Bluetooth 5.0 радиус действия

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.

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.

Новый стандарт беспроводной связи обеспечивает больший диапазон, более высокую скорость и большую пропускную способность. Но что еще вам нужно знать?

Что с ростом популярности беспроводных наушников и носимых устройств, мы начинаем использовать Bluetooth гораздо чаще, чем раньше. Фактически, согласно Bluetooth Special Interest Group , которая контролирует разработку технологии, к 2020 году будет продано 13,9 миллиарда устройств с поддержкой Bluetooth.

Хорошая новость, что технология от этого только выиграет. Bluetooth 5 является более мощным, чем когда-либо, с огромным потенциалом для Интернета вещей и прослушивания музыки в беспроводном режиме.

Так что же он может сделать? И когда вы можете это схватить? Читайте дальше и узнавайте.

Что такое Bluetooth 5?

Bluetooth 5 — это следующая итерация Bluetooth , беспроводная технология передачи данных, которая находится в смартфонах, планшетах, беспроводных наушниках и динамиках, ноутбуках, настольных компьютерах и т. Д.

Bluetooth позволяет вашим устройствам передавать данные друг другу по беспроводной сети. Когда вы получаете уведомление на своих умных часах или трекере, оно поступает с вашего телефона по Bluetooth.

Он также позволяет подключать беспроводные колонки, чтобы вы могли слушать мелодии дома, в парке или на пляже.

Это последняя версия Bluetooth, она намного мощнее, чем ее предшественники.

Насколько мощный Bluetooth 5?

Новая версия значительно опережает предыдущую по всем параметрам. По сравнению с его предшественником (Bluetooth 4.2 Low Energy) он вдвое быстрее, имеет в четыре раза большую дальность работы и может передавать в восемь раз больше данных.

Если вам нужны точные данные, мы говорим о пропускной способности 2 Мбит/с. На практике это означает быстрое и надежное подключение к сети, что приводит к более быстрым обновлениям прошивки и загрузке данных.

Благодаря большей дальности работы около 240 м, ваши беспроводные динамики и наушники будут работать намного дальше от источника звука, чем с Bluetooth 4.2 Low Energy. Эти нововведения позволят охватить весь дом для интернет-устройств, таких как камеры безопасности, интеллектуальные холодильники, интеллектуальные термостаты и многое другое.

И благодаря более эффективному использованию каналов вещания на полосе частот 2,4 ГГц, он открывает путь для «более лучших беспроводных решений на основе Bluetooth», согласно SIG. Другими словами, ожидайте большего количества беспроводных подключений, куда бы вы ни отправились, от спортивных стадионов до торговых центров.

Вы можете подключить более одной пары беспроводных наушников к одному источнику звука по Bluetooth 5 . Если ваше устройство имеет определенные профили работы, например функцию Bluetooth Dual Audio от Samsung , вы можете самостоятельно регулировать громкость каждого из них. Очень удобно для подключения нескольких наушников для просмотра передач или прослушивания музыки во время поездок на поезде или самолете.

Bluetooth 5 также может обнаруживать существуют ли помехи на частотах 2,4 ГГц и автоматически стараться минимизировать их. Что должно сделать прослушивание музыки с любого беспроводного устройства более стабильным и чётким.

Какие устройства совместимы с Bluetooth 5?

На данный момент не так много. Samsung Galaxy S8 — первый телефон для работы с технологией Bluetooth 5 , но на данный момент он единственный. Без каких-либо наушников или динамиков Bluetooth 5 вы не сможете использовать преимущества большой дальности стабильной работы или более высоких скоростей. Но они должны начать появляться до конца года.

Хорошей новостью является то, что вы можете использовать функцию Dual Audio в Galaxy S8 с любым Bluetooth-динамиком или наушниками . Просто соедините их с телефоном, как обычно, затем выберите «Dual Audio» в меню в правом верхнем углу экрана и настройте необходимый уровень громкости для каждого из устройств.

Будет ли Bluetooth 5 улучшать качество звука для беспроводных динамиков и наушников?

К сожалению нет . Основное внимание уделяется Интернет-вещам и большей связности, но SIG не упоминает об улучшенном качестве звука. Это не значит, что поклонники музыки не получат никаких преимуществ.

Беспроводные наушники и динамики будут работать намного дальше от источника звука, и вы можете передавать один и тот же звук на большее количество наушников / динамиков одновременно.

Bluetooth 5 также может улучшить срок службы батареи . Поскольку он более эффективен, он будет потреблять меньше энергии, что должно означать увеличение срока службы батарей для беспроводных громкоговорителей и наушников. Но нам придется попробовать это в деле, чтобы подтвердить, но пока это невозможно.

