Здравствуйте.
3 декабря 2014 года Bluetooth SIG официально анонсировала спецификацию bluetooth версии 4.2.
В пресс-релизе указаны 3 главных нововведения:
- увеличение скорости приема-передачи данных;
- возможность подключения к интернету;
- улучшение конфиденциальности и безопасности.
В этой статье я хочу рассказать, как реализованы эти 3 пункта. Кому интересно добро пожаловать.
Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…
1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских данных.
Самым главным недостатком у BLE была малая скорость передачи данных. Хотя с какой стороны посмотреть, ведь изначально BLE придумывали ради сохранения энергии источника, питающего устройство. А чтобы беречь энергию, надо с перерывами выходить на связь и передавать немного данных. Однако, все равно, весь интернет заполнен возмущениями о малой скорости и вопросами о возможности ее увеличения, а также увеличения размера передаваемых данных.
И вот с появлением версии 4.2, Bluetooth SIG заявил об увеличении скорости передачи в 2,5 раза и размера передаваемого пакета в 10 раз. Как же они этого добились?
Сражу скажу, что эти 2 цифры связаны друг с другом, а именно: скорость увеличилась потому, что увеличился размер передаваемого пакета.
Посмотрим на PDU (protocol data unit) канала данных:
Каждый PDU содержит 16-ти битный заголовок (header). Так вот, этот заголовок в версии 4.2 отличается от заголовка в версии 4.1.
Вот заголовок версии 4.1:
А вот заголовок версии 4.2:
Примечание: RFU (Reserved for Future Use) - поле, обозначенное этой аббревиатурой зарезервировано для будущего использования и заполняется нулями.
Как мы видим, последние 8 бит заголовка отличаются. Поле «Length» - это сумма длин полезных данных и поля MIC (Message Integrity Check), находящегося в PDU (если последнее включено).
Если в версии 4.1 поле «Length» имеет размер 5 бит, то в версии 4.2 это поле размером 8 бит.
Отсюда несложно вычислить, что поле «Length» в версии 4.1 может содержать значения в промежутке от 0 до 31, а в версии 4.2 в промежутке от 0 до 255. Если из максимальных значений вычесть длину поля MIC (4 октета), то получим, что полезных данных может быть 27 и 251 октет для версии 4.1 и 4.2 соответственно. На самом деле максимальное кол-во данных еще меньше, т.к. в полезной нагрузке находятся еще и служебные данные L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета), но это мы рассматривать не будем.
Таким образом размер передаваемых пользовательских данных увеличился приблизительно в 10 раз. Что же касается скорости, которая, почему-то, увеличилась не в 10 раз, а всего в 2.5 раза, то тут нельзя говорить о пропорциональном увеличении, потому, что все упирается еще и в гарантированность доставки данных, ведь гарантировать доставку 200 байт немного сложнее чем 20-ти.
2. Возможность подключения к интернету.
Пожалуй, самое интересное нововведение, из-за которого Bluetooth SIG и объявила, что версия 4.2 делает интернет вещей (IoT) лучше именно благодаря этой возможности.Еще в версии 4.1 в L2CAP появился режим «LE Credit Based Flow Control Mode». Этот режим позволяет управлять потоком данных, используя т.н. схему, основанную на кредите. Особенность схемы в том, что она не использует сигнальные пакеты, для обозначения кол-ва передаваемых данных, а запрашивает у другого устройства кредит на определенный объем данных для передачи, тем самым ускоряя процесс передачи. При этом, принимающая сторона каждый раз при получении фрейма, уменьшает счетчик фреймов, и при достижении последнего фрейма может разорвать соединение.
В списке команд L2CAP появилось 3 новых кода:
- LE Credit Based Connection request – запрос на соединение по схеме кредита;
- LE Credit Based Connection response – ответ на соединение по схеме кредита;
- LE Flow Control Credit – сообщение о возможности получить дополнительные LE-кадры.
