Hallå.

Den 3 december 2014 tillkännagav Bluetooth SIG officiellt bluetooth-specifikationen version 4.2.
Pressmeddelandet identifierar tre huvudinnovationer:

• öka hastigheten för datamottagning och överföring;
• förmåga att ansluta till Internet;
• förbättra integritet och säkerhet.

Huvudpunkten i pressmeddelandet: version 4.2 - perfekt för Internet of Things (IoT).
I den här artikeln vill jag berätta hur dessa 3 punkter implementeras. Alla intresserade är välkomna.

Allt som beskrivs nedan gäller endast BLE, låt oss gå...

1. Öka hastigheten för att ta emot och överföra användardata.

Den största nackdelen med BLE var den låga dataöverföringshastigheten. Även om oavsett hur du ser på det, uppfanns BLE ursprungligen för att spara energin från källan som driver enheten. Och för att spara energi måste du komma i kontakt med jämna mellanrum och överföra lite data. Men ändå är hela Internet fyllt av indignation över den låga hastigheten och frågor om möjligheten att öka den, samt att öka storleken på de överförda data.

Och med tillkomsten av version 4.2 tillkännagav Bluetooth SIG en ökning av överföringshastigheten med 2,5 gånger och storleken på det överförda paketet med 10 gånger. Hur uppnådde de detta?

Låt mig berätta att dessa 2 nummer är relaterade till varandra, nämligen: hastigheten har ökat eftersom storleken på det överförda paketet har ökat.

Låt oss titta på PDU (protokolldataenhet) för datakanalen:


Varje PDU innehåller en 16-bitars header. Så denna rubrik i version 4.2 skiljer sig från rubriken i version 4.1.

Här är version 4.1-huvudet:

Och här är rubriken för version 4.2:

Obs: RFU (Reserved for Future Use) - fältet som anges med denna förkortning är reserverat för framtida användning och är fyllt med nollor.

Som vi kan se är de sista 8 bitarna i rubriken olika. Längdfältet är summan av nyttolastlängderna och MIC-fältet (Message Integrity Check) som finns i PDU:n (om den senare är aktiverad).
Om "Längd"-fältet i version 4.1 har en storlek på 5 bitar, så har detta fält i version 4.2 en storlek på 8 bitar.

Härifrån är det lätt att beräkna att "Längd"-fältet i version 4.1 kan innehålla värden i intervallet från 0 till 31, och i version 4.2 i intervallet från 0 till 255. Om vi ​​subtraherar längden på MIC-fältet (4 oktetter) från maxvärdena får vi att nyttolasten kan vara 27 och 251 oktetter för version 4.1 respektive 4.2. Faktum är att den maximala mängden data är ännu mindre, eftersom Nyttolasten innehåller också tjänstedata för L2CAP (4 oktetter) och ATT (3 oktetter), men vi tar inte hänsyn till detta.

Således har storleken på överförda användardata ökat cirka 10 gånger. När det gäller hastigheten, som av någon anledning inte ökade 10 gånger, utan bara 2,5 gånger, då kan vi inte prata om en proportionell ökning, eftersom allt också beror på garantin för dataleverans, eftersom att garantera leveransen av 200 byte är en lite svårare än 20.

2. Möjlighet att ansluta till Internet.

Den kanske mest intressanta innovationen är varför Bluetooth SIG meddelade att version 4.2 gör Internet of Things (IoT) bättre tack vare denna funktion.

Tillbaka i version 4.1 lade L2CAP till läget "LE Credit Based Flow Control Mode". Detta läge låter dig styra dataflödet med hjälp av den sk. kreditbaserat system. Det speciella med schemat är att det inte använder signaleringspaket för att indikera mängden data som överförs, utan begär från en annan enhet en kredit för en viss mängd data som ska överföras, vilket påskyndar överföringsprocessen. I det här fallet, varje gång den mottagande sidan tar emot en ram, minskar den bildräknaren, och när den sista bilden nås kan den bryta anslutningen.

3 nya koder har dykt upp i listan över L2CAP-kommandon:
- LE Credit Based Connection request – begäran om anslutning enligt kreditschemat;
- LE Credit Based Connection response – svar på en anslutning baserat på ett kreditschema;
- LE Flow Control Credit – meddelande om möjligheten att ta emot ytterligare LE-ramar.

I paketet "LE Credit Based Connection request"


det finns ett "Initial Credits"-fält 2 oktetter långt, vilket indikerar antalet LE-ramar som enheten kan skicka på L2CAP-nivå.

I svarspaketet "LE Credit Based Connection response"


samma fält indikerar antalet LE-ramar som en annan enhet kan skicka, och "Resultat"-fältet indikerar också resultatet av anslutningsbegäran. Ett värde på 0x0000 indikerar framgång, andra värden indikerar ett fel. Specifikt anger värdet 0x0004 att anslutningen nekades på grund av brist på resurser.

Redan i version 4.1 blev det alltså möjligt att överföra en stor mängd data på L2CAP-nivå.
Och nu, nästan samtidigt med releasen av version 4.2, publiceras följande:

• tjänst: "IP Support Service" (IPSS).
• IPSP-profil (Internet Protocol Support Profile), som definierar stöd för överföring av IPv6-paket mellan enheter som har BLE.

Huvudkravet för profilen för L2CAP-nivån är "LE Credit Based Connection", som dök upp i version 4.1, som i sin tur låter dig överföra paket med en MTU >= 1280 oktetter (jag hoppas att tipset i figuren är klar).

Profilen definierar följande roller:
- routerroll - används för enheter som kan dirigera IPv6-paket;
- nodroll (Node) – används för enheter som bara kan ta emot eller skicka IPv6-paket; har tjänsteupptäcktsfunktionalitet och har en IPSS-tjänst som gör att routrar kan upptäcka denna apparat;

Enheter med routerrollen som behöver ansluta till en annan router kan ha värdrollen.

