Здравейте.

На 3 декември 2014 г. Bluetooth SIG официално обяви спецификацията на bluetooth версия 4.2.
Прессъобщението изброява 3 основни нововъведения:

• увеличаване на скоростта на приемане и предаване на данни;
• възможност за свързване с интернет;
• подобряване на поверителността и сигурността.

Основната теза на прессъобщението: версия 4.2 е идеална за интернет на нещата (IoT).
В тази статия искам да ви разкажа как се изпълняват тези 3 точки. Който се интересува е добре дошъл.

Всичко описано по-долу се отнася само за BLE, да вървим ...

1. Увеличаване на скоростта на получаване и предаване на потребителски данни.

Основният недостатък на BLE беше ниската скорост на трансфер на данни. Въпреки че от коя страна да погледнете, в края на краищата, BLE първоначално е изобретен в името на запазването на енергията на източника, който захранва устройството. И за да се пести енергия, е необходимо да се свързвате периодично и да предавате някои данни. Въпреки това, целият Интернет е пълен с възмущение относно ниската скорост и въпроси относно възможността за увеличаването й, както и увеличаване на размера на предаваните данни.

И с появата на версия 4.2, Bluetooth SIG обяви увеличение на скоростта на трансфер с 2,5 пъти и размера на предавания пакет с 10 пъти. Как са постигнали това?

Ще кажа, че тези 2 числа са свързани помежду си, а именно: скоростта се е увеличила, защото размерът на предавания пакет се е увеличил.

Нека да разгледаме PDU (протоколна единица данни) на канала за данни:


Всеки PDU съдържа 16-битов хедър. Сега тази заглавка във версия 4.2 е различна от заглавката във версия 4.1.

Ето заглавието на версия 4.1:

А ето и заглавката на версия 4.2:

Забележка: RFU (Reserved for Future Use) - полето, отбелязано с това съкращение, е запазено за бъдеща употреба и се попълва с нули.

Както виждаме, последните 8 бита от заглавката са различни. Полето „Дължина“ е сумата от дължините на полезния товар и полето MIC (Проверка на целостта на съобщението), намерени в PDU (ако последното е активирано).
Ако във версия 4.1 полето "Дължина" е с размер 5 бита, то във версия 4.2 това поле е с размер 8 бита.

От тук е лесно да се изчисли, че полето „Дължина“ във версия 4.1 може да съдържа стойности в диапазона от 0 до 31, а във версия 4.2 в диапазона от 0 до 255. Ако извадим дължината на полето MIC (4 октета) от максималните стойности, получаваме, че полезният товар може да бъде съответно 27 и 251 октета за версия 4.1 и 4.2. Всъщност максималният брой данни е още по-малък, т.к полезният товар също така съдържа L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета) режийни, но ние няма да разгледаме това.

По този начин размерът на предаваните потребителски данни се е увеличил приблизително 10 пъти. Що се отнася до скоростта, която по някаква причина се увеличи не 10 пъти, а само 2,5 пъти, тогава не можем да говорим за пропорционално увеличение, защото всичко също се основава на гарантираната доставка на данни, защото гарантирането на доставката на 200 байта е малко по-трудно от 20.

2. Възможност за връзка с интернет.

Може би най-интересното нововъведение, заради което Bluetooth SIG обяви, че версия 4.2 прави Интернет на нещата (IoT) по-добър именно заради тази функция.

Обратно във версия 4.1, L2CAP въведе „LE Credit Based Flow Control Mode“. Този режим ви позволява да контролирате потока от данни с помощта на т.нар. кредитно базирана схема. Особеността на схемата е, че тя не използва сигнални пакети, за да посочи количеството данни за предаване, а изисква от друго устройство кредит за определено количество данни за предаване, като по този начин ускорява процеса на предаване. В този случай приемащата страна при всяко получаване на кадър намалява брояча на кадъра и при достигане на последния кадър може да прекъсне връзката.

Има 3 нови кода в списъка с L2CAP команди:
- LE Credit Based Connection request – заявка за връзка по кредитната схема;
- LE Credit Based Connection response – отговор на връзка, базирана на кредитна схема;
- LE Flow Control Credit – съобщение за възможността за получаване на допълнителни LE-кадри.

В пакета „Заявка за свързване, базирана на LE“.


има поле "Първоначални кредити" с дължина 2 октета, което показва броя на LE кадрите, които устройството може да изпрати на ниво L2CAP.

В пакета за отговор „LE Credit Based Connection response“


същото поле показва броя LE рамки, които друго устройство може да изпрати, а полето "Резултат" показва резултата от заявката за връзка. Стойност 0x0000 показва успех, други стойности показват грешка. По-конкретно, стойност 0x0004 показва неуспешна връзка поради липса на ресурси.

Така вече във версия 4.1 стана възможно прехвърлянето на голямо количество данни на ниво L2CAP.
И сега, почти едновременно с пускането на версия 4.2, се публикува:

• услуга: "IP Support Service" (IPSS) .
• IPSP профил (профил за поддръжка на интернет протокол), който дефинира поддръжка за предаване на IPv6 пакети между устройства, които имат BLE.

Основното изискване за профил за L2CAP слоя е "LE Credit Based Connection", въведено във версия 4.1, което от своя страна позволява да се предават пакети с MTU >= 1280 октета (надявам се, че намекът към фигурата е ясен).

Профилът дефинира следните роли:
- Router role – използва се за устройства, които могат да маршрутизират IPv6 пакети;
- Роля на възел - използва се за устройства, които могат да получават или изпращат само IPv6 пакети; имат функция за откриване на услуги и имат IPSS услуга, която позволява на рутерите да откриват това устройство;

Устройствата с ролята на рутер, които трябва да се свържат с друг рутер, могат да имат ролята на хост.

