Bluetooth 2.0 + EDR
Невозможно представить себе жизнь,
Которая не несла бы в себе нескончаемый поток информации,
А информацию невозможно представить без средств ее хранения и передачи.
Bluetooth 2.0 обновленная спецификация беспроводного протокола связи Bluetooth. EDR (Enhanced Data Rate) дословно «усовершенствованная передача данных». Новые возможности второй версии Bluetooth:
- Максимально возможная скорость передачи данных увеличилась в 3 раза (до 3 Mbps * ), а в некоторых случаях до 10 раз это дает возможность передавать больше данных за то же время;
- Уменьшилось энергопотребление, значит, Bluetooth-устройство второй версии будет работать дольше от одного заряда;
- Версия 2.0 обратносовместима, то есть устройства с поддержкой прежних версий Bluetooth будут работать с новыми, а новые с прежними (конечно, новые возможности будут доступны только новым устройствам — устройства с поддержкой Bluetooth 2.0);
- За счет расширения полосы пропускания упрощен сценарий мультисвязи, значит, упростилось одновременное подключение нескольких устройств;
- Улучшена BER (Bit Error Rate) коррекция ошибок при передаче данных, значит, увеличилась помехоустойчивость;
- Добавился A2DP * (Advanced Audio Distribution Profile) расширенный профиль аудиораспределения попросту, стало возможно воспроизводить стерео-звучание через Bluetooth;
Теперь, заметив обозначение Bluetooth 2.0 + EDR, вы сможете представить те возможности, которые предлагает вторая версия протокола.
28 марта 2007 года группой SIG была анонсированна Bluetooth 2.1, которая позволяет передавать данные со скоростью до 480 Мбит/сек. Процедура подключения устройств упрощена: 1) включаете гарнитуру; 2) в телефоне выбираете «Добавить новое устройство»; 3) Связь устройств происходит автоматически. Понижено энергопотребление. Улучшена защищенность. Добавленна технология NFC (Near Field Communication) позволяет присоединять два устройства одновременно.
- * Mbps Megabits per second (англ., мегабит в секунду)
- ** A2DP фактически должно записываться AADP, однако, в англоязычных аббревиатурах принято сокращать две одинаковые буквы идущие подряд с указанием числа букв, идущих подряд. Например, W3C (World Wide Web Consortium) и др.
Источник
Как выбрать лучший протокол Bluetooth для своего приложения
Беспроводная связь становится неотъемлемой частью электроники. Все больше и больше потребителей хотят отправлять и получать данные, не думая о разъемах и кабелях. Одним из самых популярных протоколов беспроводной связи является Bluetooth, который благодаря его универсальности используется в широком спектре приложений.
Bluetooth используется для воспроизведения музыки со смартфона на автомобильной стереосистеме. В новейших системах «умный дом», Bluetooth позволяет закрывать и открывать замок входной двери с помощью телефона. Bluetooth также можно использовать для обмена файлами между планшетом и компьютером, а также для отправки обновлений с фитнес-трекера на компьютер или телефон. На рис. 1 изображены два наиболее распространенных устройства с поддержкой Bluetooth: смартфон и ноутбук.
Рис. 1. Благодаря протоколу Bluetooth мы можем отправлять и получать данные без проводов
Во всех этих приложениях используется «Bluetooth», но, что удивительно, речь идет о разных протоколах! В одних случаях применяется Bluetooth Low Energy (BLE), в то время как в других используется Bluetooth Basic Rate/ Enhanced Data Rate (Bluetooth BR/EDR). В новейших приложениях все чаще можно встретить поддержку Bluetooth 5.
Многие пользователи даже не подозревают о различиях между протоколами Bluetooth BR/ EDR и BLE, они также не знают, какой из протоколов лучше всего подходит для того или иного приложения. С появлением Bluetooth 5 все стало еще более запутанным, так как грань между протоколами размылась еще сильнее. Цель этой статьи состоит в том, чтобы объяснить, чем BLE отличается от Bluetooth BR/ EDR, и какое развитие нашли эти протоколы в Bluetooth 5. Статья поможет выбрать наиболее оптимальный протокол Bluetooth для вашего приложения.
История
Чтобы лучше понять, чем отличаются Bluetooth BR/ EDR и BLE, важно изучить историю этой беспроводной технологии. Каждый из протоколов был разработан группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая управляет всеми протоколами Bluetooth. Результаты развития и доработки Bluetooth публикуются в виде новых спецификаций. На рис. 2 представлена история развития Bluetooth в виде временной шкалы с указанием годов выпуска Bluetooth BR, Bluetooth EDR, BLE и Bluetooth 5.