Märkligt nog är överföringen av IPv6-paket inte en del av profilspecifikationen, och specificeras i IETF RFC "Transmission of IPv6-packets over Bluetooth Low Energy". Det här dokumentet definierar en annan intressant punkt, nämligen att vid överföring av IPv6-paket används 6LoWPAN-standarden - detta är en standard för interaktion med IPv6-protokollet över trådlöst med låg effekt personliga nätverk IEE 802.15.4 standard.

Titta på bilden:


Profilen anger att IPSS, GATT och ATT endast används för tjänstupptäckt, och GAP används endast för enhetsupptäckt och anslutningsetablering.

Men den som är markerad i rött betyder bara att paketöverföring inte ingår i profilspecifikationen. Detta tillåter programmeraren att skriva sin egen implementering av paketöverföring.

3. Förbättrad integritet och säkerhet.

En av säkerhetshanterarens (SM) ansvar är att para ihop två enheter. Parningsprocessen skapar nycklar som sedan används för att kryptera kommunikation. Parningsprocessen består av 3 faser:

• utbyte av information om parningsmetoder;
• generering av kortsiktiga nycklar (Short Term Key (STK));
• nyckelbyte.

I version 4.2 var fas 2 uppdelad i 2 delar:

• generering av korttidsnycklar (Short Term Key (STK)) som kallas "LE legacy pairing"
• generering av långsiktiga nycklar (Long Term Key (LTK)) som kallas "LE Secure Connections"

Och den första fasen lades till med ytterligare en parningsmetod: "Numeric Comparison" som bara fungerar med det andra alternativet i den andra fasen: "LE Secure Connections".

I detta avseende, utöver de 3 befintliga funktionerna, har ytterligare 5 funktioner dykt upp i säkerhetshanterarens kryptografiska verktygslåda, och dessa 5 används endast för att betjäna den nya parningsprocessen "LE Secure Connections". Dessa funktioner genererar:

• LTK och MacKey;
• bekräftande variabler;
• autentiseringskontrollvariabler;
• 6-siffriga nummer som används för visning på anslutna enheter.

Alla funktioner använder AES-CMAC-krypteringsalgoritmen med en 128-bitars nyckel.

Så om under parning i den andra fasen med "LE legacy pairing"-metoden genererades 2 nycklar:

• Temporary Key (TK): 128-bitars temporär nyckel som används för att generera STK;
• Short Term Key (STK): 128-bitars temporär nyckel som används för att kryptera anslutningen

sedan med "LE Secure Connections"-metoden genereras 1 nyckel:

• Long Term Key (LTK): En 128-bitars nyckel som används för att kryptera efterföljande anslutningar.

Som ett resultat av denna innovation fick vi:

• förhindra spårning, eftersom Nu, tack vare "Numeric Comparison", är det möjligt att styra möjligheten att ansluta till din enhet.
• förbättra energieffektiviteten, eftersom kräver inte längre extra energi för att återskapa nycklar på varje anslutning.
• Branschstandardkryptering för att säkerställa känslig data.

Hur konstigt det än kan låta, genom att förbättra säkerheten har vi förbättrat energieffektiviteten.

4. Går det redan att röra?

Ja det har jag.
NORDIC Semiconductor har släppt "nRF51 IoT SDK" som inkluderar en stack, bibliotek, exempel och API:er för enheterna i nRF51-serien. Detta inkluderar:

• nRF51822 och nRF51422 chips;
• nRF51 DK;
• nRF51 dongel;
• nRF51822 EK.

Förbi

Bluetooth 5.0 blev verklighet. Jämfört med Bluetooth 4.0 en ny version Det har två gånger kapaciteten, fyra gånger räckvidden och ett antal andra förbättringar. Låt oss titta på fördelarna med Bluetooth 5.0 jämfört med dess föregångare, inklusive ett exempel CPU CC2640R2F från Texas instrument.

Populariteten för Bluetooth 4-protokollversionen, såväl som några av dess begränsningar, blev skälen till skapandet av nästa Bluetooth 5-specifikation. Utvecklarna satte upp ett antal mål för sig: att utöka räckvidden, öka genomströmningen vid sändning av sändningspaket , förbättra brusimmunitet och så vidare.

Nu när de första enheterna med Bluetooth 5 har börjat dyka upp har användare och utvecklare med rätta frågor: vilka av de tidigare angivna löftena har blivit verklighet? Hur mycket har räckvidden och dataöverföringshastigheten ökat? Hur påverkade detta konsumtionsnivån? Hur har tillvägagångssättet för att generera broadcast-paket förändrats? Vilka förbättringar har gjorts för att förbättra bullerimmuniteten? Och, naturligtvis, är huvudfrågan - finns det bakåtkompatibilitet mellan Bluetooth 5 och Bluetooth 4? Låt oss svara på dessa och några andra frågor och överväga de viktigaste fördelarna med Bluetooth 5.0 jämfört med dess föregångare, inklusive att använda exemplet på en riktig processor med Bluetooth 5.0-stöd som produceras av företaget Texas instrument.

Låt oss börja Bluetooth recension 5.0 med svar på de vanligaste frågorna om bakåtkompatibilitet med Bluetooth 4.x

Är Bluetooth 5.0 bakåtkompatibel med Bluetooth 4.x?

Ja det gör det. Bluetooth 5 använder de flesta funktionerna och tilläggen av Bluetooth 4.1 och 4.2. Till exempel behåller Bluetooth 5-enheter alla datasäkerhetsförbättringar i Bluetooth 4.2 och stöder LE Data Length Extension. Det är värt att komma ihåg att tack vare LE Data Length Extension, från och med Bluetooth 4.2, storleken på paketdataenheten (PDU) på upprättad anslutning kan ökas från 27 till 251 byte, vilket gör att du kan öka datautbyteshastigheten med 2,5 gånger.

På grund av det stora antalet skillnader mellan protokollversioner behålls den traditionella mekanismen för att förhandla om parametrar mellan enheter vid upprättande av anslutningar. Det betyder att enheterna innan de börjar utbyta data "lär känna varandra" och bestämmer maximal frekvens för dataöverföring, längden på meddelanden och så vidare. I det här fallet används parametrar för Bluetooth 4.0 som standard. Övergången till parametrar för Bluetooth 5 sker endast om det under parningsprocessen visar sig att båda enheterna stöder en senare version av protokollet.

