Bluetooth 5 i Nowsze | Teleinf Edu

Bluetooth 5 i rozszerzone możliwości LE

Wprowadzenie Bluetooth 4.0 i jego wariantu Low Energy (LE) umożliwiło rozwój nowej generacji małych, zasilanych bateryjnie urządzeń. W miarę dojrzewania Internetu Rzeczy (IoT) ograniczenia wczesnych standardów Bluetooth LE stawały się coraz bardziej widoczne. Model "osobistej sieci" nie obejmował połączonych domów, inteligentnych miast i rozległych sieci czujników przemysłowych.

Trzy praktyczne ograniczenia wyznaczały kolejny etap rozwoju. Po pierwsze, zasięg mógł ograniczać zastosowania poza pomieszczeniem lub budynkiem. Referencyjne 10 metrów wystarcza do połączenia słuchawek z telefonem w kieszeni, lecz nie wystarcza inteligentnemu zamkowi na furtce ogrodowej, który musi komunikować się z centralą w domu, ani czujnikom środowiskowym rozproszonym na polu uprawnym. Po drugie, szybkość transmisji danych, choć energooszczędna, była zbyt niska dla części zadań. Aktualizacje oprogramowania układowego (Over-the-Air, OTA) dla całej floty urządzeń mogły trwać niepraktycznie długo przy prędkości 1 Mbps. Po trzecie, możliwości ogłoszeniowe, ważne dla LE, były ograniczone. Mały, 31-bajtowy ładunek pakietów ogłoszeniowych był zbyt restrykcyjny dla bardziej zaawansowanych zastosowań "beaconów" lub do rozgłaszania bogatszych danych z czujników bez nawiązywania formalnego połączenia.

W odpowiedzi na te potrzeby Bluetooth Special Interest Group (SIG) przyjęła specyfikację Bluetooth 5 6 grudnia 2016 roku. Rozszerzyła ona możliwości Bluetooth Low Energy przez trzy funkcje, często podsumowywane jako "2x większa prędkość, 4x większy zasięg, 8x więcej danych". Ten skrót odnosi się do określonych porównań funkcji LE i nie gwarantuje tych parametrów w każdym urządzeniu. Ulepszenia rozszerzyły zastosowania Bluetooth LE od łączności osobistej po automatykę domu i śledzenie zasobów na skalę przemysłową.

Pierwszy Filar: 2x Większa Prędkość (LE 2M PHY)

Jedną z głównych zmian Bluetooth 5 było podwojenie nominalnej szybkości PHY dla połączeń Low Energy. Osiągnięto to poprzez wprowadzenie nowej, opcjonalnej o nazwie LE 2M PHY.

Jak To Działa? Ulepszenie GFSK

Podwojenie szybkości PHY bez dużego wzrostu zużycia energii wymagało zmiany parametrów transmisji. Bluetooth 5 zachował ten sam schemat modulacji, którym pozostaje . LE 1M PHY używa szybkości symbolowej 1 Msym/s, natomiast opcjonalny LE 2M PHY używa 2 Msym/s. Zmiana szybkości symbolowej prowadzi do nominalnej stawki PHY 2 Mbps. Samo zwiększenie dewiacji nie wystarczyłoby do uzyskania tej stawki.

Standardowa warstwa LE 1M PHY używa szybkości symbolowej 1 Msym/s. Każdy symbol przenosi jeden bit przed uwzględnieniem narzutów protokołu i retransmisji.
Opcjonalna warstwa LE 2M PHY używa szybkości symbolowej 2 Msym/s i nominalnej stawki PHY $2 \text{ Mbps}$ . Szybkość danych aplikacji pozostaje mniejsza z powodu nagłówków, odstępów, potwierdzeń i warunków łącza.

Wartości referencyjne Bluetooth SIG podają przybliżoną maksymalną szybkość aplikacji około 800 kb/s dla LE 1M i 1400 kb/s dla LE 2M. Są to referencyjne szybkości aplikacji odrębne od stawek PHY. Rzeczywista przepływność zależy od rozmiaru pakietu, retransmisji, harmonogramowania i implementacji.

