Стандарт нового тысячелетия

C момента своего появления и до последних лет стандарт Bluetooth опережал своё время. Создатель Bluetooth, компания Ericsson, начала свои исследования в области беспроводных интерфейсов для мобильных телефонов ещё в начале девяностых годов прошлого века. В 1998 году Ericsson, совместно с компаниями IBM, Intel, Nokia и Toshiba, выпустил первую спецификацию стандарта Bluetooth 1.0. В первую очередь новый стандарт был призван заменить интерфейсные кабели сотовых телефонов.

Интересно, что в те годы далеко не все пользователи сотовых телефонов понимали, зачем вообще нужен интерфейсный кабель. Было всего два класса устройств, к которым мог быть подключен сотовый телефон. Прежде всего, существовали гарнитуры "hands-free" и системы громкой связи, для которых требовалась двунаправленная передача монофонического аудио среднего качества на расстояние в несколько метров.

Кроме того, существовали персональные компьютеры, с которыми телефон взаимодействовал как электронный органайзер или как внешний модем. Здесь новый стандарт должен был предоставить беспроводную замену последовательному порту (RS-232).

При таких задачах от стандарта Bluetooth не требовались ни скорость передачи данных, ни большая сетевая функциональность, ни большой радиус действия. Предназначенный для мобильных устройств, стандарт должен был обеспечивать низкое энергопотребление, а кроме того, чтобы успешно конкурировать с кабельными соединениями, он должен был быть очень дешёвым в реализации.

Создателей Bluetooth часто обвиняют в слишком медленном выводе их творения на рынок цифровых устройств. Действительно странно, что официально опубликованная в 1998 году спецификация Bluetooth получила широкое распространение только в начале третьего тысячелетия. Однако причины такой задержки следует искать не в медлительности разработчиков стандарта, а в отставании самого рынка. В те годы для Bluetooth просто не было достаточного количества задач.

Тем не менее, основатели стандарта довольно быстро оценили потенциал своего творения. Уже в 1999 году они продемонстрировали своё желание продолжать его совершенствование. Так появилась группа Bluetooth SIG (Special Interest Group). Наряду с пятью основателями в группу вошло довольно много компаний, среди которых были Palm, Microsoft, Motorola, Handspring, Qualcomm и Lucent.

Идея Bluetooth довольно быстро трансформировалась. Новый интерфейс уже не рассматривали как тривиальную замену кабелей сотовых телефонов. Он начал превращаться в универсальный беспроводной интерфейс для персональных сетей, в которые могли входить практически любые устройства. Периодически у стандарта отыскивались недостатки, мешающие воплотить новую концепцию, что служило поводом для выпуска новых версий спецификации с относительно небольшими изменениями и дополнениями. Так появились версии 1.1 и 1.2, которые и в наши дни не имеют конкурентов среди радиоинтерфейсов для персональных сетей.

Почему "2.0/EDR"?

Начавшееся в 2001 и 2002 годах широкое распространение устройств с поддержкой Bluetooth показало, что этот, лучший в своей области стандарт, всё же недостаточно хорош. Что ж, фактически, разработчики Bluetooth 1.x работали опираясь не столько на практические данные, сколько на прогнозы далёкого (по меркам цифровой индустрии) будущего, и предусмотреть всё они просто не могли.

В 2002 году Bluetooth был стандартизован в IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), как стандарт 802.15.1. В том же году представители Ericsson обнародовали планы новой версии стандарта - 2.0. Было отмечено, что новую спецификацию стоит ждать лишь в конце 2004 года, когда рынок до неё дорастёт.

В ноябре 2004 года Bluetooth SIG выпустила спецификацию Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). На этот раз практически не было задержки с появлением устройств, поддерживающих новый стандарт. Компании Broadcom, CSR, и RF Micro Devices произвели тестирование прототипов 2.0+EDR и практически сразу же начали серийный выпуск чипов. Однако быстрого вытеснения версий 1.х с рынка не началось.

Первым устройством с поддержкой Bluetooth 2.0+EDR стал не телефон, как можно было предположить, а ноутбук от компании Apple. Bluetooth SIG ожидает повсеместного перехода мобильных телефонов на поддержку нового стандарта не ранее следующего года. При этом, производителей телефонов ожидает значительно больше трудностей, чем было при переходе с версии 1.1 на 1.2.

