Brzina prijenosa Bluetooth 4.2. Toshiba Bluetooth serija proizvoda niske potrošnje podržava Bluetooth Mesh standard

Zanimljiva riječ koja se zove Bluetooth je protokol za razmjenu informacija ne velike udaljenosti... Područje pokrivanja mu je, u poređenju sa Wi-Fi-jem, prilično skromno (maksimalno 100 metara, a zatim u najbolji slucaj ako imate najnoviju verziju), a brzina prijenosa podataka je niska. Ali ovi nedostaci su nadoknađeni malom potrošnjom energije i velikom brzinom veze (tzv. uparivanje) telefona.

Bluetooth je veoma stara tehnologija na IT tržištu; prvi verzija (1.0) rođen je davne 1998. On ovog trenutka smatra se zastarjelim i ne koristi se ni u jednom uređaju na tržištu.

Bluetooth verzije

Sljedeća verzija protokola je 1.2 - sada se takođe smatra zastarjelim, ali je vjerno služio korisnicima telefona mnogo duže. Još uvijek se može naći u nekim jeftinim mobilnih uređaja napravljeno u kini. Maksimalna brzina prijenosa bluetooth podaci 1.2 je 721 kbps. Telefoni se uparuju mnogo brže, možete biti anonimni na mreži. Ova verzija protokola vam omogućava da prenosite ne samo muziku i slike, već i druge vrste datoteka, kao i servisne podatke.

Pojava EDR tehnologije, ili Enhanced Data Rate, postala je sljedeći korak u razvoju Bluetooth-a, i prilično velika. Brzina prijenosa podataka u teoriji se povećala na 3 Mbit/s, iako u praksi obično nije porasla iznad 2 Mbit/s. Ovu tehnologiju podržavaju dvije verzije bluetootha - 2.0, objavljena 2004. godine, i 2.1, koja je rođena 2007. godine. Gotovo su potpuno identični, razlikuju se samo u tehnologijama za uštedu energije.

WITH Bluetooth 2.1 gotovo svi komercijalno dostupni su kompatibilni mobilni telefoni, navigatore, slušalice i druge uređaje. Potrošnja energije u odnosu na prethodne verzije protokola pala je skoro 10 puta, što je omogućilo masovnu proizvodnju kompaktnih slušalica.

bluetooth verzija 3.0 pojavio se 2009. godine, a svojim izgledom postao moguć transfer informacije mnogo većom brzinom nego prije (HS tehnologija ili Velika brzina). Uređaji kompatibilni sa Bluetooth 3.0 + HS opremljeni su 2.1 + EDR (do 3 Mbps), kao i drugim modulom koji radi na sličan način kao Wi-Fi i pruža brzine do 24 Mbps. Unatoč sličnom principu rada, ne postoji direktna kompatibilnost s Wi-Fi.

HS tehnologija, sa svim svojim prednostima, imala je jedan ozbiljan nedostatak - veliku potrošnju energije. Međutim, kada je već 2010 Bluetooth 4.0, to je popravljeno. Čip ove verzije je prisutan u svim vrhunski pametni telefoni i tableta, kao i kod većine ultrabookova. Podaci se mogu prenositi na udaljenosti do 100 metara brzinom do 30 Mbps.

Treba napomenuti, međutim, da nisu sve mogućnosti ovog standarda Bluetooth je obavezan. Dakle, mogućnost dugog samostalan rad(funkcija bluetooth Niska energija ) podržavaju samo najnoviji uređaji.

Većina perifernih uređaja kao što su slušalice, navigator itd., podržava Bluetooth 2.1 + EDR, tako da ako vaš uređaj podržava istu verziju, sve će biti u redu. Iako neki uređaji mogu podržavati druge verzije protokola. Na primjer, Texas Instruments MetaWatch sat za otklanjanje grešaka, koji prikazuje različite informacije o pametnom telefonu na ekranu, podržava Bluetooth 4.0. Da bi ovo funkcioniralo, vaša mašina mora podržavati istu verziju.

Ako vam je to važno prijenos velike brzine informacija, onda vam je potreban Bluetooth verzija 3.0 ili 4.0 na oba uređaja. Mada velika brzina prijenos podataka može se postići kroz NFC tehnologija(S Beam funkcija u novim Samsung pametnim telefonima). Da i Wi-Fi Direct u mnogim slučajevima je svrsishodnije koristiti ovu funkciju, jer ovu funkciju podržavaju mnogi uređaji bazirani na Android 4.0 OS, a brzina prijenosa je mnogo veća u odnosu na Bluetooth.

Bluetooth profili

Bavio se Bluetooth verzijama; svaki ima svoje karakteristike - ne možete ga zbuniti. I također nemojte brkati bluetooth verzije sa profilima. Profil je specifična aktivnost koja je moguća na različitim verzijama protokola.

Profil A2DP pruža mogućnost prijenosa datoteka i stereo zvuka, što je dostupno u Bluetooth verziji 1.2 i novijim. Međutim, svaki određeni uređaj može imati svoj skup profila, tako da neke radnje, čak i uzimajući u obzir najnoviju verziju bluetootha, možda neće biti dostupne. Na primjer, Windows pametni telefoni ne podržavaju razmjenu informacija putem Bluetooth-a, a korisnik će morati pribjeći nekim trikovima ako želi koristiti ovu funkciju protokola.

