Войти
Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE, в просторечии BLE, ранее продававшийся как Bluetooth Smart ) - это технология беспроводной персональной сети, разработанная и продаваемая Группа особого интереса Bluetooth (Bluetooth SIG) нацелена на новые приложения в сфере здравоохранения, фитнеса, маяков, безопасности и домашних развлечений. Он не зависит от Bluetooth BR / EDR и не совместим, но BR / EDR и LE могут сосуществовать. Первоначальная спецификация была разработана Nokia в 2006 году под названием Wibree, которая была интегрирована в Bluetooth 4.0 в декабре 2009 года как Bluetooth Low Energy.
По сравнению с Classic Bluetooth, Bluetooth Low Energy предназначен для обеспечения значительного снижения энергопотребления и затрат при сохранении аналогичного диапазона связи. Мобильные операционные системы, включая iOS, Android, Windows Phone и BlackBerry, а также macOS, Linux, Windows 8 и Windows 10 изначально поддерживают Bluetooth Low Energy.
Bluetooth Low Energy отличается от предыдущего (часто называемого «классическим») Базовая скорость Bluetooth / увеличенная скорость передачи данных (BR / EDR), но оба протокола могут поддерживаться одним разработчиком. ice: спецификация Bluetooth 4.0 разрешает устройствам реализовывать одну или обе системы LE и BR / EDR.
Bluetooth Low Energy использует те же радиочастоты 2,4 ГГц, что и классический Bluetooth, что позволяет двухрежимным устройствам совместно использовать одну радиоантенну, но использует более простой система модуляции.
Ранее использовавшийся логотип Bluetooth Smart В 2011 году Bluetooth SIG объявил логотип Bluetooth Smart, чтобы уточнить совместимость между новыми устройствами с низким энергопотреблением и другими устройствами Bluetooth.
С появлением в мае 2016 года информации о бренде Bluetooth SIG, Bluetooth SIG начал постепенно отказываться от логотипов и словесных знаков Bluetooth Smart и Bluetooth Smart Ready и вернулся к использованию логотипа и словесного знака Bluetooth нового синего цвета.
Bluetooth SIG определяет ряд рынков для энергосберегающих технологий, особенно в секторах умного дома, здравоохранения, спорта и фитнеса. Указанные преимущества включают:
Ныне несуществующий логотип Wibree В 2001 году исследователи из Nokia определили различные сценарии, которые не учитываются в современных беспроводных технологиях. Компания начала разработку беспроводной технологии, адаптированной к стандарту Bluetooth, которая обеспечила бы более низкое энергопотребление и стоимость, минимизируя ее отличия от технологии Bluetooth. Результаты были опубликованы в 2004 году под названием Bluetooth Low End Extension.
После дальнейшей разработки с партнерами, в частности, Logitech и в рамках европейского проекта MIMOSA, при активном продвижении и поддержке STMicroelectronics с самого начала эта технология была представлена публике в октябре 2006 года под торговой маркой Wibree. После переговоров с членами Bluetooth SIG в июне 2007 года было достигнуто соглашение о включении Wibree в будущую спецификацию Bluetooth в качестве технологии сверхнизкого энергопотребления Bluetooth.
Технология продавалась как Bluetooth Smart и была интегрирована в версию 4.0 стандарта. Базовая спецификация была завершена в начале 2010 года. Первым смартфоном, реализующим спецификацию 4.0, стал iPhone 4S, выпущенный в октябре 2011 года. Ряд других производителей выпустили устройства с низким энергопотреблением Bluetooth в 2012 году.
Bluetooth SIG официально представила Bluetooth 5 16 июня 2016 года во время медиа-мероприятия в Лондоне. Одно изменение с точки зрения маркетинга заключается в том, что номер точки был опущен, поэтому теперь он называется просто Bluetooth 5 (а не Bluetooth 5.0 или 5.0 LE, как для Bluetooth 4.0). Это решение было принято с целью «упростить маркетинг и более эффективно информировать пользователей о преимуществах». С технической стороны, Bluetooth 5 увеличит дальность действия в четыре раза за счет увеличения мощности передачи или кодированного физического уровня, удвоит скорость, используя дополнительную половину символьного времени по сравнению с Bluetooth 4.x, и обеспечит восьмикратное увеличение пропускной способности широковещательной передачи данных. за счет увеличения длины рекламных данных при передаче данных по Bluetooth с низким энергопотреблением по сравнению с Bluetooth 4.x, что может быть важно для приложений IoT, где узлы подключены по всему дому.
Выпущен протокол Bluetooth SIG. Спецификации Mesh Profile и Mesh Model официально представлены 18 июля 2017 года. Спецификация Mesh позволяет использовать Bluetooth Low Energy для связи между многими устройствами для домашней автоматизации, сенсорных сетей и другие приложения.
