Технология передачи данных на небольшие расстояния появилась еще в 1994 году, когда два инженера из компании Ericsson решили навсегда покончить с проводами при обмене данными между мобильными устройствами. Такая технология получила название Bluetooth («Синий зуб»). Название технология получила от имени Харольда Первого Синезубого, который был королем Дании и Норвегии, прославившегося объединив скандинавские племена под свое правление в Х веке.
Описание стандарта связи
Изначально разработка велась на частотах, которые не подлежат дополнительному лицензированию. Это 79 каналов, работающих на частотах от 2402 МГц до 2480 МГц, которые специально выделены для работы медицинского и научного оборудования.
Обмен информацией между приемником и передатчиков ведется путем постоянной смены каналов приблизительно 1600 раз в секунду. На какой канал произойдет переключение знает только приемное и передающее устройство, уведомление происходит посредством специальных ключей идентификации. Такой способ сводит возможность возникновения помех к минимуму и позволяет сопряженным устройствам не конфликтовать друг с другом. Стандарт bluetooth является одним из самых защищенных способов обмена информацией, ведь подключиться к устройству без разрешения невозможно. Единственной проблемой такого вида связи является очень маленький радиус действия, но с другой стороны это тоже увеличивает уровень безопасности.
По мощности радиопередатчиков стандарт делится на три большие группы или класса:
- Класс 1 используется в основном в медицинском оборудовании, для работы которого хватает передатчика с очень маленько мощностью.
- Класс 2 с передатчиками средней мощности можно увидеть в современных мобильных телефонах, планшетах и других периферийных устройствах.
- Класс 3 использует очень мощные передатчики и находит свое применение на промышленных предприятиях, например, для управления отдельными станками или всем процессом производства в целом.
Подключение возможно не только между двумя устройствами. Количество одновременно подключенных устройств ограничивается 71-м аппаратом, при этом одно устройство выступает в роли главного или master устройством, а все остальные работают как ведущие (slave). Аппарат, который работает в качестве ведомого, в свою очередь может выступать ведущим для подключенных к нему. Так можно создавать целую сеть, которая называется пикосеть. Одновременно не может быть объединено более десяти пикосетей.
Эволюция стандарта
С момента появления стандарта в 94-м году, стандарт получил название Bluethooth 1.0. Это был еще очень сырой продукт. У него было очень много уязвимостей по безопасности из-за того, что необходимо было передавать в открытом виде адрес устройства. Так же сложности были с сопряжением девайсов от разных производителей. Скорость блютуз также оставляла желать лучшего. В версии 1.1 появилась возможность видеть уровень сигнала и была добавлена поддержка не шифрованных каналов.
Исследования постоянно продолжались, но следующая версия блютуз 2.0 появилась только в 2007 году. Была существенно увеличена скорость bluetooth, которая достигла почти 2,5 Мб/с, а в версии 2.1 были существенно переработаны и уменьшены параметры энергопотребления. Улучшена безопасность и скорость сопряжения устройств.
В апреле 2007 года был представлен стандарт Bluetooth 3.0. совместно с применением технологии асинхронного мультипроцессирования скорость обмена данными составила 24 Мб/с, но увеличилось энергопотребление. Увеличение энергопотребления не давало покоя разработчикам, ведь для мобильных устройств это довольно критический момент. После доработок в конце года широка общественность смогла увидеть bluetooth 4, которая используется до сих пор.
Основное отличие от предыдущих версий это очень низкое потребление ресурса аккумулятора. Это достигается также тем, что сигнал передается не постоянно, а только по мере необходимости, т.е. передатчик находится в постоянном режиме ожидания, и включается в работу только при необходимости.
Соединение между устройствами теперь происходит за 5 мс, а расстояние между устройствами теперь может достигать 100 метров в пределах прямой видимости. Степень шифрования данных в блютуз 4 происходит по 128 битному алгоритму. Этот стандарт стал эталонным для подключения периферийных устройств, таких как наушники, внешние колонки, «умные» часы и многие другие.
В различных версиях bluetooth скорость передачи данных следующая:
- 2 - до 1 Мб/с;
- 0 - до 3 Мб/с;
- 0 и v4.0 - до 24 Мб/с.
Производители стараются разрабатывать устройства таким образом, чтобы они поддерживали различные версии bluetooth, для большей совместимости между аппаратами.
