Bluetooth mit ultra-niedriger Leistungsaufnahme

Es gibt kaum ein Handy auf diesem Planeten, das nicht mit einem Bluetooth®-Transceiver für die Verbindung mit einem drahtlosen Headset ausgestattet ist. Die meisten neuen PCs verfügen jetzt ebenfalls über Bluetooth-Chips für den gleichen Zweck, so dass Sie am Computer arbeiten können, während Sie kommunizieren (sprechen, hören). Viele der neuen Autos haben Bluetooth für freihändiges telefonieren während der Fahrt. Doch während das alles schön und gut ist, gibt es eine breite Palette von Anwendungen, für die Bluetooth nicht geeignet ist - oder zumindest bis jetzt nicht war.

Bluetooth ist ein verbindungsorientiertes Protokoll, entwickelt, um kontinuierliches Streaming von Daten mit relativ hohen Geschwindigkeiten zu handhaben und ist daher gut geeignet für den Anschluss kabelloser Headsets für Handys. Bei dem Versuch, die Leistungsaufnahme gering zu halten, haben sich die meisten Änderungen bei den Bluetooth-Spezifikation auf die Steigerung der Datenrate konzentriert. Die Basisrate (BR) ermöglicht synchrone und asynchrone Verbindungen mit bis zu 720 Kb/s. Bluetooth der Version 2.0 (2004) fügte eine erweiterte Datenrate (EDR) von 3 Mb/s (in der Praxis üblicherweise nicht mehr als 2,1 Mb/s) hinzu. Bluetooth 3.0 (2009) fügte eine Hochgeschwindigkeits(HS-)-Datenkapazität von bis zu 24 Mb/s unter Verwendung eines alternativen MAC/PHY (AMP) hinzu, der über eine parallel angeordnete 802.11-Verbindung kommuniziert. Doch trotz cleverer Technik führt das Streben nach höherer Geschwindigkeit zwangsläufig zu höherem Stromverbrauch.

Bluetooth Low Energy hingegen war von Anfang als Protokoll für ultra-niedrige Leistungsaufnahme (ULP) entworfen worden, um drahtlosen Kurzstreckengeräten zu dienen, die möglicherweise für Monate oder sogar Jahre auf einer einzigen Knopfzelle laufen müssen. In Bluetooth der Version 4.0 (2010) vorgestellt, setzt Bluetooth Low Energy auf einen einfachen Protokollstapel, der die asynchrone Kommunikation mit Niederleistungsgeräten, wie drahtlosen Sensoren, ermöglicht, die geringe Datenmengen in unregelmäßigen Intervallen senden. Verbindungen lassen sich schnell etablieren und freigegeben, sobald der Datenaustausch abgeschlossen ist, und minimieren die PA-Einschaltzeit und damit den Stromverbrauch.

Die "Bluetooth Core Specification Version 4.0" enthält die kompletten Spezifikationen für "Classic Bluetooth", "Bluetooth High Speed" und "Bluetooth Low Energy". Obwohl Bluetooth Low Energy völlig neu ist, erkannten die Entwickler die Vorteile der Beibehaltung der Abwärtskompatibilität mit den bereits im Umlauf befindlichen über zwei Milliarden Bluetooth-Geräten. Um dieses Problem zu überlisten, ohne dabei das Design von Bluetooth Low Energy, Version 4.0, zu gefährden, wurden zwei Arten von Geräten eingeführt:

• Dual-Mode-Chips, die mit klassischen Bluetooth-Geräten kommunizieren können sowie Single-Mode-Chips in Geräten mit extrem niedriger Leistungsaufnahme.
• Single-Mode-Chips verwenden den kompakten "Bluetooth Low Energy"-Protokollstapel. Diese können mit anderen Single-Mode-Chips kommunizieren oder mit Dual-Mode-Chips, die den "Bluetooth Low Energy"-Teil ihrer Architektur verwenden.

Dual-Mode-Chips, gerade erst auf den Markt gekommen, werden ab sofort die Bluetooth-Funktionen in allen Handys, PCs und Autos der Zukunft übernehmen. Sie können mit älteren Bluetooth-Geräten kommunizieren sowie mit den neuen, energiesparenden "Bluetooth Low Energy"-Geräten in einer breiten Palette von medizinischen, industriellen und Verbraucheranwendungen. Diese zusätzliche Fähigkeit kommt mit sehr wenig zusätzlichen Siliziumkosten.

