Автор: Стивен Кипинг
Можно только восхищаться гибкостью разработчиков популярной беспроводной технологии Bluetooth, работающей на частоте 2.4 ГГц. Улучшения в последней спецификации стандарта, санкционированные Bluetooth Special Interest Group (SIG), позволили технологии развиваться в направлениях, которые разработчики когда-то вряд ли могли себе представить. По мнению аналитика из IHS, эта комбинация предвидения и небольшой удачи привела к значительному коммерческому успеху и уже в текущем году позволит продемонстрировать рост числа ежегодных поставок устройств с Bluetooth до трех миллиардов.
Последняя спецификация Bluetooth 5, которая отбросила сложное именование версий «x.y» в пользу броского ярлыка, привлекательного для потребителей, была принята в разгаре маркетинговой шумихи в декабре 2016 года. Внесенные в нее изменения продолжают недавнюю стратегию SIG по закреплению Bluetooth как важного компонента Интернета вещей (IoT). Это вполне обоснованная стратегия, учитывая, что, согласно International Data Corporation (IDC), к 2025 году с помощью беспроводной связи 80 миллиардов подключенных «вещей» будут собирать и отправлять данные по сети.
Истоки Bluetooth в портативных беспроводных устройствах
В середине 1990-х годов инженерам компании Ericsson Свену Маттиссону и Яапу Хаартэну было поручено реализовать низкоскоростную радиосвязь с малым радиусом действия, чтобы обеспечить обмен информацией между мобильными телефонами, не прибегая к проводным соединениям. Ericsson призвал другие компании, в том числе Nokia, IBM и Toshiba присоединиться к этой инициативе, которая к тому времени стала открытым стандартом, работающим в нелицензируемом диапазоне 2.4 ГГц.
Стандарт Bluetooth, название которого происходит от имени древнего скандинавского короля, был принят в 1998 году. Возможно, первые ожидания, связанные с протоколом, были слишком завышены. Производительность Bluetooth версии 1.0 несколько разочаровывала. В идеальных условиях пропускная способность составляла около 700 Кбит/с, но в реальных она часто была значительно меньше. В дополнение к этому у производителей возникали проблемы с совместимостью устройств.
Преимущества Bluetooth перед открытыми стандартами и другими технологиями
Сосредоточение внимания на этих «ранних детских болезнях» уводит нас от основной идеи. Использование открытого стандарта для беспроводной радиосвязи 2.4 ГГц было, без сомнения, настоящим подвигом, проложившим путь, по которому до сих пор идут многие. В последующих версиях стандарт получил расширенную полосу пропускания и, что самое главное, адаптивную перестройку частоты (Adaptive Frequency Hopping, AFH), которая позволила радиотрансиверам непрерывно и случайным образом использовать 79 каналов шириной 1 МГц, чтобы избежать радиочастотных помех от других устройств, использующих нелицензируемый диапазон 2.4 ГГц.
Развитие Bluetooth шло довольно успешно в основном за счет интеграции в мобильные телефоны. Большая часть появлявшихся улучшений была направлена на то, чтобы сделать телефон центральным устройством так называемых персональных сетей, соединяющих телефоны с гарнитурами, персональными цифровыми помощниками (до того, как смартфоны уничтожили эту категорию продуктов) и со многими другими, как предполагалось в начале развития стандарта.
После некоторой доработки фирменных стеков для оптимизации производительности с учетом требований конкретных приложений Bluetooth в конце концов нашел применение в автомобилях, ПК, принтерах и наушниках. Такой прогресс был частично обусловлен внедрением Bluetooth 3.0 + HS. В 2009 году это обновление подняло пропускную способность Bluetooth до 3 Мбит/с, а при помощи дополнительного канала 802.11 позволило Bluetooth разгоняться до 24 Мбит/с, что уже было сравнимо со скоростями в Wi-Fi.
Bluetooth Low Energy, повышение совместимости и рост радиуса действия привели к расширению возможностей. Самый большой прорыв в истории Bluetooth связан с Bluetooth 4.0. В отличие от предшественников в этой версии появлялся второй канал связи с легким стеком, который был совместим со «старшим братом».
Bluetooth low energy (BLE) – это дополнительная технология, предназначенная для компактных беспроводных устройств, отправляющих небольшие объемы данных в течение коротких циклов пробуждения с последующим возвращением в спящий режим с ультрамалым потреблением, что позволяет им длительное время работать от батареек небольшой емкости.
