Bluetooth 5.0 является последней версией стандарта беспроводной связи Bluetooth. Она обычно используется для беспроводных наушников и другого аудиооборудования, а также для беспроводных клавиатур, мышей и игровых контроллеров. Bluetooth также используется для связи между различными устройствами smart home и .
Новая версия стандарта Bluetooth означает различные улучшения, но только при использовании с совместимыми периферийными устройствами. Другими словами, вы не увидите никакой непосредственной выгоды от использования телефона с Bluetooth 5.0, если все ваши аксессуары были разработаны для более старой версии Bluetooth. Однако, Bluetooth имеет обратную совместимость, поэтому вы можете продолжать использовать имеющийся Bluetooth 4.2 и более старые устройства с телефоном Bluetooth 5.0. Когда же вы купите новые периферийные устройства с поддержкой Bluetooth 5.0, они будут работать лучше благодаря вашему телефону Bluetooth 5.0.
Низкие энергозатраты Bluetooth 5.0
Важно отметить, что все усовершенствования Bluetooth касаются спецификации Bluetooth Low Energy , которая была введена с Bluetooth 4.0, а не к классическому Bluetooth, который использует больше энергии. Технология Bluetooth Low Energy предназначена для снижения энергопотребления периферийных устройств Bluetooth. Первоначально она использовалась для носителей, маячков и других маломощных устройств, но имела некоторые серьезные ограничения.
Стандарт сжатия aptX обещает качественное аудио уровня CD уже при скорости 1 Мбит/с, следовательно, скорость 2 Мбит/с должна обеспечивает прекрасное качество .
Технически, устройства могут выбирать между большей скоростью или большим диапазоном. Преимущество «в два раза быстрее» полезно при работе на коротком расстоянии и отправке данных туда и назад. Увеличенный диапазон был бы оптимальным для Bluetooth-маяков и других устройств, которым требуется только отправить небольшой объем данных или они могут отправлять данные медленно, но хотят общаться на больших расстояниях. Оба решения имеют низкие затраты по энергии.
Устройства могут выбирать, что имеет наибольший смысл. Например, беспроводные наушники могут использовать повышенную скорость передачи звука с высоким битрейтом, в то время как беспроводные датчики и смартфоны, которые просто должны передавать информацию о своём состоянии, могут выбирать увеличенное расстояние, чтобы общаться на более длинных дистанциях. И, поскольку они могут использовать Bluetooth Low Energy и всё ещё получают его преимущества, они могут работать от аккумулятора намного дольше, чем с более мощным классическим стандартом Bluetooth.
Bluetooth - это уже давно всем известная беспроводная технология, которая используется сегодня чуть ли не во всех электронных устройствах. Почти ежегодно появляются все более модернизированные версии этой технологии, её развитие не стоит на месте. Несмотря на это, с увеличивающимся спросом на устройства в основе которых лежит IoT, пользователь желает получить более новые и расширенные функции Bluetooth.
Новый Bluetooth 5 обеспечивает пользователям наилучшее качество связи. Bluetooth 5 имеет значительно улучшенную производительность и функциональность.
В этой статье мы сравним Bluetooth 5 с Bluetooth 4.2, распишем все значимые изменения и нововведения, раскроем все основные характеристики Bluetooth 5, который стал известным благодаря IoT и Bluetooth Beacon. Bluetooth 5 - это последняя версия спецификаций Bluetooth, которая является преемницей версии Bluetooth 4.2.
Bluetooth поддерживается Bluetooth Special Interest Group (SIG), компанией, в которую входит более 30 000 компаний-членов в области телекоммуникаций, вычислительной техники, сетей и бытовой электроники. IEEE стандартизировал Bluetooth как IEEE 802.15.1. Bluetooth SIG контролирует разработку технологии, управляет квалификационной программой и защищает товарные знаки. Производитель должен соответствовать стандартам Bluetooth SIG, чтобы продавать его как устройство Bluetooth. На эту технологию распространяется сеть патентов, которые лицензируются для отдельных соответствующих устройств.
Bluetooth разрабатывался как замена кабеля RS-232 и был создан в 1994 году.
