Velocità di trasmissione Bluetooth 4.2. La serie di prodotti Toshiba Bluetooth Low Energy supporta lo standard Bluetooth Mesh

Una parola interessante chiamata Bluetooth è un protocollo per lo scambio di informazioni su non lunghe distanze... La sua area di copertura, rispetto al Wi-Fi, è piuttosto modesta (massimo 100 metri, quindi in caso migliore se si dispone della versione più recente) e la velocità di trasferimento dei dati è bassa. Ma questi svantaggi sono compensati dal basso consumo energetico e dall'elevata velocità di connessione (il cosiddetto pairing) dei telefoni.

Il Bluetooth è molto vecchia tecnologia nel mercato informatico; il primo versione (1.0)è nata nel 1998. Sopra questo momentoè considerato obsoleto e non viene utilizzato in nessun dispositivo in commercio.

Versioni Bluetooth

La prossima versione del protocollo è 1.2 - ora considerato anche obsoleto, ma ha servito fedelmente gli utenti del telefono per molto più tempo. Può ancora essere trovata in qualche a buon mercato dispositivi mobili fatto in Cina. Velocità di trasferimento massima dati bluetooth 1.2 è 721 kbps. I telefoni si accoppiano molto più velocemente, puoi essere online in modo anonimo. Questa versione del protocollo consente di trasferire non solo musica e immagini, ma anche altri tipi di file, nonché dati di servizio.

L'emergere della tecnologia EDR, o Enhanced Data Rate, divenne passo successivo nello sviluppo di Bluetooth, e abbastanza grande. La velocità di trasferimento dei dati in teoria è aumentata a 3 Mbit/s, sebbene in pratica di solito non superi i 2 Mbit/s. Questa tecnologia è supportata da due versioni di bluetooth: 2.0, rilasciata nel 2004, e 2.1, nata nel 2007. Sono quasi completamente identici, differiscono solo per le tecnologie di risparmio energetico.

INSIEME A Bluetooth 2.1 quasi tutti disponibili in commercio sono compatibili cellulari, navigatori, auricolari e altri dispositivi. Il consumo energetico rispetto alle versioni precedenti del protocollo è diminuito di quasi 10 volte, il che ha permesso di produrre in serie cuffie compatte.

Bluetooth versione 3.0 apparso nel 2009, e con la sua comparsa è diventato possibile trasferimento informazioni a una velocità molto più elevata rispetto a prima (tecnologia HS o High Speed). I dispositivi compatibili con Bluetooth 3.0 + HS sono dotati di 2.1 + EDR (fino a 3 Mbps), oltre a un secondo modulo che funziona in modo simile al Wi-Fi e fornisce velocità fino a 24 Mbps. Nonostante il principio di funzionamento simile, non esiste una compatibilità diretta con il Wi-Fi.

La tecnologia HS, con tutti i suoi vantaggi, presentava un grave inconveniente: l'elevato consumo energetico. Tuttavia, già nel 2010, quando Bluetooth 4.0, è stato corretto. Il chip di questa versione è presente in tutto i migliori smartphone e tablet, così come nella maggior parte degli ultrabook. I dati possono essere trasferiti a una distanza fino a 100 metri ad una velocità fino a 30 Mbps.

Va notato, tuttavia, che non tutte le possibilità di questo standard Bluetooth sono necessari. Quindi, la possibilità di un lungo lavoro autonomo(funzione Bluetooth Bassa energia ) è supportato solo dai dispositivi più recenti.

Maggioranza periferiche come auricolari, navigatori, ecc, supporta Bluetooth 2.1 + EDR, quindi se il tuo dispositivo supporta la stessa versione, andrà tutto bene. Sebbene alcuni dispositivi possano supportare altre versioni del protocollo. Ad esempio, l'orologio di debug MetaWatch di Texas Instruments, che visualizza varie informazioni su uno smartphone sul display, supporta il Bluetooth 4.0. Perché funzioni, la tua macchina deve supportare la stessa versione.

Se è importante per te trasmissione ad alta velocità informazioni, è necessaria la versione Bluetooth 3.0 o 4.0 su entrambi i dispositivi. Benchè alta velocità il trasferimento dei dati può essere ottenuto attraverso Tecnologia NFC(Funzione S Beam nei nuovi smartphone Samsung). sì e Wi-Fi diretto in molti casi è più opportuno utilizzare questa funzione, perché questa funzione è supportata da molti dispositivi basati sul sistema operativo Android 4.0 e la velocità di trasmissione è molto più elevata rispetto al Bluetooth.

Profili Bluetooth

Gestito le versioni Bluetooth; ognuno ha le sue caratteristiche - non puoi confonderlo. E inoltre, non confondere le versioni bluetooth con i profili. Un profilo è un'attività specifica possibile su diverse versioni del protocollo.

Profilo A2DP offre la possibilità di trasferire file e audio stereo, disponibile nella versione Bluetooth 1.2 e successive. Tuttavia, ogni dispositivo specifico potrebbe avere il proprio set di profili, quindi alcune azioni, anche tenendo conto dell'ultima versione del bluetooth, potrebbero non essere disponibili. Ad esempio, gli smartphone Windows non supportano lo scambio di informazioni tramite Bluetooth, e l'utente dovrà ricorrere ad alcuni accorgimenti se vorrà utilizzare questa funzionalità del protocollo.

Gli smartphone moderni e altri dispositivi stanno sollecitando il supporto per "Bluetooth 5.0" sulla loro scheda tecnica. Ecco cosa c'è di nuovo nelle ultime e più versione migliore Bluetooth.

