Bluetooth 4.1, 4.2 und 5 kompatible Bluetooth-Low-Energy-SoCs und -Tools stellen sich den Herausforderungen des Internets der Dinge (Teil 1)

Die signifikanten Verbesserungen der HF-Protokollsoftware („Stack“) für Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) in den Versionen 4.1, 4.2 und 5 des Standards haben seine Anwendbarkeit für ein breites Spektrum von Anwendungen jenseits seines ursprünglichen Einsatzgebiets Heimelektronik verbessert, besonders für Anwendungen mit Bezug zum Internet der Dinge (Internet of Things, IoT).

Die schnelle Entwicklung der Technologie und der Mangel an Klarheit über die Fähigkeiten und die Interoperabilität von Bluetooth LE und herkömmlichem, dem sogenannten „klassischen“ Bluetooth hat zu einiger Verwirrung geführt. Konstrukteure und Entwickler müssen genau wissen, welche Form der Technologie für einen bestimmten Zweck am besten geeignet ist, wenn sie ihr Produkt optimal gestalten und dabei in vollem Umfang von den Möglichkeiten von Bluetooth profitieren möchten.

In diesem zweiteiligen Artikel wird versucht, diese Verwirrung durch eine Definition von Bluetooth Low Energy aufzulösen. Dann werden die mit den Versionen 4.1, 4.2 und 5 der Spezifikation eingeführten Verbesserungen der Technologie beschrieben, aufgrund derer sie sich für ursprünglich nicht berücksichtigte Einsatzzwecke eignet. Hinzu kamen extrem geringer Energieverbrauch, größere Reichweite, höherer Durchsatz und Advertising-Erweiterungen. Dieser Artikel enthält auch Beispiele für Bluetooth-LE-SoCs (System-on-Chip), die mit der neuesten Version der Spezifikation vollständig kompatibel sind.  

Im zweiten Teil dieser zweiteiligen Artikelserie wird erläutert, wie Entwickler mit geringer HF-Erfahrung drahtlose Bluetooth-LE-Produkte mit SoCs, Modulen, Firmware und Hardware- und Software-Entwicklungskits (SDKs) einer Reihe von Anbietern entwickeln können.

Für niedrigen Energieverbrauch optimiert

Bluetooth Low Energy wurde mit Übernahme der Bluetooth-Version 4.0 im Jahre 2010 als interoperable Form der drahtlosen Bluetooth-Technologie mit extrem geringem Energieverbrauch für geringe Reichweiten eingeführt. Diese Technologie erweiterte das Bluetooth-Ökosystem auf Anwendungen mit geringen Batteriekapazitäten, z. B. Wearables. Mit Zielanwendungen mit mittleren Stromstärken im Mikroampere-Bereich ergänzt sie das klassische Bluetooth. Wichtige Funktionen der ursprünglichen Spezifikation sind u. a.:

• Ein kleiner Protokollstack.
• Interoperabilität mit Bluetooth ab Version 4.0 aufwärts.
• Rohdatenrate: 1 Mbit/s
• Reichweite etwa 10 Meter.
• Weitgehend unempfindlich gegen Störquellen im Bereich von 2,4 GHz.

Die Technologie eignet sich für die Datenübertragung durch kompakte drahtlose Sensoren oder andere Peripheriegeräte, bei denen eine vollständig asynchrone Kommunikation verwendet werden kann. Diese Bausteine senden relativ selten wenige Daten (d. h. einige Bytes). Ein Arbeitszyklus reicht von einigen Malen pro Sekunde bis zu ein Mal pro Minute oder seltener.

In der Kernspezifikation von Bluetooth 4.0 umfasst der kleine Bluetooth-LE-Stack die physische Schicht (PHY) (in der Bits übertragen werden), die Verbindungsschicht (Link Layer, LL), die die Paketstruktur und die Steuerung definiert, und die Host-Controller-Schnittstelle (Host Controller Interface, HCI). Diese drei Schichten werden zusammenfassend als Bluetooth Low Energy Link Controller bzw. „Controller“ bezeichnet. Über dem Controller umfasst die Host-Schicht das L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), das die kanalbasierte Abstraktion für Anwendungen und Dienste darstellt. Sie führt Fragmentierung und Defragmentierung von Anwendungsdaten und Multiplexen und Demultiplexen von mehreren Kanälen über eine gemeinsame logische Verbindung aus.