Заимствуя исходную спецификацию Bluetooth, Bluetooth SIG определяет несколько профилей - спецификации того, как устройство работает в конкретном приложении - для устройства с низким энергопотреблением. Ожидается, что производители внедряют соответствующие спецификации для своих устройств, чтобы гарантировать совместимость. Устройство может содержать реализации нескольких профилей.
Большинство текущих профилей приложений с низким энергопотреблением основаны на общем профиле атрибутов (GATT), общей спецификации для отправки и получения коротких фрагментов данных, известных как атрибуты, по каналу с низким энергопотреблением. Профиль ячеистой сети Bluetooth является исключением из этого правила, поскольку основан на общем профиле доступа (GAP).
Ячеистые профили Bluetooth используют Bluetooth Low Energy для обмениваться данными с другими устройствами Bluetooth Low Energy в сети. Каждое устройство может передавать информацию другим устройствам с низким энергопотреблением Bluetooth, создавая эффект «сетки». Например, выключение света всего здания с помощью одного смартфона.
Существует множество профилей для устройств Bluetooth с низким энергопотреблением в медицинских приложениях. Консорциум Continua Health Alliance продвигает их в сотрудничестве с Bluetooth SIG.
Профили для аксессуаров для спорта и фитнеса включают:
Приложения «Электронный поводок» хорошо подходят для долгое время автономной работы постоянно включенных устройств. Производители устройств iBeacon применяют соответствующие спецификации для своих устройств, чтобы использовать возможности обнаружения приближения, поддерживаемые Apple устройствами iOS.
Соответствующие профили приложений включают:
Компания LE Audio, объявленная в январе 2020 года, позволит протокол для передачи звука и добавления таких функций, как один набор наушников, подключаемых к нескольким источникам звука, или несколько наушников, подключаемых к одному источнику, он также добавит поддержку слуховых аппаратов.
В отличие от стандартного звука Bluetooth он будет предлагать более длинный срок службы батареи.
Начиная с конца 2009 года, ряд производителей анонсировали интегральные схемы Bluetooth Low Energy . Эти ИС обычно используют программный радиомодуль, поэтому обновления спецификации могут быть выполнены посредством обновления прошивки.
Современные мобильные устройства обычно выпускаются с аппаратной и программной поддержкой как классического Bluetooth, так и Bluetooth Low Energy.
Технология Bluetooth Low Energy работает в том же спектральном диапазоне (2,400–2,4835 ГГц диапазон ISM ) как классическая технология Bluetooth, но использует другой набор каналов. Вместо классических семидесяти девяти каналов Bluetooth с частотой 1 МГц в Bluetooth Low Energy имеется сорок каналов по 2 МГц. Внутри канала данные передаются с использованием модуляции гауссова частотного сдвига, аналогичной классической схеме базовой скорости Bluetooth. Скорость передачи данных составляет 1 Мбит / с (с опцией 2 Мбит / с в Bluetooth 5), а максимальная мощность передачи составляет 10 мВт (100 мВт в Bluetooth 5). Дополнительные сведения приведены в томе 6, часть A (спецификация физического уровня) базовой спецификации Bluetooth V4.0..
Bluetooth Low Energy использует скачкообразную перестройку частоты для противодействия проблемам узкополосных помех. Классический Bluetooth также использует скачкообразную перестройку частоты, но детали другие; в результате, хотя и FCC, и ETSI классифицируют технологию Bluetooth как схему FHSS, Bluetooth Low Energy классифицируется как система, использующая методы цифровой модуляции или расширенный спектр прямой последовательности.
| Технические характеристики | Технология Bluetooth Basic / Enhanced Data Rate | Технология Bluetooth Low Energy |
|---|---|---|
| Расстояние / диапазон (теоретический макс.) | 100 м (330 футов) | <100 m (<330 ft) |
| Скорость передачи данных по воздуху | 1–3 Мбит / с | 125 кбит / с - 500 кбит / с - 1 Мбит / с - 2 Мбит / с |
| Пропускная способность приложения | 0,7–2,1 Мбит / с | 0,27–1,37 Мбит / с |
| Активные ведомые устройства | 7 | Не определено; зависит от реализации |
| Безопасность | 56/128-битный и прикладной уровень определяется пользователем | 128-бит AES в режиме CCM и прикладном уровне определяется пользователем |
| Надежность | Адаптивная быстрая скачкообразная перестройка частоты, FEC, быстрая ACK | Адаптивная скачкообразная перестройка частоты, отложенное подтверждение, 24-битная CRC, 32-битная целостность сообщения Установите флажок |
| Задержка (из неподключенного состояния) | Обычно 100 мс | 6 мс |
| Минимальное общее время для отправки данных (дет. Срок службы батареи) | 0,625 мс | 3 мс |
| Поддержка голоса | Да | Нет |
| Топология сети | Scatternet | Scatternet |
| Потребляемая мощность | 1 Вт в качестве эталона | 0,01–0,50 Вт (в зависимости от варианта использования) |
| Пиковое потребление тока | <30 mA | <15 mA |
| Обнаружение службы | Да | Да |
| Концепция профиля | Да | Да |
| Основные варианты использования | Мобильные телефоны, игры, гарнитуры, потоковая передача стереозвука, умные дома, носимые устройства, автомобили, ПК, безопасность, близость, здравоохранение, спорт и фитнес и т. д. | Мобильные телефоны, игры, умные дома, носимые устройства, автомобили, ПК, безопасность, приближение, здравоохранение, спорт и фитнес, промышленность и т. д. |
Дополнительные технические детали могут быть получено из официальной спецификации, опубликованной Bluetooth SIG. Обратите внимание, что энергопотребление не является частью спецификации Bluetooth.