Kompromis: Prędkość kontra Zasięg

Wyższa szybkość LE 2M PHY wiąże się z mniejszym budżetem łącza niż LE 1M. Odbiornik może potrzebować silniejszego sygnału, aby niezawodnie zdekodować dane. Materiały SIG opisują dla typowego porównania około 80 procent zasięgu LE 1M, lecz wynik zależy od mocy, czułości, anten i środowiska.

Praktyczne Zastosowania LE 2M PHY

Tryb 2 Mbps jest przeznaczony do zastosowań, w których trzeba szybko przesłać duże ilości danych, a urządzenia znajdują się stosunkowo blisko siebie. Kluczowe przypadki użycia to:

Szybsze Aktualizacje Oprogramowania Układowego (OTA): Dla firmy zarządzającej tysiącami wdrożonych czujników IoT aktualizacja ich oprogramowania przy użyciu LE 1M mogłaby trwać długo. W idealnym przypadku podwojenie stawki PHY skraca część radiową transferu w przybliżeniu o połowę, lecz całkowity czas zależy od narzutów, retransmisji i pamięci urządzenia.
Gromadzenie Bogatych Danych: Urządzenia medyczne, takie jak monitor elektrokardiogramu (EKG), lub zaawansowane czujniki sportowe mogą zbierać duże ilości danych. Warstwa 2M PHY może szybciej przesłać te dane do smartfona lub bramy, jeśli oba urządzenia ją obsługują, co może skrócić czas aktywności czujnika.
Ulepszone Urządzenia Noszone: Smartwatche i zaawansowane opaski fitness mogą szybciej synchronizować większe pliki, takie jak dzienniki treningów, playlisty muzyczne, a nawet obrazy o niskiej rozdzielczości, z aplikacją towarzyszącą.

Drugi Filar: 4x Większy Zasięg (LE Coded PHY)

Ważną cechą Bluetooth 5 była możliwość zwiększenia zasięgu komunikacji urządzeń LE. Osiągnięto to przez wprowadzenie warstwy fizycznej LE Coded PHY. Funkcja ta może rozszerzyć zasięg w domu lub na zewnątrz, a wynik wyznaczają budżet łącza, anteny, moc i przeszkody. Stała wartość 10 metrów nie opisuje tej funkcji.

Jak to działa: kodowanie i redundancja

Zwiększenie zasięgu nie wymaga zwiększania mocy nadajnika. LE Coded PHY czyni sygnał bardziej odpornym na szum i wykorzystuje techniki z teorii kodowania, aby dodać redundancję do wysyłanych danych.

Korekcja Błędów w Przód (FEC): Podstawową zasadą jest . Przed transmisją każdy bit danych użytkownika przechodzi przez koder, który generuje wzorzec składający się z wielu bitów. To dodaje redundancję.
Dwa Schematy Kodowania (S=2 i S=8): Warstwa LE Coded PHY oferuje dwa poziomy kodowania.
- Kodowanie S=2: Każdy bit danych wejściowych jest mapowany na 2-bitowy wzorzec symboli. Tryb ten podwaja czas na antenie, ale znacznie poprawia odporność.
- Kodowanie S=8: Dla maksymalnego zasięgu, każdy bit danych wejściowych jest mapowany na 8-bitowy wzorzec symboli. To znacznie zwiększa redundancję.
Korekcja Błędów w Odbiorniku: Odbiornik zna prawidłowe wzorce kodowania. Nawet jeśli niektóre z transmitowanych bitów zostaną uszkodzone przez szum na dużej odległości, odbiornik często może użyć nadmiarowych informacji we wzorcu, aby poprawnie zrekonstruować oryginalny bit.

Kompromis: Zasięg kontra Prędkość

Zysk w zasięgu ma koszt w postaci szybkości transmisji danych. Ponieważ każdy bit danych jest reprezentowany przez wiele symboli w eterze, stawka PHY i przepływność aplikacji są mniejsze.