Что нового в Bluetooth 5.0? Двукратный прирост скорости, возможность шифровать трафик, увеличение радиуса действия на 400% и масса других преимуществ.

Новость о появлении Bluetooth 5.0 промелькнула на страницах медиаресурсов в июне 2016 года, но занятая более важными вещами публика не обратила должного внимания на появление нового технологического стандарта в мире беспроводной связи. Устройств на базе Bluetooth 5.0 на тот момент пока еще не выпустили. В мае 2017, после появления Samsung Galaxy S8 и Xiaomi Mi 6, о новой спецификации заговорили в совсем другом ключе. Ведь Bluetooth 5.0 преподнес потребителям сразу несколько долгожданных преимуществ, о которых мы поговорим в этой статье.

Хорошие новости для разработчиков

Беспроводное сосуществование – запомните этот термин. Скоро он изменит всю структуру беспроводных коммуникаций. Bluetooth Special Interest Group обещает невиданный ранее уровень взаимодействия с другими протоколами связи. Нам даже обещают параллельное и бесконфликтное сосуществование Bluetooth и Wi-Fi.

Спецификация 5.0 предполагает работу 255 октет-пакетами (вместо 31 пакета, как у предыдущей версии) и переход на соседние частоты без потери байт трафика. В переполненном битами и байтами диапазоне 2,4 ГГц станет легче дышать и потребителям, и программистам, и даже операционным системам и чипам.

Разработчики смогут осуществлять тонкие настройки программных продуктов, производители начнут интегрировать модули Bluetooth 5.0 даже в утюги и пылесосы. А операционные системы перестанут перегружать процессоры, пытаясь выстроить работу по упорядочиванию замусоренного трафика. Аналитики утверждают, что с этого и начнется тот самый «интернет вещей», о появлении которого так долго говорили все футурологи.

Что ждать потребителю

Для обычного пользователя Bluetooth-устройств появление спецификации 5.0 интересно двумя моментами. Во-первых, новый стандарт увеличивает скорость обмена файлами в 2 раза. Во-вторых, радиус действия увеличивается в 4 раза.

В цифрах это звучит еще лучше – скорость Bluetooth 5.0 выросла до 2 Мбит/с, а радиус действия увеличивается до 100 метров. Теперь вы сможете слушать треки с высоким качеством звука даже в том случае, если ваш смартфон находится в доме, а вы с беспроводной колонкой или наушниками – на улице.

Кроме того, новый протокол позволяет не только нарастить дальность — Bluetooth 5.0 готов работать не с одним источником, а сразу с несколькими. И энергоемкость у этого процесса будет существенно ниже, чем у предыдущих версий модулей беспроводной связи. Проще говоря, Bluetooth 5.0 будет беречь батарею и смартфона, и мобильной колонки.

Еще одна хорошая новость – возможность шифровать трафик, передаваемый по Bluetooth-каналу. Разработчики и производители уже поговаривают о замене короткого поводка NFC более совершенным протоколом, позволяющим превратить смартфон в полноценную замену банковской карты.

Правда, все эти преимущества пока доступны лишь немногим владельцам мобильных устройств.

Смартфоны с Bluetooth 5.0

Прямо сейчас вы можете купить только три устройства с модулями связи Bluetooth 5.0. Это смартфоны и . Пока новая спецификация реализуется только на флагманах, так что за право пользоваться всеми нововведениями Bluetooth 5.0 вам придется заплатить от 500 до 1000 долларов США.

Во второй половине мая к линейке флагманов Самсунг и Сяоми присоединится – премиум-смартфон, в официальную спецификацию которого вписан новый стандарт беспроводной связи. На этот раз за преимущества Bluetooth 5.0 придется отдать от 650 долларов до 750 евро, в зависимости от места продажи нового смартфона HTC.

К началу лета, спустя примерно год с момента анонса Bluetooth 5.0, на рынке появится – еще один флагман с новой спецификацией беспроводной связи. Ориентировочная стоимость японского устройства составит 800 долларов США.

В отдаленных перспективах аналитики прогнозируют появление пятой спецификации в , Samsung Galaxy Note 8 и новом гуглофоне из линейки Pixel. А вот в дешевых мобильных телефонах Bluetooth 5.0 пропишется еще очень не скоро. Дело в том, что эта спецификация должна поддерживаться чипсетами. Среди недорогих решений такими способностями, к нашему сожалению, пока не обладает ни один процессор.

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.