Рис. 2. Многолетняя история развития Bluetooth, с указанием дат выпуска новых спецификаций
Bluetooth BR/EDR
Исторически первым был разработан протокол Bluetooth BR. В нем для обмена данными в диапазоне ISM 2,4 ГГц использовался особый вид частотной манипуляции – GFSK (Gaussian frequency-shift keying). Полоса частот 2,4 ГГц была выбрана потому, что в отличие от большинства других частотных полос, она не требовала лицензирования и ее использование было бесплатным. Протокол Bluetooth BR быстро завоевал популярность, поскольку он обеспечивал недорогой и малопотребляющий способ отправки и получения данных по беспроводной сети на короткие расстояния со скоростью передачи данных до 0,7 Мбит/с.
Спустя несколько лет была выпущена новая спецификация Bluetooth 2.0, в состав которой вошел новый протокол Bluetooth EDR. Bluetooth EDR позволяет передавать данные в два-три раза быстрее, чем Bluetooth BR. Это связано с тем, что в Bluetooth EDR, кроме GFSK, также использовалась дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (differential quadrature phase-shift keying, QDPSK) и дифференциальная 8-уровневая фазовая манипуляция (differential 8-level phase-shift keying, 8DPSK). Если в GFSK один символ кодирует один бит, то в QDPSK один символ кодирует два бита, а в 8DPSK на один символ приходится три бита.
Любопытный факт – когда разрабатывался протокол BLE, он на самом деле не был протоколом Bluetooth! Дело в том, что компания Nokia создавала собственный новый беспроводной протокол под названием Wibree. Он обеспечивал минимальное потребление энергии, был очень дешевым и простым в настройке, что делало его идеальным решением для устройств, питающихся от небольших батареек.
Wibree использовал множество решений, реализованных еще в Bluetooth BR/ EDR: частотный диапазон ISM 2,4 ГГц, модуляция GFSK, разбиение на частотные каналы и скачкообразную перестройку частоты. Сходства между протоколами привели к тому, что Bluetooth SIG включила Wibree в свою новую спецификацию Bluetooth. Протокол впервые появился в спецификации Bluetooth 4.0 и получил привычное для современных пользователей название Bluetooth Low Energy (BLE).
Несмотря на появление BLE, поддержка старых протоколов Bluetooth BR/ EDR также сохранилась. Потребительские устройства с BLE часто назывались Bluetooth Smart, а Bluetooth BR/ EDR — Bluetooth Classic. Впрочем, в настоящее время эти термины больше не используются. В соответствии со спецификацией радиомодули могут иметь различные варианты поддержки протоколов: только Bluetooth BD/ EDR, только BLE, или одновременно Bluetooth BR/ EDR и BLE.
Bluetooth 5
Bluetooth SIG делает все возможное, чтобы модернизировать и совершенствовать Bluetooth в соответствии с развитием технологий. В последнее время одним из ключевых движущих факторов развития электроники стал Интернет вещей (IoT). Протокол BLE сыграл большую роль в становлении IoT, однако Bluetooth SIG хочет дополнительно расширить возможности Bluetooth в IoT-приложениях. Новые улучшения BLE были реализованы в Bluetooth 5.
Bluetooth BR/EDR vs. BLE
Давайте определим сходства и различия между Bluetooth BR/ EDR и BLE. Для начала коснемся физического уровня протоколов (PHY). Физический уровень PHY включает схему, используемую для модуляции и демодуляции аналоговых сигналов и преобразования их в цифровые символы. Различия в PHY являются главными причинами того, что каждый протокол оказывается оптимальным с точки зрения того или иного приложения. Существует четыре основных параметра PHY: организация частотных каналов, потребление, задержка и пропускная способность.
Схема частотных каналов
Протоколы Bluetooth BR/ EDR и BLE используют для обмена данными одинаковый частотный диапазон ISM 2,4 ГГц, но разное количество частотных каналов. Bluetooth BR/ EDR делит полосу частот на 79 каналов, разнесенных на 1 МГц. BLE использует более простой передатчик и приемник, поэтому он разделяет полосу частот на 40 каналов, разнесенных на 2 МГц.
Вне зависимости от числа используемых частотных каналов и Bluetooth BR/ EDR, и BLE вынужденно сталкиваются с таким неприятным фактором как помехи. Как уже отмечалось выше, диапазон ISM 2,4 ГГц является не лицензируемым и используется множеством передатчиков. Чтобы минимизировать влияние помех, в протоколах Bluetooth BR/ EDR и BLE используются скачкообразная перестройка частоты. При этом приемопередатчик работает на одном канале в течение короткого периода времени, а потом переключается на другой канал и продолжает обмен данными.