Moderni pametni telefoni i drugi uređaji reklamiraju podršku za "Bluetooth 5.0" u svojoj specifikaciji. Evo šta je novo u najnovijim i najvećoj stvari bolja verzija Bluetooth.

Šta je Bluetooth?

Bluetooth 5.0 je najnoviju verziju bežični standard Bluetooth komunikacija... Obično se koristi za bežične slušalice i drugu audio opremu, kao i za bežične tastature, miševe i kontrolere za igre. Bluetooth se također koristi za komunikaciju između razni uređaji pametna kuća i internet stvari (IoT).

Nova verzija Bluetooth standarda znači razna poboljšanja, ali samo kada se koristi s kompatibilnim perifernim uređajima. Drugim riječima, nećete vidjeti nikakvu korist od nadogradnje svog Bluetooth 5.0 telefona ako su svi vaši Bluetooth dodaci dizajnirani za stariju verziju Bluetooth-a. Međutim, Bluetooth je kompatibilan unatrag, tako da možete nastaviti koristiti postojeće Bluetooth 4.2 i starije uređaje s njima Bluetooth telefon 5.0. A kada kupite nove Bluetooth 5.0 periferne uređaje, one će bolje raditi s vašim Bluetooth 5.0 telefonom.

Bluetooth bežične slušalice niske potrošnje energije (i više)

Važno je napomenuti da su sva Bluetooth poboljšanja vezana za Bluetooth Low Energy specifikaciju, koja je predstavljena s Bluetooth 4.0, a ne za klasični Bluetooth radio koji troši više energije. Bluetooth tehnologija Low Energy je dizajniran da smanji potrošnju energije Bluetooth perifernih uređaja. Prvobitno je korišten za nosače, svjetionike i druge uređaje male snage, ali je imao neka ozbiljna ograničenja.

Na primjer, bežične slušalice nisu mogli komunicirati putem Bluetooth Low Energy, pa su umjesto toga morali koristiti moćniji Bluetooth glasovni standard. Uz Bluetooth 5.0, svi audio uređaji komuniciraju koristeći Bluetooth Low Energy, što znači manju potrošnju energije i duži vijek trajanja baterije. U budućnosti će mnoge druge vrste uređaja moći komunicirati s Bluetooth Low Energy.

Značajno je da Apple AirPods ne koriste Bluetooth 5.0. Koriste Bluetooth 4.2 i namjenski Apple W1 čip za poboljšanje povezivanja. On Android bluetooth 5.0 bi trebao pomoći da Bluetooth slušalice postane nešto što želite da koristite.

Dual Audio

Bluetooth 5.0 također pruža sjajnu novu funkciju za reprodukciju zvuka na dva povezana uređaja u isto vrijeme. Drugim riječima, možete imati dva para bežičnih slušalica povezanih s vašim telefonom i one istovremeno prenose zvuk na oba putem standardnog Bluetooth-a. Ili možete reproducirati zvuk na dva različita zvučnika u različitim prostorijama. Možete strimovati dva različita izvora zvuka u isto vrijeme na dva različita audio uređaja u isto vrijeme, tako da dvije osobe mogu slušati dva različita muzička djela, ali bi se emitovale sa istog telefona.

Ova funkcija se zove “Dual Audio” uključena Samsung Galaxy S8. Samo povežite dva Bluetooth audio uređaja na telefon, omogućite Dual Audio i spremni ste za rad. Međutim, ne bi trebalo da bude Samsung funkcija... Ima omogućen Bluetooth 5.0 i nadamo se da će se pojaviti na uređajima drugih proizvođača.

Više brzine, udaljenosti i propusnosti

Glavne prednosti Bluetooth 5.0 su poboljšana brzina i veći domet. Drugim riječima, brži je i može raditi na većim udaljenostima od starijih verzija Bluetooth-a.

Kada ćete ga dobiti?

Danas možete nabaviti uređaje koji podržavaju Bluetooth 5.0, kao što su iPhone 8 i 8 Plus, iPhone X, Samsung Galaxy S8 i S9 i budući Android telefoni. Međutim, potreban vam je i Bluetooth 5.0. Još nisu široko rasprostranjeni, ali mnogi proizvođači obećavaju da će objaviti Bluetooth 5.0 uređaje u 2018. godini.

Pošto Bluetooth podržava kompatibilnost unatrag Vaši Bluetooth 5.0 i stariji Bluetooth uređaji će raditi zajedno. To je pomalo kao prelazak na novi, brži. Wi-Fi standard... Čak i nakon što primite novi ruter podržavajući brži Wi-Fi, također morate ažurirati sve druge uređaje. Ali vaši stariji uređaji sa Wi-Fi podrška i dalje se može povezati s vašim novim ruterom manjom brzinom nego što ruter podržava.

Ako možete pristupiti Android telefon sa bluetooth 5.0 i bluetooth 5.0 slušalicama, najvjerovatnije ćete imati mnogo bolje bežični zvuk nego stari Bluetooth standard.

Korisnici iPhone-a mogu dobiti dobro iskustvo rade sa svojima AirPods slušalice ili Apple's Beats zahvaljujući W1 čipu, ali sada dobijete dobar bluetooth zvuk na Androidu. Bluetooth 5.0 bi čak trebao poboljšati bežične slušalice na iPhoneu ako se odlučite prebaciti na treće strane bluetooth slušalice 5.0 umjesto Apple slušalice sa W1 čipom.

