Написать нам
Категория: Другое
20.10.2021

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Детальный обзор протокола беспроводной связи Bluetooth 5.0. Изменения и обновления, которые принесла новая версия протокола в сравнении с Bluetooth 4.2.



Bluetooth 5.0 — это новая версия протокола беспроводной связи, который обеспечивает обмен информацией на небольшой дистанции между различными устройствами. По сравнению с версией 4.2 новая версия Bluetooth обеспечивает вдвое большую скорость приема и передачи данных, в четыре раза увеличивает радиус работы устройств, повышает надежность беспроводной связи и добавляет ряд других полезных нововведений. Дальше мы подробно расскажем, что такое Bluetooth 5.0 и проанализируем его функции и нововведения.

Принцип действия связи Bluetooth



Технология была создана в 1998 году группой коммерческих компаний, которые искали способ передачи беспроводного сигнала между телефоном и ноутбуком. В эту группу входили Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba и IBM. Инженеры этих IT-гигантов разработали новый протокол радиосвязи с малым радиусом действия для замены проводных соединений между различными гаджетами и бытовой техникой. Новая технология получила название Bluetooth. Она была более энергоэффективной, компактной и дешевой (с точки зрения производства), чем любые другие аналоги.



Сейчас развитием технологии занимается организация под названием Bluetooth Special Interest Group — это группа из более 36 000 коммерческих и некоммерческих компаний, в которую входит Microsoft, Lucent и другие организации чья деятельность довольно тесно связана с коммуникациями и различными сетевыми технологиями.



Так как интерфейс Bluetooth использует радиосвязь, это означает, что для обеспечения сопряжения между устройствами они должны иметь специальные микрочипы (bluetooth-chip) для приема и передачи радиоволн. Это также означает, что сопряженные устройства не должны находиться в прямой видимости (но между ними не должно быть непреодолимых помех для радиоволн). Дальность передачи сигнала зависит от версии Bluetooth и мощности устройств. Обычно сопряжение нормально работает в радиусе 10-20 метров с препятствиями (стены, потолок, мебель, тело человека, одежда) и 50-250 метров — без препятствий.



Передача радиосигнала осуществляется в ISM-диапазоне (Industry, Science and Medicine), который обычно используется в электронных гаджетах, бытовых приборах и всевозможных коммерческих беспроводных сетях. Частота сигнала: 2,402-2,48 ГГц (или 2402-2480 МГц). Для повышения качества связи применяется метод расширения спектра с так называемой скачкообразной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (Frequency Hopping Spectrum Spreading, или FHSS). Благодаря чему можно обеспечить устойчивость к широкополосным помехам. Кроме того, FHSS относительно просто реализовать и для него не нужно дорогое оборудование.



Внешний вид и схема Bluetooth-модуля. Источник



Кратко метод FHSS можно объяснить так: модуль беспроводной связи разбивает данные на большое количество небольших информационных пакетов и передает их с помощью псевдослучайного алгоритма со скачкообразной перестройкой частоты (около 1600 раз в секунду) или посредством шаблона (паттерна), составленного из 79 подчастот. В такой системе «понять» друг друга смогут только те Bluetooth-чипы, которые изначально настроены на одинаковые шаблоны, тогда как для всех прочих устройств такой радиосигнал (данные) будет просто радиошумом. Таким образом, протокол FHSS обеспечивает Bluetooth-сопряжение только между конкретными устройствами, которые обозначил пользователь(ли).



При этом несколько устройств, сопряженных посредством одинакового шаблона, могут быть объединены в «пикосеть» (piconet). Это централизованная структура, где одно устройство всегда выступает в роли мастера, а другие устройства работают в пассивном режиме. Мастер определяет шаблон пикосети, на котором будут работать все пассивные устройства, и синхронизирует ее работу. Максимальное количество девайсов в пикосети — восемь пассивных устройств с одним ведущим мастером.



Пикосети в Bluetooth могут работать как независимо, так и совместно в рамках одноранговой сети — «scatternet». Для этого пикосети должны иметь хотя бы одно общее устройство. С помощью scatternet можно объединить до 10 пикосетей и до 71 пассивных устройств, при этом есть возможность использовать так устройства-гейты для объединения устройств на отдаленном расстоянии через интернет.



Схематическое изображение piconet и scatternet в Bluetooth. Источник





Обзор ключевых улучшений Bluetooth 5.0



Начиная с версии 4.0, протокол Bluetooth поддерживает работу с двумя типами устройств. Первый — Bluetooth Classic (BR/EDR). Он используется там, где нужно «по воздуху» передать большое количество данных, например, в автомобильных развлекательных системах, аудиогарнитурах или беспроводных динамиках.



Другой тип — это устройства Bluetooth Low Energy (BLE), потребляющие сравнительно небольшое количество энергии. Его чаще применяют в системах, требующих низкого энергопотребления (например, в устройствах с батарейным питанием) или в приложениях, которые передают небольшие объемы информации с большими перерывами между сессиями связи (например, в сенсорах параметров окружающей среды, различных переключателях и прочих IoT-устройствах).



