Bluetooth-5-Technologie für das Internet der Dinge

Von Europäische Herausgeber

Zur Verfügung gestellt von Europäische Fachredakteure von Digi-Key

Bluetooth 5, die neueste Version des Bluetooth-Standards, wird ein breites Spektrum von Verbesserungen bringen, z. B. eine größere Reichweite, höhere Geschwindigkeiten und eine erweiterte Unterstützung für verbindungslose Dienste. Dies stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der heutigen Bluetooth-4.2-Technologie dar, mit der sich neue Möglichkeiten für intelligente Anwendungen eröffnen.

Dieser Schritt ermöglicht Unternehmen und Entwicklern ein benutzerfreundliches und interoperables Internet der Dinge. Der neue Standard spezifiziert Modi mit der vierfachen Reichweite im Vergleich mit heutigen Geräten durch Reduzierung der Datenübertragungsgeschwindigkeit auf 500 Kbit/s und 250 Kbit/s, sodass noch mehr Sensoren zuverlässig im Haus eingesetzt werden können. Diese Reichweite erlaubt nicht nur einen größeren Abstand zwischen Controller und Sensor, sondern sorgt auch für eine zuverlässige Verbindung mit den Endgeräten. Auch ist eine Verdoppelung der Datenübertragungsgeschwindigkeit auf 2 Mbit/s möglich. Dies ermöglicht eine verbesserte Nutzererfahrung durch Audio-Streaming in höherer Qualität von Monitoren oder an drahtlose Lautsprecher

Die Marktforschung schätzt, dass im Jahre 2020 ein Drittel aller installierten IoT-Geräte dank der überall verfügbaren Implementierung in Smartphones als Controller mit Bluetooth arbeiten. Die Anforderungen an einen Bluetooth-5-Chip in einem Smartphone als Controller zum Streamen an ein drahtloses Headset unterscheiden sich allerdings erheblich von den Anforderungen für das Internet der Dinge. IoT-Anwendungen benötigen eine ausgeklügelte Energieverwaltung, um die Batterielaufzeit des Systems zu maximieren, und ein DC/DC-Wandler wird mehr und mehr zu einem selbstverständlichen Element des SoC.

Die den Chip-Designern heutzutage vorliegenden Designs berücksichtigen die Anforderungen von SoC-Bausteinen für das IoT. Die Bluetooth-IP-Plattform von RivieraWaves besteht z. B. aus einem Hardware-Basisband-Controller, einem Digitalmodem und einem detaillierten Software-Protokollstack. Der Stack umfasst die Verbindungsschicht einschließlich GAP/GATT (Generic Access Profile/Generic Attribute Profile) sowie einen zusätzlichen Satz von Diensten und Profilen. Die Riviera-Technology wurde bereits in bisherigen Generationen von Bluetooth-4.2-Bausteinen von NXP eingesetzt, z. B. im MKW31Z256.

Diagramm des von RivieraWaves entwickelten Bluetooth 5 IP

Abbildung 1: Das von RivieraWaves für System-on-Chip-Bausteine für das Internet der Dinge entwickelte Bluetooth 5 IP

Der Hardware-Basisband-Controller wird in Form eines Verilog IP Package bereitgestellt. Er führt Kodierung, Dekodierung und Frame-Zuteilung durch und wird durch eine AES128-Verschlüsselungs-Engine ergänzt. Der Softwarestack wird als C-Code-IP-Package zusammen mit der Verbindungsschicht, L2CAP, ATT, SMP, GAP/GATT sowie mit Diensten und Profilen bereitgestellt, die vom Chipentwickler modifiziert werden können.

Bild des Bluetooth-5-IP-Protokollstacks von RivieraWaves

Abbildung 2: Der Bluetooth-5-IP-Protokollstack von RivieraWaves

Der BLE-Modus (Bluetooth Low Energy) unterscheidet sich vom Bluetooth-Dual-Modus, dessen Protokollstack im Smartphone eine Standard-HCI-Schnittstelle umfasst. Dank der flexiblen Funkschnittstelle kann die Plattform mit einem der RivieraWaves-RF-IPs oder einem RF-IP von einem der verschiedenen Partner bereitgestellt werden. Dies ermöglicht eine optimale Auswahl des Halbleiterwerks und des Prozesses.

