Bluetooth 5.0 se stal realitou. Oproti Bluetooth 4.0 má nová verze dvojnásobná kapacita, čtyřnásobný dosah a řadu dalších vylepšení. Podívejme se na výhody Bluetooth 5.0 oproti jeho předchůdcům včetně příkladu CPU 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 odolnosti proti hluku a tak dále.

Nyní, když se začala objevovat první zařízení s Bluetooth 5, uživatelé a vývojáři si oprávněně kladou otázky: které z výše uvedených slibů se staly skutečností? Jak moc se zvýšil dosah a rychlost přenosu dat? Jak to ovlivnilo úroveň spotřeby? Jak se změnil přístup ke generování broadcast paketů? Jaká vylepšení byla provedena pro zlepšení odolnosti proti hluku? A samozřejmě hlavní otázka zní – 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 použití příkladu skutečného procesoru s podporou Bluetooth 5.0 vyrobeného společností Texas Instruments.

Začněme naši recenzi Bluetooth 5.0 odpovědí na nejčastější otázku o zpětné kompatibilitě s Bluetooth 4.x

Je Bluetooth 5.0 zpětně kompatibilní s Bluetooth 4.x?

Ano. Bluetooth 5 přebírá většinu funkcí a rozšíření 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 (paketové datové jednotky, PDU) při navázaném spojení 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 než si začnou vyměňovat data, zařízení se „seznámí“ a určí maximální frekvenci přenosu dat, délku zpráv a podobně. V tomto případě jsou standardně použity parametry 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 jsme u nástrojů, které jsou již vývojářům k dispozici, stojí za zmínku nový procesor CC2640R2F a bezplatný BLE5-Stack od Texas Instruments. K radosti vývojářů vychází BLE5-Stack z předchozí verze BLE-Stack a změny v jeho používání se dotkly pouze nových funkcí 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 rychlejší než Bluetooth 4.x. Zde stojí za zmínku, že efektivní rychlost výměny dat závisí nejen na fyzické propustnosti přenosového kanálu, ale také na poměru služeb a užitečných informací v paketu a také na souvisejících „režijních“ nákladech, např. , časové ztráty mezi pakety (tabulka 1).

Stůl 1. Rychlost komunikace pro různé verzeBluetooth

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

Bluetooth verze 5 si zachovává podporu LE Data Length Extension, která spolu se zvýšením fyzické propustnosti na 2 Mbit/s umožňuje dosáhnout rychlosti výměny dat až 1,4 Mbit/s.

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

Za zmínku stojí zažitá mylná představa, že zvýšení propustnosti na 2 Mbit/s bylo dosaženo snížením dosahu. Samozřejmě, že fyzicky čip transceiveru (PHY) při provozu na frekvenci 2 Mbit/s má o 5 dBm menší citlivost než při provozu na frekvenci 1 Mbit/s. Kromě citlivosti však existují další faktory, které přispívají ke zvýšení dosahu, například přechod na kódování dat. Z tohoto důvodu, jsou-li všechny ostatní věci stejné, se Bluetooth 5 ukazuje jako spolehlivější a má delší dosah ve srovnání s Bluetooth 4.0. To je podrobně popsáno v jedné z následujících částí článku.

Jak povolit režim vysokorychlostního přenosu dat v Bluetooth 5?

Při navazování spojení mezi dvěma zařízeními Bluetooth se zpočátku použije nastavení Bluetooth 4.0. To znamená, že v první fázi si zařízení vyměňují data rychlostí 1 Mbit/s. Jakmile je spojení navázáno, může master s podporou Bluetooth 5.0 zahájit proceduru aktualizace PHY, jejímž cílem je vytvořit maximální rychlost 2 Mbps. Tato operace bude úspěšná pouze v případě, že slave také podporuje Bluetooth 5.0. Jinak rychlost zůstává na 1 Mbit/s.

Pro vývojáře, kteří dříve používali Texas Instruments BLE-Stack, je dobrou zprávou, že nový BLE5-Stack poskytuje jedinou funkci, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(), k provedení tohoto postupu. Při přechodu na Bluetooth 5.0 tak uživatelé produktů TI nebudou mít problémy s počáteční inicializací. Užitečný pro vývojáře bude také příklad zveřejněný na portálu GitHub, který umožňuje vyhodnotit činnost 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 uvádí, že dosah je čtyřikrát větší než u Bluetooth 4.0. Jde o poměrně subtilní problém, který stojí za to se podrobněji zabývat.

Za prvé, pojem „čtyřnásobek“ je relativní a není vázán na konkrétní rozsah v metrech nebo kilometrech. Faktem je, že dosah rádiového přenosu silně závisí na řadě faktorů: stavu prostředí, míře rušení, počtu současně vysílacích zařízení atd. Výsledkem je, že ani jeden výrobce, stejně jako samotný vývojář standardu Bluetooth SIG, neuvádí konkrétní hodnoty. Nárůst dosahu je měřen ve srovnání s Bluetooth 4.0.

Pro další analýzu je nutné provést 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. Pokud předpokládáme, že výkon vysílače je 0 dBm, pak rozpočet je 93 dB.

