Любой звук начинается с источника. Сегодня существует масса беспроводных протоколов для передачи звука. Некоторые из них значительно интереснее Bluetooth, но пока не получили должного распространения. Сегодня Bluetooth оборудованы почти все смартфоны, ноутбуки и планшеты, а оснастить устройство его поддержкой при наличии USB-выхода - дело пяти минут.
Поэтому сегодня ограничимся именно звуковоспроизводящими устройствами с использованием «голубого зуба» (гайд вполне подойдёт и для выбора Bluetooth-колонки). Технология эта имеет довольно долгую историю и массу подводных камней, о существовании которых не всегда знают пользователи.
Наличие Bluetooth-передатчика не говорит о том, что устройство можно использовать в качестве источника звука для беспроводной аудиоаппаратуры. Не всякий Bluetooth позволит слушать качественную музыку без искажений. Не всякий подойдёт и для прослушивания файлов с высоким битрейтом и в lossless-форматах.
На что обратить внимание, чтобы слушать музыку без проводов - будь то просто MP3 или высококачественный рип с виниловой пластинки, мы расскажем в этой статье.
Начнём с самого важного: этот параметр напрямую говорит о том, можно ли слушать при помощи устройства музыку.
В современных устройствах чаще всего можно встретить поддержку Bluetooth 3.0 или 4.0, в некоторых топовых смартфонах и прочих гаджетах - 4.1. При этом вполне может оказаться, что приобретаемая гарнитура поддерживает подключение только по протоколу версии 2.1. Адаптеры обратно совместимы, но при подключении работает наиболее медленный протокол из двух.
Отличие между версиями протокола для обычного пользователя минимальны за счёт обратной совместимости. Основное, что бросается в глаза, - с каждой новой версией снижается энергопотребление устройств, а начиная с 3.0 добавлен второй модуль для высокоскоростной передачи данных на скорости 24 Мбит/с.
Версия 2.1 + EDR передаёт данные со скоростью не более 2,1 Мбит/с. Этого достаточно для воспроизведения аудиопотока низкого битрейта. Для воспроизведения аудиовидеопотока рекомендуется использовать версию Bluetooth не ниже 3.0.
Необходимо учесть, что для полноценного использования девайса в качестве плеера, крайне желательно наличие Bluetooth версии 4.0 и выше, а лучше - со сниженным энергопотреблением.
Опознать такой адаптер можно благодаря следующим категориям.
Профили - набор определённых функций, поддерживаемых устройствами. Из всех используемых в Bluetooth для прослушивания музыки интересны следующие:
Для полноценного прослушивания музыки необходим именно A2DP. Он не только обеспечивает передачу аудиопотока, но и управляет сжатием данных перед передачей.
Однако, даже если и передающее, и воспроизводящее устройство (например, смартфон и беспроводные наушники) оснащены Bluetooth 3.0 или 4.0 и поддерживают работу с необходимым протоколом, нужно обратить внимание на кодек, который используется.
Самое главное для воспроизведения музыки по протоколу A2DP - кодек, которым сжимается передаваемый на гарнитуру аудиопоток. Всего на данный момент существует три кодека:
| Версия | Число поддерживаемых каналов | Максимальная частота дискретизации, кГц | Квантование, бит | Максимальный битрейт | Степень сжатия |
| AptX | 2 | 44,1 | 16 | 320 кбит/с | 2:1 |
| Enhanced AptX | 2, 4, 5.1, 5.1+2 | 48 | 16, 20, 24 | до 1,28 Мбит / с | 4:1 |
| AptX Live | н/д | 48 | 16, 20, 24 | н/д | 8:1 |
| AptX Lossless | н/д | 96 | 16, 20, 24 | н/д | н/д |
| AptX Low Latency | н/д | 48 | 16, 20, 24 | н/д | н/д |
»
Главные особенности последних двух версий кодека - максимально сниженная задержка воспроизведения звука и сниженная нагрузка на процессор при кодировании. Версия Low Latency позволяет достигать задержки в 32 мс между источником аудиопотока и воспроизводящим устройством. Это позволит уменьшить искажения, вносимые аппаратурой при прослушивании музыки.
