Что такое Bluetooth и как он работает

Bluetooth — один из самых популярных стандартов передачи данных между устройствами. С его помощью можно слушать музыку в беспроводных наушниках, управлять роботом-пылесосом или включить чайник на кухне из другой комнаты.

Из этой статьи вы узнаете:

• Как появился Bluetooth
• Как он работает
• Для чего нужен
• Какие версии и модификации Bluetooth существуют
• На каком расстоянии и с какой скоростью он работает
• Чем он отличается от Wi-Fi

История появления Bluetooth

В 1994 году производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson начал разработку беспроводной альтернативы для кабелей RS-232. Для стандартизации нового протокола в 1998 году была создана группа компаний SIG, в которую входили эксперты из Intel, Nokia, Toshiba, Ericsson и IBM.

В 1999 году SIG опубликовала спецификации для Bluetooth 1.0. Теперь производители могли использовать новую технологию в своих устройствах.

Уже через год вышла первая Bluetooth-гарнитура от Ericsson. В комплекте с ней шёл съёмный адаптер, который подключался к телефону. Без него гарнитура не работала, так как в устройствах того времени не было встроенных Bluetooth-модулей.

При чём тут «голубой зуб»?

Протокол получил своё название в честь Гарольда Синезубого — короля Дании, который примирил знатные семьи из Дании и Норвегии.

А логотип Bluetooth — это объединение инициалов имени короля.

Что такое Bluetooth и как он работает

Bluetooth — это стандарт беспроводной связи, обеспечивающий обмен данными между устройствами на основе ультракоротких радиоволн. От других стандартов беспроводной связи он отличается используемыми частотами, правилами передачи и способом шифрования данных.

Как и Wi-Fi, Bluetooth работает на частотах, близких к 2,4 ГГц. Но у стандарта есть свои особенности: частота передачи данных постоянно меняется, а устройства объединяются в пикосети. Остановимся на этом подробнее.

При передаче данных по Bluetooth используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS, frequency hopping spread spectrum). Название сложное, но на деле технология работает просто.

Диапазон передачи разбивается на 79 частот. Устройство 1600 раз в секунду псевдослучайным образом выбирает одну из них и передаёт пакеты данных.

Почему псевдослучайным? Потому что частоты меняются по заранее определённому алгоритму — хоть и довольно сложному. Передающее и принимающее устройства знают, как будут меняться частоты, поэтому поддерживают соединение друг с другом. При этом другие гаджеты воспринимают сигнал как электромагнитный шум, так как не могут отслеживать изменение частот.

Устройства, передающие данные одинаковым образом, то есть «понимающие» друг друга, объединяются в пикосеть. В таких сетях есть два вида устройств: главное, или ведущее, и периферийные, они же ведомые.

Например, смартфон — это ведущее устройство. Оно может управлять наушниками, умными часами, весами и другими гаджетами, которые получают от него команды.

Протокол Bluetooth поддерживает режим работы standby. Он позволяет сопряжённым устройствам запоминать друг друга и автоматически подключаться заново после выключения или перезагрузки. Если у вас есть беспроводные наушники, то вы наверняка замечали, что они быстро находят смартфон после извлечения из зарядного кейса.

Для чего нужен Bluetooth

В далёкие 2000-е по Bluetooth часто передавали файлы между телефонами: песни, видео, «смешные картинки» и игры (олды тут?). С развитием интернета, востребованность этой функции сошла на нет, но Bluetooth как технология передачи данных не утратил популярности. Даже наоборот: сегодня он есть практически в каждом беспроводном устройстве — от мини-колонок до дронов. И вот почему.

Передача данных по Bluetooth требует минимальных затрат энергии, а модули, которые обеспечивают соединение, весьма компактны. Это позволяет устанавливать их в наушники, часы, смартфоны и другие малогабаритные устройства.

Bluetooth используется в бытовых и промышленных приборах, расположенных в пределах одного или нескольких помещений. Благодаря методу расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты устройства не мешают работе друг друга.

Версии и модификации Bluetooth

С момента появления протокол успел несколько раз обновиться и дорасти до версии 5.4. Вспомним особенности каждого из релизов.

Версия 1.0 появилась в 1999 году. Она не поддерживала анонимное подключение, требовала обмена адресами между устройствами, а связь по ней часто обрывалась. В версии 1.1 скорость передачи данных доходила до 1 Мбит/с.

