Quoi de neuf dans Bluetooth 5.0? Une double augmentation de la vitesse, la capacité de crypter le trafic, une augmentation de la portée de 400% et une foule d'autres avantages.
La nouvelle de l'apparition de Bluetooth 5.0 est apparue dans les pages des ressources médiatiques en juin 2016, mais le public occupé par des choses plus importantes n'a pas prêté suffisamment d'attention à l'émergence d'une nouvelle norme technologique dans le monde des communications sans fil. Les appareils basés sur Bluetooth 5.0 à l'époque n'étaient pas encore sortis. En mai 2017, après l'avènement du Samsung Galaxy S8 et du Xiaomi Mi 6, ils ont commencé à parler de la nouvelle spécification d'une manière complètement différente. Après tout, Bluetooth 5.0 a présenté aux consommateurs plusieurs avantages attendus depuis longtemps, dont nous parlerons dans cet article.
Bonne nouvelle pour les développeurs
Coexistence sans fil - rappelez-vous ce terme. Il va bientôt changer toute la structure des communications sans fil. Le Bluetooth Special Interest Group promet un niveau d'interaction sans précédent avec d'autres protocoles de communication. Nous promettons même une coexistence parallèle et sans conflit de Bluetooth et Wi-Fi.
La spécification 5.0 suppose de travailler avec 255 paquets d'octets (au lieu de 31 paquets, comme dans la version précédente) et de passer aux fréquences voisines sans perdre d'octets de trafic. Dans la bande 2,4 GHz pleine de bits et d'octets, il deviendra plus facile pour les consommateurs, les programmeurs et même les systèmes d'exploitation et les puces de respirer.
Les développeurs pourront affiner les logiciels, les fabricants commenceront à intégrer des modules Bluetooth 5.0 même dans les fers et les aspirateurs. Et les systèmes d'exploitation cesseront de surcharger les processeurs, essayant de construire du travail pour organiser le trafic jonché. Les analystes soutiennent que «l'Internet des objets» dont tous les futurologues parlent depuis si longtemps commencera par cela.
À quoi s'attendre pour le consommateur
Pour l'utilisateur moyen d'appareils Bluetooth, l'apparition de la spécification 5.0 est intéressante de deux manières. Premièrement, la nouvelle norme augmente la vitesse de partage de fichiers de 2 fois. Deuxièmement, la portée augmente de 4 fois.
En chiffres, cela semble encore mieux - la vitesse de Bluetooth 5.0 a augmenté à 2 Mbps et la portée est augmentée à 100 mètres. Vous pouvez maintenant écouter des morceaux avec une qualité sonore élevée même si votre smartphone est à la maison, et vous avec un haut-parleur sans fil ou un casque dans la rue.
De plus, le nouveau protocole permet non seulement d'augmenter la portée - Bluetooth 5.0 est prêt à fonctionner non pas avec une seule source, mais avec plusieurs à la fois. Et l'intensité énergétique de ce processus sera nettement inférieure à celle des versions précédentes des modules de communication sans fil. En termes simples, Bluetooth 5.0 protégera la batterie d'un smartphone et d'un haut-parleur mobile.
Une autre bonne nouvelle est la possibilité de crypter le trafic transmis sur le canal Bluetooth. Les développeurs et les fabricants parlent déjà de remplacer la laisse courte NFC par un protocole plus avancé qui vous permet de transformer votre smartphone en un remplacement à part entière d'une carte bancaire.
Certes, tous ces avantages ne sont encore disponibles que pour quelques propriétaires d'appareils mobiles.
Smartphones avec Bluetooth 5.0
À l'heure actuelle, vous ne pouvez acheter que trois appareils avec des modules de communication Bluetooth 5.0. Ce sont des smartphones et. Jusqu'à présent, la nouvelle spécification n'est implémentée que sur les produits phares, donc pour avoir le droit d'utiliser toutes les innovations de Bluetooth 5.0, vous devez payer de 500 à 1000 dollars américains.
Dans la seconde moitié de mai, un smartphone haut de gamme rejoindra la gamme des produits phares Samsung et Xiaomi, dont les spécifications officielles incluent une nouvelle norme sans fil. A cette époque, les avantages du Bluetooth 5.0 devront payer de 650 dollars à 750 euros, selon le lieu de vente du nouveau smartphone HTC.
Au début de l'été, environ un an après l'annonce de Bluetooth 5.0, un autre produit phare avec une nouvelle spécification sans fil apparaîtra sur le marché. Le coût estimé de l'appareil japonais sera de 800 dollars américains.
Dans un avenir lointain, les analystes prédisent l'apparition de la cinquième spécification, le Samsung Galaxy Note 8 et le nouveau téléphone google de la gamme Pixel. Mais dans les téléphones portables bon marché, Bluetooth 5.0 ne sera pas enregistré très bientôt. Le fait est que cette spécification doit être supportée par des chipsets. Parmi les solutions peu coûteuses, de telles capacités n'ont malheureusement pas encore de processeur unique.
