هر آنچه كه بايد در مورد بلوتوث 5 بدانيم

بلوتوث يكي از فناوري‌هايي است كه آن را بي‌هيچ سؤال و جوابي قبول داريم و پذيرفته‌ايم. پس از معرفي اين فناوري در اواسط دهه‌ي ۹۰، به بخشي ضروري در موبايل هوشمند، تبلت‌، لپ‌تاپ‌، دسكتاپ‌ و ... تبديل شد.

بلوتوث به دو شكل عرضه شده است: «كلاسيك» و «كم‌مصرف». اولين نوع در صفحه كليد بي‌سيم، ماوس‌ و همين‌طور اسپيكر و هدست‌ بي‌سيم وجود دارد. نوع دوم، يعني بلوتوث كم‌مصرف (BLE) از توان كمتري استفاده مي‌كند و براي بخش‌هايي مثل بهداشت و درمان، تناسب اندام و برج‌هاي دريايي طراحي شده است. به همين دليل هم گجت‌هاي پوشيدني مثل Fitbit Charge2 به جاي بلوتوث كلاسيك از BLE استفاده مي‌كنند.

تابستان گذشته گروه Bluetooth SIG، فناوري بلوتوث ۵ را معرفي كرد. از آن زمان، مشخصات جديد به‌صورت رسمي منتشر شدند و اين فناوري در بوردهاي توسعه و گجت‌هايي مثل گلكسي اس ۸ ظاهر شد.

از آنجا كه بلوتوث ۵ يك نسخه‌ي بالفعل بلوتوث در چند سال آينده به شمار مي‌رود، تست فعلي آن و كشف حقايقي در مورد رنج دامنه و سرعت آن مي‌تواند ايده‌ي خوبي باشد. براي انجام اين كار دو بورد توسعه‌ي Bluetooth 5 nRF52840 از شركت Nordic Semiconducter در انديشه متخصصين گرفته شد. اين دو بورد با يك مجموعه پروتكل بلوتوث ۵ و يك ميكروكنترل ۳۲ بيتي ARM Cortex M4F كه در ۶۴ مگاهرتز زمان‌بندي شده است، ارائه شدند.

اين يعني مي‌توانيد با نوشتن برنامه‌هايي به زبان C، بلوتوث ۵ را در بورد خود آزمايش كنيد. براي صرفه‌جويي در زمان يك تست، كار با يك برنامه‌ي بازدهي بلوتوث آغاز شد كه توسط Nordic ارائه شد و سپس بر حسب نياز تغيير كرد.

اين بوردها از سه نوع اتصال بلوتوث همراهي مي‌كنند: BLE 4.x ،Bluetooth 5.2 Mbps و Bluetooth 5Coded. اولين مورد توسط نوع كم‌مصرف بلوتوث به كار برده مي‌شود. اين اتصال به نام BLE 1 Mbps هم معروف است؛ زيرا سرعت تقريبي آن قبل از اضافه شدن هر سربار پروتكل، در پائين‌ترين سطح خود قرار دارد.

در درجه‌ي دوم، اتصال سريع‌تر جديد قرار دارد كه با بلوتوث ۵ ارائه مي‌شود. اين اتصال در ۲ مگابين بر ثانيه يعني در پائين‌ترين سطح رتبه‌بندي مي‌شود. سومين نوع اتصال يك نوع ويژه و جديد اتصال است كه براي بلوتوث ۵ معرفي شد و هدف آن، فراهم كردن اتصال‌ بلوتوث دوربرد با  نرخ بيت پائين است. به بيان ديگر: مسافت مهم‌تر از سرعت است.