Применение блютуз в быту
В настоящее время передача информации с использованием блютуз довольно популярна, и интерес к технологии постоянно растет. Можно назвать множество сфер деятельности где она нашла свое применение:
- обмен данными между двумя мобильными телефонами;
- загрузка фотографий с цифрового фотоаппарата без использования проводного подключения;
- подключение мыши, клавиатуры, принтера, сканера и другой периферии к компьютеру или ноутбуку;
- синхронизация данных между ПК и мобильным устройством;
- подключение гарнитуры, смарт-часов и других устройств к мобильному телефону.
Фантазия разработчиков по поводу того, где можно использовать Bluetooth безгранична. Постоянно на рынок поставляются новые и новые изделия, поддерживающие работу по этой технологии.
Что такое Bluetooth и с чем его «едят». Основы технологии и дата создания
Связь Bluetooth - это стандарт беспроводной технологии для обмена данными на кроткой дистанции, которая использует коротковолновые СВЧ радиоволны в ISM диапазоне от 2.4 до 2.485 ГГц, для обмена данными между стационарными и мобильными устройствами, и построении персональных сетей (Personal Area Network PAN).
Создана технология была телекоммуникационным поставщиком Ericsson в 1994 году и так серьезно вошла в повседневную жизнь, что представить себе жизнь без нее стал невозможным. В том числе и автомобильную жизнь. Изначально новая технология была задумана как беспроводная альтернатива интерфейсу RS-232 кабелей данных. При помощи Bluetooth могут подключаться различные устройства, избегая проблем с синхронизацией и без использования лишних проводов.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая на сегодняшний день имеет в членстве более чем 25.000 компаний работающих в области электросвязи, вычислительной техники, сетевого оборудования и потребительской электроники.
Началось восхождение Bluetooth с достижения соглашения с IEEE, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1. В это время был получен ряд патентов, которые появились в процессе разработки технологии.
Тайна названия Bluetooth
"Bluetooth" является не совсем правильной англизированной версией скандинавского Blåtand/Blåtann, (старонорвежский blátǫnn) являющейся прозвищем короля Харальда Синезубого, жившего в X веке. Ему удалось объединить враждовавшие датские племена в единое королевство, по преданию он также ввел Христианство. По примеру Харальда объединившего народы, Bluetooth делал тоже самое с протоколами, объединяя их в единый универсальный стандарт.
И еще немного по поводу названия. Слово «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», но в то время когда жили викинги его второе значение означало и «черный цвет». Поэтому, скорее всего у Харальда, конечно же, был черный передний зуб, но никак ни синий. И в переводе датское Harald Blåtand более правильно было б интерпретировать как Harald Blacktooth, нежели Harald Bluetooth. Вот такая историческая неточность.
Идея названия была предложена в 1997 году Джим Кардашем, который разработал систему, позволявшую мобильным телефонам «общаться» с компьютерами. На момент разработки, Джим читал исторический роман Франса г. Бенгтссона «Корабли Викингов», повествовавшем о Викингах и о короле Харальде Синезубом. Таким образом роман и повлиял на название.
Логотип Bluetooth сочетает две скандинавские руны «хаглаз» и «беркана».
1998
Пятью кампаниями формируется Bluetooth Special Interest Group (SIG)
К концу года Bluetooth SIG принимает своего 400го члена
Имя Bluetooth получает официальный статус
1999
Выпущена спецификация Bluetooth 1.0
Bluetooth в SIG организовывает первую встречу разработчиков UnPlugFest
Технология Bluetooth награждена в качестве "Best of Show Technology Award" на COMDEX
2000
На рынок выходит первый мобильный телефон с поддержкой Bluetooth
Появляется первая PC card
Прототип мыши для ноутбука и продемонстрированы на CeBIT 2000
Прототип USB модуля показан на выставке COMDEX
Первый чип объединивший радиочастоту, основную полосу частот, функции микропроцессора и беспроводное программное обеспечение связи Bluetooth
В продажу уходит первая гарнитура
2001
Первый принтер
Первый ноутбук
Первый hands-free автомобильный комплект
Первый hands-free с распознаванием речи
Bluetooth SIG, Inc. формируется как некоммерческая, неакционерная компания
2002
Первый комплект клавиатуры и мыши
Первый GPS приемник
Количество кондиционных Bluetooth продуктов составило 500 единиц
IEEE одобряет, что 802.15.1 стандарт соответствует беспроводной технологии Bluetooth
Первая цифровая фотокамера
Реализация Bluetooth
Bluetooth работает на частотах от 2400 до 2483.5 МГц (включая поле допусков от 2 МГц в нижнем диапазонt и 3.5 МГц наверху). Соответственно как видно, принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне ISM применяющемся в различных бытовых приборах и беспроводных сетях.