Колкото и да е странно, предаването на IPv6 пакети не е част от спецификацията на профила и е посочено в IETF RFC „Предаване на IPv6 пакети през Bluetooth Low Energy“. Този документ дефинира още един интересен момент, а именно, че при предаване на IPv6 пакети се използва стандартът 6LoWPAN - това е стандарт за взаимодействие през IPv6 през безжични мрежи с ниска мощност. лични мрежиСтандарт IEC 802.15.4.

Погледни снимката:


Профилът указва, че IPSS, GATT и ATT се използват само за откриване на услуга, докато GAP се използва само за откриване на устройство и установяване на връзка.

Но подчертано в червено, само казва, че предаването на пакети не е включено в спецификацията на профила. Това позволява на програмиста да напише собствена реализация на пакетен трансфер.

3. Подобрена поверителност и сигурност.

Едно от задълженията на мениджъра по сигурността (SM) е да сдвои двете устройства. Процесът на сдвояване генерира ключове, които след това се използват за криптиране на комуникацията. Процесът на сдвояване се състои от 3 фази:

• обмен на информация относно методите за сдвояване;
• генериране на краткосрочни ключове (Short Term Key (STK));
• обмен на ключове.

Във версия 4.2 втората фаза беше разделена на 2 части:

• Генериране на краткосрочен ключ (STK), наречено „LE legacy pairing“
• генериране на дългосрочни ключове (Long Term Key (LTK)), наречени "LE Secure Connections"

И първата фаза беше добавена с друг метод на сдвояване: „Числово сравнение“, който работи само с втората опция от втората фаза: „LE Secure Connections“.

В тази връзка, в допълнение към 3-те съществуващи функции, в криптографския инструментариум на мениджъра за сигурност се появиха още 5 и тези 5 се използват само за обслужване на новия процес на сдвояване „LE Secure Connections“. Тези функции генерират:

• LTK и MacKey;
• поддържащи променливи;
• променливи за проверка на автентикацията;
• 6-цифрени числа, използвани за показване на сдвоени устройства.

Всички функции използват алгоритъма за криптиране AES-CMAC със 128-битов ключ.

Така че, ако по време на сдвояване във 2-ра фаза, използвайки метода „LE legacy pairing“, са генерирани 2 ключа:

• Временен ключ (TK): 128-битов временен ключ, използван за генериране на STK;
• Краткосрочен ключ (STK): 128-битов временен ключ, използван за криптиране на връзката

след това според метода "LE Secure Connections" се генерира 1 ключ:

• Дългосрочен ключ (LTK): 128-битов ключ, използван за криптиране на последващи връзки.

В резултат на тази иновация получихме:

• предотвратяване на проследяване, като сега благодарение на "Числово сравнение" е възможно да контролирате възможността за свързване с вашето устройство.
• подобрена енергийна ефективност, като сега не е необходима допълнителна енергия за повторно генериране на ключове при всяка връзка.
• индустриално стандартно криптиране за защита на чувствителни данни.

Колкото и странно да звучи, но подобрявайки сигурността, подобрихме енергийната ефективност.

4. Има ли вече възможност за усещане?

Да, имам.
NORDIC Semiconductor пусна "nRF51 IoT SDK", който включва стека, библиотеки, примери и API за устройства от серията nRF51. Това включва:

• чипове nRF51822 и nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 ключ;
• nRF51822EK.

от

bluetooth 5.0 стана реалност. В сравнение с Bluetooth 4.0 нова версияТо има два пъти по-голяма производителност, четири пъти по-голям обхвати множество други подобрения. Обмислете предимствата на Bluetooth 5.0 пред неговите предшественици, включително примера процесор CC2640R2Fот Texas Instruments.

Популярността на версията на протокола Bluetooth 4, както и някои от неговите ограничения, станаха причините за създаването на следващата спецификация на Bluetooth 5. Разработчиците си поставиха редица цели: разширяване на обхвата, увеличаване на пропускателната способност при изпращане на излъчвани пакети, подобряване шумоустойчивост и т.н.

Сега, когато първите устройства с Bluetooth 5 започнаха да се появяват, потребителите и разработчиците с основание имат въпроси: кои от предварително обявените обещания са се сбъднали? С колко се увеличи обхватът и скоростта на трансфер на данни? Как това се отрази на потреблението? Как се промени подходът към формирането на излъчвани пакети? Какви подобрения са направени за повишаване на устойчивостта на шум? И, разбира се, основният въпрос - има ли обратна съвместимост между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Нека отговорим на тези и някои други въпроси и да разгледаме основните предимства на Bluetooth 5.0 пред неговите предшественици, включително примера на истински процесор с поддръжка на Bluetooth 5.0, произведен от компанията Texas Instruments.

Нека започнем нашия преглед на Bluetooth 5.0, като отговорим на най-често задавания въпрос за обратна съвместимостс Bluetooth 4.x

Bluetooth 5.0 обратно съвместим ли е с Bluetooth 4.x?

Да, така е. Bluetooth 5 възприе повечето функции и подобрения на Bluetooth 4.1 и 4.2. Например устройствата с Bluetooth 5 запазват всички подобрения в сигурността на данните на Bluetooth 4.2 и поддържат LE Data Length Extension. Струва си да припомним, че благодарение на LE Data Length Extension, започвайки с Bluetooth 4.2, размерът на пакета данни (пакетна единица данни, PDU) при установена връзкаможе да се увеличи от 27 на 251 байта, което ви позволява да увеличите скоростта на обмен на данни с 2,5 пъти.

Поради големия брой разлики между версиите на протокола, традиционният механизъм за договаряне на параметри между устройствата при установяване на връзки се запазва. Това означава, че преди да започнат да обменят данни, устройствата се "запознават" и определят максималната честота на трансфер на данни, дължина на съобщението и т.н. Настройките по подразбиране са Bluetooth 4.0. Преходът към параметрите на Bluetooth 5 става само ако по време на процеса на сдвояване се окаже, че и двете устройства поддържат по-нова версия на протокола.

