Как работает Bluetooth: не все так просто

Если задуматься, выяснится, что вы понятия не имеете, как работает большинство функций привычных вам электронных устройств. Восполнить эти пробелы я постараюсь в серии образовательных статей. Начнется же она с Bluetooth – технологии беспроводной связи, без которой не обходится ни один смартфон. О том, как она появилась, почему так названа, что из себя представляет и какой станет в ближайшем будущем, читайте в этом материале.

История названия Bluetooth

В 1998 году инженер компании Intel Джим Кардак, в составе большой команды разработчиков трудился над радиотехнологией ближнего действия. Системой связи, которая могла бы объединить компьютеры и мобильные телефоны универсальным протоколом связи.

Для нее технологии было перебрано множество названий, но ни одно из них не устраивало руководство компании. Одни были какими-то-громоздкими, другие не отражали сути проекта. Тогда, Джим Кардак услышал от своего шведского коллеги историю об одной маленькой норвежской деревеньке.

Она известна лишь одной старинной достопримечательностью. Там установлены рунные камни Еллинга.

Сейчас они защищены от непогоды и вандалов прочным стеклом, за которым поддерживается постоянная температура, но больше тысячи лет каменную поверхность поливали дожди и ветра, так что ныне камни Еллинга мало напоминают те монументы, что были здесь когда-то.

Самый маленький и самый старый из них поставлен королем Дании Гормом в честь жены, Тиры. Камень побольше — дело рук их сына, чье имя, в переводе на английский звучит как Харольд Блютуз (Синезубый). Надпись на нем гласит «Харальд, покоривший всю Данию и Норвегию, кто крестил датчан».

История о владыке, объединившим такие непохожие народы, приглянулась Кардаку и он решил, что из имени «Блютуз» получится неплохое кодовое название. Надо же как-то называть проект пока продолжаются споры. Только и всего.

После долгих совещаний и согласований официальным названием решили сделать «Персональная Сеть» или PAN (Personal Area Networking), но за три недели до релиза юристы сказали, что не могут зарегистрировать товарный знак на нечто с таким распространенным названием. Выбора не осталось, и за протоколом закрепили техническое название — имя древнего короля — Bluetooth.

Что до логотипа, то он означает: Харальд Блютуз. «ХБ», написанные рунным алфавитом слившись вместе образуют нечто древней подписи.

Тысячу лет назад датский король приказал вырезать и воздвигнуть камни в память о своих деяниях, а через век его имя увековечили в каждом смартфоне.

Аппаратная основа Bluetooth

Думаю, среди читателей этой статьи вряд ли найдется хоть один человек, который бы никогда не пользовался Bluetooth, так что я не буду задерживаться на том, для чего нужна эта технология. Лучше сразу расскажу, как выходит, что файлы перемещаются будто по воздуху с одного телефона на другой.

Вначале работу Bluetooth обеспечивал отдельный невзрачный маленький чип, который ничем не отличался от других компонентов, распаянных на плате телефона.

Однако, со временем миниатюризация, подстегиваемая погоней за наименьшей толщиной телефонов и первых смартфонов, вынудила инженеров создать чипы, объединяющие в себе Wi-Fi, FM-радио и Bluetooth под одной крышкой. Так эти протоколы связи могли использовать одну антенну, да и в случае поломки куда проще заменить один чип, чем несколько распаянных по всей плате.

Вот только в современных смартфонах вы скорее всего не найдете и комбинированного чипа беспроводных интерфейсов.

Нынче Bluetooth принято интегрировать в кремниевый кристалл, объединяющий в себе процессор, видео ускоритель и прочие вычислительные элементы.

Встраивать сетевой функционал непосредственно в кристалл или выносить его отдельным чипом решает производитель процессоров. В продаже ещё можно найти отдельные чипы Bluetooth от MediaTek, но постепенно такой подход к компоновке компонентов уходит в прошлое.

Принцип функционирования протокола

Что же до процесса передачи, то выбрав файл в меню операционной системы, вы активируете радиопередатчик, работающий в ограниченном диапазоне частот в районе 2,4ГГц, так называемом ISM — Industry, Science and Medicine — части спектра, выделенной специально под нужды различных высокотехнологичных устройств.

Bluetooth начинает отслеживать все сигналы, в этих пределах. Смартфон на другом конце делает то же самое — старается вычленить из шума помех знакомые приветственные последовательности.

Стоит иметь в виду, что формально Bluetooth это разом и приемник, и передатчик, но одновременно работать в обоих режимах чип не может. Исключение составляет звук в bluetooth-гарнитурах, но этот аспект технологии заслуживает отдельного рассказа.

После того, как телефоны обнаружили друг друга, начинается настоящая магия. Первый Bluetooth контроллер берет на себя роль передатчика, а второй становится приемником. Передатчик формирует из радиоволн особый шаблон, который меняется 1600 раз за секунду «прыгая» с одной из доступных 79 частот (в пределах с 2,401ГГц до 2,480ГГц) на другую в почти что случайном порядке.

Шаблон выступает в роли идентификатора. Обменяться файлами смогут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон. В то же время для других приборов передаваемая информация ничем не отличается от обычных радиопомех. Так удается добиться не только приватности, но и беспрепятственной одновременной работы нескольких пар приемник-передатчик, например, в одной комнате.

