هر آنچه که باید در مورد بلوتوث 5 بدانیم

بلوتوث یکی از فناوری‌هایی است که آن را بی‌هیچ سؤال و جوابی قبول داریم و پذیرفته‌ایم. پس از معرفی این فناوری در اواسط دهه‌ی ۹۰، به بخشی ضروری در گوشی هوشمند، تبلت‌، لپ‌تاپ‌، دسکتاپ‌ و ... تبدیل شد.

بلوتوث به دو شکل عرضه شده است: «کلاسیک» و «کم‌مصرف». اولین نوع در صفحه کلید بی‌سیم، ماوس‌ و همین‌طور اسپیکر و هدست‌ بی‌سیم وجود دارد. نوع دوم، یعنی بلوتوث کم‌مصرف (BLE) از توان کمتری استفاده می‌کند و برای بخش‌هایی مثل بهداشت و درمان، تناسب اندام و برج‌های دریایی طراحی شده است. به همین دلیل هم گجت‌های پوشیدنی مثل Fitbit Charge2 به جای بلوتوث کلاسیک از BLE استفاده می‌کنند.

تابستان گذشته گروه Bluetooth SIG، فناوری بلوتوث ۵ را معرفی کرد. از آن زمان، مشخصات جدید به‌صورت رسمی منتشر شدند و این فناوری در بوردهای توسعه و گجت‌هایی مثل گلکسی اس ۸ ظاهر شد.

از آنجا که بلوتوث ۵ یک نسخه‌ی بالفعل بلوتوث در چند سال آینده به شمار می‌رود، تست فعلی آن و کشف حقایقی در مورد رنج دامنه و سرعت آن می‌تواند ایده‌ی خوبی باشد. برای انجام این کار دو بورد توسعه‌ی Bluetooth 5 nRF52840 از شرکت Nordic Semiconducter در نظر گرفته شد. این دو بورد با یک مجموعه پروتکل بلوتوث ۵ و یک میکروکنترل ۳۲ بیتی ARM Cortex M4F که در ۶۴ مگاهرتز زمان‌بندی شده است، ارائه شدند.

این یعنی می‌توانید با نوشتن برنامه‌هایی به زبان C، بلوتوث ۵ را در بورد خود آزمایش کنید. برای صرفه‌جویی در زمان یک تست، کار با یک برنامه‌ی بازدهی بلوتوث آغاز شد که توسط Nordic ارائه شد و سپس بر حسب نیاز تغییر کرد.

این بوردها از سه نوع اتصال بلوتوث پشتیبانی می‌کنند: BLE 4.x ،Bluetooth 5.2 Mbps و Bluetooth 5Coded. اولین مورد توسط نوع کم‌مصرف بلوتوث به کار برده می‌شود. این اتصال به نام BLE 1 Mbps هم معروف است؛ زیرا سرعت تقریبی آن قبل از اضافه شدن هر سربار پروتکل، در پائین‌ترین سطح خود قرار دارد.

در درجه‌ی دوم، اتصال سریع‌تر جدید قرار دارد که با بلوتوث ۵ ارائه می‌شود. این اتصال در ۲ مگابین بر ثانیه یعنی در پائین‌ترین سطح رتبه‌بندی می‌شود. سومین نوع اتصال یک نوع ویژه و جدید اتصال است که برای بلوتوث ۵ معرفی شد و هدف آن، فراهم کردن اتصال‌ بلوتوث دوربرد با  نرخ بیت پائین است. به بیان دیگر: مسافت مهم‌تر از سرعت است.