På tal om verktyg som redan är tillgängliga för utvecklare är det värt att notera den nya CC2640R2F-processorn och den gratis BLE5-Stacken från Texas Instruments. Till utvecklarnas glädje är BLE5-Stack baserad på den tidigare versionen av BLE-Stack, och ändringar i dess användning påverkade endast nya Bluetooth-funktioner 5.0.

Hur har dataöverföringshastigheten ökat i Bluetooth 5?

Bluetooth 5 använder en trådlös anslutning med fysiska dataöverföringshastigheter på upp till 2 Mbps, vilket är dubbelt så snabbt som Bluetooth 4.x. Det är värt att notera här att den effektiva datautbyteshastigheten inte bara beror på överföringskanalens fysiska kapacitet utan också på förhållandet mellan tjänst och användbar information i ett paket, samt från tillhörande "overhead"-kostnader, till exempel förlust av tid mellan paket (tabell 1).

Bord 1. Kommunikationshastighet för olika versionerBlåtand

I versionerna Bluetooth 4.0 och 4.1 var kanalens fysiska bandbredd 1 Mbit/s, vilket med en PDU-datapaketlängd på 27 byte gjorde det möjligt att uppnå växelkurser på upp till 305 kbit/s. Bluetooth 4.2 introducerade LE Data Length Extension. Tack vare det, efter att ha upprättat en anslutning mellan enheter, blev det möjligt att öka paketlängden till 251 byte, vilket ledde till en ökning av datautbyteshastigheten med 2,5 gånger - upp till 780 kbit/s.

Bluetooth version 5 behåller stöd för LE Data Length Extension, som tillsammans med en ökning av fysisk genomströmning till 2 Mbit/s gör att datautbyteshastigheter på upp till 1,4 Mbit/s kan uppnås.

Som praxis visar är en sådan acceleration av dataöverföring inte gränsen. Till exempel kan den trådlösa mikrokontrollern CC2640R2F arbeta i hastigheter upp till 5 Mbps.

Det är värt att nämna den vanliga missuppfattningen att ökningen av genomströmningen till 2 Mbit/s uppnåddes genom att minska räckvidden. Fysiskt har naturligtvis transceiver-chippet (PHY) vid en frekvens på 2 Mbit/s 5 dBm mindre känslighet än vid en frekvens på 1 Mbit/s. Men förutom känslighet finns det andra faktorer som bidrar till att öka räckvidden, till exempel övergången till datakodning. Av denna anledning, allt annat lika, visar sig Bluetooth 5 vara mer pålitlig och har en längre räckvidd jämfört med Bluetooth 4.0. Detta diskuteras i detalj i ett av följande avsnitt i artikeln.

Hur aktiverar jag höghastighetsdataöverföringsläge i Bluetooth 5?

När du upprättar en anslutning mellan två Bluetooth-enheter, bluetooth-inställningar 4.0. Detta innebär att enheterna i det första steget utbyter data med en hastighet av 1 Mbit/s. När anslutningen har upprättats kan den Bluetooth 5.0-aktiverade mastern påbörja PHY Update Procedure, vars mål är att fastställa en maximal hastighet på 2 Mbps. Denna operation kommer bara att lyckas om slaven också stöder Bluetooth 5.0. Annars förblir hastigheten på 1 Mbit/s.

För utvecklare som tidigare har använt Texas Instruments BLE-Stack är den goda nyheten att den nya BLE5-Stacken tillhandahåller en enda funktion, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(), för att utföra denna procedur. Således, när de byter till Bluetooth 5.0, kommer användare av TI-produkter inte att ha problem med den initiala initieringen. Också användbart för utvecklare kommer att vara ett exempel som publiceras på GitHub-portalen, som låter dig utvärdera driften av två CC2640R2F-mikrokontroller som fungerar som en del av CC2640R2 LaunchPads i höghastighets- och långdistanslägen.

Hur har räckvidden för Bluetooth 5 ökat?

Bluetooth 5.0-specifikationen säger att räckvidden är fyra gånger större än Bluetooth 4.0. Detta är en ganska subtil fråga som är värd att uppehålla sig mer i detalj vid.

För det första är begreppet "fyra gånger" relativt och är inte bundet till ett specifikt avstånd i meter eller kilometer. Faktum är att radiosändningsräckvidden starkt beror på ett antal faktorer: miljöns tillstånd, störningsnivån, antalet enheter som sänder samtidigt, och så vidare. Som ett resultat ger inte en enda tillverkare, såväl som utvecklaren av själva Bluetooth SIG-standarden, specifika värden. Ökningen i räckvidd mäts i jämförelse med Bluetooth 4.0.

För ytterligare analys är det nödvändigt att utföra några matematiska beräkningar och uppskatta radiokanalens effektbudget. När du använder logaritmiska värden är radiokanalbudgeten (dB) lika med skillnaden mellan sändareffekten (dBm) och mottagarens känslighet (dBm):

Radiokanalbudget = effektT X(dBm) – känslighetR X(dBm)

För Bluetooth 4.0 är standardmottagarens känslighet -93 dBm. Om vi ​​antar att sändareffekten är 0 dBm, så är budgeten 93 dB.

Att fyrdubbla intervallet skulle kräva en budgetökning på 12 dB, vilket resulterar i ett värde på 105 dB. Hur ska detta värde uppnås? Det finns två sätt:

• öka sändareffekten;
• öka mottagarnas känslighet.

Om du följer den första vägen och ökar sändareffekten kommer detta oundvikligen att orsaka en ökning av förbrukningen. Till exempel, för CC2640R2F, leder byte till en uteffekt på 5 dBm till en ökning av strömförbrukningen till 9 mA (Figur 1). Vid 10 dBm kommer strömmen att öka till 20 mA. Detta tillvägagångssätt ser inte attraktivt ut för de flesta trådlösa enheter batteridriven och inte alltid lämpad för IoT, vilket är just det område Bluetooth 5.0 i första hand riktade sig mot. Av denna anledning förefaller den andra lösningen att föredra.

