Cosa c'è di nuovo in Bluetooth 5.0? Il doppio della velocità, la capacità di crittografare il traffico, aumentare la portata del 400% e molti altri vantaggi.
La notizia dell'emergere di Bluetooth 5.0 è balenata sulle pagine delle risorse multimediali nel giugno 2016, ma il pubblico, impegnato con cose più importanti, non ha prestato sufficiente attenzione all'emergere di un nuovo standard tecnologico nel mondo delle comunicazioni wireless. I dispositivi basati su Bluetooth 5.0 non sono stati rilasciati in quel momento. A maggio 2017, dopo la comparsa del Samsung Galaxy S8 e dello Xiaomi Mi 6, hanno iniziato a parlare delle nuove specifiche in un modo completamente diverso. Dopotutto, Bluetooth 5.0 ha portato contemporaneamente ai consumatori diversi vantaggi tanto attesi, di cui parleremo in questo articolo.
Buone notizie per gli sviluppatori
Coesistenza wireless - ricorda questo termine. Presto cambierà l'intera struttura delle comunicazioni wireless. Bluetooth Special Interest Group promette un livello di interoperabilità senza precedenti con altri protocolli di comunicazione. Ci viene anche promesso una coesistenza parallela e senza conflitti di Bluetooth e Wi-Fi.
La specifica 5.0 presuppone il funzionamento in 255 pacchetti di ottetti (anziché 31 pacchetti, come nella versione precedente) e la transizione alle frequenze adiacenti senza perdere byte di traffico. I consumatori, i programmatori e persino i sistemi operativi e i chip respireranno più facilmente nella banda di 2,4 GHz piena di bit e byte.
Gli sviluppatori saranno in grado di ottimizzare i prodotti software, i produttori inizieranno a integrare i moduli Bluetooth 5.0 anche nei ferri e negli aspirapolvere. E i sistemi operativi smetteranno di sovraccaricare i processori, cercando di organizzare il lavoro per semplificare il traffico ingombrante. Gli analisti affermano che questo sarà l'inizio dell '"Internet delle cose", l'aspetto di cui tutti i futuristi hanno parlato per così tanto tempo.
Cosa aspettarsi per il consumatore
Per l'utente medio di dispositivi Bluetooth, l'aspetto della specifica 5.0 è interessante in due modi. Innanzitutto, il nuovo standard raddoppia la velocità di scambio di file. In secondo luogo, l'intervallo viene aumentato di 4 volte.
In numeri, sembra ancora migliore: la velocità di Bluetooth 5.0 è cresciuta a 2 Mbps e la portata è aumentata a 100 metri. Ora puoi ascoltare i brani con un'alta qualità del suono anche se lo smartphone è in casa e sei all'aperto con un altoparlante wireless o le cuffie.
Inoltre, il nuovo protocollo consente non solo di aumentare il raggio d'azione: Bluetooth 5.0 è pronto a funzionare non con una sola fonte, ma con diverse contemporaneamente. E il consumo energetico di questo processo sarà significativamente inferiore a quello delle versioni precedenti dei moduli di comunicazione wireless. In poche parole, Bluetooth 5.0 consente di risparmiare la batteria di uno smartphone e di un altoparlante mobile.
Un'altra buona notizia è la capacità di crittografare il traffico trasmesso tramite Bluetooth. Sviluppatori e produttori stanno già parlando della sostituzione del guinzaglio corto NFC con un protocollo più avanzato che consente di trasformare uno smartphone in una sostituzione a tutti gli effetti per una carta bancaria.
È vero, tutti questi vantaggi sono ancora disponibili solo per pochi proprietari di dispositivi mobili.
Smartphone con Bluetooth 5.0
Al momento, puoi acquistare solo tre dispositivi con i moduli di comunicazione Bluetooth 5.0. Questi sono smartphone e. Finora, la nuova specifica è stata implementata solo su flagship, quindi dovrai pagare da 500 a 1000 dollari americani per il diritto di utilizzare tutte le innovazioni di Bluetooth 5.0.
Nella seconda metà di maggio, uno smartphone premium si unirà alla linea di punta Samsung e Xiaomi, la cui specifica ufficiale è un nuovo standard per la comunicazione wireless. Questa volta, i vantaggi di Bluetooth 5.0 costeranno tra $ 650 e € 750, a seconda di dove viene venduto il nuovo smartphone HTC.
All'inizio dell'estate, circa un anno dopo l'annuncio di Bluetooth 5.0, un altro fiore all'occhiello con una nuova specifica wireless entrerà nel mercato. Il costo stimato del dispositivo giapponese è di $ 800.
In un lontano futuro, gli analisti prevedono la comparsa della quinta specifica nel Samsung Galaxy Note 8 e un nuovo telefono Google dalla linea Pixel. Ma nei telefoni cellulari economici Bluetooth 5.0 non sarà registrato molto presto. Il punto è che questa specifica deve essere supportata dai chipset. Tra le soluzioni economiche, purtroppo, nessun processore ha ancora tali capacità.
Android O ha il pieno supporto per Bluetooth 5, quindi gli sviluppatori di dispositivi non devono fare tutto il lavoro da soli.
La modifica principale è abilitare Bluetooth 5.0 tramite software senza alcuna modifica hardware. Il codice sorgente / file SW sarà gestito SOLO da HTC, e NON È POSSIBILE fornire questo codice sorgente / file SW a terzi per abilitare questa funzione.
Il cambiamento arriverà quando questi telefoni verranno aggiornati ad Android O 8.0 (inizio autunno) e non dovrai fare nulla. Tutto funzionerà così.
Tutto questo è bello, ma perché Bluetooth 5 è meglio di 4.2?
Le specifiche Bluetooth sono molto simili alle specifiche USB. Queste interfacce utilizzano un sistema digitale per qualificarsi come compatibili, l'hardware deve soddisfare determinate soglie per velocità di trasmissione e ricezione, consumo di energia e compatibilità.
Ciò significa che un numero maggiore sarà in qualche modo migliore di un numero più piccolo e il passaggio da 4.2 a 5 è più significativo rispetto a da 4.1 a 4.2.
Bluetooth 5 offre una portata maggiore, velocità di trasferimento dati più elevate e un modo più veloce per connettersi.
Bluetooth 5 offre quattro volte la portata e il doppio della velocità di trasferimento dei dati. È facile capire perché sia \u200b\u200bmigliore una gamma più ampia, ma è importante sapere che il trasferimento di dati non riguarda solo la condivisione di file.
Ad esempio, la musica è anche un dato digitale quando trasmessa in streaming tramite Bluetooth e una velocità in bit più elevata significa che può trasferire più dati audio per un suono "migliore" (che Sony ha già implementato con il suo codec LDAC) e meno possibilità di errori.
Ad esempio, utilizzando Bluetooth 5, il telefono può trasmettere musica a un altoparlante wireless a una distanza fino a 35 metri (rispetto a 10 sui vecchi standard Bluetooth), inviare il doppio dei dati digitali in modo che la tua musica suoni più succosa e non rallenta.
Perché HTC e Motorola stanno aspettando Android? Per il Bluetooth 5 funzioni correttamente
Non possiamo essere sicuri al 100% di ciò che stanno aspettando, ma è molto probabilmente dovuto al supporto Bluetooth 5 aggiuntivo fornito con Android O.
Lo standard Bluetooth 5 era pronto a dicembre 2016, quindi tutti i produttori sono a conoscenza della nuova versione. Quando Android Nougat è stato finalizzato, lo standard Bluetooth 5 non era ancora completo, quindi ci sono alcune funzionalità piuttosto significative che non sono supportate. NEL
Android 7.1 Nougat manca di una caratteristica importante: un nuovo standard di trasferimento dati ad alta efficienza energetica.
Quando due dispositivi comunicano tramite Bluetooth, devono trovare il modo migliore e più efficiente per inviare i dati. Ogni dispositivo ha una serie di controlli per trovare il modo "giusto" e Bluetooth 5 no. Ciò significa che il dispositivo tornerà a uno standard Bluetooth precedente e le funzioni Bluetooth 5 non verranno utilizzate.
In breve, ciò significa che nelle versioni precedenti ad Android O, un telefono con Bluetooth 5 non è in grado di comprendere correttamente che cosa è e cosa può fare esattamente e quando verrà stabilita la connessione, tornerà a una versione precedente di Bluetooth. Anche se l'hardware lo supporta.
Il Bluetooth 5 non era pronto quando è stato sviluppato Android 7.0 Nougat
Ad esempio, il Samsung Galaxy S8 deve utilizzare un codice Bluetooth di Samsung stesso per aggirare questi problemi perché Android Nougat non ha supporto. Costa un sacco di soldi e richiede molto tempo e alla fine diventerà tutto molto più semplice con l'arrivo di Android O.
Il Bluetooth è fantastico quando usiamo Android O e Bluetooth 5
Tutti i vantaggi di Bluetooth 5 richiedono che entrambi i dispositivi siano Bluetooth 5. Se un dispositivo è, ad esempio, Bluetooth 4.x, la connessione sarà 4.x.
Si scopre che fino a quando le cuffie o il sistema dell'auto non sono pronti per il Bluetooth 5, tutti questi vantaggi semplicemente non contano.
Due telefoni Galaxy S8 collegati tramite Bluetooth potrebbero avere trasferimenti di file più veloci, ma non è garantito che le versioni Bluetooth di Samsung e Android 8.0 O siano compatibili al 100%, quindi il collegamento del Galaxy S8 8 all'HTC U11 potrebbe non essere così veloce.
Tutti i vantaggi di Bluetooth 5 richiedono che entrambi i dispositivi abbiano questa versione.
Il Bluetooth si raffredda con ogni nuova versione, quindi cerca di trovare dispositivi moderni per sfruttare tutti questi miglioramenti. L'unico peccato è che i produttori di cuffie wireless hanno già realizzato un mucchio di fantastiche cuffie Bluetooth 4.2 e ci vorrà molto tempo per rilasciare nuovi modelli con Bluetooth in tutte le fasce di prezzo.
Tutti gli smartphone moderni sono dotati di Bluetooth di quarta generazione: alcuni ottengono la versione 4.0, alcuni 4.1 e altri 4.2. Nel frattempo, è uscita la quinta versione del "dente blu". In questo articolo, parleremo dei suoi vantaggi rispetto al Bluetooth 4.2 e di come questi vantaggi verranno applicati nella pratica.
Due volte più veloce
I dati Bluetooth di quinta generazione ora verranno trasferiti alla massima velocità6,25 MB / s - precedentemente 3,125 MB / s... È ancora molto meno dei concorrenti cablati:
- Apple Lightning - 60 MB / s
- USB 2.0 - 60 MB / s
- USB 3.0 - 625 MB / s
- USB 3.1 - 1210 MB / s
Ma è per questo che sono cablati!
Di conseguenza, aumenterà la velocità di sincronizzazione degli smartwatch con uno smartphone, elementi di Internet delle cose tra loro e con la base.
Altre quattro volte
Gamma indoor aumentatada 10 a 40 metri, sulla strada - da 50 a 200 metri.
Sarà possibile correre nello stadio senza uno smartphone in tasca. Lascialo nello zaino, indossa le cuffie Bluetooth e corri per te stesso: nulla ti penzolerà in tasca. Forse è stato il telefono a impedirti di correre la maratona! È vero, non puoi scappare 42 chilometri a 195 metri con le cuffie wireless.
Forse Fabregas non è incluso nella composizione, perché le cuffie con Bluetooth 4.2 interferiscono con lui
Per l'organizzazione dell'Internet of Things, una portata maggiore è particolarmente importante. Se le vecchie versioni di Bluetooth erano in qualche modo sufficienti per gli appartamenti, in una grande casa dovevano scendere a compromessi. Ora puoi facilmente mettere qualche elemento IoT nel cortile, lontano dal resto.
Otto volte più dati tramite canali di trasmissione
I canali di trasmissione sono necessari affinché l'IoT funzioni con dispositivi Bluetooth di terze parti senza una precedente connessione. In questa modalità, ora è possibile trasmettere più informazioni:255 byte contro 31 in Bluetooth 4.2.
Vorrei spiegare con un esempio perché sono necessari i canali di trasmissione. Immagina un ospedale moderno con l'Internet of Things. Una persona entra e tramite Bluetooth riceve immediatamente informazioni sull'ufficio di cui ha bisogno. Non può ottenere nient'altro, perché non è completamente collegato all'Internet of Things dell'ospedale.
La quantità di queste informazioni è di 31 byte, poiché viene utilizzato il Bluetooth 4.2. E con la quinta versione, la persona riceverà anche il nome del medico, il tempo di attesa approssimativo e il numero di telefono del medico principale per i reclami - la dimensione di questi dati è già di 255 byte.
Consuma 2,5 volte meno energia
Sembra che con una maggiore velocità e portata, il Bluetooth 5 diventerà più vorace. In realtà, tutto è esattamente l'opposto: il nuovo standard è molto più economico in termini di consumo energetico. Per gli smartphone con batterie da 3.000 mAh, il consumo di energia del Bluetooth 4.2 non era critico. Nel caso degli smartwatch, l'aumento dell'autonomia può essere tangibile, anche se, ovviamente, è necessario verificare in pratica.
Sistema di connessione seriale
Il ridimensionamento dell'Internet of Things sarà semplificato con un nuovo sistema di connettività seriale. In precedenza, ciascun dispositivo era collegato a una base comune, ma ora sarà sufficiente connettersi a un elemento vicino.
Ricordando la fisica!
Forse un giorno vedremo il sistema IoT urbano non nel quadro di un appartamento o di una casa, ma di un intero distretto o addirittura di una città? E si baserà sul Bluetooth 5 ad alta efficienza energetica e facilmente scalabile.
Perché altrimenti il \u200b\u200bBluetooth è connesso all'Internet of Things? Il fatto è che gli elementi dell'IoT sono troppo frammentati: ogni produttore fa qualcosa (o generalmente tutto) a modo suo. Il Bluetooth è una delle cose che le unisce tutte. È utilizzato in quasi tutti i dispositivi: telefoni, orologi, laptop, automobili e così via.
A proposito, il nuovo standard è retrocompatibile con i vecchi protocolli.
Quando aspettarsi?
Sì, lo hanno già fatto. Tutta la documentazione necessaria per lo sviluppo di dispositivi e software con supporto Bluetooth 5 è apparsa sul sito ufficiale all'inizio dell'anno e l'altro giorno sono stati rilasciati i primi smartphone con la quinta versione del "dente blu" -.
Il Bluetooth 5 non è affatto una rivoluzione, ma piuttosto uno sviluppo evolutivo della tecnologia. Il nuovo standard ha solo migliorato le prestazioni del precedente, ma al "dente blu" non è stato insegnato a fare nulla di nuovo. Il protocollo 4.2 può fare tutto come il Bluetooth 5, solo molte volte peggio.
Samsung Galaxy S8 è il primo smartphone dotato di un chip Bluetooth 5
Quasi tutti usano il Bluetooth: su smartphone, tablet, computer o per collegare accessori come cuffie wireless. Nel prossimo futuro, la situazione non cambierà: secondo i ricercatori di mercato (ABI Research), nel 2021 saranno acquistati circa 5 miliardi di dispositivi Bluetooth.
Allo stesso tempo, verrà osservato un potenziale di crescita particolarmente elevato nei dispositivi che utilizzano la tecnologia Internet of Things: orologi da polso, dispositivi di illuminazione o sistemi automatici di mantenimento della temperatura.
La quinta generazione di Bluetooth è progettata specificamente per "Internet of Things". Le tre innovazioni seguenti si applicano esclusivamente alla modalità Low Energy (LE):
- Velocità di trasferimento dati migliorata: la velocità massima aumenta da 1 Mbps a 2 Mbps.
- Gamma estesa: nella linea di vista (senza ostacoli sulla strada), viene aumentata da 50 a 200 metri.
- Trasferimento dati migliorato: tramite il cosiddetto. I "beacon" (beacon) possono essere trasmessi 8 volte più informazioni.
Inoltre, la nuova specifica Bluetooth applica soluzioni di ottimizzazione per migliorare l'immunità alle interferenze. Questo è molto importante poiché il Bluetooth opera nella banda di frequenza estremamente affollata da 2,4 GHz.
Le principali innovazioni del Bluetooth 5 - elevata velocità di trasferimento dei dati e portata estesa - sono limitate alla modalità a basso consumo energetico. C'è un piccolo problema: puoi usare solo uno dei vantaggi alla volta.
Baud rate massimo solo quando necessario
Mentre il Wi-Fi supera i record di velocità nella gamma dei gigabit, il Bluetooth LE si attesta ancora intorno a 1 Mbps. Tuttavia, Bluetooth 5 in modalità LE raddoppia la velocità massima di trasferimento dei dati. Naturalmente, questo non renderà il Bluetooth LE un "razzo", poiché ci sono alcune limitazioni.
La velocità di trasferimento netta in modalità Bluetooth LE è in costante aumento. Ma la velocità lorda di 2 Mbps in Bluetooth 5 è solo opzionale. Con un valore di 2 Mbps, stiamo parlando della velocità "lorda", la massima velocità "netta" rimarrà al livello di 1,4 Mbps. Inoltre, questo valore è valido solo nel campo vicino, poiché per la trasmissione di una maggiore quantità di dati utili in un pacchetto, Bluetooth 5 "salva" sulla correzione degli errori.
Tuttavia, 2 Mbps in modalità LE è più un'opzione che i produttori possono implementare nei loro dispositivi. In alternativa, sono disponibili anche velocità di 1 Mbps, 500 Kbps e 125 Kbps.
Inoltre, per impostazione predefinita, tutti i dispositivi Bluetooth hanno una velocità di trasferimento dati di 1 Mbit / s, altri parametri sono opzionali e il diritto di scegliere l'implementazione è dato ai produttori.
Inoltre, non puoi presumere ciecamente che tutti i dispositivi che utilizzano Bluetooth 5 supportino la modalità LE più veloce.
Internet senza errori delle cose
Sebbene le apparecchiature professionali forniscano la trasmissione dei dati tramite Bluetooth fino a 500 metri, lo standard Bluetooth ha offerto solo ora la possibilità di connessioni a risparmio energetico fino a 200 metri di distanza. La tecnologia Bluetooth viene utilizzata principalmente nell'area a corto raggio, sebbene esistano apparecchiature in grado di trasmettere dati tramite Bluetooth fino a 500 metri. Tuttavia, tali campi operativi estremi richiedono costi significativi, poiché ciò richiede un aumento significativo della potenza dei trasmettitori.
Oltre alla modalità LE, lo standard Bluetooth ha da tempo definito varie classi in cui i dispositivi possono trasmettere dati con una potenza fino a 100 mW. Per tali moduli Bluetooth, in base ai parametri della classe 1, è necessaria troppa potenza, che non è adatta per l'Internet delle cose.
Da ora in poi, con l'uso di Bluetooth LE, sembra diverso, poiché i moduli Bluetooth utilizzati in esso aumentano la portata grazie alla tecnologia Forward Error Correction (FEC) senza aumentare significativamente la potenza di trasmissione. Tuttavia, a causa della maggiore portata, è necessario sacrificare la velocità di trasferimento dei dati.
Se osservi lo stack del protocollo Bluetooth, puoi vedere che le innovazioni per estendere la gamma di Bluetooth 5 sono al livello più basso (fisico). Il payload viene trasmesso due volte e crittografato ulteriormente, quindi il dispositivo ricevente può spesso correggere da solo gli errori. In questo caso, la chiave di volta per la crittografia è la velocità dei simboli.
Bluetooth 5 in modalità di risparmio energetico aumenta semplicemente la porzione di carico utile del pacchetto per ottenere una velocità di trasferimento massima di 2 Mbps.Nel caso più semplice, ciascun bit viene trasmesso due volte. Ogni zero viene inviato come "00", uno come "11". Ciò dimezza la velocità massima di trasferimento dati lordo, da 1 Mbps a 500 Kbps. Tuttavia, per una portata ancora maggiore, lo standard Bluetooth definisce anche la crittografia estesa, in cui ogni bit viene trasmesso non in due, ma in otto caratteri. Ogni zero è codificato con una sequenza di caratteri "00110011", ognuno è "11001100".
Struttura del pacchetto dati Bluetooth per portata estesa. Il sistema di correzione degli errori trasmette il payload più volte e lo crittografa in modo speciale, in modo da trasmettere meno payload in ogni pacchetto. Ciò aumenta la distanza di trasmissione dei pacchetti di dati Bluetooth-LE da 50 a 200 m.Se il ricevitore riceve la sequenza "11001101", l'errore nell'ultimo bit può essere facilmente identificato e corretto. Tuttavia, la velocità di trasferimento dei dati è ridotta a 125 Kbps.
Beacon e networking
Bluetooth 5 estende anche la lunghezza dei messaggi non connessi tramite beacon Bluetooth. Brevi informazioni possono essere inviate in questo modo. Quando si utilizzano beacon Bluetooth 4.x fornisce una lunghezza del messaggio di 30 byte, Bluetooth 5 fornisce un aumento di oltre otto volte della quantità di dati trasmessi (256 byte). I dispositivi Bluetooth 5 possono funzionare in tutte le modalità dei loro predecessori e sono quindi retrocompatibili.
La prossima fase di Internet of Things sarà una specifica speciale per l'interconnessione semplificata dei dispositivi Bluetooth in un'unica rete, che dovrebbe essere presentata a metà 2017. Ciò consente ai dispositivi Bluetooth di ricevere messaggi da un dispositivo e inviarli a un altro in modalità di risparmio energetico. Allo stesso modo, l'intervallo dovrebbe essere ulteriormente aumentato.
Foto: aziende manifatturiere, Standardizer / commons.wikimedia.org
Bluetooth 5.0 diventato realtà. Rispetto al Bluetooth 4.0, la nuova versione ha raddoppia la larghezza di banda, quadruplica l'intervallo e tutta una serie di altri miglioramenti. Consideriamo i vantaggi di Bluetooth 5.0 rispetto ai suoi predecessori, incluso un esempio cPU CC2640R2F a partire dal Texas Instruments.
La popolarità della versione del protocollo Bluetooth 4, nonché alcune delle sue limitazioni, sono diventate le ragioni per la creazione della prossima specifica Bluetooth 5. Gli sviluppatori si sono prefissati una serie di obiettivi: estendere la portata, aumentare la larghezza di banda durante l'invio di pacchetti di trasmissione, migliorare l'immunità al rumore e così via.
Ora che i primi dispositivi con Bluetooth 5 hanno iniziato ad apparire, gli utenti e gli sviluppatori stanno giustamente ponendo domande: quali delle promesse precedentemente annunciate si sono avverate? Quanto è aumentato l'intervallo e la velocità di trasferimento dei dati? In che modo ciò ha influito sul livello di consumo? Come è cambiato l'approccio alla formazione dei pacchetti di trasmissione? Quali miglioramenti sono stati apportati per migliorare l'immunità al rumore? E, naturalmente, la domanda principale è: esiste una retrocompatibilità tra Bluetooth 5 e Bluetooth 4? Rispondiamo a queste e ad altre domande e consideriamo i principali vantaggi di Bluetooth 5.0 rispetto ai suoi predecessori, incluso l'esempio di un vero processore con supporto Bluetooth 5.0 da parte dell'azienda Texas Instruments.
Iniziamo la nostra recensione di Bluetooth 5.0 rispondendo alla domanda più frequente sulla compatibilità con Bluetooth 4.x
Bluetooth 5.0 è retrocompatibile con Bluetooth 4.x?
Sì, lo fa. Bluetooth 5 ha adottato la maggior parte delle funzionalità e delle estensioni di Bluetooth 4.1 e 4.2. Ad esempio, i dispositivi Bluetooth 5 mantengono tutti i miglioramenti della sicurezza Bluetooth 4.2 e supportano l'estensione della lunghezza dei dati LE. Vale la pena ricordare che grazie all'estensione della lunghezza dei dati LE, a partire da Bluetooth 4.2, la dimensione del pacchetto di dati (unità di dati a pacchetto, PDU) con una connessione stabilita può essere aumentata da 27 a 251 byte, il che consente di aumentare il tasso di scambio di 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 dispositivi durante la creazione di connessioni. Ciò significa che prima di iniziare a scambiare dati, i dispositivi "conoscono" e determinano la massima frequenza di trasmissione dei dati, la lunghezza del messaggio e così via. Le impostazioni predefinite sono Bluetooth 4.0. Il passaggio ai parametri Bluetooth 5 si verifica solo se durante il processo di negoziazione risulta che entrambi i dispositivi supportano la versione successiva del protocollo.
A proposito di strumenti che sono già disponibili per gli sviluppatori, vale la pena notare il nuovo processore CC2640R2F e lo stack BLE5 gratuito di Texas Instruments. Per la gioia degli sviluppatori, BLE5-Stack si basa sulla versione precedente di BLE-Stack e le modifiche al suo utilizzo hanno influito solo sulle nuove funzionalità di 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 della velocità di Bluetooth 4.x. Va notato che l'effettivo tasso di scambio di dati dipende non solo dalla larghezza di banda fisica del canale di trasmissione, ma anche dal rapporto tra servizio e informazioni utili nel pacchetto, nonché dai costi di "sovraccarico" associati, ad esempio la perdita di tempo tra i pacchetti (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 di dati PDU di 27 byte, ha permesso 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 diventato possibile aumentare la lunghezza del pacchetto a 251 byte, il che ha portato ad un aumento del tasso di scambio di dati di 2,5 volte - fino a 780 kbit / s.
La versione 5 di Bluetooth mantiene il supporto per l'estensione della lunghezza dei dati LE, che, insieme ad un aumento della larghezza di banda fisica fino a 2 Mbps, consente tassi di scambio di 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 a 2 Mbps è stato ottenuto riducendo l'intervallo. Naturalmente, fisicamente il chip ricetrasmettitore (PHY) quando si opera a 2 Mbps ha una sensibilità in meno di 5 dBm rispetto a quando si opera a 1 Mbps. Tuttavia, oltre alla sensibilità, ci sono altri fattori che contribuiscono ad un aumento dell'intervallo, ad esempio il passaggio alla codifica dei dati. Per questo motivo, a parità di altre condizioni, Bluetooth 5 è più affidabile e ha una portata maggiore rispetto a Bluetooth 4.0. Questo è discusso in dettaglio in una delle seguenti sezioni dell'articolo.
Come attivare la modalità di trasferimento dati ad alta velocità in Bluetooth 5?
Quando viene stabilita una connessione tra due dispositivi Bluetooth, vengono inizialmente utilizzate le impostazioni Bluetooth 4.0. Ciò significa che nella prima fase i dispositivi scambiano dati a una velocità di 1 Mbit / s. Una volta stabilita la connessione, la procedura guidata abilitata Bluetooth 5.0 può avviare la procedura di aggiornamento PHY, che mira a impostare la velocità massima su 2 Mbps. Questa operazione avrà esito positivo solo se lo slave supporta anche Bluetooth 5.0. Altrimenti, la velocità rimane a 1 Mbps.