بلوتوث ۵ با دوبرابر کردن سرعت انتقال، پهنای باند را دوبرابر می‌کند. بنابراین یک بسته داده (۲۵۱ بایت ) در یک فریم زمانی (۲۱۲۰ میکروثانیه) ارسال می‌شود. حالا با بلوتوث ۵ همین حجم از داده در ۱۰۶۰ میکروثانیه ارسال می‌شود. با این حال سرعت انتقال داده کاملا دوبرابر نمی‌شود؛ زیرا فضای داخل فریم – که بازه‌ی زمانی بین دو بسته‌ی متوالی است – با بلوتوث ۴ ثابت باقی می‌ماند. این یعنی ارسال داده‌ها سریع‌تر می‌شود اما شکاف بین بسته‌ها کم نمی‌شود. با انجام محاسباتی متوجه می‌شوید که بلوتوث ۵ به اندازه ۱.۷ برابر سریع‌تر از BLE 4.2 است.

بلوتوث ۵ یک نوع خاص اتصال را ارائه می‌کند که برای ارتباطات دوربرد طراحی شده است. بنابراین، این فناوری ربطی به اسپیکر بلوتوث یا همگام‌سازی ساعت هوشمند با تلفن هوشمند ندارد، بلکه مربوط به اینترنت اشیاء (IoT) است. قدرت IoT به توانایی آن برای جایگذاری ماژول‌های ارزان‌قیمت در سراسر یک سازه (به‌صورت محلی یا صنعتی) یا در یک فضای باز (پارک یا زمین کشاورزی) و جمع‌آوری داده وابسته است. این داده‌ها می‌توانند شامل هر چیزی از جمله دما، رطوبت، حرکت آشکارساز‌ها یا مانیتورهای ترافیک باشند. احتمال‌ آن‌ها نیز به بی‌نهایت می‌رسد. اما مشکل اینجا است که این حسگرها باید قدرت تأمین داشته باشند و باید داده‌های خود را به یک هاب یا گذرگاه مرکزی ارسال کنند. اگر دستگاه به برق وصل باشد، مشکلی در مصرف توان وجود ندارد و دستگاه می‌تواند از Wi-Fi برای برقراری ارتباط استفاده کند. اما نیاز به توان اصلی و پوشش Wi-Fi محدوده و پتانسیل چنین دستگاه‌هایی را محدود می‌کند.

اینجاست که Bluetooth 5 Long Range (دوربرد) به کمک می‌آید. در درجه‌ی اول، به این دلیل که دستگاه از بلوتوث استفاده می‌کند لزوما نیازی به توان برق ندارد. در درجه‌ی دوم، نیازی به استفاده از WiFil یا حتی پوشش‌دهی Wi-Fi نیست. در عوض می‌توان این حسگرها را با یک باتری جایگزین کرد و از Bluetooth 5 Long Range برای ارتباط با گذرگاه استفاده کنید.

اما چگونه می‌توان رنج یا محدوده را بدون افزایش مصرف باتری افزایش داد؟ یکی از روش‌ها کاهش نرخ داده‌ها است. این یعنی هر بیت داده انرژی بیشتری برای سطح یکسانی از توان دارد. دومین ترفند استفاده از تصحیح خطا است.  

برای اطمینان از اتصال، باید مطمئن شوید وقتی یک شماره ارسال می‌شود، شماره‌ی یکسانی در سمت دیگر دریافت می‌شود. اگر «1» به «0» تغییر داده شود، همه چیز می‌تواند اشتباه پیش برود.

بلوتوث ۵ از یک سیستم تصحیح خطای قوی بر اساس کدهای همینگ استفاده می‌کند که یک مجموعه کدهای تصحیح خطا است و توسط ریچارد همینگ در دهه‌ی ۵۰ میلادی ابداع شد. این کدگذاری که به سیستم تصحیح خطای Forward) FEC) معروف است، یک رقم «1» یا «0» را با رقم‌های مختلفی که یک کلمه را می‌سازند جایگزین می‌کند.

از یک مثال ساده استفاده می‌کنیم که معمولا در جهان واقعی کاربردی ندارد اما به‌عنوان یک مثال، خوب است. یک سیستم می‌تواند به جای «0»،  «0000» و به جای «1»، «1111» را ارسال کند. واضح است که این فرآیند کند است؛ اما تا حدی انعطاف دارد. اگر پیغام خراب شود برای مثال تبدیل به «0001» شود، مطمئن باشید معنی آن «0000» بوده است.