В пакете «LE Credit Based Connection request»
есть поле «Initial Credits» длиной в 2 октета, указывающее на кол-во LE-фреймов, которое устройство может отправить на уровне L2CAP.
В ответном пакете «LE Credit Based Connection response»
в том же поле указано кол-во LE-фреймов, которое может отправить другое устройство, а также в поле «Result» указан результат запроса на соединение. Значение 0x0000 говорит об успехе, остальные значения указывают на ошибку. В частности, значение 0x0004 указывает на отказ в соединении из-за отсутствия ресурсов.
Таким образом уже в версии 4.1 появилась возможность передачи большого кол-ва данных на уровне L2CAP.
И вот, практически одновременно с выходом версии 4.2, публикуется:
- сервис: «IP Support Service» (IPSS) .
- профиль IPSP (Internet Protocol Support Profile) , который определяет поддержку передачи пакетов IPv6 между устройствами, имеющими BLE.
Профиль определяет следующие роли:
- роль маршрутизатора (Router) – используется для устройств, которые могут маршрутизировать IPv6 пакеты;
- роль узла (Node) – используется для устройств, которые могу только принимать или отправлять пакеты IPv6; имеют функцию обнаружения сервисов и имеют сервис IPSS, позволяющий маршрутизаторам обнаруживать данное устройство;
Устройства с ролью маршрутизатора, которым необходимо подключение к другому маршрутизатору могут иметь роль узла.
Как ни странно, но передача пакетов IPv6 не является частью спецификации профиля, и указывается в IETF RFC «Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy» . В этом документе опредлен еще один интересный момент, а именно то, что при передаче пакетов IPv6 используется стандарт 6LoWPAN - это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEE 802.15.4.
Посмотрите на рисунок:
В профиле определено, что IPSS, GATT и ATT используются только для обнаружения сервиса, а GAP используется только для обнаружения устройства и установки соединения.
А вот выделенное красным, как раз говорит о том, что передача пакетов не входит в спецификацию профиля. Это позволяет программисту написать свою реализацию передачи пакетов.
3. Улучшение конфиденциальности и безопасности.
Одной из обязанностей менеджера безопасности (Sequrity manager) (SM) является сопряжение двух устройств. В процессе сопряжения создаются ключи, которые затем используются для шифрования связи. Процесс сопряжения состоит из 3-х фаз:- обмен информацией о способах сопряжения;
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK));
- обмен ключами.
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK)) под названием «LE legacy pairing»
- генерация долговременных ключей (Long Term Key (LTK)) под названием «LE Secure Connections»
В связи с этим в криптографическом тулбоксе менеджера безопасности помимо 3-х существующих функций, появилось еще 5 и эти 5 используются только для обслуживания нового процесса сопряжения «LE Secure Connections». Эти функции генерируют:
- LTK и MacKey;
- подтверждающие переменные;
- переменные проверки аутентификации;
- 6-ти значные числа, используемые для отображения на связываемых устройствах.
Так вот, если при сопряжении во 2-й фазе по методу «LE legacy pairing» генерировалось 2 ключа:
- Temporary Key (TK): 128-ми битный временный ключ, используемый для генерации STK;
- Short Term Key (STK): 128-ми битный временный ключ, используемый для шифрования соединениЯ
- Long Term Key (LTK): 128-ми битный ключ, используемый для шифрования последующих соединениЙ.
- предотвращение отслеживания, т.к. теперь за счет «Numeric Comparison» есть возможность контролировать возможность подключения к Вашему устройству.
- улучшение энерго-эффективности, т.к. теперь не требуется дополнительная энергия для повторных генераций ключей при каждом соединении.
- отраслевой стандарт шифрования для обеспечения конфиденциальных данных.
4. Есть ли уже возможность пощупать?
Да, есть.
NORDIC Semiconductor выпустил «nRF51 IoT SDK» который включает в себя стек, библиотеки, примеры и API для устройств серии nRF51. Сюда входят:
- чипы nRF51822 и nRF51422;
- nRF51 DK;
- nRF51 Dongle;
- nRF51822 EK.