Cos'è il Bluetooth?

Bluetooth 5.0 è ultima versione standard wireless Comunicazione Bluetooth... È comunemente usato per cuffie wireless e altre apparecchiature audio, nonché per tastiere senza fili, mouse e controller di gioco. Il Bluetooth viene utilizzato anche per la comunicazione tra vari dispositivi casa intelligente e l'Internet delle cose (IoT).

La nuova versione dello standard Bluetooth comporta vari miglioramenti, ma solo se utilizzata con periferiche compatibili. In altre parole, non vedrai alcun vantaggio dall'aggiornamento del tuo telefono Bluetooth 5.0 se tutti i tuoi accessori Bluetooth sono stati progettati per una versione precedente di Bluetooth. Tuttavia, il Bluetooth è compatibile con le versioni precedenti, quindi puoi continuare a utilizzare il Bluetooth 4.2 esistente e i dispositivi precedenti con telefono Bluetooth 5.0. E quando acquisti nuove periferiche Bluetooth 5.0, funzioneranno meglio con il tuo telefono Bluetooth 5.0.

Cuffie wireless Bluetooth a basso consumo (e non solo)

È importante notare che tutti i miglioramenti Bluetooth sono correlati alla specifica Bluetooth Low Energy, introdotta con Bluetooth 4.0, e non alla classica radio Bluetooth, che utilizza più energia. Tecnologia Bluetooth Low Energy è progettato per ridurre il consumo energetico delle periferiche Bluetooth. Originariamente era utilizzato per vettori, beacon e altri dispositivi a bassa potenza, ma presentava alcune serie limitazioni.

Per esempio, cuffie senza fili non potevano comunicare tramite Bluetooth Low Energy, quindi hanno dovuto utilizzare invece lo standard vocale Bluetooth più potente. Con Bluetooth 5.0, tutti i dispositivi audio comunicano tramite Bluetooth Low Energy, il che significa un minor consumo energetico e una maggiore durata della batteria. In futuro, molti altri tipi di dispositivi potranno comunicare con Bluetooth Low Energy.

In particolare, gli AirPod di Apple non utilizzano il Bluetooth 5.0. Usano il Bluetooth 4.2 e un chip Apple W1 dedicato per migliorare la connettività. Sopra Bluetooth Android 5.0 dovrebbe aiutare a rendere le cuffie Bluetooth qualcosa che vuoi usare.

Doppio audio

Il Bluetooth 5.0 offre anche una nuova fantastica funzionalità per riprodurre l'audio su due dispositivi collegati contemporaneamente. In altre parole, puoi avere due paia di auricolari wireless collegati al telefono e trasmettono simultaneamente l'audio a entrambi tramite Bluetooth standard. Oppure puoi riprodurre l'audio su due altoparlanti diversi in stanze diverse. Puoi trasmettere in streaming due diverse sorgenti audio contemporaneamente a due diversi dispositivi audio contemporaneamente, in modo che due persone possano ascoltare due brani musicali diversi, ma verrebbero trasmessi in streaming dallo stesso telefono.

Questa funzione è chiamata “Dual Audio” su Samsung Galaxy S8. Basta collegare due dispositivi audio Bluetooth al telefono, abilitare Dual Audio e sei pronto per partire. Tuttavia, non dovrebbe essere Funzione Samsung... Ha il Bluetooth 5.0 abilitato e si spera che appaia sui dispositivi di altri produttori.

Più velocità, distanza e larghezza di banda

I principali vantaggi del Bluetooth 5.0 sono una maggiore velocità e una maggiore portata. In altre parole, è più veloce e può operare su distanze maggiori rispetto alle versioni precedenti di Bluetooth.

Quando lo riceverai?

Oggi puoi ottenere dispositivi abilitati Bluetooth 5.0, come iPhone 8 e 8 Plus, iPhone X, Samsung Galaxy S8 e S9 e futuri telefoni Android. Tuttavia, è necessario anche il Bluetooth 5.0. Non sono ancora molto diffusi, ma molti produttori promettono di rilasciare dispositivi Bluetooth 5.0 nel 2018.

Poiché il Bluetooth supporta retrocompatibilità Il tuo Bluetooth 5.0 e i dispositivi Bluetooth precedenti funzioneranno insieme. È un po' come passare a uno nuovo e più veloce. Standard Wi-Fi... Anche dopo aver ricevuto nuovo router supportando un Wi-Fi più veloce, devi anche aggiornare tutti gli altri dispositivi. Ma i tuoi vecchi dispositivi con Supporto Wi-Fi può ancora connettersi al nuovo router a una velocità inferiore a quella supportata dal router.

Se puoi accedere telefono Android con le cuffie bluetooth 5.0 e bluetooth 5.0, molto probabilmente avrai molto meglio suono senza fili rispetto al vecchio standard Bluetooth.

Gli utenti iPhone possono ottenere buona esperienza lavorare con i propri Cuffie AirPods o Beats di Apple grazie al chip W1, ma ora ottieni un buon suono bluetooth su Android. Il Bluetooth 5.0 dovrebbe persino migliorare le cuffie wireless su iPhone se decidi di passare a terze parti cuffie bluetooth 5,0 invece di Cuffie Apple con chip W1.