Die Host-Schicht umfasst auch das Security Manager Protocol (SMP) und das Attribute Protocol (ATT). SMP implementiert die Sicherheitsfunktionen zwischen Geräten über einen festen L2CAP-Kanal. ATT definiert eine Methode zur Übertragung geringer Datenmengen über einen festen L2CAP-Kanal. Bausteine, die die Dienste und Fähigkeiten anderer Bausteine ermitteln, verwenden ebenfalls ATT. Das Generic-Attribute-Profil (GATT) spezifiziert die Struktur, in der Profildaten ausgetauscht werden. Diese Struktur definiert die grundlegenden Elemente wie Dienste (Services) und Eigenschaften (Characteristics), die in einer Anwendung verwendet werden. Schließlich definiert das Generic Access Profile (GAP) die grundlegenden Anforderungen eines Bluetooth-Bausteins. Die Anwendungssoftware liegt ganz oben auf dem Stack (Abbildung 1).

Abbildung 1: Bluetooth-LE-Protokollstack mit Controller, Host und Anwendung. Das Generic Attribute Profile (GAP) definiert die grundlegenden Anforderungen eines Bluetooth-Bausteins. (Bildquelle: „Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook“ von Robin Heydon)

Die Verwirrung unter den Entwicklern könnte auf der Tatsache beruhen, dass die Bluetooth-Kernspezifikation ab Version 4.0 zwei Chiptypen definiert:

• Der Bluetooth-LE-Chip mit dem oben beschriebenen Stack.
• Ein Bluetooth-Chip mit einem modifizierten Stack und der „Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR)“-PHY vorheriger Versionen zusammen mit einer „Low Energy (LE)“-PHY („BR/EDR + LE“), sodass eine Interoperabilität mit allen Versionen und Chipvarianten des Standards besteht.

Dieser Artikel (und der Teil 2) bezieht sich hauptsächlich auf die Bluetooth-LE-Komponente. In vielen Heimelektronikgeräten arbeitet dieser Baustein mit einem Bluetooth-Chip zusammen, aber dank der Erweiterung des Standards in den Versionen 4.1, 4.2 und 5 wird er immer häufiger als eigenständige Komponente für IoT-Anwendungen verwendet.

Bluetooth-LE-Chips können mit anderen Bluetooth-LE-Chips und Bluetooth-Chips zusammenarbeiten, wenn diese die Spezifikation von Bluetooth 4.0 oder höher erfüllen. Beachten Sie, dass Bluetooth-Chips beispielsweise in Smartphones, Tablets und PCs eingesetzt werden. Dort ist ein niedriger Energieverbrauch weniger wichtig als Bandbreite. Sie können allerdings auch mit Bluetooth-Chips zusammenarbeiten, die Bluetooth 3.0 oder frühere Versionen erfüllen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bluetooth 4.0 stützt sich auf zwei Bausteine: Bluetooth-Chips (mit BR/EDR + LE-PHY) und Bluetooth-LE-Chips (LE-PHY) (Bild Mitte und rechts). Diese Geräte können zusammenarbeiten. Bluetooth-Chips können auch mit klassischen Bluetooth-Chips zusammenarbeiten, die Bluetooth 3.0 oder frühere Versionen erfüllen (links). (Bildquelle: Nordic Semiconductor.)

Bluetooth Low Energy spart Energie durch Maximierung der Standby-Zeit und durch Verwendung schneller Verbindungen und niedriger Spitzenleistung beim Senden und Empfangen. Entscheidend für den extrem niedrigen Energieverbrauch ist die Tatsache, dass sich Bluetooth Low Energy im Gegensatz zum klassischen Bluetooth mit seinem „verbindungsorientierten“ Funk mit festem Verbindungsintervall normalerweise in einem energiesparenden „nicht verbunden“-Zustand befindet, in dem die beiden Endpunkte der Verbindung voneinander wissen, aber die Verbindung nur dann hergestellt wird, wenn es erforderlich ist, und dann nur so kurz wie möglich.

