Версии Bluetooth и их отличия. Чем отличаются разные версии Bluetooth Что ждать потребителю

С овременные смартфоны и другие устройства, рекламируют поддержку «Bluetooth 5.0» в своем списке спецификаций. Вот что нового в последней и самой лучшей версии Bluetooth.

Что такое Bluetooth?

Bluetooth 5.0 является последней версией стандарта беспроводной связи Bluetooth. Он обычно используется для беспроводных наушников и другого аудиооборудования, а также для беспроводных клавиатур, мышей и игровых контроллеров. Bluetooth также используется для связи между различными устройствами умного дома и Интернета вещей (IoT).

Новая версия стандарта Bluetooth означает различные улучшения, но только при использовании с совместимыми периферийными устройствами. Другими словами, Вы не увидите никакой выгоды от обновления телефона с Bluetooth 5.0, если все Ваши аксессуары Bluetooth были разработаны для более старой версии Bluetooth. Однако Bluetooth обладает обратной совместимостью, поэтому Вы можете продолжать использовать существующие Bluetooth 4.2 и более старые устройства с телефоном Bluetooth 5.0. И когда Вы покупаете новые периферийные устройства с поддержкой Bluetooth 5.0, они будут работать лучше благодаря Вашему телефону с Bluetooth 5.0.

Низкое энергопотребление Bluetooth для беспроводных наушников (и многое другое)

Важно отметить, что все усовершенствования Bluetooth относятся к спецификации Bluetooth Low Energy, которая была введена с Bluetooth 4.0, а не к классическому Bluetooth-радио, которое использует больше энергии. Технология Bluetooth Low Energy предназначена для снижения энергопотребления периферийных устройств Bluetooth. Первоначально он использовался для носителей, маяков и других маломощных устройств, но имел некоторые серьезные ограничения.

Например, беспроводные наушники не могли общаться через Bluetooth Low Energy, поэтому вместо этого им пришлось использовать более мощный голосовой стандарт Bluetooth. С Bluetooth 5.0 все аудиоустройства обмениваются данными по Bluetooth Low Energy, что означает снижение потребления энергии и увеличение срока службы батареи. В будущем многие другие типы устройств смогут связываться с Bluetooth Low Energy.

Примечательно, что AirPods от Apple не используют Bluetooth 5.0. Они используют Bluetooth 4.2 и специальный чип Apple W1 для улучшения соединения. На Android Bluetooth 5.0 должен помочь сделать Bluetooth-наушники чем-то, что Вы хотите использовать.

Dual Audio

Bluetooth 5.0 также обеспечивает отличную новую функцию, позволяющую одновременно воспроизводить звук на двух подключенных устройствах. Другими словами, у Вас могут быть две пары беспроводных наушников, подключенные к Вашему телефону, и они одновременно передают звук обоим из них через стандартный Bluetooth. Или Вы можете воспроизводить аудио на двух разных динамиках в разных комнатах. Вы могли бы одновременно передавать два разных аудиоисточника на два разных аудиоустройства одновременно, поэтому два человека могли слушать две разные части музыки, но транслировались бы они с одного телефона.

Эта функция называется «Dual Audio» на Samsung Galaxy S8. Просто подключите два аудиоустройства Bluetooth к Вашему телефону, включите функцию Dual Audio, и Вы готовы к работе. Однако это не должно быть функцией Samsung. Он включен Bluetooth 5.0 и, как мы надеемся, появится на устройствах других производителей.

Больше скорости, расстояния и пропускной способности

Основными преимуществами Bluetooth 5.0 являются улучшенная скорость и больший диапазон. Другими словами, он работает быстрее и может работать на больших расстояниях, чем более старые версии Bluetooth.

Когда Вы его получите?

Сегодня Вы можете получить устройства, поддерживающие Bluetooth 5.0, такие как iPhone 8 и 8 Plus, iPhone X, Samsung Galaxy S8 и S9 и будущие телефоны Android. Однако, Вам также понадобятся Bluetooth 5.0. Они еще не получили широкого распространения, но многие производители обещают выпускать устройства Bluetooth 5.0 в 2018 году.

Поскольку Bluetooth поддерживает обратную совместимость, Ваши Bluetooth 5.0 и более старые устройства Bluetooth будут работать вместе. Это немного похоже на переход на новый, более быстрый стандарт Wi-Fi. Даже после того, как Вы получите новый маршрутизатор, поддерживающий более быстрый Wi-Fi, Вам также необходимо обновить все остальные устройства. Но Ваши более старые устройства с поддержкой Wi-Fi все еще могут подключаться к Вашему новому маршрутизатору, причем на более медленной скорости, чем маршрутизатор поддерживает.

Если Вы можете получить доступ к телефону Android с Bluetooth 5.0 и наушникам с Bluetooth 5.0, у Вас, скорее всего, будет намного лучший беспроводной звук, чем у старого стандарта Bluetooth.

Пользователи iPhone могут получить хороший опыт работы с собственными наушниками AirPods или Beats от Apple благодаря чипу W1, но теперь на Android получить хороший Bluetooth-звук. Bluetooth 5.0 должен даже улучшить беспроводные наушники на iPhone, если Вы решите перейти на сторонние наушники Bluetooth 5.0 вместо наушников Apple с чипом W1.

Однако мы не рекомендуем обновлять каждую мелочь. Даже если у Вас ноутбук с поддержкой Bluetooth 5.0, например, обновление мыши с поддержкой Bluetooth 5.0, вероятно, не будет большим улучшением. Но, поскольку поддержка Bluetooth 5.0 находит свое отражение в каждом новом устройстве Bluetooth, Bluetooth-периферия станет лучше, а Bluetooth станет более надежным и энергоэффективным.