Međutim, ne preporučujemo ažuriranje svake sitnice. Čak i ako imate laptop sa podrškom za Bluetooth 5.0, na primjer, nadogradnja vašeg miša na Bluetooth 5.0 vjerovatno neće biti veliko poboljšanje. Ali kako se podrška za Bluetooth 5.0 odražava u svakom novom Bluetooth uređaju, Bluetooth periferni uređaji će postati bolji, a Bluetooth će postati pouzdaniji i energetski efikasniji.

Per novije vrijeme broj korisnika mobilni uređaji se značajno povećao, što znači da je veliki broj različitih tehnička pitanja ostaju mračni konji za korisnike početnike. Jedna od ovih nijansi je Bluetooth verzija.

Protokoli ili profili

Unatoč činjenici da je kompatibilnost bluetooth verzija na prilično visokom nivou, ponekad postoje situacije u kojima postaje nemoguće upariti dva uređaja. I poenta je ovdje upravo u protokolima, a ne u profilima. A da biste potkrijepili gore spomenutu nemogućnost, prvo morate shvatiti koja je razlika između ova dva koncepta.

Protokol je skup instrukcija preko kojih se vrši prijenos razne informacije... On je taj koji postavlja redoslijed, radnu frekvenciju i trajanje rada određene komponente. A profili su dodatni dodaci koji vam omogućavaju da radite na informacijama određenog tipa... Na primjer, A2DP je profil koji omogućava bluetooth modulu da radi sa stereo zvukom, gdje se, prilikom uparivanja, dogovaraju i kodeci koji će se koristiti.

Ako pogledate globalno, onda verzija protokola ima veći značaj nego značaj profila. Ako oba uređaja imaju istu verziju protokola, tada će imati pristup svima standardne funkcije i mogućnosti koje modul podržava. Ali sa profilima je sve drugačije. Pošto se dodaju opciono, da bi se koristili i radili, moraće da budu prisutni u oba gadžeta. Ako samo jedan bluetooth modul podržava traženi profil, neće se koristiti tokom prijenosa podataka.

Mnogi korisnici su zainteresirani za pitanje kako saznati verziju bluetooth-a. To se može učiniti na nekoliko načina, ali najlakše je pročitati specifikaciju uređaja. Ali mnogo je važnije razumjeti šta se krije iza ovih brojeva.

Kako saznati Bluetooth verziju: Video

Tehnički podaci raznih protokola

Ovaj opis neće sadržavati najpotpuniju listu verzija protokola, već samo najznačajnije za tehnologiju u cjelini. I, naravno, vrijedi početi s prvim, koji je prije skoro dvije decenije kreiran bez par godina - 1998. godine, od strane partnerske grupe SIG ili Special Interested Group. Primarni razvoj je uspostavila tadašnja švedska kompanija Ericsson 4 godine prije ulaska na tržište. Kao rezultat uspješne studije, dostojan analog žičane tehnologije i nazvao ga po danskom vikinškom kralju Haraldu Prvom Bluetoothu.

Prva verzija imala je zadivljujuću kompatibilnost između uređaja različitih proizvođača. Brzina je bila mala, a domet je očigledno bio ispod utvrđenog standarda. Da nije bilo brzih pokušaja usavršavanja tehnologije, cijela ideja bi mogla potonuti u zaborav. I profesionalni kvalitet radnici nisu iznevjerili, jer je ubrzo postojala prvo verzija 1.1, a potom i 1.2, koja je postala vrhunac evolucije modula prve generacije. Opća kompatibilnost je podignuta na prilično visok nivo, domet je postavljen na poštenih deset metara, brzina prijenosa je jednostavno transcendentalna - 721 Kbit / s, naravno, teoretski.

Verzija 2.1

Druga generacija napravila je revoluciju, ali upravo je verzija 2.1 postala zvijezda vodilja koja se i danas koristi. Mnogi uređaji osnovne i srednje klase koriste ovu konkretnu varijaciju bluetooth modula. Glavni fokus je bio na brzini, a EDR nadgradnja je bila rješenje. Zahvaljujući njoj postalo je moguće prenositi brzinom blizu 3 Mbit / s, a nivo potrošnje energije smanjen je pet puta. Naravno, pojavili su se razni profili i dodaci, sve do mogućnosti distribucije pristupa mreži.

Treća verzija

Specifikacija velike brzine 3.0 imala je dosta zajedničkog sa Wi-Fi, ali nije imala direktnu kompatibilnost s njom, već je koristila SLI tehnologiju, prema kojoj dva bluetooth modul povezan u jedan sistem, dozvoljeno povećanje brzine prenosa do 24 Mbit/s. Štaviše, prilikom kretanja velike datoteke korišten je protokol veće brzine, ali i energetski zahtjevniji, a za male datoteke je bio vrlo ekonomičan.

Četvrta generacija uređaja bazirana je na ideji modifikacije dosadašnje tehnologije kako bi potrošnja energije bila minimalna, a sve ostale funkcije i mogućnosti povećane i proširene. Dakle, osim brzine, povećan je i radijus, koji bi sada mogao doseći stotine metara. Paketi podataka postali su optimalnije veličine, a dodata je i njihova 128-bitna enkripcija. Dimenzije odašiljača postale su male, što omogućava da se koriste svuda. Jedan od najistaknutijih je bio dodavanje tri moda rad.