Tuttavia, non consigliamo di aggiornare ogni piccola cosa. Anche se hai un laptop con supporto Bluetooth 5.0, ad esempio, l'aggiornamento del mouse a Bluetooth 5.0 probabilmente non sarà un grande miglioramento. Ma poiché il supporto Bluetooth 5.0 si riflette in ogni nuovo dispositivo Bluetooth, le periferiche Bluetooth miglioreranno e il Bluetooth diventerà più affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico.

Per tempi recenti numero di utenti gadget mobiliè aumentato in modo significativo, il che significa che un gran numero di diversi problemi tecnici rimangono cavalli oscuri per gli utenti inesperti. Una di queste sfumature è la versione Bluetooth.

Protocolli o profili

Nonostante la compatibilità delle versioni bluetooth sia ad un livello abbastanza alto, a volte ci sono situazioni in cui diventa impossibile accoppiare due dispositivi. E il punto qui è nei protocolli, non nei profili. E per dimostrare l'impossibilità di cui sopra, devi prima capire qual è la differenza tra questi due concetti.

Un protocollo è un insieme di istruzioni attraverso le quali viene eseguita la trasmissione varie informazioni... È lui che stabilisce l'ordine, la frequenza operativa e la durata del lavoro di un particolare componente. E i profili sono componenti aggiuntivi che ti consentono di operare sulle informazioni di un certo tipo... Ad esempio, A2DP è un profilo che consente a un modulo bluetooth di funzionare con audio stereo, dove, durante l'accoppiamento, vengono negoziati anche i codec da utilizzare.

Se guardi a livello globale, la versione dei protocolli ha maggiore importanza rispetto al significato del profilo. Se entrambi i dispositivi hanno la stessa versione del protocollo, avranno accesso a tutti funzioni standard e le capacità supportate dal modulo. Ma con i profili, tutto è diverso. Poiché vengono aggiunti facoltativamente, affinché possano essere utilizzati e funzionare, dovranno essere presenti in entrambi i gadget. Se solo un modulo bluetooth supporta il profilo richiesto, non verrà utilizzato durante il trasferimento dei dati.

Molti utenti sono interessati alla domanda su come scoprire la versione bluetooth. Questo può essere fatto in diversi modi, ma il più semplice è leggere le specifiche del dispositivo. Ma è molto più importante capire cosa si nasconde dietro questi numeri.

Come scoprire la versione Bluetooth: Video

Dati tecnici dei vari protocolli

Questa descrizione non conterrà l'elenco più completo delle versioni del protocollo, ma solo le più significative per l'intera tecnologia. E, naturalmente, vale la pena iniziare con il primo, che è stato creato senza un paio d'anni quasi due decenni fa - nel 1998, da un gruppo partner di SIG o Special Interested Group. Lo sviluppo principale è stato stabilito dall'allora società svedese Ericsson 4 anni prima di entrare nel mercato. Come risultato di uno studio di successo, degno analogo tecnologie cablate e lo chiamò in onore del re vichingo danese Harald il primo Bluetooth.

La prima versione aveva un'incredibile compatibilità tra dispositivi di diversi produttori. La velocità era ridotta e l'autonomia era chiaramente inferiore allo standard stabilito. Se non fosse stato per i rapidi tentativi di perfezionare la tecnologia, l'intera idea potrebbe essere sprofondata nell'oblio. E qualità professionale i lavoratori non hanno deluso, perché presto ci fu la prima versione 1.1 e poi 1.2, che divenne l'apice dell'evoluzione dei moduli di prima generazione. La compatibilità generale è stata portata a un livello abbastanza alto, la portata è stata impostata su dieci metri onesti, la velocità di trasmissione è stata resa semplicemente trascendentale - 721 Kbit / s, ovviamente, in teoria.

Versione 2.1

La seconda generazione ha fatto una rivoluzione, ma è stata la versione 2.1 a diventare la stella guida che viene utilizzata ancora oggi. Molti dispositivi entry-level e di classe media utilizzano questa particolare variante del modulo bluetooth. L'obiettivo principale era la velocità e la sovrastruttura EDR era la soluzione. È stato grazie a lei che è diventato possibile trasmettere a velocità vicine a 3 Mbit / s e il livello di consumo energetico è stato ridotto di cinque volte. Ovviamente sono comparsi vari profili e add-on, fino alla possibilità di distribuire l'accesso alla rete.

Terza versione

La specifica 3.0 ad alta velocità aveva molto in comune con il Wi-Fi, ma non aveva una compatibilità diretta con esso, ma l'uso della tecnologia SLI, secondo la quale due modulo bluetooth collegato in un unico sistema, ha permesso di aumentare la velocità di trasmissione fino a 24 Mbit/s. Inoltre, quando ci si sposta file di grandi dimensioniè stato utilizzato un protocollo più veloce, ma anche dispendioso in termini di energia, e per i file di piccole dimensioni era molto economico.

La quarta generazione di dispositivi si basava sull'idea di modificare la tecnologia precedente in modo che il consumo energetico fosse minimo e tutte le altre funzioni e capacità fossero aumentate ed espanse. Quindi, oltre alla velocità, fu aumentato anche il raggio, che ora poteva raggiungere le centinaia di metri. I pacchetti di dati sono diventati di dimensioni più ottimali ed è stata aggiunta la loro crittografia a 128 bit. Le dimensioni del trasmettitore sono diventate minuscole, il che rende possibile utilizzarli ovunque. Uno dei punti forti è stata l'aggiunta di tre modalità opera.

