Технология Bluetooth стала вездесущей особенностью современной жизни. Если у вас есть беспроводные наушники, смарт-часы или автомобиль с цифровой системой, с большой вероятностью всё это связывается с вашим смартфоном по Bluetooth. Но что такое Bluetooth и как он работает? В этой статье мы рассмотрим все основы этой технологии, её историю, применение и перспективы на будущее.
Технология Bluetooth
Bluetooth — это глобальный стандарт для беспроводного соединения. В настоящее время он имеет широкий спектр применения, от бытовой электроники до промышленной автоматизации. Но всё это только на данный момент, поэтому лучше начать с краткой истории появления и становления этой технологии.
Идея беспроводной связи впервые возникла в 1989 году в шведской телекоммуникационной компании Ericsson. В то время Ericsson разрабатывала беспроводную гарнитуру для использования со своими мобильными телефонами. Они поняли, что им нужен способ беспроводного подключения гарнитуры к телефону, что привело к разработке первой версии технологии Bluetooth.
В 1998 году Ericsson собрал консорциум компьютерных и электронных компаний, чтобы вывести свою новую технологию на потребительский товаров. На момент презентации технология разрабатывалась уже несколько лет и была призвана освободить компьютеры, телефоны, КПК и другие устройства от проводов, необходимых для передачи данных между ними.
Название «Bluetooth» было выбрано не случайно. Оно происходит от имени Харальда Блюту, короля викингов из Дании, который был известен своей способностью объединять различные группы людей. Смысл этого названия в том, чтобы отразить способность технологии соединять различные устройства без проводов.
Первая версия технологии Bluetooth, известная как Bluetooth 1.0, была выпущена в 1999 году. Радиус её действия составлял всего 10 метров, а максимальная скорость передачи данных – 1 Мбит/с.
Одними из ключевых причин невероятного успеха Bluetooth являются её огромная гибкость, предоставляемая разработчикам, и относительно низкая стоимость. Предлагая два варианта радиосвязи, технология блютуса предложила универсальный набор полнофункциональных решений для удовлетворения постоянно растущих потребностей разработчиков и потребителей в беспроводной связи.
Что такое Bluetooth и как он работает
Bluetooth — это стандарт технологии беспроводной связи, которая позволяет устройствам обмениваться данными на коротких расстояниях. Протокол Bluetooth работает без проводов, то есть с помощью электромагнитного излучения (как радио или Wi-Fi) на диапазоне частот 2.402–2.480 ГГц.
После установления безопасного соединения между передатчиком и приёмником, данные разбиваются на небольшие пакеты, которые затем передаются на чередующихся частотах.
Беспроводная передача данных в диапазоне ISM (Ггц)
Чтобы избежать помех от других устройств, которые также могут использовать диапазон частот 2.4 ГГц, устройства Bluetooth произвольно переходят с одной частоты на другую 1600 раз в секунду, пока не будут переданы все пакеты.
Для связи необходимо, чтобы устройства были совместимы со стандартом Bluetooth и находились в пределах действия сигнала, который составляет около 10-15 метров. Стандарт — то есть все устройства, которые поддерживают Bluetooth, соблюдают определённый порядок работы: вещают на определённой частоте, шифруют сигналы определённым образом и т. д.
Устройства, использующие технологию Bluetooth, работают по принципу «ведущий–ведомый» Master/slave (мастер-и-слейв). Одно устройство выступает в роли мастера и контролирует связь с другими устройствами, которые выступают в роли слейвов. Мастер может подключаться к нескольким слейвам одновременно и управлять ими.
Пример топологии Master/slave
Ведущее устройство координирует обмен данными во всей сети. Он может отправлять данные любому из своих ведомых устройств и запрашивать данные у них. Ведомые могут передавать и принимать данные только от своего ведущего, но не могут общаться с другими ведомыми.
Какая бывает мощность передатчика
Изначально Bluetooth задумывался как стандарт радиосвязи между персональными устройствами, которые находятся рядом друг с другом. Рядом — потому что используются маломощные передатчики: они должны не слишком быстро высаживать аккумуляторы на устройствах. Скорость и дальность — это два параметра, связанные между собой: чем больше дальность, тем меньше скорость и наоборот.