Čtyřnásobek rozsahu by vyžadoval navýšení rozpočtu o 12 dB, což by vedlo k hodnotě 105 dB. Jak má být této hodnoty dosaženo? 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 10 dBm se proud zvýší na 20 mA. Tento přístup není atraktivní pro většinu bezdrátových zařízení napájených z baterie a není vždy vhodný pro IoT, což je oblast, na kterou bylo Bluetooth 5.0 primárně zaměřeno. Z tohoto důvodu se jeví jako vhodnější druhé řešení.

Pro zvýšení citlivosti přijímače jsou navrženy dvě metody:

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

Snížení rychlosti přenosu dat na faktor osm teoreticky zvyšuje citlivost přijímače o 9 dB. Požadovaná hodnota je tedy pouze 3 dB.

Požadovaných 3 dB lze dosáhnout 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 je každý bit dat spojen se dvěma bity v rádiovém datovém toku. Například logická "1" je reprezentována jako sekvence "10". V tomto případě zůstává fyzická rychlost rovna 1 Mbit/s a reálná rychlost přenosu dat klesne na 500 kbit/s.
• S kódováním 1:4. Například logická "1" je reprezentována posloupností "1100". Rychlost přenosu dat je snížena na 125 kbit/s.

Popsaný přístup se nazývá Forward Error Correction (FEC) a umožňuje detekovat a opravovat chyby na přijímací straně, spíše než vyžadovat opakované 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 -97 dBm při 1 Mbps a -103 dBm při použití Coded PHY a 125 kbps. K úrovni 105 dB tak v druhém případě chybí pouze 2 dBm.

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

Aby bylo dosaženo energetického rozpočtu většího než 105 dB, bylo rozhodnuto zvýšit výkon vysílače na 5 dBm. To nám umožnilo dosáhnout působivé konečné hodnoty 108 dBm (obrázek 2). Při provádění experimentu byl dosah 1,6 km, což je velmi působivý výsledek, zejména s ohledem na 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 zprávy všesměrového vysílání, aniž by navazovalo spojení typu point-to-point. To je zvláště důležité pro internet věcí IoT;
• nový kódovací systém Coded PHY bude vyžadovat osmkrát více času k navázání spojení, což navíc načte vysílací kanály.

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

Za zmínku také stojí, že nyní může datová délka vysílacího paketu dosáhnout 255 bajtů místo 6...37 bajtů PDU v Bluetooth 4.x. To je extrémně důležité pro aplikace IoT, protože to umožňuje minimalizovat režii přenosu a eliminovat připojení, čímž se snižuje spotřeba.

Podporuje Bluetooth 5 sítě Mesh?

Řešení Texas Instruments pro Bluetooth 5

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

CC2640R2F je postaven 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 (tab. 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 napájecí proud zcela klesne na 1 µA.

Kombinace tří důležitých vlastností jako je podpora Bluetooth 5.0, nízká spotřeba a vysoký špičkový výkon dělá z CC2640R2F velmi zajímavé řešení pro internet věcí. 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

Pracovní režim	Parametr	Hodnota (při Vcc = 3 V)
Aktivní výpočetní technika	µA/MHz ARM® Cortex®-M3	61 uA/MHz
	Coremark/mA	48,5
	Coremark na 48 MHz	142
Rozhlasová ústředna	Špičkový přijímací proud, mA	5,9
	Špičkový proud během přenosu, mA	6,1
Režim spánku	Ovladač senzoru, µA/MHz	8,2
	Režim spánku s povoleným RTC a zachováním paměti, mA	1

Aby bylo možné rychle začít s CC2640R2F, společnost Texas Instruments připravila tradiční vývojovou 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 si vytvořit vlastní aplikaci založenou 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 kvalitativních vylepšení:

• rychlost přenosu dat se zdvojnásobila a dosáhla 2 Mbit/s;
• přenosový dosah se čtyřnásobně zvýšil díky kódování 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.

Schopnosti Bluetooth 5.0 můžete nyní vyhodnotit pomocí nástrojů vyrobených společností Texas Instruments. Společnost vyrábí vysoce výkonný a nízkoenergetický mikrokontrolér CC2640R2F, poskytuje zdarma BLE 5 stack 1.0 a mnoho hotových příkladů pro ladicí sadu LAUNCHXL-CC2640R2.

Literatura

1. Nejčastější dotazy ke specifikaci jádra Bluetooth 5.0. 2016. Bluetooth SIG.
2. TI SimpleLink CC2640R2 SDK 1.35.00.33. https://github.com/ti-simplelink/ble_examples.

Věděl jsi, Jaká je mylnost pojmu „fyzické vakuum“?

