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

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

Заключение

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

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

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

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

Литература

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

Передача данных посредством Bluetooth осуществляется на частоте 2.4 ГГц. Говоря еще точнее, диапазон работы находится в рамках 2402-2480 ГГц. При этом в большинстве стран мира для передачи данных выделены 79 каналов. Ширина одного такого канала составляет 1 МГц. Данный диапазон используется для гражданских целей.

Принцип работы

Принцип работы Bluetooth заключается в передаче данных посредством быстрой смены частот, которая происходит приблизительно 1600 раз в секунду. Данная схема работы обеспечивает отличную защищенность от помех и предоставляет возможность принимающим сигнал устройствам не мешать друг другу, в следствие смешивания частот. Кроме того, это обеспечивает практически полную безопасность пользователям внутренней сети, т.к. подключиться к принимающим устройствам не представляется возможным. К тому же, маленький радиус действия Bluetooth, не располагает к несанкционированному подключению, с возможностью остаться незамеченным.

Скачкообразное изменение частоты

Смена канала при передаче данных посредством Bluetooth происходит каждые 625 мкс. Эти 625 мкс одновременно являются интервалом времени, за который осуществляется передача данных, которая измеряется в пакетах. При этом, один пакет может быть передан не за один такой интервал, а за несколько. После завершения передачи пакета данных, происходит заранее определенная для каждого устройства смена канала (частоты).
Также, может применяться и адаптивное скачкообразное изменение частоты. Оно необходимо для того, чтобы ограничить передачу данных с устройств определенным количеством каналов. При этом, открывшийся частотный диапазон можно использовать для передачи данных другими устройствами. Таким образом уменьшается риск возникновения частотных помех для устройств пикосети.

Кроме того, необходимость ограничить диапазон частот для передачи данных может быть вызван, запретом использования определенных частотных каналов в ряде стран. К примеру, в некоторых европейских странах, в частности в Испании и Франции, разрешается использовать только 22 частоты, вместо обычных 79.

Основные стандарты Bluetooth

1. Серьезные нововведения были введены в стандарт 2.0. При этом, в нем наблюдалось значительное увеличение скорости передачи данных, что было связанно с поддержкой EDR. Передача данных в стандарте 2.0 была увеличена до 2.0-2.4 Мб/с . А кроме того, 2.0 спецификация серьезно увеличило безопасность и защищенность от возникновения помех.
2. Стандарт 3.0 поразил пользователей невиданной до того скоростью передачи данных, которая увеличилась до 24 Мб/с . Связанно это было в первую очередь с тем, что спецификация 3.0 поддерживала Wi-Fi. Однако, производители предпочитают устанавливать на свои устройства два стандарта, т.к. спецификация 3.0 расходует слишком много энергии.
3. Более специфической является стандарт 4.0, который совместил в себе небольшую скорость передачи данных, хорошую безопасность и невероятно малое расходование энергии, основанное на непостоянной работе передатчика. Устройства, использующие данный стандарт, как правило, применяются для спортивных, медицинских и иных целей, являются миниатюрными и не рассчитаны на большое количество передаваемых данных.

Преимущества Bluetooth 4.0:

1. Совмещает в себе предшествующие протоколы. Поддерживает основные функции предыдущих протоколов.
2. Увеличение скорости.
3. Значительное уменьшение энергопотребления устройства, использующего стандарт 4.0, достигнутое за счет измененного алгоритма работы (передатчик включается только в тот момент, когда происходит передача данных).

Как правило, стандарт 4.0 больше подходит для миниатюрных электронных датчиков. К примеру, для наручных измерителях давления, температуры, для тренажеров, различных миниатюрных устройств с небольшой энергоемкостью.

Что нового в Bluetooth 5.0? Двукратный прирост скорости, возможность шифровать трафик, увеличение радиуса действия на 400% и масса других преимуществ.