Таким образом, при определённых предпочтениях можно выбрать определённый кодек. Если воспроизведение lossless-потока не предполагается, а высокая задержка звука не критична - стоит ограничиться стандартным aptX и не переплачивать за поддержку устройством последующих версий.
Стоит помнить, что необходимый профиль и кодек должен поддерживаться как смартфоном (или другим источником аудиопотока), так и самой гарнитурой (или Bluetooth-колонкой). В противном случае алгоритм A2DP автоматически начнёт работу с использованием SBC.
C Bluetooth любые два устройства всегда работают, используя самую низкую версию, самый простой кодек и протокол. Так что, если одно из них не обладает поддержкой необходимой технологии, в полной мере насладиться качеством звучания не удастся.
Для прослушивания музыки в течение долгого времени требуется поддержка Bluetooth не ниже версии 3.0, кодека aptX и профиля A2DP. Для прослушивания музыки с высоким битрейтом необходима поддержка кодека aptX Lossless - ни один другой не подойдёт, поскольку музыка будет сжиматься при передаче на воспроизводящее устройство.
За последнее время количество пользователей мобильных гаджетов значительно увеличилось, а это значит, что большое количество различных технических моментов остаются для начинающих юзеров тёмными лошадками. Одним из таких нюансов и являются Bluetooth-версии.
Вопреки тому, что совместимость bluetooth-версий находится на достаточно высоком уровне, всё-таки иногда случаются ситуации, при которых становится невозможно совершить сопряжение двух устройств. И дело здесь именно в протоколах, а не в профилях. И чтобы обосновать вышеупомянутую невозможность, сперва требуется разобраться, в чём разница между двумя этими понятиями.
Протокол – это набор инструкций, посредством которого и осуществляется передача различной информации. Именно он задаёт порядок, рабочую частоту и длительность работы той или иной составляющей. А профилями называются дополнительные надстройки, которые позволяют оперировать информацией определённого типа. Например, A2DP – это профиль, позволяющий bluetooth-модулю работать со стереозвуком, где при сопряжении происходит также и согласование кодеков, которые будут использоваться.
Если посмотреть в глобальном плане, то версия протоколов имеет большее значение, чем значимость профиля. В случае если оба устройства имеют одинаковую версию протокола, то им будут доступны все стандартные функции и возможности, которые поддерживает модуль. А вот с профилями всё обстоит иначе. Так как они добавляются опционально, чтобы они использовались и работали, потребуется их наличие в обоих гаджетах. Если же лишь один bluetooth -модуль будет поддерживать необходимый профиль, при передаче данных он задействован не будет.
Многих пользователей интересует вопрос, как узнать версию bluetooth. Сделать это можно несколькими способами, но самый простой – прочесть в спецификации устройства. Но куда важнее понимать, что скрывается за этими цифрами.
Это описание будет содержать далеко не самый полный перечень версий протоколов, а лишь наиболее значимые для всей технологии в целом. И начать, разумеется, стоит с самой первой, которая была создана без пары лет почти два десятилетия назад – в 1998 году, партнёрской группой SIG или Special Interested Group. Первичная же разработка была учреждена тогда ещё шведской фирмой Ericsson за 4 года до выхода на рынок. В результате успешного исследования был создан достойный аналог проводным технологиям и назвали его в честь датского короля северян-викингов Харальда Первого Синезубого.
Первая версия имела просто ошеломляющую совместимость между устройствами различных изготовителей. Скорость была крошечной, а радиус действия явно не соответствовал установленному стандарту. Если бы не оперативные попытки доработать технологию, вся задумка могла кануть в Лету. И профессиональные качества работников не подвели, ибо вскоре вышла сперва версия 1.1, а затем и 1.2, которая стала вершиной эволюции модулей первого поколения. Общую совместимость подтянули до достаточно высокого уровня, радиус действия задавался честными десятью метрами, скорость передачи сделали просто заоблачной – 721 Кбит/сек, разумеется, теоретически.