Fyzikální vakuum - koncept relativistické kvantové fyziky, kterým rozumí nejnižší (přízemní) energetický stav kvantovaného pole, které má nulovou hybnost, moment hybnosti a další kvantová čísla. Relativističtí teoretici nazývají fyzikální vakuum prostorem zcela zbaveným hmoty, vyplněným neměřitelným, a tedy pouze imaginárním polem. Takový stav podle relativistů není absolutní prázdnotou, ale prostorem vyplněným nějakými fantomovými (virtuálními) částicemi. Relativistická kvantová teorie pole tvrdí, že v souladu s Heisenbergovým principem neurčitosti, virtuální, tedy zdánlivé (komu zdánlivé?), se částice neustále rodí a mizí ve fyzikálním vakuu: dochází k tzv. oscilacím pole s nulovým bodem. Virtuální částice fyzikálního vakua, a tedy i ony z definice, nemají referenční systém, protože jinak by byl porušen Einsteinův princip relativity, na kterém je teorie relativity založena (tedy absolutní systém měření s referenčním na částice fyzikálního vakua by se stalo možným, což by zase jasně vyvrátilo princip relativity, na kterém je SRT založena). Fyzikální vakuum a jeho částice tedy nejsou prvky fyzického světa, ale pouze prvky teorie relativity, které v reálném světě neexistují, ale pouze v relativistických vzorcích, přičemž porušují princip kauzality (objevují se a zmizí bez příčiny), princip objektivity (virtuální částice lze uvažovat podle přání teoretika buď existující nebo neexistující), princip faktické měřitelnosti (nepozorovatelné, nemají vlastní ISO).

Když ten či onen fyzik používá pojem „fyzické vakuum“, buď nechápe absurditu tohoto termínu, nebo je nedůvěřivý, protože je skrytým nebo otevřeným stoupencem relativistické ideologie.

Nejjednodušší způsob, jak pochopit absurditu tohoto konceptu, je obrátit se na původ jeho výskytu. Zrodil ho Paul Dirac ve 30. letech 20. století, kdy se ukázalo, že popírat éter v jeho čisté podobě, jak to udělal velký matematik, ale průměrný fyzik, už není možné. Existuje příliš mnoho skutečností, které tomu odporují.

Na obranu relativismu zavedl Paul Dirac afyzický a nelogický koncept negativní energie a poté existenci „moře“ dvou energií, které se navzájem kompenzují ve vakuu – pozitivní a negativní, a také „moře“ částic, které si každou kompenzují. jiné - virtuální (tedy zdánlivé) elektrony a pozitrony ve vakuu.

Bluetooth: technologie a její použití

...a řekl: "Kéž se všichni znovu shledají."

Je docela možné, že právě s těmito slovy středověkého dánského krále Haralda II Bluetooth (Harald II Bluetooth) je spojena jeho další přezdívka – „sjednotitel“, která se o 1000 let později stala názvem nového bezdrátového komunikačního rozhraní.

Co je to Bluetooth? Jedná se o bezdrátovou komunikační technologii vytvořenou v roce 1998 skupinou společností: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. Aktuálně vývoj v oblasti Bluetooth provádí Bluetooth SIG (Special Interest Group), do které patří také Lucent, Microsoft a mnoho dalších.

Hlavním účelem Bluetooth je poskytovat ekonomickou (z hlediska proudové spotřeby) a levnou rádiovou komunikaci mezi různými typy elektronických zařízení a značný význam je přikládán kompaktnosti elektronických součástek, která umožňuje použití Bluetooth v malých zařízeních. velikost náramkových hodinek.

Rozhraní Bluetooth umožňuje přenášet jak hlas (při 64 Kbps), tak data. Pro přenos dat lze použít asymetrické (721 Kbit/s v jednom směru a 57,6 Kbit/s v druhém) a symetrické metody (432,6 Kbit/s v obou směrech). Transceiver, který je čipem Bluetooth, pracuje na frekvenci 2,4 GHz a umožňuje navázat komunikaci v rozsahu 10 nebo 100 metrů v závislosti na stupni výkonu. Rozdíl ve vzdálenosti je jistě velký, ale spojení do 10 m umožňuje nízkou spotřebu energie, kompaktní rozměry a celkem nízkou cenu komponent. Nízkopříkonový vysílač tedy v pohotovostním režimu spotřebuje pouze 0,3 mA a při výměně informací průměrně 30 mA.

Bluetooth funguje na principu FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Stručně to lze vysvětlit následovně: vysílač rozděluje data do paketů a vysílá je pomocí algoritmu pseudonáhodného frekvenčního přeskakování (1600krát za sekundu) nebo vzoru, který se skládá ze 79 dílčích frekvencí. Pouze ta zařízení, která jsou nakonfigurována na stejný přenosový vzor, ​​si mohou „rozumět“ - u cizích zařízení bude přenášená informace běžným šumem.

Hlavním strukturálním prvkem sítě Bluetooth je takzvaný „piconet“ – soubor 2 až 8 zařízení pracujících na stejné šabloně. V každé pikonětě jedno zařízení funguje jako hlavní a zbytek jako podřízené. Master určí šablonu, na které budou fungovat všechna podřízená zařízení jeho pikonetu, a synchronizuje její provoz. Standard Bluetooth umožňuje připojení nezávislých a dokonce i nesynchronizovaných pikonet (až 10) do tzv. „scatternetu“ (zatím jsem neviděl správný ruský překlad tohoto termínu, ale jeden z překladů slovesa rozptylovat zní jako „rozptyl“). K tomu musí mít každá dvojice pikonet alespoň jedno společné zařízení, které bude v jednom master a v druhém slave. V rámci jednoho scatternetu tak může být k rozhraní Bluetooth současně připojeno maximálně 71 zařízení, ale nikdo neomezuje použití hradlových zařízení, které používají stejný internet pro komunikaci na větší vzdálenost.