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.
Обновлённый протокол для беспроводного обмена данными Bluetooth 4.1 должен выйти в свет уже в этом году. Новая версия «синего зуба» позволит напрямую взаимодействовать устройству с данным стандартом и облачному сервису. Если ныне действующая версия Bluetooth 4.0 имеет радиус действия, равный 30 м, не позволяя мобильным устройствам и ПК обмениваться файлами на превышающем данное значение расстоянии, то беспроводное соединение Bluetooth 4.1 сможет, задействовав в своих целях облачные возможности, существенно (хотя и косвенно) расширить лимит текущего диапазона.
В чём именно заключается преимущество данного нововведения? Учитывая растущую популярность фитнес-гаджетов и носимых устройств, оснастив своё устройство модулем с поддержкой Bluetooth 4.1, производитель сможет убрать в цепочке «гаджет — смартфон/планшет — доступ в облачный сервис» среднее звено и реализовать подключение напрямую, минуя дополнительные интерфейсы и т.д.
В принципе, с технической точки зрения реализовать подключение к облачной инфраструктуре можно уже сегодня, однако для этого необходимо задействовать различного рода сетевые устройства и так называемые хабы с полноценной операционной системой, роль которых может взять на себя мобильная электроника.
Планируется, что новая Bluetooth-сеть станет по-настоящему огромной инфраструктурой с абсолютно новым подходом во взаимодействии всевозможных типов портативной электроники и обычной техники. В конечном итоге это позволит реализовать обновлённый принцип удалённого мониторинга и управления. К примеру, данные непосредственно из носимого медицинского прибора смогут сразу попасть в облачную систему, а оттуда поступят на мобильное устройство вашего лечащего доктора. А пациенту, который является владельцем носимого гаджета, поддерживающего технологию Bluetooth 4.1, вовсе не нужно располагаться в непосредственной близости к врачу.
Модуль с Bluetooth 4.1 сможет взять на себя и роль хаба, принимая сигналы с других Bluetooth-устройств. Окончательные спецификации протокола Bluetooth 4.1 должны быть отработаны к концу этого года, а разработчики должны остановиться на двух ключевых направлениях: Low-Power-составляющая обновлённой технологии с ориентацией на популярные носимые устройства, а также полноценный Bluetooth 4.1 с функциями управления радиочастотами и ориентацией на применение модуля в персональных компьютерах и ноутбуках.
Едва ли какой-либо технологии предрекали кончину чаще, чем Bluetooth. При этом невозможно не признать идею беспроводной связи довольно успешной: версия Bluetooth I.0 появилась на рынке более 15 лет назад, и никогда еще Bluetooth не использовался в таком количестве устройств, как сейчас. Все благодаря версии Bluetooth 4.0, которая теперь уже, впрочем, кажется довольно медленной. На смену приходит Bluetooth Low Energy (или Bluetooth Smart) - версия, экономящая заряд аккумулятора. При этом радиус действия ограничен 10 м, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, но при передаче потребляется не более 10 мА. И вот наступает следующий этап: организация Special Interest Group Bluetooth, в которую входят более 8000 компаний, готовит спецификацию версии Bluetooth 4.1. Безусловно, не стоит ожидать никаких революционных изменений, однако пользователей мобильных устройств ожидают некоторые важные нововведения.
Большая часть новинок Bluetooth 4.1. относится к защите от помех. Сейчас Bluetooth является стандартным компонентом смартфонов и планшетов: вскоре в эти устройства начнут внедряться и в LTE-модули. К сожалению, Bluetooth использует нелицензируемый частотный диапазон 2,45 ГГц (наряду с 2,6 ГГц) а также диапазон LTE в России и в других странах. Это может привести к взаимным помехам. Проблема заключается в том, что пользователь никак не может повлиять на сигнал LTE. От Bluetooth требовались определенные действия, чтобы избежать помех. И именно это было сделано в новой версии. Для минимизации помех в Bluetooth 4.1 будет встроен фильтр диапазона LTE. Если передатчик LTE создает помехи для передаваемых по Bluetooth данных, Bluetooth 4.1 моментально на это отреагирует. Так называемая система адаптивного переключения Bluetooth 4.1 будет искать другой канал, где меньше помех, передавая и принимая данные на другой частоте. Если для Bluetooth 4.0 LTE создает помехи в 75% случаев, с Bluetooth 4.1 этот показатель снижается до 25%.
