Что можно приготовить из кальмаров: быстро и вкусно

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

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.

Производители современных Hi-Tech устройств стараются максимально упростить взаимодействие пользователя с компьютером. Одним из направлений является активное оснащение устройств управления беспроводным типом связи. Отсутствие лишних проводов делает работу более комфортной, а также позволяет экономить место на рабочем столе. Вот только чем более сложным становиться устройство, тем труднее пользователю определиться с выбором, так как помимо различных эргономических параметров необходимо выбрать подходящий беспроводной тип связи - радиоканал или bluetooth. В данной статье рассматриваются технические особенности такого популярного устройства как беспроводная мышь. Цель данной статьи разобраться в некоторых технических особенностях и ответить на вопрос - какую беспроводную мышь купить.

Наиболее распространены беспроводные устройства, использующие для связи с ПК радиоканал . Преимуществом данного типа связи является то, что ресивер и передающее устройство не обязательно должны находиться в прямой видимости друг от друга (в отличие от ИК-соединения). Радиус действия радиоканала - до нескольких десятков метров. Технология Bluetooth обладает теми же преимуществами, что и радиоканал, радиус действия составляет чаще всего около 10 метров.

Радиоканал
Радио (лат. radio — излучаю) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амплитуда сигнала). Далее сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущее), и излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, он демодулируется и фильтруется. Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком (искажения вследствие помех и наводок).

Гражданская радиосвязь
Решениями Государственной комиссии по радиочастотам России для гражданской связи физическими и юридическими лицами на территории Российской Федерации выделены 3 группы частот, среди которых имеется т.н. гражданский диапазон: 27 МГц («Citizen’s Band»). Например, диапазон 27 МГц широко используется для организации радиосвязи в службах такси.

Преимущества

• более уверенный сигнал
• более быстрый отклик на действия пользователя по сравнению с Bluetooth.

• Необходимость подключения специального передатчика к ПК через USB порт.

Суть его заключается в следующем: несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (в РФ выделяется 79 частотных каналов шириной в 1 МГц). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, достигается возможность работы рядом друг с другом нескольких пар однотипных устройств, которые не будут мешать друг другу.

Преимущества

• Более удобный вариант для владельцев ноутбуков - как правило, bluetooth-модуль уже встроен в ноутбук, поэтому не требуется дополнительно отводить один из USB-портов под трансивер, поставляемый вместе с мышью.
• Bluetooth-соединение обеспечивает единый стандарт и решает проблему идентификации мыши.
• Bluetooth относительно новая технология передачи данных, более гибкий и универсальный вариант по сравнению с радиоканалом.
• При передаче цифровых данных и аудиосигнала используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется, а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

• Конечная реализация устройств на базе этой технологии еще, мягко говоря, "хромает". Встречаются проблемы, связанные с программным обеспечением. Некоторые модели клавиатур, например, не позволяют заходить в BIOS компьютера при старте операционной системы.
• Время отклика уступает радиоканальным моделям.

Подобрать для себя беспроводную мышь от брендовых производителей можно в

Как работает блютуз при использовании компьютеров, развлекательных систем или телефонов оборудованных этой универсальной беспроводной связью.

Применение блютуза возникает когда девайсам необходимо взаимодействовать друг с другом без использования различных проводов, кабелей, радиосигналов, инфракрасных лучей, света. При этом соединении не нужны разнообразные разъемы, вилки и установка протоколов сопряжения.

Есть много различных способов с помощью которых электронные устройства могут подключаться друг к другу и это становится все более и более сложным с каждым днем так как развиваются. Но соединение через блютуз наиболее простое по принципу работы.