Werbung zahlt sich aus

"Bluetooth Low Energy"-Funkgeräte arbeiten im 2,4 GHz ISM-Band und verwenden ein Frequenzsprungverfahren über 40 Kanäle mit GFSK-Modulation, um eine Datenrate von bis zu 1 Mb/s zu erreichen. Bluetooth Low Energy verwendet zwei Datenzugriffsverfahren: Frequenzmehrfachzugriff (FDMA) und Zeitmehrfachzugriff (TDMA).

Im FDMA-Schema springen LE-Radios zwischen 40 physikalischen Kanäle getrennt durch 2 MHz, von denen drei als Werbekanäle und 37 als Datenkanäle verwendet werden. Im TDMA-System sendet ein Gerät ein Paket zu einer vorgegebenen Zeit und das abtastende Gerät reagiert mit einem anderen Paket nach einem vorbestimmten Intervall. Die Datenübertragung zwischen "Bluetooth Low Energy"-Geräten geschieht zwischen zwei Zeiteinheiten, bekannt als Ereignisse (Events): Werbeereignisse (Advertising-Events, siehe Abbildung 1) und Verbindungsereignisse (Connections-Events, siehe Abbildung 2).

Die Werbekanäle ermöglichen die Entdeckung von Geräten in der Umgebung. Ein Anbieter sendet Pakete, um anzuzeigen, dass er Daten zu kommunizieren hat. Ein abtastendes Gerät kann dann vom anbietenden Gerät ein weiteres Werbepaket anfordern - damit wird eine Broadcast-Kommunikation nur auf diesem Werbekanal ermöglicht - oder, was häufiger geschieht, fordert die Einrichtung einer bidirektionalen Kommunikationsverbindung an.

Wenn eine Verbindung angefordert wird, dienen die gleichen Werbekanäle dazu, die Geräte zu verbinden, die dann die Datenkanäle für die Kommunikation verwenden. Bei der Herstellung der Verbindung definiert das initiierende Gerät den Kanal und das Timing des Datenaustauschs über die Latenz der Kommunikation mit dem Werbe- oder Slave-Gerät, welches nachträglich eine Änderung dieser Parameter anfordern kann, um den Stromverbrauch zu optimieren.

Sobald eine Verbindung hergestellt ist, wird der Scanner zum Master- und der Anbieter zum Slave-Gerät. Das Frequenzsprungverfahren wird eingeleitet, wobei Datenpakete während sogenannter Verbindungsereignisse auf jeder Frequenz ausgetauscht werden. Der Master initiiert jedes Verbindungsereignis, jedoch kann sowohl der Master als auch der Slave die Kommunikation jederzeit beenden.

Energieeinsparung

Eine der Möglichkeiten, durch die es Bluetooth Low Energy gelingt den Stromverbrauch zu minimieren, ist, die Funkeinrichtung nur für sehr kurze Zeit einzuschalten. "Bluetooth Low Energy"-Radios müssen nur drei Werbekanäle scannen, um andere Geräte zu suchen (was es in 0,6 bis 1,2 ms erledigt), während klassische Bluetooth-Funkgeräte ständig 32 Kanäle scannen müssen, die jeweils 22,5 ms Zeit erfordern. Dieser Trick allein ermöglicht es den Niedrigenergiegeräten 10 bis 20 mal weniger Strom als klassische Bluetooth-Geräte zu konsumieren.

Wie Classic Bluetooth, nutzt auch Bluetooth Low Energy adaptive Frequenzsprungverfahren, um Interferenzen mit in der Nähe befindlichen Radios zu minimieren. Allerdings nutzt Bluetooth Low Energy drei feste Werbekanäle, die nicht vor Störungen geschützt sind. Diese Kanäle wurden gewählt, weil es nur in einer Instanz (2402 GHz, Kanal 37) gelegentlich Konflikte mit WiFi (Kanal 1) gibt und natürlich gibt es per Design keinen Konflikt mit "Bluetooth Low Energy"-Daten.

Mit einer Datenbandbreite von 1 Mb/s ist ein "Bluetooth Low Energy"-Transceiver nur ein Achtel der Zeit eingeschaltet, die ein ZigBee®-Knoten auf dem gleichen 2,4 GHz Band benötigt, um die gleichen Daten zu übertragen, was zu einer achtfachen Batterielebensdauer allein aufgrund der Datenrate führt.

"Bluetooth Low Energy"-Geräte können innerhalb von 3 ms nach anderen Geräten scannen, die Verbindung etablieren, Daten senden, den gültig Empfang bestätigen und die Verbindung beenden. Klassische Bluetooth-Geräte benötigen in der Regel Hunderte von Millisekunden, um die gleiche Serie von Aufgaben zu erfüllen und erfordern ein paar Größenordnungen mehr Energie für den Prozess.

