В попередніх матеріалах оглядали кодеки та протоколи Bluetooth, за допомогою яких звичайні користувачі можуть користуватися гарнітурами, фітнес-трекерами та навіть функціями в автомобілі. Сьогодні розглянемо покращення та нові можливості у новому поколінні Bluetooth 6.

Технічні покращення Bluetooth

З кожним переходом на нове покоління, покращуються технічні характеристики Bluetooth. На цей раз збільшилась загальна швидкість та зменшення затримок при передачі даних. Досягається це за рахунок нових та оптимізації вже існуючих методів. Звісно, вони всі невидимі для звичаного користувача.

	Bluetooth 4.2	Bluetooth 5.4	Bluetooth 6.0
Максимальна швидкість (Мбіт/с)	1	2	∼3
Пропускна здатність (Мбіт/с)	1	2	∼3
Затримки (мс)	150-250	25-40	∼20
Споживання електроенергії	Високе	Низьке	Найнижче
Максимальна відстань (м)	60	240	300

Наведемо список покращень в новій генерації Bluetooth 6.0 та спробуємо розібрати їх в наступних розділах:

• Bluetooth Channel Sounding необхідна для стандартизації та забезпечення безпечного підходу для надійного та точного вимірювання відстані між пристроями;
• Decision-Based Advertising Filtering — покращення пропускної здатності та надійності під час надсилання повідомлень між непід’єднаними пристроями;
• Monitoring Advertisers — покращення енергоефективності за рахунок поліпшеного «спілкування» між пристроями;
• ISOAL Enhancement — зменшення затримок при передачі даних;
• LL Extended Feature Set — збільшення функціоналу в Канальному рівні (Link Layer, LL) для подальших пристроїв;
• Frame Space Update — кращий контроль між внутрішньою передачою пакетів.

Bluetooth Channel Sounding

Багатьом застосункам необхідно обчислювати відстань між пристроями. У попередніх версіях Bluetooth застосували метод Path Lost Calculation. Він вимагає  вимірювання сили (RSSI) та точне значення падіння рівня прийнятого сигналу на контрольній відстані (1 метр). Застосовуючи математику та знаючи фізику дізнаємося прикрий графік нижче. Особливо, цей метод вразливий до перешкод та впливу навколишнього середовища. Тому застосування даного методу не дуже безпечно та надійно. Наприклад, для систем безключового доступу до автомобілів. Тому необхідне створення нового складнішого методу.

Для розв’язання цієї проблеми група по стандартизації Bluetooth SIG у новій версії Bluetooth 6.0 запроваджують нову технологію — Bluetooth Channel Sounding. В неї входить дві нових методи для обчислення відстані: Фазовим Визначенням Дальності (Phase-Based Ranging, PBR) та Визначення Часу Обміну даними (Round-Trip Timing, RTT). Нова система повинна забезпечувати безпеку та мати надвисоку точність до кількох сантиметрів у визначення відстані між обома пристроями.

Метод PBR використовує фундаментальні особливості радіосигналу: фаза, частота та довжина хвилі. Наведемо приклад із зображення нижче. У нас існує два пристрої, які контактують між собою. Перший з них це Ініціатор, а другий — Відбивач.

Ініціатор передає сигнал на заданій частоті f₁ до Відбивача, який «відбиває хвилю» назад. Ініціатор отримує перші дані та обчислює фазу P_f1 прийнятого сигналу. Після цього процедура повторюється, тільки вже з іншою частотою f₂ отримуємо нові дані про фазу P_f2. Тепер можемо визначити відстань між пристроями у формулі, застосовуючи різницю між частотами (f₁ – f₂), фазами (P_f1 – P_f2) та швидкість світла. На практиці, для кращої точності вимірювання обчислення відбувається більше, ніж два рази. 

У методу PBR існує певна проблема — Distance Ambiguity, або Неоднозначність Відстані. Згідно з зображенням вище, значення фаз через деякий час починають повторюватися на різних відстанях між пристроями. Така неоднозначність залежить від різниці між частотами називається Розділенням Частот. Bluetooth CS використовує значення 1 МГц, тому Неоднозначність не виникає приблизно до 150 метрів. Для подолання такого недоліку використовується метод RTT.