Принцип работы блютуз

Соединение через блютуз является беспроводным и автоматическим, и у него есть ряд интересных особенностей, которые могут упростить пользование данным типом соединения. Когда любые два устройства должны обменяться информацией друг с другом, они должны договориться о ряде пунктов, прежде чем обмен может начаться. Первая точка соглашения является физической: будут ли они «говорить» по проводам или через какую-либо форму беспроводных сигналов? Если они используют провода, сколько требуется — один, два, восемь, 25? После того, как физические атрибуты решены, возникают еще несколько вопросов:

• сколько данных будут высланы за один раз? Например, последовательные порты отправляют данные 1 бит за один раз, в то время как параллельные порты отправляют несколько битов сразу;
• как они будут обмениваться друг с другом? Все стороны в электронном обсуждении должны знать, что означают биты и послание, которое они получают, является ли это сообщением, которое было отправлено. Это означает разработку и набор команд и ответов известных как протокол взаимодействия.

Соединение через блютуз является по существу сетевым стандартом, который работает на двух уровнях:

• обеспечивает передачу на физическом уровне по радиочастоте;
• обеспечивает соглашение на уровне протокола.

Соединение через блютуз беспроводное, недорогое и автоматическое. Есть и другие способы, чтобы обойти провода, например инфракрасная связь. Инфракрасный (ИК) относится к световым волнам на более низкой частоте, чем человеческий глаз может получать и интерпретировать. ИК используется в большинстве систем телевизионного пульта дистанционного управления. Инфракрасные связи довольно надежны и не дорогостоящи, но есть два недостатка. Во-первых, ИК является технологией «прямой видимости «. Второй недостаток состоит в ограничениях по скорости. Как достоинство — помехи между устройствами редкие.

Передача через блютуз

Передача через блютуз не имеет проблем, которые есть у ИК систем: только прямая видимость и ограничение скорости.

Чем старше стандарт тем большую максимальную скорость можно передать. 1.0 стандарт имеет максимальную скорость передачи данных 1 мегабит в секунду (Мбит), в то время как 2.0 может управлять до 3 Mbps. (2.0 и старше обратно совместимы с устройствами 1.0), Bluetooth 3.0 до 24 Мбит/с., Bluetooth 4.0. скорость – до 30 Мбит/с., Bluetooth 5.0. скорость – до 60 Мбит/с

Сети этой беспроводной связи передают данные через маломощные радиоволны на частоте 2,45 гигагерца (на самом деле между 2,402 ГГц и 2,480 ГГц).

Эта полоса частот отведена на основе международного соглашения на использование промышленных, научных и медицинских приборов (ISM). Один из методов не мешать другим системам является излучение слабыми сигналами и не засорять — около 1 мВт.

Для сравнения, самые мощные мобильные телефоны могут передавать сигнал до 3 Вт.

Низкая мощность ограничивает диапазон устройств с этой системой до 10 метров, поэтому шансы вмешательства между компьютерной системой и телефоном или телевизором малы. Даже при малой мощности применение блютуза не требует прямой видимости между взаимодействующими устройствами. Стены в доме не мешают сигналу, что делает стандарт полезным для управления несколькими устройствами в разных комнатах. С помощью этой системы можно подключить до восьми устройств одновременно.

Стандарт использует технологию, называемую расширенным спектром скачкообразной перестройки частоты, что делает её помехозащищенной.

В данной технологии передатчики изменяют частоту 1600 раз в секунду, что означает, что большое количество устройств может в полной мере использовать ограниченную полосу спектра радиосигналов.

Так как каждое соединение через блютуз автоматически использует расширенный спектр, маловероятно, что два передатчика будут на той же частоте в то же время. Этот же алгоритм сводит к минимуму риск, что телефоны или наушники нарушат работу устройств так как любое вмешательство на определенной частоте продлится лишь крошечную долю секунды. Когда Блютуз совместимые устройства соединяются между собой пользователю не нужно нажимать на кнопку или давать команду – электронная стыковка происходит автоматически. Как только соединение устройств произошло часть компьютерной системы образуют сеть. Передача по блютузу создает личную сеть (PAN), или общественную, которая может заполнить комнату или охватить небольшое расстояние, как мобильный телефон на поясе и гарнитура на голове.

На основных устройствах как телефоны, колонки, гарнитура, ноутбуки покрывает расстояние порядка 10 метров.