به همین ترتیب اگر «1111" به "1011» تغییر پیدا کند، معنی آن «1» بوده است. با این حال اگر «1010» دریافت شود، واضح است که ۲ بیت تغییر کرده‌اند اما سوال اینجا است که «0000» به «1010» تغییر یافته یا «1111» به «1010» ؟ خبر خوب این است که یک زمینه‌ی کامل از علوم کامپیوتر به محاسبه‌ی بهترین روش‌های کشف خطا در انتقال و روش تصحیح خطا اختصاص یافته است.

برای تست بلوتوث ۵ در زمان واقعی، از  دو بورد توسعه‌ی Nordic Semiconductor استفاده شد و سرعت بازدهی موقعیت‌های مختلف اندازه‌گیری شد. در مرحله‌ی اول بازدهی اطراف خانه اندازه‌گیری شد. یک بورد متصل به PC باقی ماند؛ درحالی‌که دیگری به اتاق‌های دیگر برده شد. برای تست دوم، کل تنظیمات به یک بازار محلی برده شد و فاصله‌های احتمالی به ویژه‌ فاصله‌های کاری، با استفاده از Bluetooth 5 Long Range تست شد.

این یک نقشه‌ی بسیار ساده از یک خانه است:

دایره‌ی آبی در گوشه‌ی سمت چپ و پائین، فرستنده را نشان می‌دهد (متصل به PC) در‌حالی‌که ستاره‌های آبی موقعیت‌های مختلف گیرنده را در اطراف خانه و موقعیت دقیق دیوارها را نمایش می‌دهند. دیوارهای این خانه، دیوارهای پارتیشنی ساده‌ای هستند که با گچ پوشانده شده‌اند. دیوارهای ضخیم‌تر، مثل دیوارهای بتنی و آجری و دیوارهایی که تیرآهن داخل آن‌ها به کار رفته است، نحوه‌ی توزیع سیگنال را تغییر می‌دهند.

وقتی بوردها کنار هم قرار بگیرند می‌توان با استفاده از بلوتوث ۵ به بازدهی ۱۳۳۷ کیلوبیت بر ثانیه (یعنی ۱۶۷ کیلوبایت بر ثانیه) و ۷۴۶ کیلوبیت بر ثانیه برای Bluetooth 4.2 رسید. این جدول نحوه‌ی تغییر نرخ بیت را با جابه‌جایی بوردها نمایش می‌دهد.

چند نکته در داده‌های جدول وجود دارد. در درجه‌ی اول، بلوتوث ۵ در هر شرایطی سریع‌تر از بلوتوث ۴ است. در درجه‌ی دوم، برای فاصله‌های نزدیک‌تر، بلوتوث ۵ به شکل چشم‌گیری سریع‌تر از BLE 4.2 است: ۱۱۲۵ کیلوبیت بر ثانیه در مقابل ۶۷۲ کیلوبیت بر ثانیه برای نقطه‌ی ۱ و ۹۰۰ کیلوبیت بر ثانیه در مقابل ۶۲۹ کیلوبیت بر ثانیه برای نقطه‌ی ۲.

در درجه‌ی سوم، بازدهی با افزایش فاصله کاهش می‌یابد. این مسئله برای هر دو نوع BLE 4.2 و بلوتوث ۵ صدق می‌کند. در نتیجه، هرقدر رنج یا برد افزایش یابد، مزایای بلوتوث ۵ در مقایسه با BLE 4.2 کاهش می‌یابد (با نادیده گرفتن حالت Long Range برای این لحظه).

