Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .

Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.

Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .

Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x

Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?

Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.

Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.

Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.

Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).

Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth

В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.

В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.

Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.

Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.

Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?

При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.

Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.

Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?

В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.

Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.

Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):

Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)

Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.

Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:

• увеличение мощности передатчиков;
• увеличение чувствительности приемников.

Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.

Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:

• снижение скорости передачи;
• использование кодирования данных Coded PHY.

Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.

Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:

• с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
• С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.

Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.

На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.

Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.

Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.

Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?

Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:

• при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
• все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
• новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.

Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.

Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.

Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?

Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5

Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.

CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.

Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.

Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.

Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5

Режим работы	Параметр	Значение (при Vcc = 3 В)
Активные вычисления	мкА/МГц ARM® Cortex®-M3	61 мкА/МГц
	Coremark/мА	48,5
	Coremark при частоте 48 МГц	142
Радиообмен	Пиковый ток при приеме, мА	5,9
	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
	Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА	1

Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:

• скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
• дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
• пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.

Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.

Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

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

Все современные смартфоны оснащаются Bluetooth четвертого поколения – какие-то получают версию 4.0, какие-то 4.1, а некоторые 4.2. Тем временем вышла пятая версия «синего зуба». В этой статье мы расскажем о ее преимуществах над Bluetooth 4.2 и как эти плюсы применят на практике.

В два раза быстрее

Данные через Bluetooth 5-ого поколения будут теперь передаваться на максимальной скорости 6,25 МБ/с – раньше было 3,125 МБ/с . Это все еще намного меньше, чем у проводных конкурентов:

• Apple Lightning – 60 МБ/c
• USB 2.0 – 60 МБ/с
• USB 3.0 – 625 МБ/с
• USB 3.1 – 1210 МБ/с

Но на то они и проводные!

В результате, увеличится скорость синхронизации умных часов со смартфоном, элементов интернета вещей друг с другом и с базой.

В четыре раза дальше

В помещениях радиус действия увеличился с 10 до 40 метров , на улице – с 50 до 200 метров .

Бегать на стадионе можно будет без смартфона в кармане. Оставьте его в рюкзаке, наденьте Bluetooth-наушники и бегите себе – в кармане не будет ничего болтаться. Может быть именно телефон мешал вам пробежать марафон! Правда, на 42 километра 195 метров с беспроводными наушниками не убежишь.

Возможно, Фабрегас не попадает в состав, потому что ему мешают наушники с Bluetooth 4.2

Для организации интернета вещей особенно важен увеличенный радиус действия. Если для квартир как-то хватало и старых версий Bluetooth, то в большом доме приходилось идти на компромиссы. Теперь же можно без проблем выставить какой-то элемент IoT во двор, подальше от остальных.

В восемь раз больше данных через широковещательные каналы

Широковещательные каналы нужны, чтобы интернет вещей работал со сторонними Bluetooth-устройствами без предварительного подключения. В таком режиме теперь можно передавать больше информации: 255 байт против 31 в Bluetooth 4.2.

Объясню на примере, зачем нужны широковещательные каналы. Представим современную больницу, в которой реализован интернет вещей. Человек заходит и ему через Bluetooth сразу прилетает информация, в какой кабинет ему нужно. Больше он ничего не может получить, потому что не подключен полноценно к больничному интернету вещей.

Объем этой информации – 31 байт, потому что используется Bluetooth 4.2. А с 5-ой версией человек получит еще имя доктора, примерное время ожидания и телефон главврача для жалоб – размер этих данных составляет уже 255 байт.

Расходует в 2,5 раза меньше энергии

Кажется, что с увеличенными показателями скорости и дальности действия Bluetooth 5 станет прожорливее. На деле же все ровно наоборот — новый стандарт гораздо экономичнее к потреблению энергии. Для смартфонов с батарейками по 3 000 мАч расход энергии Bluetooth 4.2 не был критичным. В случае же с умными часами прирост автономности может быть ощутимым, хотя, конечно, нужно проверять на практике.

Последовательная система подключения

Масштабировать интернет вещей станет проще благодаря новой последовательной системе подключения. Раньше каждый девайс соединялся с общим базовым, а теперь достаточно будет подключиться к соседнему элементу.

Вспоминаем физику!

Может, когда-то мы увидим городскую систему IoT не в рамках квартиры или дома, а целого района или даже города? И основана она будет на энергоэффективном и легко масштабируемом Bluetooth 5.

Почему ещё Bluetooth связывают с интернетом вещей? Дело в том, что элементы IoT слишком разрозненны: каждый производитель делает что-то (или вообще всё) по-своему. Bluetooth же – одна из вещей, которая их всех объединяет. Он используется практически во всех устройствах: телефонах, часах, ноутбуках, автомобилях и так далее.

Кстати, новый стандарт обратно совместим со старыми протоколами.

Когда ждать?

Да уже дождались. Вся необходимая документация для разработки девайсов и ПО с поддержкой Bluetooth 5 появилась на официальном сайте еще в начале года, а на днях вышли первые смартфоны с пятой версией «синего зуба» – .

Bluetooth 5 – это не революция ни в коем случае, а, скорее, эволюционное развитие технологии. В новом стандарте лишь улучшили показатели предыдущего, но ничего нового «синий зуб» делать не научили. Протокол 4.2 умеет все то же, что и Bluetooth 5, только хуже в несколько раз.

Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .

Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.

Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .

Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x

Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?

Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.

Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.

Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.

Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?

Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).

Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth

В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.

В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.

Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.

Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.

Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?

При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.

Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.

Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?

В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.

Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.

Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):

Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)

Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.

Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:

• увеличение мощности передатчиков;
• увеличение чувствительности приемников.

Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.

Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:

• снижение скорости передачи;
• использование кодирования данных Coded PHY.

Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.

Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:

• с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
• С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.

Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.

На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.

Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.

Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.

Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?

Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:

• при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
• все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
• новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.

Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.

Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.

Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?

Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5

Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.

CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.

Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.

Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.

Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5

Режим работы	Параметр	Значение (при Vcc = 3 В)
Активные вычисления	мкА/МГц ARM® Cortex®-M3	61 мкА/МГц
	Coremark/мА	48,5
	Coremark при частоте 48 МГц	142
Радиообмен	Пиковый ток при приеме, мА	5,9
	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
	Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА	1

Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).

Заключение

Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:

• скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
• дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
• пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.

Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.

Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.

Литература

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

Bluetooth 5 – это не просто другое поколение Bluetooth. Это значительное изменение в способе подключения к другим устройствам. С этого момента ваша жизнь резко изменится, если ваш смартфон оснащен Bluetooth 5.

Что такое Bluetooth и как его использовать?

В 1994 году появился новый стандарт связи устройств. Шведская компания Эрикссон привела в то время к унификации беспроводных технологий, как и в 20 веке, когда король Харальд Блюйз объединил викингами под одной нацией. В честь этого короля новая волна была окрещена его именем, и в 2017 году пятое поколение приносит нам новое измерение, чтобы общаться с объектами вокруг нас.

Наличие Bluetooth 5 на наших телефонах означает, что мы также будем иметь гораздо более тесную связь с интеллектуальными объектами вокруг нас. Bluetooth 5 работает быстрее, сильнее и может доходить до четырех раз больше, чем предыдущая версия.

Hands-free звонки и необходимость приблизиться к вашему телефону, потому что вы теряете связь, ушли в прошлое с устройствами Bluetooth 5. Теперь вы можете отправиться в любое место своего дома, не теряя соединения, независимо от того, где находится ваш телефон. Это все благодаря способности Bluetooth 5 поддерживать высокую пропускную способность более чем на 100 метров. Данное расстояние Usain Bolt может пробежать за 9,58 секунд, а Bluetooth будет принимать за 5 миллисекунд.

У нас уже есть устройства, которые синхронизируются по Bluetooth, но до сих пор вы могли слушать музыку только на одном динамике или на одном наушнике. С помощью Bluetooth 5 вы можете подключить несколько устройств.

Диапазон Bluetooth находится между NFC и Wi-Fi. Его главным преимуществом является его безопасность. Зашифрованная информация перемещается с одного устройства на другое, что делает его особенно полезным для устройств, которые контролируют наше здоровье или даже управляют платежами.

Сети Wi-Fi в наших домах, и Bluetooth 5 может помочь отменить их, контролируя большую часть устройств IoT, подключенных к Wi-Fi, таких как динамики, телевизор или кофейник. Кроме того, благодаря BLE (Bluetooth с низким энергопотреблением), вам, возможно, не придется зависеть от разъемов, так как вы будете использовать меньше энергии.

Bluetooth 5: новые устройства, которые будут определять будущее IoT

Наши смартфоны постепенно начинают становиться пультом дистанционного управления для всех электронных устройств вокруг нас. Не только фитнес-трекеры или наушники; Мы можем теперь управлять пылесосами, лампочками и даже автомобилями с нашими телефонами.

В марте на рынок вышли первые устройства с этой новой технологией, которая была анонсирована чуть меньше, чем год назад: Samsung Galaxy S8 и S8 +. Второй, Xiaomi Mi 6, был выпущен на китайский рынок в конце апреля. Следующие устройства, которые будут поставляться с Bluetooth 5, будут HTC U 11, который будет выпущен 16 мая, и Sony Xperia XZ Premium, который должен появиться в магазинах этим летом.

Эти четыре устройства первыми взяли азарт на эту улучшенную версию Bluetooth, но можно с уверенностью сказать, что после весны мы, вероятно, также увидим эту спецификацию на OnePlus 5, Samsung Galaxy Note 8.

Только подключения одного комплекта наушников ушла в прошлое благодаря Bluetooth 5.

Bluetooth 5: удвоенная скорости и диапазон

Пятое поколение этой короткой волны, которая движется в диапазоне 2,4 ГГц, имеет гораздо больший охват и быстрее, чем предыдущие версии. Он обеспечивает низкое энергопотребление и высокий уровень безопасности с помощью шифрования (который соответствует стандарту защиты правительства США), а также в два раза быстрее, до 5120 кбит/с.

Bluetooth 5 удваивает диапазон Bluetooth 4.0, который составляет до 60 метров. Другими словами, на 240 метров BT5 поддерживает скорость 128 кбит/с, а на 120 м – 500 кбит/с. С другой стороны, это новое поколение также может иметь в 8 раз больше соединений, чем старый стандарт.

Bluetooth 5 поддерживает BLE (Bluetooth с низким энергопотреблением), который был представлен в версии 4.0. Таким образом, увеличение скорости и дальности не влияет на энергопотребление устройств BLE.

Bluetooth 5: новое измерение для аудио

Во-первых, это увеличение расстояния, скорости и количества подключений повлияет на количество устройств, к которым мы можем подключиться, и объем информации, которую мы можем отправить. Это уже непосредственно влияет на нас.

С Galaxy S8 мы можем одновременно подключить две Bluetooth-гарнитуры. Таким образом, два человека могут слушать одну и ту же песню одновременно, не беспокоя окружающих. Однако, с видео на S8, мы заметили небольшую задержку в одном из двух подключенных наушников, но мы надеемся, что это улучшится с обновлениями программного обеспечения. В версии 5.0 аудио не имеет специального сжатия для улучшения качества, но ожидается, что этот аспект будет расширен в стандартном обзоре в 2018 году, возможно, в версии 5.1.

Аудио для двух Bluetooth-гарнитур с Samsung Galaxy S8.

Вторая (и на мой взгляд самая важная) вещь заключается в том, что при большем объеме данных качество звука может увеличиваться, пока нет никакой разницы между ним и использованием кабеля. В настоящее время сжатие звука через Bluetooth, SBC, хуже, чем у CD, так как обычно оно передается со скоростью около 328 Кбит/с. Но эта скорость не является проблемой для Bluetooth 5.

У Sony уже есть технология под названием LDAC, которая передает аудио через Bluetooth со скоростью 990 Кбит/с, что является вполне управляемой скоростью передачи для Bluetooth 5.

Bluetooth 5 – это будущее

Через четыре года в мире будет более 48 миллиардов смарт-устройств, из которых около трети будет иметь Bluetooth-соединение. Другими словами, на наши смартфоны будет подключено несколько миллиардов устройств. Очевидно, что стандарт Bluetooth будет одним из ведущих игроков в Интернете вещей (IoT).

Это уже король связи среди носимых, и многие устройства Smart Home также общаются с этой «голубой» волной. Поэтому единственное, что остается в будущем, это раздвинуть границы.

Очевидное будущее – это тот случай, когда мы можем контролировать больше устройств, чем в настоящее время с нашими смартфонами. Скоро мы сможем менять каналы через Bluetooth, а также увеличивать и уменьшать температуру на термостате или яркость света в нашей гостиной.

Bluetooth обладает большим потенциалом в области виртуальной реальности с этой новой скоростью. Благодаря крепкой связи между гарнитурами VR и другими устройствами нам больше не придется помещать наши смартфоны в мини гарнитуру. Телефонные дисплеи могли иметь четкое разрешение, не жертвуя временем автономной работы, и гарнитуры VR могли иметь свой собственный экран с правильным разрешением для своей цели. Это также значительно снизит вес устройства.

Видео: Новости о новой технологии Blutetooth 5.0

Первым смартфоном, оснащенным чипом Bluetooth 5, стал Samsung Galaxy S8

Почти каждый человек использует Bluetooth: на смартфоне, планшете, компьютере или для подключения аксессуаров, например, беспроводных наушников. В ближайшем будущем ситуация не изменится: по мнению исследователей рынка (компании ABI Research), в 2021 году будет приобретено около 5 млрд. Bluetooth-устройств.

При этом особенно большой потенциал роста будет наблюдаться у устройств, использующих технологию «Интернет вещей»: наручные часы, осветительные приборы или системы автоматического поддержания температуры.

Пятое поколение Bluetooth разработано как раз для «Интернета вещей». Следующие три инновации применяются исключительно в энергосберегающем режиме Low-Energy (LE):

• Повышенная скорость передачи данных: максимальная скорость увеличивается с 1 до 2 Мбит/с.
• Увеличенный радиус действия: в зоне прямой видимости (без преград на пути) он увеличен с 50 до 200 метров.
• Улучшенная передача данных: через т. н. «биконы» (маячки) может быть передано в 8 раз больше информации.

Кроме того, в новой спецификации Bluetooth применены оптимизирующие решения, направленные на повышение устойчивости к помехам. Это весьма важно, так как Bluetooth работает в крайне переполненном диапазоне частот 2,4 ГГц.

Основные нововведения Bluetooth 5 - высокая скорость передачи данных и увеличенный радиус действия - ограничиваются в энергоэффективном режиме Low Energy. В нем вас ждет небольшой подвох: одновременно можно использовать только одно из преимуществ.

Максимальная скорость передачи данных лишь при необходимости

В то время как Wi-Fi бьет рекорды скорости в гигабитном диапазоне, Bluetooth LE до сих пор «топчется» около 1 Мбит/с. Тем не менее, Bluetooth 5 в режиме LE увеличивает максимальную скорость передачи данных в два раза. Разумеется, от этого Bluetooth LE не станет «ракетой», так как существуют некоторые ограничения.

Скорость передачи «нетто» в Bluetooth LE-режиме постоянно увеличивается. Но скорость «брутто» 2 Мбит/с в Bluetooth 5 является лишь опциональной.

При значении 2 Мбит/с речь идет о скорости «брутто», максимальная скорость «нетто» при этом останется на уровне 1,4 Мбит/с. Кроме того, это значение имеет силу только в ближней области действия, так как для передачи большего объема полезных данных в одном пакете Bluetooth 5 «экономит» на коррекции ошибок.

Однако скорость 2 Мбит/с в режиме LE является скорее опцией, которую производители могут реализовать в своих устройствах. В качестве альтернативы также доступны скорости 1 Мбит/с, 500 Кбит/с и 125 Кбит/с.

Причем, по умолчанию во всех Bluetooth-устройствах установлена скорость передачи данных 1 Мбит/с, иные параметры являются опциональными, а право выбора реализации предоставлено производителям.

Также нельзя слепо полагаться на то, что все устройства, использующие Bluetooth 5, поддерживают более быстрый LE-режим.

Интернет вещей без ошибок

Хотя профессиональное оборудование и обеспечивает передачу данных по Bluetooth-каналу до 500 метров, стандарт Bluetooth лишь в настоящее время предоставил возможность энергосберегающих подключений на расстоянии до 200 метров.

Технология Bluetooth применяется главным образом в ближней области действия, хотя существует оборудование, позволяющее передавать данные по Bluetooth на расстояние до 500 метров. Впрочем, подобные экстремальные радиусы действия требуют значительных расходов, так как для этого необходимо существенно увеличивать мощность передатчиков.

Помимо LE-режима стандарт Bluetooth уже довольно давно определяет различные классы, в которых устройства могут передавать данные с мощностью до 100 мВт. Для таких Bluetooth-модулей, согласно параметрам класса 1, требуется слишком большая мощность, что не подходит для интернета вещей.

Отныне, с применением Bluetooth LE, это выглядит иначе, так как применяемые в нем Bluetooth-модули увеличивают радиус действия благодаря технологии Forward Error Correction (FEC, прямой коррекции ошибок) без значительного увеличения мощности передачи. Однако из-за увеличенной дальности действия приходится жертвовать скоростью передачи данных.

Если посмотреть на стек протоколов Bluetooth, можно увидеть, что инновации для увеличения дальности действия Bluetooth 5 относятся к самому нижнему (физическому) уровню. Полезные данные передаются дважды и дополнительно шифруются, таким образом принимающее устройство часто может самостоятельно исправлять ошибки. При этом краеугольным камнем для шифрования является скорость передачи символов.

Bluetooth 5 в энергосберегающем режиме просто увеличивает долю полезных данных в пакете для достижения максимальной скорости передачи 2 Мбит/с.

В простейшем случае каждый бит передается дважды. Каждый ноль отправляется в таком варианте как «00», единица - как «11». Это уменьшает вдвое максимальную брутто-скорость передачи данных, с 1 Мбит/с до 500 Кбит/с. Тем не менее, для еще большей дальности действия стандарт Bluetooth определяет также расширенное шифрование, при котором каждый бит передается не двумя, а восемью символами. Каждый ноль кодируется последовательностью символов «00110011», каждая единица – «11001100».

Структура пакета данных Bluetooth для увеличенного радиуса действия. Система коррекции ошибок передает полезные данные несколько раз и шифрует их особым образом, в конечном итоге в каждом пакете передается меньше полезных данных. Благодаря этому увеличивается расстояние передачи пакетов данных Bluetooth-LE с 50 до 200 м.

Если в приемник поступает последовательность «11001101», можно легко определить и исправить ошибку в последнем бите. Однако скорость передачи данных при этом снижается до 125 Кбит/с.

Биконы и создание сети

Bluetooth 5 также увеличивает длину сообщений, передаваемых без подключения, с помощью Bluetooth-биконов. Подобным образом могут отправляться короткие информационные фрагменты. При использовании биконов Bluetooth 4.x обеспечивает длину сообщения 30 байт, Bluetooth 5 предусматривает более чем восьмикратное увеличение объема передаваемых данных (256 байт). Устройства Bluetooth 5 могут работать во всех режимах своих предшественников и благодаря этому являются обратно совместимыми.

Следующим этапом интернета вещей станет особая спецификация для упрощенного объединения Bluetooth-устройств в единую сеть, которая должна быть представлена в середине 2017 года. Благодаря этому Bluetooth-устройства смогут в режиме энергосбережения принимать сообщения от одного устройства и передавать их другому. Подобным образом должна быть дополнительно увеличена и дальность действия.

Фото: компании-производители, Standardizer/commons.wikimedia.org