Bluetooth использует радио технологию, которая называется скачкообразной перестройкой частоты с расширенным спектром, Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS. Bluetooth делит данные на пакеты и передает каждый пакет по одному из обозначенных 79 каналов (рабочих частот). Каждый канал имеет полосу пропускания 1 МГц. Связь Bluetooth 4.0 использует 2 МГц интервал, который вмещает в себя 40 каналов. Первый канал запускается на 2402 МГц и продолжается до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты, несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду.
Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.
Версии Bluetooth
Bluetooth 1.0
Устройства первой версии 1.0 имели ряд проблем. У них наблюдалась посредственная совместимость с техникой сторонних производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком версии.
Bluetooth 1.1
Первое же обновление 1.1 исправило много недочетов найденных в версии 1.0B. Добавлены: поддержка нешифрованных каналов и RSSI (Received Signal Strength Indication) индикация уровня мощности.
Bluetooth 1.2
У последующего обновления были улучшения: Быстрое подключение и обнаружение. Она стала стойкой к радиопомехам, благодаря использованию адаптивной перестройки частоты с расширенным спектром. Скорости передачи данных до 1 Мбит/с. Появилось Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), улучшившее качество передачи голоса в аудиопотоке. В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART. В качестве стандарта принят IEEE Standard 802.15.1-2005.
Bluetooth 2.0 + EDR
EDR обеспечивает следующие преимущества: увеличение скорости передачи в 3 раза до 2,1 Мбит/с, возможность установки нескольких подключений в связи с дополнительной полосой пропускания. Снижение потребления энергии из-за уменьшения нагрузки.
Bluetooth 2.1
Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства, энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения
Bluetooth 2.1 + EDR
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.
Bluetooth 3.0 + HS
21 апреля 2009 года появился Bluetooth 3.0+HS. Скорость передачи данных (теоретически) возросла до 24 Мбит/с. Особенностью являлось добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB.
Bluetooth 4.0
Через четыре года, 30 июня 2010, Bluetooth SIG утвердил спецификацию 4.0. Bluetooth 4.0 включал протоколы: классический Bluetooth, высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением.
Bluetooth 4.1
SIG в конце 2013 года представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных.
Bluetooth 4.2
Bluetooth 4.2 был представлен 2 декабря 2014 года. Стандарт улучшили в его скоростных характеристиках и информационной безопасности.
Bluetooth 4.2 добавить возможность прямого подключения к Сети. То есть устройства с поддержкой Bluetooth 4.2 смогут не только напрямую взаимодействовать друг с другом, но и подключаться к Интернет (благодаря поддержке протокола IPv6/6LoWPAN) через соответствующие точки доступа. Ключевая идея развития стандарта заключается в том, чтобы с помощью Bluetooth можно было соединить любые устройства друг с другом.
В дополнение к безопасной и быстрой связи Bluetooth 4.2 также будет более энергоэффективен, всё это сдвинет тенденцию последних месяцев к подключению к сети: всё больше устройств начинают для этого использовать Bluetooth, что, кроме всего прочего, положительно сказывается на автономности работы.
2003
Первый MP3-плеер с технологией Bluetooth
Версия Bluetooth 1.2 принята Bluetooth SIG
Поставка продуктов Bluetooth выросло до 1 млн в неделю
Первая одобренная медицинская система Bluetooth
2004
SIG принимает версию Core Specification Version 2.0 Enhanced Data Rate (EDR)
Технология Bluetooth установлена в качестве базовой комплектации на 250 млн устройств
Поставки превзошли 3 млн. единиц в неделю
Первые стереонаушники
2005
Поставки продукции поднялись до 5 млн чипсетов в неделю
SIG приветствует своего 4,000 участника
Открыта штаб-квартира SIG в Белвью, штат Вашингтон, региональные офисы начали работать в г. Мальме, Швеции и Гонконге
SIG запускает Profile Testing Suite (PTS) v1.0, инструмент для тестирования и проведения типовых испытания полностью разработанный собственными силами компании
2006
Первые солнцезащитные очки
Первые часы
Первая цифровая фоторамка поддерживающая Bluetooth
Bluetooth установлен на 1 млрд устройств
Поставки Bluetooth устройств достигает 10 миллионов в неделю
Тестирование Profile Tuning Suite (PTS) становится обязательной частью продуктов Bluetooth квалификационного отбора
SIG объявляет, что она будет интегрировать технологию сверхширокополосной связи (Ultra-Wide Band, UWB) с WiMedia Alliance
2007
Первый будильник радио
Первый телевизор
SIG приветствует 8,000 участника
Исполнительный директор Bluetooth SIG , Майкл Фолей, получает награду Telematics Leadership Award
PTS Protocol Viewer выпущен в качестве части недавно опубликованной версии 2.1.1 наряду со значительно обновленным пользовательским интерфейсом
Самые распространенные профили Bluetooth
Чтобы использовать беспроводную технологию Bluetooth, устройства должны быть в состоянии интерпретировать определенные профили Bluetooth, которые находятся определенных областях применения и указывают общие формы поведения, чтобы Bluetooth совместимые устройства могли использовать для связи с другими устройствами Bluetooth.
