Все о Bluetooth

Владельцы мобильных телефонов чаще всего используют Bluetooth, чтобы скинуть на ноутбук пару картинок или музыкальных файлов, но этот модуль способен на большее. Мы рассказываем о возможностях новых версий беспроводного стандарта.

Технология Bluetooth, которую начала разрабатывать еще в 1994 году шведская компания Ericsson, первоначально предназначалась вовсе не для мобильных телефонов, а для создаваемого в те годы концепта Flyway (www.swedetrack.com). Flyway – это система персонального автоматического транспорта. Она представляет собой разветвленную монорельсовую дорогу с вагончиками небольшой вместимости. Каждый из них может перемещаться по своему индивидуальному маршруту в рамках сети – что-то вроде такси, только без водителя. Технологии Bluetooth в этой новой транспортной системе отводилось ключевое место: именно с ее помощью все элементы обменивались между собой данными.

Само название Bluetooth первоначально было лишь кодовым названием этого проекта. Происходит оно от прозвища датского короля Харольда Блатанда, который, как гласит предание, получил его из-за своих гнилых зубов. Почему тогда синий? Оказывается, во времена викингов слово «бла» означало и «синий», и «черный» цвет. Несмотря на не совсем здоровые зубы, король смог объединить обособленные удельные княжества Дании и создать сильное государство. Идея объединения людей и стала основополагающей при разработке Flyway и ее протокола синхронизации. Когда дело дошло до коммерческого запуска технологии, более подходящего названия, чем кодовое Bluetooth, разработчики стандарта придумать не смогли.

Первые шаги нового стандарта

Уже в ходе разработки технологии в Ericsson поняли, что она отлично подойдет и для передачи данных между мобильными устройствами. В 1998 году по инициативе компании была создана группа разработчиков Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG, www.bluetooth.com), в которую также вошли IBM, Intel, Toshiba и Nokia. В том же году появилась версия протокола Bluetooth 1.0, а чуть позднее, в начале 1999 года, увидел свет ее исправленный вариант – Bluetooth 1.0B. В этих версиях протокола для установки соединения требовалась обязательная передача устройствами своих аппаратных адресов, что делало невозможными анонимные соединения. В первых спецификациях не были жестко зафиксированы некоторые технические характеристики. Из-за этого оборудование разных производителей оказалось фактически несовместимым между собой: настроить два разных устройства Bluetooth было, мягко говоря, непросто.

Частотный хоппинг

В 2001 году была представлена спецификация Bluetooth 1.1 – в ней не было полной обратной совместимости с двумя предыдущими версиями протокола 1.0, однако разработчики исправили все недостатки и ошибки.

Появились и новые функции: соединение могло быть незашифрованным, устройства отображали уровень принимаемого сигнала. А главное, с версией Bluetooth 1.1 обратно совместимы уже все последующие варианты протокола Bluetooth, поэтому ее до сих пор можно встретить во многих работающих устройствах. Модули Bluetooth 1.1 сейчас настолько просты и дешевы, что их наличие увеличивает себестоимость изделия лишь на несколько центов.

В 2003 году вышла спецификация Bluetooth 1.2. В ней использовалась технология AFH, позволяющая отдавать приоритет наименее зашумленным частотам. Это значительно повысило помехоустойчивость связи и позволило увеличить скорость передачи данных. Новых схем модуляции, однако, не применялось, поэтому максимальная скорость Bluetooth осталась прежней – 721 кбит/с. Разница по сравнению с версией 1.1 была только в том, что у Bluetooth 1.2 реальная скорость работы оказывалась ближе к теоретически возможному пределу благодаря наличию AFH.

Затем за счет технологии eSCO улучшилось качество передачи голоса. Кроме того, в новой версии в два раза увеличилась скорость обнаружения и спаривания устройств, появилась опциональная возможность одновременного подключения двух устройств. Вместе с версией 1.2 началась передача стереозвука по профилю A2DP.

Переход на второй уровень

В ноябре 2004 года вышла новая версия Bluetooth 2.0, в которой впервые опционально была реализована технология EDR – устройства с ее поддержкой до сих пор помечают как «2.0+EDR». За счет применения новейших алгоритмов кодирования сигнала EDR позволяет передавать данные в 3 раза быстрее – до 2,1 Мбит/с. В самом потоке данных скорость передачи может достигать 3 Мбит/с. Однако часть этой пропускной способности «съедается» – тратится на повторную отправку ошибочных пакетов (из-за помех). Кроме того, расходуется служебный трафик – для кодирования и шифрования информации.