Второе поколение произвело революцию, но именно версия 2.1 стала той путеводной звездой, которая используется и поныне. Очень многие устройства начального и среднего класса используют именно эту вариацию bluetooth-модуля. Главный упор был сделан на скорость, а решением стала надстройка EDR. Именно благодаря ей стало возможным осуществлять передачу на скоростях, близких к 3 Мбит/с, а уровень энергопотребления был снижен в пять раз. Разумеется, появились различные профили и надстройки, вплоть до возможности осуществлять раздачу доступа к сети.
Высокоскоростная спецификация 3.0 имела много общего с Wi-Fi, но не имела с ней прямой совместимости, а использование SLI-технологии, по которой два bluetooth -модуля соединялись в одну систему, позволило увеличить скорость передачи до 24 Мбит/сек. Причём при перемещении больших файлов использовался более высокоскоростной, но и энергозатратный протокол, а для небольших файлов – весьма экономичный.
В основу четвёртого поколения устройств была положена идея доработать предыдущую технологию, чтобы энергопотребление стало минимальным, а все остальные функции и возможности были увеличены и расширены. Так, помимо скорости, был увеличен и радиус, который теперь мог доходить до сотни метров. Пакеты данных стали более оптимальными по размеру, а также было добавлено их 128-битное шифрование. Габариты передатчика стали просто крошечными, что даёт возможность использовать их повсеместно. Одним из основных моментов было добавление трёх режимов работы.
Едва ли какой-либо технологии предрекали кончину чаще, чем Bluetooth. При этом невозможно не признать идею беспроводной связи довольно успешной: версия Bluetooth I.0 появилась на рынке более 15 лет назад, и никогда еще Bluetooth не использовался в таком количестве устройств, как сейчас. Все благодаря версии Bluetooth 4.0, которая теперь уже, впрочем, кажется довольно медленной. На смену приходит Bluetooth Low Energy (или Bluetooth Smart) - версия, экономящая заряд аккумулятора. При этом радиус действия ограничен 10 м, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, но при передаче потребляется не более 10 мА. И вот наступает следующий этап: организация Special Interest Group Bluetooth, в которую входят более 8000 компаний, готовит спецификацию версии Bluetooth 4.1. Безусловно, не стоит ожидать никаких революционных изменений, однако пользователей мобильных устройств ожидают некоторые важные нововведения.
Большая часть новинок Bluetooth 4.1. относится к защите от помех. Сейчас Bluetooth является стандартным компонентом смартфонов и планшетов: вскоре в эти устройства начнут внедряться и в LTE-модули. К сожалению, Bluetooth использует нелицензируемый частотный диапазон 2,45 ГГц (наряду с 2,6 ГГц) а также диапазон LTE в России и в других странах. Это может привести к взаимным помехам. Проблема заключается в том, что пользователь никак не может повлиять на сигнал LTE. От Bluetooth требовались определенные действия, чтобы избежать помех. И именно это было сделано в новой версии. Для минимизации помех в Bluetooth 4.1 будет встроен фильтр диапазона LTE. Если передатчик LTE создает помехи для передаваемых по Bluetooth данных, Bluetooth 4.1 моментально на это отреагирует. Так называемая система адаптивного переключения Bluetooth 4.1 будет искать другой канал, где меньше помех, передавая и принимая данные на другой частоте. Если для Bluetooth 4.0 LTE создает помехи в 75% случаев, с Bluetooth 4.1 этот показатель снижается до 25%.