Версия 2.0 с поддержкой EDR — enhanced data rate (2004 год). Скорость соединения — до 3 Мбит/с. По сравнению с первой версией протокола сигнал стал стабильнее, а затраты энергии сократились в два раза. Выпущенная позднее версия 2.1 поддерживала технологию Sniff-Subrating, снижающую энергопотребление Bluetooth-модулей в 3–10 раз в зависимости от устройства.

Версия 3.0 с поддержкой HS, или high speed, вышла в 2009 году и использовала два канала для передачи данных. Если требовалось передать небольшие файлы, то использовался энергосберегающий канал со скоростью до 3 Мбит/с, то есть Bluetooth 2.0, а для передачи больших файлов включался новый HS-канал со скоростью до 24 Мбит/с.

Версия 4.0 (2010 год) — к старым протоколам был добавлен новый режим с низким энергопотреблением, позволяющий взаимодействовать с малыми датчиками LE — low energy.

Эта модификация Bluetooth используется в медицинских девайсах, спортивной обуви или тренажёрах. Датчики LE могут работать годами от небольшой батарейки, периодически включаясь для отправки данных на ведущее устройство. В четвёртой версии Bluetooth также появилось 128-битное AES-шифрование, повышающее безопасность передаваемых данных.

Версия 5.0 (2016 год) — скорость передачи данных увеличилась до 48 Мбит/с. На ноябрь 2023 года актуальная версия стандарта — 5.4.

В поздних версиях, начиная с Bluetooth 5.2, появилось несколько интересных технологий:

• Enhanced Attribute protocol (EATT) — обеспечивает дополнительное шифрование передаваемых данных.
• LE Power Control — позволяет регулировать мощность передатчиков в устройствах, адаптируя их к расстоянию между ними.
• LE Isochronous Channels — используется в беспроводных наушниках и аудиосистемах. Позволяет синхронизировать проигрывание музыки на нескольких устройствах одновременно.

Скорость и радиус действия Bluetooth

Радиус действия Bluetooth зависит от типа датчика, установленного в устройстве, и от наличия препятствий между двумя гаджетами.

В зависимости от расстояния, Bluetooth-датчики делятся на три класса:

• Первый класс, способный поддерживать устойчивую связь на расстоянии 100–200 метров. В бытовых устройствах встречается редко и используется на промышленном оборудовании.
• Второй класс удерживает стабильную связь на расстоянии 10–20 метров. Такие датчики чаще всего установлены в смартфонах или планшетах.
• Третий класс наименее мощный и подходит для объединения устройств на расстоянии до пяти метров. Устанавливается на небольших гаджетах — фитнес-браслетах, умных часах и так далее.

Стоит учесть, что любые препятствия ухудшают сигнал, снижая скорость передачи данных. Значения выше соответствуют открытой местности, например одному помещению. Если между устройствами будет стена, то качество соединения, а значит, и скорость снизятся.

Скорость Bluetooth определяется версией протокола и расстоянием между устройствами. Стандарт 5.0 и старше поддерживает передачу данных со скоростью до 48 Мбит/с, что вдвое больше чем в версии 4.0. Но она зависит от расстояния между устройствами — чем больше дистанция, тем медленнее соединение. Поэтому, если вы хотите передать большой файл, то лучше поднести гаджеты на расстояние до метра.

Чем Bluetooth отличается от Wi-Fi

Протоколы Bluetooth и Wi-Fi работают на частоте 2.4 ГГц и передают данные с помощью радиоволн. Но на этом сходства заканчиваются. В отличие от Bluetooth, у Wi-Fi-передатчиков выше мощность и пропускная способность, что позволяет передавать данные на большие расстояния почти без потери скорости соединения.

Нагляднее различия можно увидеть в таблице:

Базовый Wi-Fi 2.4 в десять раз быстрее последней версии Bluetooth, а Wi-Fi 5-й и 6-й версии — в сотни раз. При этом скорость передачи данных при Wi-Fi-соединении почти не зависит от расстояния между устройствами.

Что запомнить

Резюме по тому, о чём рассказали в статье:

• Bluetooth — это стандарт беспроводной связи, обеспечивающий обмен данными между устройствами на основе ультракоротких радиоволн.
• В основе технологии Bluetooth лежит метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты. Его суть в том, что частота соединения меняется 1600 раз в секунду, и только передающее и принимающее устройство знают порядок её изменения.
• Соединённые друг с другом устройства образуют пикосеть. Это сеть из гаджетов, один из которых является ведущим, то есть отправляющим команды, а другие — ведомыми, то есть выполняющими команды и передающими данные.