Увеличение скорости передачи данных вместе с ростом помехоустойчивости позволило снизить энергопотребление Bluetooth приблизительно в три раза. Правда, это утверждение справедливо не для всех устройств, а только для тех, которым не требуется увеличенная скорость передачи данных (например, гарнитуры). Также упростилось одновременное подключение нескольких устройств: за счет увели чения разрядности адресации появилась возможность при построении локальной беспроводной сети использовать в ней не 8, как раньше, а 256 устройств.

Современный этап развития

В 2007 году спецификация Bluetooth обновилась – появилась версия 2.1 (также с опциональной поддержкой EDR), которая получила технологию расширенного запроса характеристик устройства для быстрой настройки всех профилей.

Кроме того, была добавлена энергосберегающая технология Sniff Subrating с оптимизированными циклами работы и ожидания. Она позволяет увеличивать продолжительность работы устройства Bluetooth от одного заряда аккумулятора в пять раз. Обновленная спецификация беспроводного стандарта Bluetooth 2.1 существенно упростила и ускорила установление связи между двумя устройствами и позволила производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, что улучшает защиту. Правда, такое упрощение установки связи возможно только в том случае, если оба устройства оснащены модулями NFC. Они создают в небольшом радиусе вокруг себя электромагнитное поле: достаточно поднести устройства друг к другу, чтобы запустить процесс соединения.

Большинство существующих адаптеров (здесь мы принимаем в расчет не только пользовательские, но и корпоративные системы) снабжено устаревшими модулями Bluetooth 1.1 и 1.2. Поддержка стандарта Bluetooth 2.0+EDR присутствует в современных моделях телефонов и ноутбуков. Что же касается Bluetooth 2.1+EDR, то новая версия стандарта вплоть до последнего времени не получила широкого распространения: многие производители почему-то игнорируют эту версию.

Возможно, причина в следующем: все ее преимущества достигаются лишь при наличии встроенного модуля NFC, который требует как минимум дополнительной антенны. Но есть и более простое объяснение: устаревшие модули Bluetooth 2.0 дешевле, поэтому их выгоднее использовать и в самых современных моделях.

Скоростной Bluetooth

В 2009 году была принята очередная спецификация Bluetooth 3.0+HS. HS (High Speed) – это новый уровень скорости передачи данных, которая может достигать 24 Мбит/с. Многим специалистам такой параметр показался нереальным, однако новейшие модули и в самом деле работают быстрее, чем их предшественники Bluetooth 2.1. Действительно, это выглядит неправдоподобным: если Intel выпускает новые процессоры, опережающие старые модели на несколько процентов, все компьютерные журналы пишут об этом как о невероятном достижении. А когда консорциум Bluetooth SIG создает новую спецификацию беспроводного стандарта, ускоряющего передачу данных в 10 раз (!), событие остается вне поля зрения большинства по льзователей, словно оно их вообще не касается.

Дело в том, что такая высокая скорость возможна вовсе не при передаче данных по каналу Bluetooth: в нем по-прежнему максимальная скорость ограничена 2,1 Мбит/с, как это и было в случае с использованием технологии EDR. Для перехода на 24 Мбит/с применяется прямое соединение по протоколу Wi-Fi. Протокол Bluetooth в данном случае используется не на физическом, а лишь на логическом уровне: для организации самого соединения между устройствами. Wi-Fi выступает в роли транспортного радиопротокола, тогда как сам интерфейс Bluetooth остается только в качестве каркаса для связывания устройств.

Однако использование технологии Wi-Fi для передачи данных не означает совместимости устройства Bluetooth с привычными сетями Wi-Fi. Речь идет только об использовании той же физической модели передачи по стандарту IEEE 802.11 – никакой логической совместимости с сетями 802.11a/b/g/n у телефонов и смартфонов с Bluetooth как не было, так и нет.

Вечный двигатель

Конечно, Bluetooth 3.0+HS можно считать настоящим технологическим прорывом, однако у него, как и у всякого большого достижения, есть оборотная сторона. Работа на такой высокой скорости быстро истощает аккумулятор, поэтому создатели нового стандарта сразу же столкнулись с проблемой энергосбережения. Для ее решения в декабре 2009 года была выпущена новейшая спецификация Bluetooth 4.0, что также можно считать неординарным событием: если мы обратимся к истории, то увидим, что ранее между выпусками версий Bluetooth проходило, как правило, от 4 до 5 лет. В Bluetooth 4.0 нет принципиальных изменений относительно скорости передачи данных, нововведения касаются лишь энергопотребления. Этот стандарт предназначается для использования преимущественно в различных датчиках, которые могут применяться в тренажерах, медицинских приборах, автомобилях. Передатчик Bluetooth включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы модуля от одной часовой батарейки в течение нескольких лет! В таком режиме стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета 8–27 байт. Намного быстрее происходит соединение: два устройства Bluetooth могут устанавливать его менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование. 

