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Entwicklung der drahtlosen Technologie. Was sind die Unterschiede zwischen den Bluetooth-Versionen? Was ist Bluetooth 4?

Kaum eine Technologie wird voraussichtlich häufiger sterben als Bluetooth. Gleichzeitig kann man nicht umhin, die Idee der drahtlosen Kommunikation als durchaus erfolgreich anzuerkennen: Vor mehr als 15 Jahren erschien die Version Bluetooth 1.0 auf dem Markt, und Bluetooth wurde noch nie in so vielen Geräten eingesetzt wie heute Jetzt. Alles dank der Version Bluetooth 4.0, was jetzt allerdings recht langsam erscheint.

Upgrade auf 4.1

Jedes Jahr werden eine Milliarde Bluetooth-Geräte verkauft. Allerdings gibt es noch wenige Gadgets mit Bluetooth 4.1. Derzeit wurde das Huawei TalkBand B1 Smart-Armband angekündigt. Auch viele moderne Chipsätze, etwa im OnePlus-Smartphone, werden auf 4.1 aktualisiert.

Ersetzt Bluetooth Low Energy(oder Bluetooth Smart) – Batteriesparversion. In diesem Fall ist die Reichweite auf 10 m begrenzt und die Datenübertragungsrate beträgt 1 Mbit/s, allerdings werden bei der Übertragung nicht mehr als 10 mA verbraucht.

Und jetzt kommt der nächste Schritt: Die Bluetooth Special Interest Group, der mehr als 8.000 Unternehmen angehören, bereitet eine Versionsspezifikation vor. Natürlich dürfen Sie keine revolutionären Änderungen erwarten, aber Nutzer mobiler Geräte können sich auf einige wichtige Neuerungen freuen. CHIP hat beschlossen, einige technische Fragen zu klären.

Die meisten Neuerungen bei Bluetooth 4.1 beziehen sich auf den Störschutz. Bluetooth ist mittlerweile ein Standardbestandteil von Smartphones und Tablets; In diesen Geräten werden bald LTE-Module zum Einsatz kommen.

Leider nutzt Bluetooth das nicht lizenzierte 2,45-GHz-Frequenzband (zusammen mit 2,6 GHz) sowie das LTE-Band in Russland und anderen Ländern. Dadurch kann es zu gegenseitiger Beeinflussung kommen (siehe Abbildung). Das Problem ist, dass der Nutzer keinen Einfluss auf das LTE-Signal hat.

Bluetooth-Entwickler mussten bestimmte Maßnahmen ergreifen, um Störungen zu vermeiden. Und genau das wurde in der neuen Version getan.

Um Störungen zu minimieren, verfügt Bluetooth 4.1 über einen integrierten LTE-Bandfilter. Sollte ein LTE-Sender die über Bluetooth übertragenen Daten stören, reagiert Bluetooth 4.1 sofort

Das Senden und Empfangen von Daten durch das LTE-Modul stört den Bluetooth-Betrieb. In Version 4.0 erreichten die Verluste 75 % der Pakete. Bluetooth Version 4.1 ist nicht so empfindlich gegenüber Störungen durch LTE. Ein Rauschfilter schützt das Funkmodul. In schwierigen Fällen wird der Kanal automatisch umgeschaltet.

Das sogenannte adaptive Bluetooth 4.1-Switching-System sucht nach einem anderen Kanal mit weniger Störungen und sendet und empfängt Daten auf einer anderen Frequenz. Während LTE bei Bluetooth 4.0 in 75 % der Fälle Störungen verursacht, sinkt dieser Wert bei Bluetooth 4.1 auf 25 %.

Störungsfreier Empfang und Übertragung von Daten

Besonders beliebt sind mittlerweile Geräte mit Bluetooth Low Energy. Speziell für diesen Energiesparmodus verfügt Version 4.1 über eine neue Datenübertragungsmethode, die die Batterielebensdauer verlängert.

Bluetooth-Benutzer haben aus eigener Erfahrung gelernt, dass es bei Verbindungsabbrüchen Probleme gibt. Es kam häufig vor, dass die Verbindung unterbrochen wurde, wenn der Benutzer in einen anderen Raum ging. Danach musste ich die Verbindung manuell konfigurieren.

Weniger Verbindungsabbrüche mit neuem Bluetooth

Wenn sich zwei Bluetooth-Geräte außerhalb der Reichweite befinden, geht die Verbindung verloren. Bei Bluetooth 4.0 müssen Geräte innerhalb von 30 Sekunden zurückkehren, um automatisch eine Verbindung herzustellen. In Version 4.1 erhöht sich diese Zeit auf drei Minuten.

Mit Bluetooth 4.1 können Hersteller feste Intervalle festlegen, sodass der Nutzer nach dem Trennen nicht jedes Mal eine neue Verbindung aufbauen muss. Bluetooth 4.1 kann bei unterbrochener Verbindung bis zu drei Minuten funktionieren – bisher waren es maximal 30 Sekunden.

Dass man für die Nutzung von Bluetooth nicht unbedingt mit einem Computer verbunden sein muss, beweist eine Innovation, die speziell für 3D-Brillen entwickelt wurde, die in Verbindung mit einem Fernseher funktionieren. Normalerweise war hierfür die gleichzeitige Verbindung mehrerer Geräte erforderlich, sodass das Bild auf Fernsehgeräten oft verzögert war. Jetzt sollte alles besser funktionieren.

Contactless Slave Broadcast in Bluetooth 4.1 ist die zweite neue Funktion, von der 3D-Filmfans profitieren werden. Die Bluetooth-Verbindung erfolgt nur in eine Richtung, der Fernseher sendet in festen Abständen Daten, die 3D-Brille empfängt Daten, sendet aber keine Antwortverbindungen an den Fernseher.