Стек BLE устанавливается на телефон, чтобы использовать программное обеспечение и доступ к облачным хранилищам. Загруженные данные могут анализироваться и передаваться по беспроводной сети через двунаправленные каналы связи в датчиках, используемых в широком спектре потребительских товаров, медицинских устройствах, системах сигнализации и так далее. По словам аналитика ABI Research, сейчас охват BLE растет со среднегодовым темпом в 35% и составит около 25% от 3 млрд устройств, которые будут выпущены в следующем году.
После успеха Bluetooth 4.0 в SIG поняли, что у них в руках есть технология, которая востребована не только в области потребительской электроники, но и в IoT-приложениях. Для реализации этого потенциала в версии 4.1 добавили канал, который можно было использовать для IPv6, чтобы позволить датчикам с уникальным IP-адресом подключаться к Интернету без помощи сотового телефона. Затем в версии 4.2 в стек добавили поддержку протокола IPSP (Internet Protocol Support Profile), позволяющего устройствам обнаруживать и обмениваться данными друг с другом, используя пакеты IPv6.
Кроме того, пропускная способность в Bluetooth 4.2 возросла почти в 10 раз, а радиус действия BLE-устройств увеличился в 2.5 раза. Также были добавлены некоторые, пусть и запоздалые, улучшения в области безопасности – это было сделано с целью развеять опасения, что IoT-устройства могут использоваться хакерами в качестве черного хода для взлома сетей Wi-Fi и возможной кражи банковских данных владельцев.
Возможности Bluetooth 5 для IoT и IIoT
В Bluetooth 5 для BLE-устройств добавлена возможность обмена с более высокой скоростью (2 Мбит/с), которая не только радует потребителей более плавной работой, но и удобна для выполнения ускоренного беспроводного обновления ПО. Это необходимо для создания дружественного интерфейса и защиты IoT-датчиков от хакеров.
Для Bluetooth 5 также обещано четырехкратное увеличение радиуса действия по сравнению с версией 4.2 (за счет серьезного снижения пропускной способности, которая падает до 125 кбит/с при увеличении дальности передачи). Это расширяет потенциал применения в область таких приложений как интеллектуальное освещение больших жилых пространств.
Bluetooth 5 также включает в себя стандарт 0.9 для ячеистых mesh-сетей, что позволяет ему конкурировать с такими интеллектуальными домашними и промышленными сетевыми технологиями, как Thread, Zigbee и Z-Wave. В mesh-сетях пакеты передаются от узла к узлу до тех пор, пока не достигнут целевого назначения, при этом система позволяет выполнять самовосстановление и расширение диапазона. Значительный радиус действия Bluetooth 5 позволяет в некоторых домашних приложениях обходиться без mesh-сетей, но в большинстве из них преимущества ячеистой топологии остаются востребованными.
Например, mesh-сеть Bluetooth позволяет смартфону или ПК взаимодействовать со всеми узлами сети без участия концентратора, что уменьшает затраты и упрощает систему. Конкурирующим технологиям для управления сетевой активностью часто требуется концентратор, являющийся достаточно слабым звеном системы. Второй пример в соответствии с терминологией SIG называется «сценой» (“scene”), и относится к случаям, когда одно действие пользователя автоматически запускает другие посредством связи по сети. Например, пользователь прибывает домой и активирует «умный» замок на двери, после чего mesh-сеть Bluetooth может автоматически включить освещение, термостаты и музыкальный проигрыватель.
Наиболее востребованными Bluetooth (и Bluetooth 5) могут стать в приложениях промышленного Интернета вещей Industrial IoT (IIoT). IIoT в будущем скорее всего значительно превысит по распространенности технологии «умного дома». Гибкость mesh-сети Bluetooth такова, что помимо управления освещением, климат-контролем и безопасностью, та же сеть сможет упростить обмен данными между исполнительными устройствами (M2M), проводить мониторинг их работоспособности, отслеживать продукцию, контролировать потребление и так далее. Надежность промышленных mesh-сетей Bluetooth сравнима с их коммерческим аналогом. Скоро мы увидим множество реализаций промышленных и коммерческих mesh-сетей Bluetooth, объединяющих сотни датчиков, развернутых в торговых помещениях, офисах и на производственных площадках.
Что будет дальше? Это вряд ли кто-то знает с точностью кроме некоторых хорошо информированных инсайдеров. Но можно быть уверенными, что SIG продолжит развивать базовую спецификацию, чтобы соответствовать новым тенденциям и приложениям по мере их появления на рынке. День, когда буквально все предметы и вещи – лейкопластырь, пластиковая кофейная чашка, носки, гайки, болты – будут подключены к беспроводным сетям с помощью BLE, не так уж и далек.
Статью подготовил и перевел Гавриков Вячеслав, г. Смоленск,
по материалам журнала «Electronics Information Update», май 2017 г.