Вай фай и блютуз отличие

Вай фай и блютуз кроме принципа взаимодействия друг с другом имеют много отличий:

• различный частотный диапазон и протоколы сопряжения
• дальность связи у Bluetooth меньше
• скорость передачи информации, из-за принципа работы меньше у Bluetooth
• различное количество одновременно работающих устройств
• меньшее энергопотребление и стоимость, лучшая помехоустойчивость устройств с Bluetooth.

Как передать через блютуз безопасно

Как передать через блютуз с учетом различных режимов безопасности, то производители устройств определяют какой режим включать для поддержи гаджета. Почти во всех случаях можно установить «доверенные устройства», которые могут обмениваться данными не спрашивая разрешения. Способы защиты включают процедуры авторизации и идентификации которые ограничивают использование услуг для зарегистрированного пользователя и требуют, чтобы пользователи приняли решение об открытии того либо другого файла или передачи данных. Передача через блютуз в этих режимах исключает или делает маловероятным несанкционированный доступ. Пользователь также может просто переключиться в режим как «невидимый » и избежать соединения с другими устройствами полностью.Компьютерная безопасность и применение блютуз и вай фай является неизбежным результатом технологических инноваций и производители устройств постоянно выпускают новое микропрограммное обеспечение, касающееся новых проблем по мере их возникновения.

Никаких проводов! Технология Bluetooth

История

Что такое Bluetooth?

"Частотный конфликт"

Конкуренты

Bluetooth-устройства

Декабрьский бум

Напрягите фантазию

Кто делает Bluetooth-чипы?

Перспективы

Настоящая статья носит обзорный характер и не ставит своей целью детальный анализ технологии нового стандарта. Все ваши замечания, дополнения и комментарии жду на е-mail .

История

В начале 1998 года пять крупных компаний: Ericsson , Nokia , IBM , Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG) для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке. Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В SIG уже состоит около 2000 компаний .

Что такое Bluetooth?

11.10Bluetooth - это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Соединить можно все, что соединяется (то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth). Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.

Bluetooth - это маленький чип, представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик, работающий в диапазоне ISM (Industry, Science and Medicine; промышленный, научный и медицинский). Для использования этих частот не требуется лицензия (исключения рассмотрим ниже). Скорость передачи данных, предусматриваемая стандартом, составляет порядка 720 Кбит/с в асимметричном режиме и 420 Кбит/с в полнодуплексном режиме. Обеспечивается передача трех голосовых каналов, но не видеосигнала. Энергопотребление (мощность передатчика) не должно превышать 10 мВт. Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Как радиотехнология, Bluetooth способна "обходить" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими). Естественно, для реализации технологии Bluetooth на практике необходимо определенное программное обеспечение (ПО). Кстати, в новую версию операционной системы MS Windows Whistler встроена поддержка Bluetooth.

"Частотный конфликт"

Тот факт, что частотный диапазон 2.4 ГГц свободен от лицензирования, вносит определенные сложности в использование Bluetooth-устройств. В этом диапазоне работают также различные медицинские приборы, бытовая техника, беспроводные телефоны, беспроводные локальные сети стандарта IEEE. Вполне логично предположить, что они могут "конфликтовать" друг с другом. Во избежание интерференции с другими беспроводными устройствами Bluetooth работает по принципу скачкообразной перестройки частоты (1600 скачков в секунду). Переход с одной частоты на другую происходит по псевдослучайному алгоритму. Это позволяет "освободить" нужные другим устройствам частоты.

Конкуренты

У Bluetooth имеются конкуренты. Один из них - технология инфракрасной (также беспроводной) связи IrDa . Однако IrDa обеспечивает связь лишь в зоне прямой видимости и только по принципу точка - точка.

Спецификация HomeRF предназначена для связи бытовых аудио- и видеоустройств и построения домашних радиосетей. Передача данных также осуществляется на частоте 2.4 ГГц, но со скачками 50 раз в секунду. Пропускная способность HomeRF больше, чем у Bluetooth. Правда, количество подключаемых устройств ограничено - 127. Радиус действия - до 50 метров.