Bei Bluetooth Low Energy werden für die Suche nach anderen Bausteinen oder zur Bekanntgabe der eigenen Anwesenheit drei Advertising-Kanäle im Gegensatz zu 32 bei Bluetooth verwendet. Bluetooth Low Energy wird für 0,6 bis 1,2 ms für die Suche nach anderen Bausteinen aktiviert, während Bluetooth für die Suche auf 32 Kanälen 22,5 ms benötigt und dabei die zwanzigfache Energie verbraucht.

Sobald die Verbindung hergestellt ist, schaltet Bluetooth Low Energy auf einen der 37 Datenkanäle um und wechselt dann nach einem Pseudo-Zufallsverfahren mittels der in der Bluetooth-Originalspezifikation für 79 Kanäle eingeführten AFH-Technologie (Adaptive Frequency Hopping) zwischen den Kanälen, um Störungen auszuweichen. Bluetooth Low Energy schließt dann den Verbindungsvorgang ab – suchen, verbinden, Daten senden, authentifizieren und beenden – alles in 3 ms gegenüber mehreren hundert Millisekunden bei Bluetooth und spart damit ebenfalls Energie.

Diese Technologie spart auch durch die Verwendung „gelockerter“ HF-Parameter im Vergleich mit Bluetooth Energie. In beiden Technologien wird die GFSK-Modulation (Gaussian Frequency Shift Keying) verwendet. Allerdings wird bei Bluetooth Smart ein Modulationsindex von 0,5 und nicht der beim klassischen Bluetooth eingesetzte Index von 0,35 verwendet. Dies verringert den Stromverbrauch. Der niedrigere Modulationsindex trägt auch zur Erhöhung der Reichweite und zur Stabilität bei.

Schließlich werden bei Bluetooth Low Energy kürzere Pakete als bei Bluetooth verwendet. Dadurch wird eine Überhitzung des Chips vermieden. Es macht auch eine energieintensive Neukalibrierung und die Verwendung einer Architektur mit geschlossenem Regelkreis überflüssig.

Vorbereitung für das IoT

In Heimelektronik-Anwendungen fungiert normalerweise ein Smartphone als „Gateway“, das die Daten des Bluetooth-LE-Bausteins in die Cloud überträgt. Dies eignet sich gut für auf den Menschen zentrierte Anwendungen wie Fitness-Armbänder, aber weniger für Zwecke wie Automatisierung im Heimbereich und in der Industrie, wo in der Regel kein Smartphone ständig verfügbar ist. Bluetooth 4.1 wurde u. a. eingeführt, um diese Schwäche zu beheben, wenn die Technologie für IoT-Anwendungen implementiert wird.

Bluetooth 4.1 wurde um die Fähigkeit erweitert, dass ein Baustein gleichzeitig als Bluetooth-LE-„Peripheriebaustein“ und als „Hub“ fungieren kann. Eine intelligente Uhr könnte z. B. als Hub fungieren, der Daten von einem Bluetooth-LE-Herzfrequenzmonitor bezieht, und gleichzeitig als Peripheriebaustein eines Smartphones, das neue Benachrichtigungen der Uhr anzeigt. Außerdem wurde Bluetooth 4.1 um eine Standardmethode erweitert, mit der ein dedizierter Kanal generiert werden kann, der z. B. für IPv6 (die neueste Version des Internet-Kommunikationsprotokolls) verwendet werden kann.

Weitere Verbesserungen in diesem Software-Upgrade sind u. a.: verbesserte Koexistenz von Bluetooth Low Energy und dem Mobilfunkstandard LTE; bessere Verbindungen, die es dem Entwickler erlauben, das Intervall für die Wiederverbindung zu variieren, und die Übertragung großer Datenmengen.

In der Zwischenzeit hat die Internet Engineering Task Force (IETF) die IPv6-Spezifikation um die 6LoWPAN-Spezifikation (Low Power Wireless Personal Area Networks) erweitert. Der Übergang von der 32-Bit-Adressierung von IPv4 zur 128-Bit-Adressierung von IPv6 stellt sicher, dass Milliarden kleiner Sensoren des Internets der Dinge eigene IP-Adressen haben. Dadurch könnten diese direkte Verbindungen mit anderen Bausteinen im Netzwerk aufbauen. Im Fall von Bluetooth Low Energy könnte ein Sensor auf die Dienste eines Gateways verzichten und die IP-Verbindung und Übertragung selbst durchführen. Smartphones sind ein gutes Beispiel für ein häufig genutztes Gateway.