Говорейки за инструменти, които вече са достъпни за разработчиците, заслужава да се отбележи новият процесор CC2640R2F и безплатният BLE5-Stack от Texas Instruments. За радост на разработчиците, BLE5-Stack е базиран на предишната версия на BLE-Stack и само новите функции на Bluetooth 5.0 са променени при използването му.

Как се увеличи скоростта на трансфер на данни в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 използва безжична връзка с физическа скорост на трансфер на данни до 2 Mbps, което е два пъти по-високо от Bluetooth 4.x. Тук си струва да се отбележи, че ефективната скорост на обмен на данни зависи не само от физическата честотна лента на предавателния канал, но и от съотношението на услугата и полезна информацияв пакета, както и от свързаните "режийни" разходи, например загубата на време между пакетите (таблица 1).

Маса 1. Скорост на комуникация за различни версииBluetooth

Във версиите на Bluetooth 4.0 и 4.1 физическата честотна лента на канала беше 1 Mbps, което с дължина на PDU пакета данни от 27 байта направи възможно постигането на скорости на обмен до 305 kbps. Bluetooth 4.2 представи LE Data Length Extension. Благодарение на него след установяване на връзка между устройствата стана възможно да се увеличи дължината на пакета до 251 байта, което доведе до увеличаване на скоростта на обмен на данни с 2,5 пъти - до 780 kbps.

Версията Bluetooth 5 запазва поддръжката на LE Data Length Extension, което, заедно с увеличаването на физическата честотна лента до 2 Mbps, прави възможно постигането на обмен на данни до 1,4 Mbps.

Както показва практиката, такова ускоряване на трансфера на данни не е границата. Например безжичният микроконтролер CC2640R2F може да работи със скорост до 5 Mbps.

Струва си да се спомене често срещаното погрешно схващане, че увеличаването на пропускателната способност до 2 Mbps е постигнато чрез намаляване на обхвата. Разбира се, физически приемо-предавателният чип (PHY), когато работи при 2 Mbps, има 5 dBm по-малко чувствителност, отколкото когато работи при 1 Mbps. Въпреки това, в допълнение към чувствителността, има и други фактори, които допринасят за увеличаване на обхвата, например преходът към кодиране на данни. Поради тази причина, при равни други условия, Bluetooth 5 е по-надежден и има по-голям обхват от Bluetooth 4.0. Това е разгледано по-подробно в един от следващите раздели на статията.

Как да активирам високоскоростен режим на данни в Bluetooth 5?

При установяване на връзка между две Bluetooth устройства първоначално се използват настройките на Bluetooth 4.0. Това означава, че на първия етап устройствата обменят данни със скорост от 1 Mbps. След като връзката бъде установена, главният активиран Bluetooth 5.0 може да стартира процедурата за актуализиране на PHY, която има за цел да установи максимална скорост от 2 Mbps. Тази операция ще успее само ако подчиненото устройство поддържа и Bluetooth 5.0. В противен случай скоростта остава 1 Mbps.

За разработчиците, които преди това са използвали BLE-Stack от Texas Instruments, добрата новина е, че една функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd() е разпределена за изпълнение на горната процедура в новия BLE5-Stack. По този начин, когато надстроите до Bluetooth 5.0, потребителите на продукти на TI няма да имат проблеми с първоначалната инициализация. Също така, за разработчиците ще бъде полезен пример, публикуван на портала GitHub, който ви позволява да оцените работата на два микроконтролера CC2640R2F, работещи като част от CC2640R2 LaunchPads в режими High Speed ​​​​​​​и Long Range.

Как се увеличи обхватът на Bluetooth 5?

Спецификацията на Bluetooth 5.0 говори за четири пъти по-голям обхват в сравнение с Bluetooth 4.0. Това е доста тънък въпрос, на който си струва да се спрем по-подробно.

Първо, понятието "четири пъти" е относително и не е обвързано с конкретен радиус на действие в метри или километри. Факт е, че обхватът на радиопредаване силно зависи от редица фактори: състоянието на околната среда, нивото на смущения, броя на едновременно предаващите устройства и т.н. В резултат на това никой производител, както и разработчикът на стандарта Bluetooth SIG, не дава конкретни стойности. Увеличението на обхвата се оценява в сравнение с Bluetooth 4.0.

За по-нататъшен анализ е необходимо да се направят някои математически изчисления и да се оцени мощността на радиоканала. Когато се използват логаритмични стойности, бюджетът на радиоканала (dB) е равен на разликата между мощността на предавателя (dBm) и чувствителността на приемника (dBm):

Бюджет на радиоканала = мощностT X(dBm) - чувствителностR X(dBm)

За Bluetooth 4.0 стандартната чувствителност на приемника е -93 dBm. Ако се приеме, че мощността на предавателя е 0 dBm, бюджетът е 93 dB.

Четирикратно увеличение на обхвата би изисквало увеличение на бюджета с 12 dB, което води до стойност от 105 dB. Как трябва да се достигне тази стойност? Има два начина:

• увеличаване на мощността на предавателя;
• повишаване на чувствителността на приемниците.

Ако следвате първия път и увеличите мощността на предавателя, това неизбежно ще доведе до увеличаване на консумацията. Например, за CC2640R2F, преминаването към изходна мощност от 5 dBm води до увеличаване на консумацията на ток до 9 mA (Фигура 1). При мощност от 10 dBm токът ще се увеличи до 20 mA. Този подход не е привлекателен за повечето безжични устройствазахранван от батерии и не винаги подходящ за IoT, и това е областта, върху която Bluetooth 5.0 беше основно фокусиран. Поради тази причина второто решение изглежда по-предпочитано.