Профиль — набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth.
Существует широкий спектр профилей Bluetooth, которые описывают различные типы приложений или сценариев использования устройства.
Список основных профилей одобренных Bluetooth SIG с кратким описанием и предназначением:
Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) разработан для передачи музыки, к беспроводной гарнитуре или иным устройствам.
Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP) создан для управления стандартными функциями телевизоров, высокоточного оборудования. Позволяет создавать устройства с функциями дистанционного управления.
Basic Imaging Profile (BIP) разработан для пересылки изображений между устройствами. С помощью этого профиля, возможно, изменять размер изображения и конвертировать его в поддерживаемый принимающим устройством формат.
Basic Printing Profile (BPP) с его помощью возможно пересылать текст, сообщения электронной почты, vCard на принтер. Профилю не требуется наличие драйверов.
Common ISDN Access Profile (CIP) используется для доступа устройств к цифровой сети с интеграцией служб, ISDN.
Cordless Telephony Profile (CTP) поддерживает беспроводную телефонию.
Device ID Profile (DIP) помогает определить класс устройства, его производителя и версию продукта.
Dial-up Networking Profile (DUN) протокол предоставляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису через Bluetooth.
Fax Profile (FAX) предоставляет интерфейс между мобильным или стационарным телефоном, а также персональным компьютером на котором установлено программное обеспечение для работы с факсами.
File Transfer Profile (FTP_profile) обеспечивает доступ к файловой системе устройства.
General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP) база для A2DP и VDP.
Generic Access Profile (GAP) база для остальных профилей.
Generic Object Exchange Profile (GOEP) база для других профилей передачи данных, основывается на OBEX.
Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP) замена кабельного соединения между устройством и принтером. Отрицательная сторона профиля, делающая его не универсальным- необходимость установки драйверов.
Hands-Free Profile (HFP)
Human Interface Device Profile (HID) обеспечивает поддержку устройств с HID в которые входят клавиатуры, мышки, джойстики и т.д. Отличительная особенность - использует медленный канал, работает на пониженной мощности.
Headset Profile (HSP) используется для соединения беспроводной гарнитуры и телефона.
Intercom Profile (ICP) обеспечивает голосовые звонки между Bluetooth совместимыми устройствами.
LAN Access Profile (LAP) обеспечивает доступ Bluetooth устройствам к вычислительным сетям LAN, WAN или Интернет посредством другого Bluetooth устройства, которое имеет физическое подключение к этим сетям.
SIM Access Profile (SAP, SIM) позволяет получить доступ к SIM-карте телефона, что делает возможным использование одной SIM-карты для нескольких устройств.
Synchronisation Profile (SYNCH) позволяет синхронизировать персональные данные (PIM).
Video Distribution Profile (VDP) позволяет передавать потоковое видео.
Wireless Application Protocol Bearer (WAPB) протокол для организации P-to-P (Point-to-Point) соединения через Bluetooth.
Введение
Bluetooth (от слов англ. blue - синий и англ. tooth - зуб; произносится /bluːtuːθ/) - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN). 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, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Описание стандарта
Название и логотип
Слово Bluetooth - перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Так прозвали когда-то короля викингов Харальда I Синезубого, жившего в Дании около тысячи лет назад. Прозвище это король получил за темный передний зуб. Харальд I правил в X веке Данией и частью Норвегии и объединил враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт. Хотя «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», во времена викингов оно также могло означать «чёрного цвета». Таким образом, исторически правильно было бы перевести датское Harald Blåtand скорее как Harald Blacktooth , чем как Harald Bluetooth .