На мой взгляд, наиболее сильную конкуренцию Bluetooth составила спецификации беспроводных локальных сетей IEEE 802.11. Изначально технология Bluetooth создавалась лишь для радиосвязи, и никаких планов по созданию беспроводных локальных сетей на ее основе не было. Но такие проекты вскоре появились, и теперь существует понятие Bluetooth-сети.

Я уверен, что Bluetooth победит всех соперников. Слишком много крупных компаний трудится над созданием этой "всеобъемлющей" технологии. Давайте посмотрим, на что способна Bluetooth.

Bluetooth-устройства.

Наверное, самой "шумной" Bluetooth-новинкой стал комплект беспроводной гарнитуры handsfree от компании Ericsson . Это новое устройство, получившее название Headset, состоит из наушника и микрофона и способно работать на расстоянии 10 метров от базы. Базой является сотовый телефон со встроенным чипом Bluetooth. Для некоторых моделей телефонов, не имеющих встроенной платы Bluetooth, создаются специальные адаптеры (например, для Ericsson T28s . Телефон лежит в кармане, а вы "снимаете" и "вешаете" трубку с помощью голосового управления. Удобно, не правда ли?.. Cреди телефонов со встроенной платой Bluetooth следует выделить Ericsson T36s , Ericsson R520 , Siemens S42 , Nokia 6310 .

Нечто похожее на Headset от Ericsson предлагает компания Plantronics . Ее беспроводная гарнитура наушник-микрофон весит всего 26 грамм и способна без перерыва работать три с половиной часа. Это Bluetooth-устройство - еще одно полезное дополнение к сотовому Bluetooth-телефону.

Не отстает от этих компаний и японская фирма Japan Total Design Communication . Она выпустила модель наушников "i2me", состоящую из Bluetooth-адаптера и собственно наушников. Адаптер подключается к сотовому телефону, а наушники работают на расстоянии 10 метров от телефона. Адаптер весит 45 грамм, наушники - 35 грамм.

Компанией Nokia еще в прошлом году была начата разработка Bluetooth Connectivity Kit - комплекта батареи и коммуникационной карты для телефона Nokia 6210 . В аккумулятор встроен радиопередатчик Bluetooth, взаимодействующий на расстоянии до 10 метров со специальной коммуникационной картой, устанавливаемой в ноутбуке. Таким образом, Nokia 6210 превращается в беспроводный модем. Вы открываете ноутбук и входите в Интернет, не доставая телефон из кармана…

В конце прошлого года на выставке в Токио компания Toshiba представила прототип ноутбука на базе модели Tecra 8110 со встроенным модулем Bluetooth. Toshiba также продемонстрировала совместную работу ноутбука и струйного принтера от фирмы Canon . Оба устройства оснащены модулями Bluetooth. Таким образом стала возможна дистанционная передача данных с ноутбука на печатающее устройство. Вы входите в офис с Bluetooth-ноутбуком в руках, происходит автоматическое соединение с Bluetooth-принтером - и вы тут же распечатываете документ!

Компания Sony в январе этого года представила прототип Bluetooth-модуля под названием Infostick, внешне напоминающий Memory Stick. Внутри модуля находится контроллер Bluetooth, интерфейс Memory Stick, контроллер флэш-памяти, процессор. Теперь все устройства Sony, оснащенные слотом Memory Stick, смогут "общаться" между собой на расстоянии до 10 метров.

В марте Sony выпустила еще одну новинку - Bluetooth-адаптер для карманного компьютера Clie Peg-N700C. Теперь CLIE может взаимодействовать с сотовым телефоном, обеспечивая доступ в Интернет.