Има два начина за увеличаване на чувствителността на приемника:

• намаляване на скоростта на предаване;
• използване на кодирано PHY кодиране на данни.

Намаляването на скоростта на предаване на данни с фактор осем теоретично увеличава чувствителността на приемника с 9 dB. Така само 3 dB не са достатъчни до заветната стойност.

Необходимите 3 dB могат да бъдат получени с помощта на допълнително кодиране Coded PHY. Преди това във версиите на Bluetooth 4.x битовото кодиране беше недвусмислено 1:1. Това означава, че потокът от данни е изпратен директно към диференциалния демодулатор. В Bluetooth 5.0, когато използвате кодиран PHY, има два допълнителни формата за предаване:

• с кодиране 1:2, при което на всеки бит данни се присвояват два бита в потока от радио данни. Например, логическо "1" се представя като последователност от "10". В този случай физическата скорост остава равна на 1 Mbps, а реалната скорост на трансфер на данни пада до 500 kbps.
• С кодиране 1:4. Например, логическата "1" е представена от последователността "1100". След това скоростта на трансфер на данни се намалява до 125 kbps.

Описаният подход се нарича Forward Error Correction (FEC) и ви позволява да откривате и коригирате грешки от приемащата страна, вместо да изисквате повторно предаване на пакети, какъвто беше случаят в Bluetooth 4.0.

На хартия всичко изглежда добре. Остава само да разберем как тези теоретични изчисления съответстват на реалността. Като пример, нека вземем същия микроконтролер CC2640R2F. Благодарение на различни подобрения и нови режими на модулация на Bluetooth 5.0, трансивърът на този процесор има чувствителност от -97dBm при 1Mbps и -103dBm с кодиран PHY и 125kbps. Така в последния случай липсват само 2 dBm до нивото от 105 dB.

За да оценят обхвата на CC2640R2F, инженерите на Texas Instruments проведоха полеви експеримент в Осло. В същото време, от гледна точка на нивото на шума, средата в този експеримент не може да се нарече „приятелска“, тъй като бизнес частта на града беше в непосредствена близост.

За да се получи бюджетна мощност, по-голяма от 105 dB, беше решено да се увеличи мощността на предавателя до 5 dBm. Това направи възможно постигането на впечатляваща крайна стойност от 108 dBm (Фигура 2). При извършване на експеримента обхватът на действие беше 1,6 км, което е много впечатляващ резултат, особено ако вземем предвид минималното ниво на консумация на радиопредаватели.

Как се промени подходът към съобщенията за излъчване на Bluetooth 5?

Преди това Bluetooth 4.x използваше три специални канала за данни (37, 38, 39) за установяване на връзки между устройства. С тяхна помощ устройствата се намираха взаимно и обменяха служебна информация. Чрез тях също беше възможно да се предават пакети с излъчвани данни. Този подход има недостатъци:

• с голям брой активни предаватели, тези канали могат просто да бъдат претоварени;
• все повече и повече устройства използват излъчвания, без да установяват връзка от точка до точка. Това е особено важно за IoT;
• новата система за кодирано PHY кодиране ще отнеме осем пъти повече време за установяване на връзка, което допълнително ще натовари излъчваните канали.

За да се решат тези проблеми в Bluetooth 5.0, беше решено да се премине към схема, при която данните се предават през всичките 37 канала за данни, а служебните канали 37, 38, 39 се използват за предаване на указатели. Указателят се отнася до канала, по който ще се предава излъчваното съобщение. В този случай данните се предават само веднъж. В резултат на това е възможно значително да се разтоварят каналите за обслужване и да се премахне това тясно място.

Също така си струва да се отбележи, че сега дължината на данните на излъчвания пакет може да достигне 255 байта вместо 6…37 байта PDU в Bluetooth 4.x. Това е изключително важно за IoT приложенията, тъй като минимизира разходите за предаване и елиминира установяването на връзка и следователно намалява потреблението.

Bluetooth 5 поддържа ли мрежови мрежи?

Решения от Texas Instruments за Bluetooth 5

Един от първите микроконтролери с Bluetooth 5.0 беше високопроизводителният процесор CC2640R2F от Texas Instruments.

CC2640R2F се базира на модерно 32-битово ARM Cortex-M3 ядро ​​с работна честота до 48 MHz. Работата на радиопредавателя се управлява от второто 32-битово ядро ​​ARM Cortex-M0 (Фигура 3). В допълнение, CC2640R2F разполага с богата цифрова и аналогова периферия.

Предимството на микроконтролера CC2640R2F е и ниското ниво на консумация (таблица 2). Това важи за всички режими на работа. Например, в активен режим, при получаване на данни по радиоканал, консумацията е 5,9 mA, а при предаване е 6,1 mA (0 dBm) или 9,1 mA (5 dBm). При превключване в режим на заспиване, захранващият ток пада общо до 1 μA.

Комбинацията от три важни качества като поддръжка на Bluetooth 5.0, ниска консумация и висока пикова производителност прави CC2640R2F много интересно решение за Интернет на нещата. В същото време, използвайки този микроконтролер, можете да създадете цялата гама от IoT устройства: автономни сензори, които работят няколко години на една батерия, мостове между допълнителен контролен процесор и Bluetooth 5.0 канал, сложни приложения, които изискват висока изчислителна мощност .

