Bluetooth 6.0: технические чудеса для обычного пользователя

В предыдущих материалах обозревали кодеки и протоколы Bluetooth, с помощью которых обычные пользователи могут пользоваться гарнитурами, фитнес-трекерами и даже функциями в автомобиле. Сегодня рассмотрим улучшения и новые возможности в новом поколении Bluetooth 6.

Технические улучшения Bluetooth

С каждым переходом на новое поколение, улучшаются технические характеристики Bluetooth. На этот раз увеличилась общая скорость и уменьшение задержек при передаче данных. Достигается это за счет новых и оптимизации уже существующих методов. Конечно, они все невидимы для обычного пользователя.

	Bluetooth 4.2	Bluetooth 5.4	Bluetooth 6.0
Максимальная скорость (Мбит/с)	1	2	∼3
Пропускная способность (Мбит/с)	1	2	∼3
Задержки (мс)	150-250	25-40	∼20
Потребление электроэнергии	Высокий	Низкий	Самое низкое
Максимальное расстояние (м)	60	240	300

Приведем список улучшений в новой генерации Bluetooth 6.0 и попробуем разобрать их в следующих разделах:

• Bluetooth Channel Sounding необходима для стандартизации и обеспечения безопасного подхода для надежного и точного измерения расстояния между устройствами;
• Decision-Based Advertising Filtering — улучшение пропускной способности и надежности при отправке сообщений между неподключенными устройствами;
• Monitoring Advertisers — улучшение энергоэффективности за счет улучшенного «общения» между устройствами;
• ISOAL Enhancement — уменьшение задержек при передаче данных;
• LL Extended Feature Set — увеличение функционала в Канальном уровне (Link Layer, LL) для последующих устройств;
• Frame Space Update — лучший контроль между внутренней передачей пакетов.

Bluetooth Channel Sounding

Многим приложениям необходимо вычислять расстояние между устройствами. В предыдущих версиях Bluetooth применили метод Path Lost Calculation. Он требует  измерение силы (RSSI) и точное значение падения уровня принятого сигнала на контрольном расстоянии (1 метр). Применяя математику и зная физику узнаем досадный график ниже. Особенно, этот метод уязвим к помехам и влиянию окружающей среды. Поэтому применение данного метода не очень безопасно и надежно. Например, для систем бесключевого доступа к автомобилям. Поэтому необходимо создание нового более сложного метода.

Для решения этой проблемы группа по стандартизации Bluetooth SIG в новой версии Bluetooth 6.0 вводит новую технологию — Bluetooth Channel Sounding. В нее входит два новых метода для вычисления расстояния: Фазовым Определением Дальности (Phase-Based Ranging, PBR) и Определение Времени Обмена данными (Round-Trip Timing, RTT). Новая система должна обеспечивать безопасность и иметь сверхвысокую точность до нескольких сантиметров в определении расстояния между обоими устройствами.

Метод PBR использует фундаментальные особенности радиосигнала: фаза, частота и длина волны. Приведем пример из изображения ниже. У нас есть два устройства, которые контактируют между собой. Первый из них это Инициатор, а второй — Отражатель.

Инициатор передает сигнал на заданной частоте f₁ к Отражателю, который «отражает волну» обратно. Инициатор получает первые данные и вычисляет фазу P_f1 принятого сигнала. После этого процедура повторяется, только уже с другой частотой f₂ получаем новые данные о фазе P_f2. Теперь можем определить расстояние между устройствами в формуле, применяя разницу между частотами (f₁ — f₂), фазами (P_f1 — P_f2) и скорость света. На практике, для лучшей точности измерения вычисления происходит больше, чем два раза. 

У метода PBR существует определенная проблема — Distance Ambiguity, или Неоднозначность расстояния. Согласно изображению выше, значения фаз через некоторое время начинают повторяться на разных расстояниях между устройствами. Такая неоднозначность зависит от разницы между частотами и называется Разделением Частот. Bluetooth CS использует значение 1 МГц, поэтому Неоднозначность не возникает примерно до 150 метров. Для преодоления такого недостатка используется метод RTT.