Frekvenční rozsah Bluetooth je ve většině zemí bez licence, ale ve Francii, Španělsku a Japonsku je kvůli zákonným omezením nutné používat jiné než výše uvedené frekvence.

Když už mluvíme o bezdrátové komunikaci, nelze se nedotknout otázky bezpečnosti takového spojení. Kromě zaměření na frekvenční vzorce a potřeby synchronizace transceiveru poskytuje standard Bluetooth šifrování přenášených dat pomocí klíče efektivní délky od 8 do 128 bitů a možnost výběru jednosměrné nebo obousměrné autentizace ( samozřejmě se obejdete úplně bez autentizace), což umožňuje nastavit sílu výsledného šifrování v souladu s legislativou každé jednotlivé země (v některých zemích je použití silné kryptografie zakázáno:). Kromě šifrování na úrovni protokolu lze šifrování aplikovat na aplikační úrovni – zde nikdo neomezuje použití libovolně silných algoritmů.

Často se stává, že zařízení Bluetooth v dosahu se mohou jednoduše připojit a začít si vyměňovat informace, které nemusí být určeny pro vnější uši nebo oči. Ve skutečnosti k automatické výměně informací mezi zařízeními Bluetooth dochází pouze na úrovni hardwaru, tzn. pouze k určení samotné skutečnosti konektivity. Ale na aplikační úrovni se uživatel sám rozhoduje, zda zavede nebo zakáže automatické navazování připojení. Používání Bluetooth se tak nestává o nic nebezpečnější než připojení k internetu, ve kterém jsou všechny uzly také elektricky propojeny, ale to ještě neznamená získat bezpodmínečný přístup k jakémukoli zdroji.

Za zmínku také stojí, že standard Bluetooth byl vyvinut s ohledem na nízkou spotřebu energie, takže jeho dopad na lidské tělo je minimalizován.

Hlavním směrem využití Bluetooth by mělo být vytváření tzv. osobních sítí (PAN, neboli privátních sítí), zahrnujících tak různorodá zařízení, jako jsou mobilní telefony, PDA, MP3 přehrávače, počítače a dokonce i mikrovlnné trouby s ledničkami (které dosud nebyly připojeno po dlouhé době).net). Schopnost přenášet hlas umožňuje zabudovat rozhraní Bluetooth do bezdrátových telefonů nebo například bezdrátových headsetů pro mobilní telefony. Možnosti využití Bluetooth v praxi jsou nekonečné: kromě synchronizace PDA se stolním počítačem nebo připojení relativně nízkorychlostních periferií, jako jsou klávesnice nebo myši, rozhraní velmi zjednodušuje a zlevňuje organizaci domácí sítě. Navíc uzly této sítě mohou být jakákoli zařízení, která potřebují informace nebo mají potřebné informace.

Srovnejme Bluetooth s dalším neméně známým bezdrátovým komunikačním rozhraním – IEEE 802.11, tím spíše, že obě řešení jsou již dostupná na širokém trhu. Hlavní rozdíly mezi nimi lze shrnout takto:

	IEEE 802.11	Bluetooth
1. Účel	Bezdrátové domácí/kancelářské sítě	Náhradní kabelová připojení pro kompaktní komunikační média
2. Pracovní frekvence	2,4 GHz	2,4 GHz
3. Maximální rychlost přenosu dat	11 Mbit/s (IEEE 802.11b), 2 Mbit/s (IEEE 802.11)	721 kbps
4. Rozsah	100 m	10 m nebo 100 m
5. Maximální počet uzlů	128 zařízení na síť	8 zařízení na pikonet, max. 10 pikonet, tzn. až 71 zařízení na scatternet
6. Hlasové kanály	Ne (volitelné)	3 kanály
7. Dostupnost	Nyní	Nyní
8. Cena	100-400 $ za uzel	Asi 5 USD za uzel

Jak je snadno vidět, rozhraní Bluetooth je mnohem vhodnější pro použití v těch bezdrátových komunikačních zařízeních, kde je vyžadována poměrně nízká cena, není potřeba vysokých rychlostí a je požadována nízká spotřeba energie. Jak však již bylo uvedeno, je možné vytvářet kombinované sítě, zejména proto, že IEEE 802.11 funguje na zcela jiném principu kódování přenášených dat, a proto se oba standardy při stejné provozní frekvenci navzájem fyzicky uslyší, ale signály jiných lidí budou každým z nich interpretovány jako cizí hluk.

Důležitým aspektem ve vývoji Bluetooth je skutečnost, že tato technologie nepodléhá licencování a její použití nevyžaduje placení žádných licenčních poplatků (i když vyžaduje podpis bezplatné smlouvy). Tato politika umožnila mnoha společnostem aktivně se zapojit do vývoje zařízení s rozhraním Bluetooth, která byla na výstavě CeBIT 2001 předvedena ve velkém počtu.

Největší zájem přirozeně vyvolávají zařízení, která poskytují přechod ze stávajících rozhraní na Bluetooth. Jedním z nich byl Industrial Bluetooth Serial Port Adapter od švédské společnosti connectBlue. Jak název napovídá, toto zařízení je určeno pro průmyslové použití a umožňuje připojit k Bluetooth jakákoli zařízení vybavená sériovým portem:

Typickým případem použití je například konfigurace průmyslových instalací pomocí notebooku.