Таблица 2. Консумация на безжичен микроконтролерCC2640 Р2 Ес подкрепатаbluetooth 5

Режим на работа	Параметър	Стойност (при Vcc = 3V)
Активно изчисление	µA/MHz ARM® Cortex®-M3	61 uA/MHz
	Coremark/mA	48,5
	Coremark на 48 MHz	142
радиообмен	Пиков ток на приемане, mA	5,9
	Пиков ток по време на предаване, mA	6,1
Режим на сън	Сензорен контролер, µA/MHz	8,2
	Режим на заспиване с активиран RTC и запазена памет, mA	1

За да започнете бързо с CC2640R2F, Texas Instruments е подготвил традиционен комплект за отстраняване на грешки (Фигура 4). Използвайки чифт такива устройства, можете да оцените скоростта и обхвата на радиопредаване чрез Bluetooth 5.0. За да направите това, можете да използвате готови примери или да създадете свое собствено приложение, базирано на безплатния протокол BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новата версия на протокола Bluetooth 5.0 е фокусирана върху максималното съответствие с нуждите на Интернет на нещата (IoT). В сравнение с версията на Bluetooth 4.0, той има редица подобрения в качеството:

• скоростта на трансфер на данни се удвои и достигна 2 Mbps;
• обхватът на предаване се учетворява с кодирано PHY и кодиране на данни с корекция на грешки (FEC);
• Пропускателната способност на излъчваните съобщения се увеличи 8 пъти.

В допълнение, Bluetooth 5.0 осигурява обратна съвместимост с Bluetooth 4.x устройства и също така поддържа повечето от разширенията на по-късните версии на протокола.

Можете да оцените възможностите на Bluetooth 5.0 сега с помощта на инструменти, произведени от Texas Instruments. Компанията пуска микроконтролер CC2640R2F с висока производителност и ниска мощност, предоставя безплатен BLE 5 стек 1.0 и много готови примериза комплект за отстраняване на грешки LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

1. Bluetooth Core Specification 5.0 ЧЗВ. 2016. Bluetooth SIG.

Технологията Bluetooth, разработена през 1994 г. от шведската компания Ericsson, първоначално не беше предназначена за мобилни телефони, а за създадената през онези години концепция Flyway (www.swedetrack.com). Flyway е персонална автоматична транспортна система. Това е разклонена монорелса с ремаркета с малък капацитет. Всеки от тях може да се движи по свой индивидуален маршрут в мрежата - нещо като такси, само че без шофьор. Технологията Bluetooth изигра ключова роля в тази нова транспортна система: с нейна помощ всички елементи обменяха данни помежду си.

Самото име Bluetooth първоначално беше просто кодово име за този проект. Произлиза от прякора на датския крал Харолд Блатанд, който според легендата го получил заради развалените си зъби. Защо тогава синьо? Оказва се, че по времето на викингите думата "blah" е означавала и "синьо", и "черно". Въпреки не съвсем здравите зъби, кралят успя да обедини изолираните специфични княжества на Дания и да създаде силна държава. Идеята за обединяване на хората стана основна в развитието на Flyway и неговия протокол за синхронизация. Когато се стигна до търговско стартиранетехнология, по-подходящо име от кода Bluetooth, разработчиците на стандарта не можаха да измислят.

Първите стъпки на новия стандарт

Още по време на разработването на технологията, Ericsson осъзна, че тя би била идеална и за прехвърляне на данни между мобилни устройства. През 1998 г. по инициатива на компанията е създадена Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG, www.bluetooth.com), която включва още IBM, Intel, Toshiba и Nokia. През същата година се появява версия на протокола Bluetooth 1.0, а малко по-късно, в началото на 1999 г., коригираната му версия Bluetooth 1.0B вижда бял свят. В тези версии на протокола, за да установят връзка, устройствата изискват предаване на техните хардуерни адреси, което прави анонимните връзки невъзможни. В първите спецификации някои спецификации. Поради това оборудването от различни производители се оказа практически несъвместимо едно с друго: конфигурирайте две различни устройства Bluetooth, меко казано, не беше лесен.

скачане на честотата

През 2001 г. беше представена спецификацията Bluetooth 1.1 - тя нямаше пълна обратна съвместимост с двете предишни версии на протокола 1.0, но разработчиците коригираха всички недостатъци и грешки.

Появиха се и нови функции: връзката може да бъде некриптирана, устройствата показват нивото на получения сигнал. И най-важното е, че всички следващи версии на Bluetooth протокола са обратно съвместими с Bluetooth 1.1, така че все още може да се намери в много работещи устройства. Модулите Bluetooth 1.1 вече са толкова прости и евтини, че тяхното присъствие увеличава цената на продукта само с няколко цента.

През 2003 г. беше пусната спецификацията Bluetooth 1.2. Той използва технологията AFH, за да даде приоритет на най-малко шумните честоти. Това значително увеличи шумоустойчивостта на комуникацията и даде възможност да се увеличи скоростта на предаване на данни. Въпреки това не са използвани нови модулационни схеми, така че максимална скорост Bluetooth остава същият - 721 kbps. Единствената разлика в сравнение с версия 1.1 беше, че Bluetooth 1.2 имаше реална скорост, по-близка до теоретично възможната граница поради наличието на AFH.

След това, благодарение на технологията eSCO, качеството на гласа се подобри. В допълнение, новата версия удвои скоростта на откриване и сдвояване на устройства и се появи опционалната възможност за свързване на две устройства едновременно. Заедно с версия 1.2 започна предаването на стерео звук през A2DP профила.

Преход към второ ниво

През ноември 2004 г. беше пусната нова версия на Bluetooth 2.0, в която за първи път по избор беше внедрена технологията EDR - устройствата с нейната поддръжка все още се означават като "2.0 + EDR". Чрез използването на най-новите алгоритми за кодиране на сигнала, EDR ви позволява да прехвърляте данни 3 пъти по-бързо - до 2,1 Mbps. В самия поток от данни скоростта на предаване може да достигне 3 Mbps. Въпреки това, част от тази честотна лента се "изяжда" - изразходва се за повторно изпращане на грешни пакети (поради смущения). Освен това се изразходва сервизен трафик - за кодиране и криптиране на информация.