У BLE есть свои особенности организации частотных каналов. BLE резервирует три канала для широковещательной передачи данных. Эти рекламные каналы (advertising channels) необходимы для обнаружения BLE-устройств. Частота рекламных каналов была выбрана таким образом, чтобы они не мешали трем наиболее часто используемым каналам Wi-Fi, также работающим в диапазоне ISM 2,4 ГГц. После установления соединения приемопередатчики продолжают поддерживать связь на одном из 37 других каналов. На рис. 3 изображена схема частотных каналов BLE, на которой отмечены широковещательные каналы.
Рис. 3. Частотные каналы в BLE
Мощность
Bluetooth BR/ EDR и BLE существенно отличаются по уровню потребления. Об этом свидетельствует даже тот факт, что словосочетание «низкое энергопотребление» входит в название BLE! Bluetooth BR/ EDR использует максимальную выходную мощность 100 мВт для передачи данных на дистанцию примерно 10…100 м. На момент выхода Bluetooth BR/ EDR этот результат был вполне приемлемым, так как тогда не возникало проблем с зарядкой устройств. Однако сейчас постоянно растет спрос на устройства, которые могут работать от аккумулятора или батареи в течение нескольких месяцев или даже лет без подзарядки. При заявленной мощности 100 мВт обеспечить столь длительную работу очень сложно, так как радиомодуль быстро разряжает батарейку.
BLE предлагает идеальное решение. Уменьшение потребления происходит за счет того, что в BLE передатчик или приемник включаются только тогда, когда необходимо отправить или получить данные. При этом максимальная выходная мощность составляет всего 10 мВт при той же дальности действия. BLE отправляет данные короткими пакетами. Когда пакеты не отправляются, радиомодуль бездействует, потребляя минимум энергии. Все эти улучшения помогают BLE соответствовать своему названию.
Задержки
Еще один показатель, по которому BLE превосходит Bluetooth BR/ EDR является задержка. Для подготовки к отправке данных протоколам Bluetooth BR/ EDR требуется около 100 мс. Более того, присутствует дополнительная задержка в 100 мс с момента поступления данных для передачи до момента их получения на приемнике. В некоторых случаях такая задержка становится довольно ощутимой. Кроме того, задержка приводит к увеличению энергопотребления, поскольку передатчик больше времени проводит в состоянии готовности.
В BLE задержка оказывается значительно меньше – подготовка к передаче данных потребует всего 3 мс. Кроме того, задержка с момента поступления данных для передачи до момента их получения на приемнике составляет всего 6 мс. Это позволяет отправлять данные быстрее и экономить ресурс аккумуляторов.
Пропускная способность
Возможно у вас возник вопрос: почему кто-то выбирает Bluetooth BR/ EDR, а не BLE? Дело в том, что BLE существенно отстает от Bluetooth BR/ EDR по пропускной способности. И Bluetooth BR/ EDR, и BLE используют GFSK, поэтому теоретический предел их пропускной способности составляет 1 Мбит/ с. Однако такие факторы, как необходимость передачи служебных данных, ограничения радиосвязи и искусственные программные ограничения, приводят к снижению реальной пропускной способности.
На практике Bluetooth BR обеспечивает пропускную способность до 0,7 Мбит/с, в то время как для Bluetooth EDR она может достигать 2,1 Мбит/ с. Этого вполне достаточно для многих приложений, например, для передачи потокового аудио. Как уже отмечалось ранее, поскольку для экономии энергии BLE отправляет данные короткими пакетами, то его пропускная способность оказывается существенно ниже. Максимальная пропускная способность BLE может достигать только 0,27 Мбит/ с. Этого не хватит потоковой передачи звука, но для периодической отправки данных с датчика будет более чем достаточно.
Таким образом, различия в PHY приводят к существенным различиям и в характеристиках протоколов. В таблице 1 приведены результаты сравнения основных параметров Bluetooth BR/ EDR и BLE.
Таблица 1. Bluetooth BR/EDR vs. BLE
Параметр
Bluetooth BR/ EDR
BLE
Количество частотных каналов
Максимальная выходная мощность
Задержка пересылки данных
1 Мбит/с; 2-3 Мбит/с
0,7 Мбит/с; 2,1 Мбит/с
BLE 5.0
Bluetooth 5 сохраняет оригинальную технологию BLE с низким энергопотреблением, но добавляет некоторые новые улучшения. Одним из основных улучшений является введение трех вариантов PHY, которые можно выбрать для увеличения дальности или пропускной способности. В Bluetooth 5 также добавлены некоторые изменения, повышающие эффективность использования широковещательных каналов.