Новость о появлении Bluetooth 5.0 промелькнула на страницах медиаресурсов в июне 2016 года, но занятая более важными вещами публика не обратила должного внимания на появление нового технологического стандарта в мире беспроводной связи. Устройств на базе Bluetooth 5.0 на тот момент пока еще не выпустили. В мае 2017, после появления Samsung Galaxy S8 и Xiaomi Mi 6, о новой спецификации заговорили в совсем другом ключе. Ведь Bluetooth 5.0 преподнес потребителям сразу несколько долгожданных преимуществ, о которых мы поговорим в этой статье.

Хорошие новости для разработчиков

Беспроводное сосуществование – запомните этот термин. Скоро он изменит всю структуру беспроводных коммуникаций. Bluetooth Special Interest Group обещает невиданный ранее уровень взаимодействия с другими протоколами связи. Нам даже обещают параллельное и бесконфликтное сосуществование Bluetooth и Wi-Fi.

Спецификация 5.0 предполагает работу 255 октет-пакетами (вместо 31 пакета, как у предыдущей версии) и переход на соседние частоты без потери байт трафика. В переполненном битами и байтами диапазоне 2,4 ГГц станет легче дышать и потребителям, и программистам, и даже операционным системам и чипам.

Разработчики смогут осуществлять тонкие настройки программных продуктов, производители начнут интегрировать модули Bluetooth 5.0 даже в утюги и пылесосы. А операционные системы перестанут перегружать процессоры, пытаясь выстроить работу по упорядочиванию замусоренного трафика. Аналитики утверждают, что с этого и начнется тот самый «интернет вещей», о появлении которого так долго говорили все футурологи.

Что ждать потребителю

Для обычного пользователя Bluetooth-устройств появление спецификации 5.0 интересно двумя моментами. Во-первых, новый стандарт увеличивает скорость обмена файлами в 2 раза. Во-вторых, радиус действия увеличивается в 4 раза.

В цифрах это звучит еще лучше – скорость Bluetooth 5.0 выросла до 2 Мбит/с, а радиус действия увеличивается до 100 метров. Теперь вы сможете слушать треки с высоким качеством звука даже в том случае, если ваш смартфон находится в доме, а вы с беспроводной колонкой или наушниками – на улице.

Кроме того, новый протокол позволяет не только нарастить дальность — Bluetooth 5.0 готов работать не с одним источником, а сразу с несколькими. И энергоемкость у этого процесса будет существенно ниже, чем у предыдущих версий модулей беспроводной связи. Проще говоря, Bluetooth 5.0 будет беречь батарею и смартфона, и мобильной колонки.

Еще одна хорошая новость – возможность шифровать трафик, передаваемый по Bluetooth-каналу. Разработчики и производители уже поговаривают о замене короткого поводка NFC более совершенным протоколом, позволяющим превратить смартфон в полноценную замену банковской карты.

Правда, все эти преимущества пока доступны лишь немногим владельцам мобильных устройств.

Смартфоны с Bluetooth 5.0

Прямо сейчас вы можете купить только три устройства с модулями связи Bluetooth 5.0. Это смартфоны и . Пока новая спецификация реализуется только на флагманах, так что за право пользоваться всеми нововведениями Bluetooth 5.0 вам придется заплатить от 500 до 1000 долларов США.

Во второй половине мая к линейке флагманов Самсунг и Сяоми присоединится – премиум-смартфон, в официальную спецификацию которого вписан новый стандарт беспроводной связи. На этот раз за преимущества Bluetooth 5.0 придется отдать от 650 долларов до 750 евро, в зависимости от места продажи нового смартфона HTC.

К началу лета, спустя примерно год с момента анонса Bluetooth 5.0, на рынке появится – еще один флагман с новой спецификацией беспроводной связи. Ориентировочная стоимость японского устройства составит 800 долларов США.

В отдаленных перспективах аналитики прогнозируют появление пятой спецификации в , Samsung Galaxy Note 8 и новом гуглофоне из линейки Pixel. А вот в дешевых мобильных телефонах Bluetooth 5.0 пропишется еще очень не скоро. Дело в том, что эта спецификация должна поддерживаться чипсетами. Среди недорогих решений такими способностями, к нашему сожалению, пока не обладает ни один процессор.