Непосредственно перед отправкой по bluetooth данные разбиваются на пакеты — определённым образом оформленные блоки данных, сопровождаемые инструкциями по сборке из них исходного файла.

Процессор приемника обрабатывает эти пакеты, складывает их в один файл и помещает его в постоянную память устройства. Если обнаруживается нехватка пакета, он запрашивается повторно.

Весь это процесс требует куда меньше времени, чем понадобилось на то, чтобы прочесть его объяснение — обычно от нескольких секунд, до пары минут. Скорость передачи файла зависит главным образом от его размера.

Краткая история версий

Некоторые из наших читателей могут помнить времена, когда передача файлов по Bluetooth была тем еще занятием. Единственный рингтон мог передаваться десятки минут, а процесс сопровождали разрывы связи. Имели место и проблемы совместимости между разными аппаратами (скажем, LG и Nokia). Все дело в версиях. Ни один продукт не идеален с самого первого дня его существования. Протоколы связи постоянно дорабатываются и настраиваются.

Так, Bluetooth 1.0 был ужасен, и по сути представлял собой демонстрационный образец. К счастью, в реальной жизни почти никто не успел с ним столкнуться.

Bluetooth 1.1 и 1.2 были чуть лучше, но принципиально от первой версии не отличались. С ними разработчики в основном сосредоточились на исправлении ошибок и повышении стабильности протокола.

Только с 10 ноября 2004 года, когда был выпущен Bluetooth 2.0, технология пошла в массы. С внедрением EDR (Enhanced Data Rate) скорость передачи данных достигла 2,1 Мбит/с, а Bluetooth быстро приобрел огромную популярность.

Следующим большим шагом вперед стал выход Bluetooth 4.0 в котором под одним названием фактически объединили несколько протоколов связи: обычный, высокоскоростной и с низким энергопотреблением. Последний из них — Bluetooth Low Energy продвигался как идеальное решение для миниатюрных устройств эпохи интернета вещей, которая так и не наступила. Зато экономичный протокол пригодился при создании гарнитур, беспроводных наушников и фитнес браслетов.

В этом режиме сканирование радиодиапазона не обязательно пробуждает устройство. Смартфон с помощью Bluetooth Low Energy может распознать, например, гарнитуру, и поддерживать с ней связь, не выходя из режима ожидания.

К тому же, новые версии этого беспроводного протокола обучены распараллеливать вещание. Речь не об одновременной связи с несколькими устройствами (это было реализовано уже давно), а о распределении полосы связи между различными приложениями.

Поскольку место в каждом пакете с данными ограничено, раньше приложения, желающие передать данные через Bluetooth, конкурировали за него. С выпуском Bluetooth 4.0 разработчики могут указывать содержимое пакетов вещания, а радиомодуль отправлять данные каждого приложения в отдельном наборе пакетов.

Как и в случае со сканированием, технология теперь позволяет настроить частоту передачи пакетов запросов, для соблюдения баланса между питанием и работой функций Bluetooth, например, сканирования или подключения к беспроводному геймпаду.

Наиболее распространенной сейчас является модификация Bluetooth 4.2, с более сложной и безопасной, чем у первоначальной модификации процедурой установления соединения между устройствами.

В декабре Bluetooth 4.2 исполняется три года – почтенный возраст, так что в грядущем 2018 большинство смартфонов, по крайней мере из среднего и высокого ценового сегментов, будут иметь на борту Bluetooth 5.0, еще более быстрый энергоэффективный и стабильный.

По сравнению с версией 4.2 новый Bluetooth обладает в два раза большей максимальной скоростью передачи данных — 6,25 МБ/с, и куда большим радиусом. Замеры в лабораторных условиях, которые и приводят в характеристиках протокола, говорят об увеличении радиуса связи с 10 до 40 метров в помещениях и с 50 до 200 метров на улице.

Для особенно прожорливых приложений и быстрой передачи больших объемов данных добавлен и режим вещания с увеличенным пакетом.

Bluetooth Special Interest Group, нынешние разработчики протокола, продолжают развитие темы интернета вещей и ввели для него схему последовательного подключения устройств. Проще говоря, с Bluetooth 5.0 данные могут передаваться не только напрямую между смартфоном и умной лампочкой, но и через систему посредников – ретрансляторов, в роли которых выступят другие элементы умного дома.

К счастью, с выходом новых версий протокол не утрачивает поддержки старых – это называется обратной совместимостью. Так Bluetooth 5.0 без проблем установит соединение с Bluetooth 3.0, но передача данных будет ограничена скоростью младшего протокола и, конечно, все эти новые возможности работать не будут.

Заключение или пара слов о будущем протокола

С 1994 года Bluetooth стал неотъемлемым атрибутом любого смартфона, оказался востребован в самых разных устройствах, от умных лампочек, до геймпадов. Тем не менее, похоже, что пик популярности протокола уже пройден.

По крайней мере мы все реже пользуемся его базовым функционалом – передачей файлов с устройства на устройство без посредников.

Вряд ли технология вновь обретет прежнюю популярность как средство передачи файлов, по крайней мере в тех странах, где есть скоростной интернет, но для выполнения других задач Bluetooth по-прежнему незаменим.

Все больше компаний отказываются от 3,5 мм jack в своих смартфонах и нет никаких сомнений в том, что гарнитуры будут присоединяться к новым флагманам именно по Bluetooth. Но приведет ли распространение Bluetooth 5.0 к новому взлету популярности технологии, покажет только время.