Сейчас особенно популярны устройства с Bluetooth Low Energy. Специально для этого режима экономии энергии в версии 4.1 имеется новый способ передачи данных, который продлевает работу аккумулятора. Наученные горьким опытом пользователи Bluetooth знают о проблеме разобщенных соединений. Зачастую случалось так, что если пользователь уходил в другую комнату, соединение прерывалось. После этого приходилось настраивать соединение вручную. С Bluetooth 4.1 производители могут установить фиксированные интервалы, чтобы пользователь мог не настраивать каждый раз новое соединение после отключения. Bluetooth 4.1 может работать при прерванном соединении до трех минут - ранее этот показатель составлял не более 30 с. То, что для использования Bluetooth не обязательно подключаться к компьютеру, демонстрирует нововведение, разработанное специально для 3D-очков, работающих совместно с телевизором. Как правило, это требовало соединения с несколькими устройствами сразу, поэтому изображение на телевизорах часто отставало. Теперь все должно работать лучше. Бесконтактный Slave Broadcast в Bluetooth 4.1 — это вторая новая функция, от которой выиграют фанаты трехмерного кино. Bluetooth-соединение осуществляется только в одном направлении, телевизор в фиксированные интервалы посылает данные, 3D-очки принимают данные, но не посылают никаких ответных соединений телевизору.
Архитектура соединений Bluetooth 4.1 функционирует в соответствии с принципом Master-Slave. Одно устройство при этом действует как ведущее (Master), а второе - как ведомое (Slave). Все устройства могут работать как в качестве ведущих, так и в качестве ведомых. Таким образом, данные фитнес-браслета или пульсомера теперь можно передавать непосредственно в смартфон, который затем произведет их анализ. Ранее прямое взаимодействие фитнес-браслета и смартфона было невозможным.
Два преимущества обновления Bluetooth: во-первых, не нужно беспокоиться о совместимости. Bluetooth 4.0 и Bluetooth 4.1 абсолютно совместимы. Новый чип для Bluetooth 4.1 тоже не нужен. Bluetooth 4.1 будет доступен при помощи обновления прошивки Bluetooth 4.0. Эксперты также прогнозируют, что Bluetooth 4.1 будет поддерживать IPv6. Сейчас этого нет. Поскольку новая версия Bluetooth полностью поддерживает IPv6, всем устройствам Bluetooth будет присвоен IP-адрес, и к ним будет открыт доступ через Интернет. Так что можно говорить о том, что революция Bluetooth уже началась.
| Bluetooth 4.1 | Bluetooth 4.0 | Bluetooth 3.0 | Bluetooth 2.x | Bluetooth 1.х | |
| Базовая скорость | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с | 1 Мбит/с |
| EDR* | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | 3 Мбит/с | □ |
| High Speed | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с | 54 Мбит/с | □ | □ |
| Дальность (макс./мин. мощность) | 100 м/10 м | 100 м/10 м | 100 м/□ | 100 м/□ | 100 м/□ |
| Режим низкого энергопотребления | ■ | ■ | □ | □ | □ |
| Двойной профиль (одновременная роль в качестве Slave и Master) | ■ | □ | □ | □ | □ |
| Поддержка IPv6 | готовится | □ | □ | □ | □ |
| Сопряжение с NFC | ■ | ■ | ■ | ■ | □ |
| 128-битное шифрование AES | ■ | ■ | □ | □ | □ |
Обновлённый протокол для беспроводного обмена данными Bluetooth 4.1 должен выйти в свет уже в этом году. Новая версия «синего зуба» позволит напрямую взаимодействовать устройству с данным стандартом и облачному сервису. Если ныне действующая версия Bluetooth 4.0 имеет радиус действия, равный 30 м, не позволяя мобильным устройствам и ПК обмениваться файлами на превышающем данное значение расстоянии, то беспроводное соединение Bluetooth 4.1 сможет, задействовав в своих целях облачные возможности, существенно (хотя и косвенно) расширить лимит текущего диапазона.
В чём именно заключается преимущество данного нововведения? Учитывая растущую популярность фитнес-гаджетов и носимых устройств, оснастив своё устройство модулем с поддержкой Bluetooth 4.1, производитель сможет убрать в цепочке «гаджет — смартфон/планшет — доступ в облачный сервис» среднее звено и реализовать подключение напрямую, минуя дополнительные интерфейсы и т.д.
В принципе, с технической точки зрения реализовать подключение к облачной инфраструктуре можно уже сегодня, однако для этого необходимо задействовать различного рода сетевые устройства и так называемые хабы с полноценной операционной системой, роль которых может взять на себя мобильная электроника.