Android O prend entièrement en charge Bluetooth 5, de sorte que les développeurs d'appareils n'ont pas à faire tout le travail eux-mêmes.
La principale modification consiste à activer Bluetooth 5.0 à l'aide d'un logiciel sans aucun changement matériel. Le code source / fichier SW sera pris en charge UNIQUEMENT par HTC Corporation, et il est IMPOSSIBLE de donner ce code source / fichier SW à un tiers pour activer cette fonctionnalité.
Le changement se produira lorsque ces téléphones seront mis à niveau vers Android O 8.0 (début de l'automne) et que vous n'aurez rien à faire. Tout fonctionnera ainsi.
Tout cela est cool, mais pourquoi Bluetooth 5 est-il meilleur que 4.2?
Les spécifications du Bluetooth sont très similaires à celles de l'USB. Ces interfaces utilisent un système numérique pour être considérées comme compatibles, le matériel doit avoir certaines valeurs de seuil pour la vitesse de transmission et de réception, la consommation d'énergie et la compatibilité.
Cela signifie qu'un plus grand nombre sera en quelque sorte meilleur qu'un petit nombre, et la transition de 4,2 à 5 est plus importante que de 4,1 à 4,2.
Bluetooth 5 offre une portée plus élevée, un taux de transfert de données plus rapide et une méthode de connexion plus rapide.
Bluetooth 5 offre quatre fois la portée et deux fois la vitesse de transfert de données. Il est facile de voir pourquoi une gamme plus large est meilleure, mais il est important de savoir que le transfert de données est plus qu'un simple partage de fichiers.
Par exemple, la musique est également des données numériques lors de la diffusion via Bluetooth, et une vitesse plus élevée signifie qu'elle peut transférer plus de données audio pour un «meilleur» son (cela est déjà mis en œuvre par Sony avec son codec LDAC) et est moins susceptible de faire des erreurs.
Par exemple, en utilisant Bluetooth 5, votre téléphone peut transférer de la musique vers un haut-parleur sans fil à une distance allant jusqu'à 35 mètres (contre 10 sur les anciennes normes Bluetooth), envoyer deux fois plus de données numériques afin que votre musique sonne plus juteuse et ne ralentisse pas.
Pourquoi HTC et Motorola attendent-ils Android? Pour le bon fonctionnement de Bluetooth 5
Nous ne pouvons pas être sûrs à 100% qu'ils attendent, mais cela est probablement dû à la prise en charge supplémentaire de Bluetooth 5 fournie avec Android O.
La norme Bluetooth 5 était prête en décembre 2016, donc tous les fabricants connaissent la nouvelle version. Lorsque Android Nougat a été terminé, la norme Bluetooth 5 n'était pas encore terminée, il existe donc des fonctionnalités assez importantes qui ne sont pas prises en charge. À
Il manque une caractéristique importante à Android 7.1 Nougat: la nouvelle norme de transfert de données écoénergétique.
Lorsque deux appareils communiquent via Bluetooth, ils doivent trouver le moyen le plus efficace et le plus efficace d'envoyer des données. Chaque appareil dispose d'un ensemble de vérifications pour trouver la «bonne» manière, et Bluetooth 5 ne fait pas de telles vérifications. Cela signifie que l'appareil reviendra à l'ancienne norme Bluetooth et que les fonctionnalités Bluetooth 5 ne seront pas utilisées.
En bref, cela signifie que dans les versions antérieures à Android O, un téléphone avec Bluetooth 5 ne peut pas comprendre correctement ce qu'il est et ce qu'il peut faire, et lorsque la connexion est enfin établie, il reviendra à une ancienne version de Bluetooth. Même si le matériel le prend en charge.
Bluetooth 5 n'était tout simplement pas prêt lors du développement d'Android 7.0 Nougat
Par exemple, le Samsung Galaxy S8 doit utiliser le code Bluetooth de Samsung pour contourner ces problèmes, car Android Nougat n'est pas pris en charge. Cela coûte beaucoup d'argent et prend beaucoup de temps, et, au final, tout cela sera grandement simplifié avec l'avènement d'Android O.
Le Bluetooth est très cool lorsque nous utilisons Android O et Bluetooth 5
Tous les avantages de Bluetooth 5 nécessitent que les deux appareils soient compatibles avec Bluetooth 5. Si un appareil, par exemple Bluetooth 4.x, la connexion sera conforme à la norme 4.x.
Il s'avère que tant que vos écouteurs ou votre système de voiture ne sont pas prêts à fonctionner avec Bluetooth 5, tous ces avantages n'ont tout simplement pas d'importance.
Deux téléphones Galaxy S8 connectés via Bluetooth peuvent avoir des transferts de fichiers plus rapides, mais il n'y a aucune garantie que les versions Bluetooth de Samsung et Android 8.0 O sont 100% compatibles, donc la connexion du Galaxy S8 8 au HTC U11 peut ne pas être aussi rapide.
Tous les avantages de Bluetooth 5 nécessitent que les deux appareils disposent de cette version.