För att öka mottagarens känslighet föreslås två metoder:

• minskning av överföringshastighet;
• användning av kodad PHY-datakodning.

Att minska datahastigheten med en faktor åtta ökar teoretiskt mottagarens känslighet med 9 dB. Det önskade värdet är alltså endast 3 dB kort.

De erforderliga 3 dB kan uppnås med ytterligare kodad PHY-kodning. Tidigare, i Bluetooth 4.x-versioner, var bitkodningen entydig 1:1. Detta betyder att dataströmmen skickades direkt till differentialdemodulatorn. I Bluetooth 5.0, när du använder kodad PHY, finns det ytterligare två överföringsformat:

• med 1:2-kodning, där varje databit är associerad med två bitar i radiodataströmmen. Till exempel representeras en logisk "1" som en sekvens av "10". I det här fallet förblir den fysiska hastigheten lika med 1 Mbit/s, och den verkliga dataöverföringshastigheten sjunker till 500 kbit/s.
• Med 1:4-kodning. Till exempel representeras en logisk "1" av sekvensen "1100". Dataöverföringshastigheten reduceras till 125 kbit/s.

Det beskrivna tillvägagångssättet kallas Forward Error Correction (FEC) och gör det möjligt att upptäcka och korrigera fel på den mottagande sidan, snarare än att kräva att paket återsänds, som var fallet i Bluetooth 4.0.

På pappret ser allt bra ut. Det återstår bara att ta reda på hur dessa teoretiska beräkningar motsvarar verkligheten. Som ett exempel, låt oss ta samma mikrokontroller CC2640R2F. Tack vare olika förbättringar och nya Bluetooth 5.0-modulationslägen har denna processors transceiver en känslighet på -97 dBm vid 1 Mbps och -103 dBm vid användning av Coded PHY och 125 kbps. I det senare fallet saknas alltså bara 2 dBm från nivån 105 dB.

För att utvärdera räckvidden för CC2640R2F genomförde ingenjörer från Texas Instruments ett fältexperiment i Oslo. Samtidigt, ur ljudnivåsynpunkt, kan miljön i detta experiment inte kallas "vänlig", eftersom affärsdelen av staden låg i närheten.

För att få en effektbudget större än 105 dB beslutades att öka sändareffekten till 5 dBm. Detta gjorde det möjligt för oss att uppnå ett imponerande slutvärde på 108 dBm (Figur 2). När experimentet utfördes var räckvidden 1,6 km, vilket är ett mycket imponerande resultat, särskilt med tanke på minimiförbrukningen av radiosändare.

Hur har inställningen till Bluetooth 5-sändningsmeddelanden förändrats?

Tidigare använde Bluetooth 4.x tre dedikerade datakanaler för att upprätta anslutningar mellan enheter (37, 38, 39). Med deras hjälp hittade enheter varandra och utbyttes officiella uppgifter. Det var också möjligt att överföra broadcast-datapaket över dem. Detta tillvägagångssätt har nackdelar:

• med ett stort antal aktiva sändare kan dessa kanaler helt enkelt överbelastas;
• Fler och fler enheter använder broadcast-meddelanden utan att upprätta en punkt-till-punkt-anslutning. Detta är särskilt viktigt för Internet of Things IoT;
• det nya kodade PHY-kodningssystemet kommer att kräva åtta gånger mer tid för att upprätta en anslutning, vilket dessutom kommer att ladda sändningskanaler.

För att lösa dessa problem i Bluetooth 5.0 beslutades att gå över till ett schema där data sänds på alla 37 datakanaler och servicekanaler 37, 38, 39 används för att överföra pekare. Pekaren hänvisar till den kanal över vilken sändningsmeddelandet kommer att sändas. I detta fall överförs data endast en gång. Som ett resultat är det möjligt att avsevärt lätta på belastningen på servicekanaler och eliminera denna flaskhals.

Det är också värt att notera att nu kan datalängden för ett sändningspaket nå 255 byte istället för 6...37 byte PDU i Bluetooth 4.x. Detta är oerhört viktigt för IoT-applikationer, eftersom det gör det möjligt att minimera överföringskostnader och eliminera anslutningar och därigenom minska förbrukningen.

Stöder Bluetooth 5 Mesh-nätverk?

Texas Instruments lösningar för Bluetooth 5

En av de allra första mikrokontrollerna med Bluetooth 5.0 var den högpresterande CC2640R2F-processorn tillverkad av Texas Instruments.

CC2640R2F är byggd på en modern 32-bitars ARM Cortex-M3-kärna med en arbetsfrekvens på upp till 48 MHz. Radiosändarens funktion styrs av den andra 32-bitars ARM Cortex-M0-kärnan (Figur 3). Dessutom har CC2640R2F rik digital och analog kringutrustning.

Fördelen med mikrokontrollern CC2640R2F är också dess låga förbrukningsnivå (tabell 2). Detta gäller för alla driftlägen. Till exempel, i aktivt läge, när du tar emot data över en radiokanal, är förbrukningen 5,9 mA, och vid sändning - 6,1 mA (0 dBm) eller 9,1 mA (5 dBm). Vid övergång till viloläge sjunker matningsströmmen helt till 1 µA.

Kombinationen av tre så viktiga egenskaper som Bluetooth-stöd 5.0, låg strömförbrukning och hög toppprestanda gör CC2640R2F till en mycket intressant lösning för Internet of Things. Samtidigt, med hjälp av denna mikrokontroller, kan du skapa hela utbudet av IoT-enheter: autonoma sensorer som fungerar i flera år på ett enda batteri, bryggor mellan en extra kontrollprocessor och en Bluetooth 5.0-kanal, komplexa applikationer som kräver hög datorkraft .