Увеличаването на скоростта на предаване на данни, заедно с увеличаването на шумоустойчивостта, направи възможно намаляването на консумацията на енергия на Bluetooth с приблизително три пъти. Вярно е, че това твърдение не е вярно за всички устройства, а само за тези, които не изискват повишена скорост на трансфер на данни (например слушалки). Едновременното свързване на няколко устройства също е опростено: поради увеличаването на битовата дълбочина на адресиране стана възможно изграждането на локален безжична мрежаизползвайте в него не 8, както преди, а 256 устройства.

Съвременен етап на развитие

През 2007 г. спецификацията на Bluetooth беше актуализирана - появи се версия 2.1 (също с допълнителна поддръжка на EDR), която получи усъвършенствана технология за заявка на характеристиките на устройството за бързо настройване на всички профили.

В допълнение е добавена енергоспестяваща технология Sniff Subrating с оптимизирани цикли на работа и режим на готовност. Позволява ви да увеличите времето за работа на Bluetooth устройство с едно зареждане на батерията до пет пъти. Актуализираната спецификация на безжичния стандарт Bluetooth 2.1 значително опрости и ускори установяването на връзка между две устройства и позволи актуализирането на ключа за криптиране без прекъсване на връзката, което подобрява защитата. Вярно е, че такова опростяване на установяването на връзка е възможно само ако и двете устройства са оборудвани с NFC модули. Те създават електромагнитно поле в малък радиус около себе си: достатъчно е да доближите устройствата едно до друго, за да започне процесът на свързване.

Повечето от съществуващите адаптери (тук вземаме предвид не само потребителските, но и корпоративните системи) са оборудвани с остарели модули Bluetooth 1.1 и 1.2. Поддръжката на стандарта Bluetooth 2.0 + EDR присъства в съвременните модели телефони и лаптопи. Що се отнася до Bluetooth 2.1+EDR, новата версия на стандарта не беше широко използвана доскоро: по някаква причина много производители игнорират тази версия.

Може би причината е следната: всичките му предимства се постигат само с вграден NFC модул, което изисква поне допълнителна антена. Но има по-просто обяснение: по-старите модули Bluetooth 2.0 са по-евтини, така че е по-изгодно да ги използвате в най-модерните модели.

BLUETOOTH ЗА ДРЕХИ

Създаването на енергоспестяваща версия на Bluetooth 4.0 отваря вълнуващи перспективи за разработчиците. Например, Swany G-CELL ръкавици могат да бъдат съчетани с мобилен телефон. Те са оборудвани със специални бутони за приемане или отказване на повиквания, вграден микрофон и високоговорител, така че собственикът дори не трябва да вади телефона, за да говори. Сега те са оборудвани с Bluetooth 2.0 модул и могат да работят с едно зареждане само за 48 часа време за разговори и 240 часа в режим на готовност. Преминаването към Bluetooth 4.0 премахва необходимостта от постоянно презареждане на батерията.

Високоскоростен Bluetooth

През 2009 г. беше приета следващата Bluetooth 3.0+HS спецификация. HS (High Speed) е ново ниво на скорост на трансфер на данни, което може да достигне до 24 Mbps. За много експерти този параметър изглеждаше нереалистичен, но най-новите модули всъщност работят по-бързо от своите предшественици с Bluetooth 2.1. Наистина изглежда неправдоподобно: ако Intel пусне нови процесори, които превъзхождат по-старите модели с няколко процента, всички компютърни списания пишат за това като за невероятно постижение. И когато консорциумът Bluetooth SIG създава нова спецификация за безжичен стандарт, който ускорява трансфера на данни 10 пъти (!), събитието остава извън полезрението на повечето потребители, сякаш изобщо не ги засяга.

Факт е, че такава висока скорост изобщо не е възможна при прехвърляне на данни чрез Bluetooth: тя все още има максимална скорост, ограничена до 2,1 Mbps, какъвто беше случаят с използването на EDR технология. За превключване към 24 Mbps се използва директна Wi-Fi връзка. Bluetooth протоколът в този случай се използва не на физическо, а само на логическо ниво: за организиране на самата връзка между устройствата. Wi-Fi действа като радиотранспортен протокол, докато самият Bluetooth интерфейс остава само като рамка за свързване на устройства.

Въпреки това, използването на Wi-Fi технология за предаване на данни не означава, че дадено Bluetooth устройство е съвместимо с конвенционалните Wi-Fi мрежи. Говорим само за използване на същия физически модел на предаване според стандарта IEEE 802.11 - нямаше логическа съвместимост с мрежи 802.11a / b / g / n за телефони и смартфони с Bluetooth, както имаше, така и не.

вечен двигател

Разбира се, Bluetooth 3.0 + HS може да се счита за истински технологичен пробив, но като всяко голямо постижение и това има недостатък. Работете върху такива висока скоростбързо изтощава батерията, така че създателите на новия стандарт веднага се сблъскаха с проблема с пестенето на енергия. За да се реши този проблем, последната спецификация на Bluetooth 4.0 беше пусната през декември 2009 г., което също може да се счита за извънредно събитие: ако се обърнем към историята, ще видим, че по-рано, като правило, между изданията на Bluetooth са изминали 4 до 5 години версии. В Bluetooth 4.0 няма фундаментални промени по отношение на скоростта на предаване на данни, иновациите засягат само консумацията на енергия. Този стандарт е предназначен да се използва предимно в различни сензори, който може да се използва в симулатори, медицински изделия, автомобили. Bluetooth предавателят се включва само за времето на изпращане на данни, което гарантира, че модулът може да работи от една батерия на часовника няколко години! В този режим стандартът осигурява скорост на трансфер на данни от 1 Mbps с размер на пакета от 8–27 байта. Връзката е много по-бърза: две Bluetooth устройства могат да установят връзка за по-малко от 5 милисекунди и да поддържат разстояние до 100 м. За това се използва усъвършенствана корекция на грешки, а 128-битовото AES криптиране осигурява необходимото ниво на сигурност.