Le Bluetooth se refroidit avec chaque nouvelle version, alors essayez de trouver des appareils modernes pour profiter de toutes ces améliorations. Il est dommage que les fabricants d'écouteurs sans fil aient déjà fait un tas d'écouteurs sympas basés sur Bluetooth 4.2 et la sortie de nouveaux modèles avec Bluetooth dans toutes les gammes de prix prendra beaucoup de temps.
Tous les smartphones modernes sont équipés de Bluetooth de quatrième génération - certains obtiennent la version 4.0, certains 4.1 et certains 4.2. Pendant ce temps, la cinquième version de la «dent bleue» est sortie. Dans cet article, nous parlerons de ses avantages par rapport à Bluetooth 4.2 et comment ces avantages seront appliqués dans la pratique.
Deux fois plus rapide
Les données Bluetooth de 5e génération seront désormais transmises à vitesse maximale6,25 Mo / s - auparavant, il était de 3,125 Mo / s. C'est encore beaucoup plus petit que les concurrents filaires:
- Apple Lightning - 60 Mo / s
- USB 2.0 - 60 Mo / s
- USB 3.0 - 625 Mo / s
- USB 3.1 - 1210 Mo / s
Mais alors ils sont câblés!
En conséquence, la vitesse de synchronisation des montres intelligentes avec un smartphone, des éléments de l'Internet des objets entre eux et avec la base augmentera.
Quatre fois plus loin
La gamme intérieure a augmentéde 10 à 40 mètres, en plein air - de 50 à 200 mètres.
Vous pouvez courir dans le stade sans smartphone dans votre poche. Laissez-le dans votre sac à dos, mettez votre oreillette Bluetooth et courez pour vous-même - rien ne pendra dans votre poche. C'est peut-être le téléphone qui vous a empêché de courir le marathon! Cependant, 42 kilomètres 195 mètres avec un casque sans fil ne peuvent pas être exécutés.
Peut-être que Fabregas n'entre pas dans la composition, car les écouteurs avec Bluetooth 4.2 interfèrent avec lui
Pour l'organisation de l'Internet des objets, un rayon d'action accru est particulièrement important. Si les anciennes versions de Bluetooth étaient en quelque sorte suffisantes pour les appartements, alors dans une grande maison, je devais faire des compromis. Maintenant, vous pouvez facilement mettre un élément IoT dans la cour, loin du reste.
Huit fois plus de données via les canaux de diffusion
Les canaux de diffusion sont nécessaires pour que l'Internet des objets fonctionne avec des appareils Bluetooth tiers sans connexion préalable. Dans ce mode, vous pouvez désormais transférer plus d'informations:255 octets vs 31 en bluetooth 4.2.
Permettez-moi d'expliquer avec un exemple pourquoi les canaux de diffusion sont nécessaires. Imaginez un hôpital moderne qui implémente l'Internet des objets. Une personne entre et reçoit immédiatement des informations via Bluetooth, de quel bureau elle a besoin. Il ne peut rien obtenir d'autre, car il n'est pas entièrement connecté à l'Internet des objets de l'hôpital.
Le volume de ces informations est de 31 octets, car Bluetooth 4.2 est utilisé. Et avec la 5ème version, la personne recevra également le nom du médecin, le temps d'attente approximatif et le numéro de téléphone du médecin-chef pour les plaintes - la taille de ces données est déjà de 255 octets.
Consomme 2,5 fois moins d'énergie
Il semble qu'avec une augmentation de la vitesse et des indicateurs de portée, Bluetooth 5 deviendra gourmand. En fait, tout est exactement le contraire - la nouvelle norme est beaucoup plus économique en termes de consommation d'énergie. Pour les smartphones avec des batteries de 3000 mAh, la consommation d'énergie Bluetooth 4.2 n'était pas critique. Dans le cas des montres intelligentes, l'augmentation de l'autonomie peut être tangible, bien que vous deviez bien sûr vérifier en pratique.
Système de connexion série
L'extension de l'Internet des objets sera plus facile avec le nouveau système de connexion série. Auparavant, chaque appareil était connecté à une base commune, mais maintenant il suffira de se connecter à l'élément voisin.
N'oubliez pas la physique!
Peut-être verrons-nous un jour le système IoT urbain non pas dans le cadre d'un appartement ou d'une maison, mais dans tout un quartier ou même dans une ville? Et il sera basé sur Bluetooth 5, économe en énergie et facilement évolutif.
Sinon, pourquoi le Bluetooth est-il connecté à Internet des objets? Le fait est que les éléments de l'IoT sont trop fragmentés: chaque fabricant fait quelque chose (ou même tout) à sa manière. Le Bluetooth est l'une des choses qui les unit tous. Il est utilisé dans presque tous les appareils: téléphones, montres, ordinateurs portables, voitures, etc.
Soit dit en passant, la nouvelle norme est rétrocompatible avec les anciens protocoles.
Quand attendre?
Oui, j'ai déjà attendu. Toute la documentation nécessaire au développement d'appareils et de logiciels avec prise en charge Bluetooth 5 est apparue sur le site officiel au début de l'année, et l'autre jour les premiers smartphones avec la cinquième version de la «dent bleue» sont sortis.