BR/EDR- и BLE-устройства несовместимы друг с другом, даже если имеют одинаковые спецификации и выпущены одним брендом. По этой причине некоторые устройства, такие как мобильные телефоны или ноутбуки, реализуют с поддержкой обоих типов соединений. Такой подход обычно называют Dual-Mode Bluetooth.



Где используются BR/EDR-, BLE- и Dual-Mode Bluetooth. Источник



Так вот, с 2010 года IoT-рынок начал стремительно расти (а вместе с ним и количество датчиков и устройств, требующих модуль BLE), из-за чего BLE стал более распространенным протоколом по сравнению с BR/EDR. В Bluetooth Special Interest Group заметили эту тенденцию и выпустили обновление Bluetooth 5.0, большая часть которого направлена на улучшение работы протокола BLE.



Вот обзор наиболее важных функций и особенностей Bluetooth 5.0.

Увеличение скорости — до 2 Мбит/с



Архитектура Bluetooth состоит из аппаратной части и программного стека, определяющего взаимодействие между ними. В основе этой спецификации лежит полный стек протоколов, который используется для определения того, как работает Bluetooth. Этот стек представляет собой набор многоуровневых программ. Каждый уровень в стеке взаимодействует с уровнем выше и с уровнем ниже него. Эти уровни варьируются от аппаратной радиосистемы нижнего уровня до программного стека верхнего уровня, который определяет связи между этими уровнями.



Архитектура Bluetooth: стек протокола состоит из трехуровневого аппаратного нижнего стека (радио, основной диапазон, LMP) и трехуровневого программного верхнего стека (HCI, L2CAP и SDP), затем поверх этого располагается код приложения. Источник



Нижний уровень стека протоколов Bluetooth называется физическим уровнем или PHY. Согласно официальному обзору Bluetooth 5.0 в новой версии протокола было добавлено два новых варианта PHY к спецификации PHY, используемой в Bluetooth 4.x: LE 1M, LE 2M и LE Coded. Первые два варианта спецификации PHY в основном используются для потоковой передачи данных с близкого расстояния. LE 1M — это Bluetooth 4, а LE 2M был представлен в Bluetooth 5.0, и он добавляет возможность передачи данных со скоростью 2 Мб/с (в теории может быть 6.25 Мб/с).



Вместе с функцией Data Length Extension (DLE), представленной в Bluetooth 4.2, новый уровень PHY позволит увеличить скорость и объем данных, которые могут быть переданы по каналу BLE 5.0. Для устройств и приложений, которые не требуют более высокой скорости, соединение 2 Мб/с позволит в два раза снизить уровень энергопотребления, поскольку этим устройствам потребуется в два раза меньше времени на передачу одинакового объема данных (по сравнению с Bluetooth 4.x).

Увеличение дальности — до 50-250 метров



Второй добавленный в Bluetooth 5.0 уровень PHY — LE Coded — даст возможность расширить радиус передачи беспроводного сигнала с 50 метров вне помещения и 10 метров внутри помещения до 40 метров в помещении и больше 200 метров в прямой видимости. Но и это не предел, при соблюдении определенных условий дальность сигнала Bluetooth 5.0 может вырасти до 1500 метров (на открытом пространстве).



Это стало возможным благодаря тому, что в Bluetooth 5.0 необработанные данные по-прежнему передаются со скоростью 1 Мб/с, однако теперь эти данные включают в себя двойную или восьмикратную избыточность и функцию прямой коррекции ошибок (FEC), которая снижает шансы потери данных при передаче сигнала.



Вот различные варианты PHY и скорости, доступные в версии Bluetooth 5.0:



Если упростить, то работу FEC можно представить на следующем примере. Допустим, вам нужно передать по Bluetooth данные: «0» или «1». Тогда в LE Coded / FEC вместо «0» система может передать «0000», а вместо «1» она может передать «1111». Это будет медленнее, но это дает некоторую устойчивость: если сообщение будет повреждено в пути, скажем, на «0001», тогда вы можете быть уверены, что на самом деле оно должно было быть «0000». Точно так же если сигнал был изменен с «1111» на «1011», вы все равно можете быть уверены, что он должен был быть «1».



Если же получено «1010», то ясно, что были изменены два бита, но изменилось ли «0000» на «1010» или «1111» изменилось на «1010» — неизвестно. Эту проблему как раз таки решает протокол FEC Bluetooth 5.0.



Вот сравнение режимов BLE 4.2, BLE 5.0 и двух режимов BLE 5 Long Range:





Улучшение определения местоположения



Новая версия Bluetooth также расширяет функциональность, основанную на определении местоположения, что может стимулировать внедрение технологий наподобие маяков BLE (Beacon BLE) для повышения точности навигации внутри помещений, например, в таких местах как вокзалы и торговые центры. Что стало возможным благодаря значительно больше возможностей для передачи рекламы, то есть возможности передавать больше информации на другие устройства без необходимости устанавливать фактическое сопряжение с ними.
Написать нам
Имя*:
Email*:
Сообщение: