Telefony z bluetooth 5.0. Co to jest Bluetooth i jak go używać

Co nowego w bluetooth 5.0? Dwukrotny wzrost prędkości, możliwość szyfrowania ruchu, zwiększenie zasięgu o 400% i wiele innych zalet.

Wiadomość o pojawieniu się Bluetooth 5.0 pojawiła się na stronach zasobów medialnych w czerwcu 2016 r., Ale społeczeństwo zajmujące się ważniejszymi sprawami nie zwróciło wystarczającej uwagi na pojawienie się nowego standardu technologicznego w świecie komunikacji bezprzewodowej. Urządzenia oparte na Bluetooth 5.0 w tym czasie nie zostały jeszcze wydane. W maju 2017 r., Po pojawieniu się Samsunga Galaxy S8 i Xiaomi Mi 6, zaczęli rozmawiać o nowej specyfikacji w zupełnie inny sposób. W końcu Bluetooth 5.0 przedstawił konsumentom kilka długo oczekiwanych zalet, które omówimy w tym artykule.

Dobra wiadomość dla programistów

Bezprzewodowe współistnienie - zapamiętaj ten termin. Wkrótce zmieni całą strukturę komunikacji bezprzewodowej. Bluetooth Special Interest Group obiecuje bezprecedensowy poziom interakcji z innymi protokołami komunikacyjnymi. Obiecujemy nawet równoległe i bezkonfliktowe współistnienie Bluetooth i Wi-Fi.

Specyfikacja 5.0 zakłada pracę z 255 pakietami oktetów (zamiast 31 pakietów, jak w poprzedniej wersji) i przełączanie na sąsiednie częstotliwości bez utraty bajtów ruchu. W paśmie 2,4 GHz pełnym bitów i bajtów konsumentom, programistom, a nawet systemom operacyjnym i chipom łatwiej będzie oddychać.

Deweloperzy będą mogli dostroić oprogramowanie, producenci zaczną integrować moduły Bluetooth 5.0 nawet w żelazkach i odkurzaczach. A systemy operacyjne przestaną przeciążać procesory, próbując zbudować pracę w celu uporządkowania zaśmieconego ruchu. Analitycy twierdzą, że „Internet rzeczy”, o którym wszyscy futurolodzy mówią od tak dawna, zacznie się od tego.

Czego można oczekiwać od konsumenta

Dla przeciętnego użytkownika urządzeń Bluetooth wygląd specyfikacji 5.0 jest interesujący na dwa sposoby. Po pierwsze, nowy standard zwiększa prędkość udostępniania plików 2 razy. Po drugie, zasięg zwiększa się 4 razy.

Pod względem liczbowym brzmi to jeszcze lepiej - prędkość Bluetooth 5.0 wzrosła do 2 Mb / s, a zasięg został zwiększony do 100 metrów. Teraz możesz słuchać utworów o wysokiej jakości dźwięku, nawet jeśli smartfon jest w domu, a Ty masz bezprzewodowy głośnik lub słuchawki na ulicy.

Ponadto nowy protokół pozwala nie tylko zwiększyć zasięg - Bluetooth 5.0 jest gotowy do pracy nie z jednym źródłem, ale z kilkoma jednocześnie. A energochłonność tego procesu będzie znacznie niższa niż w poprzednich wersjach bezprzewodowych modułów komunikacyjnych. Mówiąc najprościej, Bluetooth 5.0 ochroni baterię zarówno smartfona, jak i głośnika mobilnego.

Kolejną dobrą wiadomością jest możliwość szyfrowania ruchu przesyłanego kanałem Bluetooth. Deweloperzy i producenci już mówią o zastąpieniu krótkiej smyczy NFC bardziej zaawansowanym protokołem, który pozwala zamienić smartfon w pełnoprawny zamiennik karty bankowej.

To prawda, że \u200b\u200bwszystkie te zalety są nadal dostępne tylko dla kilku właścicieli urządzeń mobilnych.

Smartfony z Bluetooth 5.0

W tej chwili możesz kupić tylko trzy urządzenia z modułami komunikacyjnymi Bluetooth 5.0. To są smartfony i. Jak dotąd nowa specyfikacja jest wdrażana tylko na flagowcach, więc aby móc korzystać ze wszystkich innowacji Bluetooth 5.0, trzeba zapłacić od 500 do 1000 USD.

W drugiej połowie maja smartfon premium dołączy do linii flagowców Samsung i Xiaomi, których oficjalna specyfikacja obejmuje nowy standard bezprzewodowy. W tym momencie korzyści płynące z Bluetooth 5.0 będą musiały zapłacić od 650 dolarów do 750 euro, w zależności od miejsca sprzedaży nowego smartfona HTC.

Na początku lata, około roku po ogłoszeniu Bluetooth 5.0, na rynku pojawi się kolejny flagowiec z nową specyfikacją bezprzewodową. Szacowany koszt japońskiego urządzenia wyniesie 800 USD.

W odległej przyszłości analitycy przewidują pojawienie się piątej specyfikacji w Samsung Galaxy Note 8 i nowego telefonu Google z linii Pixel. Ale w tanich telefonach komórkowych Bluetooth 5.0 nie zostanie wkrótce zarejestrowany. Faktem jest, że ta specyfikacja musi być obsługiwana przez chipsety. Wśród niedrogich rozwiązań takie możliwości niestety nie mają jeszcze jednego procesora.

Android O ma pełne wsparcie dla Bluetooth 5, więc twórcy urządzeń nie muszą wykonywać całej pracy sami.

Główną zmianą jest włączenie Bluetooth 5.0 za pomocą oprogramowania bez żadnych zmian sprzętowych. Plik kodu źródłowego / SW będzie obsługiwany TYLKO przez HTC Corporation, a udostępnienie tego kodu źródłowego / SW osobom trzecim jest NIEMOŻLIWE, aby włączyć tę funkcję.

Zmiana nastąpi, gdy telefony te zostaną zaktualizowane do systemu Android O 8.0 (wczesna jesień) i nie będziesz musiał nic robić. Wszystko tak będzie działać.

Wszystko to jest fajne, ale dlaczego Bluetooth 5 jest lepszy niż 4.2?

Specyfikacje Bluetooth są bardzo podobne do specyfikacji USB. Interfejsy te wykorzystują system cyfrowy w celu zakwalifikowania jako kompatybilny, sprzęt musi mieć określone wartości progowe prędkości transmisji i odbioru, zużycia energii i kompatybilności.

Oznacza to, że większa liczba będzie w jakiś sposób lepsza niż mniejsza liczba, a przejście z 4,2 do 5 jest bardziej znaczące niż z 4,1 do 4,2.

Bluetooth 5 zapewnia większy zasięg, większą szybkość przesyłania danych i szybszą metodę połączenia.

Bluetooth 5 oferuje czterokrotnie większy zasięg i dwukrotnie większą szybkość przesyłania danych. Łatwo jest zrozumieć, dlaczego szerszy zakres jest lepszy, ale ważne jest, aby wiedzieć, że transfer danych to coś więcej niż udostępnianie plików.

Na przykład muzyka to także dane cyfrowe podczas przesyłania strumieniowego przez Bluetooth, a wyższa prędkość oznacza, że \u200b\u200bmoże przesyłać więcej danych audio w celu uzyskania „lepszego” dźwięku (jest to już zaimplementowane przez Sony z kodekiem LDAC) i rzadziej popełnia błędy.

Na przykład za pomocą Bluetooth 5 telefon może przesyłać muzykę do głośnika bezprzewodowego w odległości do 35 metrów (w porównaniu do 10 w starych standardach Bluetooth), wysyłać dwukrotnie więcej danych cyfrowych, aby Twoja muzyka brzmiała bardziej soczyście i nie zwalniała.

Dlaczego HTC i Motorola czekają na Androida? Ze względu na prawidłowe działanie Bluetooth 5

Nie możemy być w 100% pewni, że czekają, ale najprawdopodobniej wynika to z dodatkowej obsługi Bluetooth 5 dostarczanej z Androidem O.

Standard Bluetooth 5 był gotowy w grudniu 2016 r., Więc wszyscy producenci są świadomi nowej wersji. Kiedy Android Nougat został ukończony, standard Bluetooth 5 nie został jeszcze ukończony, więc niektóre dość znaczące funkcje nie są obsługiwane. W

W systemie Android 7.1 Nougat brakuje jednej ważnej funkcji - nowego energooszczędnego standardu przesyłania danych.

Gdy dwa urządzenia komunikują się przez Bluetooth, muszą znaleźć najlepszy i najbardziej wydajny sposób przesyłania danych. Każde urządzenie ma zestaw kontroli, aby znaleźć „właściwą” drogę, a Bluetooth 5 nie przeprowadza takich kontroli. Oznacza to, że urządzenie powróci do starszego standardu Bluetooth i funkcje Bluetooth 5 nie będą używane.

Krótko mówiąc, oznacza to, że w wersjach wcześniejszych niż Android O, telefon Bluetooth 5 nie może właściwie zrozumieć, co to jest i co może zrobić, a kiedy połączenie zostanie ostatecznie ustanowione, nastąpi powrót do starszej wersji Bluetooth. Nawet jeśli sprzęt to obsługuje.

Bluetooth 5 po prostu nie był gotowy podczas opracowywania Androida 7.0 Nougat

Na przykład Samsung Galaxy S8 musi używać kodu Bluetooth Samsunga, aby obejść te problemy, ponieważ Android Nougat nie obsługuje. Kosztuje dużo pieniędzy i zajmuje dużo czasu, a ostatecznie wszystko to zostanie znacznie uproszczone wraz z pojawieniem się Androida O.

Bluetooth jest bardzo fajny, gdy używamy Androida O i Bluetooth 5

Wszystkie zalety Bluetooth 5 wymagają zgodności obu urządzeń z Bluetooth 5. Jeśli jedno urządzenie, na przykład Bluetooth 4.x, połączenie będzie zgodne ze standardem 4.x.

Okazuje się, że dopóki twoje słuchawki lub system samochodowy nie będą gotowe do pracy z Bluetooth 5, wszystkie te zalety po prostu nie mają znaczenia.

Dwa telefony Galaxy S8 połączone przez Bluetooth mogą mieć szybsze przesyłanie plików, ale nie ma gwarancji, że wersje Bluetooth od Samsunga i Androida 8.0 O są w 100% kompatybilne, więc połączenie Galaxy S8 8 z HTC U11 może nie być tak szybkie.

Wszystkie zalety Bluetooth 5 wymagają, aby oba urządzenia miały tę wersję.

Bluetooth staje się coraz chłodniejszy z każdą nową wersją, więc spróbuj znaleźć nowoczesne urządzenia, aby skorzystać z tych wszystkich ulepszeń. Szkoda, że \u200b\u200bproducenci słuchawek bezprzewodowych zrobili już kilka fajnych słuchawek opartych na Bluetooth 4.2, a wydanie nowych modeli z Bluetooth we wszystkich przedziałach cenowych zajmie dużo czasu.

Wszystkie nowoczesne smartfony są wyposażone w Bluetooth czwartej generacji - niektóre mają wersję 4.0, część 4.1, a część 4.2. Tymczasem wyszła piąta wersja „niebieskiego zęba”. W tym artykule porozmawiamy o jego zaletach w stosunku do Bluetooth 4.2 oraz o tym, jak te zalety będą stosowane w praktyce.

Dwa razy szybciej

Dane Bluetooth 5. generacji będą teraz przesyłane z maksymalną prędkością6,25 MB / s - wcześniej było to 3,125 MB / s. To wciąż znacznie mniej niż konkurenci przewodowi:

Błyskawica Apple - 60 MB / s
USB 2.0 - 60 MB / s
USB 3.0 - 625 MB / s
USB 3.1 - 1210 MB / s

Ale potem są podłączone!

W rezultacie wzrośnie szybkość synchronizacji inteligentnych zegarków ze smartfonem, elementami Internetu rzeczy ze sobą i z bazą.

Cztery razy dalej

Zwiększony zasięg w pomieszczeniuod 10 do 40 metrów, na dworze - od 50 do 200 metrów.

Możesz biegać na stadionie bez smartfona w kieszeni. Zostaw go w plecaku, załóż zestaw słuchawkowy Bluetooth i biegnij sam - nic nie zwisnie w kieszeni. Może to telefon uniemożliwił Ci start w maratonie! Jednak 42 km 195 metrów z bezprzewodowymi słuchawkami nie można uruchomić.

Być może Fabregas nie wchodzi w skład, ponieważ słuchawki z Bluetooth 4.2 przeszkadzają mu

Zwiększony promień działania jest szczególnie ważny dla organizacji Internetu przedmiotów. Jeśli stare wersje Bluetooth były w jakiś sposób wystarczające dla mieszkań, to w dużym domu musiałem pójść na kompromis. Teraz możesz łatwo umieścić jakiś element Internetu Rzeczy na podwórku, z dala od reszty.

Osiem razy więcej danych za pośrednictwem kanałów telewizyjnych

Kanały rozgłoszeniowe są potrzebne, aby Internet przedmiotów mógł współpracować z urządzeniami Bluetooth innych firm bez uprzedniego połączenia. W tym trybie możesz teraz przenieść więcej informacji:255 bajtów vs 31 w bluetooth 4.2.

Pozwól mi wyjaśnić na przykładzie, dlaczego potrzebne są kanały nadawane. Wyobraź sobie nowoczesny szpital, który wdraża Internet przedmiotów. Osoba wchodzi i natychmiast otrzymuje informacje przez Bluetooth, którego biura potrzebuje. Nie może dostać nic innego, ponieważ nie jest w pełni podłączony do szpitalnego Internetu rzeczy.

Objętość tej informacji wynosi 31 bajtów, ponieważ używany jest Bluetooth 4.2. A w piątej wersji osoba otrzyma również nazwisko lekarza, przybliżony czas oczekiwania i numer telefonu głównego lekarza na skargi - rozmiar tych danych wynosi już 255 bajtów.

Zużywa 2,5 razy mniej energii

Wydaje się, że wraz ze wzrostem wskaźników prędkości i zasięgu Bluetooth 5 stanie się żarłoczny. W rzeczywistości wszystko jest dokładnie odwrotnie - nowy standard jest znacznie bardziej ekonomiczny pod względem zużycia energii. W przypadku smartfonów z bateriami 3000 mAh zużycie energii przez Bluetooth 4.2 nie było krytyczne. W przypadku inteligentnych zegarków wzrost autonomii może być namacalny, chociaż oczywiście trzeba to sprawdzić w praktyce.

Szeregowy system połączeń

Skalowanie Internetu przedmiotów będzie łatwiejsze dzięki nowemu systemowi połączeń szeregowych. Wcześniej każde urządzenie było podłączone do wspólnej bazy, ale teraz wystarczy połączyć się z sąsiednim elementem.

Pamiętaj o fizyce!

Może kiedyś zobaczymy miejski system Internetu Rzeczy nie w ramach mieszkania lub domu, ale w całej dzielnicy, a nawet mieście? Będzie on oparty na energooszczędnym i łatwo skalowalnym module Bluetooth 5.

Dlaczego jeszcze Bluetooth jest podłączony do Internetu przedmiotów? Faktem jest, że elementy IoT są zbyt rozdrobnione: każdy producent robi coś (lub nawet wszystko) na swój własny sposób. Bluetooth jest jedną z rzeczy, która łączy je wszystkie. Jest stosowany w prawie wszystkich urządzeniach: telefonach, zegarkach, laptopach, samochodach i tak dalej.

Nawiasem mówiąc, nowy standard jest wstecznie kompatybilny ze starymi protokołami.

Kiedy się spodziewać?

Tak, już czekałem. Cała dokumentacja niezbędna do opracowania urządzeń i oprogramowania z obsługą Bluetooth 5 pojawiła się na oficjalnej stronie internetowej na początku roku, a pewnego dnia pojawiły się pierwsze smartfony z piątą wersją „niebieskiego zęba”.

Bluetooth 5 to nie rewolucja, ale ewolucyjny rozwój technologii. W nowym standardzie poprawili jedynie wydajność poprzedniego, ale nie nauczyli ich, jak robić cokolwiek nowego. Protokół 4.2 może zrobić wszystko tak samo jak Bluetooth 5, tylko kilka razy gorzej.

Pierwszym smartfonem wyposażonym w układ Bluetooth 5 był Samsung Galaxy S8

Prawie wszyscy używają Bluetooth: na smartfonie, tablecie, komputerze lub do podłączania akcesoriów, takich jak słuchawki bezprzewodowe. W najbliższej przyszłości sytuacja się nie zmieni: według badań rynku (ABI Research) w 2021 r. Zostanie zakupionych około 5 miliardów urządzeń Bluetooth.

Jednocześnie szczególnie duży potencjał wzrostu będzie obserwowany w przypadku urządzeń korzystających z technologii Internetu rzeczy: zegarków, oświetlenia lub systemów automatycznej kontroli temperatury.

Piąta generacja Bluetooth jest przeznaczona tylko do „Internetu rzeczy”. Następujące trzy innowacje są stosowane wyłącznie w energooszczędnym trybie Low-Energy (LE):

Zwiększona szybkość przesyłania danych: maksymalna prędkość wzrasta z 1 do 2 Mbps.
Zwiększony promień działania: w linii wzroku (bez przeszkód na drodze) jest zwiększony z 50 do 200 metrów.
Ulepszony transfer danych: poprzez tzw. „Sygnały nawigacyjne” (sygnały nawigacyjne) mogą być przesyłane 8 razy więcej informacji.

Ponadto nowa specyfikacja Bluetooth wykorzystuje rozwiązania optymalizujące zaprojektowane w celu zwiększenia odporności na zakłócenia. Jest to bardzo ważne, ponieważ Bluetooth działa w bardzo zatłoczonym zakresie częstotliwości 2,4 GHz.

Główne innowacje Bluetooth 5 - wysoka szybkość przesyłania danych i zwiększony zasięg - są ograniczone w energooszczędnym trybie Low Energy. Czeka na Ciebie mały haczyk: jednocześnie możesz skorzystać tylko z jednej z zalet.

Maksymalna szybkość przesyłania danych tylko w razie potrzeby

Podczas gdy Wi-Fi bije rekordy prędkości w zakresie gigabitowym, Bluetooth LE wciąż „zaznacza” około 1 Mb / s. Jednak Bluetooth 5 w trybie LE podwaja maksymalną szybkość transmisji danych. Oczywiście z tego Bluetooth LE nie stanie się „rakietą”, ponieważ istnieją pewne ograniczenia.

Prędkość transmisji netto w trybie Bluetooth LE stale rośnie. Ale prędkość brutto 2 Mbps w Bluetooth 5 jest tylko opcjonalna.

Przy wartości 2 Mbit / s mówimy o prędkości „brutto”, natomiast maksymalna prędkość „netto” pozostanie na poziomie 1,4 Mbit / s. Ponadto ta wartość jest ważna tylko w polu bliskim, ponieważ w przypadku przesyłania większej ilości przydatnych danych w jednym pakiecie Bluetooth 5 oszczędza na korekcji błędów.

Jednak 2 Mb / s w trybie LE jest bardziej opcją, którą producenci mogą wdrożyć w swoich urządzeniach. Alternatywnie dostępne są również 1 Mbps, 500 Kbps i 125 Kbps.

Ponadto domyślnie wszystkie urządzenia Bluetooth mają szybkość przesyłania danych 1 Mb / s, inne parametry są opcjonalne, a producent ma prawo wyboru implementacji.

Ponadto nie można ślepo polegać na tym, że wszystkie urządzenia korzystające z Bluetooth 5 obsługują szybszy tryb LE.

Internet rzeczy bez błędów

Chociaż profesjonalny sprzęt zapewnia przesyłanie danych przez kanał Bluetooth do 500 metrów, standard Bluetooth tylko obecnie zapewnia energooszczędne połączenia w odległości do 200 metrów.

Technologia Bluetooth jest stosowana głównie w bliskim polu, chociaż istnieje sprzęt, który może przesyłać dane przez Bluetooth na odległość 500 metrów. Jednak takie ekstremalne promienie wymagają znacznych kosztów, ponieważ do tego konieczne jest znaczne zwiększenie mocy nadajników.

Oprócz trybu LE standard Bluetooth od dawna definiuje różne klasy, w których urządzenia mogą przesyłać dane o mocy do 100 mW. W przypadku takich modułów Bluetooth, zgodnie z parametrami klasy 1, wymagana jest zbyt duża moc, która nie jest odpowiednia dla Internetu przedmiotów.

Od teraz, przy użyciu Bluetooth LE, wygląda to inaczej, ponieważ zastosowane w nim moduły Bluetooth zwiększają zasięg dzięki technologii Forward Error Correction (FEC, Forward Error Correction) bez znaczącego wzrostu mocy nadawania. Jednak ze względu na zwiększony zasięg musisz poświęcić prędkość przesyłania danych.

Jeśli spojrzysz na stos protokołów Bluetooth, zobaczysz, że innowacje zwiększające zasięg Bluetooth 5 należą do najniższego (fizycznego) poziomu. Przydatne dane są przesyłane dwukrotnie i dodatkowo szyfrowane, dzięki czemu urządzenie odbiorcze często może samodzielnie poprawić błędy. Podstawą szyfrowania jest szybkość transmisji symboli.

W trybie oszczędzania energii Bluetooth 5 po prostu zwiększa udział użytecznych danych w pakiecie, aby osiągnąć maksymalną prędkość transmisji 2 Mb / s.

W najprostszym przypadku każdy bit jest przesyłany dwukrotnie. Każde zero jest wysyłane w opcji takiej jak „00”, jednostka - jak „11”. To zmniejsza o połowę maksymalną szybkość przesyłania danych brutto z 1 Mb / s do 500 Kb / s. Jednak dla jeszcze większego zasięgu standard Bluetooth określa również zaawansowane szyfrowanie, w którym każdy bit jest przesyłany nie w dwóch, ale w ośmiu znakach. Każde zero jest kodowane przez ciąg znaków „00110011”, każda jednostka to „11001100”.

Struktura pakietu danych Bluetooth dla rozszerzonego zasięgu. System korekcji błędów przesyła użyteczne dane kilka razy i szyfruje je w specjalny sposób, w wyniku czego mniej użyteczne dane są przesyłane w każdym pakiecie. Zwiększa to odległość transmisji pakietów danych Bluetooth-LE z 50 do 200 m.

Jeśli sekwencja „11001101” dotrze do odbiornika, możesz łatwo zidentyfikować i poprawić błąd w ostatnim bicie. Jednak szybkość przesyłania danych jest zmniejszona do 125 Kb / s.

Sygnały nawigacyjne i sieci

Bluetooth 5 wydłuża również długość wiadomości przesyłanych bez połączenia za pomocą sygnałów nawigacyjnych Bluetooth. Podobnie mogą zostać wysłane krótkie informacje. Podczas korzystania z sygnałów nawigacyjnych, Bluetooth 4.x zapewnia długość wiadomości wynoszącą 30 bajtów, Bluetooth 5 zapewnia ponad ośmiokrotny wzrost ilości przesyłanych danych (256 bajtów). Urządzenia Bluetooth 5 mogą działać we wszystkich trybach swoich poprzedników i dlatego są kompatybilne wstecz.

Kolejnym etapem Internetu rzeczy będzie specjalna specyfikacja dla uproszczonej integracji urządzeń Bluetooth w jednej sieci, która ma się ukazać w połowie 2017 roku. Dzięki temu urządzenia Bluetooth będą mogły odbierać wiadomości z jednego urządzenia i przesyłać je do drugiego w trybie oszczędzania energii. Podobnie zasięg należy jeszcze zwiększyć.

Zdjęcie: firmy produkcyjne, Standardizer / commons.wikimedia.org

Bluetooth 5.0 stało się rzeczywistością. W porównaniu z Bluetooth 4.0 nowa wersja ma dwukrotność przepustowości, czterokrotność zasięgu i wiele innych ulepszeń. Rozważ zalety Bluetooth 5.0 w stosunku do jego poprzedników, w tym przykład procesor CC2640R2F od Texas Instruments.

Popularność wersji protokołu Bluetooth 4, a także niektóre jego ograniczenia, były przyczyną stworzenia następującej specyfikacji Bluetooth 5. Deweloperzy postawili sobie kilka celów: rozszerzenie zasięgu, zwiększenie przepustowości przy nadawaniu pakietów, poprawa odporności na zakłócenia i tak dalej.

Teraz, gdy zaczęły pojawiać się pierwsze urządzenia z Bluetooth 5, użytkownicy i programiści słusznie zadają pytania: która z wcześniej ogłoszonych obietnic się spełniła? O ile zwiększony zasięg i prędkość przesyłania danych? Jak to wpłynęło na konsumpcję? Jak zmieniło się podejście do generowania pakietów rozgłoszeniowych? Jakie ulepszenia zostały wprowadzone w celu zwiększenia odporności na hałas? I oczywiście głównym pytaniem jest - czy istnieje zgodność wsteczna między Bluetooth 5 a Bluetooth 4? Odpowiemy na te i inne pytania oraz rozważymy główne zalety Bluetooth 5.0 w porównaniu z jego poprzednikami, w tym przykład prawdziwego procesora z obsługą Bluetooth 5.0 wyprodukowanego przez firmę Texas Instruments.

Rozpocznijmy przegląd Bluetooth 5.0 od odpowiedzi na najczęściej zadawane pytanie dotyczące kompatybilności wstecznej z Bluetooth 4.x

Czy Bluetooth 5.0 zapewnia zgodność wsteczną z Bluetooth 4.x?

Tak. Bluetooth 5 przyjął większość funkcji i rozszerzeń Bluetooth 4.1 i 4.2. Na przykład urządzenia Bluetooth 5 zachowują wszystkie ulepszenia Bluetooth 4.2 w zakresie bezpieczeństwa danych i obsługują rozszerzenie LE Data Length. Warto przypomnieć, że dzięki rozszerzeniu LE Data Length począwszy od Bluetooth 4.2 rozmiar pakietu danych (jednostka danych pakietowych, PDU) z ustanowionym połączeniem można zwiększyć z 27 do 251 bajtów, co pozwala zwiększyć szybkość wymiany danych 2,5 razy.

Ze względu na dużą liczbę różnic między wersjami protokołów zachowano tradycyjny mechanizm koordynacji parametrów między urządzeniami podczas nawiązywania połączeń. Oznacza to, że przed rozpoczęciem wymiany danych urządzenia się poznają i określają maksymalną częstotliwość przesyłania danych, długość wiadomości itd. W takim przypadku domyślnymi ustawieniami są Bluetooth 4.0. Przejście do parametrów Bluetooth 5 następuje tylko wtedy, gdy podczas procesu negocjacji okaże się, że oba urządzenia obsługują późniejszą wersję protokołu.

Mówiąc o narzędziach, które są już dostępne dla programistów, warto zauważyć nowy procesor CC2640R2F i darmowy stos BLE5-Stack od Texas Instruments. Ku uciesze twórców BLE5-Stack opiera się na poprzedniej wersji BLE-Stack, a zmiany w jego użyciu wpłynęły tylko na nowe funkcje Bluetooth 5.0.

Jak wzrosła prędkość przesyłania danych w Bluetooth 5?

Bluetooth 5 wykorzystuje połączenie bezprzewodowe z fizyczną szybkością przesyłania danych do 2 Mb / s, która jest dwa razy wyższa niż w przypadku Bluetooth 4.x. Warto tutaj zauważyć, że efektywna szybkość wymiany danych zależy nie tylko od fizycznej przepustowości kanału transmisyjnego, ale także od stosunku usługi i użytecznych informacji w pakiecie, a także od powiązanych kosztów „ogólnych”, na przykład straty czasu między pakietami (tabela 1).

Tabela 1. Szybkość komunikacji dla różnych wersjiBluetooth

W wersjach Bluetooth 4.0 i 4.1 fizyczna przepustowość kanału wynosiła 1 Mbit / s, co przy długości pakietu danych PDU 27 bajtów umożliwiło osiągnięcie szybkości wymiany do 305 kbit / s. Bluetooth 4.2 wprowadza rozszerzenie długości danych LE. Dzięki niemu po ustanowieniu połączenia między urządzeniami stało się możliwe zwiększenie długości pakietu do 251 bajtów, co doprowadziło do zwiększenia szybkości wymiany danych 2,5-krotnie - do 780 kbit / s.

W wersji 5 Bluetooth zachowana jest obsługa rozszerzenia LE Data Length Extension, które wraz ze wzrostem fizycznej przepustowości do 2 Mbit / s pozwala na osiągnięcie prędkości transferu danych do 1,4 Mbit / s.

Jak pokazuje praktyka, takie przyspieszenie transferu danych nie jest granicą. Na przykład bezprzewodowy mikrokontroler CC2640R2F może działać z prędkością do 5 Mb / s.

Warto powiedzieć o powszechnym błędnym przekonaniu, że zwiększenie przepustowości do 2 Mbit / s osiągnięto poprzez zmniejszenie promienia działania. Oczywiście fizycznie układ nadawczo-odbiorczy (PHY) podczas pracy z częstotliwością 2 Mbps ma o 5 dBm mniejszą czułość niż podczas pracy z częstotliwością 1 Mbps. Jednak oprócz czułości istnieją inne czynniki, które przyczyniają się do zwiększenia promienia działania, na przykład przejście do kodowania danych. Z tego powodu ceteris paribus, Bluetooth 5 jest bardziej niezawodny i ma większy zasięg w porównaniu do Bluetooth 4.0. Jest to szczegółowo opisane w jednej z poniższych sekcji tego artykułu.

Jak aktywować tryb szybkiego transferu danych w Bluetooth 5?

Podczas nawiązywania połączenia między dwoma urządzeniami Bluetooth początkowo używane są ustawienia Bluetooth 4.0. Oznacza to, że na pierwszym etapie urządzenia wymieniają dane z prędkością 1 Mbit / s. Po ustanowieniu połączenia kreator z obsługą Bluetooth 5.0 może rozpocząć procedurę aktualizacji PHY, której celem jest ustanowienie maksymalnej prędkości 2 Mb / s. Ta operacja powiedzie się tylko wtedy, gdy urządzenie podrzędne obsługuje również Bluetooth 5.0. W przeciwnym razie prędkość pozostaje na poziomie 1 Mb / s.

Dla programistów, którzy wcześniej używali BLE-Stack z Texas Instruments, dobrą wiadomością jest to, że aby wykonać powyższą procedurę, jedyny stos BLE5-Stack ma pojedynczą funkcję o nazwie HCI_LE_SetDefaultPhyCmd (). Dlatego po przejściu na Bluetooth 5.0 dla użytkowników produktów TI inicjalizacja nie spowoduje problemów. Również przykład opublikowany w portalu GitHub będzie przydatny dla programistów, który pozwala ocenić działanie dwóch mikrokontrolerów CC2640R2F działających jako część CC2640R2 LaunchPads w trybach wysokiej prędkości i dalekiego zasięgu.

Jak zwiększył się zasięg Bluetooth 5?

Specyfikacja Bluetooth 5.0 mówi o czterokrotnym zwiększeniu zasięgu w porównaniu z Bluetooth 4.0. To dość delikatne pytanie, na które należy bardziej szczegółowo odpowiedzieć.

Po pierwsze, pojęcie „cztery razy” jest względne i nie jest powiązane z określonym promieniem działania w metrach lub kilometrach. Faktem jest, że zasięg transmisji radiowej w dużym stopniu zależy od wielu czynników: stanu środowiska, poziomu zakłóceń, liczby urządzeń jednocześnie transmitujących i tak dalej. W rezultacie żaden pojedynczy producent, a także twórca standardu Bluetooth SIG, nie podaje konkretnych wartości. Wzrost zasięgu szacuje się w porównaniu z Bluetooth 4.0.

Do dalszej analizy konieczne jest wykonanie pewnych obliczeń matematycznych i ocena budżetu mocy kanału radiowego. Podczas korzystania z wartości logarytmicznych budżet kanału radiowego (dB) jest równy różnicy między mocą nadajnika (dBm) a czułością odbiornika (dBm):

Budżet kanału radiowego \u003d mocT x (dBm) - czułośćR x (dBm)

W przypadku Bluetooth 4.0 standardowa czułość odbiornika wynosi -93 dBm. Zakładając, że moc nadajnika wynosi 0 dBm, budżet wynosi 93 dB.

Czterokrotny wzrost promienia będzie wymagał zwiększenia budżetu o 12 dB, co daje wartość 105 dB. Jak ma osiągnąć tę wartość? Istnieją dwa sposoby:

zwiększyć moc nadajnika;
zwiększona wrażliwość odbiorników.

Jeśli pójdziesz pierwszą drogą i zwiększysz moc nadajnika, nieuchronnie spowoduje to wzrost zużycia. Na przykład w przypadku CC2640R2F przełączenie na moc wyjściową wynoszącą 5 dBm prowadzi do wzrostu prądu pobieranego do 9 mA (rysunek 1). Przy mocy 10 dBm prąd wzrasta do 20 mA. To podejście nie wygląda atrakcyjnie dla większości bezprzewodowych urządzeń zasilanych bateryjnie i nie zawsze jest odpowiednie dla IoT, i właśnie w tym obszarze Bluetooth 5.0 był przede wszystkim zorientowany. Z tego powodu drugie rozwiązanie wydaje się preferowane.

Aby zwiększyć czułość odbiornika, proponuje się dwie metody:

spadek prędkości transmisji;
z wykorzystaniem kodowanego kodowania danych PHY.

8-krotne zmniejszenie szybkości przesyłania danych teoretycznie zwiększa czułość odbiornika o 9 dB. Zatem, aż do wartości cenionej, brakuje tylko 3 dB.

Wymagane 3 dB można uzyskać za pomocą opcjonalnego kodowanego PHY. Wcześniej w wersjach Bluetooth 4.x kodowanie bitów było jednoznaczne 1: 1. Oznacza to, że strumień danych został wysłany bezpośrednio do demodulatora różnicowego. W Bluetooth 5.0 podczas korzystania z kodowanego PHY istnieją dwa dodatkowe formaty transmisji:

z kodowaniem 1: 2, w którym dwa bity w strumieniu danych radiowych są mapowane na każdy bit danych. Na przykład logiczne „1” jest reprezentowane przez ciąg „10”. W takim przypadku prędkość fizyczna pozostaje równa 1 Mbit / s, a faktyczna szybkość przesyłania danych spada do 500 kbit / s.
Z kodowaniem 1: 4. Na przykład logiczne „1” jest reprezentowane przez sekwencję „1100”. Szybkość przesyłania danych jest zmniejszona do 125 kbit / s.

Opisane podejście nazywa się Forward Error Correction (FEC) i pozwala wykrywać i korygować błędy po stronie odbierającej, zamiast żądania ponownego przesyłania pakietów, jak miało to miejsce w przypadku Bluetooth 4.0.

Na papierze wszystko wygląda dobrze. Pozostaje tylko dowiedzieć się, w jaki sposób te obliczenia teoretyczne odpowiadają rzeczywistości. Jako przykład weźmy ten sam mikrokontroler CC2640R2F. Dzięki różnym ulepszeniom i nowym trybom modulacji Bluetooth 5.0, transceiver tego procesora ma czułość -97 dBm przy przepływności 1 Mbps i -103 dBm przy zastosowaniu CYCED PHY i przepływności 125 kbit / s. Zatem w tym drugim przypadku tylko 2 dBm nie wystarcza do osiągnięcia poziomu 105 dB.

Aby ocenić zasięg CC2640R2F, inżynierowie z Texas Instruments przeprowadzili eksperyment polowy w Oslo. Jednocześnie, z punktu widzenia poziomu hałasu, środowiska tego doświadczenia nie można nazwać „przyjaznym”, ponieważ biznesowa część miasta była blisko.

Aby uzyskać budżet mocy większy niż 105 dB, postanowiono zwiększyć moc nadajnika do 5 dBm. Umożliwiło to osiągnięcie imponującej wartości końcowej 108 dBm (ryc. 2). Podczas przeprowadzania eksperymentu zasięg wynosił 1,6 km, co jest bardzo imponującym wynikiem, szczególnie - biorąc pod uwagę minimalny poziom zużycia nadajników radiowych.

Jak zmieniło się podejście do transmisji Bluetooth 5?

Wcześniej, w Bluetooth 4.x, trzy dedykowane kanały danych były używane do ustanowienia połączeń między urządzeniami (37, 38, 39). Z ich pomocą urządzenia odnalazły się i wymieniły informacje serwisowe. Na nich można było przesyłać pakiety danych rozgłoszeniowych. Takie podejście ma wady:

przy dużej liczbie aktywnych nadajników kanały te mogą być po prostu przeciążone;
coraz więcej urządzeń korzysta z transmisji punkt-punkt. Jest to szczególnie ważne w przypadku Internetu Rzeczy;
nowy system kodowania PHY z kodowaniem będzie wymagał osiem razy więcej czasu na ustanowienie połączenia, które dodatkowo załaduje kanały rozgłoszeniowe.

Aby rozwiązać te problemy w Bluetooth 5.0, postanowiono przejść na schemat, w którym dane są przesyłane wszystkimi 37 kanałami danych, a kanały serwisowe 37, 38, 39 są wykorzystywane do przesyłania wskaźników. Wskaźnik odnosi się do kanału, przez który będzie transmitowana wiadomość rozgłoszeniowa. W takim przypadku dane są przesyłane tylko raz. W rezultacie możliwe jest znaczne odciążenie kanałów serwisowych i wyeliminowanie tego wąskiego gardła.

Warto również zauważyć, że teraz długość danych pakietu rozgłoszeniowego może osiągnąć 255 bajtów zamiast 6 ... 37 bajtów PDU w Bluetooth 4.x. Jest to niezwykle ważne dla aplikacji IoT, ponieważ minimalizuje narzut związany z transmisją i eliminuje potrzebę połączeń, a tym samym zmniejsza zużycie.

Czy Bluetooth 5 obsługuje sieci kratowe?

Rozwiązania Texas Instruments Bluetooth 5

Jednym z pierwszych mikrokontrolerów z Bluetooth 5.0 był wysokowydajny procesor CC2640R2F wyprodukowany przez Texas Instruments.

CC2640R2F został zbudowany w oparciu o nowoczesny 32-bitowy rdzeń ARM Cortex-M3 o częstotliwości roboczej do 48 MHz. Działanie nadajnika radiowego jest kontrolowane przez drugi 32-bitowy rdzeń ARM Cortex-M0 (ryc. 3). Ponadto CC2640R2F ma bogate cyfrowe i analogowe urządzenia peryferyjne.

Zaletą mikrokontrolera CC2640R2F jest również niski poziom zużycia (tabela 2). Dotyczy to wszystkich trybów pracy. Na przykład w trybie aktywnym podczas odbierania danych kanałem radiowym pobór wynosi 5,9 mA, a podczas nadawania wynosi 6,1 mA (0 dBm) lub 9,1 mA (5 dBm). Po przejściu w tryb uśpienia prąd zasilania całkowicie spada do 1 μA.

Połączenie trzech ważnych cech, takich jak obsługa Bluetooth 5.0, niskie zużycie energii i wysoka wydajność szczytowa sprawia, że \u200b\u200bCC2640R2F jest bardzo interesującym rozwiązaniem dla Internetu przedmiotów. Jednocześnie za pomocą tego mikrokontrolera możesz stworzyć całą gamę urządzeń IoT: samodzielne czujniki działające przez kilka lat na jednym akumulatorze, łączące dodatkowy procesor sterujący z kanałem Bluetooth 5.0, złożone aplikacje wymagające dużej mocy obliczeniowej.

Tabela 2. Zużycie mikrokontrolera bezprzewodowegoCC2640 R2 fa przy wsparciuBluetooth 5

Tryb działania	Parametr	Wartość (przy Vcc \u003d 3 V)
Aktywne przetwarzanie	μA / MHz ARM® Cortex®-M3	61 μA / MHz
	Coremark / mA	48,5
	Coremark przy 48 MHz	142
Wymiana radiowa	Prąd szczytowy przy odbiorze, mA	5,9
Wymiana radiowa	Prąd szczytowy podczas transmisji, mA	6,1
Tryb spania	Kontroler czujnika, μA / MHz	8,2
Tryb spania	Tryb uśpienia z włączoną funkcją RTC i oszczędzaniem pamięci, mA	1

Aby szybko rozpocząć pracę z CC2640R2F, Texas Instruments przygotował tradycyjny zestaw do debugowania (rysunek 4). Za pomocą pary takich urządzeń możesz ocenić prędkość i zasięg transmisji radiowej przez Bluetooth 5.0. Aby to zrobić, możesz użyć gotowych przykładów lub utworzyć własną aplikację w oparciu o bezpłatny protokół BLE 5 stos 1.0 (www.ti.com/ble).

Wniosek

Nowa wersja protokołu Bluetooth 5.0 koncentruje się na maksymalnej zgodności z potrzebami Internetu rzeczy (IoT). W porównaniu z Bluetooth 4.0 ma szereg ulepszeń jakości:

szybkość transmisji danych podwoiła się i osiągnęła 2 Mb / s;
zasięg transmisji zwiększono czterokrotnie z powodu kodowania danych Kodowane PHY i Forward Error Correction (FEC);
przepustowość transmisji wzrosła 8 razy.

Ponadto, Bluetooth 5.0 zapewnia kompatybilność wsteczną z urządzeniami Bluetooth 4.x, a także obsługuje większość rozszerzeń najnowszych wersji protokołów.

Możesz teraz ocenić możliwości Bluetooth 5.0 za pomocą narzędzi wyprodukowanych przez Texas Instruments. Firma wypuszcza wysokowydajny i energooszczędny mikrokontroler CC2640R2F, udostępnia bezpłatny stos BLE 5 stos 1.0 i wiele gotowych przykładów zestawu do debugowania LAUNCHXL-CC2640R2.

Literatura

Często zadawane pytania dotyczące specyfikacji Bluetooth Core 5.0. 2016. Bluetooth SIG.