Flexible Verbindungen mit Bluetooth 4.1

Die Verbindungsarchitektur von Bluetooth 4.1 arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Ein Gerät fungiert als Master und das zweite als Slave. Alle Geräte können sowohl als Master als auch als Slave arbeiten.

So können die Daten eines Fitnessarmbandes oder Pulsmessers nun direkt auf ein Smartphone übertragen und dort analysiert werden. Bisher war eine direkte Interaktion zwischen einem Fitnessarmband und einem Smartphone nicht möglich.

Zwei Vorteile eines Bluetooth-Upgrades: Erstens müssen Sie sich keine Sorgen um die Kompatibilität machen. Bluetooth 4.0 und Bluetooth 4.1 sind vollständig kompatibel. Auch ein neuer Chip für Bluetooth 4.1 ist nicht nötig. Bluetooth 4.1 wird über das Bluetooth 4.0-Firmware-Update verfügbar sein.

Experten gehen außerdem davon aus, dass Bluetooth 4.1 IPv6 unterstützen wird. Das ist nun nicht der Fall. Da die neue Bluetooth-Version IPv6 vollständig unterstützt, erhalten alle Bluetooth-Geräte eine IP-Adresse und sind über das Internet erreichbar. Wir können also sagen, dass die Bluetooth-Revolution bereits begonnen hat.

Bluetooth im Vergleich

Bluetooth gibt es schon seit 15 Jahren, alle zwei Jahre kommen neue Versionen heraus. Mit Version 4.0 wurde ein Low-Power-Profil eingeführt. Da die Vorgänger es nicht hatten, sind die Protokolle 4.0 und 4.1 nicht abwärtskompatibel. In 4.1 ist geplant, mit dem IPv6-Protokoll zu arbeiten.

		Bluetooth 4.0	Bluetooth 3.0	Bluetooth 2.x	Bluetooth 1.x
Grundgeschwindigkeit	1 Mbit/s	1 Mbit/s	1 Mbit/s	1 Mbit/s	1 Mbit/s
Erweiterte Datenrate (EDR)	3 Mbit/s	3 Mbit/s	3 Mbit/s	3 Mbit/s	Nein
Hohe Geschwindigkeit	54 Mbit/s	54 Mbit/s	54 Mbit/s	Nein	Nein
Reichweite (max./min. Leistung)	100 m/10 m	100 m/10 m	100 m/Stk	100 m/Stk	100 m/Stk
Energiesparmodus	Ja	Ja	Nein	Nein	Nein
Duales Profil (gleichzeitige Rolle als Slave und Master)	Ja	Nein	Nein	Nein	Nein
IPv6-Unterstützung	fertig werden	Nein	Nein	Nein	Nein
NFC-Kopplung	Ja	Ja	Ja	Ja	Nein
128-Bit-AES-Verschlüsselung	Ja	Ja	Nein	Nein	Nein

Fotos im Artikel: produzierende Unternehmen

Bluetooth 5.0 wurde Wirklichkeit. Im Vergleich zu Bluetooth 4.0 hat die neue Version doppelte Kapazität, vierfache Reichweite und eine Reihe weiterer Verbesserungen. Schauen wir uns die Vorteile von Bluetooth 5.0 gegenüber seinen Vorgängern anhand eines Beispiels an CPU CC2640R2F aus Texas Instruments.

Die Beliebtheit der Bluetooth 4-Protokollversion sowie einige ihrer Einschränkungen waren der Grund für die Erstellung der nächsten Bluetooth 5-Spezifikation. Die Entwickler setzten sich eine Reihe von Zielen: Erweiterung der Reichweite, Erhöhung des Durchsatzes beim Senden von Broadcast-Paketen , Verbesserung der Störfestigkeit usw.

Nachdem nun die ersten Geräte mit Bluetooth 5 auf den Markt kommen, stellen sich bei Nutzern und Entwicklern zu Recht Fragen: Welche der zuvor geäußerten Versprechen sind tatsächlich in die Tat umgesetzt worden? Wie stark haben sich Reichweite und Datenübertragungsgeschwindigkeit erhöht? Wie wirkte sich dies auf den Verbrauch aus? Wie hat sich der Ansatz zur Generierung von Broadcast-Paketen verändert? Welche Verbesserungen wurden zur Verbesserung der Störfestigkeit vorgenommen? Und natürlich ist die Hauptfrage: Gibt es eine Abwärtskompatibilität zwischen Bluetooth 5 und Bluetooth 4? Beantworten wir diese und einige andere Fragen und betrachten wir die Hauptvorteile von Bluetooth 5.0 gegenüber seinen Vorgängern, unter anderem am Beispiel eines echten Prozessors mit Bluetooth 5.0-Unterstützung des Unternehmens Texas Instruments.

Beginnen wir unseren Testbericht zu Bluetooth 5.0 mit der Beantwortung der am häufigsten gestellten Frage zur Abwärtskompatibilität mit Bluetooth 4.x

Ist Bluetooth 5.0 abwärtskompatibel mit Bluetooth 4.x?

Ja tut es. Bluetooth 5 übernimmt die meisten Funktionen und Erweiterungen von Bluetooth 4.1 und 4.2. Beispielsweise behalten Bluetooth 5-Geräte alle Datensicherheitsverbesserungen von Bluetooth 4.2 bei und unterstützen die LE Data Length Extension. Es sei daran erinnert, dass dank der LE Data Length Extension ab Bluetooth 4.2 die Größe des Datenpakets (Packet Data Unit, PDU) während einer bestehenden Verbindung von 27 auf 251 Byte erhöht werden kann, wodurch Sie die Größe erhöhen können Geschwindigkeit des Datenaustauschs um das 2,5-fache.