Bluetooth профили

Всяко Bluetooth устройство поддържа определен набор от така наречените профили - те са стандартизирани алгоритми за обмен на данни. Поддръжката на определени профили улеснява определянето на възможностите на устройството. Тази функция изисква профилът да се поддържа и от двете Bluetooth устройства.

За по-добро предаване на звука, A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)– разширен профил за разпространение на аудио. Той отговаря за предаването на стерео звук през Bluetooth радиоканал към всяко приемащо устройство. Профилът разграничава два типа устройства: предавател (A2DP-SRC - Advanced Audio Distribution Source), като например телефон; приемник (A2DP-SNK - Advanced Audio Distribution Sink), като например слушалки. При установяване на връзка предавателят и приемникът се договарят за кодека, който ще се прилага, и за параметрите на кодиране: побитова скорост, честота на дискретизация и т.н. Стандартът определя един задължителен SBC кодек - не изисква много компютърна мощност за кодиране и декодиране , но има ниско качество на звука. SBC се избира, ако приемникът и предавателят не могат да се "споразумеят" за използването на други кодеци: MP3, AAC, ATRAC.

Обикновено устройствата, които работят с A2DP, също поддържат профила AVRCP (профил за дистанционно управление на аудио/видео). Предназначен е за дистанционноизточник и във версия AVRCP 1.0 ви позволява да стартирате или спирате възпроизвеждане, превъртане назад и прескачане между песните. Във версия 1.3 на AVRCP профила, протоколът предава текущото състояние на източника и метаданни за самия медиен елемент, като например заглавието на песента. Във версия AVRCP 1.4 стана възможно да видите плейлисти и да изберете песен.

HID (профил на устройство с човешки интерфейс)осигурява поддръжка за устройства за въвеждане: мишки, джойстици, клавиатури. Има и доста голям бройи други Bluetooth профили - общият им брой достига 28 (данни към момента на писане).

Bluetooth стекове

В допълнение към профила, Bluetooth има такова нещо като стек. За по-лесно разбиране може да се представи като софтуер A, който управлява хардуерен модул, т.е. набор от драйвери на устройства. Всеки от тези драйвери е отговорен за внедряването на конкретен профил. За потребителя разликата в наличието на един или друг Bluetooth стек на компютъра се състои в поддръжката на определен набор от профили и в различен графичен интерфейс за работа с тях.

Widcomm

Първият Bluetooth стек за операционна система Windows стана Widcomm. След придобиването на Widcomm от Broadcom, той беше преименуван съответно на Broadcom stack. В момента този стек не е широко разпространен и работи само с устройства, чиито производители са закупили лиценз от Broadcom. Поддържа профили, които са редки, но необходими за някои потребители - HCRP, BPP и BIP. И освен това има приятелски интерфейс, който идеално се вписва в стандартния интерфейс на Windows.

Microsoft

Windows представи свой собствен Bluetooth стек след Windows XP SP2. Той е актуализиран в Windows Vista, за да включва поддръжка за HID устройства преди OS, A2DP и ​​AVRCP профили. Допълнителни профили като FTP, BIP, BPP са налични като добавки, пуснати от производители на трети страни. Осигурена е поддръжка за Bluetooth 2.0+EDR, а Vista Feature Pack също включва Bluetooth 2.1+EDR, който също се поддържа в Windows 7 стека.

Син солей

Сред алтернативните стекове BlueSoleil, предложен от IVT Corporation, е най-често срещаният. Недостатъкът на BlueSoleil е неправилната работа с Bluetooth модули от различни производители. Чрез периодичен достъп до своя сървър стекът може внезапно да открие, че хардуерният адрес на устройството не е лицензиран, след което то ще премине в режим на намалена функционалност, в който могат да се прехвърлят само 5 MB данни. Впоследствие ще трябва да активирате отново стека BlueSoleil.

Предаването на данни чрез Bluetooth се извършва на честота 2,4 GHz. По-точно, работният диапазон е в рамките на 2402-2480 GHz. В същото време в повечето страни по света са разпределени 79 канала за предаване на данни. Ширината на един такъв канал е 1 MHz. Този диапазон се използва за граждански цели.

Принцип на действие

Принципът на работа на Bluetooth е да предава данни чрез бърза промяна на честотата, която се случва приблизително 1600 веднъж в секунда. Тази схемаработата осигурява отлична устойчивост на смущения и позволява на приемащите устройства да не си пречат едно на друго поради смесване на честотите. В допълнение, той осигурява почти пълна сигурност на потребителите на вътрешната мрежа, тъй като. не е възможно да се свържете с приемащите устройства. В допълнение, малкият обхват на Bluetooth не позволява неоторизирани връзки, с възможност да останете незабелязани.

Прескачане на честотата

Промяната на канала по време на предаване на данни чрез Bluetooth се извършва на всеки 625 μs. Тези 625 µs са и интервалът от време, за който се предават данните, който се измерва в пакети. В същото време един пакет може да се предава не за един такъв интервал, а за няколко. След приключване на предаването на пакет от данни се извършва промяна на канала (честота), предварително определена за всяко устройство.
Също така може да се приложи адаптивно прескачане на честотата. Това е необходимо, за да се ограничи прехвърлянето на данни от устройства до определен брой канали. В същото време отвореният честотен диапазон може да се използва за предаване на данни от други устройства. Това намалява риска от честотни смущения на piconet устройства.

В допълнение, необходимостта от ограничаване на честотния диапазон за предаване на данни може да бъде причинена от забраната за използване на определени честотни канали в редица страни. Например в някои европейски страни, по-специално в Испания и Франция, са разрешени само 22 честоти, вместо обичайните 79.