Desweiteren sind die "Bluetooth Low Energy"-Pakete auch viel kürzer als die von "Classic Bluetooth" verwendeten, was zu einer geringeren Einschaltzeit für den PA und damit zu einer längeren Akkulaufzeit führt.

Schließlich trägt auch das Modulationsschema von Bluetooth Low Energy zu einem niedrigeren Energieprofil sowie größerer Robustheit bei. Sowohl klassisches Bluetooth als auch Bluetooth Low Energy nutzen eine gaußsche Frequenzumtastung (GFSK). Allerdings verwendet das klassische Bluetooth einen Modulationsindex von 0,35, während der Modulationsindex für Bluetooth Low Energy zwischen 0,45 und 0,55 festgelegt ist, was in der Nähe der gaußschen Minimalumtastung (GMSK) liegt. Dies führt zu höherer spektraler Effizienz und damit zu einer größeren Stabilität gegenüber klassischem Bluetooth. Lediglich die Gefahr einer leichten Erhöhung der Zwischensymbol-Interferenzen (ISI) muss hingenommen werden. Der leichte Anstieg der Leistung durch den höheren Modulationsindex wird durch die zuvor beschriebenen Stromspartechniken mehr als ausgeglichen. Tabelle 1 fasst die Unterschiede zwischen klassischem Bluetooth und Bluetooth Low Energy zusammen.

Technische Daten	Classic Bluetooth	Bluetooth Low Energy
Distanz/Entfernung	100 m (330 ft)	50 m (160 ft)
Luftdatenrate	1 bis 3 Mb/s	1 Mb/s
Anwendungsdurchsatz	0,7 bis 2,1 Mb/s	0,26 Mb/s
Aktive Slaves	7	Nicht definiert, implementierungsabhängig
Sicherheit	64/128 Bit und benutzerdefinierter Anwendungsschicht	128 Bit AES mit Zählermodus-CBC-MAC und benutzerdefinierter Anwendungsschicht
Stabilität	Adaptives schnelles Frequenzsprungverfahren, FEC, schnelles Bestätigungsverfahren (ACK)	Adaptives Frequenzsprungverfahren, träges Bestätigungsverfahren (Lazy Acknowledgement), 24 Bit CRC, 32 Bit Meldungsintegritäts-Prüfverfahren
Latenz (aus einem nicht-verbundenen Zustand)	Typischerweise 100 ms	6 ms
Insgesamt benötigte Zeit, um Daten zu senden (bestimmt die Batterielebensdauer)	100 ms	6 ms
Sprachfähig	Ja	Nein
Netzwerktopologie	Streunetz	Sternförmiger Bus
Leistungsverbrauch	1 als Referenz	0,01 bis 0,5 (je nach Anwendungsfall)
Spitzenstromverbrauch	<30 mA	<20 mA (max. 15 mA, um auf Knopfzelle zu laufen)
Service-Erkennung	Ja	Ja
Profilkonzept	Ja	Ja
Primäre Anwendungsfälle	Mobiltelefone, Spiele, Kopfhörer, Stereo-Audio-Streaming, Automobile, PCs, Sicherheit, Nahkommunikation, Gesundheit, Sport & Fitness, usw.	Mobiltelefone, Spiele, PCs, Uhren, Sport und Fitness, Gesundheit, Sicherheit und Nahkommunikation, Automobile, Unterhaltungselektronik, Automation, Industrie, usw.

Stapelarchitektur

Ein Singlemode-"Bluetooth Low Energy"-Transceiver verbraucht bei der Ausführung mit voller Leistung überraschenderweise nicht sehr viel weniger Strom als ein Transceiver für Classic Bluetooth (20 mA gegenüber 30 mA). Die Energieeinsparung wird weitgehend durch die Stapelarchitektur ermöglicht, die eine Reihe von Energiespartechniken bietet.