Aufgrund der Vielzahl an Unterschieden zwischen den Protokollversionen bleibt der traditionelle Mechanismus zur Aushandlung von Parametern zwischen Geräten beim Verbindungsaufbau erhalten. Das heißt, bevor sie mit dem Datenaustausch beginnen, „lernen“ sich die Geräte kennen und legen die maximale Häufigkeit der Datenübertragung, die Länge der Nachrichten usw. fest. In diesem Fall werden standardmäßig Bluetooth 4.0-Parameter verwendet. Die Umstellung auf Bluetooth 5-Parameter erfolgt nur, wenn sich beim Pairing-Vorgang herausstellt, dass beide Geräte eine neuere Version des Protokolls unterstützen.

Apropos Tools, die Entwicklern bereits zur Verfügung stehen, sind der neue CC2640R2F-Prozessor und der kostenlose BLE5-Stack von Texas Instruments zu erwähnen. Zur Freude der Entwickler basiert BLE5-Stack auf der Vorgängerversion von BLE-Stack und Änderungen in seiner Nutzung betrafen lediglich die neuen Funktionen von Bluetooth 5.0.

Wie hat sich die Datenübertragungsgeschwindigkeit in Bluetooth 5 erhöht?

Bluetooth 5 nutzt eine drahtlose Verbindung mit physikalischen Datenübertragungsraten von bis zu 2 Mbit/s, was doppelt so schnell ist wie Bluetooth 4.x. Dabei ist zu beachten, dass die effektive Datenaustauschrate nicht nur vom physikalischen Durchsatz des Übertragungskanals abhängt, sondern auch vom Verhältnis von Dienst- und Nutzinformation im Paket sowie beispielsweise den damit verbundenen „Overhead“-Kosten , Zeitverlust zwischen Paketen (Tabelle 1).

Tabelle 1. Kommunikationsgeschwindigkeit für verschiedene VersionenBluetooth

In den Versionen Bluetooth 4.0 und 4.1 betrug die physikalische Bandbreite des Kanals 1 Mbit/s, wodurch bei einer PDU-Datenpaketlänge von 27 Byte Austauschraten von bis zu 305 kbit/s erreicht werden konnten. Mit Bluetooth 4.2 wurde die LE Data Length Extension eingeführt. Dadurch war es nach dem Herstellen einer Verbindung zwischen Geräten möglich, die Paketlänge auf 251 Bytes zu erhöhen, was zu einer Steigerung der Datenaustauschgeschwindigkeit um das 2,5-fache führte – bis zu 780 kbit/s.

Bluetooth Version 5 behält die Unterstützung für LE Data Length Extension bei, wodurch zusammen mit einer Erhöhung des physikalischen Durchsatzes auf 2 Mbit/s Datenaustauschgeschwindigkeiten von bis zu 1,4 Mbit/s erreicht werden können.

Wie die Praxis zeigt, ist eine solche Beschleunigung der Datenübertragung nicht die Grenze. Beispielsweise ist der drahtlose Mikrocontroller CC2640R2F in der Lage, mit Geschwindigkeiten von bis zu 5 Mbit/s zu arbeiten.

Erwähnenswert ist das weit verbreitete Missverständnis, dass die Steigerung des Durchsatzes auf 2 Mbit/s durch eine Reduzierung der Reichweite erreicht wurde. Natürlich hat der Transceiver-Chip (PHY) physikalisch gesehen beim Betrieb mit einer Frequenz von 2 Mbit/s eine um 5 dBm geringere Empfindlichkeit als beim Betrieb mit einer Frequenz von 1 Mbit/s. Neben der Empfindlichkeit tragen jedoch auch andere Faktoren zur Reichweitenerhöhung bei, beispielsweise der Übergang zur Datenverschlüsselung. Aus diesem Grund erweist sich Bluetooth 5 bei sonst gleichen Bedingungen als zuverlässiger und hat eine größere Reichweite im Vergleich zu Bluetooth 4.0. Dies wird in einem der folgenden Abschnitte des Artikels ausführlich besprochen.

Wie aktiviere ich den Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsmodus in Bluetooth 5?

Beim Verbindungsaufbau zwischen zwei Bluetooth-Geräten werden zunächst die Bluetooth 4.0-Einstellungen verwendet. Das bedeutet, dass die Geräte im ersten Schritt Daten mit einer Geschwindigkeit von 1 Mbit/s austauschen. Sobald die Verbindung hergestellt ist, kann der Bluetooth 5.0-fähige Master mit dem PHY-Update-Vorgang beginnen, dessen Ziel darin besteht, eine maximale Geschwindigkeit von 2 Mbit/s zu etablieren. Dieser Vorgang gelingt nur, wenn der Slave auch Bluetooth 5.0 unterstützt. Ansonsten bleibt die Geschwindigkeit bei 1 Mbit/s.

Für Entwickler, die zuvor den BLE-Stack von Texas Instruments verwendet haben, ist die gute Nachricht, dass der neue BLE5-Stack eine einzige Funktion, HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(), zur Durchführung dieses Verfahrens bereitstellt. Somit werden Nutzer von TI-Produkten bei der Umstellung auf Bluetooth 5.0 keine Probleme mit der Erstinitialisierung haben. Für Entwickler ist auch ein auf dem GitHub-Portal veröffentlichtes Beispiel nützlich, mit dem Sie den Betrieb von zwei CC2640R2F-Mikrocontrollern bewerten können, die als Teil von CC2640R2 LaunchPads im Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenmodus arbeiten.

Wie hat sich die Reichweite von Bluetooth 5 erhöht?