Bluetooth 5.0 postala stvarnost. U poređenju sa Bluetooth 4.0 nova verzija Ima udvostručiti propusni opseg, učetverostručiti opseg i čitav niz drugih poboljšanja. Razmotrite prednosti Bluetooth 5.0 u odnosu na njegove prethodnike, uključujući primjer CPU CC2640R2F od Texas Instruments.

Popularnost verzije Bluetooth protokol 4, kao i neka od njegovih ograničenja postali su razlozi za kreiranje sljedeće Bluetooth specifikacije 5. Programeri su sebi postavili niz ciljeva: proširenje raspona, povećanje propusni opseg prilikom slanja paketa emitovanja, poboljšanja otpornosti na buku i tako dalje.

Sada kada su se počeli pojavljivati ​​prvi uređaji s Bluetooth 5, korisnici i programeri s pravom imaju pitanja: koja su se od ranije najavljenih obećanja ostvarila? Koliko je povećan domet i brzina prijenosa podataka? Kako je to uticalo na nivo potrošnje? Kako se promijenio pristup formiranju broadcast paketa? Koja su poboljšanja napravljena za poboljšanje otpornosti na buku? I naravno, glavno pitanje- postoji li kompatibilnost unatrag između Bluetooth 5 i Bluetooth 4? Hajde da odgovorimo na ova i neka druga pitanja i razmotrimo glavne prednosti Bluetooth 5.0 u odnosu na njegove prethodnike, uključujući primer pravog procesora sa Bluetooth 5.0 podrškom kompanije. Texas Instruments.

Započnimo našu recenziju Bluetooth 5.0 tako što ćemo odgovoriti na najčešće postavljano pitanje o kompatibilnosti unatrag s Bluetooth 4.x

Da li je Bluetooth 5.0 unatrag kompatibilan sa Bluetooth 4.x?

Da jeste. Bluetooth 5 je preuzeo većinu funkcija i proširenja Bluetooth 4.1 i 4.2. Na primjer, Bluetooth 5 uređaji zadržavaju sva poboljšanja sigurnosti podataka Bluetooth 4.2 i podržavaju LE Data Length Extension. Vrijedi podsjetiti da je zahvaljujući LE Data Length Extension, počevši od Bluetooth 4.2, veličina jedinice paketnih podataka (PDU) na uspostavljena veza može se povećati sa 27 na 251 bajt, što omogućava povećanje brzine razmene podataka za 2,5 puta.

Zbog velikog broja razlika između verzija protokola, očuvan je tradicionalni mehanizam za dogovaranje parametara između uređaja prilikom uspostavljanja veza. To znači da se prije početka razmjene podataka uređaji "upoznaju" i utvrđuju maksimalna frekvencija prijenos podataka, dužina poruke i tako dalje. Podrazumevane postavke su Bluetooth 4.0. Prelazak na Bluetooth 5 parametre se dešava samo ako se tokom procesa pregovaranja pokaže da oba uređaja podržavaju noviju verziju protokola.

Govoreći o alatima koji su već dostupni programerima, vrijedi napomenuti novi procesor CC2640R2F i besplatni BLE5-Stack od Texas Instruments. Na radost programera, BLE5-Stack je zasnovan na prethodna verzija BLE-Stack, a promjene u njegovoj upotrebi utjecale su samo na nove Bluetooth funkcije 5.0.

Kako je povećana brzina prijenosa podataka u Bluetooth 5?

Bluetooth 5 koristi bežičnu vezu s fizičkom brzinom prijenosa podataka do 2 Mbps, što je dvostruko više od Bluetooth 4.x. Ovdje treba napomenuti da efektivna brzina razmjene podataka zavisi ne samo od fizičke propusnosti kanala za prijenos, već i od odnosa usluge i korisne informacije u paketu, kao i od pratećih "režijskih" troškova, na primjer, gubitak vremena između paketa (tabela 1).

Tabela 1. Kurs razmjene podataka za različite verzijebluetooth

U Bluetooth verzijama 4.0 i 4.1, fizička propusnost kanala iznosila je 1 Mbit/s, što je, uz PDU paket podataka dužine od 27 bajtova, omogućilo postizanje brzine razmjene do 305 kbit/s. Bluetooth 4.2 uvodi LE Data Length Extension. Zahvaljujući njemu, nakon uspostavljanja veze između uređaja, postalo je moguće povećati dužinu paketa na 251 bajt, što je dovelo do povećanja brzine razmjene podataka za 2,5 puta - do 780 kbit / s.

Bluetooth verzija 5 zadržava podršku za LE Data Length Extension, što, zajedno sa povećanjem fizičke propusnosti do 2 Mbps, omogućava postizanje brzine razmjene podataka do 1,4 Mbps.

Kao što pokazuje praksa, takvo ubrzanje prijenosa podataka nije granica. Na primjer, bežični mikrokontroler CC2640R2F može raditi pri brzinama do 5 Mbps.