Инициатор отправляет пакет данных к Отражателю и создает переменную, которая записывает время передачи пакета, известный как ToD (Time of Departure). Получив пакет от Отражателя обратно, создается новая переменная — ToA (Time of Arrival). После этого определяем финальное время T_(A-D)то меру проеденного расстояния вычисляем умножив T_(A-D) на скорость света и разделить на 2.

Этот метод также имеет определенную проблему — пакет с данными придет Отражателю, но ему самому еще необходимо принять, вычислить, сформировать ответ и передать уже новые данные обратно к Инициатору. А это все время, на которое может тратиться точно не одна миллисекунда.

Bluetooth Channel Sounding гарантирует точные значения времени относительно работы Отражателя благодаря различным методам захвата ToD / ToA, и эти данные могут быть использованы для дальнейшего точного измерения расстояния. 

Из интересного, в Bluetooth Channel Sounding добавлена система детектора атак. Она указывает вероятность атаки на устройства в программном уровне. Конечно, у самих контроллеров Bluetooth также установлены системы для противодействия им.

Decision-Based Advertising Filtering (DBAF)

Для связи по Bluetooth применяется сложный Канальный уровень (Link Layer, LL), в котором описаны состояния каждого из устройств: Ожидание (Standby), Инициализация (Initiating), Объявление (Advertising), Подключение (Connection), Сканирование (Scanning), Изохронная Трансляция (Isochronous Broadcast), Синхронизация (Synchronization). Наглядно эти состояния показаны на изображении ниже. У каждого из этих уровней существуют свои Политики Фильтрации (Filter Policies), которые должны фильтровать принятые пакеты данных и отправлять их на уровни выше.

Однако бывают такие моменты, когда Устройство №1 (Отправитель) занято объявлением пакетов для поиска других приборов, а не своей работой с уже подключенным Устройством №2 (Получатель). Из-за этого возникают пропуски пакетов, задержки и уменьшение скорости подключения. Именно поэтому был разработан новый более сложный метод объявлений ADV_DECISION_IND, который должен заменить предыдущие варианты. Это позволит Отправителю получать необходимые пакеты от Получателя. Другие устройства с правильными параметрами Политики Фильтрации не будут мешать соединенным уже устройствам. Особенно, это должно помочь в среде с большим количеством Bluetooth устройств.

Monitoring Advertisers

Одной из главных особенностей Bluetooth LE (Low Energy) заключается в новом восприятии обнаружения устройств. Транслируя через определенные промежутки времени небольшие пакеты данных, устройства информируют друг друга, что находятся в зоне видимости или готовы соединиться между собой. Обнаружение достигается путем сканирования среды радиоприемником на основных каналах Bluetooth LE. Это достаточно просто и удобно.

Конечно, сканирование и видимость зависит от многих факторов: расстояние, сила сигнала, внешняя среда с преградами и тому подобное. Не забываем, что эти пакеты генерируют одинаковые отчеты внутри систем, поэтому необходимо применять фильтрацию дублирующих сообщений.

Получение сообщений до и после фильтрации

Однако нам нужно четко знать, когда именно устройства «исчезают из поля видимости». Если применять стандартный способ, необходимо еще раз делать сканирование среды. Для нового метода Monitoring Advertisers не нужны все эти фильтрации объявлений. Он позволяет хосту получить только два пакета объявлений: необходимое устройство вышло из зоны действия передатчика и когда вернулось обратно. Для этого применяется параметр силы сигнала (RSSI). Поэтому значительно увеличивается оптимизация вычислений и эффективность отслеживания устройств. Необходимо это прежде всего для аудио приборов (гарнитур или наушников), потому что уменьшаются расходы электроэнергии и дольше работают от батареи. Специально для применения в Bluetooth LE Audio был придуман этот метод.