Планируется, что новая Bluetooth-сеть станет по-настоящему огромной инфраструктурой с абсолютно новым подходом во взаимодействии всевозможных типов портативной электроники и обычной техники. В конечном итоге это позволит реализовать обновлённый принцип удалённого мониторинга и управления. К примеру, данные непосредственно из носимого медицинского прибора смогут сразу попасть в облачную систему, а оттуда поступят на мобильное устройство вашего лечащего доктора. А пациенту, который является владельцем носимого гаджета, поддерживающего технологию Bluetooth 4.1, вовсе не нужно располагаться в непосредственной близости к врачу.
Модуль с Bluetooth 4.1 сможет взять на себя и роль хаба, принимая сигналы с других Bluetooth-устройств. Окончательные спецификации протокола Bluetooth 4.1 должны быть отработаны к концу этого года, а разработчики должны остановиться на двух ключевых направлениях: Low-Power-составляющая обновлённой технологии с ориентацией на популярные носимые устройства, а также полноценный Bluetooth 4.1 с функциями управления радиочастотами и ориентацией на применение модуля в персональных компьютерах и ноутбуках.
Здравствуйте.
3 декабря 2014 года Bluetooth SIG официально анонсировала спецификацию bluetooth версии 4.2.
В пресс-релизе указаны 3 главных нововведения:
Главный тезис пресс-релиза: версия 4.2 - идеальна для интернета вещей (IoT).
В этой статье я хочу рассказать, как реализованы эти 3 пункта. Кому интересно добро пожаловать.
Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…
Самым главным недостатком у BLE была малая скорость передачи данных. Хотя с какой стороны посмотреть, ведь изначально BLE придумывали ради сохранения энергии источника, питающего устройство. А чтобы беречь энергию, надо с перерывами выходить на связь и передавать немного данных. Однако, все равно, весь интернет заполнен возмущениями о малой скорости и вопросами о возможности ее увеличения, а также увеличения размера передаваемых данных.
И вот с появлением версии 4.2, Bluetooth SIG заявил об увеличении скорости передачи в 2,5 раза и размера передаваемого пакета в 10 раз. Как же они этого добились?
Сражу скажу, что эти 2 цифры связаны друг с другом, а именно: скорость увеличилась потому, что увеличился размер передаваемого пакета.
Посмотрим на PDU (protocol data unit) канала данных:
Каждый PDU содержит 16-ти битный заголовок (header). Так вот, этот заголовок в версии 4.2 отличается от заголовка в версии 4.1.
Вот заголовок версии 4.1:
А вот заголовок версии 4.2:
Примечание: RFU (Reserved for Future Use) - поле, обозначенное этой аббревиатурой зарезервировано для будущего использования и заполняется нулями.
Как мы видим, последние 8 бит заголовка отличаются. Поле «Lenght» - это сумма длин полезных данных и поля MIC (Message Integrity Check), находящегося в PDU (если последнее включено).
Если в версии 4.1 поле «Lenght» имеет размер 5 бит, то в версии 4.2 это поле размером 8 бит.
Отсюда несложно вычислить, что поле «Lenght» в версии 4.1 может содержать значения в промежутке от 0 до 31, а в версии 4.2 в промежутке от 0 до 255. Если из максимальных значений вычесть длину поля MIC (4 октета), то получим, что полезных данных может быть 27 и 251 октет для версии 4.1 и 4.2 соответственно. На самом деле максимальное кол-во данных еще меньше, т.к. в полезной нагрузке находятся еще и служебные данные L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета), но это мы рассматривать не будем.
Таким образом размер передаваемых пользовательских данных увеличился приблизительно в 10 раз. Что же касается скорости, которая, почему-то, увеличилась на в 10 раз, а всего в 2.5 раза, то тут нельзя говорить о пропорциональном увеличении, потому, что все упирается еще и в гарантированность доставки данных, ведь гарантировать доставку 200 байт немного сложнее чем 20-ти.
Пожалуй, самое интересное нововведение, из-за которого Bluetooth SIG и объявила, что версия 4.2 делает интернет вещей (IoT) лучше именно благодаря этой возможности.