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

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

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

Сфера применения

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

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

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

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

Подключение устройств

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

Рис. 1. Схема пикосети,
объединяющей два устройства

Рис. 2. Схема пикосети,
объединяющей несколько устройств

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

Рис. 3. Схема распределенной сети, включающей три пикосети

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

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

Радиус действия

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

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

Версии Bluetooth и их различия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Профили Bluetooth

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

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

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

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

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

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

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

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

Несмотря на то, что технология Bluetooth соединения достаточно старая и пользуется огромным распространением во всем мире, многие все же не знают, как работает Блютуз. При помощи такой связи вы можете обмениваться файлами, играть в совместные игры (к примеру, на телефонах), подключаться периферийное оборудование к ПК, передавать звук на аудиосистему и многое другое.

Но, чтобы знать, как создавать подключения и пользоваться технологией, вам нужно понять принцип работы Bluetooth. Технология достаточно проста и понятна. Более того, она дешевая. Благодаря этому Блютуз связь доступна абсолютно каждому. Каждый телефон, смартфон, планшет и ноутбук имеет встроенный адаптер беспроводной связи.

Что такое Bluetooth: Видео

Принцип работы Bluetooth

Многие задают вопрос, на какой расстоянии действует Bluetooth? Здесь все зависит от версии технологии. Но, прежде чем переходить к зоне покрытия, стоит отметить, что для передачи данных используются передатчики (приемники) весьма малых размеров. Они практически не занимают места.

Благодаря этому адаптер встраивается в самые миниатюрные телефоны. При этом радиус действия Блютуз достигает 10 метров. Если говорить о более новых стандартах, к примеру, Bluetooth 4.0, то радиус действия еще больше, около 100 метров на прямой видимости.

Работает приемник в диапазоне 2.4-2.48 Ггц. То есть это обычная радиосвязь, работающая в Скорость передачи данных в зависимости от версии может варьироваться от 721 Кбс (1.1), до 24 Мбс (3.0 и 4.0). Данная технология позволяет создавать частные сети, объединяя несколько устройств в группы. При этом вы можете не только передавать файлы, но и управлять оборудованием удаленно.

Ответ на вопрос, на каком расстоянии работает Блютуз - до 50 метров при прямой видимости и около 10-20 метров в зданиях. Конечно, производитель утверждает, что, начиная с версии 3.0, радиус действия может достигать 100 метров, но по факту область покрытия как минимум вдвое меньше.

При этом подключение происходить автоматически. Пользователям практически ничего настраивать не нужно. Стоит отметить, что многие современные устройства работают с такой связью. К примеру, наибольшим распространением пользуется беспроводная гарнитура, которую можно подключить к телефону или компьютеру.

Для переключения между частотами для каждого соединения используется псевдослучайная последовательность, которая известна только передатчику и приемнику. Они, в свою очередь, каждые 625 мкс синхронно переключаются с одной частоты на другую. 625 мкс - это один временной слот.

Благодаря такому алгоритму в случае, если рядом работает не одна пара (приемник-передатчик), они не мешают друг другу. Именно поэтому при подключении выполняется синхронизация. Более того, такая особенность позволяет повысить уровень безопасности и защищает систему конфиденциальности информации, которая передается между устройствами.

Как узнать версию Bluetooth: Видео

Как действуют беспроводные Bluetooth наушники

Благодаря широкому распространению беспроводной гарнитуры все чаще встречается вопрос, как работают Блютуз наушники?

Здесь очень просто. Гарнитура синхронизируется с телефоном (или другим источником звука) и воспроизводят получаемый звуковой сигнал. Суть заключается в том, что адаптер преобразует цифровой сигнал в аналоговый и передает его по радиоволнам. В наушниках Bluetooth модуль принимает радиоволны и преобразует их в цифровой сигнал.

Как подключить гарнитуру к телефону? Для этого вы зажимаете кнопку питания на наушниках и держите до тех пор, пока индикатор не начнет мигать синим и красным (цвета могут отличаться в зависимости от модели).

Выбираете нужное устройство и нажимаете «Подключить». После этого устройства синхронизируются.