Die Bluetooth 5.0-Spezifikation besagt, dass die Reichweite viermal größer ist als bei Bluetooth 4.0. Dies ist ein eher subtiles Thema, auf das es sich lohnt, näher einzugehen.

Erstens ist der Begriff „viermal“ relativ und nicht an eine bestimmte Entfernung in Metern oder Kilometern gebunden. Tatsache ist, dass die Reichweite der Funkübertragung stark von einer Reihe von Faktoren abhängt: dem Zustand der Umgebung, dem Grad der Interferenz, der Anzahl gleichzeitig sendender Geräte usw. Daher gibt kein einziger Hersteller sowie der Entwickler des Bluetooth-Standards SIG selbst konkrete Werte an. Die Reichweitensteigerung wird im Vergleich zu Bluetooth 4.0 gemessen.

Für die weitere Analyse ist es notwendig, einige mathematische Berechnungen durchzuführen und das Leistungsbudget des Funkkanals abzuschätzen. Bei Verwendung logarithmischer Werte entspricht das Funkkanalbudget (dB) der Differenz zwischen der Senderleistung (dBm) und der Empfängerempfindlichkeit (dBm):

Budget des Radiosenders = LeistungT X(dBm) – EmpfindlichkeitR X(dBm)

Für Bluetooth 4.0 beträgt die Standardempfängerempfindlichkeit -93 dBm. Wenn wir davon ausgehen, dass die Sendeleistung 0 dBm beträgt, beträgt das Budget 93 dB.

Eine Vervierfachung der Reichweite würde eine Erhöhung des Budgets um 12 dB erfordern, was zu einem Wert von 105 dB führen würde. Wie soll dieser Wert erreicht werden? Es gibt zwei Möglichkeiten:

• Erhöhung der Sendeleistung;
• Erhöhung der Empfindlichkeit von Empfängern.

Folgt man dem ersten Weg und erhöht die Sendeleistung, führt dies zwangsläufig zu einem Anstieg des Verbrauchs. Beim CC2640R2F beispielsweise führt die Umstellung auf eine Ausgangsleistung von 5 dBm zu einem Anstieg der Stromaufnahme auf 9 mA (Abbildung 1). Bei 10 dBm erhöht sich der Strom auf 20 mA. Dieser Ansatz ist für die meisten batteriebetriebenen drahtlosen Geräte nicht attraktiv und eignet sich nicht immer für IoT, also den Bereich, auf den Bluetooth 5.0 in erster Linie abzielte. Aus diesem Grund erscheint die zweite Lösung vorzuziehen.

Um die Empfindlichkeit des Empfängers zu erhöhen, werden zwei Methoden vorgeschlagen:

• Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit;
• Verwendung der kodierten PHY-Datenkodierung.

Eine Reduzierung der Datenrate um den Faktor acht erhöht theoretisch die Empfängerempfindlichkeit um 9 dB. Somit ist der gewünschte Wert nur 3 dB zu kurz.

Die erforderlichen 3 dB können durch zusätzliche Coded PHY-Kodierung erreicht werden. Bisher war in Bluetooth 4.x-Versionen die Bitkodierung eindeutig 1:1. Dies bedeutet, dass der Datenstrom direkt an den Differenzdemodulator gesendet wurde. Bei Bluetooth 5.0 gibt es bei Verwendung von Coded PHY zwei zusätzliche Übertragungsformate:

• mit 1:2-Kodierung, bei der jedes Datenbit zwei Bits im Funkdatenstrom zugeordnet ist. Beispielsweise wird eine logische „1“ als Folge von „10“ dargestellt. In diesem Fall bleibt die physikalische Geschwindigkeit gleich 1 Mbit/s und die reale Datenübertragungsgeschwindigkeit sinkt auf 500 kbit/s.
• Mit 1:4 Kodierung. Beispielsweise wird eine logische „1“ durch die Sequenz „1100“ dargestellt. Die Datenübertragungsrate wird auf 125 kbit/s reduziert.

Der beschriebene Ansatz heißt Forward Error Correction (FEC) und ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Fehlern auf der Empfängerseite, anstatt wie bei Bluetooth 4.0 eine erneute Übertragung von Paketen zu erfordern.

Auf dem Papier sieht alles gut aus. Es bleibt nur noch herauszufinden, wie diese theoretischen Berechnungen der Realität entsprechen. Nehmen wir als Beispiel den gleichen Mikrocontroller CC2640R2F. Dank verschiedener Verbesserungen und neuer Bluetooth 5.0-Modulationsmodi verfügt der Transceiver dieses Prozessors über eine Empfindlichkeit von -97 dBm bei 1 Mbit/s und -103 dBm bei Verwendung von Coded PHY und 125 kbit/s. Somit fehlen im letzteren Fall nur 2 dBm vom Pegel von 105 dB.

Um die Reichweite des CC2640R2F zu bewerten, führten Ingenieure von Texas Instruments ein Feldexperiment in Oslo durch. Gleichzeitig kann die Umgebung in diesem Experiment im Hinblick auf den Lärmpegel nicht als „freundlich“ bezeichnet werden, da sich der Geschäftsviertel der Stadt in unmittelbarer Nähe befand.

Um ein Leistungsbudget von mehr als 105 dB zu erreichen, wurde beschlossen, die Sendeleistung auf 5 dBm zu erhöhen. Dadurch konnten wir einen beeindruckenden Endwert von 108 dBm erreichen (Abbildung 2). Bei der Durchführung des Experiments betrug die Reichweite 1,6 km, was insbesondere angesichts des minimalen Verbrauchs von Funksendern ein sehr beeindruckendes Ergebnis ist.

Wie hat sich die Herangehensweise an Bluetooth 5-Broadcast-Nachrichten verändert?