Логотип Bluetooth является сочетанием двух нордических («скандинавских») рун: «хаглаз» - аналог латинской H и «беркана» - латинская B. Логотип похож на более старый логотип для Beauknit Textiles, подразделения корпорации Beauknit. В нём используется слияние отраженной K и В для «Beauknit», он шире и имеет скругленные углы, но в общем он такой же.
История создания и развития
Работы по созданию Bluetooth начал производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году как беспроводную альтернативу кабелям RS-232. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования - 14 июня 2002 года).
Принцип действия
Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же - 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.
Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка», но и соединение «точка-многоточка»
Особенности
В настоящее время технология Bluetooth представлена различными версиями (от 1.1 до 4.х) и скоростными диапазонами (1…5 Мбит/с). Причем достижение высоких скоростей последних версий стало возможным не за счет архитектуры построения беспроводной «ad-hoc» сети, а за счет функции «colocation» (две в одном устройстве), реализуемой совместно с другими технологиями, например, совместно с или UWB.
Если говорить о преимуществах Bluetooth, то, прежде всего, следует отметить ее как высокоскоростную технологию, которую можно смело поставить в ряд с UWB или Wi-Fi. К ее недостаткам, скорее, можно отнести энергоемкость (по сравнению, например, с технологией ). Поэтому основная проблема, которая решалась на протяжении последних лет и решается в настоящее время в последних версиях Bluetooth, заключается в увеличении срока службы автономных источников электропитания. Вопросы по созданию технологии Bluetooth в качестве энергосберегающей решаются в т.ч. за счет специальных алгоритмов работы радиопередающих устройств, которые включаются в сеть лишь на момент пересылки данных (версии 4.0.)
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) в 1998 г. В нее вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии группа Bluetooth SIG и организация IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1.
Радиосвязь Bluetooth осуществляется в безлицензионном ISM-диапазоне (2,4…2,4835 ГГц) со скоростями 1 Мбит/с (версия 1.2); 3 Мбит/с (версия 2.0); 24 Мбит/с (версия 3.0).
В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS. Метод FHSS прост и устойчив к помехам, а радиоустройства в основном недорогие.
Начиная с версии 1.2, были добавлены возможности адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что частично решило проблемы сосуществования разных систем в одном частотном диапазоне. Топологии сети: slave, точка-точка; master-slave, точка-Piconet; multi-masters, Scatternet.
Самоорганизующиеся сети на основе Bluetooth
Беспроводная сеть Bluetooth в классическом понимании - это беспроводная одноранговая динамическая сеть с переменным количеством мобильных узлов типа Piconet или Scatternet с децентрализованным управлением, которая может быть развернута в ограниченном пространстве (с количеством узлов до 80). Для организации беспроводной сенсорной сети необходима общая точка доступа в качестве центрального узла управления сетью и обработки информации.
Самоорганизующиеся сети на основе Bluetooth 3.0 состоят из ведущих и ведомых устройств (эти роли могут совмещаться), способных передавать данные как в синхронном, так и в асинхронном режимах. Синхронный режим передачи предполагает прямую связь между ведущим и ведомым устройствами с закрепленным каналом и временными слотами доступа. Данный режим используется в случае ограниченных по времени передач. Асинхронный режим предполагает обмен данными между ведущим и несколькими ведомыми устройствами с использованием пакетной передачи данных. Используется для организации пикосетей. Одно устройство (как ведущее, так и ведомое) может поддерживать до 3-х синхронных соединений.
В синхронном режиме максимальная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Максимальная скорость передачи в асинхронном режиме составляем 720 кбит/с.
Основной проблемой самоорганизующиихся сетей на основе Bluetooth 3.0 является относительно высокое энергопотребление узлов сети. Для решения этой проблемы в 2010 году в спецификацию ядра Bluetooth 4.0 была интегрирована технология с низким энергопотреблением (Bluetooth LE). Спецификация Bluetooth 4.0 ориентирована на различные мобильные устройства, требующие беспроводного обмена данными.