Vlastnosti:

• dosah - až 10 m,
• přenosová rychlost - 300-115200 Kbit,
• napájecí napětí - 9-30 Voltů.

Společnost Belkin, známá zejména svými produkty sběrnice USB, představila celou řadu zařízení Bluetooth:

Tato karta formátu PCMCIA typu II umožňuje všem zařízením s podobným slotem přijímat rozhraní Bluetooth rychlostí až 721 Kb/s. Dosah - 10m.

Zde vidíme vynikající USB řešení pro stolní (nejen) počítače: vlastnosti jsou stejné jako v předchozím případě, navíc toto zařízení umožňuje výměnu dat prostřednictvím hlasových kanálů.

Pro Palm V je dokonce adaptér: Palm se do ní jednoduše umístí jako do standardní postýlky, po které se můžete synchronizovat se stolním počítačem nebo přistupovat k internetu pomocí mobilního telefonu, rovněž vybaveného rozhraním Bluetooth. Tento adaptér je napájen vlastní baterií Palm.

Na výstavě jste dokonce mohli najít Bluetooth adaptér pro Compact Flash:

Troy XCD představil adaptér pro připojení tiskárny s rozhraním Centronics k Bluetooth:

Společnost slibuje, že jej uvede na trh začátkem léta, přibližná cena je asi 195 dolarů.

Neméně zajímavou možností využití technologie Bluetooth může být organizace bezdrátového přístupu k místní síti a/nebo internetu pro zařízení v malé kanceláři nebo domácnosti. Nesporným lídrem v této oblasti byla společnost Red-M, která představila své řešení - server Red-M 3000AS:

Zde je fotografie jeho prototypu v akci:

3000AS je linuxový server, který může fungovat také jako brána do místní sítě nebo internetu. Na rozdíl od většiny ostatních Bluetooth zařízení má 3000AS výkonný transceiver, který umožňuje komunikaci v dosahu 100 m, a obsahuje externí anténu pro zvýšení spolehlivosti v přítomnosti vnějšího rušení. Pro připojení lze využít ISDN (s výběrem „vždy online“ nebo „připojení na vyžádání“), 10/100 Mbit Ethernet a také RS-232 pro servisní aplikace. Server lze také napájet přes UPS.

Pro rozšíření přístupu k serveru lze použít malé přístupové body Red-M 1000AP:

Server automaticky detekuje a konfiguruje všechny přístupové body ve svém dosahu. Externí zařízení lze k přístupovému bodu připojit přes 10/100 Mbit Ethernet.

MiTAC představil podobný systém: jejich Bluetooth Access Point nese na palubě 750 MHz procesor Transmeta Crusoe TM5400, vestavěný NAT a DHCP server a stejně jako předchozí vzorek výkonný transceiver s dosahem až 100 m:

Vynikajícím doplňkem takového systému by mohlo být zařízení od společnosti Canon - modul Bluetooth pro digitální fotoaparát:

Jen si to představte – fotoaparát bude schopen automaticky přenášet snímky přes bránu Bluetooth do vaší pracovní stanice nebo stejného subnotebooku nebo dokonce přes mobilní telefon s Bluetooth připojeným k internetu... no, možnosti jsou nekonečné.

Běžnou možností je připojení standardních vstupních zařízení přes Bluetooth, jako je toto:

Sony představilo na CeBITu speciální modul ve formátu Memory Stick s názvem InfoStick:

Velmi dobrý nápad, zvláště s ohledem na dostupnost podobného zařízení pro Compact Flash.

Zbývá pouze poznamenat, že licencování podpory Bluetooth je bezplatné a je nutné pouze k uzavření smlouvy o ochranné známce. V blízké budoucnosti tedy můžeme dobře očekávat výskyt Bluetooth v žárovkách a žehličkách :). Ale vážně, technologie Bluetooth může udělat skutečnou revoluci ve světě osobní komunikace a v lidském životě obecně. Ale jak moc potřebujeme další revoluci, se teprve rozhodne.

Úvod

Bluetooth (z anglických slov blue - blue a anglický zub - zub; vyslovováno /bluːtuːθ/) je výrobní specifikace pro bezdrátové osobní sítě (WPAN). Bluetooth zajišťuje výměnu informací mezi zařízeními, jako jsou osobní počítače (stolní počítače, kapsy, notebooky), mobilní telefony, tiskárny, digitální fotoaparáty, myši, klávesnice, joysticky, sluchátka, náhlavní soupravy na spolehlivé, bezplatné, univerzálně dostupné rádiové frekvenci na krátkou dobu. dosahová komunikace. Bluetooth umožňuje těmto zařízením komunikovat, když jsou v okruhu až 10 metrů od sebe (dosah se značně liší v závislosti na překážkách a rušení), a to i v různých místnostech.