Le Bluetooth 5 n'est en aucun cas une révolution, mais plutôt le développement évolutif de la technologie. Dans la nouvelle norme, ils ont seulement amélioré les performances de la précédente, mais ils ne leur ont pas appris à faire quelque chose de nouveau. Le protocole 4.2 peut tout faire de la même manière que Bluetooth 5, mais plusieurs fois pire.
Le premier smartphone équipé d'une puce Bluetooth 5 était le Samsung Galaxy S8
Presque tout le monde utilise Bluetooth: sur un smartphone, une tablette, un ordinateur ou pour connecter des accessoires, tels que des écouteurs sans fil. Dans un avenir proche, la situation ne changera pas: selon les chercheurs du marché (ABI Research), environ 5 milliards d'appareils Bluetooth seront achetés en 2021.
Dans le même temps, un potentiel de croissance particulièrement important sera observé pour les appareils utilisant la technologie de l'Internet des objets: montres, éclairage ou systèmes de contrôle automatique de la température.
La cinquième génération de Bluetooth est conçue uniquement pour «l'Internet des objets». Les trois innovations suivantes sont appliquées exclusivement en mode basse consommation (LE) à économie d'énergie:
- Augmentation du taux de transfert de données: la vitesse maximale passe de 1 à 2 Mbps.
- Rayon d'action accru: dans la ligne de vue (sans obstacles sur le chemin), il est augmenté de 50 à 200 mètres.
- Transfert de données amélioré: grâce à ce qu'on appelle. Les "balises" (balises) peuvent être transmises 8 fois plus d'informations.
De plus, la nouvelle spécification Bluetooth utilise des solutions d'optimisation conçues pour augmenter l'immunité aux interférences. Ceci est très important, car Bluetooth fonctionne dans une gamme de fréquences extrêmement encombrée de 2,4 GHz.
Les principales innovations de Bluetooth 5 - taux de transfert de données élevé et portée accrue - sont limitées dans le mode basse consommation économe en énergie. Une petite prise vous y attend: en même temps, vous ne pouvez utiliser qu'un seul des avantages.
Taux de transfert de données maximum uniquement si nécessaire
Alors que le Wi-Fi bat des records de vitesse dans la plage de gigabits, Bluetooth LE «marque» encore environ 1 Mbps. Cependant, Bluetooth 5 en mode LE double le débit de données maximum. Bien sûr, à partir de ce Bluetooth LE ne deviendra pas une "fusée", car il y a quelques limitations.
La vitesse de transmission nette en mode Bluetooth LE augmente constamment. Mais la vitesse brute de 2 Mbps dans Bluetooth 5 est uniquement facultative. Avec une valeur de 2 Mbit / s, on parle de vitesse "brute", la vitesse "nette" maximale restera au niveau de 1,4 Mbit / s. De plus, cette valeur n'est valable que dans le champ proche, car pour transférer une plus grande quantité de données utiles dans un seul paquet, Bluetooth 5 économise la correction d'erreurs.
Cependant, 2 Mbps en mode LE est plus une option que les fabricants peuvent implémenter dans leurs appareils. Alternativement, 1 Mbps, 500 Kbps et 125 Kbps sont également disponibles.
De plus, par défaut, tous les appareils Bluetooth ont un taux de transfert de données de 1 Mbps, les autres paramètres sont facultatifs et le droit de choisir la mise en œuvre est accordé aux fabricants.
De plus, on ne peut pas s'appuyer aveuglément sur le fait que tous les appareils utilisant Bluetooth 5 prennent en charge un mode LE plus rapide.
Internet des objets sans erreurs
Bien que les équipements professionnels fournissent un transfert de données via le canal Bluetooth jusqu'à 500 mètres, la norme Bluetooth ne permet à l'heure actuelle que des connexions économes en énergie à une distance allant jusqu'à 200 mètres. La technologie Bluetooth est principalement utilisée dans le champ proche, bien qu'il existe des équipements qui peuvent transmettre des données via Bluetooth à une distance de 500 mètres. Cependant, de tels rayons extrêmes nécessitent des coûts importants, car pour cela, il est nécessaire d'augmenter considérablement la puissance des émetteurs.
En plus du mode LE, la norme Bluetooth définit depuis longtemps différentes classes dans lesquelles les appareils peuvent transmettre des données avec une puissance allant jusqu'à 100 mW. Pour de tels modules Bluetooth, selon les paramètres de la classe 1, trop de puissance est requise, ce qui n'est pas adapté à l'Internet des objets.
Désormais, avec l'utilisation de Bluetooth LE, il semble différent, car les modules Bluetooth utilisés dans celui-ci augmentent la portée grâce à la technologie Forward Error Correction (FEC, Forward Error Correction) sans augmentation significative de la puissance de transmission. Cependant, en raison de l'augmentation de la portée, vous devez sacrifier la vitesse de transfert des données.