Устройства BLE обнаруживаются посредством процедуры, основанной на широковещательной рассылке рекламных пакетов. Это делается с использованием 3 отдельных каналов (частот), чтобы уменьшить помехи. Рекламное устройство отправляет пакет по крайней мере по одному из этих трех каналов с периодом повторения, называемым интервалом рекламы. Для уменьшения вероятности нескольких последовательных коллизий к каждому рекламному интервалу добавляется случайная задержка до 10 миллисекунд. Сканер прослушивает канал в течение периода, называемого окном сканирования, которое периодически повторяется через каждый интервал сканирования.
Таким образом, задержка обнаружения определяется вероятностным процессом и зависит от трех параметров (а именно, интервала объявления, интервала сканирования и окна сканирования). Схема обнаружения BLE использует метод на основе периодических интервалов, для которого верхние границы задержки обнаружения могут быть выведены для большинства параметризаций. Хотя задержки обнаружения BLE могут быть аппроксимированы моделями для чисто периодических протоколов на основе интервалов, случайная задержка, добавляемая к каждому рекламному интервалу и трехканальному обнаружению, может вызвать отклонения от этих прогнозов или потенциально привести к неограниченным задержкам для определенных параметризаций.
Все устройства Bluetooth с низким энергопотреблением используют общий профиль атрибутов (GATT). Интерфейс прикладного программирования, предлагаемый операционной системой с низким энергопотреблением Bluetooth, обычно основан на концепциях GATT. GATT имеет следующую терминологию:
Некоторые служебные и характеристические значения используются в административных целях - например, название модели и серийный номер могут считываться как стандартные характеристики в рамках службы общего доступа. Услуги могут также включать в себя другие услуги в качестве подфункций; основные функции устройства - это так называемые первичные службы, а вспомогательные функции, к которым они относятся, - вторичные службы.
Услуги, характеристики и дескрипторы вместе называются атрибутами и идентифицируются UUID. Любой разработчик может выбрать случайный или псевдослучайный UUID для проприетарного использования, но Bluetooth SIG зарезервировал диапазон UUID (в форме xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB) для стандартных атрибутов. Для эффективности эти идентификаторы представлены в протоколе как 16-битные или 32-битные значения, а не как 128 бит, требуемых для полного UUID. Например, служба информации об устройстве имеет короткий код 0x180A, а не 0000180A-0000-1000 -.... Полный список находится в онлайн-документе Назначенные номера Bluetooth.
Протокол GATT предоставляет клиенту ряд команд для обнаружения информации о сервере. К ним относятся:
Также предусмотрены команды для чтения (передача данных от сервера к клиенту) и записи (от клиента к server) значения характеристик:
Наконец, GATT предлагает уведомления и индикации. Клиент может запросить у сервера уведомление о конкретной характеристике. Затем сервер может отправить значение клиенту, когда оно станет доступным. Например, сервер датчиков температуры может уведомлять своего клиента каждый раз, когда он выполняет измерение. Это избавляет клиента от необходимости опрашивать сервер, что потребовало бы постоянной работы радиосхем сервера.
Индикация аналогична уведомлению, за исключением того, что она требует ответа от клиента в качестве подтверждения того, что он получил сообщение.