Die Entwicklung der IETF hat zusammen mit dem in Bluetooth 4.1 eingeführten dedizierten Kanal dafür gesorgt, dass Bluetooth 4.2 das Internet Protocol Support Profile (IPSP) in den Bluetooth-LE-Stack aufnehmen kann. Mithilfe des IPSP können Bausteine andere Bausteine, die IPSP unterstützen, erkennen und mit ihnen über die Transportschicht von Bluetooth Low Energy mithilfe von IPv6-Paketen kommunizieren. Die meisten der größeren Anbieter von Bluetooth-LE-Chips nehmen eine derartige Transportschicht in ihren Stack auf.

Dank IPSP können Bluetooth-LE-Bausteine nun mit jedem IPv6-fähigen Baustein über einfache und kostengünstige Router oder Gateways kommunizieren (Abbildung 3). Da derartige Router als neutrale Geräte fungieren und IPv6-Pakete ohne Analyse und Manipulation weiterleiten, können Millionen bereits in Betrieb befindliche, aber bisher nicht mit Bluetooth Low Energy kompatible Geräte (z. B. Set-Top-Boxen (STBs) oder WLAN-Router) kostengünstig als Router eingesetzt werden.

Abbildung 3: Bluetooth 4.2 führte das Internet Protocol Support Profile (IPSP) in Bluetooth Low Energy (früher unter der Bezeichnung „Bluetooth Smart“ bekannt) ein und erlaubt Bausteinen die Kommunikation mit anderen IPv6-fähigen Bausteinen über eine Internetverbindung mithilfe von einfachen und kostengünstigen Routern. Zugriff auf das Internet über ein Smartphone-Gateway ist ebenfalls möglich, falls ein derartiges Gerät zur Verfügung steht. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Bluetooth 4.2 wehrt sich gegen Hacker

Bluetooth 4.2 hat auch einige Sicherheitselemente eingeführt, da zu befürchten ist, dass Bluetooth-LE-Komponenten wie intelligente Leuchten bei ihrer routinemäßigen Verbindung mit dem Internet ohne menschlichen Eingriff gehackt werden könnten.

Das erste ist „Low Energy (LE) Secure Connections“. Bis Bluetooth 4.2 war „Secure Simple Pairing“ der Grundpfeiler der Bluetooth-Sicherheit. Dabei wurde eine Verbindung zwischen Geräten nur nach Generierung und Übermittlung mehrerer Schlüssel hergestellt: ein Kurzzeitschlüssel (Short-term key, STK) und drei Langzeitschlüssel (Long-term keys) für die Verschlüsselung und Identifizierung auf der Verbindungsschicht (LTK), die Auflösung der Verbindungssignatur (Connection Signature Resolution, CSRK) und die Auflösung der Identität (Identity Resolution, IRK).

Bluetooth 4.2 führte erheblich strengere Sicherheitsvorkehrungen ein. Zur Schlüsselverwaltung führte die Spezifikation die asymmetrische Kryptographie mit elliptischen Kurven (Elliptic Curve Cryptography, ECC) mit den vom Federal Information Processing Standards (FIPS) empfohlenen elliptischen Kurven ein. Es wurde auch der von FIPS genehmigte „Advanced Encryption Standard“-Counter (AES-CCM) mit CBC-MAC-Kryptografie zur Verschlüsselung von Nachrichten verwendet. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Sicherheit auf der Verbindungsschicht zwischen benachbarten Bausteinen, die drahtlose Verbindungen gegen Angriffe wie passives Abhören und Man-in-the-middle-Angriffe (MITM) schützt.

Die zweite Erweiterung der Sicherheitsmaßnahmen in Bluetooth 4.2 ist „LE Privacy“. Hier werden private Adressen in Controllern und Host-Geräten aufgelöst. Dabei werden Positivlisten (Whitelisting) von privaten Adressen auf Controller-Ebene unterstützt.