Vrijedi spomenuti uobičajenu zabludu da je povećanje propusnosti do 2 Mbps postignuto smanjenjem dometa. Naravno, fizički primopredajni čip (PHY) kada radi na 2 Mbit/s ima 5 dBm manju osjetljivost nego kada radi na 1 Mbit/s. Međutim, osim osjetljivosti, postoje i drugi faktori koji doprinose povećanju raspona, na primjer, prelazak na kodiranje podataka. Iz tog razloga, pod svim ostalim stvarima, Bluetooth 5 se pokazao pouzdanijim i ima veći radijus akcije u poređenju sa Bluetooth 4.0. Ovo je detaljno opisano u jednom od sljedećim odjeljcimačlanci.

Kako aktivirati način prijenosa podataka velike brzine u Bluetooth 5?

Prilikom uspostavljanja veze između dvoje Bluetooth uređaji u početku se koriste postavke Bluetooth 4.0. To znači da u prvoj fazi uređaji razmjenjuju podatke brzinom od 1 Mbps. Jednom kada se veza uspostavi, čarobnjak za Bluetooth 5.0 može započeti proceduru PHY ažuriranja kako bi uspostavio maksimalna brzina 2 Mbps. Ova operacija će biti uspješna samo ako slave također podržava Bluetooth 5.0. Inače, brzina ostaje na 1 Mbps.

Za programere koji su prethodno koristili BLE-Stack iz Texas Instruments-a, dobra vijest je da novi BLE5-Stack ima jednu funkciju, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd (), dodijeljenu za izvođenje gornje procedure. Dakle, prilikom nadogradnje na Bluetooth 5.0, TI korisnici neće imati problema sa inicijalizacijom. Primjer objavljen na portalu GitHub također će biti koristan za programere, koji vam omogućava da procijenite rad dva CC2640R2F mikrokontrolera koji rade kao dio CC2640R2 LaunchPada u režimima velike brzine i dugog dometa.

Kako se povećao domet Bluetooth 5?

Bluetooth 5.0 specifikacija kaže da ima četiri puta veći domet od Bluetooth 4.0. Ovo je prilično suptilno pitanje, koje vrijedi detaljnije razmotriti.

Prvo, koncept "četiri puta" je relativan i nije vezan za određeni raspon u metrima ili kilometrima. Činjenica je da domet radio prenosa jako zavisi od niza faktora: stanja okoline, nivoa smetnji, broja uređaja koji istovremeno emituju i tako dalje. Kao rezultat toga, niti jedan proizvođač, kao ni sam programer Bluetooth SIG standarda, ne daje određene vrijednosti. Povećanje dometa se procjenjuje u odnosu na Bluetooth 4.0.

Za dalju analizu potrebno je izvršiti neke matematičke proračune i procijeniti budžet snage radio kanala. Kada se koriste logaritamske vrijednosti, budžet radio kanala (dB) jednak je razlici između snage predajnika (dBm) i osjetljivosti prijemnika (dBm):

Budžet radio kanala = snagaT X(dBm) - osjetljivostR X(dBm)

Za Bluetooth 4.0, standardna osjetljivost prijemnika je -93 dBm. Uz pretpostavku da je snaga predajnika 0 dBm, budžet je 93 dB.

Povećanje opsega za četiri puta bi zahtijevalo povećanje budžeta za 12 dB, što daje vrijednost od 105 dB. Kako bi se ova vrijednost trebala postići? Postoje dva načina:

• povećanje snage predajnika;
• povećanje osetljivosti prijemnika.

Ako krenete prvim putem i povećate snagu predajnika, to će neizbježno uzrokovati povećanje potrošnje. Na primjer, za CC2640R2F prijelaz na izlazna snaga 5 dBm dovodi do povećanja potrošnje struje do 9 mA (slika 1). Pri snazi ​​od 10 dBm, struja će se povećati na 20 mA. Ovaj pristup većini ne izgleda privlačno bežični uređaji na baterije i nije uvijek prikladan za IoT, a ovo je područje gdje je Bluetooth 5.0 prvenstveno bio orijentisan. Iz tog razloga se čini da je drugo rješenje poželjnije.

Postoje dva načina za povećanje osjetljivosti prijemnika:

• smanjenje brzine prijenosa;
• korištenjem kodiranja podataka Kodirani PHY.

Smanjenje brzine prenosa podataka za faktor osam teoretski povećava osetljivost prijemnika za 9 dB. Dakle, samo 3 dB nedostaje željenoj vrijednosti.

Potrebna 3 dB se mogu dobiti korištenjem dodatnog kodiranog PHY kodiranja. Ranije, u verzijama Bluetooth 4.x, bitsko kodiranje je bilo nedvosmisleno 1:1. To znači da je tok podataka bio usmjeren direktno na diferencijalni demodulator. U Bluetooth 5.0 kada se koristi kodirani PHY, postoje dva dodatni format prijenos:

• sa 1:2 kodiranjem, u kojem se svaki bit podataka preslikava na dva bita u toku radio podataka. Na primjer, logička "1" je predstavljena kao niz "10". U ovom slučaju, fizička brzina ostaje jednaka 1 Mbit / s, i stvarna brzina prijenos podataka pada na 500 kbps.
• Sa 1:4 kodiranjem. Na primjer, logički "1" je predstavljen nizom "1100". U ovom slučaju, brzina prijenosa podataka se smanjuje na 125 kbps.

Opisani pristup se zove Forward Error Correction (FEC) i omogućava vam da otkrijete i ispravite greške strana koja prima umjesto da traži ponovni prijenos paketa, kao što je bio slučaj u Bluetooth 4.0.