شاید انتظار داشته باشید که بازدهی نقطه‌ی ۲ و نقطه‌ی ۴ یکسان باشند، اما واضح است که این‌طور نیست. می‌توان گفت دلیل این مسئله، حجم متفاوت اثاث و آرایش آن‌ها است. قطعا  سیگنال نقطه‌ی ۲ با موانع کمتری نسبت به نقطه‌ی ۴ روبه‌رو است.

تست بعدی نسبت به تست‌های خانگی ارزش علمی کمتری دارد. در بازار، دستیابی به مقیاس ضبط و محاسبه‌ی فاصله‌ها دشوار بود، با این حال باید به چند نکته اشاره کرد:

۱. بلوتوث زمانی بهترین عملکرد را دارد که هیچ مانعی نداشته باشد (دیوارها، اثاث و ...). در رستوران که یک فضای بزرگ و باز با میز و صندلی است، عملکرد بسیار خوبی خواهد داشت. در این تست بسته به فاصله، سرعت‌های ۴۵۰ کیلوبیت بر ثانیه و ۲۴۰ کیلوبیت بر ثانیه به دست آمد.

۲. فلز مشکل ایجاد می‌کند. با اجرای تست از داخل به خارج بازار، به خاطر یک پنجره‌ی بزرگ فلزی، عملکرد بلوتوث ضعیف بود . شاید دلیل این عملکرد بد، قاب‌های بزرگ فلزی پنجره و دیگر عناصر فلزی از جمله لوازم خانه باشند.

۳. با Bluetooth 5 Long Range) Coded) یک اتصال بالای ۱۰۰ متر در این تست تنظیم شد؛ البته در صورت تلاش برای یافتن شرایط ایده‌آل، این احتمال وجود داشت که بلوتوث قوی‌تر شود.

بر اساس تست‌ها واضح است که بلوتوث ۵  بازدهی بیشتری دارد. وقتی دو دستگاه در فاصله‌ی چندمتری هم قرار بگیرند، سرعت بیش از ۱۰۰۰ کیلوبیت بر ثانیه هم امکان‌پذیر است و اطراف نقطه‌ی پوشش سیگنال، بلوتوث ۵ سریع‌تر از BLE 4.2 عمل می‌کند. در بسیاری از یال‌های محدوده، اختلاف سرعت‌ به شکل معنادار و بر اساس محاسبات ریاضی کاهش می‌یابد، محدوده‌ی تئوری بلوتوث ۵ (با استفاده از نوع اتصال ۲ کیلوبیت بر ثانیه) کمتر از BLE 4.2 است. با این حال، بلوتوث ۵ نوع اتصال جدید Long Range را معرفی می‌کند که برد بیشتری ارائه می‌کند اما بازدهی آن کمتر است.

نکته‌ی جالب اینجا است که پشتیبانی برای اتصال‌های ۲ کیلوبیت بر ثانیه و Coded در بلوتوث ۵ اختیاری است. تنها اتصال اجباری، سرعت اتصال ۱ کیلوبیت بر ثانیه از بلوتوث ۴ است با این حال اگر تنظیمات بلوتوث ۵ از سرعت اتصال یک مگابیت بر ثانیه پشتیبانی کند، هنوز هم به پشتیبانی از عناصر پروتکل جدید مثل ظرفیت توزیع بیشتر نیاز خواهد داشت (که از ۳۱ بایت تا ۲۵۵ بایت متغیر است).

احتمالات و آینده‌ی اتصال‌های دوربرد در دست بررسی هستند و قطعا در آینده با برنامه‌های بیشتری در زمینه‌ی اتوماسیون خانگی و اینترنت اشیاء روبه‌رو خواهیم شد. این امید وجود دارد که بلوتوث ۵ تعبیه‌شده در تلفن‌های هوشمند فعلی شامل نسخه‌ی کامل بلوتوث ۵ باشد نه یک نسخه‌ی تقلیل‌یافته بدون اتصال ۲ مگابیت بر ثانیه یا اتصال‌های Coded.