Bisher nutzte Bluetooth 4.x drei dedizierte Datenkanäle, um Verbindungen zwischen Geräten herzustellen (37, 38, 39). Mit ihrer Hilfe fanden sich Geräte gegenseitig und tauschten Serviceinformationen aus. Darüber konnten auch Broadcast-Datenpakete übertragen werden. Dieser Ansatz hat Nachteile:

• bei einer großen Anzahl aktiver Sender können diese Kanäle einfach überlastet werden;
• Immer mehr Geräte nutzen Broadcast-Nachrichten, ohne eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufzubauen. Dies ist besonders wichtig für das Internet der Dinge (IoT).
• Das neue Codierungssystem „Coded PHY“ benötigt achtmal mehr Zeit für den Verbindungsaufbau, wodurch zusätzlich Sendekanäle belastet werden.

Um diese Probleme in Bluetooth 5.0 zu lösen, wurde beschlossen, auf ein Schema umzusteigen, bei dem Daten auf allen 37 Datenkanälen übertragen werden und die Dienstkanäle 37, 38, 39 zur Übertragung von Zeigern verwendet werden. Der Zeiger bezieht sich auf den Kanal, über den die Broadcast-Nachricht übertragen wird. In diesem Fall erfolgt die Übermittlung der Daten nur einmal. Dadurch ist es möglich, die Servicekanäle deutlich zu entlasten und diesen Engpass zu beseitigen.

Es ist auch erwähnenswert, dass die Datenlänge eines Broadcast-Pakets jetzt 255 Byte statt 6 bis 37 Byte PDU in Bluetooth 4.x erreichen kann. Dies ist für IoT-Anwendungen äußerst wichtig, da es ermöglicht, den Übertragungsaufwand zu minimieren, Verbindungen zu eliminieren und so den Verbrauch zu senken.

Unterstützt Bluetooth 5 Mesh-Netzwerke?

Texas Instruments-Lösungen für Bluetooth 5

Einer der allerersten Mikrocontroller mit Bluetooth 5.0 war der Hochleistungsprozessor CC2640R2F von Texas Instruments.

Der CC2640R2F basiert auf einem modernen 32-Bit-ARM-Cortex-M3-Kern mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 48 MHz. Der Betrieb des Funksenders wird vom zweiten 32-Bit-ARM-Cortex-M0-Kern gesteuert (Abbildung 3). Darüber hinaus verfügt der CC2640R2F über umfangreiche digitale und analoge Peripheriegeräte.

Der Vorteil des CC2640R2F-Mikrocontrollers ist auch sein geringer Verbrauch (Tabelle 2). Dies gilt für alle Betriebsarten. Im aktiven Modus beträgt der Verbrauch beispielsweise beim Empfang von Daten über einen Funkkanal 5,9 mA und beim Senden 6,1 mA (0 dBm) oder 9,1 mA (5 dBm). Beim Wechsel in den Ruhemodus sinkt der Versorgungsstrom vollständig auf 1 µA.

Die Kombination aus drei wichtigen Eigenschaften wie Bluetooth 5.0-Unterstützung, geringem Verbrauch und hoher Spitzenleistung macht den CC2640R2F zu einer sehr interessanten Lösung für das Internet der Dinge. Gleichzeitig können Sie mit diesem Mikrocontroller die gesamte Palette an IoT-Geräten erstellen: autonome Sensoren, die mehrere Jahre mit einer einzigen Batterie arbeiten, Brücken zwischen einem zusätzlichen Steuerprozessor und einem Bluetooth 5.0-Kanal, komplexe Anwendungen, die eine hohe Rechenleistung erfordern .

Tabelle 2. Verbrauch von drahtlosen MikrocontrollernCC2640 R2 Fmit der UnterstützungBluetooth 5

Betriebsart	Parameter	Wert (bei Vcc = 3 V)
Aktives Rechnen	µA/MHz ARM® Cortex®-M3	61 µA/MHz
	Coremark/mA	48,5
	Coremark bei 48 MHz	142
Funkaustausch	Spitzenempfangsstrom, mA	5,9
	Spitzenstrom während der Übertragung, mA	6,1
Schlafmodus	Sensorcontroller, µA/MHz	8,2
	Schlafmodus mit aktivierter RTC und Speichererhaltung, mA	1

Um schnell mit dem CC2640R2F loslegen zu können, hat Texas Instruments ein traditionelles Entwicklungskit vorbereitet (Abbildung 4). Mit einigen dieser Geräte können Sie die Geschwindigkeit und Reichweite der Funkübertragung über Bluetooth 5.0 bewerten. Dazu können Sie vorgefertigte Beispiele verwenden oder eine eigene Anwendung auf Basis des kostenlosen BLE 5 Stack 1.0-Protokolls (www.ti.com/ble) erstellen.

Abschluss

Die neue Version des Bluetooth 5.0-Protokolls konzentriert sich auf maximale Konformität mit den Anforderungen des Internets der Dinge (IoT). Im Vergleich zur Bluetooth 4.0-Version weist es eine Reihe qualitativer Verbesserungen auf:

• Die Datenübertragungsgeschwindigkeit hat sich verdoppelt und erreicht 2 Mbit/s;
• Die Übertragungsreichweite hat sich aufgrund der Datenkodierung mit Coded PHY und Forward Error Correction (FEC) vervierfacht.
• Der Durchsatz von Broadcast-Nachrichten wurde um das Achtfache erhöht.

Darüber hinaus bietet Bluetooth 5.0 Abwärtskompatibilität mit Bluetooth 4.x-Geräten und unterstützt auch die meisten Erweiterungen späterer Versionen des Protokolls.