Si vous regardez la pile de protocoles Bluetooth, vous pouvez voir que les innovations pour augmenter la portée de Bluetooth 5 appartiennent au niveau (physique) le plus bas. Les données utiles sont transmises deux fois et cryptées en plus, de sorte que le périphérique de réception peut souvent corriger indépendamment les erreurs. La pierre angulaire du cryptage est le taux de symboles.
En mode d'économie d'énergie, Bluetooth 5 augmente simplement la part des données utiles dans le paquet pour atteindre une vitesse de transmission maximale de 2 Mbps.Dans le cas le plus simple, chaque bit est transmis deux fois. Chaque zéro est envoyé dans une option telle que "00", une unité - comme "11". Cela réduit de moitié le débit de données brut maximum de 1 Mbps à 500 Kbps. Cependant, pour une portée encore plus grande, la norme Bluetooth définit également un cryptage avancé, dans lequel chaque bit est transmis non pas en deux, mais en huit caractères. Chaque zéro est codé par la séquence de caractères "00110011", chaque unité est "11001100".
Structure de paquets de données Bluetooth pour une portée étendue. Le système de correction d'erreurs transmet plusieurs fois les données utiles et les chiffre d'une manière spéciale, de sorte que des données moins utiles sont transmises dans chaque paquet. Cela augmente la distance de transmission des paquets de données Bluetooth-LE de 50 à 200 m.Si la séquence «11001101» arrive sur le récepteur, vous pouvez facilement identifier et corriger l'erreur dans le dernier bit. Cependant, le taux de transfert de données est réduit à 125 Kbps.
Balises et réseautage
Bluetooth 5 étend également la longueur des messages transmis sans connexion à l'aide de balises Bluetooth. De même, de courts fragments d'informations peuvent être envoyés. Lorsque vous utilisez des balises, Bluetooth 4.x fournit une longueur de message de 30 octets, Bluetooth 5 fournit plus de huit fois la quantité de données transmises (256 octets). Les appareils Bluetooth 5 peuvent fonctionner dans tous les modes de leurs prédécesseurs et sont donc rétrocompatibles.
La prochaine étape de l'Internet des objets sera une spécification spéciale pour l'intégration simplifiée des appareils Bluetooth dans un seul réseau, qui devrait arriver mi-2017. Grâce à cela, les appareils Bluetooth pourront recevoir des messages d'un appareil et les transmettre à un autre en mode d'économie d'énergie. De même, la portée devrait être encore augmentée.
Photo: entreprises manufacturières, Standardizer / commons.wikimedia.org
Bluetooth 5.0 est devenu une réalité. Par rapport à Bluetooth 4.0, la nouvelle version a deux fois le débit, quatre fois la plage et un certain nombre d'autres améliorations. Considérez les avantages de Bluetooth 5.0 par rapport à ses prédécesseurs, y compris l'exemple processeur CC2640R2F de Texas Instruments.
La popularité de la version du protocole Bluetooth 4, ainsi que certaines de ses limitations, sont devenues les raisons de la création de la spécification Bluetooth 5. Les développeurs se sont fixés un certain nombre d'objectifs: étendre la portée, augmenter la bande passante lors de la diffusion de paquets, améliorer l'immunité au bruit, etc.
Maintenant, lorsque les premiers appareils avec Bluetooth 5 ont commencé à apparaître, les utilisateurs et les développeurs posent à juste titre des questions: laquelle des promesses annoncées précédemment s'est-elle réalisée? Quelle est la portée et la vitesse accrues du transfert de données? Comment cela a-t-il affecté la consommation? Comment l'approche de génération des paquets de diffusion a-t-elle changé? Quelles améliorations ont été apportées pour accroître l'immunité au bruit? Et, bien sûr, la question principale est - existe-t-il une compatibilité descendante entre Bluetooth 5 et Bluetooth 4? Nous répondrons à ces questions et à d'autres et examinerons les principaux avantages de Bluetooth 5.0 par rapport à ses prédécesseurs, notamment l'exemple d'un vrai processeur avec prise en charge de Bluetooth 5.0 fabriqué par la société. Texas Instruments.
Commençons l'examen de Bluetooth 5.0 avec la réponse à la question la plus fréquemment posée sur la rétrocompatibilité avec Bluetooth 4.x
Bluetooth 5.0 offre-t-il une compatibilité descendante avec Bluetooth 4.x?
Oui. Bluetooth 5 a adopté la plupart des fonctionnalités et extensions de Bluetooth 4.1 et 4.2. Par exemple, les appareils Bluetooth 5 conservent toutes les améliorations de Bluetooth 4.2 en matière de sécurité des données et prennent en charge l'extension de longueur de données LE. Il convient de rappeler que grâce à l'extension de longueur de données LE à partir de Bluetooth 4.2, la taille de l'unité de données par paquets (PDU) avec la connexion établie peut être augmentée de 27 à 251 octets, ce qui permet d'augmenter le taux d'échange de données de 2,5 fois.