Прием и передача данных без помех
Сейчас особенно популярны устройства с Bluetooth Low Energy. Специально для этого режима экономии энергии в версии 4.1 имеется новый способ передачи данных, который продлевает работу аккумулятора. Наученные горьким опытом пользователи Bluetooth знают о проблеме разобщенных соединений. Зачастую случалось так, что если пользователь уходил в другую комнату, соединение прерывалось. После этого приходилось настраивать соединение вручную. С Bluetooth 4.1 производители могут установить фиксированные интервалы, чтобы пользователь мог не настраивать каждый раз новое соединение после отключения. Bluetooth 4.1 может работать при прерванном соединении до трех минут - ранее этот показатель составлял не более 30 с. То, что для использования Bluetooth не обязательно подключаться к компьютеру, демонстрирует нововведение, разработанное специально для 3D-очков, работающих совместно с телевизором. Как правило, это требовало соединения с несколькими устройствами сразу, поэтому изображение на телевизорах часто отставало. Теперь все должно работать лучше. Бесконтактный Slave Broadcast в Bluetooth 4.1 — это вторая новая функция, от которой выиграют фанаты трехмерного кино. Bluetooth-соединение осуществляется только в одном направлении, телевизор в фиксированные интервалы посылает данные, 3D-очки принимают данные, но не посылают никаких ответных соединений телевизору.
Гибкие соединения с Bluetooth 4.1
Архитектура соединений Bluetooth 4.1 функционирует в соответствии с принципом Master-Slave. Одно устройство при этом действует как ведущее (Master), а второе - как ведомое (Slave). Все устройства могут работать как в качестве ведущих, так и в качестве ведомых. Таким образом, данные фитнес-браслета или пульсомера теперь можно передавать непосредственно в смартфон, который затем произведет их анализ. Ранее прямое взаимодействие фитнес-браслета и смартфона было невозможным.
Два преимущества обновления Bluetooth: во-первых, не нужно беспокоиться о совместимости. Bluetooth 4.0 и Bluetooth 4.1 абсолютно совместимы. Новый чип для Bluetooth 4.1 тоже не нужен. Bluetooth 4.1 будет доступен при помощи обновления прошивки Bluetooth 4.0. Эксперты также прогнозируют, что Bluetooth 4.1 будет поддерживать IPv6. Сейчас этого нет. Поскольку новая версия Bluetooth полностью поддерживает IPv6, всем устройствам Bluetooth будет присвоен IP-адрес, и к ним будет открыт доступ через Интернет. Так что можно говорить о том, что революция Bluetooth уже началась.
| Bluetooth 4.1 | Bluetooth 4.0 | Bluetooth 3.0 | Bluetooth 2.x | Bluetooth 1.х | |
| Базовая скорость | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с |
| EDR* | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | □ |
| High Speed | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с | □ | □ |
| Дальность (макс./мин. мощность) | 100 м/10 м | 100 м/10 м | 100 м/□ | 100 м/□ | 100 м/□ |
| Режим низкого энергопотребления | ■ | ■ | □ | □ | □ |
| Двойной профиль (одновременная роль в качестве Slave и Master) | ■ | □ | □ | □ | □ |
| Поддержка IPv6 | готовится | □ | □ | □ | □ |
| Сопряжение с NFC | ■ | ■ | ■ | ■ | □ |
| 128-битное шифрование AES | ■ | ■ | □ | □ | □ |
Что такое Bluetooth и с чем его «едят». Основы технологии и дата создания
Связь Bluetooth - это стандарт беспроводной технологии для обмена данными на кроткой дистанции, которая использует коротковолновые СВЧ радиоволны в ISM диапазоне от 2.4 до 2.485 ГГц, для обмена данными между стационарными и мобильными устройствами, и построении персональных сетей (Personal Area Network PAN).