Ініціатор відправляє пакет даних до Відбивача та створює змінну, яка записує час передачі пакета, відомий як ToD (Time of Departure). Отримавши пакет від Відбивача назад, створюється нова змінна — ToA (Time of Arrival). Після цього визначаємо фінальний час T_(A-D), то міру проїденої відстані обчислюємо помноживши T_(A-D) на швидкість світла та поділивши на 2.

Цей метод також має певну проблему — пакет з даними прийде Відбивачу, але йому самому ще необхідно прийняти, обчислити, сформувати відповідь та передати вже нові дані назад до Ініціатора. А це все час, на який може витрачатися точно не одна мілісекунда.

Bluetooth Channel Sounding гарантує точні значення часу щодо роботи Відбивача завдяки різним методам захоплення ToD / ToA, і ці дані можуть бути використано для подальшого точнішого вимірювання відстані. 

З цікавого, в Bluetooth Channel Sounding додано систему детектора атак. Вона вказує ймовірність атаки на пристрої у програмному рівні. Звісно, у самих контролерів Bluetooth також встановлені системи для протидії ним.

Decision-Based Advertising Filtering (DBAF)

Для зв’язку по Bluetooth застосовується складний Канальний рівень (Link Layer, LL), в якому описані стани кожного з пристроїв: Очікування (Standby), Ініціалізація (Initiating), Оголошення (Advertising), Підключення (Connection), Сканування (Scanning), Ізохронна Трансляція (Isochronous Broadcast), Синхронізація (Synchronization). Наочно ці стани показані на зображенні нижче. У кожного з цих рівнів існують свої Політики Фільтрації (Filter Policies), які повинні фільтрувати прийняті пакети даних та відправляти їх на рівні вище.

 

Однак бувають такі моменти, коли Пристрій №1 (Відправник) зайнятий оголошенням пакетів для пошуку інших приладів, а не своєю роботою з вже підключеним Пристроєм №2 (Отримувач). Через це виникають пропуски пакетів, затримки та зменшення швидкості підключення. Саме тому був розроблений новий складніший метод оголошень ADV_DECISION_IND, який повинен замінити попередні варіанти. Це дасть змогу Відправнику отримувати необхідні пакети від Отримувача. Інші пристрої з правильними параметрами Політики Фільтрації не будуть заважати з’єднаним вже пристроям. Особливо, це повинно допомогти в середовищі з великою кількістю Bluetooth приладів.

Monitoring Advertisers

Однією з головних особливостей Bluetooth LE (Low Energy) полягає у новому сприйнятті виявленню пристроїв. Транслюючи через певні проміжки часу невеличкі пакети даних, пристрої інформують один одного, що знаходяться в зоні видимості або готові з’єднати між собою. Виявлення досягається шляхом сканування середовища радіоприймачем на основних каналах Bluetooth LE. Це досить просто та зручно.

Звісно, сканування та видимість залежить від багатьох факторів: відстань, сила сигналу, зовнішнє середовище з перепонами тощо. Не забуваємо про те, що ці пакети генерують однакові звіти всередині систем, тому необхідно застосовувати фільтрацію дублювальних повідомлень.

Отримання повідомлень до та після фільтрації

Проте нам потрібно чітко знати, коли саме пристрої «зникають з поля видимості». Якщо застосовувати стандартний спосіб, необхідно ще раз робити сканування середовища. Для нового методу Monitoring Advertisers не потрібні усі ці фільтрації оголошень. Він дозволяє хосту отримати лише два пакети оголошень: необхідний пристрій вийшов з межі дії передавача та коли повернувся назад. Для цього застосовується параметр сили сигналу (RSSI). Тому значно збільшується оптимізація обчислень та ефективність відстежування пристроїв. Необхідно це перш за все для аудіо приладів (гарнітур чи навушників), бо зменшуються витрати електроенергії та довше працюють від батареї. Спеціально для застосування у Bluetooth LE Audio було вигадано цей метод.

ISOAL Enhancement

Bluetooth LE Audio використовує так званий ізохронний звʼязок для гарантованої передачі кількох потоків повʼязаних даних та відтворювати їх на необхідні приймачі одночасно. Наприклад, у безпровідні гарнітури аудіо спочатку передається до лівого каналу та відповідного навушника, потім до правого, але відтворення з обох йде одночасно. У Bluetooth за цей звʼязок відповідає Ізохронний Фізичний канал (Isochronous Physical Channel) та Ізохронний Фізичний шар (Isochronous Physical Channel).

Як можете згадати в одному з попередніх випусків, аудіо перетворюється в цифровий формат під час створення семплів. Саме їх кодеки стикають у розмірі. Набір семплів у кодеку називають Кадром (Frame). Вони мають фіксовану тривалість та мають певну кількість семплів, що визначаються Частотою дискретизації. Наприклад, один кадр тривалістю 10 мс та частотою 44,1 кГц містить 441 семпл. 

Дивлячись на складну схему роботи ISOAL (Isochronous Adaptation Layer) вище, відразу розумієте, що такий процес при отриманні, обробці, передачі можуть не тільки втрачатися кадри, а й збільшуватись затримки. Тому було представлено Unsegmented Frame Mode. Грубо кажучи, пакети між канальним та програмним рівнями не діляться (сегментуються) на менші частини. Це не тільки зменшує затримки, а й підвищує надійність завдяки зменшенню ризиків втратити передані пакети даних. 

LL Extended Feature Set

Функціональність протоколу Bluetooth постійно розширюється. Саме тому необхідно підтримувати чітку визначеність між пристроями. Наприклад, Пристрій №1 підтримує профіль A2DP, а чи підтримує його Пристрій №2? Для цього в Канальному рівні існує змінна та процедура FeatureSet. Пристрій №1 відправляє FeatureSet до Пристрою №2 вказавши своєрідну таблицю своїх можливостей. 

Умовний приклад FeatureSet з профілями 

Незабаром стало зрозуміло, що 64 бітів недостатньо для покриття широкого спектра функцій, визначених у головній специфікації Bluetooth 6 та для майбутніх стандартів. У зв’язку з цим довелося значно збільшувати розмір FeatureSet та ділити на адресовані сторінки. Сторінка 0 містить перші 64 біти згідно зі специфікацією Bluetooth 6. А далі ще 10 пронумерованих сторінок, кожна з яких має розмір 192 біти. 

Канальний рівень зі старим та оновленим FeatureSet

Frame Space Update

В специфікації нового стандарту чітко вказано, що можна застосовувати різні значення часових інтервалів передачі. Зазвичай, це значення становить 150 мкс. Тепер його можна збільшувати чи зменшувати залежно від необхідності. Завдяки цьому покращується загальна пропускна здатність даних.Тому технологію можна застосовувати:

• У фітнес-трекерах, що передають всі накопичення дані за один раз на смартфон чи ноутбук;
• Для оновлення прошивок пристроїв;
• Завдяки Bluetooth LE Audio, аудіопакети будуть надсилатися через ізохронічний потік коротшими пакетами. Тому надсилатимуться швидке та зменшують ймовірність колізій;
• Менше проблем з іншими пристроями, які застосовують радіосигнал у своїх цілях;
• Якщо контролер всередині пристрою матиме малу обчислювальну потужність, збільшення часового інтервалу дасть змогу краще працювати з ним.

Оновлена схема роботи процедури Frame Space Update

В новому поколінні Bluetooth отримав багато оптимізацій та покращень: значне підвищення вимірювання дистанції між пристроями, стабільніша передача музики, закладений фундамент для підтримки майбутніх генерацій, покращена енергоефективність та інші корисні можливості, які невидимі для звичайних користувачів. Сподіваємось, пристрої з новим стандартом зʼявляться незабаром та зможемо гідно оцінити їхні можливості. 

Favbet Tech – це ІТ-компанія зі 100% українською ДНК, що створює досконалі сервіси для iGaming і Betting з використанням передових технологій та надає доступ до них. Favbet Tech розробляє інноваційне програмне забезпечення через складну багатокомпонентну платформу, яка здатна витримувати величезні навантаження та створювати унікальний досвід для гравців.