Sve izgleda dobro na papiru. Ostaje samo otkriti u kojoj mjeri ovi teorijski proračuni odgovaraju stvarnosti. Uzmimo za primjer isti mikrokontroler CC2640R2F. Zahvaljujući raznim poboljšanjima i novim modovima modulacije za Bluetooth 5.0, primopredajnik ovog procesora ima osjetljivost od -97 dBm pri 1 Mbps i -103 dBm kada se koristi kodirani PHY i 125 kbps. Tako u poslednji slučaj do 105 dB, nedostaje samo 2 dBm.

Da bi procijenili domet CC2640R2F, inženjeri iz Texas Instrumentsa izveli su terenski eksperiment u Oslu. Štaviše, sa stanovišta nivoa buke okruženje ovo iskustvo se ne može nazvati „prijateljskim“, budući da se poslovni dio grada nalazio u neposrednoj blizini.

Da bi se dobio budžet snage veći od 105 dB, odlučeno je da se snaga predajnika poveća na 5 dBm. Ovo je rezultiralo impresivnim ukupnim zvukom od 108 dBm (slika 2). Tokom eksperimenta, radni domet je bio 1,6 km, što je vrlo impresivan rezultat, posebno kada se uzme u obzir minimalni nivo potrošnja radio predajnika.

Kako se promijenio pristup Bluetooth 5 emitovanim porukama?

Prethodno je Bluetooth 4.x koristio tri namjenska kanala podataka za uspostavljanje veze između uređaja (37, 38, 39). Uz njihovu pomoć, uređaji su se našli i razmijenili servisne informacije... Mogli su i prenositi pakete podataka za emitovanje. Ovaj pristup ima nedostatke:

• at veliki broj aktivni predajnici, ovi kanali mogu biti jednostavno preopterećeni;
• sve više uređaja koristi emitovanje bez veze od tačke do tačke. Ovo je posebno važno za Internet stvari (IoT);
• novom kodiranom PHY sistemu kodiranja će biti potrebno osam puta duže za uspostavljanje veze, što će dodatno učitavati kanale emitovanja.

Kako bi se riješili ovi problemi u Bluetooth 5.0, odlučeno je da se pređe na shemu u kojoj se podaci prenose na svih 37 kanala podataka, a servisni kanali 37, 38, 39 se koriste za prijenos pokazivača. Pokazivač se odnosi na kanal na kojem će se emitirati poruka. U ovom slučaju, podaci se prenose samo jednom. Kao rezultat, moguće je značajno rasteretiti servisne kanale i eliminisati ovo usko grlo.

Također je vrijedno napomenuti da sada dužina podataka emitiranog paketa može biti do 255 bajtova umjesto 6 ... 37 bajtova PDU u Bluetooth 4.x. Ovo je izuzetno važno za IoT aplikacije, jer minimizira troškove prijenosa i eliminira potrebu za konekcijama, a samim tim smanjuje potrošnju.

Da li Bluetooth 5 podržava Mesh mreže?

Texas Instruments Bluetooth 5 rješenja

Jedan od prvih mikrokontrolera sa Bluetooth 5.0 bio je procesor visokih performansi CC2640R2F kompanije Texas Instruments.

CC2640R2F je baziran na modernoj 32-bitnoj ARM Cortex-M3 jezgri sa radna frekvencija do 48 MHz. Radio predajnikom upravlja drugo 32-bitno ARM Cortex-M0 jezgro (slika 3). Osim toga, CC2640R2F ima bogatu digitalnu i analognu periferiju.

Prednost mikrokontrolera CC2640R2F je i nizak nivo potrošnje (tabela 2). Ovo se odnosi na sve načine rada. Na primjer, u aktivni način rada pri prijemu podataka preko radio kanala potrošnja je 5,9 mA, a pri odašiljanju - 6,1 mA (0 dBm) ili 9,1 mA (5 dBm). Kada idete u stanje mirovanja, struja napajanja pada na 1 μA.

Kombinacija tri takva važnih kvaliteta kao podrška za Bluetooth 5.0, niska potrošnja i visoke performanse čine CC2640R2F izuzetno zanimljiva odluka za internet stvari. Štaviše, korišćenjem ovaj mikrokontroler Moguće je kreirati čitav niz IoT uređaja: samostalne senzore koji rade na jednoj bateriji nekoliko godina, mostove između dodatnog upravljačkog procesora i Bluetooth 5.0 kanala, složene aplikacije koje zahtijevaju veliku računarsku snagu.

Tabela 2. Potrošnja bežičnog mikrokontroleraCC2640 R2 Fuz podrškuBluetooth 5

Za Brzi početak Za rad sa CC2640R2F, Texas Instruments je pripremio tradicionalni komplet za otklanjanje grešaka (slika 4). Uz pomoć par takvih uređaja možete procijeniti brzinu i domet radio prijenosa putem Bluetooth 5.0. Da biste to učinili, možete koristiti gotove primjere ili kreirati vlastitu aplikaciju baziran na besplatnom BLE 5 stack 1.0 protokolu (www.ti.com/ble).