В стандарте Bluetooth определены три класса мощности передатчика:
1. Первый класс. Максимальная мощность передатчика — 100 мВт. Его хватает для устойчивой связи на расстоянии 100-200 метров, но такие адаптеры и сетевые платы редко где установлены.
2. Второй класс, который работает с мощностью 2.5 мВт и держат хорошую связь на расстоянии 10-20 метров.
3. Третий класс. Он самый слабый по мощности, всего 1 мВт, из-за этого устройства передают данные без потерь только на расстояние 5-7 метров.
Раньше был и четвёртый класс мощности, но от него решили отказаться из-за слишком маленького радиуса действия.
Чаще всего в смартфоны и ноутбуки ставят модули второго и третьего класса, чтобы снизить энергопотребление. Также это связано с тем, что чем меньше класс, тем меньше нужна антенна для приёма и передачи сигнала.
Подключение с помощью Bluetooth
Многие мобильные устройства имеют встроенные радиоприемники Bluetooth. ПК и некоторые другие устройства, не имеющие встроенных радиоприемников, можно подключить к Bluetooth, например, с помощью Bluetooth-адаптера.
Процесс соединения двух устройств Bluetooth называется «сопряжением». Процесс сопряжения зависит от устройства, к которому вы подключаетесь. Но как правило, устройства передают друг другу сигнал о своем присутствии, а пользователь выбирает устройство Bluetooth, к которому он хочет подключиться, когда его имя или ID появляется на его устройстве. Когда устройства сопрягаются, они обмениваются своими адресами, именами и профилями и обычно хранят их в памяти.
Выбор сопряжённых устройств на смартфоне iPhone
Сопряженные устройства автоматически устанавливают соединение, когда они находятся достаточно близко друг к другу. Например, если вы достаете беспроводные наушники из футляра, то они автоматически подключаются к системе Bluetooth на вашем смартфоне, поскольку они сопряжены между собой. Никаких дополнительных взаимодействий от пользователя не требуется, а это очень удобно.
Поскольку устройств с поддержкой Bluetooth становится все больше, становится важно знать, когда и к какому устройству вы подключаетесь. Сопряжение обычно требует процесса аутентификации, в ходе которого пользователь должен подтвердить соединение между устройствами. Может существовать код, который необходимо ввести, чтобы убедиться, что вы подключаетесь к нужному устройству. Длина и сложность кода может варьироваться от четырех цифр до 16-символьной буквенно-цифровой строки.
Ограничения Bluetooth
Потребление энергии. Включенный на устройстве Bluetooth расходует энергию аккумулятора. Хотя с развитием технологии эта проблема стала менее значительной, чем раньше.
Ограниченная скорость передачи данных. Скорость передачи данных зависит от версии, но в среднем она составляет около 1 Мбит/с. Это может быть недостаточно для передачи больших объёмных файлов.
Совместимость. Хоть Bluetooth и имеет различные версии, но все устройства будут работать между собой. Однако не на любом устройстве доступны самые новые и актуальные версии. Поэтому оба устройства будут работать по низшему протоколу.
Ограниченный радиус действия. Обычно он составляет около 10-15 метров. Как и в случае всех беспроводных технологий, ему мешают препятствия, такие как стены, пол или потолок, которые могут ещё больше сократить этот радиус действия.
Чем отличаются версии Bluetooth
Когда мы говорим о каждой итерации Bluetooth, три фактора помогают различать разные версии: радиус действия, скорость передачи данных и энергопотребление. Эти факторы определяются схемой модуляции и используемым пакетом данных.
Bluetooth 1.0-2.0: умели только соединять устройства и передавать данные на скорости около 1 Мбит/с на расстоянии до 10 метров. Такие скорости сегодня и трудно представить. Защиты как таковой не было, поддержки нескольких одновременных подключений — тоже.
Bluetooth 3.0: значительно увеличена скорость передачи данных (до 24 Мбит/с), но возросло энергопотребление.
Bluetooth 4.0: уменьшено энергопотребление с сохранением скорости 24 Мбит/с.
Bluetooth 4.1: появилась защита от перекрёстных помех при совместной работе с LTE-модулями, установленными во всех 4G смартфонах.
Bluetooth 4.2: увеличена скорость и улучшена защита передачи данных.