Профили энергопотребления чипсета Bluetooth Low Energy с различными параметрами конфигурации в соответствии с «Автостопом» по оборудованию iBeacon от Aislelabs. Bluetooth Low Energy разработан для того, чтобы устройства имели очень низкое энергопотребление потребление. Несколько производителей микросхем, включая Cambridge Silicon Radio, Dialog Semiconductor, Nordic Semiconductor, STMicroelectronics, Cypress Semiconductor, Silicon Labs и Texas Instruments представили к 2014 году наборы микросхем, оптимизированные для Bluetooth с низким энергопотреблением. Устройства с периферийной и центральной ролью имеют разные требования к питанию. Исследование, проведенное компанией по разработке программного обеспечения для маяков Aislelabs, показало, что периферийные устройства, такие как бесконтактные маяки, обычно работают в течение 1-2 лет, питаясь от плоской батареи емкостью 1000 мАч. Это возможно благодаря энергоэффективности протокола Bluetooth Low Energy, который передает только небольшие пакеты, по сравнению с Bluetooth Classic, который также подходит для аудио и данных с высокой пропускной способностью.
Напротив, непрерывное сканирование тех же маяков в центральной роли может потреблять 1000 мАч за несколько часов. Устройства Android и iOS также по-разному влияют на аккумулятор в зависимости от типа сканирования и количества устройств Bluetooth Low Energy в непосредственной близости. Благодаря новым чипсетам и достижениям в программном обеспечении к 2014 году телефоны Android и iOS имели незначительное энергопотребление при реальном использовании Bluetooth с низким энергопотреблением.
Bluetooth 5 представил новый режим передачи с удвоенной символьной скоростью . Bluetooth LE традиционно передает 1 бит на символ, так что теоретически скорость передачи данных также удваивается. Однако новый режим удваивает полосу пропускания с примерно 1 МГц до примерно 2 МГц, что создает больше помех в краевых областях. Разделение полосы частот ISM не изменилось, и все еще 40 каналов разнесены на расстоянии 2 МГц. Это существенное отличие от Bluetooth 2 EDR, который также удвоил скорость передачи данных, но делает это за счет использования фазовой модуляции π / 4-DQPSK или 8-DPSK на канале 1 МГц, в то время как Bluetooth 5 продолжает работать. использовать только частотную манипуляцию.
Традиционная передача 1 Мбит на базовой скорости Bluetooth была переименована в 1M PHY в Bluetooth 5. Новый режим с удвоенной скоростью передачи символов был представлен как 2M PHY. В Bluetooth с низким энергопотреблением каждая передача начинается на 1M PHY, оставляя приложению инициировать переключение на 2M PHY. В этом случае и отправитель, и получатель переключатся на 2M PHY для передачи. Это разработано для облегчения обновления прошивки, когда приложение может вернуться к традиционному PHY 1M в случае ошибок. На самом деле целевое устройство должно быть близко к программной станции (на расстоянии нескольких метров).
Bluetooth 5 представил два новых режима с более низкой скоростью передачи данных. Символьная скорость нового «Кодированного PHY» такая же, как и базовая скорость 1M PHY, но в режиме S = 2 на бит данных передается два символа. В режиме S = 2 используется только простое отображение шаблона P = 1, которое просто создает один и тот же бит заполнения для каждого бита входных данных. В режиме S = 8 имеется восемь символов на бит данных с отображением шаблона P = 4, создающим контрастные последовательности символов - бит 0 кодируется как двоичный 0011, а бит 1 кодируется как двоичный 1100. В режиме S = 2 используется P = 1 диапазон увеличивается примерно вдвое, тогда как в режиме S = 8 с использованием P = 4 он увеличивается в четыре раза.
Передачи «LE-кодированные» не только изменили схему исправления ошибок, но и используют принципиально новый формат пакета. Каждый пакет «LE-кодированный» состоит из трех блоков. Блок переключения («расширенная преамбула») передается на LE 1M PHY, но он состоит только из 10-кратного двоичного шаблона '00111100'. Эти 80 бит не кодируются как обычно с помощью FEC, а отправляются непосредственно в радиоканал. За ним следует блок заголовка ("FEC Block 1"), который всегда передается в режиме S = 8. Блок заголовка содержит только адрес назначения («Адрес доступа» / 32 бита) и флаг кодирования («Индикатор кодирования» / 2 бита). Индикатор кодирования определяет отображение шаблона, используемое для следующего блока полезной нагрузки («Блок FEC 2»), где возможно S = 2.
Новый формат пакета Bluetooth 5 позволяет передавать от 2 до 256 байтов в качестве полезная нагрузка за один раз. Это намного больше, чем максимум 31 байт в Bluetooth 4. Наряду с измерениями дальности это должно позволить выполнять функции локализации. В целом четырехкратный диапазон - при той же мощности передачи - достигается за счет более низких данных, составляющих одну восьмую при 125 кбит. Старый формат пакета передачи, который по-прежнему используется в режимах 1M PHY и 2M PHY, получил название «Uncoded» в Bluetooth 5. Промежуточный режим «LE Coded» S = 2 допускает скорость передачи данных 500 кбит в полезная нагрузка, которая выгодна как для более коротких задержек, так и для более низкого энергопотребления, поскольку само время пакета меньше.