Первый вариант PHY, предлагаемый Bluetooth 5, называется LE 1M. Это тот же PHY, который используется для BLE в спецификации Bluetooth 4.2, поэтому большинство его параметров будут соответствовать параметрам, представленным в таблице 1. LE 1M является единственным обязательным PHY согласно Bluetooth 5. Другие два PHY являются опциональными.
Одним из дополнительных вариантов PHY в Bluetooth 5 становится PHY с избыточным кодированием. Этот вариант PHY обеспечивает увеличенную дальность действия благодаря введению избыточности при кодировании данных. Таким образом, выигрыш достигается обработкой данных, а не за счет увеличения мощности передатчика.
Избыточные биты используются для определения правильного значения бита информации. Кодирование осуществляется в двух вариантах: S = 2 и S = ??8. В S = 2 отправляется по два символа на бит, что уменьшает пропускную способность в два раза, но теоретически удваивает радиус действия передатчика. S = 8 отправляет восемь символов на бит. Это снижает пропускную способность до 125 кбит/с, однако радиус действия теоретический также увеличивается примерно в четыре раза. На практике диапазон связи будет немного ниже теоретических значений, но этот метод все же помогает существенно увеличить дальность действия.
Радиус действия важен не для всех устройств, поэтому в Bluetooth 5 добавлены некоторые улучшения с учетом требований приложений, в которых пропускная способность оказывается важнее дальности. Существует опциональный вариант PHY, созданный для удвоения скорости передачи данных – LE 2M. Новая опция увеличивает скорость передачи «сырых» данных до 2 Мбит/с, что позволяет передавать данные с максимальной пропускной способностью до 1,4 Мбит / с. Таким образом, данные могут не только передаваться быстрее, чем в Bluetooth BR, но и с меньшими затратами энергии.
Сравнение вариантов PHY, предлагаемых Bluetooth 5, представлено в таблице 2. Таблица демонстрирует различия в скорости передачи данных и в радиусе действия.
Таблица 2. Сравнение PHY, предлагаемых Bluetooth 5
| Параметр | LE 1M | LE с избыточностью S=2 | LE с избыточностью S=8 | LE 2M |
| Частота символов | 1 Мсимволов/c | 1 Мсимволов/c | 1 Мсимволов/c | 1 Мсимволов/c |
| Скорость передачи | 1 Мбит/с | 0,5 Мбит/с | 0,125 Мбит/с | 2 Мбит/с |
| Умножитель дальности действия | ||||
| Требование Bluetooth 5 | Обязательное | Опционально | Опционально | Опционально |
Bluetooth 5 предлагает множество улучшений, повышающих эффективность использования широковещательных каналов. BLE использует ту же схему частотных каналов, однако широковещательная передача может выполняться на всех 40 каналах, а не только на трех, как ранее в Bluetooth 4. В Bluetooth 5 по трем старым рекламным каналам передаются небольшие пакеты, содержащие указатели на большие пакеты (до 255 октетов), которые передаются по оставшимся 37 каналам. Такое решение также помогает уменьшить объем трафика на трех основных широковещательных каналах. Bluetooth 5 также предлагает улучшения, связанные с организацией цепочек широковещательных пакетов, передачей периодических широковещательных пакетов и с уменьшением минимального интервала меду пакетами.
Приложения
Различия в PHY являются ключом к определению того, какой протокол лучше всего подходит для каждого конкретного приложения. Мы рассмотрели основные технические особенности, зная о которых можно оптимально использовать каждый протокол.
Давайте начнем с Bluetooth BR/ EDR. Этот протокол отличается существенной задержкой и высоким потреблением, однако благодаря этому он обеспечивает высокую пропускную способность. Таким образом, протокол Bluetooth BR/ EDR лучше всего подходит для приложений, в которых пропускная способность является критически важным параметром. Bluetooth BR/ EDR становится идеальным протоколом для потоковой передачи аудиоданных или при отправке больших объемов информации. В качестве примеров таких приложений можно привести беспроводную гарнитуру (рис. 4), а также двухточечные соединения между устройствами (например, между смартфонами).