Tabell 2. Förbrukning av trådlös mikrokontrollerCC2640 R2 Fmed stödetBluetooth 5

Driftläge	Parameter	Värde (vid Vcc = 3 V)
Active Computing	µA/MHz ARM® Cortex®-M3	61 µA/MHz
	Kärnmärke/mA	48,5
	Kärnmärke vid 48 MHz	142
Radioväxel	Toppmottagningsström, mA	5,9
	Toppström under överföring, mA	6,1
Viloläge	Sensorstyrenhet, µA/MHz	8,2
	Viloläge med RTC aktiverat och minnesretention, mA	1

För att snabbt komma igång med CC2640R2F har Texas Instruments förberett ett traditionellt utvecklingspaket (Figur 4). Med hjälp av ett par sådana enheter kan du utvärdera hastigheten och räckvidden för radioöverföring via Bluetooth 5.0. För att göra detta kan du använda färdiga exempel eller skapa din egen applikation baserat på det kostnadsfria BLE 5 stack 1.0-protokollet (www.ti.com/ble).

Slutsats

Den nya versionen av Bluetooth 5.0-protokollet är fokuserad på maximal överensstämmelse med behoven hos Internet of Things (IoT). Jämfört med Bluetooth 4.0 har den ett antal kvalitativa förbättringar:

• dataöverföringshastigheten har fördubblats och nått 2 Mbit/s;
• överföringsräckvidden har fyrdubblats på grund av kodad PHY och Forward Error Correction (FEC) datakodning;
• Genomströmningen av sändningsmeddelanden ökade 8 gånger.

Dessutom ger Bluetooth 5.0 bakåtkompatibilitet med Bluetooth 4.x-enheter och stöder även de flesta tilläggen av senare versioner av protokollet.

Du kan nu utvärdera funktionerna i Bluetooth 5.0 med hjälp av verktyg som produceras av Texas Instruments. Företaget producerar en högpresterande och låg effekt mikrokontroller CC2640R2F, ger en gratis BLE 5 stack 1.0 och många färdiga exempel för utvecklingssats LAUNCHXL-CC2640R2.

Litteratur

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

Bluetooth-tekniken, som det svenska företaget Ericsson började utveckla redan 1994, var från början inte avsedd för mobiltelefoner alls, utan för det Flyway-koncept som skapades under dessa år (www.swedetrack.com). Flyway är ett personligt automatiskt transportsystem. Det är en omfattande monorail med vagnar med liten kapacitet. Var och en av dem kan röra sig längs sin egen individuella rutt inom nätverket - ungefär som en taxi, bara utan förare. Bluetooth-tekniken spelade en nyckelroll i detta nya transportsystem: det var med dess hjälp som alla element utbytte data med varandra.

Själva namnet Bluetooth var ursprungligen bara ett kodnamn för detta projekt. Det kommer från smeknamnet på den danske kungen Harold Blatand, som, som legenden säger, fick det på grund av sina ruttna tänder. Varför blått då? Det visar sig att på vikingatiden betydde ordet "bla" både "blå" och "svart". Trots sina inte helt friska tänder lyckades kungen ena de isolerade furstendömena i Danmark och skapa en stark stat. Idén att förena människor blev grundläggande i utvecklingen av Flyway och dess synkroniseringsprotokoll. När det gällde kommersiell lansering teknik, kunde utvecklarna av standarden inte komma på ett mer passande namn än koden Bluetooth.

De första stegen i den nya standarden

Redan under utvecklingen av tekniken insåg Ericsson att den skulle vara perfekt för att överföra data mellan Mobil enheter. 1998, på initiativ av företaget, skapades en Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG, www.bluetooth.com), som även inkluderade IBM, Intel, Toshiba och Nokia. Samma år dök versionen av Bluetooth 1.0-protokollet upp, och lite senare, i början av 1999, släpptes dess korrigerade version, Bluetooth 1.0B. I dessa versioner av protokollet krävde att upprätta en anslutning enheter för att överföra sina hårdvaruadresser, vilket gjorde anonyma anslutningar omöjliga. I de första specifikationerna, några specifikationer. På grund av detta visade sig utrustning från olika tillverkare vara praktiskt taget inkompatibel med varandra: konfigurera två olika enheter Bluetooth har varit minst sagt utmanande.

Frekvenshoppning

2001 introducerades Bluetooth 1.1-specifikationen - den var inte helt bakåtkompatibel med de två tidigare versionerna av 1.0-protokollet, men utvecklarna rättade till alla brister och fel.

Nya funktioner dök också upp: anslutningen kunde vara okrypterad, enheter visade nivån på den mottagna signalen. Och viktigast av allt, alla efterföljande versioner av Bluetooth-protokollet är bakåtkompatibla med version Bluetooth 1.1, så det kan fortfarande hittas i många fungerande enheter. Bluetooth 1.1-moduler är nu så enkla och billiga att deras närvaro ökar kostnaden för produkten med bara några få cent.

2003 släpptes Bluetooth 1.2-specifikationen. Den använde AFH-teknik för att prioritera de minst brusande frekvenserna. Detta ökade avsevärt brusimmuniteten för kommunikation och gjorde det möjligt att öka dataöverföringshastigheten. Emellertid användes inga nya moduleringsscheman, så maxhastighet Bluetooth förblir detsamma - 721 kbps. Den enda skillnaden jämfört med version 1.1 var att med Bluetooth 1.2 låg den faktiska driftshastigheten närmare den teoretiskt möjliga gränsen på grund av närvaron av AFH.

Sedan, med hjälp av eSCO-teknik, förbättrades röstkvaliteten. Dessutom har den nya versionen fördubblat hastigheten för att upptäcka och para ihop enheter, och har den valfria möjligheten att samtidigt ansluta två enheter. Tillsammans med version 1.2 började stereoljudöverföring via A2DP-profilen.

Flytta till den andra nivån

En ny släpptes i november 2004 bluetooth version 2.0, där EDR-teknik valfritt implementerades för första gången - enheter med dess stöd är fortfarande märkta som "2.0+EDR". Genom att använda de senaste signalkodningsalgoritmerna låter EDR dig överföra data 3 gånger snabbare - upp till 2,1 Mbit/s. I själva dataströmmen kan överföringshastigheten nå 3 Mbit/s. En del av denna bandbredd "äts upp" - spenderas på att skicka om felaktiga paket (på grund av störningar). Dessutom konsumeras tjänstetrafik för kodning och kryptering av information.