Mindtree, ein weiterer IP-Lieferant hat in Zusammenarbeit mit Texas Instruments den Bluetooth-4.2-Stack auf den CC1350-Prozessor gebracht. Hier wird ein flexibler HF-Transceiver mit niedrigem Energieverbrauch mit einem ARM®-Cortex®-M3-Mikrocontroller für 48 MHz kombiniert, der sich für mehrere physische Schichten und HF-Standards eignet, sodass ein Upgrade auf Bluetooth 5 relativ einfach ist. Das 2 Mbit/s GFSK-Modulationsschema des Funkmoduls bringt für den Benutzer eine signifikante Erhöhung des Systemdurchsatzes und ist relativ einfach in die Hardware zu implementieren.

Der Stack läuft auf einem dedizierten Cortex-M0 als Funk-Controller, der die im ROM oder RAM gespeicherten Low-Level-Befehle des HF-Protokolls behandelt. Sensoren für das Internet der Dinge können von einem dedizierten, autonomen Controller mit extrem geringem Energieverbrauch behandelt werden, der sowohl für analoge als auch für digitale Sensoren konfiguriert werden kann, sodass der Haupt-Cortex-M3-Core im Schlafmodus bleiben kann. Damit Stromversorgung, Taktmanagement und Funkkomponenten richtig funktionieren, müssen sie von der Software speziell konfiguriert und behandelt werden. Dies wurde in dem dedizierten Echtzeit-Betriebssystem TI-RTOS implementiert. Dieses wird auch auf die neuen Funktionen von Bluetooth 5 aktualisiert.

Dazu gehört die Erweiterung der Advertising-Pakete auf 237 Byte. Dies eröffnet Datenkanäle für das Advertising und führt auch das Konzept des periodischen Advertising ein.

Mindtree hat auch in Zusammenarbeit mit Synopsys ein komplettes Bluetooth-Smart-IP-Design für Version 4.2 mit den 55 nm und 180 nm Prozessen von TSMC entwickelt. Hier wird physisches IP von Synopsys mit der BlueLitE-Verbindungsschicht von Mindtree und einem Softwarestack-IP kombiniert. Damit erhalten die Chip-Entwickler einen kompletten BLE-Block, der Risiken und Integrationsprobleme für SoCs mit extrem niedrigem Energieverbrauch für IoT-Anwendungen minimiert. Das PHY-IP von Synopsys hängt an einer 1V-Stromversorgung, um die Batterie zu schonen, und verfügt über ein integriertes Anpassungsnetzwerk für die Antenne, um eine optimale Signalübertragung zwischen Antenne und Quelle zu gewährleisten und so die Kosten für externe Komponenten zu reduzieren.

Bluetooth 5 wird jetzt in Bausteine implementiert. Bei den SoC-Bausteinen nRF52 von Nordic Semiconductor handelt es sich beispielsweise um eine Familie von Multiprotokoll-SoCs auf der Grundlage eines 32-Bit-ARM-Cortex-M4F-Core mit 1 MB Flash und 256 KB RAM auf dem Chip. Der neueste 2,4 GHz Embedded-Transceiver unterstützt alle Bluetooth-5-LE-Datenraten in Hardware, von den neuen 2 Mbit/s und den herkömmlichen 1 Mbit/s bis zu den Bluetooth-5-Datenraten für große Reichweiten von 500 Kbit/s und 125 Kbit/s. Die Funkkomponente unterstützt hochauflösende RSSI-Messungen und automatische Funktionen zur Reduzierung der CPU-Last sowie EasyDMA für den direkten Speicherzugriff für Paketdaten und Zusammenführung. Auch Nordic stellt die Protokollstacks für Bluetooth-5-Low-Energy direkt bereit – diese Stacks sind unter der Bezeichnung SoftDevices bekannt, und der nRF52840 wird vom SoftDevice S140 unterstützt, bei dem es sich um einen vorqualifizierten Bluetooth-5-Low-Energy-Protokollstack handelt.