Bluetooth 5.0 diventata una realtà. Rispetto al Bluetooth 4.0 una nuova versione Esso ha raddoppia la larghezza di banda, quadruplica la portata e tutta una serie di altri miglioramenti. Considera i vantaggi del Bluetooth 5.0 rispetto ai suoi predecessori, incluso un esempio CPU CC2640R2F a partire dal Texas Instruments.

Popolarità della versione Protocollo Bluetooth 4, così come alcune delle sue limitazioni sono diventate le ragioni per la creazione della prossima specifica Bluetooth 5. Gli sviluppatori si sono posti una serie di obiettivi: espandere la gamma, aumentare larghezza di banda quando si inviano pacchetti di trasmissione, migliorando l'immunità al rumore e così via.

Ora che i primi dispositivi con Bluetooth 5 hanno cominciato ad apparire, utenti e sviluppatori giustamente si pongono delle domande: quale delle promesse precedentemente annunciate si è avverata? Di quanto è aumentata la portata e la velocità di trasferimento dei dati? In che modo questo ha influito sul livello di consumo? Come è cambiato l'approccio alla formazione dei pacchetti broadcast? Quali miglioramenti sono stati apportati per migliorare l'immunità al rumore? Ed ovviamente, domanda principale- esiste una retrocompatibilità tra Bluetooth 5 e Bluetooth 4? Rispondiamo a queste e ad altre domande e consideriamo i principali vantaggi del Bluetooth 5.0 rispetto ai suoi predecessori, incluso l'esempio di un vero processore con supporto Bluetooth 5.0 dell'azienda. Texas Instruments.

Iniziamo la nostra recensione di Bluetooth 5.0 rispondendo alla domanda più frequente sulla retrocompatibilità con Bluetooth 4.x

Il Bluetooth 5.0 è retrocompatibile con Bluetooth 4.x?

Sì, lo fa. Bluetooth 5 ha ripreso la maggior parte delle funzionalità e delle estensioni di Bluetooth 4.1 e 4.2. Ad esempio, i dispositivi Bluetooth 5 conservano tutti i miglioramenti alla sicurezza dei dati Bluetooth 4.2 e supportano l'estensione della lunghezza dei dati LE. Vale la pena ricordare che grazie alla LE Data Length Extension, a partire da Bluetooth 4.2, la dimensione dell'unità dati a pacchetto (PDU) a connessione stabilita può essere aumentato da 27 a 251 byte, il che consente di aumentare il tasso di scambio dati di 2,5 volte.

A causa dell'elevato numero di differenze tra le versioni del protocollo, viene preservato il meccanismo tradizionale per la negoziazione dei parametri tra i dispositivi durante la creazione delle connessioni. Ciò significa che prima di iniziare a scambiare dati, i dispositivi "fanno conoscenza" e determinano frequenza massima trasferimento dati, lunghezza del messaggio e così via. Le impostazioni predefinite sono Bluetooth 4.0. Il passaggio ai parametri Bluetooth 5 avviene solo se durante il processo di negoziazione risulta che entrambi i dispositivi supportano la versione successiva del protocollo.

A proposito degli strumenti già disponibili per gli sviluppatori, vale la pena notare nuovo processore CC2640R2F e uno stack BLE5 gratuito di Texas Instruments. Per la gioia degli sviluppatori, BLE5-Stack è basato su versione precedente BLE-Stack e i cambiamenti nel suo utilizzo hanno interessato solo quelli nuovi Funzionalità Bluetooth 5.0.

Come è aumentata la velocità di trasferimento dei dati in Bluetooth 5?

Bluetooth 5 utilizza una connessione wireless con una velocità di trasferimento dati fisica fino a 2 Mbps, che è il doppio di quella di Bluetooth 4.x. Va notato qui che il tasso effettivo di scambio dati dipende non solo dalla larghezza di banda fisica del canale di trasmissione, ma anche dal rapporto tra servizio e informazioni utili nel pacco, nonché dai costi "spese generali" di accompagnamento, ad esempio la perdita di tempo tra i pacchi (tabella 1).

Tabella 1. Tasso di scambio dati per diverse versioniBluetooth

Nelle versioni Bluetooth 4.0 e 4.1, la larghezza di banda fisica del canale era di 1 Mbit/s, che, con una lunghezza del pacchetto dati PDU di 27 byte, consentiva di raggiungere un tasso di cambio fino a 305 kbit/s. Bluetooth 4.2 introduce l'estensione della lunghezza dei dati LE. Grazie a lui, dopo aver stabilito una connessione tra i dispositivi, è stato possibile aumentare la lunghezza del pacchetto a 251 byte, il che ha portato ad un aumento della velocità di scambio dei dati di 2,5 volte - fino a 780 kbit / s.

Bluetooth versione 5 mantiene il supporto per LE Data Length Extension, che, insieme a un aumento della larghezza di banda fisica fino a 2 Mbps, consente di raggiungere velocità di scambio dati fino a 1,4 Mbps.

Come dimostra la pratica, tale accelerazione del trasferimento dei dati non è il limite. Ad esempio, il microcontrollore wireless CC2640R2F è in grado di funzionare a velocità fino a 5 Mbps.