Darüber hinaus bietet Bluetooth 4.2 einen Zuwachs der Übertragungsleistungsmodi in der Leistungsklasse 1 von +10 auf +20 dB. Damit kann auf externe Netzteile verzichtet werden, was Platz und Kosten spart. Die Paketgröße wurde gegenüber Bluetooth 4.1 von 27 auf 251 Bytes vergrößert und die Datenreichweite wurde um einen Faktor von bis zu 2,5 erhöht. Durch diese Verbesserungen wird die Kommunikation zwischen Geräten und Internetverbindungen effizienter. Auch werden schnelleres Hochladen und häufigere Over-The-Air-Firmware-Updates möglich.

Auf Upgrades folgen schnell Lösungen

Die Tatsache, dass Bluetooth Low Energy ein offener Standard ist, und der Markterfolg haben dazu geführt, dass der Markt nach Einführung von 4.0, 4.1 und 4.2 von großen Mengen von Herstellern und Produkten geflutet wurde. Im Allgemeinen wurde der SoC-Weg eingeschlagen. Ein gutes Beispiel ist die 2012 herausgekommene nRF51-Serie von Nordic Semiconductor. Sie basiert auf einem ARM-Cortex-M0-Prozessor und bringt einen Bluetooth-LE-Transceiver, Flash- und RAM-Speicher, eine Onboard-Energieverwaltung und einige E/A-Schnittstellen mit.

Das SoC DA14680 von Dialog Semiconductor geht einen ähnlichen Weg. Der Chip ist mit Bluetooth 4.2 kompatibel und verfügt über einen ARM-Cortex-M0-Prozessor, einen Bluetooth-LE-Funkbaustein, 8 MB Flash-Speicher, 64 KB OTP ROM, 128 KB Daten-SRAM, 128 KB ROM, On-Chip-Energieverwaltung und weitere Peripheriebausteine (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der DA 14680 von Dialog Semiconductor ist ein typisches Beispiel für ein Bluetooth-4.2-kompatibles BLE-SoC auf Grundlage eines Embedded-ARM-Prozessors mit einem empfindlichen 2,4-GHz-Funkbaustein, Flash-Speicher, RAM und ROM. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Neben Nordic und Dialog werden von vielen weiteren Herstellern von Bluetooth-4.1- und -4.2-ICs Lösungen für Entwickler angeboten. Erwähnenswert sind hier Texas Instruments (TI) und Cypress Semiconductor.

Größere Reichweite und mehr Bandbreite mit Bluetooth 5

Mit Bluetooth 5 (nicht das naheliegende „5.0“ ), der neuesten Version der Bluetooth-Technologie, bewegt sich Bluetooth Low Energy einen weiteren Schritt in Richtung einer grundlegenden Technologie für das IoT. Die Verbesserungen sind signifikant, Reichweite und Bandbreite wurden erhöht.

Die Bandbreite erhöht sich dank einer 2-Mbit/s-PHY gegenüber der 1-Mbit/s-PHY der früheren Versionen von Bluetooth Low Energy. Die Verdopplung der PHY-Bandbreite führt wegen der festen Overheads in der Paketstruktur von Bluetooth 5 nicht direkt zu einer Verdopplung der übertragenen Daten, aber die Entwickler sollten statt der 800 kbit/s mit der 1-Mbit/s-PHY von Bluetooth 4.2 etwa 1,4-Mbit/s erwarten können (Abbildung 5).

Abbildung 5: Bluetooth 5 übernimmt die 251 Byte Nutzdaten von Bluetooth 4.2, aber die 2-Mbit/s-PHY verringert die Übertragungsdauer und erhöht die Bandbreite. Bluetooth 4.2 konnte mit der 1-Mbit/s-PHY nur 800 kbit/s erreichen, Bluetooth 5 kommt dagegen mit seiner 2-Mbit/s-PHI auf bis zu 1,4 Mbit/s. Die höhere Bandbreite geht verloren, wenn die Erweiterungsfunktionen für die Reichweite von Bluetooth 5 eingesetzt werden. (Bildquelle: Bluetooth.com)

Ein höherer Durchsatz ist ein Vorteil für die meisten Anwendungen, aber ein Hauptvorteil für das IoT sind schnellere Over-The-Air-Updates, ein wichtiges Argument für IoT-Sensoren, die zur Erweiterung der Funktionalität und Erhöhung der Sicherheit erwartungsgemäß regelmäßige Aktualisierungen benötigen. Darüber hinaus spart eine 2-Mbit/s-PHY Energie, da der Funkbaustein beim Senden einer bestimmten Datenmenge über einen kürzeren Zeitraum als ein 1-Mbit/s-Baustein aktiv ist. Der Funkbaustein kann auch für längere Zeiträume in einen Tiefschlafmodus geschaltet werden, was den Stromverbrauch noch einmal senkt.