En ökning av dataöverföringshastigheten tillsammans med en ökad brusimmunitet har gjort det möjligt att minska Bluetooth-strömförbrukningen med cirka tre gånger. Det är sant att detta påstående inte är sant för alla enheter, utan bara för de som inte kräver ökad dataöverföringshastighet (till exempel headset). Den samtidiga anslutningen av flera enheter har också förenklats: genom att öka adresseringsbitdjupet har det blivit möjligt att bygga en lokal trådlöst nätverk använd inte 8, som tidigare, utan 256 enheter.

Nuvarande utvecklingsstadium

2007 uppdaterades Bluetooth-specifikationen - version 2.1 dök upp (även med valfritt EDR-stöd), som fick teknik för utökad begäran om enhetsegenskaper för snabb installation alla profiler.

Dessutom har energibesparande Sniff Subrating-teknik lagts till med optimerade kör- och standbycykler. Det låter dig öka drifttiden för din Bluetooth-enhet på en enda batteriladdning med fem gånger. Den uppdaterade specifikationen för den trådlösa Bluetooth 2.1-standarden har avsevärt förenklat och accelererat etableringen av kommunikation mellan två enheter och gjort det möjligt att uppdatera krypteringsnyckeln utan att bryta anslutningen, vilket förbättrar säkerheten. Det är sant att en sådan förenkling av kommunikationen endast är möjlig om båda enheterna är utrustade med NFC-moduler. De skapar ett elektromagnetiskt fält i en liten radie runt sig: det räcker att föra enheterna nära varandra för att starta anslutningsprocessen.

De flesta befintliga adaptrar (här tar vi hänsyn inte bara till anpassade utan också företagssystem) är utrustad med föråldrade Bluetooth 1.1- och 1.2-moduler. Stöd för Bluetooth 2.0+EDR-standarden finns i moderna modeller av telefoner och bärbara datorer. När det gäller Bluetooth 2.1+EDR har den nya versionen av standarden inte blivit utbredd förrän nyligen: många tillverkare ignorerar av någon anledning denna version.

Kanske är anledningen detta: alla dess fördelar uppnås endast om det finns en inbyggd NFC-modul, vilket kräver åtminstone en extra antenn. Men det finns en enklare förklaring: äldre Bluetooth 2.0-moduler är billigare, så det är mer lönsamt att använda dem i de modernaste modellerna.

BLUETOOTH FÖR KLÄDER

Skapandet av en energieffektiv version av Bluetooth 4.0 öppnar spännande möjligheter för utvecklare. Till exempel kan Swany G-CELL Gloves anslutas mobiltelefon. De är utrustade med speciella knappar för att ta emot eller avvisa samtal, en inbyggd mikrofon och högtalare, så att ägaren inte ens behöver ta fram telefonen för att prata. Nu är de utrustade med en Bluetooth 2.0-modul och kan fungera på en enda laddning för endast 48 timmars samtalstid och 240 timmars passningstid. Att byta till Bluetooth 4.0 kommer att eliminera behovet av att ständigt ladda batteriet.

Höghastighets Bluetooth

2009 antogs nästa Bluetooth 3.0+HS-specifikation. HS (High Speed) är en ny nivå av dataöverföringshastighet, som kan nå 24 Mbit/s. Denna parameter verkade orealistisk för många specialister, men de senaste modulerna fungerar faktiskt snabbare än deras Bluetooth 2.1-föregångare. Detta verkar faktiskt osannolikt: om Intel släpper nya processorer som är flera procent snabbare än äldre modeller, skriver alla datortidningar om detta som en otrolig prestation. Och när Bluetooth SIG-konsortiet skapar en ny trådlös standardspecifikation som snabbar upp dataöverföringen med 10 gånger (!), förblir händelsen utom synhåll för de flesta användare, som om den inte berör dem alls.

Faktum är att en så hög hastighet inte alls är möjlig vid överföring av data via Bluetooth: den är fortfarande begränsad till den maximala hastigheten på 2,1 Mbit/s, vilket var fallet med användningen av EDR-teknik. För att byta till 24 Mbit/s används en direktanslutning via Wi-Fi-protokollet. Bluetooth-protokollet i det här fallet används inte på den fysiska, utan bara på den logiska nivån: för att organisera själva anslutningen mellan enheter. Wi-Fi fungerar som ett radiotransportprotokoll, medan själva Bluetooth-gränssnittet förblir bara som ett ramverk för att ansluta enheter.

Användningen av Wi-Fi-teknik för att överföra data betyder dock inte att Bluetooth-enheten är kompatibel med konventionella Wi-Fi-nätverk. Vi pratar bara om att använda samma fysiska överföringsmodell enligt IEEE 802.11-standarden - telefoner och smartphones med Bluetooth hade ingen logisk kompatibilitet med 802.11a/b/g/n-nätverk.

Perpetual motion maskin

Naturligtvis kan Bluetooth 3.0+HS betraktas som ett verkligt tekniskt genombrott, men som alla stora prestationer har det en baksida. Jobba på sådant hög hastighet tömmer batteriet snabbt, så skaparna av den nya standarden mötte omedelbart problemet med energibesparing. För att lösa detta problem släpptes den senaste Bluetooth 4.0-specifikationen i december 2009, vilket också kan betraktas som en extraordinär händelse: om vi tittar på historien kommer vi att se att det tidigare som regel gick 4 till 5 år mellan utgivningarna av Bluetooth-versioner. I Bluetooth 4.0 finns inga grundläggande förändringar när det gäller dataöverföringshastigheten. Denna standard är avsedd för användning främst i olika sensorer som kan användas i träningsutrustning, medicinsk utrustning och bilar. Bluetooth-sändaren slås endast på när data skickas, vilket säkerställer att modulen kan arbeta på en timmes batteri i flera år! I detta läge ger standarden en dataöverföringshastighet på 1 Mbit/s med en paketstorlek på 8–27 byte. Anslutningen är mycket snabbare: två Bluetooth-enheter kan upprätta en anslutning på mindre än 5 millisekunder och upprätthålla en anslutning över ett avstånd på upp till 100 m Avancerad felkorrigering används för detta, och 128-bitars AES-kryptering ger den nödvändiga nivån på säkerhet.