Przy kodowaniu S=2 stawka protokołu spada z 1 Mbps do około $500 \text{ kbps}$ , a przybliżona szybkość danych aplikacji wynosi około 400 kb/s.
Przy kodowaniu S=8 stawka spada jeszcze bardziej, do $125 \text{ kbps}$ , a przybliżona szybkość aplikacji wynosi około 100 kb/s. Jest to wariant opisywany przez SIG jako zapewniający około 4-krotny referencyjny zasięg względem LE 1M PHY.

Praktyczne Zastosowania LE Coded PHY

Tryb dalekiego zasięgu wspiera dodatkowe zastosowania Bluetooth w instalacjach IoT:

Inteligentny Dom i Automatyka Budynkowa: Urządzenia takie jak inteligentne zamki do drzwi, czujniki okien, czujniki dymu i systemy nawadniania ogrodu mogą komunikować się z centralną jednostką z większej odległości, jeśli zapewniono odpowiedni budżet łącza i rozmieszczenie bramy.
Przemysłowe Śledzenie Zasobów: W dużym magazynie lub fabryce tagi Bluetooth przymocowane do narzędzi, palet czy sprzętu mogą być śledzone przez rozmieszczone bramy, zależnie od propagacji.
Rolnictwo: Czujniki środowiskowe monitorujące wilgotność gleby lub temperaturę mogą być rozproszone na polu i raportować do bramy, gdy zasięg i ukształtowanie terenu na to pozwalają.
Inteligentne Miasta: Zastosowania takie jak inteligentne czujniki parkowania czy sterowniki oświetlenia mogą obejmować szerszy obszar, a liczba potrzebnych bramek zależy od planu radiowego i środowiska.

Trzeci Filar: 8x Większa Pojemność Ogłoszeniowa (Rozszerzenia Ogłoszeniowe)

Jednym z głównych ulepszeń Bluetooth 5 był nowy mechanizm rozszerzonego ogłaszania. W Bluetooth 4.x ogłaszanie było ograniczone do małego, 31-bajtowego ładunku rozgłaszanego na trzech kanałach podstawowych. Ograniczało to potencjał aplikacji bezpołączeniowych. Bluetooth 5 wprowadził , które zmieniły sposób, w jaki urządzenia rozgłaszają informacje.

Jak Działają Rozszerzenia Ogłoszeniowe: Odciążanie Ruchu

Nowy mechanizm wykorzystuje dwuetapową procedurę, aby odciążyć podstawowe kanały ogłoszeniowe i przesyłać więcej danych:

Pierwotne Ogłaszanie na Kanałach Podstawowych: Urządzenie wciąż wysyła bardzo krótki pakiet ogłoszeniowy na jednym lub więcej z trzech podstawowych kanałów ogłoszeniowych (37, 38, 39). Jednakże pakiet ten nie musi już zawierać głównego ładunku danych. Zamiast tego zawiera prosty wskaźnik, informujący skanujące urządzenie, na którym kanale danych nasłuchiwać i o której godzinie, aby znaleźć resztę informacji.
Wtórne Ogłaszanie na Kanałach Danych: Główny, większy ładunek ogłoszeniowy jest następnie transmitowany na jednym z 37 kanałów danych o czasie określonym przez pierwotne ogłoszenie. To odciążenie głównego pakietu danych z kanałów ogłoszeniowych zmniejsza zatłoczenie i prawdopodobieństwo kolizji.