Создана технология была телекоммуникационным поставщиком Ericsson в 1994 году и так серьезно вошла в повседневную жизнь, что представить себе жизнь без нее стал невозможным. В том числе и автомобильную жизнь. Изначально новая технология была задумана как беспроводная альтернатива интерфейсу RS-232 кабелей данных. При помощи Bluetooth могут подключаться различные устройства, избегая проблем с синхронизацией и без использования лишних проводов.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая на сегодняшний день имеет в членстве более чем 25.000 компаний работающих в области электросвязи, вычислительной техники, сетевого оборудования и потребительской электроники.
Началось восхождение Bluetooth с достижения соглашения с IEEE, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1. В это время был получен ряд патентов, которые появились в процессе разработки технологии.
Тайна названия Bluetooth
"Bluetooth" является не совсем правильной англизированной версией скандинавского Blåtand/Blåtann, (старонорвежский blátǫnn) являющейся прозвищем короля Харальда Синезубого, жившего в X веке. Ему удалось объединить враждовавшие датские племена в единое королевство, по преданию он также ввел Христианство. По примеру Харальда объединившего народы, Bluetooth делал тоже самое с протоколами, объединяя их в единый универсальный стандарт.
И еще немного по поводу названия. Слово «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», но в то время когда жили викинги его второе значение означало и «черный цвет». Поэтому, скорее всего у Харальда, конечно же, был черный передний зуб, но никак ни синий. И в переводе датское Harald Blåtand более правильно было б интерпретировать как Harald Blacktooth, нежели Harald Bluetooth. Вот такая историческая неточность.
Идея названия была предложена в 1997 году Джим Кардашем, который разработал систему, позволявшую мобильным телефонам «общаться» с компьютерами. На момент разработки, Джим читал исторический роман Франса г. Бенгтссона «Корабли Викингов», повествовавшем о Викингах и о короле Харальде Синезубом. Таким образом роман и повлиял на название.
Логотип Bluetooth сочетает две скандинавские руны «хаглаз» и «беркана».
1998
Пятью кампаниями формируется Bluetooth Special Interest Group (SIG)
К концу года Bluetooth SIG принимает своего 400го члена
Имя Bluetooth получает официальный статус
1999
Выпущена спецификация Bluetooth 1.0
Bluetooth в SIG организовывает первую встречу разработчиков UnPlugFest
Технология Bluetooth награждена в качестве "Best of Show Technology Award" на COMDEX
2000
На рынок выходит первый мобильный телефон с поддержкой Bluetooth
Появляется первая PC card
Прототип мыши для ноутбука и продемонстрированы на CeBIT 2000
Прототип USB модуля показан на выставке COMDEX
Первый чип объединивший радиочастоту, основную полосу частот, функции микропроцессора и беспроводное программное обеспечение связи Bluetooth
В продажу уходит первая гарнитура
2001
Первый принтер
Первый ноутбук
Первый hands-free автомобильный комплект
Первый hands-free с распознаванием речи
Bluetooth SIG, Inc. формируется как некоммерческая, неакционерная компания
2002
Первый комплект клавиатуры и мыши
Первый GPS приемник
Количество кондиционных Bluetooth продуктов составило 500 единиц
IEEE одобряет, что 802.15.1 стандарт соответствует беспроводной технологии Bluetooth
Первая цифровая фотокамера
Реализация Bluetooth
Bluetooth работает на частотах от 2400 до 2483.5 МГц (включая поле допусков от 2 МГц в нижнем диапазонt и 3.5 МГц наверху). Соответственно как видно, принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне ISM применяющемся в различных бытовых приборах и беспроводных сетях.