Bluetooth-profiler

Varje Bluetooth-enhet stöder en viss uppsättning så kallade profiler – de är standardiserade datautbytesalgoritmer. Stöd för vissa profiler gör det enkelt att avgöra enhetens kapacitet. För att funktionen ska fungera måste profilen stödjas av båda Bluetooth-enheterna.

För bättre ljudöverföring används den A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)– utökad ljuddistributionsprofil. Den ansvarar för att sända stereoljud via en Bluetooth-radiokanal till alla mottagande enheter. Profilen skiljer mellan två typer av enheter: sändare (A2DP-SRC - Advanced Audio Distribution Source), såsom en telefon; mottagare (A2DP-SNK - Advanced Audio Distribution Sink), såsom hörlurar. Vid upprättande av kommunikation kommer sändaren och mottagaren överens om codec som ska användas och kodningsparametrar: bithastighet, samplingsfrekvens etc. Standarden definierar en obligatorisk codec, SBC - den kräver inte mycket datorkraft för kodning och avkodning, men har låg ljudkvalitet. SBC väljs om mottagaren och sändaren inte kan "komma överens" om användningen av andra codecs: MP3, AAC, ATRAC.

Vanligtvis stöder även enheter som arbetar med A2DP profilen AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile). Den är designad för fjärrkontroll signalkälla och i version AVRCP 1.0 låter dig starta eller stoppa uppspelning, spola tillbaka och växla mellan spår. I profilversion AVRCP 1.3 förmedlar protokollet det aktuella tillståndet för källan och metadata om själva medieelementet, såsom titeln på låten. I version AVRCP 1.4 blev det möjligt att se spellistor och välja en låt.

HID (Human Interface Device Profile) ger stöd för inmatningsenheter: möss, joysticks, tangentbord. Det finns också ganska Ett stort antal och andra Bluetooth-profiler - deras totala antal når 28 (data i skrivande stund).

Bluetooth-stackar

Förutom profilen har Bluetooth en sådan sak som en stack. För att underlätta förståelsen kan vi representera det som programvara, som styr en hårdvarumodul, det vill säga en uppsättning enhetsdrivrutiner. Var och en av dessa förare är ansvarig för att implementera en specifik profil. För användaren ligger skillnaden i närvaron av en eller annan Bluetooth-stack på datorn i stödet för en viss uppsättning profiler och i olika grafiskt gränssnitt att arbeta med dem.

Widcomm

Den första Bluetooth-stacken för operativsystem Windows-företaget blev Widcomm. Efter förvärvet av Widcomm av Broadcom döptes det följaktligen om till Broadcom-stacken. För närvarande är denna stack inte utbredd och fungerar endast med enheter vars tillverkare har köpt en licens från Broadcom. Den stöder sällan påträffade men användbara profiler för vissa användare - HCRP, BPP och BIP. Och dessutom har den ett vänligt gränssnitt som passar perfekt in i det vanliga Windows-gränssnittet.

Microsoft

På Windows börjar med Windows release XP SP2, vår egen Bluetooth-stack dök upp. I Windows Vista uppdaterades det: stöd för pre-OS HID-enheter, A2DP- och AVRCP-profiler lades till. Ytterligare profiler, såsom FTP, BIP, BPP, blev tillgängliga i form av plug-ins släppta av tredjepartstillverkare. Stöd för Bluetooth 2.0+EDR tillhandahålls, och Vista Feature Pack innehåller även Bluetooth 2.1+EDR, som också stöds i standard Windows 7-stacken.

BlueSoleil

Bland de alternativa stackarna är den vanligaste BlueSoleil, föreslagen av IVT Corporation. Nackdelen med BlueSoleil är att den inte fungerar korrekt med Bluetooth-moduler från olika tillverkare. Genom att periodvis komma åt sin server kan stacken plötsligt få reda på att enhetens hårdvaruadress inte är licensierad, varefter den går in i begränsat funktionsläge, där endast 5 MB data kan överföras. Du kommer därefter att behöva återaktivera BlueSoleil-stacken.

Dataöverföring via Bluetooth sker med en frekvens på 2,4 GHz. För att vara ännu mer exakt ligger driftsområdet inom intervallet 2402-2480 GHz. Samtidigt, i de flesta länder i världen, är 79 kanaler allokerade för dataöverföring. Bredden på en sådan kanal är 1 MHz. Detta band används för civila ändamål.

Funktionsprincip

Funktionsprincipen för Bluetooth är att överföra data genom att snabbt ändra frekvenser, vilket inträffar ungefär 1600 en gång per sekund. Detta schema drift ger utmärkt immunitet mot störningar och tillåter enheter som tar emot signalen att inte störa varandra på grund av frekvensblandning. Dessutom ger detta nästan fullständig säkerhet för användare av det interna nätverket, eftersom Det är inte möjligt att ansluta till mottagande enheter. Dessutom uppmuntrar den korta räckvidden av Bluetooth inte till obehöriga anslutningar, med möjligheten att förbli oupptäckt.

Frekvenshoppning

När data överförs via Bluetooth ändras kanalen var 625 µs. Dessa 625 µs är också det tidsintervall under vilket data sänds, vilket mäts i paket. I detta fall kan ett paket sändas inte i ett sådant intervall, utan i flera. Efter det att överföringen av datapaketet har slutförts sker en kanal(frekvens)ändring, förutbestämd för varje enhet.
Även adaptiv frekvenshoppning kan användas. Det är nödvändigt för att begränsa dataöverföring från enheter till ett visst antal kanaler. Samtidigt kan det öppna frekvensområdet användas för att överföra data från andra enheter. Detta minskar risken för frekvensstörningar för piconet-enheter.

Dessutom kan behovet av att begränsa frekvensområdet för dataöverföring orsakas av ett förbud mot användning av vissa frekvenskanaler i ett antal länder. Till exempel, i vissa europeiska länder, särskilt Spanien och Frankrike, är endast 22 frekvenser tillåtna, istället för de vanliga 79.