En raison du grand nombre de différences entre les versions de protocole, le mécanisme traditionnel de coordination des paramètres entre les périphériques lors de l'établissement des connexions est préservé. Cela signifie qu'avant de commencer à échanger des données, les appareils se connaissent et déterminent la fréquence maximale de transfert de données, la longueur des messages, etc. Dans ce cas, les paramètres par défaut sont Bluetooth 4.0. La transition vers les paramètres de Bluetooth 5 ne se produit que si, au cours du processus de négociation, il s'avère que les deux appareils prennent en charge une version ultérieure du protocole.
En parlant des outils qui sont déjà disponibles pour les développeurs, il convient de noter le nouveau processeur CC2640R2F et la pile gratuite BLE5-Stack de Texas Instruments. Pour le plus grand plaisir des développeurs, BLE5-Stack est basé sur la version précédente de BLE-Stack, et les changements dans son utilisation n'ont affecté que les nouvelles fonctionnalités de Bluetooth 5.0.
Comment la vitesse de transfert de données dans Bluetooth 5 a-t-elle augmenté?
Bluetooth 5 utilise une connexion sans fil avec un taux de transfert de données physiques allant jusqu'à 2 Mbps, ce qui est deux fois plus élevé que celui de Bluetooth 4.x. Il convient de noter que le taux d'échange de données effectif dépend non seulement de la bande passante physique du canal de transmission, mais également du rapport de service et des informations utiles dans le paquet, ainsi que des coûts indirects associés, par exemple, la perte de temps entre les paquets (tableau 1).
Tableau 1. Vitesse de communication pour différentes versionsBluetooth
Dans les versions Bluetooth 4.0 et 4.1, la bande passante physique du canal était de 1 Mbit / s, ce qui, avec une longueur de paquet de données PDU de 27 octets, a permis d'atteindre un taux de change allant jusqu'à 305 kbit / s. Bluetooth 4.2 présente l'extension de longueur de données LE. Grâce à lui, après avoir établi une connexion entre les appareils, il est devenu possible d'augmenter la longueur des paquets à 251 octets, ce qui a entraîné une augmentation du taux d'échange de données de 2,5 fois - jusqu'à 780 kbit / s.
Dans la version 5 de Bluetooth, la prise en charge de l'extension de longueur de données LE a été préservée, ce qui, associé à une augmentation de la bande passante physique allant jusqu'à 2 Mbps, vous permet d'atteindre des taux de transfert de données allant jusqu'à 1,4 Mbps.
Comme le montre la pratique, une telle accélération du transfert de données n'est pas la limite. Par exemple, le microcontrôleur sans fil CC2640R2F est capable de fonctionner à des vitesses allant jusqu'à 5 Mbps.
Il convient de dire à propos de l'idée fausse courante selon laquelle l'augmentation de la bande passante jusqu'à 2 Mbps a été obtenue en réduisant le rayon d'action. Bien sûr, physiquement, la puce de l'émetteur-récepteur (PHY) lorsque vous travaillez avec une fréquence de 2 Mbps a une sensibilité de 5 dBm inférieure à celle lorsque vous travaillez avec une fréquence de 1 Mbps. Cependant, en plus de la sensibilité, d'autres facteurs contribuent à augmenter le rayon d'action, par exemple la transition vers le codage des données. Pour cette raison, ceteris paribus, Bluetooth 5 est plus fiable et a une plus grande portée par rapport à Bluetooth 4.0. Cela est décrit en détail dans l'une des sections suivantes de l'article.
Comment activer le mode de transfert de données à haute vitesse dans Bluetooth 5?
Lors de l'établissement d'une connexion entre deux appareils Bluetooth, les paramètres Bluetooth 4.0 sont initialement utilisés. Cela signifie qu'au premier stade, les appareils échangent des données à une vitesse de 1 Mbit / s. Après avoir établi une connexion, un assistant prenant en charge Bluetooth 5.0 peut démarrer la procédure de mise à jour PHY, dont le but est d'établir une vitesse maximale de 2 Mbps. Cette opération ne réussira que si l'esclave prend également en charge Bluetooth 5.0. Sinon, la vitesse reste au niveau de 1 Mbps.
Pour les développeurs qui ont déjà utilisé BLE-Stack de Texas Instruments, la bonne nouvelle est que pour effectuer la procédure ci-dessus, la seule pile BLE5-Stack a une seule fonction appelée HCI_LE_SetDefaultPhyCmd (). Ainsi, lors du passage à Bluetooth 5.0 pour les utilisateurs de produits TI, l'initialisation ne posera pas de problème. De plus, un exemple publié sur le portail GitHub sera utile aux développeurs, ce qui vous permet d'évaluer le fonctionnement de deux microcontrôleurs CC2640R2F fonctionnant dans le cadre des LaunchPads CC2640R2 en modes haute vitesse et longue portée.
Comment la portée de Bluetooth 5 a-t-elle augmenté?
La spécification de Bluetooth 5.0 parle d'augmenter la portée de quatre fois par rapport à Bluetooth 4.0. Il s'agit d'une question assez délicate, qui devrait être traitée plus en détail.