Popis normy

Název a logo

Slovo Bluetooth je anglický překlad dánského slova "Blåtand" ("Modrý zub"). To byla přezdívka vikingského krále Haralda I. Bluetooth, který žil v Dánsku asi před tisíci lety. Tuto přezdívku dostal král pro svůj tmavý přední zub. Harald I. vládl Dánsku a části Norska v 10. století a sjednotil válčící dánské kmeny do jediného království. Z toho vyplývá, že Bluetooth dělá totéž s komunikačními protokoly a spojuje je do jednoho univerzálního standardu. Ačkoli „blå“ znamená v moderních skandinávských jazycích „modrá“, v dobách Vikingů to mohlo znamenat také „černé barvy“. Historicky by tedy bylo správné překládat dánštinu Harald Blatand spíše jako Harald Blacktooth než jak Harald Bluetooth.

Logo Bluetooth je kombinací dvou severských („skandinávských“) run: „haglaz“ – obdoba latinského H a „berkana“ – obdoba latinského B. Logo je podobné staršímu logu pro Beauknit Textiles, divize společnosti Beauknit Corporation. Používá fúzi odraženého K a B pro "Beauknit" a je širší a má zaoblené rohy, ale je v podstatě stejný.

Historie vzniku a vývoje

Práce na vytvoření Bluetooth začaly u výrobce telekomunikačních zařízení Ericsson v roce 1994 jako bezdrátové alternativy ke kabelům RS-232. Zpočátku byla tato technologie přizpůsobena potřebám systému FLYWAY pro funkční rozhraní mezi cestujícími a systémem.

Specifikace Bluetooth byla vyvinuta skupinou Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), která byla založena v roce 1998. To zahrnovalo Ericsson, IBM, Intel, Toshiba a Nokia. Následně Bluetooth SIG a IEEE dosáhly dohody, kdy se specifikace Bluetooth stala součástí standardu IEEE 802.15.1 (publikováno 14. června 2002).

Princip fungování

Princip fungování je založen na využití rádiových vln. Rádiová komunikace Bluetooth probíhá v pásmu ISM (Industry, Science and Medicine), které se používá v různých domácích spotřebičích a bezdrátových sítích (bezlicenční rozsah 2,4-2,4835 GHz). Bluetooth využívá Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Metoda FHSS se snadno implementuje, poskytuje odolnost vůči širokopásmovému rušení a zařízení je levné.

Podle algoritmu FHSS se v Bluetooth mění nosná frekvence signálu náhle 1600krát za sekundu (celkem je přiděleno 79 provozních frekvencí o šířce 1 MHz a v Japonsku, Francii a Španělsku má pásmo již 23 frekvenčních kanálů ). Sekvence přepínání mezi frekvencemi pro každé spojení je pseudonáhodná a je známa pouze vysílači a přijímači, kteří synchronně přepínají z jedné nosné frekvence na druhou každých 625 μs (jeden časový slot). Pokud tedy v blízkosti funguje několik párů přijímač-vysílač, vzájemně se neruší. Tento algoritmus je také nedílnou součástí systému pro ochranu důvěrnosti přenášených informací: přechod probíhá podle pseudonáhodného algoritmu a je určen pro každé spojení zvlášť. Při přenosu digitálních dat a zvuku (64 kbit/s v obou směrech) se používají různá schémata kódování: zvukový signál se (zpravidla neopakuje) a digitální data se přenesou znovu, pokud dojde ke ztrátě paketu informací.

Protokol Bluetooth podporuje nejen spojení point-to-point, ale také spojení point-to-multipoint

Zvláštnosti

V současné době je technologie Bluetooth prezentována v různých verzích (od 1.1 do 4.x) a rychlostních rozsazích (1...5 Mbit/s). Navíc dosažení vysokých rychlostí v nejnovějších verzích nebylo možné díky architektuře budování bezdrátové „ad-hoc“ sítě, ale díky funkci „kolokace“ (dva v jednom zařízení), implementované ve spojení s dalšími technologiemi, např. například ve spojení s nebo ZČU.

Pokud mluvíme o výhodách Bluetooth, pak je třeba nejprve poznamenat, že jde o vysokorychlostní technologii, kterou lze snadno srovnat s UWB nebo Wi-Fi. Mezi jeho nevýhody patří spíše energetická náročnost (ve srovnání např. s technologií). Hlavním problémem, který byl v posledních letech vyřešen a aktuálně je řešen v nejnovějších verzích Bluetooth, je proto zvýšení životnosti autonomních napájecích zdrojů. Řeší se otázky týkající se vytvoření technologie Bluetooth jako technologie šetřící energii, vč. díky speciálním algoritmům pro provoz rádiových vysílacích zařízení, která jsou součástí sítě pouze v době přenosu dat (verze 4.0.)

Specifikace Bluetooth byla vyvinuta skupinou Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) v roce 1998. Zahrnovala Ericsson, IBM, Intel, Toshiba a Nokia. Následně Bluetooth SIG a IEEE dosáhly dohody, kdy se specifikace Bluetooth stala součástí standardu IEEE 802.15.1.

Rádiová komunikace Bluetooth probíhá v bezlicenčním pásmu ISM (2,4...2,4835 GHz) rychlostí 1 Mbit/s (verze 1.2); 3 Mbit/s (verze 2.0); 24 Mbit/s (verze 3.0).

Bluetooth využívá technologii rozprostřeného spektra pro přeskakování frekvence FHSS. Metoda FHSS je jednoduchá a odolná vůči rušení a rádiová zařízení jsou obecně levná.