Спецификация Bluetooth 4.0 имеет жесткое ограничение по топологии сети: единственно возможной топологией является звезда. Такая сеть называется пикосетью (piconet). Одно из устройств в пикосети работает как ведущее, а остальные – подчиненные. Подчиненное устройство может быть одновременно подключено только к одному ведущему устройству. Ведущее устройство инициирует соединение в пикосети. В отличие от спецификации Bluetooth 3.0 для спецификации Bluetooth 4.0 отсутствует воз- можность организации распределенной сети (scatternet), когда ведущее устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой.
При организации сети модуль Bluetooth LE может также выполнять роли запра- шивающего устройства (advertiser) или сканера (scanner). Поскольку имеется возмож- ность программного изменения ролей Bluetooth LE устройства в сети, то появляется возможность ретрансляции сообщения от узла к узлу до достижения требуемого узла в сети. Такой подход реализуется в беспроводной сети датчиков , причем чаще всего направление передачи сообщений в такой сети фиксировано от датчиков к некоторому центральному устройству, накапливающему и анализирующему данные.
В настоящее время наблюдается тенденция к добавлению дополнительных «интеллектуальных» функций различным датчикам и использование технологии Bluetooth для разнообразных мобильных устройств. Возникает задача построения сети для обмена сообщениями между ее отдельными Bluetooth LE узлами, причем все узлы в сети должны быть равноценны (однородная сеть).
Архитектура самоорганизующейся однородной беспроводной сети на базе модулей спецификации Bluetooth 4.0
Сеть Bluetooth LE устройств обычно состоит из нескольких подсетей. В подсеть объединяются устройства, находящиеся в пределах досягаемости, и имеющие одинаковый идентификатор (номер) подсети. Номер подсети назначается для каждого устройства заранее, исходя из предполагаемого территориального размещения конкретного узла.
После включения электропитания Bluetooth LE устройство должно зарегистрироваться в подсети. Для этого устройство должно переключиться в роль запрашивающего устройства и сформировать широковещательный запрос. Находящиеся в пределах досягаемости сканирующие узлы сети принимают пакет от запрашивающего устройства и заносят сведения о нем в таблицу доступных устройств. Тип запроса, номер подсети запрашивающего устройства и его адрес (номер устройства в подсети) определяются по информационной части пакета запроса. После регистрации в подсети устройство переходит в состояние сканирования.
Базовым состоянием любого Bluetooth LE устройства в рассматриваемой сети является состояние сканирования. Последовательность действий для обмена данными между парой Bluetooth LE устройств и смена их ролей представлена на рис. 1.
Внутри подсети сообщение может быть передано непосредственно адресату, либо при плохом уровне RSSI (Receiver Signal Strength Indication) с адресатом – через ретранслятор. Между подсетями сообщения передаются через ретранслятор. Возможность организации предложенной сети проверена на базе модулей BLE 112 Bluegiga. Нашими специалистами проведены исследования максимальной пропускной способности сети, в результате которых установлено, что максимальная пропускная способность составляет около 12 Кбит/с, что значительно меньше чем у альтернативной технологии .
Достоинства сетей на базе Bluetooth:
возможность быстрого развертывания;
сравнительно малое энергопотребление абонентских устройств;
широкий спектр поддерживающих эту технологию устройств.
Недостатки сети:
небольшой радиус действия (радиус действия одного абонентского устройства составляет 0.1 - 100 м);
малые скорости передачи данных (для сравнения: в сетях WiFi этот показатель составляет 11 - 108 Мбит/с);
нехватка частотного ресурса.
Последняя проблема по большей части решена с выходом устройств Bluetooth 3.0 , где используются альтернативные протоколы уровней MAC и физического с целью ускоренной передачи данных профилей Bluetooth (AMP). В частности используются протоколы стандарта 802.11.
Заключение
Исходя из вышеприведенного, можно заключить, что сети на основе Bluetooth применимы лишь в местах большого скопления людей (например, в центрах городов, небольших офисах, магазинах). Например подобная сеть может служить для организации видеонаблюдения на небольшом объекте.
В век современных технологий никого уже не удивишь беспроводными девайсами: мы активно используем Wi-Fi на телефонах и ноутбуках, к компьютерам подключаем беспроводные мыши и клавиатуры, а музыку слушаем через Bluetooth-наушники. И вот тут случается загвоздка - а как выбрать самые лучшие наушники конкретно для ваших девайсов, ведь протоколов передачи звука по BT достаточно много, и далеко не все из них поддерживаются и наушниками, и самим устройством?