Premièrement, le concept de «quatre fois» est relatif et n'est pas lié à un rayon d'action spécifique en mètres ou en kilomètres. Le fait est que la portée de la transmission radio dépend fortement d'un certain nombre de facteurs: l'état de l'environnement, le niveau d'interférence, le nombre d'appareils émettant simultanément, etc. En conséquence, pas un seul fabricant, ainsi que le développeur de la norme Bluetooth SIG, ne donnent de valeurs spécifiques. L'augmentation de la portée est estimée par rapport à Bluetooth 4.0.
Pour une analyse plus approfondie, il est nécessaire d'effectuer des calculs mathématiques et d'évaluer le bilan de puissance du canal radio. Lors de l'utilisation de valeurs logarithmiques, le budget du canal radio (dB) est égal à la différence entre la puissance de l'émetteur (dBm) et la sensibilité du récepteur (dBm):
Budget des canaux radio \u003d puissanceT x (dBm) - sensibilitéR x (dBm)
Pour Bluetooth 4.0, la sensibilité standard du récepteur est de -93 dBm. En supposant une puissance d'émission de 0 dBm, le budget est de 93 dB.
Une multiplication par quatre du rayon nécessitera une augmentation du budget de 12 dB, ce qui donne une valeur de 105 dB. Comment est-il censé atteindre cette valeur? Il y a deux façons:
- augmenter la puissance de l'émetteur;
- sensibilité accrue des récepteurs.
Si vous prenez le premier chemin et augmentez la puissance de l'émetteur, cela entraînera inévitablement une augmentation de la consommation. Par exemple, pour le CC2640R2F, le passage à une puissance de sortie de 5 dBm entraîne une augmentation du courant de consommation à 9 mA (figure 1). À une puissance de 10 dBm, le courant augmente à 20 mA. Cette approche ne semble pas attrayante pour la plupart des appareils sans fil alimentés par batterie et n'est pas toujours adaptée à l'IoT, et c'est précisément dans ce domaine que Bluetooth 5.0 était principalement orienté. Pour cette raison, la deuxième solution semble préférable.
Pour augmenter la sensibilité du récepteur, deux méthodes sont proposées:
- diminution de la vitesse de transmission;
- utilisant un codage de données PHY codé.
Une diminution du taux de transfert de données de huit fois augmente théoriquement la sensibilité du récepteur de 9 dB. Ainsi, jusqu'à la valeur chérie, il ne manque que 3 dB.
Les 3 dB requis peuvent être obtenus en utilisant le PHY codé en option. Auparavant, dans les versions Bluetooth 4.x, le codage binaire était sans ambiguïté 1: 1. Cela signifie que le flux de données a été envoyé directement au démodulateur différentiel. Dans Bluetooth 5.0, lors de l'utilisation de PHY codé, il existe deux formats de transmission supplémentaires:
- avec un codage 1: 2, dans lequel deux bits du flux de données radio sont mappés à chaque bit de données. Par exemple, un «1» logique est représenté par une séquence de «10». Dans ce cas, la vitesse physique reste égale à 1 Mbit / s et le taux de transfert de données réel tombe à 500 kbit / s.
- Avec codage 1: 4. Par exemple, un «1» logique est représenté par la séquence «1100». Le taux de transfert de données est réduit à 125 kbit / s.
L'approche décrite est appelée Forward Error Correction (FEC) et vous permet de détecter et de corriger les erreurs côté réception, plutôt que de demander la retransmission de paquets, comme c'était le cas dans Bluetooth 4.0.
Sur le papier, tout a l'air bien. Il ne reste plus qu'à savoir comment ces calculs théoriques correspondent à la réalité. À titre d'exemple, prenons le même microcontrôleur CC2640R2F. Grâce à diverses améliorations et aux nouveaux modes de modulation de Bluetooth 5.0, l'émetteur-récepteur de ce processeur a une sensibilité de -97 dBm à un débit de 1 Mbps et -103 dBm lors de l'utilisation de Coded PHY et un débit de 125 kbit / s. Ainsi, dans ce dernier cas, seulement 2 dBm ne suffit pas pour atteindre le niveau de 105 dB.
Pour évaluer la gamme de CC2640R2F, les ingénieurs de Texas Instruments ont mené une expérience sur le terrain dans la ville d'Oslo. Dans le même temps, du point de vue du niveau de bruit, l'environnement dans cette expérience ne peut pas être qualifié de «convivial», car la partie commerciale de la ville était à proximité.
Pour obtenir un budget de puissance de plus de 105 dB, il a été décidé d'augmenter la puissance de l'émetteur à 5 dBm. Cela a permis d'atteindre une valeur finale impressionnante de 108 dBm (figure 2). Lors de la réalisation de l'expérience, la portée était de 1,6 km, ce qui est un résultat très impressionnant, surtout si l'on tient compte du niveau minimal de consommation des émetteurs radio.
Comment l'approche de diffusion Bluetooth 5 a-t-elle changé?