Die Reichweite von Bluetooth 5 ist bis zu viermal so groß wie die von 4.2. Dies ist ein Vorteil für viele IoT-Anwendungen. Bei einer derartigen Reichweite könnten beispielsweise alle intelligenten Leuchten in einem Haus nicht mehr über die häufig zur Erhöhung der Reichweite bei Low-Power-Wireless-Technologien implementierte hochkomplizierte Maschennetzwerke, sondern über eine Sterntopologie mit einem zentralen Hub kommunizieren. Die höhere Reichweite beruht auf der Forward Error Correction (FEC), die Kommunikationsfehler beim Empfänger erkennt und behebt. Entscheidend ist, dass die Reichweite entsprechend der Verpflichtung der Technologie zu extrem geringem Energieverbrauch ohne Erhöhung der Übertragungsleistung vergrößert wird.

Ingenieure und Entwickler definieren „Reichweite“ als die maximale Entfernung, über die Daten aus dem empfangenen Signal fehlerfrei extrahiert werden können. Bei größerer Reichweite erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und es kann zu Dekodierungsfehlern kommen. Ein Bluetooth-Empfänger verträgt eine maximale Bitfehlerrate (BER) von 0,1 %, ohne dass die Kommunikation zusammenbricht. Statt der Übertragungsleistung wurde die Empfindlichkeit des Empfängers gesteigert, sodass die maximale Bitfehlerrate erst bei erheblich größeren Entfernungen auftritt.

Bei Bluetooth 4.2 wird zur Paketfehlerprüfung der Cyclic Redundancy Check (CRC) verwendet. Der Empfänger berechnet den CRC neu und vergleicht den Wert mit dem vom Sender an das Paket angehängten Wert. Wenn sich die CRC-Werte unterscheiden, ist ein Fehler aufgetreten. Bluetooth 4.2 hat aber keinen Mechanismus zur Fehlerkorrektur beim Empfänger definiert. Daher fordert der Empfänger typischerweise eine erneute Übertragung des Pakets an, was den Gesamtdurchsatz senkt.

Die FEC von Bluetooth 5 erhöht die Empfindlichkeit des Empfängers ohne Änderung der Hardware. Der Nachteil dabei ist, dass an das Paket redundante Bits zur Erleichterung der Fehlerkorrektur angehängt werden. Damit sinkt die effektive Datenrate, je nachdem, welches der beiden verfügbaren Kodierungsschemen angewendet wird, auf 500 bzw. 125 kbit/s. Leider unterstützt die 2-Mbit/s-PHY kein FEC, sodass sie nicht zur Kompensierung des durch die redundanten Bits verursachten geringeren effektiven Durchsatzes verwendet werden kann.

Da FEC den effektiven Durchsatz senkt, muss sich der Bluetooth-Funkbaustein bei einer Übertragung einer bestimmten Datenmenge über eine große Entfernung viel länger im High-Power-Zustand befinden (4x). Je nach Kodierungsschema kann die Übertragung der Nutzdaten eines Bluetooth-LE-Standardpakets bis zu 13-mal so lange dauern wie eine nicht kodierte Übertragung. Dies wirkt sich nicht auf den Spitzenenergieverbrauch aus, aber der mittlere Energieverbrauch steigt an und der Akku entlädt sich schneller.

Neben weiteren Verbesserungen werden in Bluetooth 5 Advertising-Erweiterungen eingeführt. Advertising-Erweiterungen vergrößern den Umfang von Nutzdaten von 27 Bytes auf 251 Bytes, wodurch die Datenübertragung effizienter wird. Der bevorzugte Einsatzzweck für die Funktion sind Beacon-Anwendungen, die es Anbietern erlauben, mehr Informationen im Advertising-Paket an die Smartphones der Verbraucher zu senden. Ein weiteres Feature der neuesten Version ist die Möglichkeit, für das Broadcasting Datenkanäle zu verwenden.