Появляется закономерный вопрос, относительно того, зачем вообще делали новый стандарт, если он особо никому не нужен, а его предшественник по прежнему вне конкуренции всё из-за тех же дешевизны и бережливости к энергии. На основании чего разработчики надеются на близкий рост популярности версии 2.0?

Таких оснований целых два: выросшие требования к скорости и удобству персональных сетей и желание разработчиков стандарта использовать его не только в персональных сетях.

Пользователи персональных сетей хотят быстро пересылать большие файлы с видео, аудио и фото-контентом, они хотят беспроблемно использовать беспроводную связь с различными устройствами одновременно, они хотят слушать стереофоническое аудио высокого качества через беспроводные наушники и количество подобных задач постоянно растёт. Один из самых пугающих примеров - современные принтеры, способные обогнать Bluetooth-устройства, с которых данные отправляются на печать. Постоянный рост количества Bluetooth-устройств не может не вызывать увеличения размера персональных сетей, где все устройства могут работать одновременно, мешая друг другу. Bluetooth 1.х не готов обслужить потребности таких сетей, что особенно печально в связи с приближением конкурирующего стандарта связи - UWB. Если Bluetooth SIG хочет и дальше представлять стандарт, опережающий своё время, то ей нужно что-то получше, чем 1.х.

Кроме того, не стоит забывать, что стандарт Bluetooth 1.х уже сейчас широко применяется не только для персональных сетей, но и для ряда других задач, среди которых многопользовательские локальные сети и сенсорные приложения. В этих областях стандарту Bluetooth 1.х всё труднее конкурировать с другими стандартами беспроводной связи, такими как Wi-Fi и Zigbee.

В таких условиях Bluetooth SIG могла либо подарить будущий рынок конкурентам, либо создать принципиально новый стандарт с отдельным упором на повышение скорости.

Новое в Bluetooth 2.0/EDR

Вкратце рассмотрим те нововведения, которые позволяют разработчикам рассчитывать на рост популярности нового стандарта:

Enhanced Data Rate (EDR)

Тема скорости передачи данных создаёт немало трудностей разработчикам Bluetooth. С одной стороны есть множество задач, которым при любых обстоятельствах хватит скорости 721 Кбит/с, которую предоставляют версии 1.х, а с другой - есть мультимедийные задачи, которые требуют передачи всё больших объёмов данных.

Скорость в 2,1 Мбит/с предоставляемая новой версией Bluetooth, всё ещё заметно не дотягивает даже до самых медленных беспроводных сетей, но для типичных мультимедийных задач её почти достаточно.

После обещанных в 2002 году 12 Мбит/с цифра 2,1 выглядит более чем скромно. Однако нужно учитывать, что разработчики Bluetooth SIG были сильно ограничены требованиями к энергопотреблению и стоимости, которые были и остаются наиболее приоритетными для данного стандарта.

В Bluetooth 1.х используется одна из наиболее примитивных схем модуляции - GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), простота которой была весьма привлекательна для разработчиков в 1998 году, когда даже скорость в 721 Кбит/с казалась избыточной. В Bluetooth 2.0/EDR используется несколько альтернативных схем модуляции, благодаря которым скорость передачи данных возрастает почти втрое. При этом, GFSK продолжает поддерживаться из соображений совместимости.

Отсутствие "прыгающих" частотных каналов.

В Bluetooth версий 1.х связь может осуществляться по одному из 79 частотных каналов. Чтобы избежать помех от других устройств, работающих в том же частотном диапазоне, каналы меняются 1600 раз в секунду. Это достаточно простое решение, а кроме того, в 1998 году такой протокол мог рассматриваться как неплохая аппаратная защита связи от злоумышленников. К неприятным чертам такого механизма относятся более медленная связь и трудности в дальнейшем совершенствовании стандарта.

В версии Bluetooth 2.0 для защиты от помех используется более современный механизм, что позволяет полнее использовать возможности стандарта.

Поддержка Multi-cast

В персональных сетях часто возникает необходимость передать одни и те же данные нескольким устройствам в одно и то же время. Bluetooth 1.х предусматривал многократную передачу этих данных по очереди, для каждого устройства. В один момент в отдельной Bluetooth-сети могло присутствовать только одно передающее и одно принимающее устройство. Это очень затрудняло работу в реальном времени с такими задачами, как совместное прослушивание одного и того же аудио на нескольких Bluetooth-наушниках, или как компьютерные игры с несколькими участниками, синхронизирующимися по Bluetooth. Кроме того, это просто замедляет работу, так как каждый раз надо заново устанавливать связь с очередным устройством, что занимает заметное время.