Počínaje verzí 1.2 byly přidány možnosti adaptivního frekvenčního přeskakování (AFH), které částečně vyřešily problémy koexistence různých systémů ve stejném frekvenčním rozsahu. Síťové topologie: slave, point-to-point; master-slave, dot-Piconet; multi-masters, Scatternet.

Samoorganizující se sítě založené na Bluetooth

Bezdrátová síť Bluetooth v klasickém slova smyslu je bezdrátová dynamická síť typu peer-to-peer s proměnným počtem mobilních uzlů, jako je Piconet nebo Scatternet s decentralizovaným řízením, kterou lze nasadit na omezeném prostoru (s počtem uzlů do max. 80). Pro organizaci bezdrátové senzorové sítě je vyžadován společný přístupový bod jako centrální uzel pro správu sítě a zpracování informací.

Samoorganizující se sítě založené Bluetooth 3.0 sestávají z master a slave zařízení (tyto role lze kombinovat), schopných přenášet data v synchronním i asynchronním režimu. Synchronní přenosový režim zahrnuje přímou komunikaci mezi master a slave zařízeními s přiřazeným kanálem a přístupovými časovými sloty. Tento režim se používá v případě časově omezených přenosů. Asynchronní režim zahrnuje výměnu dat mezi nadřízeným a několika podřízenými zařízeními pomocí paketového přenosu dat. Používá se k uspořádání pikonet. Jedno zařízení (master i slave) může podporovat až 3 synchronní připojení.

V synchronním režimu je maximální rychlost přenosu dat 64 kbit/s. Maximální přenosová rychlost v asynchronním režimu je 720 kbit/s.

Hlavním problémem samoorganizujících se sítí založených na Bluetooth 3.0 je poměrně vysoká spotřeba energie síťových uzlů. Chcete-li tento problém vyřešit v roce 2010, specifikace jádra Bluetooth 4.0 Byla integrována technologie nízké spotřeby energie (Bluetooth LE). Specifikace Bluetooth 4.0 je zaměřena na různá mobilní zařízení, která vyžadují bezdrátovou výměnu dat.

Specifikace Bluetooth 4.0 má přísné omezení topologie sítě: jediná možná topologie je hvězda. Taková síť se nazývá pikonet. Jedno ze zařízení v pikonetu funguje jako hlavní a ostatní fungují jako podřízené. Podřízené zařízení lze současně připojit pouze k jednomu hlavnímu zařízení. Hlavní zařízení zahájí připojení v pikonetu. Na rozdíl od specifikace Bluetooth 3.0 pro upřesnění Bluetooth 4.0 Neexistuje žádná možnost organizace distribuované sítě (scatternet), kdy hlavní zařízení jedné pikonety může být slave v jiné.

Při organizaci sítě může modul Bluetooth LE fungovat také jako požadující zařízení (inzerent) nebo skener (skener). Protože je možné programově měnit role zařízení Bluetooth LE v síti, je možné předávat zprávu z uzlu na uzel, dokud není dosaženo požadovaného uzlu v síti. Tento přístup je implementován v bezdrátová senzorová síť a nejčastěji je směr přenosu zpráv v takové síti pevně dán od senzorů k nějakému centrálnímu zařízení, které shromažďuje a analyzuje data.

V současné době je trendem přidávat další „chytré“ funkce k různým senzorům a využívat technologii Bluetooth pro různá mobilní zařízení. Vyvstává úkol vybudovat síť pro výměnu zpráv mezi jejími jednotlivými uzly Bluetooth LE, přičemž všechny uzly v síti si musí být rovny (homogenní síť).

Architektura samoorganizující se homogenní bezdrátové sítě založené na specifikačních modulech Bluetooth 4.0

Síť zařízení Bluetooth LE se obvykle skládá z několika podsítí. Zařízení, která jsou v dosahu a mají stejný identifikátor podsítě (číslo), jsou sloučena do podsítě. Číslo podsítě je každému zařízení přiděleno předem na základě předpokládané teritoriální polohy konkrétního uzlu.

Po zapnutí napájení Bluetooth LE se zařízení musí zaregistrovat do podsítě. K tomu se musí zařízení přepnout do role žádajícího zařízení a vygenerovat požadavek na vysílání. Skenování síťových uzlů v dosahu přijme paket od žádajícího zařízení a zapíše o něm informace do tabulky dostupných zařízení. Typ požadavku, číslo podsítě žádajícího zařízení a jeho adresa (číslo zařízení v podsíti) jsou určeny informační částí paketu požadavku. Po registraci do podsítě přejde zařízení do stavu skenování.

Základní stav jakéhokoli zařízení Bluetooth LE v dané síti je stav skenování. Posloupnost akcí pro výměnu dat mezi párem zařízení Bluetooth LE a změnu jejich rolí je uvedena na Obr. 1.

V rámci podsítě lze zprávu přenést přímo k příjemci, nebo pokud je úroveň RSSI (receiver Signal Strength Indication) u příjemce špatná, prostřednictvím opakovače. Mezi podsítěmi jsou zprávy přenášeny přes opakovač. Možnost organizace navržené sítě byla testována na základě modulů BLE 112 Bluegiga. Naši specialisté provedli studie maximální propustnosti sítě, v důsledku čehož bylo zjištěno, že maximální propustnost je asi 12 Kbps, což je výrazně méně než u alternativní technologie.