Per gli sviluppatori che precedentemente utilizzavano BLE-Stack di Texas Instruments, la buona notizia è che una singola funzione HCI_LE_SetDefaultPhyCmd () è stata allocata nel nuovo BLE5-Stack per eseguire questa procedura. Pertanto, durante l'aggiornamento a Bluetooth 5.0, gli utenti TI non avranno problemi con l'inizializzazione iniziale. Un esempio pubblicato sul portale GitHub sarà utile anche per gli sviluppatori, che consente di valutare il funzionamento di due microcontrollori CC2640R2F che operano come parte dei LaunchPad CC2640R2 in modalità High Speed \u200b\u200be Long Range.
In che modo è aumentata la portata di Bluetooth 5?
La specifica Bluetooth 5.0 afferma che ha una gamma quattro volte superiore a Bluetooth 4.0. Questa è una domanda piuttosto sottile che dovrebbe essere discussa in modo più dettagliato.
In primo luogo, il concetto di "quattro volte" è relativo e non è legato a un intervallo specifico in metri o chilometri. Il fatto è che la portata della 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 sviluppatore dello standard Bluetooth SIG stesso, fornisce valori specifici. L'aumento della portata è stimato rispetto a 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 \u003d potenzaT X (dBm) - sensibilitàR X (DBm)
Per Bluetooth 4.0, la sensibilità standard del ricevitore è -93 dBm. Supponendo una potenza del trasmettitore di 0 dBm, il budget è 93 dB.
La quadruplicazione dell'intervallo richiederebbe un aumento del budget di 12 dB, con un valore di 105 dB. Come dovrebbe essere raggiunto questo valore? Ci sono due modi:
- aumento della potenza del trasmettitore;
- aumentare la sensibilità dei ricevitori.
Se segui il primo percorso e aumenti la potenza del trasmettitore, ciò causerà inevitabilmente un aumento dei consumi. Ad esempio, per CC2640R2F, il passaggio a una potenza di uscita di 5 dBm comporta 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 dei dispositivi wireless alimentati a batteria e non è sempre adatto per l'IoT, e questa è l'area in cui il Bluetooth 5.0 era principalmente orientato. Per questo motivo, la seconda soluzione sembra preferibile.
Esistono due modi per aumentare la sensibilità del ricevitore:
- diminuzione della velocità di trasmissione;
- utilizzando la codifica dei dati Coded PHY.
Ridurre la velocità dei dati di un fattore otto aumenta teoricamente la sensibilità del ricevitore di 9 dB. Pertanto, mancano solo 3 dB al valore desiderato.
I 3 dB richiesti possono essere ottenuti utilizzando la codifica PHY codificata aggiuntiva. In precedenza, nelle versioni Bluetooth 4.x, la codifica dei bit era 1: 1 inequivocabile. Ciò significa che il flusso di dati è stato diretto direttamente al demodulatore differenziale. Esistono due formati di trasmissione aggiuntivi in \u200b\u200bBluetooth 5.0 quando si utilizza PHY codificato:
- con codifica 1: 2, in cui a ciascun bit di dati vengono assegnati due bit nel flusso di dati radio. Ad esempio, il "1" logico è rappresentato come la sequenza "10". Allo stesso tempo, la velocità fisica rimane pari a 1 Mbit / s, mentre la velocità di trasferimento dati reale scende a 500 kbit / s.
- Con codifica 1: 4. Ad esempio, "1" logico è rappresentato dalla sequenza "1100". In questo caso, la velocità di trasferimento dei dati è ridotta a 125 kbps.
L'approccio descritto si chiama Forward Error Correction (FEC) e consente di rilevare e correggere errori sul lato ricevente, piuttosto che richiedere la ritrasmissione dei pacchetti, come nel caso di Bluetooth 4.0.
Tutto sembra a posto sulla carta. Resta solo da scoprire fino a che punto questi calcoli teorici corrispondono alla realtà. Prendi il microcontrollore CC2640R2F come esempio. 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 PHY codificato e 125 kbps. Pertanto, in quest'ultimo caso, solo 2 dBm non sono sufficienti per raggiungere 105 dB.
Per stimare la gamma del CC2640R2F, gli ingegneri della Texas Instruments hanno condotto un esperimento sul campo a Oslo. Allo stesso tempo, dal punto di vista del livello di rumore, l'ambiente in questo esperimento non può essere definito "amichevole", poiché la parte commerciale della città era situata nelle immediate vicinanze.