Рис. 4. Беспроводная гарнитура является одним из примеров использования Bluetooth BR/ EDR
BLE лучше всего подходит для приложений, в которых необходимо быстро отправлять небольшие объемы данных. Такой вариант позволяет устройству выйти из режима сна, быстро передать накопленные данные и обратно вернуться в спящий режим. Благодаря минимальному потреблению BLE является идеальным выбором для устройств с питанием от аккумуляторов или батареек малой ёмкости. Хорошим примером использования BLE является пульсометр. Пульсометр не должен часто отправлять данные, но он должен питаться от небольшого аккумулятора и работать в течение длительного времени без подзарядок. Поскольку область IoT продолжает активно развиваться, мы увидим еще очень много новых устройств, использующих BLE.
Важно отметить, что после того, как вы определились с протоколом Bluetooth для своего приложения, необходимо грамотно выбрать ИС с поддержкой этого протокола. Нельзя покупать ИС наугад в надежде, что она поддерживает и Bluetooth BR/ EDR, и BLE. Как уже неоднократно говорилось ранее, Bluetooth BR/ EDR и BLE используют разные PHY, поэтому необходимо убедиться, что выбранная ИС поддерживает PHY того протокола, который вы планируете использовать. Если предполагается работа с обоими протоколами, то, соответственно, ИС также должна поддерживать и Bluetooth BR/ EDR, и BLE.
Bluetooth 5 уже начинает появляться в коммерческих устройствах. Многие популярные смартфоны уже сейчас имеют поддержку Bluetooth 5. Как и в случае с большинством беспроводных протоколов, для полноценного внедрения Bluetooth 5 потребуется несколько лет. Тем не менее, вполне очевидно, что время для Bluetooth 5 уже настало.
Если вы хотите быть готовым к использованию Bluetooth 5, то Вам необходим микроконтроллер, совместимый с Bluetooth 5. Одним из примеров таких микроконтроллеров является MAX32666GWPBT от компании Maxim. MAX32666GWPBT имеет два процессорных ядра Arm Cortex-M4 и отдельные функциональные блоки, предназначенные для работы со стеком Bluetooth (рис. 5). Оба процессорных ядра могут использоваться для выполнения пользовательских программ. Еще одним вариантом является малопотребляющий микроконтроллер MAX32665 с ядром Arm Cortex-M4 с блоком вычислений с плавающей запятой (FPU) и Bluetooth 5. Благодаря развитой системе питания, включающей SIMO-преобразователь (single-inductor multiple-output), и функции динамического масштабирования напряжения, данный микроконтроллер хорошо подходит для систем с батарейным питанием.
Рис. 5. Устройства с поддержкой с Bluetooth 5 являются целевым приложением для микроконтроллеров MAX32666GWPBT
Заключение
Каждый хороший урок следует закрепить небольшой проверкой. Вернитесь к началу статьи и попробуйте самостоятельно решить, какой из протоколов следует использовать для перечисленных приложений. Если у Вас возникли проблемы, то ответы можно найти ниже.
Протокол Bluetooth BR/ EDR хорош для приложений, где важно обеспечить максимальную пропускную способность. К сожалению, использование этого протокола сопряжено со значительным потреблением, поэтому он не подходит для приложений с батарейном питанием, в которых требуется длительная автономная работа. Bluetooth BR/ EDR также имеет большую задержку и требует больше времени для настройки соединения перед отправкой данных. Следовательно, он не предназначен для приложений, которые обмениваются редкими и короткими сообщениями. Bluetooth BR/ EDR часто используется для воспроизведения музыки, хранящейся на телефоне, с помощью автомобильной стереосистемы, а также для или отправки файлов между компьютерами или планшетами. Оба приложения требуют высокой пропускной способности и могут позволить себе иметь относительно высокое потребление.
Протокол BLE используется в приложениях, в которых критическим параметром является низкое энергопотребление, а высокая пропускная способность не имеет большого значения. BLE позволяет отправлять данные очень быстро и имеет низкую задержку. Данный протокол можно найти в устройствах, которые должны работать от небольшого аккумулятора в течение длительного времени без подзарядки или в устройствах, которым не требуется часто отправлять данные. BLE применяется в системах домашней безопасности, например, в «умных дверных замках», а также в портативных гаджетах, в частности в фитнес-трекерах.
Хотя все рассмотренные протоколы относятся к одной технологии Bluetooth, они действительно предлагают различные преимущества в мире беспроводной электроники. Чтобы определить, какой протокол лучше всего подходит для конкретного приложения, следует ознакомиться с различиями PHY, перечисленными в таблице 1. Кроме того, разработчики должны следить за тем, как Bluetooth 5 будет изменять отрасль в ближайшие несколько лет, благодаря более высокой пропускной способности, большему диапазону и улучшениями, связанными с широковещательными сообщениями.
Источник
Adblockdetector