Výhody sítí na bázi Bluetooth:

možnost rychlého nasazení;

relativně nízká spotřeba energie účastnických zařízení;

širokou škálu zařízení podporujících tuto technologii.

Nevýhody sítě:

malý dosah (dosah jednoho účastnického zařízení je 0,1 - 100 m);

nízké rychlosti přenosu dat (pro srovnání: v sítích WiFi je toto číslo 11 - 108 Mbit/s);

nedostatek frekvenčního zdroje.

Poslední problém byl většinou vyřešen vydáním zařízení Bluetooth 3.0, která využívá alternativní protokoly MAC a fyzické vrstvy za účelem zrychleného přenosu profilů Bluetooth (AMP). Zejména se používají standardní protokoly 802.11.

Závěr

Na základě výše uvedeného můžeme dojít k závěru, že sítě na bázi Bluetooth jsou použitelné pouze na přeplněných místech (například v centrech měst, malých kancelářích, obchodech). Takovou síť lze například použít k organizaci video dohledu v malém zařízení.

V tomto článku si povíme něco o dosahu Bluetooth na Androidu. Někteří uživatelé nemusí být spokojeni s dosahem svého Bluetooth modulu: například v domě, když je telefon tři stěny od vás, vaše sluchátka ztratí spojení s vaším smartphonem. Mnozí v takových případech hledají řešení tohoto problému a snaží se najít způsob, jak zvýšit dosah Bluetooth v systému Android. O tom budeme hovořit podrobněji v tomto článku.

Trochu teorie

Samotný přijímač pracuje ve frekvenčním rozsahu 2,4 – 2,48 GHz. Funguje jako běžná rádiová komunikace, ve které může rychlost výměny dat v závislosti na verzi přijímače dosahovat až 721 Kb/s (ve verzi 1.1), až 24 Mb/s (ve verzi 3.0 - 4.0) .

Pokud jde o vzdálenost, na kterou může dojít k výměně informací, může dosahovat 50 metrů za předpokladu, že jsou zařízení v přímé viditelnosti od sebe, a asi 10-20 metrů v budovách.

Přestože výrobce tvrdí, že u verze 3.0 modulu může být dosah 100 m, je to nejspíš v ideálních podmínkách: ve skutečnosti je pokrytí v těchto verzích minimálně 2x menší, tedy asi 50 metrů, opět v zorná zóna.

Pokud jde o zesílení frekvencí na modulu chytrého telefonu, tato možnost problém vždy nevyřeší, protože komunikace mezi zařízeními závisí na obou modulech. Aby to bylo jasnější: i když se vám podaří rozšířit dosah vašeho telefonu, rádius úspěšného provozu s vaším headsetem zůstane stejný, protože headset bude schopen najít smartphone na stejné frekvenci jako dříve .

Ano, telefon bude schopen detekovat headset na větší vzdálenost než doposud a možná se vám podaří obě zařízení spárovat, ale vzdálenost, na kterou bude takové spárování úspěšně fungovat, se nezvětší. Možná, že váš hlas z mikrofonu dosáhne telefonu, ale nebudete moci slyšet partnera nebo naopak.

Výsledkem je následující kombinace: telefon může stahovat data z headsetu, ale headset nebude mít dostatečný dosah svého modulu.

Pokud tedy chcete zvětšit provozní rádius, budete muset pracovat se dvěma zařízeními.

co to bude trvat?

Teoreticky, pro posílení bluetooth, podobně jako při přetaktování procesoru, stačí na modul přivést více napětí: očekáváme, že by měl existovat nějaký program, například Bluetooth range extender pro Android, který by fungoval s ROOT práva a vše uděláte na pár kliknutí ... ale bohužel nikde nic takového není.

Situace je stejná jako u firmwaru: každé zařízení má svůj vlastní firmware a neexistuje žádný univerzální firmware pro všechny. Nastavení OS totiž obsahuje jednotlivé parametry pro komponenty a právě ty budou komponenty vašeho smartphonu fungovat správně.

Případně můžete rozšířit dosah přidáním antény. Zatímco u stolního počítače lze tento přístup stále předpokládat, protože existuje fyzický prostor, kam můžete tuto anténu přidat, v situaci se smartphonem je tato metoda prostě nevhodná.

Poslední metodou, která je podle nás nejúspěšnější, je zakoupení speciální flash karty s vestavěnou funkcí Bluetooth přijímače. Takové karty jsou svým vzhledem i velikostí podobné běžné SD kartě, mají různé formáty a navíc je v nich přidaný komunikační modul (existují i ​​s Wi-Fi).

Zpočátku byly takové karty vydány pro zařízení, která nemají vestavěný modul, ale ve vašem případě vám doporučujeme zkusit je vložit: možná bude Bluetooth na kartě citlivější než to, které je vestavěno do vašeho zařízení; existuje také možnost, že modul karty bude mít novější verzi, která mu poskytne větší dosah než vestavěný modul nainstalovaný ve vašem telefonu.