к некоторому центральному устройству, накапливающему и анализирующему данные.
В настоящее время наблюдается тенденция к добавлению дополнительных «интеллектуальных» функций различным датчикам и использование технологии Bluetooth для разнообразных мобильных устройств. Возникает задача построения сети для обмена сообщениями между ее отдельными Bluetooth LE узлами, причем все узлы в сети должны быть равноценны (однородная сеть).
Архитектура самоорганизующейся однородной беспроводной сети на базе модулей спецификации Bluetooth 4.0
Сеть Bluetooth LE устройств обычно состоит из нескольких подсетей. В подсеть объединяются устройства, находящиеся в пределах досягаемости, и имеющие одинаковый идентификатор (номер) подсети. Номер подсети назначается для каждого устройства заранее, исходя из предполагаемого территориального размещения конкретного узла.
После включения электропитания Bluetooth LE устройство должно зарегистрироваться в подсети. Для этого устройство должно переключиться в роль запрашивающего устройства и сформировать широковещательный запрос. Находящиеся в пределах досягаемости сканирующие узлы сети принимают пакет от запрашивающего устройства и заносят сведения о нем в таблицу доступных устройств. Тип запроса, номер подсети запрашивающего устройства и его адрес (номер устройства в подсети) определяются по информационной части пакета запроса. После регистрации в подсети устройство переходит в состояние сканирования.
Базовым состоянием любого Bluetooth LE устройства в рассматриваемой сети является состояние сканирования. Последовательность действий для обмена данными между парой Bluetooth LE устройств и смена их ролей представлена на рис. 1.
Внутри подсети сообщение может быть передано непосредственно адресату, либо при плохом уровне RSSI (Receiver Signal Strength Indication) с адресатом – через ретранслятор. Между подсетями сообщения передаются через ретранслятор. Возможность организации предложенной сети проверена на базе модулей BLE 112 Bluegiga. Нашими специалистами проведены исследования максимальной пропускной способности сети, в результате которых установлено, что максимальная пропускная способность составляет около 12 Кбит/с, что значительно меньше чем у альтернативной технологии .
Достоинства сетей на базе Bluetooth:
возможность быстрого развертывания;
сравнительно малое энергопотребление абонентских устройств;
широкий спектр поддерживающих эту технологию устройств.
Недостатки сети:
небольшой радиус действия (радиус действия одного абонентского устройства составляет 0.1 - 100 м);
малые скорости передачи данных (для сравнения: в сетях WiFi этот показатель составляет 11 - 108 Мбит/с);
нехватка частотного ресурса.
Последняя проблема по большей части решена с выходом устройств Bluetooth 3.0 , где используются альтернативные протоколы уровней MAC и физического с целью ускоренной передачи данных профилей Bluetooth (AMP). В частности используются протоколы стандарта 802.11.
Заключение
Исходя из вышеприведенного, можно заключить, что сети на основе Bluetooth применимы лишь в местах большого скопления людей (например, в центрах городов, небольших офисах, магазинах). Например подобная сеть может служить для организации видеонаблюдения на небольшом объекте.
В данной статье поговорим немного про диапазон Bluetooth на Android. Некоторых пользователей может не устраивать радиус действия их Bluetooth модуля: например, в доме, когда телефон находится от вас за тремя стенами, ваша гарнитура теряет соединение с вашим смартфоном. Многие в таких случаях ищут решение данной проблемы, пытаясь найти способ увеличить диапазон Bluetooth на Android. Об этом мы подробнее поговорим в данной статье.
Немного теории
Сам приемник работает в частотном диапазоне в 2.4 – 2.48 Ггц. Работает как обычная радиосвязь, у которой скорость обмена данными, в зависимости от версии приемника, может достигать до 721 Кб/с (в версии 1.1), до 24 Мб/с (в версии 3.0 - 4.0).
Что касается расстояния, на котором может происходить обмен информацией, то оно может достигать 50 метров при условии, что устройства будут находиться в зоне прямой видимости друг от друга, и около 10-20 метров – в зданиях.
Хоть производитель и уверяет, что с версии модуля 3.0 радиус действия может составлять 100 м, но это, скорее всего, в идеальных условиях: по факту покрытие в этих версиях как минимум в 2 раза меньше, то есть около 50 метров, опять-таки в зоне прямой видимости.
Что касается усиления частот на модуле смартфона, то этот вариант не всегда решит проблему, так как связь между устройствами зависит от обоих модулей. Чтобы вам было понятнее: даже если у вас получится расширить диапазон на телефоне, то радиус благополучной работы с вашей гарнитурой останется все тем же, из-за того, что наушник сможет найти смартфон на той же частоте, что и раньше.
Да, телефон сможет обнаружить гарнитуру на большем расстоянии, чем раньше, и даже, возможно, вы сможете сопрячь оба девайса, но расстояние, на котором успешно будет работать такая связка, не увеличится. Возможно, ваш голос из микрофона будет доходить до телефона, а вот слышать собеседника вы не сможете, или же наоборот.
Получится такая связка: телефон может скачивать с гарнитуры данные, а вот гарнитуре не хватит радиуса действия ее модуля.
Поэтому если хотите увеличить радиус работы, то придётся работать с двумя устройствами.
Что для этого потребуется
Теоретически для усиления синезуба, по аналогии с разгоном процессора, просто нужно подать большее напряжение на модуль: мы ожидаем, что должна быть какая-то программа, например, Bluetooth расширитель диапазона для Android, которая работала бы с ROOT правами и делала все в пару кликов… но, как ни печально, ничего подобного нигде нет.
Ситуация такая же, как и с прошивками: для каждого устройства есть именно своя прошивка, и нет универсальной для всех. Все потому, что в параметрах ОС заданы индивидуальные параметры для комплектующих, и именно те, на которых правильно будут работать именно составляющие вашего смартфона.
Как вариант, можно расширить радиус действия путем добавления антенны. Если такой подход еще можно предположить на стационарном ПК, потому как там есть физическое пространство, куда можно добавить эту антенну, в ситуации со смартфоном данный метод просто неуместен.
Последний метод, который, на наш взгляд, наиболее удачен, – это приобретение специальной флэш-карты со встроенной функцией Bluetooth-приемника. Такие карточки по виду и размеру походят на обычную SD-card, имеют разные форматы, и в них еще добавлен модуль связи (существуют и с Wi-Fi).
Изначально такие карты выпускали для устройств, где нет встроенного модуля, но в вашем случае советуем попробовать их вставить: возможно, Bluetooth в карте окажется чувствительнее, чем тот, что встроен в ваше устройство; есть еще вероятность, что модуль карты будет иметь более новую версию, благодаря чему радиус действия будет больше, чем во встроенном модуле, установленном в вашем телефоне.