Vale la pena menzionare un malinteso comune secondo cui l'aumento del throughput fino a 2 Mbps è stato ottenuto riducendo la portata. Naturalmente, fisicamente il chip del ricetrasmettitore (PHY) quando funziona a 2 Mbit/s ha 5 dBm in meno di sensibilità rispetto a quando funziona a 1 Mbit/s. Tuttavia, oltre alla sensibilità, ci sono altri fattori che contribuiscono ad aumentare l'intervallo, ad esempio il passaggio alla codifica dei dati. Per questo motivo, a parità di altre condizioni, il Bluetooth 5 risulta essere più affidabile e ha raggio maggiore azioni rispetto al Bluetooth 4.0. Questo è descritto in dettaglio in uno dei seguenti sezioni articoli.

Come attivare la modalità di trasferimento dati ad alta velocità in Bluetooth 5?

Quando si stabilisce una connessione tra due Dispositivi Bluetooth inizialmente vengono utilizzate le impostazioni Bluetooth 4.0. Ciò significa che nella prima fase i dispositivi scambiano dati a una velocità di 1 Mbps. Una volta stabilita la connessione, la procedura guidata abilitata per Bluetooth 5.0 può iniziare la procedura di aggiornamento PHY per stabilire velocità massima 2Mbps. Questa operazione andrà a buon fine solo se lo slave supporta anche il Bluetooth 5.0. In caso contrario, la velocità rimane a 1 Mbps.

Per gli sviluppatori che hanno utilizzato in precedenza lo stack BLE di Texas Instruments, la buona notizia è che il nuovo stack BLE5 ha una singola funzione, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd (), allocata per eseguire la procedura di cui sopra. Pertanto, durante l'aggiornamento a Bluetooth 5.0, gli utenti TI non avranno problemi con l'inizializzazione iniziale. Sarà utile anche per gli sviluppatori un esempio pubblicato sul portale GitHub, che consente di valutare il funzionamento di due microcontrollori CC2640R2F operanti come parte dei LaunchPad CC2640R2 in modalità High Speed ​​e Long Range.

Come è aumentata la portata del Bluetooth 5?

La specifica Bluetooth 5.0 dice che ha quattro volte la portata del Bluetooth 4.0. Questa è una domanda piuttosto sottile, su cui vale la pena soffermarsi più in dettaglio.

Innanzitutto, il concetto di "quattro volte" è relativo e non è legato a un intervallo specifico in metri o chilometri. Il fatto è che il raggio di trasmissione radio dipende fortemente da una serie di fattori: lo stato dell'ambiente, il livello di interferenza, il numero di dispositivi che trasmettono simultaneamente e così via. Di conseguenza, non un singolo produttore, così come lo stesso sviluppatore dello standard Bluetooth SIG, fornisce valori specifici. L'aumento della portata è stimato rispetto al Bluetooth 4.0.

Per ulteriori analisi, è necessario eseguire alcuni calcoli matematici e stimare il budget di potenza del canale radio. Quando si utilizzano valori logaritmici, il budget del canale radio (dB) è uguale alla differenza tra la potenza del trasmettitore (dBm) e la sensibilità del ricevitore (dBm):

Budget del canale radio = potenzaT X(dBm) - sensibilitàR X(dBm)

Per Bluetooth 4.0, la sensibilità del ricevitore standard è -93 dBm. Supponendo una potenza del trasmettitore di 0 dBm, il budget è di 93 dB.

Aumentare la gamma di quattro volte richiederebbe un aumento del budget di 12 dB, che fornisce un valore di 105 dB. Come dovrebbe essere raggiunto questo valore? Ci sono due modi:

• aumentare la potenza dei trasmettitori;
• aumentare la sensibilità dei ricevitori.

Se si percorre il primo percorso e si aumenta la potenza del trasmettitore, questo provocherà inevitabilmente un aumento dei consumi. Ad esempio, per la transizione CC2640R2F a potenza di uscita 5 dBm porta ad un aumento del consumo di corrente fino a 9 mA (Figura 1). A una potenza di 10 dBm, la corrente aumenterà a 20 mA. Questo approccio non sembra attraente per la maggior parte dispositivi wireless alimentato a batteria e non è sempre adatto all'IoT, e questa è l'area in cui il Bluetooth 5.0 è stato principalmente orientato. Per questo motivo sembra preferibile la seconda soluzione.

Esistono due modi per aumentare la sensibilità del ricevitore:

• diminuzione della velocità di trasmissione;
• utilizzando la codifica dei dati PHY codificato.

Riducendo la velocità dei dati di un fattore otto, teoricamente si aumenta la sensibilità del ricevitore di 9 dB. Pertanto, mancano solo 3 dB all'ambito valore.

I 3 dB richiesti possono essere ottenuti utilizzando la codifica Coded PHY aggiuntiva. In precedenza, nelle versioni Bluetooth 4.x, la codifica dei bit era 1: 1 univoca. Ciò significa che il flusso di dati è stato diretto direttamente al demodulatore differenziale. In Bluetooth 5.0 quando si utilizza Coded PHY, ce ne sono due formato aggiuntivo trasmissione:

• con codifica 1:2, in cui ogni bit di dati è mappato su due bit nel flusso di dati radio. Ad esempio, un "1" logico è rappresentato come sequenza "10". In questo caso la velocità fisica rimane pari a 1 Mbit/s, e velocità reale la trasmissione dei dati scende a 500 kbps.
• Con codifica 1:4. Ad esempio, "1" logico è rappresentato dalla sequenza "1100". In questo caso, la velocità di trasferimento dei dati viene ridotta a 125 kbps.

L'approccio descritto è chiamato Forward Error Correction (FEC) e consente di rilevare e correggere gli errori su lato ricevente piuttosto che richiedere la ritrasmissione dei pacchetti, come nel caso del Bluetooth 4.0.