Bluetooth использует радио технологию, которая называется скачкообразной перестройкой частоты с расширенным спектром, Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS. Bluetooth делит данные на пакеты и передает каждый пакет по одному из обозначенных 79 каналов (рабочих частот). Каждый канал имеет полосу пропускания 1 МГц. Связь Bluetooth 4.0 использует 2 МГц интервал, который вмещает в себя 40 каналов. Первый канал запускается на 2402 МГц и продолжается до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты, несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду.
Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.
Версии Bluetooth
Bluetooth 1.0
Устройства первой версии 1.0 имели ряд проблем. У них наблюдалась посредственная совместимость с техникой сторонних производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком версии.
Bluetooth 1.1
Первое же обновление 1.1 исправило много недочетов найденных в версии 1.0B. Добавлены: поддержка нешифрованных каналов и RSSI (Received Signal Strength Indication) индикация уровня мощности.
Bluetooth 1.2
У последующего обновления были улучшения: Быстрое подключение и обнаружение. Она стала стойкой к радиопомехам, благодаря использованию адаптивной перестройки частоты с расширенным спектром. Скорости передачи данных до 1 Мбит/с. Появилось Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), улучшившее качество передачи голоса в аудиопотоке. В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART. В качестве стандарта принят IEEE Standard 802.15.1-2005.
Bluetooth 2.0 + EDR
EDR обеспечивает следующие преимущества: увеличение скорости передачи в 3 раза до 2,1 Мбит/с, возможность установки нескольких подключений в связи с дополнительной полосой пропускания. Снижение потребления энергии из-за уменьшения нагрузки.
Bluetooth 2.1
Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства, энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения
Bluetooth 2.1 + EDR
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.
Bluetooth 3.0 + HS
21 апреля 2009 года появился Bluetooth 3.0+HS. Скорость передачи данных (теоретически) возросла до 24 Мбит/с. Особенностью являлось добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB.
Bluetooth 4.0
Через четыре года, 30 июня 2010, Bluetooth SIG утвердил спецификацию 4.0. Bluetooth 4.0 включал протоколы: классический Bluetooth, высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением.
Bluetooth 4.1
SIG в конце 2013 года представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных.
Bluetooth 4.2
Bluetooth 4.2 был представлен 2 декабря 2014 года. Стандарт улучшили в его скоростных характеристиках и информационной безопасности.
Bluetooth 4.2 добавить возможность прямого подключения к Сети. То есть устройства с поддержкой Bluetooth 4.2 смогут не только напрямую взаимодействовать друг с другом, но и подключаться к Интернет (благодаря поддержке протокола IPv6/6LoWPAN) через соответствующие точки доступа. Ключевая идея развития стандарта заключается в том, чтобы с помощью Bluetooth можно было соединить любые устройства друг с другом.
В дополнение к безопасной и быстрой связи Bluetooth 4.2 также будет более энергоэффективен, всё это сдвинет тенденцию последних месяцев к подключению к сети: всё больше устройств начинают для этого использовать Bluetooth, что, кроме всего прочего, положительно сказывается на автономности работы.