Auparavant, dans Bluetooth 4.x, trois canaux de données dédiés étaient utilisés pour établir des connexions entre les appareils (37, 38, 39). Avec leur aide, les appareils se sont retrouvés et ont échangé des informations de service. Sur eux, il était possible de transmettre des paquets de données diffusés. Cette approche présente des inconvénients:
- avec un grand nombre d'émetteurs actifs, ces canaux peuvent simplement être surchargés;
- de plus en plus d'appareils utilisent des diffusions point à point. Ceci est particulièrement important pour l'IoT;
- le nouveau système de codage PHY codé nécessitera huit fois plus de temps pour établir une connexion, qui chargera en outre des canaux de diffusion.
Pour résoudre ces problèmes dans Bluetooth 5.0, il a été décidé de passer à un schéma dans lequel les données sont transmises sur les 37 canaux de données et les canaux de service 37, 38, 39 sont utilisés pour transmettre des pointeurs. Le pointeur fait référence au canal par lequel le message diffusé sera transmis. Dans ce cas, les données ne sont transmises qu'une seule fois. En conséquence, il est possible de soulager considérablement les canaux de service et d'éliminer ce goulot d'étranglement.
Il convient également de noter que la longueur des données du paquet de diffusion peut atteindre 255 octets au lieu de 6 ... 37 octets PDU dans Bluetooth 4.x. Ceci est extrêmement important pour les applications IoT, car il minimise la surcharge de transmission et élimine le besoin de connexions, et donc réduit la consommation.
Bluetooth 5 prend-il en charge les réseaux maillés?
Solutions Bluetooth 5 de Texas Instruments
L'un des tout premiers microcontrôleurs avec Bluetooth 5.0 était le processeur haute performance CC2640R2F fabriqué par Texas Instruments.
Le CC2640R2F est construit sur la base du cœur ARM Cortex-M3 32 bits moderne avec une fréquence de fonctionnement allant jusqu'à 48 MHz. Le fonctionnement de l'émetteur radio est contrôlé par le deuxième noyau ARM Cortex-M0 32 bits (figure 3). De plus, le CC2640R2F est doté de riches périphériques numériques et analogiques.
L'avantage du microcontrôleur CC2640R2F est également un faible niveau de consommation (tableau 2). Cela s'applique à tous les modes de fonctionnement. Par exemple, en mode actif, lors de la réception de données via un canal radio, la consommation est de 5,9 mA et lors de la transmission, elle est de 6,1 mA (0 dBm) ou 9,1 mA (5 dBm). En mode veille, le courant d'alimentation tombe complètement à 1 μA.
La combinaison de trois qualités importantes telles que la prise en charge de Bluetooth 5.0, une faible consommation d'énergie et des performances de pointe élevées font du CC2640R2F une solution très intéressante pour l'Internet des objets. En même temps, en utilisant ce microcontrôleur, vous pouvez créer toute une gamme d'appareils IoT: des capteurs autonomes fonctionnant pendant plusieurs années sur une seule batterie, des ponts entre le processeur de contrôle supplémentaire et le canal Bluetooth 5.0, des applications complexes nécessitant une puissance de calcul élevée.
Tableau 2. Consommation du microcontrôleur sans filCC2640 R2 F avec le soutienBluetooth 5
| Mode de fonctionnement | Paramètre | Valeur (à Vcc \u003d 3 V) |
|---|---|---|
| Informatique active | μA / MHz ARM® Cortex®-M3 | 61 μA / MHz |
| Coremark / mA | 48,5 | |
| Coremark à 48 MHz | 142 | |
| Échange radio | Courant de crête à la réception, mA | 5,9 |
| Courant de crête pendant la transmission, mA | 6,1 | |
| Mode sommeil | Contrôleur de capteur, μA / MHz | 8,2 |
| Mode veille avec RTC activé et économie de mémoire, mA | 1 |
Pour démarrer rapidement avec le CC2640R2F, Texas Instruments a préparé un ensemble de débogage traditionnel (figure 4). À l'aide d'une paire de ces appareils, vous pouvez évaluer la vitesse et la portée de la transmission radio via Bluetooth 5.0. Pour ce faire, vous pouvez utiliser des exemples prêts à l'emploi ou créer votre propre application basée sur le protocole gratuit BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Conclusion
La nouvelle version du protocole Bluetooth 5.0 est axée sur la conformité maximale avec les besoins de l'Internet des objets (IoT). Comparé à Bluetooth 4.0, il a un certain nombre d'améliorations de qualité:
- le taux de transfert de données a doublé et atteint 2 Mbps;
- la portée de transmission a été multipliée par quatre en raison des données de codage PHY codées et correction d'erreur directe (FEC);
- le débit de diffusion a été multiplié par 8.
De plus, Bluetooth 5.0 offre une compatibilité descendante avec les appareils Bluetooth 4.x et prend également en charge la plupart des extensions des dernières versions de protocole.
Vous pouvez désormais évaluer les capacités de Bluetooth 5.0 à l'aide des outils fabriqués par Texas Instruments. La société lance le microcontrôleur haute performance et basse consommation CC2640R2F, fournit une pile BLE 5 stack 1.0 gratuite et de nombreux exemples prêts à l'emploi pour le kit de débogage LAUNCHXL-CC2640R2.
Littérature
- FAQ sur la spécification de base Bluetooth 5.0. 2016. Bluetooth SIG.