В апреле 2017 года исследователи безопасности обнаружили несколько эксплойтов в программном обеспечении Bluetooth на различных платформах, включая Microsoft Windows, Linux, Apple iOS и Google Android. Эти уязвимости в совокупности называются «BlueBorne». Эксплойты позволяют злоумышленнику подключаться к устройствам или системам без аутентификации и получать «практически полный контроль над устройством». Исследовательский центр связался с разработчиками Google, Microsoft, Apple, Samsung и Linux, чтобы они могли исправить свое программное обеспечение до согласованного объявления об уязвимостях.
Bluetooth 5 разработчики обеспечили высокой конфиденциальностью и безопасностью. Bluetooth создаёт основу для будущего, он революционизирует восприятие IoT людьми. Новая версия этой технологии имеет такие преимущества как низкое энергопотребление, недорогое аппаратное обеспечение и небольшие реализации, которые используются в крупных интернет магазинах .
Bluetooth 5.0 является продолжением Low Energy LE. Его скорость составляет 48 Мбит / с (вдвое больше, чем в предыдущей версии). Он может быть подключен на расстояние до 300 метров или 985 футов (в 4 раза больше чемпоследняя версия). Диапазон ISM составляет 2,4-2,485 ГГц. Немного разочаровывает пользователей тем, что он не имеет обратной совместимости со своими старыми или предыдущими версиями. Это требует нового оборудования, которое должно быть современным и продвинутым, чтобы устройства соответствовали требованиям Bluetooth v5.0 для его бесперебойной работы.
Скорость Bluetooth 5 быстрее, чем Bluetooth 4. 2 с форматом 2 Мбит / с, что вдвое больше скорости Bluetooth 4, примерно 1 Мбит / с, что позволяет Bluetooth 5 соответствовать одному из требований IoT. Это все благодаря пропускной способности 5 Мбит / с Bluetooth 5 по сравнению с 2,1 Мбит / с Bluetooth 4. Поддержка устройств IoT Bluetooth 5 легко удовлетворяет требования различных устройств IoT с хорошим диапазоном и высокой скоростью передачи данных, в то время как Bluetooth 4 не может удовлетворять все требования устройств из-за его низкой скорости и малого рабочего диапазона. Это означает, что устройства IoT будут хорошо работать с Bluetooth 5 и правильно использовать все его функции. Его даже частично используют в веб-разработке под ключ .
Совместимость Bluetooth 4 лучше всего работает с устройствами, совместимыми с версией 4 серии, но не будет работать с устройствами, которые имеют Bluetooth 5, в то время как Bluetooth 5 компилируется с v1, v2 , v3, v4, v4.1 и версией 4.2, но несмотря на это не будут использоваться все функции Bluetooth 5.
Bluetooth 4 активно работает в радиусе 50 м на открытом пространстве и в радиусе 10 м в помещении, что делает его не очень удобным, в то время как Bluetooth 5 активно работает в радиусе 200 м на открытом пространстве и в радиусе 40 м в помещении.
Увеличение радиуса активной работы даст возможность, например, использовать беспроводные наушники вдали от телефона, например, во время бега на стадионе. Вы спокойно сможете оставить телефон в раздевалке и он не будет вам мешать при беге.
Для организации интернета вещей особенно важен увеличенный радиус действия. Если для квартир как-то хватало и старых версий Bluetooth, то в большом доме приходилось идти на компромиссы. Теперь же можно без проблем выставить какой-то элемент IoT во двор, подальше от остальных.
Bluetooth 5 Beacon стал более популярным благодаря увеличению дальности и скорости, в то время как Bluetooth 4 Beacon стали менее популярными из-за меньшей скорости и дальности, а также из-за низкой емкости сообщений в 31 байт.
Bluetooth 5 имеет большую емкость для сообщений - около 255 байтов, что дает больше пространства для фактической полезной нагрузки данных, в то время как Bluetooth 4 имеет небольшую емкость сообщений - около 31 байта, что дает от 17 до 20 байтов для реальной полезной нагрузки данных.
А сейчас на примере расскажу чем примечательно такое усовершенствование. Допустим вы пришли в больницу которая использует Интернет вещей. С версией 4.2 зайдя в больницу человек мог получить через Bluetooth только данные о том в какой кабинет ему необходимо, для получения большего количества информации данная версия не пригодна. Если же человек зашёл в больницу с 5 версией кроме информации о кабинете он также получит информацию о докторе, необходимых справках, времени ожидания и телефон главврача, а все потому, что эта технология уже имеет не 31 Байт, а 255.