История и характеристики стандарта Bluetooth
Но начнем мы, как обычно, в истории создания BT. А создавать его начали, что примечательно, за несколько лет до USB - еще в 1994 году над этим стандартом стала работать компания Ericsson, достаточно известный в то время производитель телекоммуникационного оборудования. Сам стандарт разрабатывался как беспроводная альтернатива проводному подключению по RS-232 (более известному как последовательный порт). Сами спецификации были готовы уже к 1998 году - тогда же была создана группа Bluetooth SIG, куда вместе с Ericsson вошли IBM, Intel, Nokia и Toshiba. В 2002 году Bluetooth стал частью стандарта IEEE 802.15.1 (Wi-Fi, напомню, входит в стандарт IEEE 802.11). На данный момент в группу Bluetooth SIG входит более 18000 компаний, что делает Bluetooth одним из немногих основных стандартов по передаче данных на небольшие расстояния.
Как же работает Bluetooth? Он, как и Wi-Fi и множество других систем, работает в ISM-диапазоне - от 2.4 до 2.4835 ГГц. Разумеется, использование одного диапазона приводит к интерференции (наложению) сигналов - а это, в свою очередь, негативно сказывается на стабильности и скорости работы. С учетом того, что звук нужно передавать всегда в одном качестве без задержек, разработчики стандарта пошли на хитрость. Пожалуй, самой главной проблемой для BT является именно Wi-Fi - таких сетей в диапазоне 2.4 ГГц в каждом доме множество, а всего в этом диапазоне может быть 13 каналов шириной в 22 МГц:
Тут подход прост: и передатчик, и приемник все время использует один достаточно широкий канал. Да, он может перекрываться с другими каналами, что негативно скажется на скорости, но не на стабильности - и это всех устраивает. Bluetooth же использует другой подход: в ISM-диапазоне у него аж 79 каналов (в некоторых странах 23 - но Россия к ним не относится) шириной всего в 1 МГц, а приемник и передатчик с частотой в 1600 раз в секунду меняют канал по заданному алгоритму:
Это сделано специально для того, чтобы сильно уменьшить вероятность наложения сигналов в таком небольшом диапазоне частот. Но интерференцию это не отменяет - небольшие каналы BT вполне могут попасть в большие каналы Wi-Fi, и это приведет к потере скорости, что для качественной передачи звука недопустимо. Поэтому BT использует технологию AFH (Adaptive Frequency Hopping). Ее принцип заключается в том, что при смене каналов Bluetooth игнорируются те каналы, которые попадают в большой канал Wi-Fi:
Так что если вы пользуетесь Bluetooth в одном месте, то в теории никаких проблем с передачей звука нет - из 79 каналов будут выбраны свободные, что обеспечит достаточную скорость. Если вы перемещаетесь, то тут могут возникнуть проблемы - но, с другой стороны, часто вы видели на улице сети Wi-Fi? Так что технологию передачи звука по BT можно считать вполне помехоустойчивой, и осталось разобраться только со стандартами передачи звука по нему.
Bluetooth-профили для передачи звука
Самый первый профиль появился вместе со стандартом Bluetooth 1.2 больше 15 лет назад - уже тогда разработчикам стандарта пришло в голову, что беспроводной звук - это здорово. Увы, сам стандарт, называемый HSP - Headset Profile - для прослушивания музыки подходил слабо: передача звука шла в моно-формате с битрейтом до 64 кб/с. Этого более чем хватало для работы гарнитур - для них этот профиль, в общем-то, и был создан - но музыка, переданная в таком формате, звучала гораздо хуже самого криво пожатого 128 кб/с mp3, воспроизводимого через динамик тогдашних телефонов.
Следующий профиль назывался HFP (Hands-Free Profile), и, как понятно по названию, он опять же предназначался для гарнитур - все тот же монозвук с низким качеством. Из улучшений - более продвинутая работа: к примеру, при звонке можно было передавать звук с телефона на колонки машины, и использовать для ответа микрофон в машине. Но нас интересует именно передача музыки, и для нее этот профиль по понятным причинам категорически не подходит.
Первым профилем, предназначенным именно для передачи стереозвука, стал A2DP - Advanced Audio Distribution Profile. Именно в нем появилась функция опроса подключаемых к устройству наушников, дабы найти общий для них кодек, и, что самое главное - именно в этом профиле появилась возможность управлять сжатием аудио: увы, избежать сжатия нельзя из-за невысокой пропускной способности Bluetooth, но вот само сжатие сильно зависит от используемых кодеков и версии BT, так что итоговое качество звука может сильно варьироваться.