Korzyści Nowego Podejścia

Ta architektura ogłoszeniowa zwiększa dostępne pole danych hosta:

Większy Ładunek: PDU rozszerzonego ogłaszania może przenosić do 255 oktetów. Po nagłówku rozszerzonym pole danych ogłaszania hosta ma do 254 bajtów. Nagłówki oraz obecny AuxPtr zajmują część budżetu pakietu.
Łączenie Pakietów: Wiele pakietów rozszerzeń ogłoszeniowych może być logicznie połączonych w łańcuch. Pozwala to urządzeniu na rozgłaszanie strumienia danych większego niż 254 bajty, do około 1650 bajtów danych hosta z fragmentacją, bez nawiązywania połączenia.
Poprawiona Koegzystencja:Przenosząc duże transmisje danych na 37 kanałów danych, 3 krytyczne kanały ogłoszeniowe pozostają mniej obciążone, co może ułatwić odkrywanie urządzeń i inicjowanie połączeń. Wspiera to metrykę "8x więcej danych" rozumianą jako porównanie możliwości ogłaszania, nie jako gwarantowaną przepływność.

Praktyczne Zastosowania Rozszerzeń Ogłoszeniowych

Zaawansowane Beacony: Sklepy detaliczne mogą używać beaconów do rozgłaszania prostego identyfikatora wraz ze szczegółowymi informacjami o produkcie, ofertami promocyjnymi lub adresem URL, który smartfon może wykorzystać do otwarcia konkretnej strony internetowej.
Bezpołączeniowe Sieci Czujników: Czujnik środowiskowy może teraz rozgłaszać odczyty temperatury, wilgotności i ciśnienia bezpośrednio w swoich pakietach ogłoszeniowych. Brama może po prostu nasłuchiwać tych rozgłoszeń bez konieczności nawiązywania energochłonnego połączenia z każdym czujnikiem indywidualnie.
Element ekosystemu LE Audio: Rozszerzone ogłaszanie może przenosić informacje potrzebne do odkrywania strumieni audio, lecz LE Audio i Auracast wymagają także późniejszych funkcji Core, kanałów izochronicznych oraz właściwych profili. Źródło dźwięku, takie jak telewizor w poczekalni na lotnisku, może wtedy nadawać do wielu odbiorników, a liczba słuchawek zależy od implementacji.

Dalsze Ulepszenia i Kompatybilność Wsteczna

Poza zmianami szybkości, zasięgu i pojemności ramek reklamowych rodzina Bluetooth Core 5 obejmuje wydania 5.0 (6 grudnia 2016), 5.1 (21 stycznia 2019), 5.2 (31 grudnia 2019), 5.3 (13 lipca 2021) i 5.4 (31 stycznia 2023). Core 5.0 dodał Channel Selection Algorithm #2 oraz opisane tutaj funkcje PHY LE i ogłaszania, 5.1 dodał Direction Finding, 5.2 dodał kanały izochroniczne używane przez LE Audio, 5.3 dodał kontrolę rozmiaru klucza szyfrującego i Connection Subrating, a 5.4 dodał Periodic Advertising with Responses. Direction Finding udostępnia pomiary kąta nadejścia lub odejścia sygnału, lecz nie wyznacza samodzielnie pozycji. Dokładność systemu lokalizacyjnego zależy od macierzy antenowej, geometrii punktów odniesienia, propagacji i algorytmu obliczeniowego.

Trzy filary, 2M PHY, Coded PHY i Rozszerzenia Ogłoszeniowe, dotyczą radia Bluetooth Low Energy. Core 5.0 zawiera także zmianę BR/EDR Slot Availability Mask, dlatego opis całkowitego braku zmian w radiu Classic byłby zbyt szeroki. W przypadku funkcji połączeniowej oba końce muszą obsługiwać funkcję i odpowiednią procedurę. Ogłaszanie rozgłoszeniowe wykorzystuje role nadawcy i obserwatora, więc obserwator może odebrać zgodne ogłoszenie bez ustanawiania połączenia. Smartfon z Bluetooth 5 może połączyć się ze starszą opaską fitness z Bluetooth 4.2, ale wspólny zestaw funkcji będzie ograniczony. Gdy urządzenia mają zgodną obsługę PHY, kontroler i host mogą negocjować 1M, 2M lub Coded zgodnie z warunkami łącza i preferencjami aplikacji.