Профили Bluetooth

Каждое Bluetooth-устройство поддерживает определенный набор так называемых профилей – они представляют собой стандартизированные алгоритмы обмена данными. Поддержка тех или иных профилей позволяет легко определить возможности устройства. Для работоспособности функции требуется поддержка профиля обоими Bluetooth-устройствами.

Для более качественной передачи звука используется A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) – расширенный профиль распространения аудио. Он отвечает за передачу стереозвука по радиоканалу Bluetooth на какое-либо принимающее устройство. Профиль различает два типа устройств: передатчик (A2DP-SRC — Advanced Audio Distribution Source), например телефон; приемник (A2DP-SNK – Advanced Audio Distribution Sink), например наушники. При установке связи передатчик и приемник согласуют кодек, который необходимо применить, и параметры кодирования: битрейт, частоту дискретизации и др. Стандартом определен один обязательный кодек SBC – он не требует большой вычислительной мощности для кодирования и декодирования, но отличается низким качеством звука. SBC выбирается, если приемник и передатчик не могут «договориться» об использовании других кодеков: MP3, AAC, ATRAC.

Обычно устройства, работающие с A2DP, поддерживают и профиль AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile). Он предназначен для дистанционного управления источником сигнала и в версии AVRCP 1.0 позволяет запускать или останавливать воспроизведение, осуществлять перемотку и переход между треками. В версии профиля AVRCP 1.3 протокол передает текущее состояние источника и метаданные о самом медиаэлементе, например название песни. В версии AVRCP 1.4 появилась возможность просмотра плей-листов и выбора композиции.

BPP (Basic Printing Profile) позволяет пересылать текст, визитные карточки и другие элементы на принтер. Этот профиль универсален – установка драйверов принтера не нужна. А вот профиль HCRP (Hard Copy Cable Replacement Profile) дает возможность полноценно использовать беспроводной принтер, однако требует установки драйверов.

HID (Human Interface Device Profile) обеспечивает поддержку устройств ввода: мышей, джойстиков, клавиатур. Существует также довольно большое количество и других профилей Bluetooth – их общее количество доходит до 28 (данные на момент написания статьи).

Стеки Bluetooth

Помимо профиля, в Bluetooth есть такое понятие, как стек. Для удобства понимания можно представить его как программное обеспечение, управляющее аппаратным модулем, то есть набор драйверов устройства. Каждый из таких драйверов отвечает за реализацию определенного профиля. Для пользователя разница в наличии на компьютере того или иного стека Bluetooth заключается в поддержке определенного набора профилей и в различном графическом интерфейсе для работы с ними.

Widcomm

Первым стеком Bluetooth для операционных систем компании Windows стал Widcomm. После приобретения компании Widcomm фирмой Broadcom он был, соответственно, переименован в стек Broadcom. В настоящее время этот стек распространен мало и работает только с устройствами, производители которых приобрели лицензию у Broadcom. Он поддерживает редко встречающиеся, но нужные некоторым пользователям профили — HCRP, BPP и BIP. А кроме того – имеет дружелюбный интерфейс, прекрасно вписывающийся в стандартный интерфейс Windows.

Microsoft

В Windows, начиная с выхода Windows XP SP2, появился собственный стек Bluetooth. В Windows Vista он был обновлен: добавились поддержка HID-устройств до загрузки ОС, профили A2DP и AVRCP. Дополнительные профили, вроде FTP, BIP, BPP, стали доступны в виде подключаемых модулей, выпускаемых сторонними производителями. Предусмотрена поддержка Bluetooth 2.0+EDR, а в Vista Feature Pack – еще и Bluetooth 2.1+EDR, который также поддерживается в штатном стеке Windows 7.

Toshiba

Компания Toshiba разработала собственный Bluetooth-стек, который устанавливает на свои ноутбуки. Этим стеком по лицензии снабжается и ряд моделей Fujitsu, ASUS, Dell и Sony. Он также поставляется с некоторыми Bluetooth-адаптерами. Стек Toshiba поддерживает один из наиболее полных перечней профилей Bluetooth.

BlueSoleil

Среди альтернативных стеков наиболее распространен BlueSoleil, предложенный IVT Corporation. Недостаток BlueSoleil – некорректная работа с Bluetooth-модулями различных производителей. Периодически обращаясь к своему серверу, стек может вдруг выяснить, что аппаратный адрес устройства не лицензирован, после чего перейдет в режим ограниченной функциональности, в котором можно передать лишь 5 Мб данных. Впоследствии вам потребуется повторная активация стека BlueSoleil.