В Bluetooth 2.0 предусмотрена возможность одновременной отправки нескольким устройствам одних и тех же данных. Эта возможность называется "Multi-cast", она стала возможна благодаря устранению механизма быстрых смен частотных каналов.

Система QoS (quality of service)

При использовании интерфейса Bluetooth для связи с несколькими устройствами одновременно часто возникают нежелательные задержки. Их можно было бы избежать, если бы потоки данных были лучше организованы.

Спецификация Bluetooth 2.0 предусматривает специальный механизм QoS (quality of service), который обеспечивает взаимодействие устройств с минимальным количеством задержек. Устройства, поддерживающие QoS, коммуницируют между собой с целью согласовать свои потребности в немедленной передаче данных и возможности безболезненно справиться с задержкой связи. Таким образом, без повышения реальной скорости передачи данных, удаётся устранить эффект притормаживания, который так раздражает пользователей.

Распределённый контроль доступа к среде

Модель сети в ранних версиях Bluetooth очень проста. Сеть имеет одно главное и от одного до семи подчинённых устройств. Данные могут передаваться только между главным ("master") и подчинённым ("slave") устройствами. При этом, главное устройство контролирует доступ устройств к среде передачи данных. Если главное устройство по какой-то причине покинет сеть, то остальная сеть не сможет функционировать.

В Bluetooth 2.0 появился новый протокол, который предусматривает распределённый контроль за доступом к среде передачи данных, что избавляет сеть от зависимости от единственного устройства. Как только главное устройство покидает сеть, его функции передаются другому устройству.

Кроме того, в Bluetooth 2.0 максимальный размер сети увеличен с 8 до 256 устройств. В версиях 1.х для увеличения сети предусматривался довольно неудобный механизм объединения простых Bluetooth-сетей ("piconet") в одну большую сеть ("scatternet"). При этом, одно и то же устройство являлось главным в одной простой сети и подчинённым в другой. В версии 2.0 всё значительно проще - от одного до 255 подчинённых устройств соединяются с одним главным.

Усиленное энергосбережение

Возросшая скорость передачи данных в Bluetooth 2.0 привела к росту потребляемой устройствами мощности. Однако, потребляемая мощность выросла не так сильно, как скорость, поэтому общий расход энергии на передачу одного и того же объёма данных заметно сократился. Для большинства задач имеет место более чем двукратный выигрыш в сбережении энергии.

Более умная организация работы с данными также повлияла на энергопотребление в сторону его сокращения. Так, например, использование одновременной передачи данных нескольким устройствам заметно экономнее, чем передача этих данных каждому устройству отдельно.

Обратная совместимость с предыдущими версиями

Спецификация Bluetooth версии 2.0 предусматривает полную совместимость со всеми предыдущими версиями. Устройство, поддерживающее новый стандарт, способно обмениваться данными с устройствами всех версий, даже если они объединены в одну сеть. При этом, с новыми устройствами будет идти обмен данными на повышенной скорости 2,1 Мбит/с, а со старыми - на прежних 721 Кбит/с.

Будущее Bluetooth

Новую версию спецификации Bluetooth нельзя назвать окончательной. Прошли те годы, когда этот стандарт мог подолгу не развиваться, оставаясь выше текущих требований рынка. Теперь ему нужны регулярные обновления, чтобы соответствовать времени.

Bluetooth SIG планирует начать выпускать обновлённые спецификации ежегодно и обещает представить очередную версию уже в конце 2005 года. Разумеется, не каждая новая версия будет содержать столько новшеств, как версия 2.0/EDR.

Интересно, что скорость передачи данных больше не заявляется разработчиками стандарта в качестве ближайшей точки приложения их усилий. Значительно больше внимания в их планах уделено совершенствованию возможностей Bluetooth в области более совершенного использования имеющейся скорости, так, например, в 2005 году планируется доработать систему QoS, совершенствовать которую можно практически бесконечно, а в 2006 ожидается доработка системы Multi-Cast.

Вполне закономерно, что конкурирующие стандарты, как теснящие Bluetooth в новых для него областях, так и ожидающийся в типичной для него области персональных сетей, заставляют разработчиков продолжать совершенствовать наиболее сильную сторону стандарта - низкое потребление энергии. SIG намерена уже в 2005 году представить решения, ведущие к беспрецедентному снижению энергопотребления.