2003
Первый MP3-плеер с технологией Bluetooth
Версия Bluetooth 1.2 принята Bluetooth SIG
Поставка продуктов Bluetooth выросло до 1 млн в неделю
Первая одобренная медицинская система Bluetooth
2004
SIG принимает версию Core Specification Version 2.0 Enhanced Data Rate (EDR)
Технология Bluetooth установлена в качестве базовой комплектации на 250 млн устройств
Поставки превзошли 3 млн. единиц в неделю
Первые стереонаушники
2005
Поставки продукции поднялись до 5 млн чипсетов в неделю
SIG приветствует своего 4,000 участника
Открыта штаб-квартира SIG в Белвью, штат Вашингтон, региональные офисы начали работать в г. Мальме, Швеции и Гонконге
SIG запускает Profile Testing Suite (PTS) v1.0, инструмент для тестирования и проведения типовых испытания полностью разработанный собственными силами компании
2006
Первые солнцезащитные очки
Первые часы
Первая цифровая фоторамка поддерживающая Bluetooth
Bluetooth установлен на 1 млрд устройств
Поставки Bluetooth устройств достигает 10 миллионов в неделю
Тестирование Profile Tuning Suite (PTS) становится обязательной частью продуктов Bluetooth квалификационного отбора
SIG объявляет, что она будет интегрировать технологию сверхширокополосной связи (Ultra-Wide Band, UWB) с WiMedia Alliance
2007
Первый будильник радио
Первый телевизор
SIG приветствует 8,000 участника
Исполнительный директор Bluetooth SIG , Майкл Фолей, получает награду Telematics Leadership Award
PTS Protocol Viewer выпущен в качестве части недавно опубликованной версии 2.1.1 наряду со значительно обновленным пользовательским интерфейсом
Самые распространенные профили Bluetooth
Чтобы использовать беспроводную технологию Bluetooth, устройства должны быть в состоянии интерпретировать определенные профили Bluetooth, которые находятся определенных областях применения и указывают общие формы поведения, чтобы Bluetooth совместимые устройства могли использовать для связи с другими устройствами Bluetooth.
Профиль — набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth.
Существует широкий спектр профилей Bluetooth, которые описывают различные типы приложений или сценариев использования устройства.
Список основных профилей одобренных Bluetooth SIG с кратким описанием и предназначением:
Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) разработан для передачи музыки, к беспроводной гарнитуре или иным устройствам.
Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP) создан для управления стандартными функциями телевизоров, высокоточного оборудования. Позволяет создавать устройства с функциями дистанционного управления.
Basic Imaging Profile (BIP) разработан для пересылки изображений между устройствами. С помощью этого профиля, возможно, изменять размер изображения и конвертировать его в поддерживаемый принимающим устройством формат.
Basic Printing Profile (BPP) с его помощью возможно пересылать текст, сообщения электронной почты, vCard на принтер. Профилю не требуется наличие драйверов.
Common ISDN Access Profile (CIP) используется для доступа устройств к цифровой сети с интеграцией служб, ISDN.
Cordless Telephony Profile (CTP) поддерживает беспроводную телефонию.
Device ID Profile (DIP) помогает определить класс устройства, его производителя и версию продукта.
Dial-up Networking Profile (DUN) протокол предоставляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису через Bluetooth.
Fax Profile (FAX) предоставляет интерфейс между мобильным или стационарным телефоном, а также персональным компьютером на котором установлено программное обеспечение для работы с факсами.
File Transfer Profile (FTP_profile) обеспечивает доступ к файловой системе устройства.
General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP) база для A2DP и VDP.
Generic Access Profile (GAP) база для остальных профилей.
Generic Object Exchange Profile (GOEP) база для других профилей передачи данных, основывается на OBEX.
Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP) замена кабельного соединения между устройством и принтером. Отрицательная сторона профиля, делающая его не универсальным- необходимость установки драйверов.
Hands-Free Profile (HFP)
Human Interface Device Profile (HID) обеспечивает поддержку устройств с HID в которые входят клавиатуры, мышки, джойстики и т.д. Отличительная особенность - использует медленный канал, работает на пониженной мощности.
Headset Profile (HSP) используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона.
Intercom Profile (ICP) обеспечивает голосовые звонки между Bluetooth совместимыми устройствами.
LAN Access Profile (LAP) обеспечивает доступ Bluetooth устройствам к вычислительным сетям LAN, WAN или Интернет посредством другого Bluetooth устройства, которое имеет физическое подключение к этим сетям.
SIM Access Profile (SAP, SIM) позволяет получить доступ к SIM-карте телефона, что делает возможным использование одной SIM-карты для нескольких устройств.
Synchronisation Profile (SYNCH) позволяет синхронизировать персональные данные (PIM).
Video Distribution Profile (VDP) позволяет передавать потоковое видео.
Wireless Application Protocol Bearer (WAPB) протокол для организации P-to-P (Point-to-Point) соединения через Bluetooth.