Sie können die Fähigkeiten von Bluetooth 5.0 jetzt mit Tools von Texas Instruments bewerten. Das Unternehmen produziert einen leistungsstarken und stromsparenden Mikrocontroller CC2640R2F, stellt einen kostenlosen BLE 5 Stack 1.0 und viele vorgefertigte Beispiele für das Debugging-Kit LAUNCHXL-CC2640R2 zur Verfügung.

Literatur

1. Häufig gestellte Fragen zur Bluetooth Core-Spezifikation 5.0. 2016. Bluetooth SIG.

Alle modernen Smartphones sind mit Bluetooth der vierten Generation ausgestattet – manche haben Version 4.0, manche 4.1 und manche 4.2. Mittlerweile ist die fünfte Version des „Blue Tooth“ erschienen. In diesem Artikel werden wir über seine Vorteile gegenüber Bluetooth 4.2 sprechen und wie diese Vorteile in der Praxis umgesetzt werden.

Zweimal schneller

Daten über Bluetooth der 5. Generation werden nun mit maximaler Geschwindigkeit übertragen6,25 MB/s – bisher 3,125 MB/s. Das ist immer noch viel weniger als bei der kabelgebundenen Konkurrenz:

• Apple Lightning – 60 MB/s
• USB 2.0 – 60 MB/s
• USB 3.0 – 625 MB/s
• USB 3.1 – 1210 MB/s

Aber deshalb sind sie verkabelt!

Dadurch wird die Geschwindigkeit der Synchronisierung von Smartwatches mit einem Smartphone und Internet-of-Things-Elementen untereinander und mit der Basis erhöht.

Viermal weiter

Die Indoor-Reichweite hat zugenommenvon 10 bis 40 Metern, auf der Straße - von 50 bis 200 Metern.

Es wird möglich sein, im Stadion zu laufen, ohne ein Smartphone in der Tasche zu haben. Im Rucksack lassen, Bluetooth-Kopfhörer aufsetzen und loslaufen – in der Tasche hängt nichts herum. Vielleicht war es Ihr Telefon, das Sie davon abgehalten hat, einen Marathon zu laufen! Stimmt, mit kabellosen Kopfhörern kann man nicht 42 Kilometer und 195 Meter laufen.

Vielleicht ist Fabregas nicht im Kader, weil ihn seine Bluetooth-4.2-Kopfhörer stören

Für die Gestaltung des Internets der Dinge ist eine Vergrößerung des Handlungsspielraums besonders wichtig. Während ältere Versionen von Bluetooth für Wohnungen irgendwie ausreichten, mussten in einem großen Haus Kompromisse eingegangen werden. Jetzt können Sie einige IoT-Elemente ganz einfach im Garten platzieren, getrennt vom Rest.

Achtmal mehr Daten über Rundfunkkanäle

Damit das Internet der Dinge ohne vorherige Verbindung mit Bluetooth-Geräten von Drittanbietern funktioniert, sind Broadcast-Kanäle erforderlich. In diesem Modus können Sie nun weitere Informationen übermitteln:255 Bytes gegenüber 31 in Bluetooth 4.2.

Ich erkläre anhand eines Beispiels, warum Rundfunkkanäle benötigt werden. Stellen wir uns ein modernes Krankenhaus vor, in dem das Internet der Dinge implementiert ist. Eine Person kommt herein und erhält sofort über Bluetooth Informationen darüber, in welches Büro sie gehen muss. Er kann nichts anderes bekommen, da er nicht vollständig mit dem Internet der Dinge des Krankenhauses verbunden ist.

Der Umfang dieser Informationen beträgt 31 Byte, da Bluetooth 4.2 verwendet wird. Und mit Version 5 erhält eine Person auch den Namen des Arztes, die ungefähre Wartezeit und die Telefonnummer des Chefarztes für Beschwerden – die Größe dieser Daten beträgt bereits 255 Byte.

Verbraucht 2,5-mal weniger Energie

Es scheint, dass Bluetooth 5 mit zunehmender Geschwindigkeit und Reichweite stromhungriger wird. Tatsächlich ist alles genau das Gegenteil – der neue Standard ist deutlich sparsamer im Energieverbrauch. Bei Smartphones mit 3.000-mAh-Akkus war der Stromverbrauch von Bluetooth 4.2 unkritisch. Bei Smartwatches kann die Steigerung der Autonomie spürbar sein, muss aber natürlich in der Praxis erprobt werden.

Serielles Verbindungssystem

Dank des neuen seriellen Verbindungssystems wird die Skalierung des Internets der Dinge einfacher. Früher war jedes Gerät mit einem gemeinsamen Basisgerät verbunden, jetzt reicht es aus, eine Verbindung zu einem benachbarten Element herzustellen.

Erinnern wir uns an die Physik!

Vielleicht sehen wir eines Tages ein City-IoT-System nicht innerhalb einer Wohnung oder eines Hauses, sondern innerhalb eines ganzen Bezirks oder sogar einer Stadt? Und es wird auf dem energieeffizienten und einfach skalierbaren Bluetooth 5 basieren.

Warum sonst ist Bluetooth mit dem Internet der Dinge verbunden? Tatsache ist, dass die Elemente des IoT zu fragmentiert sind: Jeder Hersteller macht etwas (oder alles) anders. Bluetooth ist eines der Dinge, die sie alle verbinden. Es wird in fast allen Geräten verwendet: Telefonen, Uhren, Laptops, Autos und so weiter.

Der neue Standard ist übrigens abwärtskompatibel mit älteren Protokollen.

Wann ist damit zu rechnen?

Ja, wir haben schon gewartet. Alle notwendigen Dokumentationen für die Entwicklung von Geräten und Software mit Unterstützung für Bluetooth 5 erschienen Anfang des Jahres auf der offiziellen Website, und kürzlich wurden die ersten Smartphones mit der fünften Version des „Bluetooth“ veröffentlicht.