Кроме того, новые области применения Bluetooth, которых становится всё больше, предъявляют более жёсткие требования к безопасности данных, причём, их трудно даже сформулировать, не зная, куда именно новый стандарт будет распространяться. Пока направлению безопасности будет уделяться внимание в каждой новой версии спецификации стандарта.

Bluetooth и все-все-все

Очевидно, что новые возможности позволят Bluetooth 2.0 в самое ближайшее время вступить в активную конкурентную борьбу с некоторыми из существующих стандартов беспроводной связи. Ожидается также и появление новых стандартов, способных составить Bluetooth серьёзную конкуренцию.

Рассмотрим расстановку сил между Bluetooth и его основными соперниками:

Bluetooth vs. UWB

Новый стандарт беспроводной связи, называемый Wireless USB, предназначен практически для тех же задач, что и Bluetooth, то есть - для персональных сетей. Основная слабость нового стандарта заключается в том, что он ещё не готов, но его выпуск планируется на относительно недалёкое будущее, и уж тогда ничто не помешает разгореться соперничеству между называемый Bluetooth и Wireless USB, в котором на стороне первого будут низкие цена и энергопотребление, а на стороне второго - скорость передачи данных, при идеальных условиях связи достигающая 480 Мбит/с (как у USB 2.0). Множество уже существующих совместимых устройств вряд ли выручит Bluetooth в намечающейся борьбе, так как фактически, Wireless USB будет отличаться от сверхпривычного USB 2.0 только отсутствием кабеля и адаптация нового стандарта пройдёт быстро и безболезненно.

Быстрая победа одного из стандартов в ближайшее время совершенно нереальна. Пока существуют устройства, которым не принципиальна скорость, но важно низкое энергопотребление или наоборот, оба стандарта будут необходимы. В то же время, не следует ожидать быстрого деления мира устройств для персональных сетей на два несовместимых лагеря, так как довольно распространены устройства, одинаково заинтересованные и в скорости и в энергоэкономичности.

Вполне вероятна гонка, в которой разработчики Bluetooth будут наращивать скорость, а разработчики Wireless USB - снижать энергопотребление. Оба стандарта чисто технически имеют много общего, поэтому помимо победы одного из них можно рассматривать и вариант создания на их основе нового стандарта связи.

В любом случае, окончательное решение вопроса - дело не самых ближайших лет.

Bluetooth vs. Wi-Fi

Теоретически, стандарты Bluetooth и Wi-Fi предназначены для принципиально разных задач, но развитие мобильной связи и локальных сетей навстречу друг другу вызвало появление областей, где эти стандарты успешно конкурируют.

Прежде всего, это небольшие сети мобильных устройств, предназначенные, например, для игровых и мультимедийных задач. Скорость связи и расстояние, на котором эта связь возможна, являются в таких сетях второстепенными по отношению к экономному расходованию заряда батареи.

Фактически, увеличение скорости, имеющее место в последней версии Bluetooth, позволяет ему полностью вытеснить Wi-Fi из области мобильных сетей, где он только начал появляться. В тех же областях, где Wi-Fi останется конкурентоспособным, его будет выручать прежде всего не скорость, а специфическая "заточенность" под сложные сетевые задачи, и, особенно под интернет.

Скорее всего, смартфоны и игровые консоли будущего станут использовать Wi-Fi для связи с обычными немобильными сетями и с интернетом, а Bluetooth - для связи между собой. С мечтами о едином сетевом стандарте опять придётся подождать.

Bluetooth vs. Zigbee

Область сенсорных систем - это единственная область, где энергосбережение Bluetooth не просто не дотягивает до идеала, а не выдерживает даже самых минимальных требований. Речь здесь идёт не только об экономичной передаче данных, но и о более умном использовании энергии в остальное время.

Конкурирующий стандарт Zigbee, заметно отстающий от Bluetooth по скорости, позволяет сенсорным устройствам работать от одного аккумулятора по несколько лет.

В этом противоборстве стандартов ситуация простая: если Bluetooth, как обещают его разработчики, в ближайших спецификациях обгонит Zigbee по экономности, то рынок сенсорных систем можно считать захваченным, а если нет - Zigbee будет и дальше единолично занимать эту часть рынка.