Bluetooth 5 был специально разработан так, чтобы потреблять маленькое количество энергии на устройстве по сравнению с Bluetooth 4. Это означает, что вы можете держать свой Bluetooth включенным в течение более длительного периода времени и намного более активно его использовать по сравнению с Bluetooth 4, который потребляет больше энергии, чем его новый аналог.
Bluetooth 5 работает намного более надежно в перегруженной среде чем Bluetooth 4.2. Это объясняется тем, что новая версия была создана с учтением того факта, что важные процессы с участием Bluetooth чаще всего происходят в перегруженной среде, что негативно влияет на его работу.
Bluetooth 5 потребляет в несколько раз меньше электроэнергии с батареи чем свой предшественник. Для телефонов с емкостью батареи в 3000 мАч Bluetooth 4.2 не был проблемой, а вот для умных часов наоборот. Благодаря изменённой системе потребления энергии в Bluetooth 5 большинство умных часов увеличат свою автономность.
Скорость передачи данных между Bluetooth 5 и Bluetooth 4.2 отличается в 2 раза - если у версии 4.2 скорость передачи 3,125 Мб/с, то у версии 5 6,25 Мб/с. Это свидетельствует о том, что сама концепция технологии была сильно усовершенствована. В любом случае это не сравнится с проводными конкурентами, например, Apple Lightning, где скорость передачи данных достигает 60 МБ/C.
В любом случае благодаря увеличению скорости передачи данных в новой версии автоматически увеличится скорость синхронизации умных часов со смартфоном, элементов интернета вещей друг с другом и с базой, взаимодействие между компьютером и беспроводными или периферийными устройствами.
Масштабировать интернет вещей станет проще благодаря новой последовательной системе подключения. Раньше каждый девайс соединялся с общим базовым, а теперь достаточно будет подключиться к соседнему элементу.
Может, когда-то мы увидим городскую систему IoT не в рамках квартиры или дома, а целого района или даже города? И основана она будет на энергоэффективном и легко масштабируемом усовершенствовании Bluetooth 5.
Необходимо отметить, что внедрение Bluetooth 5 в “маячки” значительно улучшит их работу, ведь в новой версии увеличена ёмкость сообщений. В маячках используется Bluetooth из за его возможности передавать информацию неопределенным адресатам без установки соединения.
Все улучшения Bluetooth относятся к спецификации Bluetooth Low Energy, которая была впервые использована в Bluetooth 4.0, а не к обычному Bluetooth-радио, которое потребляет при своей работе большое количество энергии. Технология Bluetooth Low Energy изначально была создана для уменьшения энергопотребления периферийных устройств Bluetooth. Первоначально он использовался для носителей, маяков и других маломощных устройств, но обладал некоторыми серьезными ограничениями.
Например, любые беспроводные наушники не имели возможности обмениваться сообщениями через Bluetooth Low Energy, из за чего им пришлось осваивать намного более мощный голосовой стандарт Bluetooth. С Bluetooth 5.0 все аудиоустройства делятся данными по Bluetooth Low Energy, что предоставляет уменьшение потребления энергии и увеличение срока службы батареи.
Странно, но AirPods от Apple не используют Bluetooth 5.0. Их работа основанна на Bluetooth 4.2 и специально разработанном чипе Apple W1, который улучшает соединение между устройствами.
Стоит упомянуть и новую функцию Bluetooth 5, которая даёт возможность воссоздавать звук на двух подключённых устройствах одновременно. Это могут быть наушники, колонки, телевизоры - это не имеет значения, эти устройства все равно будут подключены к одному “командному” центру. Исполузя современные языки программирования
Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
- TI SimpleLink CC2640R2 SDK 1.35.00.33. https://github.com/ti-simplelink/ble_examples.
Новость о появлении Bluetooth 5.0 промелькнула на страницах медиаресурсов в июне 2016 года, но занятая более важными вещами публика не обратила должного внимания на появление нового технологического стандарта в мире беспроводной связи. Устройств на базе Bluetooth 5.0 на тот момент пока еще не выпустили. В мае 2017, после появления Samsung Galaxy S8 и Xiaomi Mi 6, о новой спецификации заговорили в совсем другом ключе. Ведь Bluetooth 5.0 преподнес потребителям сразу несколько долгожданных преимуществ, о которых мы поговорим в этой статье.