بلوتوث ۵ با دوبرابر كردن سرعت انتقال، پهناي باند را دوبرابر مي‌كند. بنابراين يك بسته داده (۲۵۱ بايت ) در يك فريم زماني (۲۱۲۰ ميكروثانيه) ارسال مي‌شود. حالا با بلوتوث ۵ همين حجم از داده در ۱۰۶۰ ميكروثانيه ارسال مي‌شود. با اين حال سرعت انتقال داده كاملا دوبرابر نمي‌شود؛ زيرا فضاي داخل فريم – كه بازه‌ي زماني بين دو بسته‌ي متوالي است – با بلوتوث ۴ ثابت باقي مي‌ماند. اين يعني ارسال داده‌ها سريع‌تر مي‌شود اما شكاف بين بسته‌ها كم نمي‌شود. با انجام محاسباتي متوجه مي‌شويد كه بلوتوث ۵ به اندازه ۱.۷ برابر سريع‌تر از BLE 4.2 است.

بلوتوث ۵ يك نوع خاص اتصال را ارائه مي‌كند كه براي ارتباطات دوربرد طراحي شده است. بنابراين، اين فناوري ربطي به اسپيكر بلوتوث يا همگام‌سازي ساعت هوشمند با تلفن هوشمند ندارد، بلكه مربوط به اينترنت اشياء (IoT) است. قدرت IoT به توانايي آن براي جايگذاري ماژول‌هاي ارزان‌ارزش در سراسر يك سازه (به‌صورت محلي يا صنعتي) يا در يك فضاي باز (پارك يا زمين كشاورزي) و جمع‌آوري داده وابسته است. اين داده‌ها مي‌توانند شامل هر چيزي از جمله دما، رطوبت، حركت آشكارساز‌ها يا مانيتورهاي ترافيك باشند. احتمال‌ آن‌ها نيز به بي‌نهايت مي‌رسد. اما اشكال اينجا است كه اين حسگرها بايد قدرت تأمين داشته باشند و بايد داده‌هاي خود را به يك هاب يا گذرگاه مركزي ارسال كنند. اگر دستگاه به برق وصل باشد، اشكالي در مصرف توان وجود ندارد و دستگاه مي‌تواند از Wi-Fi براي برقراري ارتباط استفاده كند. اما نياز به توان اصلي و پوشش Wi-Fi محدوده و پتانسيل چنين دستگاه‌هايي را محدود مي‌كند.

اينجاست كه Bluetooth 5 Long Range (دوربرد) به كمك مي‌آيد. در درجه‌ي اول، به اين دليل كه دستگاه از بلوتوث استفاده مي‌كند لاخبار تخصصيا نيازي به توان برق ندارد. در درجه‌ي دوم، نيازي به استفاده از WiFil يا حتي پوشش‌دهي Wi-Fi نيست. در عوض مي‌توان اين حسگرها را با يك باتري جايگزين كرد و از Bluetooth 5 Long Range براي ارتباط با گذرگاه استفاده كنيد.

اما چگونه مي‌توان رنج يا محدوده را بدون افزايش مصرف باتري افزايش داد؟ يكي از روش‌ها كاهش نرخ داده‌ها است. اين يعني هر بيت داده انرژي بيشتري براي سطح يكساني از توان دارد. دومين ترفند استفاده از تصحيح خطا است.  

براي اطمينان از اتصال، بايد مطمئن شويد وقتي يك شماره ارسال مي‌شود، شماره‌ي يكساني در سمت ديگر دريافت مي‌شود. اگر «1» به «0» تغيير داده شود، همه چيز مي‌تواند اشتباه پيش برود.

بلوتوث ۵ از يك سيستم تصحيح خطاي قوي بر اساس كدهاي همينگ استفاده مي‌كند كه يك مجموعه كدهاي تصحيح خطا است و توسط ريچارد همينگ در دهه‌ي ۵۰ ميلادي ابداع شد. اين كدگذاري كه به سيستم تصحيح خطاي Forward) FEC) معروف است، يك رقم «1» يا «0» را با رقم‌هاي مختلفي كه يك كلمه را مي‌سازند جايگزين مي‌كند.