Bild Entwicklungsplatine nRF52 von Nordic Semiconductor

Abbildung 3: Die Entwicklungsplatine nRF52 von Nordic Semiconductor ermöglich eine Evaluierung der neuesten Bluetooth-5-Bausteine.

Viele der vorhandenen Bluetooth-4.2-Bausteine wurden mit Blick auf die nächste Generation entworfen, und das Bluetooth-Element in einem SoC für das Internet der Dinge muss nur einen relativ kleinen Teil des Chip-Designs darstellen. Beim CYBL11573 von Cypress Semiconductor widmet sich der größte Teil des Chips wie in Abbildung 4 gezeigt der Behandlung der Peripherie.

Diagramm des CVBL11573 von Cypress Semiconductor

Abbildung 4: Der überwiegende Teil des CVBL11573 ist zur Verwaltung der für IoT-Anwendungen benötigten Sensoren bestimmt.

Das BLE-Subsystem für das SoC aus der Verbindungsschicht-Engine und der physischen Schicht. Die Verbindungsschicht-Engine unterstützt sowohl die Master- als auch die Slave-Rolle und implementiert zeitkritische Funktionen wie die Hardware-Verschlüsselung, mit der der Energieverbrauch reduziert wird, und sorgt für minimale Interventionen des Prozessors und eine hohe Leistung. Die wichtigsten Protokollelemente wie die Hoststeuerungs-Schnittstelle (HCI) und die Verbindungssteuerung sind in der Firmware implementiert. Dies sind die Elemente, die sich in einer Bluetooth-5-Implementierung ändern.

Die physische Schicht ändert sich auch zur Behandlung der höheren Datenübertragungsgeschwindigkeit von 2 Mbit/s. Hier wird bereits die GFSK-Modulation eingesetzt, bei der das digitale Basisbandsignal der BLE-Pakete in Hochfrequenz-Signale umgewandelt wird, bevor es über die Antenne gesendet wird. In Empfangsrichtung wandelt dieser Block ein HF-Signal von der Antenne nach der GFSK-Demodulierung in einen digitalen Bitstrom um. Der HF-Transceiver umfasst ein integriertes Symmetrierglied, das einen asymmetrischen HF-Anschlusspin über ein PI-Anpassungsnetzwerk zur Ansteuerung einer 50Ω-Antenne bereitstellt. Die Ausgangsleistung ist von -18 dBm bis +3 dBm programmierbar, damit der Stromverbrauch an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden kann.

Auch für die Familie EFR32MG von Bluetooth-Controllern von Silicon Labs ist ein Upgrade auf Bluetooth 5 möglich. Bei der aktuellen Familie wird ein 40MHz-ARM-Cortex-M4-Core mit skalierbarem Arbeitsspeicher und HF-Konfigurationsmöglichkeiten mit QFN-Gehäusen mit kompatiblen Abmessungen eingesetzt. Wie andere IoT-Implementierungen ermöglicht das 12-Kanal-Peripheral-Reflex-System die autonome Verwaltung der Peripherie, während das integrierte 2,4GHz-Symmetrierglied und Leistungsverstärker eine Sendeleistung von bis zu 19,5 dBm liefert.

Fazit

Mit dem Erscheinen von Bluetooth 5 Anfang 2017 versuchen die Chip-Entwickler auf verschiedene Weise, die Funktionen in System-on-Chip-Bausteine für das Internet der Dinge einzubringen. Dank physischer und Software-IP von Lieferanten wie RivieraWaves und MindTree können sich die Entwickler mit geringerem Risiko auf die zusätzlichen Peripheriebausteine konzentrieren. Andere versuchen dagegen, die Bluetooth-5-Funktionalität in das SoC zu integrieren, um zusätzliche Funktionen einzubauen oder die Größe zu reduzieren.

Beide Ansätze bieten den Entwicklern von IoT-Komponenten neue Möglichkeiten. Dank des geringeren Energieverbrauchs, der größeren Reichweite und der höheren Übertragungsgeschwindigkeit können Bluetooth-5-Embedded-Entwickler ihre Bausteine mit ausgeklügelter drahtloser Kommunikation ausrüsten.

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