Tutto sembra a posto sulla carta. Resta solo da scoprire fino a che punto questi calcoli teorici corrispondono alla realtà. Prendiamo come esempio lo stesso microcontrollore CC2640R2F. Grazie a vari miglioramenti e nuove modalità di modulazione per Bluetooth 5.0, il ricetrasmettitore di questo processore ha una sensibilità di -97 dBm a 1 Mbps e -103 dBm quando si utilizza Coded PHY e 125 kbps. così in quest'ultimo caso fino a 105 dB, mancano solo 2 dBm.

Per stimare la portata del CC2640R2F, gli ingegneri di Texas Instruments hanno condotto un esperimento sul campo a Oslo. Inoltre, dal punto di vista del livello di rumore ambiente questa esperienza non può essere definita “amichevole”, poiché la parte commerciale della città si trovava nelle immediate vicinanze.

Per ottenere un budget di potenza superiore a 105 dB, si è deciso di aumentare la potenza del trasmettitore a 5 dBm. Ciò ha portato a un totale impressionante di 108 dBm (Figura 2). Durante l'esperimento, l'autonomia operativa era di 1,6 km, un risultato davvero impressionante, soprattutto se si considera livello minimo consumo di trasmettitori radio.

Come è cambiato l'approccio ai messaggi di trasmissione Bluetooth 5?

In precedenza, Bluetooth 4.x utilizzava tre canali dati dedicati per stabilire connessioni tra dispositivi (37, 38, 39). Con il loro aiuto, i dispositivi si sono trovati e scambiati informazioni di servizio... Potrebbero anche trasmettere pacchetti di dati broadcast. Questo approccio presenta degli svantaggi:

• a un largo numero trasmettitori attivi, questi canali possono essere semplicemente sovraccaricati;
• Tutti più dispositivi utilizza trasmissioni senza connessione punto-punto. Questo è particolarmente importante per l'Internet of Things (IoT);
• il nuovo sistema di codifica Coded PHY richiederà otto volte più tempo per stabilire una connessione, che caricherà inoltre i canali di trasmissione.

Per risolvere questi problemi in Bluetooth 5.0, è stato deciso di passare a uno schema in cui i dati vengono trasmessi su tutti i 37 canali dati e i canali di servizio 37, 38, 39 vengono utilizzati per trasmettere i puntatori. Il puntatore si riferisce al canale su cui verrà trasmesso il messaggio broadcast. In questo caso i dati vengono trasmessi una sola volta. Di conseguenza, è possibile scaricare in modo significativo i canali di servizio ed eliminare questo collo di bottiglia.

Vale anche la pena notare che ora la lunghezza dei dati di un pacchetto di trasmissione può arrivare fino a 255 byte invece di 6 ... 37 byte PDU in Bluetooth 4.x. Questo è estremamente importante per le applicazioni IoT, poiché riduce al minimo l'overhead di trasmissione ed elimina la necessità di connessioni e quindi riduce i consumi.

Il Bluetooth 5 supporta le reti Mesh?

Soluzioni Bluetooth 5 di Texas Instruments

Uno dei primissimi microcontrollori con Bluetooth 5.0 è stato il processore CC2640R2F ad alte prestazioni di Texas Instruments.

CC2640R2F si basa sul moderno core ARM Cortex-M3 a 32 bit con frequenza operativa fino a 48MHz. Il trasmettitore radio è controllato da un secondo core ARM Cortex-M0 a 32 bit (Figura 3). Inoltre, il CC2640R2F dispone di ricche periferiche analogiche e digitali.

Il vantaggio del microcontrollore CC2640R2F è anche un basso livello di consumo (tabella 2). Questo vale per tutte le modalità di funzionamento. Ad esempio, in modalità attiva quando si ricevono dati tramite un canale radio, il consumo è 5,9 mA e durante la trasmissione - 6,1 mA (0 dBm) o 9,1 mA (5 dBm). Quando si entra in modalità di sospensione, la corrente di alimentazione scende complessivamente a 1 μA.

Una combinazione di tre tali qualità importanti come supporto Bluetooth 5.0, basso consumo e prestazioni di picco elevate rendono il CC2640R2F estremamente decisione interessante per l'internet delle cose. Inoltre, utilizzando questo microcontrolloreÈ possibile creare una gamma completa di dispositivi IoT: sensori stand-alone che funzionano con un'unica batteria per diversi anni, ponti tra un processore di controllo aggiuntivo e il canale Bluetooth 5.0, applicazioni complesse che richiedono un'elevata potenza di calcolo.

Tavolo 2. Consumo del microcontrollore wirelessCC2640 R2 Fcon il supportoBluetooth 5

Per avvio veloce Per lavorare con CC2640R2F, Texas Instruments ha preparato un tradizionale kit di debug (Figura 4). Con l'aiuto di una coppia di tali dispositivi, è possibile valutare la velocità e la portata della trasmissione radio tramite Bluetooth 5.0. Per fare ciò, puoi utilizzare esempi già pronti o creare propria applicazione basato sul protocollo gratuito BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Conclusione

La nuova versione del protocollo Bluetooth 5.0 è focalizzata sulla soddisfazione delle esigenze dell'Internet of Things (IoT). Rispetto al Bluetooth 4.0, ha una serie di miglioramenti di qualità:

• la velocità di trasferimento dati è raddoppiata e ha raggiunto i 2 Mbps;
• il raggio di trasmissione è quadruplicato a causa della codifica dei dati Coded PHY e Forward Error Correction (FEC);
• portata messaggi trasmessiè cresciuto 8 volte.