Кодек SBC - жмет хуже MP3, но в стерео
Если сказано, что ваши беспроводные колонки или наушники поддерживают A2DP и ни слова больше - то, скорее всего, будет использоваться для сжатия именно кодек SBC (Subband Coding). Сам принцип кодирования схож с MP3, однако тут упор идет не на минимизацию звуковых потерь, а на упрощение вычислений, дабы даже на слабых мобильных процессорах сжатие происходило очень быстро. Поэтому, к примеру, полностью отрезаются частоты выше 14 кГц. Поэтому, хоть SBC и допускает битрейт до 345 кб/с, MP3 в 320 кб/с будет звучать существенно лучше - достаточно просто посмотреть на спектры:
Как видно, лучше всего звук передает AptX (о нем ниже), далее идет MP3, ну и SBC на последнем месте.
AAC - единственный хороший кодек для iPhone
SBC - это стандартный кодек A2DP-профиля, и, разумеется, он далеко не единственный - есть и более продвинутые средства сжатия звука. И самый популярный среди них - кодек AAC (Advanced Audio Coding). Он же, к слову, самый лучший, если вы хотите использовать беспроводные наушники с iPhone, так что если у вас именно он - ищите наушники с его поддержкой (а таковых достаточно много). Да и вообще формат AAC используется больше всего именно в Apple - к примеру, все песни в iTunes или Apple Music используют именно его.
Изначально AAC разрабатывался как преемник MP3 - он дает лучшее качество звука при том же битрейте за счет нескольких оптимизаций: к примеру, удаляются не воспринимаемые человеком частоты, удаляется избыточность в кодированном сигнале, используется более широкое окно в 2048 точек (что такое окна можно почитать ) и так далее. Так что в итоге такой кодек работает существенно лучше SBC и вполне подходит для повседневного прослушивания музыки по Bluetooth - главное, чтобы его поддерживали как наушники, так и само устройство - иначе будет использоваться стандартный кодек SBC с печальными последствиями для звука.
aptX - оптимальный выбор для любителей хорошего звука
Это - один из немногих кодеков, который может передавать по BT звук в MP3 и AAC без дополнительной обработки - а, значит, и без влияния на качество звука. Двухканальный звук тут передается с битрейтом до 352 кб/с, и, разумеется, никакие частоты не обрезаются: используется частотный диапазон от 10 Гц до 22 кГц, чего более чем хватает для человеческого уха.
В 2009 году появилась более продвинутая версия aptX HD, она позволяет передавать звук с битрейтом до 576 кб/с - а этого уже хватает для воспроизведения некоторых Hi-Res-аудио, чем явно будут довольны меломаны.
Однако, увы, у aptX есть одна достаточно серьезная проблема: так как эта технология принадлежит Qualcomm, то и работает она только на устройствах с их Bluetooth-чипами, и именно поэтому поддержки aptX нет и не может быть на iPhone, где за Wi-Fi и BT отвечает чип от Broadcom. Ну и как в случае с AAC - поддерживать aptX должны как само устройство, так и наушники - в противном случае произойдет откат до AAC или SBC.
LDAC - единственный выбор для меломанов
Меломаны, конечно же, скажут - 576 кб/с у aptX HD это здорово, но есть музыка во flac с битрейтом и вдвое выше. И тут на помощь приходит Sony с собственным кодеком, который обеспечивает передачу звука с битрейтом аж в 990 кб/с с частотой дискретизации в 96 кГц - что, в общем-то, обеспечивает более качественное воспроизведение аудио, чем с CD-дисков. И если раньше этот кодек использовался сугубо в устройствах от Sony, то начиная с Android 8.0 он включен в проект AOSP, так что если под ваш смартфон есть прошивка на нем, и у вас есть наушники с поддержкой LDAC, то вы можете насладиться действительно Hi-Res-аудио по Bluetooth.
Итоги
А в итоге мы видим, что звук по Bluetooth развился настолько, что удовлетворит любым пожеланиям: для нетребовательных слушателей с простыми наушниками и музыкой в MP3 с битрейтом в 128 кб/с есть SBC. Для тех, кто привык слушать музыку из iTunes или же MP3 в 320 кб/с, есть AAC и aptX. Ну а для меломанов с музыкой в flac есть aptX HD и LDAC. Однако не забывайте - оба устройства должны поддерживать нужный вам кодек - иначе вы будете слушать flac с кодеком SBC, что явно вам не понравится.