Хорошие новости для разработчиков
Беспроводное сосуществование – запомните этот термин. Скоро он изменит всю структуру беспроводных коммуникаций. Bluetooth Special Interest Group обещает невиданный ранее уровень взаимодействия с другими протоколами связи. Нам даже обещают параллельное и бесконфликтное сосуществование Bluetooth и Wi-Fi.
Спецификация 5.0 предполагает работу 255 октет-пакетами (вместо 31 пакета, как у предыдущей версии) и переход на соседние частоты без потери байт трафика. В переполненном битами и байтами диапазоне 2,4 ГГц станет легче дышать и потребителям, и программистам, и даже операционным системам и чипам.
Разработчики смогут осуществлять тонкие настройки программных продуктов, производители начнут интегрировать модули Bluetooth 5.0 даже в утюги и пылесосы. А операционные системы перестанут перегружать процессоры, пытаясь выстроить работу по упорядочиванию замусоренного трафика. Аналитики утверждают, что с этого и начнется тот самый «интернет вещей», о появлении которого так долго говорили все футурологи.
Что ждать потребителю
Для обычного пользователя Bluetooth-устройств появление спецификации 5.0 интересно двумя моментами. Во-первых, новый стандарт увеличивает скорость обмена файлами в 2 раза. Во-вторых, радиус действия увеличивается в 4 раза.
В цифрах это звучит еще лучше – скорость Bluetooth 5.0 выросла до 2 Мбит/с, а радиус действия увеличивается до 100 метров. Теперь вы сможете слушать треки с высоким качеством звука даже в том случае, если ваш смартфон находится в доме, а вы с беспроводной колонкой или наушниками – на улице.
Кроме того, новый протокол позволяет не только нарастить дальность — Bluetooth 5.0 готов работать не с одним источником, а сразу с несколькими. И энергоемкость у этого процесса будет существенно ниже, чем у предыдущих версий модулей беспроводной связи. Проще говоря, Bluetooth 5.0 будет беречь батарею и смартфона, и мобильной колонки.
Еще одна хорошая новость – возможность шифровать трафик, передаваемый по Bluetooth-каналу. Разработчики и производители уже поговаривают о замене короткого поводка NFC более совершенным протоколом, позволяющим превратить смартфон в полноценную замену банковской карты.
Правда, все эти преимущества пока доступны лишь немногим владельцам мобильных устройств.
Смартфоны с Bluetooth 5.0
Прямо сейчас вы можете купить только три устройства с модулями связи Bluetooth 5.0. Это смартфоны и . Пока новая спецификация реализуется только на флагманах, так что за право пользоваться всеми нововведениями Bluetooth 5.0 вам придется заплатить от 500 до 1000 долларов США.
Во второй половине мая к линейке флагманов Самсунг и Сяоми присоединится – премиум-смартфон, в официальную спецификацию которого вписан новый стандарт беспроводной связи. На этот раз за преимущества Bluetooth 5.0 придется отдать от 650 долларов до 750 евро, в зависимости от места продажи нового смартфона HTC.
К началу лета, спустя примерно год с момента анонса Bluetooth 5.0, на рынке появится – еще один флагман с новой спецификацией беспроводной связи. Ориентировочная стоимость японского устройства составит 800 долларов США.
В отдаленных перспективах аналитики прогнозируют появление пятой спецификации в , Samsung Galaxy Note 8 и новом гуглофоне из линейки Pixel. А вот в дешевых мобильных телефонах Bluetooth 5.0 пропишется еще очень не скоро. Дело в том, что эта спецификация должна поддерживаться чипсетами. Среди недорогих решений такими способностями, к нашему сожалению, пока не обладает ни один процессор.
Технология Bluetooth предназначена для передачи данных на небольших (не более 100м для последних версий) расстояниях. Объясняется это принципом действия, основанном на радиосвязи в ISM-диапазоне.
Скорость работы Bluetooth ощутимо ниже, чем у Wi-Fi, но при этом она потребляет меньше энергии батареи и позволяет устройствам быстрее соединятся друг с другом. Кроме того, Bluetooth-соединения устойчивы к разного рода широкополосным помехам, а оборудование для их реализации стоит вполне недорого.