Zaključak

Nova verzija Bluetooth 5.0 protokola fokusirana je na zadovoljavanje potreba Interneta stvari (IoT). U poređenju sa Bluetooth 4.0, ima niz poboljšanja kvaliteta:

• brzina prenosa podataka se udvostručila i dostigla 2 Mbps;
• domet prijenosa se učetvorostručio zbog kodiranja podataka Kodirani PHY i Forward Error Correction (FEC);
• propusnost emitovane poruke je porastao 8 puta.

Osim toga, Bluetooth 5.0 pruža kompatibilnost unatrag s Bluetooth 4.x uređajima i također podržava većinu ekstenzija. kasnije verzije protokol.

Procjena Bluetooth mogućnosti 5.0 je sada dostupan uz alate iz Texas Instrumentsa. Kompanija proizvodi CC2640R2F mikrokontroler visokih performansi male snage, pruža besplatan BLE 5 stack 1.0 i mnoge gotovi primjeri za LAUNCHXL-CC2640R2 komplet za otklanjanje grešaka.

Književnost

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

Zdravo.

3. decembra 2014. Bluetooth SIG je zvanično objavio specifikaciju bluetooth verzija 4.2.
U saopštenju za javnost navode se 3 glavne inovacije:

• povećanje brzine prijenosa i prijema podataka;
• mogućnost povezivanja na Internet;
• poboljšanje privatnosti i sigurnosti.

Glavna teza saopštenja za javnost: verzija 4.2 - idealno za Internet stvari (IoT).
U ovom članku želim vam reći kako se implementiraju ove 3 tačke. Koga briga dobrodošao.

Sve dolje opisano vrijedi samo za BLE, idemo...

1. Povećanje brzine prijema i prijenosa korisničkih podataka.

Glavni nedostatak BLE-a bila je njegova niska brzina prijenosa podataka. Iako s koje strane gledati, ipak je BLE izvorno izmišljen radi uštede energije izvora koji napaja uređaj. A da biste uštedjeli energiju, morate povremeno stupiti u kontakt i prenositi neke podatke. Međutim, svejedno, cijeli internet je ispunjen ogorčenjem zbog male brzine i pitanja o mogućnosti njenog povećanja, kao i povećanja veličine prenetih podataka.

A sada s pojavom verzije 4.2, Bluetooth SIG je najavio povećanje brzine prijenosa za 2,5 puta i veličine odaslanog paketa za 10 puta. Kako su to postigli?

Reći ću vam da su ova 2 broja međusobno povezana, odnosno: brzina se povećala jer se povećala veličina poslanog paketa.

Pogledajmo PDU (protokolsku jedinicu podataka) kanala podataka:


Svaki PDU sadrži 16-bitno zaglavlje. Dakle, ovaj naslov u verziji 4.2 se razlikuje od naslova u verziji 4.1.

Evo naslova verzije 4.1:

A evo i naslova verzije 4.2:

Napomena: RFU (Rezervisano za buduću upotrebu) - polje označeno ovom skraćenicom rezervisano je za buduću upotrebu i ispunjeno je nulama.

Kao što možemo vidjeti, posljednjih 8 bitova zaglavlja se razlikuju. Polje "Dužina" je zbir dužina korisnog opterećenja i polja MIC (Provjera integriteta poruke) u PDU-u (ako je omogućeno).
Ako u verziji 4.1 polje "Dužina" ima veličinu od 5 bita, onda je u verziji 4.2 ovo polje veličine 8 bita.

Odavde je lako izračunati da polje "Dužina" u verziji 4.1 može sadržavati vrijednosti u rasponu od 0 do 31, au verziji 4.2 u rasponu od 0 do 255. Ako od maksimalne vrijednosti oduzmimo dužinu MIC polja (4 okteta), dobijamo da nosivost može biti 27 i 251 oktet za verzije 4.1 i 4.2, respektivno. U stvari, maksimalna količina podataka je čak i manja, jer korisni teret takođe sadrži podatke L2CAP usluge (4 okteta) i ATT (3 okteta), ali to nećemo razmatrati.

Tako je veličina prenesenih korisničkih podataka povećana otprilike 10 puta. Što se tiče brzine koja je iz nekog razloga porasla 10 puta, a samo 2,5 puta, onda se ne može govoriti o proporcionalnom povećanju, jer sve zavisi i od garantovane isporuke podataka, jer je to malo teže garantovati isporuka 200 bajtova od 20.

2. Mogućnost povezivanja na Internet.

Možda je najzanimljivija inovacija zašto je Bluetooth SIG najavio da verzija 4.2 čini Internet stvari (IoT) boljim zbog ove funkcije.

U verziji 4.1, "LE Credit Based Flow Control Mode" pojavio se u L2CAP. Ovaj način rada vam omogućava kontrolu protoka podataka pomoću tzv. kreditna šema. Posebnost sheme je u tome što ne koristi signalne pakete za označavanje količine prenesenih podataka, već traži od drugog uređaja zajam za određenu količinu podataka za prijenos, čime se ubrzava proces prijenosa. U isto vrijeme, strana koja prima okvir svaki put kada primi okvir, smanjuje brojač okvira, a kada se dostigne posljednji okvir, može prekinuti vezu.

3 nova koda pojavila su se na listi L2CAP komandi:
- LE Credit Based Connection zahtjev - zahtjev za povezivanje u okviru kreditne šeme;
- LE Credit Based Connection odgovor - odgovor na vezu u okviru kreditne šeme;
- LE Flow Control Credit - poruka o mogućnosti primanja dodatnih LE okvira.