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

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
Радиообмен	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
Режим сна	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

Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
TI SimpleLink CC2640R2 SDK 1.35.00.33. https://github.com/ti-simplelink/ble_examples.

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?

Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?

Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth

Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?

Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?

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

увеличение мощности передатчиков;
увеличение чувствительности приемников.

Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:

снижение скорости передачи;
использование кодирования данных Coded PHY.

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.

Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?

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.

Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?

Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5

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
Радиообмен	Пиковый ток при передаче, мА	6,1
Режим сна	Контроллер датчиков, мкА/МГц	8,2
Режим сна	Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА	1

Заключение

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.

Литература

Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
TI SimpleLink CC2640R2 SDK 1.35.00.33. https://github.com/ti-simplelink/ble_examples.

В Android O имеется полная поддержка Bluetooth 5, поэтому разработчикам устройств не приходится делать всю работу самим.

Основное изменение заключается в том, чтобы включить Bluetooth 5.0 с помощью программного обеспечения без какого-либо изменения оборудования. Исходный код / SW-файл будет поддерживаться ТОЛЬКО корпорацией HTC, и НЕВОЗМОЖНО дать этот исходный код / файл SW любому третьему лицу для включения данной функции.

Изменение произойдет, когда эти телефоны будут обновлены до Android O 8.0 (начало осени), и вам не придется ничего делать. Все будет работать итак.

Все это круто, но почему Bluetooth 5 лучше чем 4.2?

Характеристики Bluetooth очень похожи на характеристики USB. Эти интерфейсы используют цифровую систему для того, чтобы квалифицироваться как совместимые, аппаратное обеспечение должно иметь определенные пороговые значения для скорости передачи и приема, энергопотребления и совместимости.

Это означает, что большее число будет в некотором роде лучше, чем меньшее число, а переход с 4.2 на 5 более значителен, чем с 4.1 на 4.2.

Bluetooth 5 обеспечивает более высокий диапазон, более высокую скорость передачи данных и более быстрый способ подключения.

Bluetooth 5 предлагает в четыре раза больше диапазон и вдвое большую скорость передачи данных. Легко понять, почему более широкий диапазон лучше, но важно знать, что передача данных — это больше, чем просто обмен файлами.

Например, музыка также является цифровыми данными при потоковой передаче через Bluetooth, а более высокая скорость означает, что она может передавать больше аудиоданных для «лучшего» звука (такое уже реализовали Sony со своим кодеком LDAC) и меньше шансов на какие-либо ошибки.

К примеру, используя Bluetooth 5, ваш телефон может передавать музыку на беспроводную колонку на расстоянии до 35 метров (против 10 на старых стандартах Bluetooth), отправлять в два раза больше цифровых данных, чтобы ваша музыка звучала сочнее и не тормозила.

Почему HTC и Motorola ждут Android? Ради правильной работы Bluetooth 5

Мы не можем быть на 100% уверены, что они ждут, но это, скорее всего, из-за дополнительной поддержки Bluetooth 5, которая идет в Android O.

Стандарт Bluetooth 5 был готов в декабре 2016 года, так что все производители знают о новой версии. Когда Android Nougat была завершена, стандарт Bluetooth 5 еще не был закончен, поэтому есть некоторые довольно значительные функции, которые не поддерживаются. В

Android 7.1 Nougat отсутствует одна важная особенность - новый энергоэффективный стандарт передачи данных.

Когда два устройства обмениваются данными по Bluetooth, им необходимо найти лучший и наиболее эффективный способ отправки данных. Каждое устройство имеет набор проверок для поиска «правильного» способа, а Bluetooth 5 не делает такие проверок. Это означает, что устройство вернется к более старому стандарту Bluetooth, а функции Bluetooth 5 не будут использоваться.

Если короче, это означает, что в версиях до Android O телефон с Bluetooth 5 не может должным образом понять, что это такое и что именно оно может делать, а когда соединение наконец будет установлено, оно вернется к более старой версии Bluetooth. Даже если аппаратное обеспечение его поддерживает.

Bluetooth 5 просто не был готов при разработке Android 7.0 Nougat

Например, Samsung Galaxy S8 должен использовать код Bluetooth от самой Samsung, чтобы обойти эти проблемы, потому что Android Nougat не имеет поддержки. Это стоит много денег и занимает много времени, и, в конце концов, все это значительно упроститься с приходом Android O.

Bluetooth очень крутым, когда мы будем использовать Android O и Bluetooth 5

Все преимущества Bluetooth 5 требуют, чтобы оба устройства были совместимы с Bluetooth 5. Если одно устройство, например, Bluetooth 4.x, соединение будет по стандарту 4.x.

Получается, что до тех пор, пока ваши наушники или автомобильная система не будут готовы к работе с Bluetooth 5, все эти преимущества просто не имеют значения.

Два телефона Galaxy S8, подключенные через Bluetooth, могут иметь более быструю передачу файлов, но нет гарантии, что версии Bluetooth от Samsung и от Android 8.0 O на 100% совместимы, поэтому соединение Galaxy S8 8 с HTC U11 может не быть столь быстрым.

Все преимущества Bluetooth 5 требуют, чтобы оба устройства имели эту версию.

Bluetooth становится круче с каждой новой версией, поэтому старайтесь отыскать современные устройства, чтобы пользоваться всеми этими улучшениями. Жаль только, что производители беспроводных наушников уже наделали кучу крутых наушников на базе Bluetooth 4.2 и выпуск новых моделей с Bluetooth во всех ценовых диапазонах займет много времени.