Еще в версии 4.1 в L2CAP появился режим «LE Credit Based Flow Control Mode». Этот режим позволяет управлять потоком данных, используя т.н. схему, основанную на кредите. Особенность схемы в том, что она не использует сигнальные пакеты, для обозначения кол-ва передаваемых данных, а запрашивает у другого устройства кредит на определенный объем данных для передачи, тем самым ускоряя процесс передачи. При этом, принимающая сторона каждый раз при получении фрейма, уменьшает счетчик фреймов, и при достижении последнего фрейма может разорвать соединение.
В списке команд L2CAP появилось 3 новых кода:
- LE Credit Based Connection request – запрос на соединение по схеме кредита;
- LE Credit Based Connection response – ответ на соединение по схеме кредита;
- LE Flow Control Credit – сообщение о возможности получить дополнительные LE-кадры.
В пакете «LE Credit Based Connection request»
есть поле «Initial Credits» длиной в 2 октета, указывающее на кол-во LE-фреймов, которое устройство может отправить на уровне L2CAP.
В ответном пакете «LE Credit Based Connection response»
в том же поле указано кол-во LE-фреймов, которое может отправить другое устройство, а также в поле «Result» указан результат запроса на соединение. Значение 0x0000 говорит об успехе, остальные значения указывают на ошибку. В частности, значение 0x0004 указывает на отказ в соединении из-за отсутствия ресурсов.
Таким образом уже в версии 4.1 появилась возможность передачи большого кол-ва данных на уровне L2CAP.
И вот, практически одновременно с выходом версии 4.2, публикуется:
Главным требованием профиля для уровня L2CAP является «LE Credit Based Connection» появившееся в версии 4.1, которое, в свою очередь позволяет передавать пакеты с MTU >= 1280 октетов (надеюсь намек на цифру понятен).
Профиль определяет следующие роли:
- роль маршрутизатора (Router) – используется для устройств, которые могут маршрутизировать IPv6 пакеты;
- роль узла (Node) – используется для устройств, которые могу только принимать или отправлять пакеты IPv6; имеют функцию обнаружения сервисов и имеют сервис IPSS, позволяющий маршрутизаторам обнаруживать данное устройство;
Устройства с ролью маршрутизатора, которым необходимо подключение к другому маршрутизатору могут иметь роль узла.
Как ни странно, но передача пакетов IPv6 не является частью спецификации профиля, и указывается в IETF RFC «Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy» . В этом документе опредлен еще один интересный момент, а именно то, что при передаче пакетов IPv6 используется стандарт 6LoWPAN - это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEE 802.15.4.
Посмотрите на рисунок:
В профиле определено, что IPSS, GATT и ATT используются только для обнаружения сервиса, а GAP используется только для обнаружения устройства и установки соединения.
А вот выделенное красным, как раз говорит о том, что передача пакетов не входит в спецификацию профиля. Это позволяет программисту написать свою реализацию передачи пакетов.
Одной из обязанностей менеджера безопасности (Sequrity manager) (SM) является сопряжение двух устройств. В процессе сопряжения создаются ключи, которые затем используются для шифрования связи. Процесс сопряжения состоит из 3-х фаз:
В версии 4.2 2-я фаза разделилась на 2 части:
В связи с этим в криптографическом тулбоксе менеджера безопасности помимо 3-х существующих функций, появилось еще 5 и эти 5 используются только для обслуживания нового процесса сопряжения «LE Secure Connections». Эти функции генерируют:
Все функции используют алгоритм шифрования AES-CMAC с 128-ми битным ключом.
Так вот, если при сопряжении во 2-й фазе по методу «LE legacy pairing» генерировалось 2 ключа:
то по методу «LE Secure Connections» генерируется 1 ключ:
Результатом этого нововведения мы получили:
Как это ни странно звучит, но за счет улучшения безопасности мы получили улучшение энерго-эффективности.
Да, есть.
NORDIC Semiconductor выпустил «nRF51 IoT SDK» который включает в себя стек, библиотеки, примеры и API для устройств серии nRF51. Сюда входят:
