Bluetooth5: поддержка mesh-сетей, увеличение радиуса действия, возможность сосуществования с другими технологиями – потенциал для IoT

В декабре 2016 года был выпущен стандарт Bluetooth 5. Цель его разработки заключалась в создании более подходящей технологии для приложений Интернета вещей (IoT). Тем не менее, поддержка ячеистой топологии (mesh networking) в нем по-прежнему отсутствовала, хотя это важнейший компонент для каждого IoT-приложения: от промышленных систем до маяков (биконов) и домашней автоматизации. Чтобы понять, почему важна поддержка mesh-сетей, необходимо рассматривать ее совместно с другими улучшениями Bluetooth 5: расширенным радиусом действия, увеличенной скоростью передачи данных и способностью параллельной работы с другими технологиями.

Общие сведения о ячеистой mesh-топологии

Bluetooth использует сетевую топологию типа «звезда» (рис. 1 a), в которой все устройства подключены к центральному концентратору (hub). Поскольку узлы сети сами не могут выступать в качестве концентраторов, единственным способом расширения сети является подключение большего количества устройств к центральному концентратору. Это легко сделать в проводной сети (хотя требуется много кабелей), но радиус действия беспроводной сети с топологией «звезда» ограничен, поэтому максимальное расстояние определяется самым удаленным подключенным устройством. Ячеистая топология оказывается значительно лучше (рис. 1 б), в ней все устройства общаются друг с другом, что делает радиус действия и площадь охвата почти неограниченными.

Рис. 1. «Звездная» топология (a) имеет ограниченную возможность расширения, в то время как для ячеистой топологии (б) эти возможности практически неограниченны

Отсутствие поддержки mesh-сетей в Bluetooth по мере роста практической реализации IoT стало серьезным недостатком. Например, на производстве одновременно могут работать сотни беспроводных датчиков, каждый из которых должен делиться информацией, которая позже передается во внешний мир через сеть Интернет с помощью проводных или беспроводных средств. Bluetooth этого делать не может.

На самом деле потребность в поддержке mesh-сетей в Bluetooth была столь велика, что некоторые компании, например, Cambridge Silicon Radio (CSR), приобретенная Qualcomm в 2015 году, создавали способы, позволяющие BLE-устройствам образовывать ячеистые сети, хотя такая возможность официально и не была включена в стандарт. Эти компании, а также Nordic Semiconductor и другие, работали с организацией Bluetooth SIG, чтобы ускорить внедрение mesh-сетей в Bluetooth 5.

Теперь mesh-сети являются частью стандарта Bluetooth 5. Этот факт сам по себе делает данную технологию основным претендентом для использования в любых IoT-приложениях. В отличие от большинства конкурирующих технологий, поддержка Bluetooth есть в каждом смартфоне, планшете и портативном компьютере, поэтому сеть Bluetooth 5 можно настроить и перенастроить «на лету» с помощью соответствующих приложений, при этом пользователь может находиться в той же комнате или за тысячи километров. Это снижает как стоимость, так и сложность управления сетью Bluetooth 5. В системе IoT это является основным преимуществом.

Поддержка mesh-сетей дополняется еще одним улучшением Bluetooth 5 – увеличением радиуса действия, который имеет теоретический предел в 200 метров, что вдвое больше, чем у Bluetooth 4.0. Bluetooth 5 также характеризуется повышением максимальной выходной мощности с 10 дБм (10 мВт) до 20 дБм (100 мВт).

Роль радиуса действия, скорости и параллельной работы с другими технологиями

Расширение радиуса действия является большим плюсом для любого коммуникационного приложения, но это особенно важно в области домашней автоматизации. Теперь, благодаря увеличению радиуса действия и поддержке ячеистой топологии, Bluetooth 5 может применяться и в этой сфере. Эти улучшения позволяют устройствам с поддержкой Blueooth 5 обмениваться информацией в помещениях любого размера, а также на улице и между зданиями. Ранее для Bluetooth это было невозможно, чем и пользовались такие конкурирующие технологии как Wi-Fi и Zigbee.

Использование маяков

Увеличение радиуса действия и поддержка mesh-сетей также должны повлиять на работу Bluetooth-маяков (beacon).

Маяк используется для доставки очень коротких сообщений и отслеживания Bluetooth-устройств на коротких расстояниях, без установления полноценного соединения между маяком и Bluetooth-устройством. Единственное необходимое требование заключается в том, что на устройстве, обычно на смартфоне или планшете Apple или Android, должно быть установлено приложение, предназначенное для взаимодействия с маяками. В настоящее время основными пользователями маяков стали сети розничных продаж. Давайте рассмотрим их в качестве примера.

Предположим, что владелец установил маяки в различных местах розничного торгового центра: на входе в магазин, у витрин и на выходных кассовых терминалах. Эти очень небольшие по размеру устройства (всего 1x5x0,75 дюймов) выполняют радиопередачу с определенным интервалом времени. Каждая из передач содержит небольшой объем данных. Поскольку он минимален, выходная мощность радиопередатчика очень низка, а потребляемая мощность мала, то маяки могут работать в течение многих лет от одной дисковой батарейки. Они также оказываются недорогими, поэтому владелец магазина может установить их во многих местах.

Процесс начинается, когда покупатель проходит мимо магазина и получает уведомление от маяка. Сообщение появляется на дисплее и содержит URL-адрес или другую информацию. Обычно это скидочный купон, вознаграждение за лояльность или какая-либо другая форма рекламы.

Затем пользователь щелкает по уведомлению и переходит на веб-сайт розничного продавца, где предоставляется дополнительная информация (рис. 2).

Рис. 2. Передача сообщения маяка приложению, установленному на смартфоне, с дальнейшей активацией сообщения пользователем

Маяки только передают сообщения, они не собирают личную информацию, что сводит к минимуму проблемы безопасности. До появления Bluetooth 5 максимальная длина сообщений, передаваемых маяком, была ограничена 31 байтом, что слишком мало даже для передачи всех символов большинства URL-адресов или текстового сообщения с любой полезной информацией. Bluetooth 5 решает эту проблему за счет увеличения длины сообщения до 255 байтов. Также он обеспечивает более высокие скорости передачи данных, что будет полезно не только для маяков, но и для многих других приложений.

Увеличение скорости передачи данных

По сравнению с Bluetooth 4.0 максимальная скорость передачи в Bluetooth 5 возросла с 1 Мбит/с до 2 Мбит/с. Наибольшую выгоду от этого получат IoT-приложения, которые требуют почти мгновенной двусторонней связи, например, при управлении роботизированными хирургическими устройствами в медицине и машинами на производстве. Это также позволяет IoT-устройству хранить данные в течение нескольких дней и отправлять их всего за несколько секунд, а не периодически пересылать отдельными частями. Это уменьшит потребление энергии, что необходимо для длительного срока службы батареи.

Еще одним преимуществом, которое получают IoT-приложения за счет увеличения скорости передачи в Bluetooth 5, является возможность намного более быстрого и частого обновления датчиков. Это важно для того чтобы каждое устройство в сети получало самые последние обновления функции безопасности и самую последнюю версию ПО. Повышение уровня безопасности - весьма своевременно, поскольку злоумышленники уже нашли способы внедрять вредоносное ПО в устройства и сети IoT и, несомненно, увеличат свою активность по мере роста числа IoT-систем.

Параллельная работа с другими беспроводными технологиями

В дополнение к преимуществам, которые мы уже обсудили, Bluetooth 5 имеет другие усовершенствования, которые расширяют его и без того внушительные возможности. Одним из наиболее важных является способность сосуществовать с другими технологиями, такими, например, как Wi-Fi. Чтобы обеспечить минимальный уровень перекрестных помех, стандарт отказывается от каналов, используемых Wi-Fi, а применение масок доступности слотов (slot availability masks) позволяет обнаруживать и автоматически предотвращать помехи для сотовых сетей.

Не только в Bluetooth SIG понимают, что в ряде случаев необходимо совместно использовать несколько беспроводных технологий. Это осознают и производители полупроводниковых микросхем, в том числе Nordic Semi, Skyworks и Texas Instruments, которые встраивают поддержку нескольких протоколов в свои системы-на-кристалле (System on Chip, SoC).

Опубликовано: 15.01.2018