Bluetooth 5 ist keineswegs eine Revolution, sondern vielmehr eine evolutionäre Weiterentwicklung der Technologie. Der neue Standard verbesserte lediglich die Leistung des vorherigen, brachte dem „Bluetooth“ jedoch nichts Neues bei. Protokoll 4.2 macht alles, was Bluetooth 5 kann, nur um ein Vielfaches schlechter.

Ein Jahr nach der Genehmigung der Bluetooth 4.1-Spezifikationen hat die OrganisationDie Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat die aktualisierte Version 4.2 eingeführt. In Bluetooth 4.2 wurde die Geschwindigkeit des Informationsaustauschs zwischen Bluetooth Smart-Geräten erhöht: Die Größe der Datenpakete wurde um das Zehnfache und die Leistung um das 2,5-fache erhöht.

Ein Jahr nach der Genehmigung der Bluetooth 4.1-Spezifikationen hat die Organisation Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat die aktualisierte Version 4.2 eingeführt. In Bluetooth 4.2 wurde die Geschwindigkeit des Informationsaustauschs zwischen Bluetooth Smart-Geräten erhöht: Die Größe der Datenpakete wurde um das Zehnfache und die Leistung um das 2,5-fache erhöht. Verbesserte Arbeit mit Internet-of-Things-Geräten dank Das Internet Protocol Support Profile (IPSP) unterstützt jetzt die direkte Verbindung zum Internet über das Protokoll IPv6/6LoWPAN- und Bluetooth Smart-Geräteverwaltung.

Mit anderen Worten, Geräte können über einen Zugangspunkt oder Router eine direkte Verbindung zum Internet herstellen, ohne dass zusätzliche Verbindungen und Sender erforderlich sind. Darüber hinaus versprechen sie einen hohen Schutz vor Tracking per Bluetooth-Verbindung und Datenverschlüsselung. Das einseitige Trackingverfahren ist nicht mehr möglich, eine Verbindungsbestätigung ist erforderlich. Natürlich versprechen sie, den Energieverbrauch zu senken. Die ersten Produkte mit Bluetooth 4.2 könnten im ersten Halbjahr 2015 erscheinen.

Quelle: Bluetooth

Kirkland, WA – 3. Dezember 2014

Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat diese Woche offiziell Version 4.2 der Bluetooth-Kernspezifikation verabschiedet. Wichtige Updates in 4.2 verbessern den Datenschutz und erhöhen die Geschwindigkeit, und ein demnächst ratifiziertes Profil wird IP-Konnektivität ermöglichen. Bluetooth 4.2 eröffnet Entwicklern, OEMs und der Industrie neue Möglichkeiten, ein besseres Benutzererlebnis für Verbraucher zu schaffen und gleichzeitig unvorstellbare Anwendungsfälle zu schaffen.

„Bei Bluetooth 4.2 geht es darum, Bluetooth Smart weiterhin zur besten Lösung für die Verbindung aller Technologien in Ihrem Leben zu machen – von persönlichen Sensoren bis hin zu Ihrem vernetzten Zuhause. Zusätzlich zu den Verbesserungen an der Spezifikation selbst ermöglicht ein neues Profil namens IPSP IPv6 für Bluetooth und öffnet damit völlig neue Möglichkeiten für die Gerätekonnektivität“, sagte Mark Powell, Geschäftsführer der Bluetooth SIG. „Bluetooth Smart ist die einzige Technologie, die mit dem Markt skalieren kann, Entwicklern die Flexibilität für Innovationen bietet und die Grundlage für das IoT bildet.“

Privatsphäre und Sicherheit
Bluetooth 4.2 führt branchenführende Datenschutzeinstellungen ein, die den Stromverbrauch senken und auf den Sicherheitsfunktionen der Bluetooth-Spezifikation auf Regierungsniveau aufbauen. Die neuen Datenschutzfunktionen geben dem Verbraucher die Kontrolle zurück, indem sie es Abhörern erschweren, ein Gerät ohne Erlaubnis über seine Bluetooth-Verbindung zu verfolgen. Wenn Sie beispielsweise in einem Einzelhandelsgeschäft mit Beacons einkaufen, können Sie nicht verfolgt werden, es sei denn, Sie haben die Berechtigung für die Interaktion des Beacons mit Ihrem Gerät aktiviert.

Geschwindigkeit
Bluetooth 4.2 erhöht die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung zwischen Bluetooth Smart-Geräten. Durch die Erhöhung der Kapazität von Bluetooth Smart-Paketen übertragen Geräte Daten bis zu 2,5-mal schneller als mit Vorgängerversionen. Erhöhte Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Paketkapazitäten reduzieren die Wahrscheinlichkeit von Übertragungsfehlern und reduzieren den Batterieverbrauch, was zu einer effizienteren Verbindung führt.

Internetverbindung
Aufbauend auf den zuvor mit Bluetooth 4.1 veröffentlichten Funktionen und den in 4.2 veröffentlichten neuen Funktionen ermöglicht das Internet Protocol Support Profile (IPSP) Bluetooth Smart-Sensoren den direkten Zugriff auf das Internet über IPv6/6LoWPAN. Durch die IP-Konnektivität ist es möglich, die vorhandene IP-Infrastruktur zur Verwaltung von Bluetooth Smart „Edge“-Geräten zu nutzen. Dies ist ideal für vernetzte Heimszenarien, die sowohl persönliche als auch weiträumige Kontrolle erfordern. Dieses Profil wird bis Ende des Jahres ratifiziert.