Per ottenere un budget di potenza superiore a 105 dB, è stato deciso di aumentare la potenza del trasmettitore a 5 dBm. Ciò ha comportato un totale impressionante di 108 dBm (Figura 2). Durante l'esperimento, il raggio d'azione è stato di 1,6 km, il che è un risultato molto impressionante, soprattutto considerando il livello minimo di consumo dei 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 i dispositivi (37, 38, 39). Con il loro aiuto, i dispositivi si sono trovati reciprocamente e si sono scambiati informazioni di servizio. Potrebbero anche trasmettere pacchetti di dati di trasmissione. Questo approccio presenta degli svantaggi:
- con un gran numero di trasmettitori attivi, questi canali possono essere semplicemente sovraccaricati;
- sempre più dispositivi utilizzano trasmissioni senza connessione point-to-point. Ciò è particolarmente importante per l'IoT dell'Internet of Things;
- il nuovo sistema di codifica PHY codificato richiederà otto volte di più per stabilire una connessione, che caricherà ulteriormente 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 di dati e i canali di servizio 37, 38, 39 vengono utilizzati per trasmettere 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 a 255 byte anziché a 6 ... 37 byte PDU in Bluetooth 4.x. Ciò è estremamente importante per le applicazioni IoT, in quanto riduce al minimo le spese generali di trasmissione ed elimina la necessità di connessioni e quindi riduce i consumi.
Bluetooth 5 supporta le reti Mesh?
Soluzioni Bluetooth 5 Texas Instruments
Uno dei primissimi microcontrollori con Bluetooth 5.0 è stato il processore CC2640R2F ad alte prestazioni di Texas Instruments.
Il CC2640R2F si basa su un moderno core ARM Cortex-M3 a 32 bit con una frequenza operativa fino a 48 MHz. Il trasmettitore radio è controllato da un secondo core ARM Cortex-M0 a 32 bit (Figura 3). Inoltre, il CC2640R2F dispone di ricche periferiche digitali e analogiche.
Il vantaggio del microcontrollore CC2640R2F è anche un basso consumo (tabella 2). Questo vale per tutte le modalità operative. Ad esempio, in modalità attiva, quando si ricevono dati su un canale radio, il consumo è di 5,9 mA e durante la trasmissione, 6,1 mA (0 dBm) o 9,1 mA (5 dBm). Quando si passa alla modalità di sospensione, la corrente di alimentazione scende a 1 μA.
La combinazione di tre importanti qualità come il supporto Bluetooth 5.0, il basso consumo energetico e le elevate prestazioni di picco rende CC2640R2F una soluzione molto interessante per l'Internet of Things. Allo stesso tempo, utilizzando questo microcontrollore, è possibile creare l'intera gamma di dispositivi IoT: sensori autonomi che funzionano per diversi anni da una batteria, 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 di microcontrollore wirelessCC2640 R2 F con il supportoBluetooth 5
| Ore lavorative | Parametro | Valore (a Vcc \u003d 3V) |
|---|---|---|
| Elaborazione attiva | μA / MHz ARM® Cortex®-M3 | 61 μA / MHz |
| Coremark / mA | 48,5 | |
| Coremark a 48 MHz | 142 | |
| Scambio radio | Corrente di picco in ricezione, mA | 5,9 |
| Corrente di picco durante la trasmissione, mA | 6,1 | |
| Modalità di sonno | Controller sensore, μA / MHz | 8,2 |
| Modalità sleep con RTC acceso e conservazione della memoria, mA | 1 |
Per iniziare rapidamente con CC2640R2F, Texas Instruments ha preparato un kit di debug tradizionale (Figura 4). Utilizzando una coppia di tali dispositivi, è possibile valutare la velocità e la portata della trasmissione radio tramite Bluetooth 5.0. Per fare ciò, è possibile utilizzare esempi già pronti o creare la propria applicazione basata sul protocollo BLE 5 stack 1.0 gratuito (www.ti.com/ble).
Conclusione
La nuova versione del protocollo Bluetooth 5.0 è incentrata sulla soddisfazione delle esigenze dell'Internet of Things (IoT). Rispetto al Bluetooth 4.0, presenta numerosi miglioramenti della qualità:
- la velocità di trasferimento dei dati è raddoppiata e ha raggiunto i 2 Mbps;
- il raggio di trasmissione è quadruplicato grazie alla codifica dei dati con codice PHY e Forward Error Correction (FEC);
- il throughput dei messaggi broadcast è aumentato di 8 volte.
Inoltre, Bluetooth 5.0 fornisce compatibilità con le versioni precedenti dei dispositivi Bluetooth 4.x e supporta anche la maggior parte delle estensioni delle versioni successive del protocollo.
È possibile valutare le funzionalità di Bluetooth 5.0 in questo momento utilizzando gli strumenti prodotti da Texas Instruments. L'azienda produce un microcontrollore CC2640R2F ad alte prestazioni ea bassa potenza, fornisce uno stack BLE 5 gratuito 1.0 e molti esempi già pronti per il kit di debug LAUNCHXL-CC2640R2.
Letteratura
- Domande frequenti su Bluetooth Core Specifcation 5.0. 2016. Bluetooth SIG.