Bluetooth 5.0: по сравнению с предыдущей версией увеличен радиус действия в 4 раза, скорость увеличена в 2 раза.
Bluetooth 5.1: появилась возможность определять местоположение и направление с максимальной точностью.
Bluetooth 5.2: уровень оптимизации работы сильно вырос. Увеличился радиус действия, а задержка наоборот уменьшилась.
Bluetooth 5.3: актуальная версия на момент выхода статьи, которая только набирает обороты в технологической индустрии. В ней добавлена устойчивость к помехам и более гибкое управление ключами шифрования. Стандартная скорость передачи данных — до 40 Мбит/с.
Напомним, что для работы определенной версии Bluetooth её должны поддерживать оба устройства. То есть, если в вашем смартфоне Bluetooth 5.3, а в наушниках 4.2, то для подключения будет использоваться Bluetooth 4.2.
Параллельно с основным Bluetooth создаются модификации. Одна из наиболее полезных — Bluetooth LE, что означает Low Energy (низкий расход энергии). Из название уже ясна её цель — снизить потребление расхода аккумулятора на устройствах. Пример устройств с Bluetooth LE — смарт-часы, фитнес-браслеты и маячки для поиска предметов.
Насколько безопасен Bluetooth?
Bluetooth технология обеспечивает безопасность передачи данных путём шифрования информации, передаваемой между устройствами. Устройства также часто меняют радиочастоты во время сопряжения, что предотвращает лёгкое вторжение.
Кроме того, устройства предлагают множество настроек, позволяющих пользователю ограничить соединения Bluetooth. Безопасность на уровне устройства «доверие» к устройству Bluetooth ограничивает соединения только этим конкретным устройством. С помощью настроек безопасности можно также ограничить виды деятельности, которые разрешено выполнять устройству во время Bluetooth-соединения.
Но у Bluetooth всё же есть одно слабое место — если злоумышленник во время поиска и сопряжения устройств будет просматривать весь трафик, он сможет вычислить защитный код. А зная его, можно подключиться к любому устройству. Выход из этого очень простой: нужно убедиться, что в радиусе 20 метров нет других электронных устройств.
Опасен ли Bluetooth для здоровья?
На данный момент нет никаких подтверждающих фактов опасность Bluetooth для здоровья. Мы можем только ссылаться на исследования, которые проводила Всемирной организацией здравоохранения. Они показали, что технология Bluetooth не представляет угрозы для здоровья человека.
Мощность передатчика Bluetooth ограничена законодательством и обычно составляет до 100 мВт, что значительно меньше, чем мощность передатчиков мобильных телефонов. Однако, как и при использовании любой другой технологии, рекомендуется соблюдать некоторые меры предосторожности, например, не держать устройства с Bluetooth слишком близко к телу на протяжении долгого времени.
Что ждёт Bluetooth в будущем
Bluetooth постоянно развивается с тех пор, как он был задуман в 1989 году. За 20 с лишним лет своего существования Bluetooth изменил то, как мы работаем, играем и живём, обеспечив потоковую передачу звука без проводов. Поскольку технология продолжает развиваться, в будущем мы можем ожидать ещё больше интересных и полезных вариантов её использования.
С ростом спроса на устройства Internet of Things (устройства и приложения, объединённые одной общей экосистемой) ожидается, что Bluetooth будет играть важную роль в подключении. Это позволит устройствам беспрепятственно и эффективно взаимодействовать друг с другом, что приведёт к созданию более подключенного мира.
Bluetooth также сыграет важную роль в развитии умных городов. Благодаря внедрению датчиков с поддержкой Bluetooth, города смогут контролировать движение транспорта, парковку и даже качество воздуха. Это позволит городу оптимизировать свои ресурсы и улучшить качество жизни горожан.
Ещё одна тенденция, которая, как ожидается, определит будущее Bluetooth, — это появление новых голосовых помощников. Умные колонки с поддержкой Bluetooth становятся всё более популярными, а поскольку голосовые помощники, такие как Siri, Alexa, Алиса и Маруся, становятся всё более совершенными, то в будущем появится больше устройств с голосовым управлением по протоколу Bluetooth.
Кроме того, мы увидим появление конкурентов, которые бросят вызов Bluetooth на определенных фронтах, и некоторые из них могут добиться успеха.