Алло! На связи колесо… Bluetooth "добралась" и до автомобильных колес. Финская компания Nokian Tyres совместно с некоторыми другими фирмами и исследовательскими центрами разработала технологию, позволяющую вести автоматическое наблюдение за состоянием колеса вашего любимого авто. Встроенный в шину чип будет измерять параметры колеса, и в случае необходимости передающее Bluetooth-устройство свяжется с мобильным телефоном водителя. Не удивляйтесь, если вам "позвонит" колесо и скажет: "Меня пора подкачать!"

Декабрьский бум

Декабрь 2000 года был богат анонсами устройств с технологией Bluetooth. Так, в середине декабря компании Axis Communications и Lexmark продемонстрировали на конференции "Bluetooth Developers Conference" решение для беспроводной передачи данных с ноутбука на принтер. Ноутбук Toshiba был оснащен Toshiba Bluetooth PC Card, а в лазерный принтер Lexmark был встроен Bluetooth принт-модуль от фирмы Axis. Каждый мог опробовать новинку в действии. Впрочем, нечто подобное мы описывали выше.

В том же месяце компания TDK представила еще одно устройство для беспроводной связи ноутбуков, карманных компьютеров, принтеров, сотовых телефонов - TDK Bluetooth USB Adapter. Как следует из названия, новинка имеет интерфейс USB, а точнее USB 1.1.

На той же конференции другая компания - IBM представила Bluetooth-часы. Помимо Bluetooth-модуля это устройство оснащено процессором ARM 7, 8 Мб флэш-памяти, Li-Ion аккумулятором и ИК-портом. Для работы потребуется специальный Linux Bluetooth-драйвер под названием BlueDrek. Bluetooth-часы можно носить на руке и использовать для управления ноутбуком, оснащенным Bluetooth-чипом. На конференции было показано, как буквы, набранные на клавиатуре ноутбука, отображались на экране часов, и, наоборот, как PowerPoint-презентация запускалась и останавливалась с помощью Bluetooth-часов. Вряд ли такая новинка будет пользоваться всеобщим вниманием. Это из области излишеств.

Говоря все о той же Bluetooth Developers Conference, нельзя не упомянуть японскую компанию Yazaki, представившую оригинальное решение автомобильной системы контроля на основе Bluetooth. Bluetooth-устройство подключается к внутренней локальной сети автомобиля (CAN), а открытие и закрытие дверей происходит по команде с ноутбука или мобильного телефона. Ряд компаний уже начал разработку промышленных стандартов для локальных автомобильных сетей, и для беспроводных коммуникаций на малых расстояниях они выбрали именно технологию Bluetooth.

Интересное решение представила Anoto . Совместно с Ericsson она разработала авторучку Chatpen, способную передавать сделанные записи в ноутбук или мобильный телефон. Эта новинка, на мой взгляд, представляет интерес. Вы можете делать записи обычной авторучкой, но на специальной сетчатой бумаге. Встроенная в авторучку миниатюрная видеокамера различает множество мелких точек, нанесенных на специальную бумагу, и преобразует изображение в цифровую форму. При помощи Bluetooth-модуля ваши записи передаются в ноутбук или на мобильный телефон. Авторучка имеет 2 Мб памяти, значит, иметь под рукой ноутбук необязательно: данные, сохраняющиеся в ручке, можно передать позже.

Напрягите фантазию

Некоторые из вышеперечисленных устройств поражают своей оригинальностью! Но это еще не все.

Тройной телефон. Вообразите себя обладателем сотового телефона со встроенной платой Bluetooth. В дороге вы используете его как обычный сотовый телефон, возможно, с Bluetooth-гарнитурой handsfree. Дома ваш аппарат превращается в радиотелефон, потому что Bluetooth-база подключена к обычной телефонной сети. А в офисе вы можете воспользоваться им для внутренней связи. Удобно?..

Дом будущего. Представьте себе следующую картину. Домашняя мебель и бытовая техника оснащены Bluetooth-чипами: входная дверь, лампочки, телевизор, холодильник, кондиционер, микроволновая печь… А в кармане у вас лежит Bluetooth-пульт, управляющий всеми этими устройствами. Впрочем, не нужен нам пульт: будем управлять голосом! Центральный компьютер с Bluetooth-чипом будет распознавать голосовые команды, поступающие с Bluetooth-часов на вашей руке: "Свет, включись!", "Кондиционер, на полную мощь!", "Телевизор, мне первый, третий, шестой каналы" (как в фильме "Назад в будущее 2"). Да, теперь это не кажется фантастикой. А знаете, что мы еще забыли?.. Сливной бочок в туалете. Ему тоже можно давать команды.

Bluetooth открывает огромные возможности перед изобретателями. Например, фотокамера с технологией Bluetooth соединяется с мобильным телефоном - и вы посылаете отснятое изображение другу. Тот, приняв ваше сообщение, тут же отправляет его на ноутбук. В офисе его ноутбук автоматически соединяется с Bluetooth-принтером - и изображение распечатано. А как вам перспектива беспроводной мышки? Подобные устройства уже существуют, как это удобно!

Спешите придумать и запатентовать свою Bluetooth-новинку!

Франция останется без новой технологии?

Похоже, что французы еще не скоро обустроят свои "дома будущего". Во Франции диапазон 2.4 ГГц, используемый Bluetooth, занят военными, которые, как это обычно бывает, на уступки не идут. Правда, небольшая часть диапазона (2.4465 - 2.4835 ГГц) все-таки остается свободной. Для Франции, по-видимому, будут разрабатываться специальные Bluetooth-устройства, не совместимые с устройствами, производимыми для остального мира. SIG старается поправить положение, ведя переговоры с французскими властями.

Кто делает Bluetooth-чипы?

Разработкой модулей Bluetooth может заниматься любая компания (выше мы рассматривали Bluetooth-устройства от различных производителей). Bluetooth-"начинка" разрабатывается непосредственно самими производителями Bluetooth-устройств или закупается у других фирм. Рассмотрим ряд компаний, занимающихся производством Bluetooth-модулей.

В октябре прошлого года Matsushita-Kotobuki Electronic Industries разработала компактный Bluetooth-модуль. Он был в два раза меньше других чипов, существовавших в то время на рынке. Минимализация размеров была достигнута за счет помещения пассивных элементов и других компонентов, включая антенну, на керамическую подложку.

В марте этого года компания Siemens анонсировала приемопередатчик Bluetooth с USB-интерфейсом, способный работать в радиусе 100 метров. Адаптер подключается к USB-порту настольного компьютера или ноутбука и позволяет соединяться с любым совместимым с Bluetooth устройством. Особого внимания заслуживает тот факт, что передача данных может осуществляться на расстоянии ста метров, а не десяти, как это было изначально задумано спецификацией.

В этом же месяце Silicon Wave и Sharp продемонстрировали Bluetooth-модуль в виде CompactFlash-карты. Карта вставляется в ноутбук через адаптер для PC Card, а также может использоваться совместно с КПК. Ну а дальше… любое беспроводное соединение в ваших руках.

Перспективы

Что можно сказать о технологии, которая, несомненно, привнесет в нашу жизнь столько удобств и при этом будет общедоступной? Что можно сказать о технологии, освоение которой не требует отчисления лицензионных сборов? Только одно: у нее огромные перспективы. Будем ждать…

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам общаться, на расстоянии от 1 до 100 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Происхождение названия Bluetooth

Слово Bluetooth - перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Это прозвище носил король Харальд I, правивший в X веке Данией и частью Норвегии и объединивший враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт.

С чего начался Bluetooth?

Первая концепция технологии Bluetooth появилась в небольшом городке Швеции Лунде, в 1994 году, где компания Ericsson решила воздвигнуть там новый камень (своеобразный ритуал) в память о великом человеке. Надпись на этом памятнике гласит (в оригинале - на древнескандинавском языке): «Компания Ericsson Mobile Communications АВ установила этот камень в честь Гаральда Блютуса, который дал свое имя новой беспроводной технологии для мобильных коммуникаций».