از يك مثال ساده استفاده مي‌كنيم كه معمولا در جهان واقعي متخصصدي ندارد اما به‌عنوان يك مثال، خوب است. يك سيستم مي‌تواند به جاي «0»،  «0000» و به جاي «1»، «1111» را ارسال كند. واضح است كه اين فرآيند كند است؛ اما تا حدي انعطاف دارد. اگر پيغام خراب شود براي مثال تبديل به «0001» شود، مطمئن باشيد معني آن «0000» بوده است.

به همين ترتيب اگر «1111" به "1011» تغيير پيدا كند، معني آن «1» بوده است. با اين حال اگر «1010» دريافت شود، واضح است كه ۲ بيت تغيير كرده‌اند اما سوال اينجا است كه «0000» به «1010» تغيير يافته يا «1111» به «1010» ؟ خبر خوب اين است كه يك زمينه‌ي كامل از علوم كامپيوتر به محاسبه‌ي بهترين روش‌هاي كشف خطا در انتقال و روش تصحيح خطا اختصاص يافته است.

براي تست بلوتوث ۵ در زمان واقعي، از  دو بورد توسعه‌ي Nordic Semiconductor استفاده شد و سرعت بازدهي موقعيت‌هاي مختلف اندازه‌گيري شد. در مرحله‌ي اول بازدهي اطراف خانه اندازه‌گيري شد. يك بورد متصل به PC باقي ماند؛ درحالي‌كه ديگري به اتاق‌هاي ديگر برده شد. براي تست دوم، كل تنظيمات به يك بازار محلي برده شد و فاصله‌هاي احتمالي به ويژه‌ فاصله‌هاي كاري، با استفاده از Bluetooth 5 Long Range تست شد.

اين يك نقشه‌ي بسيار ساده از يك خانه است:

دايره‌ي آبي در گوشه‌ي سمت چپ و پائين، فرستنده را نشان مي‌دهد (متصل به PC) در‌حالي‌كه ستاره‌هاي آبي موقعيت‌هاي مختلف گيرنده را در اطراف خانه و موقعيت دقيق ديوارها را نمايش مي‌دهند. ديوارهاي اين خانه، ديوارهاي پارتيشني ساده‌اي هستند كه با گچ پوشانده شده‌اند. ديوارهاي ضخيم‌تر، مثل ديوارهاي بتني و آجري و ديوارهايي كه تيرآهن داخل آن‌ها به كار رفته است، نحوه‌ي توزيع سيگنال را تغيير مي‌دهند.

وقتي بوردها كنار هم قرار بگيرند مي‌توان با استفاده از بلوتوث ۵ به بازدهي ۱۳۳۷ كيلوبيت بر ثانيه (يعني ۱۶۷ كيلوبايت بر ثانيه) و ۷۴۶ كيلوبيت بر ثانيه براي Bluetooth 4.2 رسيد. اين جدول نحوه‌ي تغيير نرخ بيت را با جابه‌جايي بوردها نمايش مي‌دهد.

چند نكته در داده‌هاي جدول وجود دارد. در درجه‌ي اول، بلوتوث ۵ در هر شرايطي سريع‌تر از بلوتوث ۴ است. در درجه‌ي دوم، براي فاصله‌هاي نزديك‌تر، بلوتوث ۵ به شكل چشم‌گيري سريع‌تر از BLE 4.2 است: ۱۱۲۵ كيلوبيت بر ثانيه در مقابل ۶۷۲ كيلوبيت بر ثانيه براي نقطه‌ي ۱ و ۹۰۰ كيلوبيت بر ثانيه در مقابل ۶۲۹ كيلوبيت بر ثانيه براي نقطه‌ي ۲.

در درجه‌ي سوم، بازدهي با افزايش فاصله كاهش مي‌يابد. اين مسئله براي هر دو نوع BLE 4.2 و بلوتوث ۵ صدق مي‌كند. در نتيجه، هرقدر رنج يا برد افزايش يابد، مزاياي بلوتوث ۵ در مقايسه با BLE 4.2 كاهش مي‌يابد (با ناديده گرفتن حالت Long Range براي اين لحظه).