Grundläggande Bluetooth-standarder

1. Seriösa innovationer introducerades i standard 2.0. Samtidigt skedde en betydande ökning av dataöverföringshastigheten, vilket var förknippat med EDR-stöd. Dataöverföring i standard 2.0 har utökats till 2,0-2,4 Mb/s. Dessutom har 2.0-specifikationen avsevärt ökat säkerheten och immuniteten mot störningar.
2. Standard 3.0 förvånade användare med oöverträffade dataöverföringshastigheter, som ökade till 24 Mb/s. Detta berodde främst på att specifikation 3.0 stödde Wi-Fi. Tillverkare föredrar dock att installera två standarder på sina enheter, eftersom Specifikation 3.0 använder för mycket ström.
3. Mer specifik är 4.0-standarden, som kombinerar en låg dataöverföringshastighet, bra säkerhet och otroligt låg strömförbrukning baserat på sändarens intermittenta funktion. Enheter som använder denna standard, som regel, används för sport, medicinska och andra ändamål, är miniatyrer och är inte utformade för en stor mängd överförd data.

Fördelar med Bluetooth 4.0:

1. Kombinerar tidigare protokoll. Stöder de grundläggande funktionerna i tidigare protokoll.
2. Ökad hastighet.
3. En betydande minskning av strömförbrukningen för en enhet som använder 4.0-standarden, uppnådd genom en modifierad driftsalgoritm (sändaren slås på endast i det ögonblick då data överförs).

Generellt är 4.0-standarden mer lämplig för elektroniska miniatyrsensorer. Till exempel för handledstryck- och temperaturmätare, för träningsutrustning, olika miniatyrapparater med låg energiförbrukning.

Sandlåda

Black Overlord 26 oktober 2011 klockan 22:07

Bluetooth 4.0 - en berättelse av standarden

• Timmerrum *

Bluetooth eller "Bluetooth", som många först blev bekanta med som skolbarn eller studenter, har en ganska kort biografi bakom sig.

1994 bestämde sig två ingenjörer som arbetade i Sverige för det då kända Ericsson-företaget för att lösa kabelproblemet en gång för alla och uppfann sin egen standard trådlös kommunikation, baserat på metoden för distribuerad frekvensändring av radiovågor. Fyra år senare skapades Bluetooth Special Interest Group, eller Bluetooth SIG, som formaliserade den första enhetliga trådlösa standarden. Den bestod av anställda från Ericsson, Nokia, Toshiba och Intel. För närvarande omfattar koncernen mer än 13 000 olika företag.

Standarder

Sedan den första versionen av specifikationen släpptes har standarden redan stödt trådlös röstöverföring, fjärrkontroll ljud- och videoinnehåll, som arbetar med bilder och skrivare, kan komma åt SIM-kortet, kontaktboken och arbeta med medicinsk utrustningsdata. Allt detta - med flyg och tillbaka 1998!

Den fjärde versionen av Bluetooth, som jag skulle vilja prata om i detalj i det här inlägget, fick sin slutgiltiga form och blev tillgänglig för allmänheten i slutet av juni 2010. Under nästan ett helt år dök inte tekniken upp i massenheter, förrän i slutet av juli 2011 tillkännagav Apple lanseringen av uppdaterade modeller MacBook laptop Luft och systemenhet Mac Mini, i vilken en av nyckelfunktioner var tillkomsten av Bluetooth 4.0. Tekniken väckte ännu mer uppmärksamhet från media efter presentationen av iPhone 4S, som även hade ett chip med 4:e versionsstandard installerad.

Bluetooth 4.0

Quartet-specifikationen inkluderade 3 huvudprotokoll trådlös överföring data:

• Klassisk Bluetooth. Implementerades för att vara kompatibel med alla befintliga enheter som körs på tidigare versioner standard Stöder alla grundläggande funktioner i tidigare protokoll, såsom överföring av alla typer av data, arbete som modem, trådlös datasynkronisering, kommunikation med andra typer av anslutningar, såsom NFC, etc.
• Höghastighets Bluetooth-protokoll. Det introducerades tillbaka i den tredje versionen, dess kärna är baserad på användningen av ytterligare dataöverföringsnivåer. Det hela ser ut så här: Vid normal användning arbetar chippet med grundläggande teknik med en metod som involverar radiovågor. Så fort enheten behöver överföra en relativt stor fil växlar den till andra nivåer av informationsöverföring, nämligen Wi-Fi-dataöverföringsnivån. Detta sparar både enhetsenergi (ytterligare nivåer kräver mer energi, men detta sparas på grund av mycket kortare filöverföringstider) och användartid.
• Energisparprotokoll. Detta är huvudskillnaden mellan den fjärde specifikationen och dess föregångare, den är avsedd att användas i enheter med låg strömförbrukning, med en räckvidd på upp till 50 meter. Tanken är lägre strömförbrukning när enheten är i standbyläge. Enligt utvecklarna kommer enheter som använder detta protokoll att fungera betydligt längre än deras motsvarigheter som arbetar med det klassiska Bluetooth-protokollet: enligt teknologer kommer systemet att kunna hålla i mer än ett år utan att laddas på bara ett "knapp"-batteri. Detta protokoll är inte kompatibelt med den klassiska implementeringen av Bluetooth och det har vissa skillnader med dess stamfader: till exempel är den trådlösa dataöverföringshastigheten begränsad till 1 MB/s (för den klassiska 3 MB/s), och applikationer kan överföra uppåt till 0,25 MB/s (2,1 MB/s). Protokollet använder också mer avancerad 128-bitars kryptering.

  Bluetooth SIG föreslår att du använder detta protokoll för små beröringsenheter(inte att förväxla med enheter med pekskärmar). Exempel inkluderar olika handledsmonterade blodtrycksmätare, pulsmätare och stegräknare.

Slutsats

Slutsatsen är enkel: om chipet är efterfrågat bland tillverkarna kommer marknaden snart att fyllas med sport- och medicintekniska produkter med otroligt låg strömförbrukning. Dessutom bör vi förvänta oss det första genombrottet i en ny kategori av smartphone-applikationer som är beroende av tredje parts enhetssensorer.