U paketu "LE zahtjev za povezivanje na osnovu kredita"


postoji polje od 2 okteta "Početni krediti" koje označava broj LE okvira koje uređaj može poslati na nivou L2CAP.

U paketu odgovora "LE Credit Based Connection odgovor"


isto polje sadrži broj LE okvira koje drugi uređaj može poslati, a polje "Rezultat" sadrži i rezultat zahtjeva za povezivanje. Vrijednost 0x0000 označava uspjeh, ostale vrijednosti ukazuju na grešku. Konkretno, vrijednost 0x0004 ukazuje na neuspjeh veze zbog nedostatka resursa.

Tako je već u verziji 4.1 postalo moguće prenijeti veliku količinu podataka na L2CAP nivou.
A sada, gotovo istovremeno s izdavanjem verzije 4.2, objavljeno je sljedeće:

• usluga: "IP Support Service" (IPSS).
• Profil podrške Internet protokola (IPSP), koji definira podršku za prijenos IPv6 paketa između BLE uređaja.

Glavni zahtjev za profil za nivo L2CAP je "LE Credit Based Connection", koji se pojavio u verziji 4.1, koji vam zauzvrat omogućava prijenos paketa sa MTU> = 1280 okteta (nadam se da je nagoveštaj na slici jasan) .

Profil definiše sljedeće uloge:
- Uloga rutera — koristi se za uređaje koji mogu usmjeravati IPv6 pakete;
- uloga čvora (Node) - koristi se za uređaje koji mogu primati ili slati samo IPv6 pakete; imaju funkciju otkrivanja usluge i IPSS uslugu koja omogućava ruterima da otkriju dati uređaj;

Uređaji s ulogom rutera koji se trebaju povezati s drugim ruterom mogu imati ulogu domaćina.

Čudno, ali prijenos IPv6 paketa nije dio specifikacije profila, već je specificiran u IETF RFC-u "Prijenos IPv6 paketa preko Bluetooth Low Energy". Ovaj dokument definiše još jedno zanimljiv trenutak, naime, da se pri prijenosu IPv6 paketa koristi standard 6LoWPAN - ovo je standard za interakciju korištenjem IPv6 protokola preko bežične mreže male snage lične mreže IEE 802.15.4 standard.

Pogledajte sliku:


Profil navodi da se IPSS, GATT i ATT koriste samo za otkrivanje usluge, a GAP se koristi samo za otkrivanje uređaja i uspostavljanje veze.

Ali ona označena crvenom bojom samo znači da prijenos paketa nije uključen u specifikaciju profila. Ovo omogućava programeru da napiše sopstvenu implementaciju prenosa paketa.

3. Poboljšanje privatnosti i sigurnosti.

Jedna od odgovornosti upravitelja sigurnosti (SM) je da upari dva uređaja. Proces uparivanja generira ključeve koji se zatim koriste za šifriranje komunikacija. Proces uparivanja sastoji se od 3 faze:

• razmjena informacija o metodama uparivanja;
• generisanje kratkoročnih ključeva (Short Term Key (STK));
• razmjena ključeva.

U verziji 4.2, 2. faza je podijeljena na 2 dijela:

• generiranje kratkoročnih ključeva (Short Term Key (STK)) pod nazivom "LE legacy uparivanje"
• generiranje dugoročnih ključeva (Long Term Key (LTK)) pod nazivom "LE Secure Connections"

S tim u vezi, pored 3 postojeće funkcije, u kriptografskom alatu menadžera sigurnosti pojavilo se još 5 i ovih 5 se koriste samo za servisiranje novog procesa uparivanja LE Secure Connections. Ove funkcije generiraju:

• LTK i MacKey;
• potvrđujuće varijable;
• varijable provjere autentičnosti;
• 6-cifreni brojevi koji se koriste za prikaz na povezanim uređajima.

Sve funkcije koriste AES-CMAC algoritam šifriranja sa 128-bitnim ključem.

Dakle, ako su 2 ključa generirana tokom uparivanja u 2. fazi korištenjem metode "LE legacy uparivanje":

• Privremeni ključ (TK): 128-bitni privremeni ključ koji se koristi za generiranje STK-a;
• Kratkoročni ključ (STK): 128-bitni privremeni ključ koji se koristi za šifriranje veze

tada se generira 1 ključ korištenjem metode LE Secure Connections:

• Dugoročni ključ (LTK): 128-bitni ključ koji se koristi za šifriranje narednih veza.

Kao rezultat ove inovacije, dobili smo:

• sprečavanje praćenja jer sada je zahvaljujući "Numeric Comparison" moguće kontrolisati mogućnost povezivanja na vaš uređaj.
• poboljšana energetska efikasnost, kao sada nije potrebna dodatna energija za regeneraciju ključeva na svakoj vezi.
• Industrijsko standardno šifriranje za osiguranje osjetljivih podataka.

Čudno zvuči, ali zbog poboljšane sigurnosti, dobili smo poboljšanje energetske efikasnosti.

4. Postoji li već prilika da se to osjeti?

Da tu je.
NORDIC Semiconductor je objavio "nRF51 IoT SDK" koji uključuje stek, biblioteke, primjere i API-je za uređaje serije nRF51. Ovo uključuje:

• čipovi nRF51822 i nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 Dongle;
• nRF51822 EK.