Inoltre, Bluetooth 5.0 fornisce la retrocompatibilità con i dispositivi Bluetooth 4.x e supporta anche la maggior parte delle estensioni. versioni successive protocollo.

Stima Funzionalità Bluetooth 5.0 è ora disponibile con gli strumenti di Texas Instruments. L'azienda produce il microcontrollore CC2640R2F ad alte prestazioni e bassa potenza, fornisce uno stack BLE 5 1.0 gratuito e molti esempi già pronti per il kit di debug LAUNCHXL-CC2640R2.

Letteratura

1. Domande frequenti sulle specifiche Bluetooth Core 5.0. 2016. Bluetooth SIG.

Ciao.

3 dicembre 2014 Bluetooth SIG ha annunciato ufficialmente le specifiche versione bluetooth 4.2.
Il comunicato stampa elenca 3 principali novità:

• aumento della velocità di trasmissione e ricezione dei dati;
• la possibilità di connettersi a Internet;
• migliorare la privacy e la sicurezza.

La tesi principale del comunicato stampa: versione 4.2 - ideale per l'Internet of Things (IoT).
In questo articolo voglio raccontarvi come vengono implementati questi 3 punti. Chi se ne frega benvenuto.

Tutto quanto descritto di seguito vale solo per BLE, andiamo...

1. Aumentare la velocità di ricezione e trasmissione dei dati utente.

Il principale svantaggio di BLE era la sua bassa velocità di trasferimento dei dati. Anche se da che parte guardare, dopotutto, BLE è stato originariamente inventato per risparmiare l'energia della fonte che alimenta il dispositivo. E per risparmiare energia, devi metterti in contatto a intermittenza e trasferire alcuni dati. Tuttavia, l'intera Internet è piena di indignazione per la bassa velocità e domande sulla possibilità di aumentarla, oltre ad aumentare le dimensioni dei dati trasmessi.

E ora con l'avvento della versione 4.2, Bluetooth SIG ha annunciato un aumento della velocità di trasmissione di 2,5 volte e la dimensione del pacchetto trasmesso di 10 volte. Come hanno raggiunto questo obiettivo?

Ti dirò che questi 2 numeri sono correlati tra loro, ovvero: la velocità è aumentata perché è aumentata la dimensione del pacchetto trasmesso.

Diamo un'occhiata alla PDU (protocol data unit) del canale dati:


Ogni PDU contiene un'intestazione a 16 bit. Quindi, questo titolo nella versione 4.2 differisce dal titolo nella versione 4.1.

Ecco il titolo della versione 4.1:

Ed ecco il titolo della versione 4.2:

Nota: RFU (Riservato per uso futuro) - il campo designato da questa abbreviazione è riservato per uso futuro ed è riempito con zeri.

Come possiamo vedere, gli ultimi 8 bit dell'intestazione sono diversi. Il campo "Lenght" è la somma delle lunghezze del payload e del campo MIC (Message Integrity Check) nella PDU (se abilitata).
Se nella versione 4.1 il campo "Lenght" ha una dimensione di 5 bit, nella versione 4.2 questo campo ha una dimensione di 8 bit.

Da qui è facile calcolare che il campo "Lunghezza" nella versione 4.1 può contenere valori nell'intervallo da 0 a 31, e nella versione 4.2 nell'intervallo da 0 a 255. Se da valori massimi sottraendo la lunghezza del campo MIC (4 ottetti), si ottiene che il carico utile può essere rispettivamente di 27 e 251 ottetti per le versioni 4.1 e 4.2. In effetti, la quantità massima di dati è ancora inferiore, poiché il payload contiene anche i dati del servizio L2CAP (4 ottetti) e ATT (3 ottetti), ma non lo considereremo.

Pertanto, la dimensione dei dati utente trasmessi è aumentata di circa 10 volte. Per quanto riguarda la velocità, che per qualche motivo è aumentata di 10 volte, e solo 2,5 volte, allora non si può parlare di aumento proporzionale, perché tutto dipende anche dalla consegna garantita dei dati, perché è un po' più difficile garantire consegna di 200 byte rispetto a 20.

2. Possibilità di connettersi a Internet.

Forse l'innovazione più interessante è il motivo per cui Bluetooth SIG ha annunciato che la versione 4.2 migliora l'Internet of Things (IoT) grazie a questa funzione.

Nella versione 4.1, la "Modalità di controllo del flusso basata sul credito LE" è apparsa in L2CAP. Questa modalità consente di controllare il flusso di dati utilizzando il cosiddetto. schema basato sul credito. La particolarità dello schema è che non utilizza pacchetti di segnale per indicare la quantità di dati trasmessi, ma chiede in prestito ad un altro dispositivo una certa quantità di dati per la trasmissione, velocizzando così il processo di trasmissione. Allo stesso tempo, il lato ricevente ogni volta che riceve un frame, diminuisce il contatore dei frame e quando viene raggiunto l'ultimo frame, può terminare la connessione.

Sono comparsi 3 nuovi codici nell'elenco dei comandi L2CAP:
- LE Credit Based Connection richiesta - richiesta di connessione in regime di credito;
- Risposta LE Credit Based Connection - una risposta a una connessione nell'ambito di uno schema di credito;
- LE Flow Control Credit - messaggio sulla possibilità di ricevere ulteriori LE-frame.