Основни Bluetooth стандарти

1. Сериозни иновации бяха въведени в стандарта 2.0. В същото време се наблюдава значително увеличение на скоростта на трансфер на данни, което е свързано с поддръжката на EDR. Трансферът на данни в стандарта 2.0 е увеличен до 2,0-2,4 Mbps. И освен това, спецификацията 2.0 сериозно е повишила безопасността и имунитета от смущения.
2. Стандартът 3.0 удиви потребителите с безпрецедентни скорости на трансфер на данни, които се увеличиха до 24 Mbps. Това се дължи основно на факта, че спецификацията 3.0 поддържа Wi-Fi. Производителите обаче предпочитат да инсталират два стандарта на своите устройства, т.к. спецификация 3.0 консумира твърде много енергия.
3. По-специфичен е стандартът 4.0, който съчетава ниска скорост на предаване на данни, добра сигурности невероятно ниска консумация на енергия, базирана на прекъсващата работа на предавателя. Устройствата, използващи този стандарт, като правило се използват за спортни, медицински и други цели, са миниатюрни и не са предназначени за голямо количество предавани данни.

Предимства на Bluetooth 4.0:

1. Комбинира предишни протоколи. Поддържа основните функции на предишни протоколи.
2. Увеличаване на скоростта.
3. Значително намаляване на консумацията на енергия на устройство, използващо стандарт 4.0, постигнато благодарение на модифициран алгоритъм на работа (предавателят се включва само в момента, в който се прехвърлят данни).

Като правило стандартът 4.0 е по-подходящ за миниатюрни електронни сензори. Например за измерватели на налягане и температура на китката, за симулатори, различни миниатюрни устройства с ниска консумация на енергия.

пясъчник

Черен властелин 26 октомври 2011 г. в 22:07 ч

Bluetooth 4.0 - приказка за стандарта

• Дървена стая *

Bluetooth или "Sinezub", с който мнозина се срещнаха за първи път като ученици или студенти, има доста кратка биография зад себе си.

През 1994 г. двама инженери, работещи в Швеция за известната тогава компания Ericsson, решават да решат проблема с кабела веднъж завинаги и изобретяват свой собствен стандарт. безжична комуникация, базиран на метода за разпределена промяна на честотата на радиовълните. След 4 години беше създадена "Bluetooth Special Interest Group" или Bluetooth SIG, формализирайки първия унифициран безжичен стандарт. Състои се от служители на компаниите Ericsson, Nokia, Toshiba и Intel. В момента групата включва повече от 13 000 различни компании.

Стандарти

След пускането на първата версия на спецификацията, стандартът вече поддържа безжично предаване на гласови данни, дистанционноаудио и видео съдържание, работа с изображения и принтери, достъп до SIM карта, контактна книга и работа с данни от медицински устройства. Всичко това – по въздух и още през 1998 г.!

Четвъртата версия на Bluetooth, за която бих искал да говоря подробно в тази публикация, получи окончателната си форма и стана достъпна за обществеността в края на юни 2010 г. Почти година технологията не се появи в масовите устройства, докато в края на юли 2011 г. Apple обяви пускането на актуализирани модели. лаптоп macbookВъздух и системен блок Mac Mini, в която един от Основни функциибеше появата на Bluetooth 4.0. Технологията привлече още по-голямо внимание от страна на медиите след представянето на iPhone 4S, който също беше с инсталиран чип с 4-та версия на стандарта.

Bluetooth 4.0

Спецификацията Quartet включва 3 основни протокола за безжичен трансфер на данни:

• Класически Bluetooth.Той беше въведен за съвместимост с всички съществуващи устройства, работещи на предишни версии на стандарта. Той поддържа всички основни функции на предишните протоколи, като прехвърляне на различни типове данни, работа като модем, безжична синхронизация на данни, комуникация чрез други видове връзки, като NFC и т.н.
• Високоскоростен Bluetooth протокол.Той беше въведен още в третата версия, същността му се основава на използването на допълнителни нива на пренос на данни. Всичко изглежда така: при нормално използване на чипа, той работи по основната технология, използвайки метод, свързан с радиовълни. Веднага щом устройството трябва да прехвърли сравнително голям файл, то превключва на други нива на трансфер на информация, а именно нивото на трансфер на данни през Wi-Fi. Това спестява както енергията на устройството (допълнителните нива изискват повече енергия, но тя се пести поради много по-краткото време за прехвърляне на файлове), така и времето на потребителите.
• протокол за пестене на енергия.Това е основната разлика между 4-та спецификация и нейните предшественици, тя е предназначена за използване в устройства с ниска консумация на енергия, обхватът е до 50 метра. Основното е по-ниската консумация на енергия, когато устройството е в режим на готовност. Според разработчиците, устройствата, използващи този протокол, ще работят много по-дълго от техните аналози, работещи по класическия Bluetooth протокол: според изчисленията на технолозите системата ще може да издържи повече от година без презареждане на батерия с един „бутон“ . Този протокол не е съвместим с класическата реализация на Bluetooth и има някои разлики с неговия предшественик: например скоростта на безжичен трансфер на данни е ограничена до 1 MB/s (класическият има 3 MB/s), а приложенията могат да предават през протокол до 0,25 MB/s (2,1 MB/s). Протоколът също така използва по-модерно 128-битово криптиране.

  Bluetooth SIG предлага да се използва този протокол за малки сензорни устройства(да не се бърка с устройства със сензорен екран). Пример за това са различни измерватели на импулсно налягане, сърдечни удари, крачкомери.

Резултат

Изводът е прост: ако чипът се търси от производителите, тогава пазарът скоро ще бъде пълен със спортни и медицински устройства с невероятно ниска консумация на енергия. Освен това трябва да очакваме първия пробив в нова категория приложения за смартфони, които зависят от сензори от устройства на трети страни.