Далее, в начале 1998 года, пять крупных компаний - Ericsson, Nokia, IBM, Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая этого же года для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG). Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В настоящее время в SIG входит более трех тысяч компаний, среди которых есть и старые представители, давшие начало развитию данного стандарта, и новые - например, такие гиганты, как Lucent, Microsoft, Motorola и др.

Основные положения технологии Bluetooth

Bluetooth – это, как уже было сказано выше, современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства. Соединить можно все, что соединяется, то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth. Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.

Bluetooth - это маленький чип (рис. 1), представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик.

Рис. 1 Чип Bluetooth

Энергопотребление (мощность передатчика) не должно превышать 10 мВт. Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Как радиотехнология, Bluetooth способен "обходить" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими).

Рис. 2 Bluetooth -чип и спичка рядом

Чип Bluetooth реализован с учетом всех современных тенденций. Размер чипа (рис. 2) - менее одного квадратного сантиметра. Применяемая частота позволяет ограничить потребляемую мощность 1мВт. Подобные характеристики позволяют интегрировать чипы Bluetooth в таких устройствах, как мобильные телефоны и карманные компьютеры.

Принцип работы Bluetooth

Технология Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную - SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную - ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка - точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка - много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.

Основополагающим принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов – 140-175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.

Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону 1600 раз в секунду. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.

Рис. 3. Частотно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth

На рис. 3 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трёх Bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приёма.

Когда пара любых Bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть (рис. 4).

Одно из них, выполняющее функции ведущего устройства, формирует сигналы синхронизации частоты и ее изменения. Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер. Все другие устройства являются ведомыми.

Рис. 4 Пикосеть

Пикосеть является фундаментальной формой коммуникации в технологии Bluetooth. Пикосеть может содержать до 7 активных ведомых устройств. Кроме того, в окрестности (зоне уверенного приема) ведущего устройства могут находиться неактивные ведомые устройства, которые также синхронизированы на общие часы и общую последовательность смены частот, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не активирует их. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Несколько (до 10) независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей, между которыми возможен обмен информацией, могут объединяться в так называемую большую сеть Scatternel. Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет главным в одной и подчиняемым в другой. Таким образом, в пределах отдельной Scatternet может быть одновременно связано максимум 71 устройство.

Структурная схема архитектуры Bluetooth

Рис. 5 Архитектура Bluetooth

Важной частью архитектуры (рис. 5) является Host to Controller интерфейс (HCI), обеспечивающий взаимодействие софтовой подсистемы Host с железной подсистемой Controller. Всё взаимодействие верхних уровней Bluetooth системы с ее аппаратной частью происходит через HCI-команды, инициируемые драйвером.

Основные блоки архитектуры:
RF
Блок Radio занимается преобразованием битовой последовательности в радио сигналы. Вопросы модуляции, спектральных характеристик и физики процессов обеспечения битовой скорости - все это решается на нижнем уровне модели.

Baseband Layer = Link Controller + Baseband Manager + Device Manager
Уровень baseband представлен в виде трех блоков, совместная задача которых состоит в управлении физическими каналами, поверх которых устанавливаются физические соединения. Bluetooth-адресация, синхронизации генераторов устройств, управление кодами доступа к физическим каналам, поиск устройств и установление физического канала между ними - все это задачи Baseband-уровня.

Link Manager

После того, как два нижних уровня обеспечили нас физическим соединением между устройствами, дело становится за организацией логических каналов, которые впоследствии и станут базой для передачи трафика приложений. Link Managerв ответе за установление, изменение и освобождение логических соединений между устройствами, а так же за обновление параметров физических соединений. Для этих целей Link Manager использует Link Management протокол (LMP).

L2CAP Layer = Channel Manager + L2CAP Resource Manager
Это высокоуровневый блок Bluetooth Host, оккупированный L2CAP уровнем. Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) - протокол, работающий поверх созданных логических соединений, обеспечивающий сегментацию и восстановление пакетных данных от всех вышележащих приложений.

Скачков Максим Константинович