Современная электроника №6/2021

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 В стандарте Bluetooth 4.0, Singlemode устройство «мастер» может одновремен- но поддерживать от четырёх до восьми соединений с «ведомыми» устройствами. Технология BLE использует 40 каналов с разносом 2 МГц в диапазоне от 2402 до 2480МГц. Логические каналы37, 38 и 39 являются рекламными каналами. Кана- лы от 0 до 36 – это каналы данных. Скачкообразная перестройка частоты не используется до тех пор, пока не будет установлено соединение между двумя устройствами. Поэтому ETSI не класси- фицирует Bluetooth LE как систему со скачкообразной перестройкой частоты. В режиме максимальной экономии питание на ядро не подаётся. Ток потре- бления составляет всего 0,4 мкА. Модуль BLE, использующий стандартный «таблеточный» аккумулятор CR2032, может работать в этом режиме без под- зарядки несколько лет. Время перехода в активный режим составляет 120 мкс и осуществляется по сигналам RESET или внешнего прерывания. В спецификации Bluetooth 4.0, в зави- симости от мощности передатчика, ско- рость составляет 1–3 Мбит/с при раз- мере пакета данных 8–27 байт. На верхнем уровне стек приложений BLE (4.0) содержит следующие базовые профили: ● GAP (Generic Access Profile) – про- филь общего доступа; ● GATT (Generic Attribute Profile) – про- филь общих атрибутов; ● L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) – протокол ло- гического соединения и адаптации; ● ATT (Attribute Protocol) – протокол атрибутов; ● SM (Security Manager) – менеджер без- опасности; ● HCI (Host Controller Interface) – ин- терфейс хост-контроллер, часть на стороне хоста. В следующих редакциях BLE верхний уровень приложений был значительно расширен [53]. В 2013 году появилась следующая спецификацияBluetooth4.1, устранившая проблему взаимныхпомех при работе в зоне действия Wi-Fi и LTE. В версии 4.1 предусмотрен фильтр диа- пазона LTE. В том случае, когда передат- чик LTE создаёт помехидляBluetooth4.1, автоматическивключается система поис- ка канала, в которомпомехибудутмень- ше. Врезультате трансиверBluetooth4.1 будет работать на другой частоте, где помех от LTE значительно меньше. В декабре 2014 SIG представила новую спецификацию Bluetooth 4.2, которая представляет собой усовер- шенствованную версию специфика- ции 4.0. Основной маркетинговый слоган новой версии – Bluetooth for IoT (Bluetooth для Интернета вещей). В новой версии скорость возросла в 2,5 раза, до 2,5–7,5Мбит/с. Размер пакета данных увеличился в 10 раз. Это увели- чение достигнуто за счёт того, что в про- токол PDU (Protocol Data Unit) канала данных в версии 4.2 внесены существен- ные изменения. Кроме того, в этой вер- сии улучшены меры контроля доступа, конфиденциальности и безопасности. Крайне важным для приложений IoT является то, что в спецификации Bluetooth 4.2 был представлен новый профиль Internet Protocol Support Profile (IPSP), который реализует обмен пакетами IPv6 между устройствами по низкоэнергетическому транспорт- ному каналу (BLE Data Channels), в обход стандартных профилей GAP и GATT. Для управления потоком при этом используется протокол L2CAP. Использование протокола IPv6 over BLE позволило подключать к Интер- нету многочисленные датчики и про- стые батарейные устройства [54]. В версиях Bluetooth 4.0/4.1/4.2 в сетях BLE используются топологии «звезда» (Star) и P2P (piconet). В топологии «звезда» после акти- вации устройства FFD (Full Function Device) может сформировать соб- ственную сеть и стать координатором. В документе RFC 7668 [55] подроб- но описана технология адаптации 6LoWPAN, позволяющая использовать протокол IPv6 поверх сетей Bluetooth Low Energy в топологии «звезда». В топологии P2P одно устройство может обмениваться данными с любым другим устройством, которое находит- ся в пределах зоны его радиодосягае- мости. Одно из устройств объявляется координатором PAN, например, пер- вое, подключившееся к каналу связи. Последующая структура сети строит- ся согласно топологии P2P. Имеется возможность введения определённых топологических ограничений [56]. Летом 2016 года была представлена спецификация Bluetooth 5.0. Изменения коснулись в основном режима с низким потреблением Bluetooth LE 5 и высоко- скоростного режима. Из основных ново- введений в спецификации Bluetooth 5 для приложений BLE следует выделить: ● 2 × PHY for LE – 2 новых PHY (опци- онально) – удвоение скорости пере- дачи данных; ● Bluetooth LE Long Range – увеличение радиуса действия в 4 раза; ● Bluetooth LE Advertising Extensions – 8-кратное увеличение ёмкости рекламных каналов (Bluetooth advertising); ● Bluetooth LE Channel Selection Algorithm– модернизированный ал- горитм селекции каналов. Предыдущие спецификацииBluetooth 4.х допускали использование только одного PHY со скоростью передачи 1Мбит/с. В редакции 5.0 введеныопци- онально два новых PHY, которые удваи- вают скорость передачи данных. Также добавлена опция «Уменьшение энерго- потребления» за счёт того, что тот же объём данных передаётся за меньшее время. Уменьшение уровня взаимных помех от других сетей достигается за счёт меньшего времени нахождения передатчика в активном состоянии. Кодированный PHY позволяет в четыре раза увеличить радиус действия приёмников и передатчиков по сравне- нию с предыдущими версиями Bluetooh LE. Однако следует иметь в виду, что улучшение дальности, в свою очередь, потребует и возрастания времени пере- дачи при сохранении той же скорости. Поэтому, увеличивая радиус действия, придётся уменьшить объём передава- емой информации или скорость пере- дачи с теми же размерами пакетов. В тестовых испытаниях были достиг- нуты расстояния уверенной передачи в пределах прямой видимости до 800 м. Реальная скорость передачи дан- ных будет меньше теоретической за счёт временны ′ х задержек между паке- тами (150 мкс), а также за счёт переда- чи служебной информации (ответы, пакеты подтверждения и др.). Реальная скорость передачи для 2M PHY будет составлять примерно 1,4 Мбит/с [57]. Пакеты от периферийного устройства могут передаваться с использованием 1MPHY, а пакетыцентрального устрой- ства – через 2M PHY. При работе с двумя физическими уровнями второй PHY не может быть использован для первичного распро- странения рекламной информации в приложениях мобильного маркетин- га (Bluetooth advertising). Расширен- ная рекламная рассылка начинается на первичном канале и продолжается на вторичном. Это позволяет переда- вать 255 байт данных вместо 31. Увеличение дальности достигается за счёт использования механизма прямой коррекции ошибок (FEC). В стандарте