- Версия 1.0
Вышла в свет в 1998г. и позволяла передавать данные на расстоянии нескольких метров. Для нее были характерны плохая совместимость между изделиями разных производителей и невозможность реализации анонимного соединения на протокольном уровне. Эта версия уже давно не используется. - Версии 1.1 и 1.2
В этих обновлениях введены поддержка нешифрованных каналов, отображение мощности входящего сигнала и ускорен процесс обнаружения/подключения устройств. Также была увеличена помехостойкость, увеличена скорость трансляции (721Кбит/с) и реализована сетевая анонимность. Эти версии позволяли передавать уже и речевые сообщения и стереозвук (A2DP-профиль). В настоящее время можно купить дешевый телефон китайского производителя с обновлением 1.2. - Версии 2.0 и 2.1
Обновление 2.0 вышло в 2004г., 2.1 – в 2007г. Разница между ними заключается в большей энергоэкономичности последней версии. Главная особенность Bluetooth 2.0 – внедрение технологии EDR, повышавшей скорость до теоретических 3Мбит/с (на практике чаще всего получалось 1,5-2Мбит/с. Сегодня можно купить недорогой смартфон, поддерживающий эту технологию. Версия 2.1 – самое популярное обновление Bluetooth. Она совместима фактически со всеми устройствами, представленными на мобильном рынке. Причем если в смартфонах/планшетах используется Bluetooth более свежих обновлений, то в беспроводных мышах, клавиатурах, гарнитурах и т.д. нередко реализован именно стандарт 2.1+EDR. В этих обновлениях введены поддержка нешифрованных каналов, отображение мощности входящего сигнала и ускорен процесс обнаружения/подключения устройств. Также была увеличена помехостойкость, увеличена скорость трансляции (721Кбит/с) и реализована сетевая анонимность. Эти версии позволяли передавать уже и речевые сообщения и стереозвук (A2DP-профиль).
Энергопотребление в версии 2.1 снизилось почти в 10 раз, появилась дополнительная полоса пропускания, что облегчило использование нескольких подключений одновременно. Реализовано подключение нажатием одной кнопки.
- Версия 3.0
Вышла в 2009г и впервые использовала высокоскоростную (HS) трансляцию данных. Скорость возросла до 24Мбит/с. Реализовано это было за счет установки двух модулей (Bluetooth2.1+EDR и модуля, функционирующего по протоколу 802.11, как и Wi-Fi). Именно второй модуль и «выдает» скачок скорости, но не дает Wi-Fi-совместимость. Файлы небольшого объема передаются при помощи модуля 2.1+EDR, объемные – по протоколу 802.11. Недостатком такого решения стало возросшее энергопотребление.
- Версии 4.0 и 4.1
Обновление 4.0 вышло в 2010г. В нем был исправлен основной недостаток HS – чрезмерное потребление энергии. Спецификация 4.0 включала в себя «традиционный» модуль Bluetooth и высокоскоростную передачу (основанную на Wi-Fi). Также был добавлен Bluetooth-протокол с минимальным энергопотреблением. Они используется главным образом в электронных датчиках, мини-сенсорах (в том числе и медицинских) и т.д.Время установления соединения снизилось до 5мс, расстояние передачи возросло до 100м. Введено AES-шифрование для защиты данных. Эта версия реализована в свежих моделях крупных производителей и установлена на флагманских смартфонах Хайскрин.
Обновление 4.1 представлено в 2013г. Главные доработки касаются совместного функционирования Bluetooth и LTE-стандарта. Пакеты данных автоматически координируются для взаимной помехозащиты.
При выборе не стоит путать версии и профили Bluetooth. Профиль – это набор функциональных возможностей, один и тот же профиль могут реализовывать разные версии. К примеру, речь и стереозвучание передаются, начиная с обновления 1.2. При этом для каждого конкретного устройства может быть доступным только определенный функциональный набор, меньший, чем заложенный в используемой версии Bluetooth. Таким образом, для успешного взаимодействия Bluetooth-устройств у них должна быть реализована поддержка одного и того же профиля (версии Bluetooth могут быть разным).
- Версии 4.0, 4.2 и 5.0
В 2018-2019 наибольшее распространение имеют версии Bluetooth 4.0 - 4.2 и 5.0. При этом, стандарт Bluetooth 4.2, анонсируется как версия с улучшенными параметрами, предоставляющая новые решения для "умного дома", новые профили, как IPSP. Версия же 5.0 предлагается, как новый стандарт с более высокой скоростью передачи данных, что оценят по большей части разработчики и улучшенным возможностями для беспроводных технологий