Kommerzielle Bluetooth-5-kompatible BLE-Chips kommen gerade auf den Markt. Eine Lösung ist das SimpleLink-Bluetooth-LE-SoC CC2640R2F von TI.  In diesen Bluetooth-5-Chip sind ein ARM-Cortex-M3-Prozessor, Bluetooth-4.2- und -5-kompatible 2,4-GHz-Funkbausteine mit einer Empfindlichkeit von -97 dBm, ein On-Chip-DC/DC-Wandler und eine reichhaltige Auswahl von Ein- und Ausgängen und Peripheriebausteinen integriert. Darüber hinaus wird das SoC von einem breiten Angebot von SDKs, Referenzdesigns und anderen Softwarewerkzeugen von TI unterstützt.

Bluetooth 5 unterstützt im Gegensatz zu konkurrierenden Technologien wie ZigBee und ANT+ derzeit keine Maschennetzwerke. Mehrere Hersteller haben proprietäre Maschentechnologien auf der Grundlage von Bluetooth Low Energy implementiert, insbesondere CSR, das jetzt zu Qualcomm gehört. Da Maschennetzwerke wahrscheinlich eine wichtige Anforderung von IoT-Anwendungen werden, überrascht es nicht, dass die Bluetooth-Interessenvertretung an der Implementierung arbeitet. In der nächsten Aktualisierung des Bluetooth-Standards (für Ende 2017 angekündigt) werden höchstwahrscheinlich Maschennetzwerke enthalten sein.

Fazit

Durch die vielen bedeutenden Verbesserungen der HF-Protokoll-Software („Stack“), die in die Versionen 4.1, 4.2 und 5 des Bluetooth-LE-Standards eingeflossen sind, eignet sich die Schnittstelle nun für Anwendungen, die einen niedrigeren Energieverbrauch, eine höhere Reichweite und einen höheren Durchsatz verlangen. Die Änderungen haben aber auch zu einiger Verwirrung geführt. Entwickler, die im vollen Umfang von der für ihre Anwendung geeignetsten Bluetooth-Version profitieren möchten, müssen sich umfassende Kenntnisse über diese Updates und deren Implikationen aneignen.

Wie oben dargelegt wurde, sind Produktlösungen für frühere Bluetooth-Versionen umfassend verfügbar und Bluetooth 5 zieht schnell nach. Diese Lösungen ermöglichen es, dass ein Sensor, ein Produkt oder ein Gerät eine Verbindung mit dem IoT über einen einfachen und kostengünstigen Router und nicht mehr über ein komplexes Gateway wie ein Smartphone herstellt. Diese Art von Konnektivität stattet selbst das bescheidenste heutige Produkt mit einer signifikant erweiterten Funktionalität aus, die im Laufe der Lebensdauer des Geräts häufig aktualisiert werden kann.

Einführung in Teil 2: In Teil 2 dieser zweiteiligen Artikelserie wird unter Berücksichtigung dieser Tatsachen erläutert, wie Produkte unter Verwendung eines breiten Spektrums von mit Bluetooth 4.2 und 5 kompatiblen SoCs und Modulen gestaltet werden können.

Zusammen mit bewährten Stacks, Open-Source-Anwendungssoftware, Referenzdesigns und Entwicklungssoftware der Hersteller haben diese Komponenten die „Schwarze Kunst“ der HF-Technik zum großen Teil aufgehellt.  In dem Artikel wird dargelegt, dass die Entwicklung eines drahtlosen Bluetooth-LE-Produkts zwar nicht trivial ist, aber die Fallen vermieden werden können und die Entwicklung von Designs möglich ist, die den einschlägigen Bestimmungen genügen, mit Bluetooth-kompatibel sind und die Kunden zufriedenstellen.

Referenzen:

1. „Getting Started with Bluetooth Low Energy“, Kevin Townsend, Carles Cufí, Akiba und Robert Davidson, O’Reilly.
2. „Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook“, Robin Heydon.
3. „Exploring Bluetooth 5 - Going the Distance“, Martin Woolley, Bluetooth.com.
4. „A look in to Bluetooth v4.2 for Low Energy Products“