In letzter Zeit ist die Zahl der Nutzer mobiler Gadgets deutlich gestiegen, was dazu führt, dass eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Probleme für unerfahrene Nutzer weiterhin ein Rätsel bleiben. Eine dieser Nuancen sind Bluetooth-Versionen.

Protokolle oder Profile

Trotz der Tatsache, dass die Kompatibilität der Bluetooth-Versionen auf einem recht hohen Niveau ist, kommt es manchmal vor, dass es unmöglich wird, zwei Geräte zu koppeln. Und hier geht es genau um die Protokolle und nicht um die Profile. Und um die oben erwähnte Unmöglichkeit zu rechtfertigen, müssen Sie zunächst verstehen, was der Unterschied zwischen diesen beiden Konzepten ist.

Ein Protokoll ist eine Reihe von Anweisungen, durch die verschiedene Informationen übertragen werden. Er legt die Reihenfolge, die Betriebsfrequenz und die Betriebsdauer der einen oder anderen Komponente fest. Und Profile sind zusätzliche Add-Ons, die es Ihnen ermöglichen, mit Informationen eines bestimmten Typs zu arbeiten. A2DP ist beispielsweise ein Profil, das es einem Bluetooth-Modul ermöglicht, mit Stereoton zu arbeiten, wobei beim Pairing auch die zu verwendenden Codecs vereinbart werden.

Wenn man es aus einer globalen Perspektive betrachtet, ist die Version der Protokolle wichtiger als die Bedeutung des Profils. Wenn beide Geräte über die gleiche Protokollversion verfügen, haben sie Zugriff auf alle Standardfunktionen und -fähigkeiten, die das Modul unterstützt. Aber bei Profilen ist alles anders. Da sie optional hinzugefügt werden, müssen sie in beiden Gadgets vorhanden sein, damit sie verwendet werden und funktionieren können. Wenn nur ein Bluetooth-Modul das erforderliche Profil unterstützt, wird es bei der Datenübertragung nicht verwendet.

Viele Nutzer interessieren sich für die Frage, wie man die Bluetooth-Version herausfindet. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, am einfachsten ist es jedoch, die Gerätespezifikationen zu lesen. Aber viel wichtiger ist es zu verstehen, was sich hinter diesen Zahlen verbirgt.

So finden Sie die Bluetooth-Version heraus: Video

Technische Daten verschiedener Protokolle

Diese Beschreibung enthält nicht die vollständigste Liste der Protokollversionen, sondern nur die für die gesamte Technologie bedeutendsten. Und natürlich lohnt es sich, mit dem allerersten zu beginnen, das vor fast zwei Jahrzehnten ins Leben gerufen wurde – im Jahr 1998 von der Partnergruppe SIG oder Special Interested Group. Die Hauptentwicklung wurde von der damaligen schwedischen Firma Ericsson 4 Jahre vor dem Markteintritt ins Leben gerufen. Als Ergebnis erfolgreicher Forschung wurde ein würdiges Analogon zur kabelgebundenen Technologie geschaffen und nach dem dänischen König der Wikinger-Nordländer, Harald dem Ersten Bluetooth, benannt.

Die erste Version wies eine erstaunliche Kompatibilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller auf. Die Geschwindigkeit war gering und die Reichweite entsprach eindeutig nicht dem etablierten Standard. Ohne schnelle Versuche, die Technologie zu verfeinern, wäre die ganze Idee möglicherweise in Vergessenheit geraten. Und die beruflichen Qualitäten der Arbeiter enttäuschten nicht, denn bald wurde Version 1.1 und dann 1.2 veröffentlicht, die den Höhepunkt der Entwicklung der Module der ersten Generation darstellten. Die allgemeine Kompatibilität wurde auf ein ziemlich hohes Niveau angehoben, die Aktionsreichweite wurde auf ehrliche zehn Meter eingestellt, die Übertragungsgeschwindigkeit wurde einfach himmelhoch gemacht – 721 Kbps, theoretisch natürlich.

Version 2.1

Die zweite Generation sorgte für eine Revolution, doch erst die Version 2.1 wurde zum Leitbild, das auch heute noch verwendet wird. Viele Geräte der Einsteiger- und Mittelklasse nutzen diese spezielle Variante des Bluetooth-Moduls. Das Hauptaugenmerk lag auf der Geschwindigkeit und die Lösung war das EDR-Add-on. Dadurch war es möglich, mit Geschwindigkeiten nahe 3 Mbit/s zu übertragen, und der Energieverbrauch wurde um das Fünffache gesenkt. Natürlich sind verschiedene Profile und Add-Ons erschienen, darunter auch die Möglichkeit, den Netzwerkzugriff zu verteilen.

Dritte Version

Die H3.0 hatte viele Gemeinsamkeiten mit Wi-Fi, war jedoch nicht direkt damit kompatibel, und der Einsatz der SLI-Technologie, bei der zwei Bluetooth-Module zu einem System verbunden wurden, ermöglichte eine Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit auf 24 Mbit/s. Darüber hinaus wurde beim Verschieben großer Dateien ein schnelleres, aber auch energieverbrauchendes Protokoll verwendet, und bei kleinen Dateien war es sehr wirtschaftlich.

Die vierte Gerätegeneration basierte auf der Idee, die bisherige Technologie so zu verbessern, dass der Stromverbrauch minimal wurde und alle anderen Funktionen und Fähigkeiten erhöht und erweitert wurden. So wurde neben der Geschwindigkeit auch der Radius vergrößert, der nun Hunderte von Metern erreichen konnte. Die Größe der Datenpakete wurde optimiert und eine 128-Bit-Verschlüsselung wurde hinzugefügt. Die Abmessungen des Senders sind einfach winzig geworden, was den Einsatz überall möglich macht. Ein Highlight war die Erweiterung um drei Betriebsmodi.