شايد انتظار داشته باشيد كه بازدهي نقطه‌ي ۲ و نقطه‌ي ۴ يكسان باشند، اما واضح است كه اين‌طور نيست. مي‌توان گفت دليل اين مسئله، حجم متفاوت اثاث و آرايش آن‌ها است. قطعا  سيگنال نقطه‌ي ۲ با موانع كمتري نسبت به نقطه‌ي ۴ روبه‌رو است.

تست بعدي نسبت به تست‌هاي خانگي ارزش علمي كمتري دارد. در بازار، دستيابي به مقياس ضبط و محاسبه‌ي فاصله‌ها دشوار بود، با اين حال بايد به چند نكته اشاره كرد:

۱. بلوتوث زماني بهترين عملكرد را دارد كه هيچ مانعي نداشته باشد (ديوارها، اثاث و ...). در رستوران كه يك فضاي بزرگ و باز با ميز و صندلي است، عملكرد بسيار خوبي خواهد داشت. در اين تست بسته به فاصله، سرعت‌هاي ۴۵۰ كيلوبيت بر ثانيه و ۲۴۰ كيلوبيت بر ثانيه به دست آمد.

۲. فلز اشكال ايجاد مي‌كند. با اجراي تست از داخل به خارج بازار، به خاطر يك پنجره‌ي بزرگ فلزي، عملكرد بلوتوث ضعيف بود . شايد دليل اين عملكرد بد، قاب‌هاي بزرگ فلزي پنجره و ديگر عناصر فلزي از جمله لوازم خانه باشند.

۳. با Bluetooth 5 Long Range) Coded) يك اتصال بالاي ۱۰۰ متر در اين تست تنظيم شد؛ البته در صورت تلاش براي يافتن شرايط ايده‌آل، اين احتمال وجود داشت كه بلوتوث قوي‌تر شود.

بر اساس تست‌ها واضح است كه بلوتوث ۵  بازدهي بيشتري دارد. وقتي دو دستگاه در فاصله‌ي چندمتري هم قرار بگيرند، سرعت بيش از ۱۰۰۰ كيلوبيت بر ثانيه هم امكان‌پذير است و اطراف نقطه‌ي پوشش سيگنال، بلوتوث ۵ سريع‌تر از BLE 4.2 عمل مي‌كند. در بسياري از يال‌هاي محدوده، اختلاف سرعت‌ به شكل معنادار و بر اساس محاسبات رياضي كاهش مي‌يابد، محدوده‌ي تئوري بلوتوث ۵ (با استفاده از نوع اتصال ۲ كيلوبيت بر ثانيه) كمتر از BLE 4.2 است. با اين حال، بلوتوث ۵ نوع اتصال جديد Long Range را معرفي مي‌كند كه برد بيشتري ارائه مي‌كند اما بازدهي آن كمتر است.

نكته‌ي جالب اينجا است كه همراهي براي اتصال‌هاي ۲ كيلوبيت بر ثانيه و Coded در بلوتوث ۵ اختياري است. تنها اتصال اجباري، سرعت اتصال ۱ كيلوبيت بر ثانيه از بلوتوث ۴ است با اين حال اگر تنظيمات بلوتوث ۵ از سرعت اتصال يك مگابيت بر ثانيه همراهي كند، هنوز هم به همراهي از عناصر پروتكل جديد مثل ظرفيت توزيع بيشتر نياز خواهد داشت (كه از ۳۱ بايت تا ۲۵۵ بايت متغير است).

احتمالات و آينده‌ي اتصال‌هاي دوربرد در دست مطالعه هستند و قطعا در آينده با برنامه‌هاي بيشتري در زمينه‌ي اتوماسيون خانگي و اينترنت اشياء روبه‌رو خواهيم شد. اين اميد وجود دارد كه بلوتوث ۵ تعبيه‌شده در تلفن‌هاي هوشمند فعلي شامل نسخه‌ي كامل بلوتوث ۵ باشد نه يك نسخه‌ي تقليل‌يافته بدون اتصال ۲ مگابيت بر ثانيه يا اتصال‌هاي Coded.