ISOAL Enhancement

Bluetooth LE Audio использует так называемую изохронную связь для гарантированной передачи нескольких потоков связанных данных и воспроизводить их на необходимые приемники одновременно. Например, в беспроводные гарнитуры аудио сначала передается в левый канал и соответствующий наушник, затем в правый, но воспроизведение с обоих идет одновременно. В Bluetooth за эту связь отвечает Изохронный Физический канал (Isochronous Physical Channel) и Изохронный Физический слой (Isochronous Physical Channel).

Как можете вспомнить в одном из предыдущих выпусков. Аудио преобразуется в цифровой формат во время создания сэмплов. Именно их кодеки сталкивают в размере. Набор сэмплов в кодеке называют Кадром (Frame). Они имеют фиксированную продолжительность и имеют определенное количество сэмплов, определяемых Частотой дискретизации. Например, один кадр длительностью 10 мс и частотой 44,1 кГц содержит 441 сэмпл. 

Глядя на сложную схему работы ISOAL (Isochronous Adaptation Layer) выше, сразу понимаете, что такой процесс при получении, обработке, передаче может не только терять кадры, но и увеличивать задержки. Поэтому был представлен Unsegmented Frame Mode. Грубо говоря, пакеты между канальным и программным уровнями не делятся (сегментируются) на меньшие части. Это не только уменьшает задержки, но и повышает надежность благодаря уменьшению рисков потерять переданные пакеты данных. 

LL Extended Feature Set

Функциональность протокола Bluetooth постоянно расширяется. Именно поэтому необходимо поддерживать четкую определенность между устройствами. Например, Устройство №1 поддерживает профиль A2DP, а поддерживает ли его Устройство №2? Для этого в Канальном уровне существует переменная и процедура FeatureSet. Устройство №1 отправляет FeatureSet в Устройство №2 указав своеобразную таблицу своих возможностей. 

Условный пример FeatureSet с профилями 

Вскоре стало понятно, что 64 бит недостаточно для покрытия широкого спектра функций, определенных в главной спецификации Bluetooth 6 и для будущих стандартов. В связи с этим пришлось значительно увеличивать размер FeatureSet и делить на адресуемые страницы. Страница 0 содержит первые 64 бита согласно спецификации Bluetooth 6. А дальше еще 10 пронумерованных страниц, каждая из которых имеет размер 192 бита. 

Канальный уровень со старым и обновленным FeatureSet со старым и обновленным FeatureSet

Frame Space Update

В спецификации нового стандарта четко указано, что можно применять различные значения временных интервалов передачи. Обычно, это значение составляет 150 мкс. Теперь его можно увеличивать или уменьшать в зависимости от необходимости. Благодаря этому улучшается общая пропускная способность данных, поэтому технологию можно применять:

• В фитнес-трекерах, передающих все накопленные данные за один раз на смартфон или ноутбук;
• Для обновления прошивок устройств;
• Благодаря Bluetooth LE Audio, аудиопакеты будут отправляться через изохронический поток более короткими пакетами. Поэтому будут отправляться быстрее и уменьшают вероятность коллизий;
• Меньше проблем с другими устройствами, которые применяют радиосигнал в своих целях;
• Если контроллер внутри устройства будет иметь малую вычислительную мощность, увеличение временного интервала позволит лучше работать с ним.

Обновленная схема работы процедуры Frame Space Update процедуры Frame Space Update

В новом поколении Bluetooth получил много оптимизаций и улучшений: значительное повышение измерения дистанции между устройствами, более стабильная передача музыки, заложен фундамент для поддержки будущих поколений, улучшенная энергоэффективность и другие полезные возможности, которые невидимы для обычных пользователей. Надеемся, устройства с новым стандартом появятся в скором времени и сможем по достоинству оценить их возможности. 

Favbet Tech – это IT-компания со 100% украинской ДНК, которая создает совершенные сервисы для iGaming и Betting с использованием передовых технологий и предоставляет доступ к ним. Favbet Tech разрабатывает инновационное программное обеспечение через сложную многокомпонентную платформу, способную выдерживать огромные нагрузки и создавать уникальный опыт для игроков.