Nel pacchetto "Richiesta di connessione basata sul credito LE"


c'è un campo di 2 ottetti "Crediti iniziali" che indica il numero di frame LE che il dispositivo può inviare a livello L2CAP.

Nel pacchetto di risposta "Risposta LE Credit Based Connection"


lo stesso campo contiene il numero di LE-frame che un altro dispositivo può inviare, e il campo "Risultato" contiene anche il risultato della richiesta di connessione. Un valore di 0x0000 indica il successo, altri valori indicano un errore. In particolare, un valore 0x0004 indica un errore di connessione per mancanza di risorse.

Così, già nella versione 4.1, è diventato possibile trasferire una grande quantità di dati a livello L2CAP.
E ora, quasi contemporaneamente al rilascio della versione 4.2, viene pubblicato quanto segue:

• servizio: "Servizio di supporto IP" (IPSS).
• IPSP (Internet Protocol Support Profile), che definisce il supporto per il trasferimento di pacchetti IPv6 tra dispositivi abilitati BLE.

Il requisito principale del profilo per il livello L2CAP è la "LE Credit Based Connection", che è apparsa nella versione 4.1, che, a sua volta, consente di trasmettere pacchetti con MTU> = 1280 ottetti (spero che il suggerimento sulla figura sia chiaro) .

Il profilo definisce seguenti ruoli:
- Ruolo router: utilizzato per i dispositivi in ​​grado di instradare i pacchetti IPv6;
- ruolo del nodo (Nodo) - utilizzato per i dispositivi che possono solo ricevere o inviare pacchetti IPv6; disporre di una funzione di rilevamento del servizio e di un servizio IPSS che consente ai router di rilevare un determinato dispositivo;

I dispositivi con ruolo di router che devono connettersi a un altro router possono avere il ruolo di host.

Abbastanza stranamente, ma la trasmissione di pacchetti IPv6 non fa parte delle specifiche del profilo ed è specificata nell'RFC IETF "Trasmissione di pacchetti IPv6 su Bluetooth Low Energy". Questo documento ne definisce un altro momento interessante, vale a dire che durante la trasmissione di pacchetti IPv6 viene utilizzato lo standard 6LoWPAN - questo è uno standard per l'interazione utilizzando il protocollo IPv6 su wireless a bassa potenza reti personali Norma IE802.15.4.

Dai un'occhiata alla foto:


Il profilo specifica che IPSS, GATT e ATT vengono utilizzati solo per il rilevamento del servizio e GAP viene utilizzato solo per il rilevamento dei dispositivi e la creazione della connessione.

Ma quello evidenziato in rosso significa solo che la trasmissione dei pacchetti non è inclusa nella specifica del profilo. Ciò consente al programmatore di scrivere la propria implementazione del trasferimento di pacchetti.

3. Migliorare la privacy e la sicurezza.

Una delle responsabilità del Sequrity manager (SM) è accoppiare i due dispositivi. Il processo di associazione genera chiavi che vengono poi utilizzate per crittografare le comunicazioni. Il processo di abbinamento si compone di 3 fasi:

• scambio di informazioni sulle modalità di abbinamento;
• generazione di chiavi a breve termine (Short Term Key (STK));
• scambio di chiavi.

Nella versione 4.2, la seconda fase era divisa in 2 parti:

• generazione di chiavi a breve termine (Short Term Key (STK)) chiamate "LE legacy pairing"
• generazione di chiavi a lungo termine (Long Term Key (LTK)) denominate "LE Secure Connections"

A tal proposito, oltre alle 3 funzioni esistenti, nella cassetta degli attrezzi crittografici del gestore della sicurezza, ne sono apparse altre 5 e queste 5 servono solo a servire il nuovo processo di pairing di LE Secure Connections. Queste funzioni generano:

• LTK e MacKey;
• variabili di conferma;
• variabili di controllo dell'autenticazione;
• Numeri a 6 cifre utilizzati per la visualizzazione sui dispositivi collegati.

Tutte le funzioni utilizzano l'algoritmo di crittografia AES-CMAC con chiave a 128 bit.

Quindi, se 2 chiavi sono state generate durante l'accoppiamento nella seconda fase utilizzando il metodo "LE legacy pairing":

• Chiave temporanea (TK): una chiave temporanea a 128 bit utilizzata per generare l'STK;
• Chiave a breve termine (STK): una chiave temporanea a 128 bit utilizzata per crittografare la connessione

quindi viene generata 1 chiave utilizzando il metodo LE Secure Connections:

• Chiave a lungo termine (LTK): una chiave a 128 bit utilizzata per crittografare le connessioni successive.

Come risultato di questa innovazione, abbiamo ottenuto:

• impedendo il tracciamento perché ora grazie al "Confronto numerico" è possibile controllare la capacità di connettersi al dispositivo.
• miglioramento dell'efficienza energetica, come ora non è necessaria energia aggiuntiva per rigenerare le chiavi su ogni connessione.
• Crittografia standard del settore per la protezione dei dati sensibili.

Sembra abbastanza strano, ma grazie al miglioramento della sicurezza, abbiamo ottenuto un miglioramento dell'efficienza energetica.

4. C'è già un'opportunità per sentirlo?

Si C'è.
NORDIC Semiconductor ha rilasciato "nRF51 IoT SDK" che include stack, librerie, esempi e API per i dispositivi della serie nRF51. Ciò comprende:

• chip nRF51822 e nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 Dongle;
• nRF51822 EK.