// Другое

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Содержание

#1. Принцип действия связи Bluetooth
#2. Обзор ключевых улучшений Bluetooth 5.0
#3. Увеличение скорости — до 2 Мбит/с
#4. Увеличение дальности — до 50-250 метров
#5. Улучшение определения местоположения
#6. Другие важные функции Bluetooth 5.0
#7. Ключевые различия между Bluetooth 5.0 и 4.2
#8. Что добавили обновления Bluetooth 5.1 и 5.2
#9. 1. Расширенный протокол атрибутов (EATT)
#10. 2. Управление мощностью в LE-режиме
#11. 3. Низкоэнергетические изохронные каналы
#12. Сравнение Bluetooth 5.0 с 5.1 и 5.2

Появились вопросы?
Олег Колесников
Автор статьи

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.

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0
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.

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0
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.

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0
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.

"Обзор
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:

  • LE 1M: 1 Мб/с — каждый бит представлен 1 символом.
  • LE 2M: 2 Мб/с — каждый бит представлен 1 символом.
  • LE Coded: 1 Мб/с — каждый бит представлен 2 или 8 символами (режимы Long Range S=2 и Long Range S=8 соответственно).
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:

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

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.

Предыдущие версии делали это, чтобы уведомить вас об имени, характере и качестве соединения с другим устройством, но Bluetooth 5.0 способен на гораздо большее: увеличение пропускной способности и полезной нагрузки, объединение пакетов данных в одну цепочку (максимум — 1650 байтов), отправке пакетов данных в заданные периоды / промежутки времени. Все это можно использовать, например, чтобы получать информацию о вашем местоположении от маяков BLE, без необходимости устанавливать приложение или проходить настройку соединения.

Другие важные функции Bluetooth 5.0

Совместимость. Bluetooth 5 полностью совместим с Bluetooth 4.x. и при этом он поддерживает весь основной функционал прошлых версий пртокола (1.x., 2.x., 3.x.) Например, вы можете использовать функционал расширенного диапазона передачи данных из Bluetooth 4.2 в сочетании с более высокой скоростью передачи данных из Bluetooth 5.0.

Емкость сообщения. В четвертой версии Bluetooth 4.0 довольно небольшая емкость сообщения — 31 байт, что дает всего 17-20 полезной нагрузки, тогда как Bluetooth 5.0 может передавать в сообщении 255 байт, что дает боле чем в восемь раз большую полезную нагрузку данных при передаче сообщения.

Двойной звук. Еще одна функция Bluetooth 5.0 — возможность одновременно воспроизводить аудио сразу на двух подключенных устройствах. Благодаря этой опции вы можете передать звук со своего телевизора на две пары беспроводных наушников или со смартфона на две разные колонки. Также вы сможете передать со своего смартфона два разных сигнала на два разных беспроводных наушника. Либо подключить одни беспроводные наушники и к компьютеру, и к смартфону, чтобы принимать аудиосигналы с обоих устройств-источников одновременно.

Ключевые различия между Bluetooth 5.0 и 4.2

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0 Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Что добавили обновления Bluetooth 5.1 и 5.2

С момента появления в декабре 2006 года спецификация Bluetooth 5.0 стала более удобной и продвинутой благодаря двум обновлениям — Bluetooth 5.1 (2019) и Bluetooth 5.2 (2020). Самое большое улучшение — это функция LE Audio, которая позволяет передавать аудиосигнал высокого качества через BLE. Также LE Audio обеспечивает лучшее качество звука людям с проблемами слуха.

Вот обзор улучшений и функций, добавленных в новых версиях Bluetooth 5.1 и 5.2.

1. Расширенный протокол атрибутов (EATT)

Благодаря улучшениям в профиле Generic Attribute и обновлению протокола атрибутов ATT удалось реализовать протокол расширенных атрибутов (EATT). Он поддерживает постоянное шифрование, параллельные транзакции, L2CAP-режим безопасного управления потоком и изменения ATT (MTU) во время соединения.

Помимо прочего, на практике это означает возможность сокращения сквозной задержки при передаче сигнала между устройствами.

2. Управление мощностью в LE-режиме

После обновления до версии 5.2 в Bluetooth появился регулятор мощности LE (LE Power control). Он позволяет оптимизировать уровень мощности передачи сигнала между двумя сопряженными устройствами для поддержания оптимального уровня Bluetooth-сигнала с точки зрения энергоэффективности и качества. На практике это означает, что ваш смартфон сможет изменять мощность сигнала в зависимости от расстояния до колонки: если она близко — телефон дает слабый сигнал и экономит энергию, если далеко — мощный сигнал, но повышенное потребление энергии.

3. Низкоэнергетические изохронные каналы

В Bluetooth 5.2 также была добавлена новая функция передачи аудио через изохронные каналы с низким энергопотреблением (LE Isochronous Channels). Характерной особенностью изохронных каналов является отсутствие повторной передачи данных в случае ошибок. Поврежденные пакеты просто отбрасываются, что дает возможность воспроизводить аудио через Bluetooth в реальном времени на беспроводных устройствах с низким энергопотреблением. Кроме того, функционал LE Isochronous Channels дает возможность передавать данные с привязкой ко времени не на одно, а сразу на несколько беспроводных устройств с поддержкой Bluetooth 5.2.

Вот пример вещей, которые можно реализовать с помощью этой технологии:

  • Аудиосигнал с низким энергопотреблением. Новый алгоритм сжатия аудиосигнала можно использовать для улучшения качества передаваемого аудиосигнала на беспроводных гарнитурах, в слуховых аппаратах и т.д.
  • LC3 — коммуникационный кодек низкой сложности. Новый кодек Bluetooth может передавать больше данных на более низких битрейтах. Благодаря этому производители беспроводных гарнитур могут решать: сделать наушники менее громоздкими, повысить качество звука до максимума или обеспечить более длительный срок службы аккумулятора беспроводной гарнитуры.
  • Улучшение слухового аппарата. Новая функция Bluetooth позволяет разработать слуховые аппараты, которые будут менее громоздкими, более функциональными, выдавать лучшее качество звука и иметь некоторые дополнительные возможности, например, быстрая синхронизация с телефоном, телевизором, колонкой или другим слуховым аппаратом.

Сравнение Bluetooth 5.0 с 5.1 и 5.2

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Обзор Функций и Различий Bluetooth 5.0

Отзывы наших клиентов

Разработка экосистемы, предназначенной для предоставления разнообразных услуг цифровым активам под одной оболочкой на основе технологии блокчейна

Есть вопросы? Задайте их здесь

Имя *
Email *
Телефон
Ваш бюджет
Сообщение
 

С 2015 года помогаем клиентам реализовывать идеи!

Подпишитесь на свежие статьи