Der "Bluetooth Low Energy"-Protokollstapel (siehe Abbildung 3) besteht aus einer Steuereinheit und einem Host. Die verschiedenen Teile des Stapels bestehen aus:

• Die physikalische Schicht (PHY) überträgt und empfängt Pakete über den physikalischen Kanal, in diesem Fall GFSK-Pakete bei 1 Mb/s auf dem 2,4 GHz ISM-Band.
• Die Verbindungsschicht (LL) steuert den Zustand des HF-Transceivers. Sie bestimmt, ob er sich im Zustand Werben, Scannen, Initiieren, Verbunden oder Standby befindet.
• Die Host-Controllerschnittstelle (HCI) verarbeitet die gesamte Kommunikation zwischen dem Host und dem Controller, in der Regel über SPI, USB oder einem UART.
• Das logische Verbindungssteuerungs- und Anpassungsprotokoll (L2CAP) bietet Datenkapselungsdienste für die oberen Schichten. Es übernimmt das Verkehrsmanagement, die Steuerung der Sendereihenfolge der Protokolldateneinheit an das Basisband und die Gewährleistung des QoS-Zugangs zum physikalischen Kanal.
• Das Attribut-Protokoll (ATT) ermöglicht einem Gerät einem anderen Gerät bestimmte seiner Eigenschaften zu offenbaren. Der ATT-Block stellt die Peer-zu-Peer-Kommunikation zwischen einem Attribut-Server und einem Client her, um diese Informationen über einen dedizierten L2CAP-Kanal auszutauschen.
• Der Sicherheitsmanager (SM) erzeugt, verwaltet und speichert Verschlüsselungs- und Identitätsschlüssel, um zwei Geräten zu ermöglichen, sicher über einen dedizierten L2CAP-Kanal zu kommunizieren. Bluetooth Low Energy verwendet eine 128 Bit AES-Verschlüsselung mit Zählermodus CBC-MAC und einer benutzerdefinierten Anwendungsschicht.
• Das generische Attribut-Profil (GATT) definiert die Unterprozeduren für die Verwendung von ATT und legt die Struktur der Bluetooth-Profile fest. Die gesamte Kommunikation zwischen Bluetooth-Geräten wird über GATT-Unterprozeduren gehandhabt.
• Der Allgemeine Zugriffsprofilblock (GAP) stellt die Schnittstelle zwischen der Anwendung und dem Bluetooth-Profil dar und behandelt Geräteerkennung, Anschluss- und Dienstleistungen, einschließlich Sicherheitsverfahren.

Bluetooth-Anwendungen und -Geräte kommunizieren miteinander durch einen stark strukturierten Satz von Prozeduren, die Profile genannt werden. Profile können funktionell eine sehr niedrige Ebene bedienen, wie Profile für die Verbindung mit IrDA-Geräten oder für den Aufbau von sicheren Verbindungen oder sie können gruppiert werden, um Anwendungen auf höherer Ebene zu dienen. Zum Beispiel gibt es "Bluetooth Low Energy"-Protokolle, um Blutdruck (BLS), Herzfrequenz (HRS) und Temperatur (HTP) eines Patienten zu überwachen und zusammen bilden diese eine Gruppe von Gesundheitsprofilen. Die Bluetooth SIG ist dabei, Profile für Verbraucher-, Gesundheits- und Industrieanwendungen, für die eine schnelle Verbreitung von "Bluetooth Low Energy"-Geräten prognostiziert wird, zu definieren.

Chips für Bluetooth Low Energy

Seit Ende 2011 erscheinen Chips für Bluetooth Low Energy erst jetzt auf dem Markt. Texas Instruments ist mit seinem Bluetooth-SoC (System-on-Chip) CC2540 einer der ersten Hersteller auf dem Markt. Der CC2540 ist ein Single-Mode-Chip, der eine 8051-MCU, 8 KB RAM, 128 bis 256 KB Flash und HF-Transceiver, einen Single-Mode-Protokollstapel, eingebettete Profil-Software und eine vollständige Palette von Peripheriekomponenten integriert. Der CC2540 kann sowohl im Master- als auch im Slave-Modus betrieben werden und verbraucht so wenig wie 15,8 mA bei 3 V im Empfangsmodus und 18,6 mA im Sendemodus (-6 dBm).

Für Entwickler bietet TI das Entwicklungskit CC2540DK-MINI für den CC2540 an. Das Kit enthält einen CC2540-USB-Dongle, eine CC2540-Handsenderplatine und Kunststoffgehäuse, einen CC-Debugger mit Kabel, ein Mini-USB-Kabel, eine CR2032-Batterie und die Kit-Dokumentation. Mit Hilfe des mitgelieferten BTool-Anwendungsprogramms und dem "Simple Keys"-GATT-Profil können Sie eine Verbindung zwischen dem Dongle und dem Handsender herstellen und dann mit verschiedenen Sicherheits- und anderen Low-Level-Funktionen experimentieren. TI liefert Beispiel-Quellcode für einen Blutdrucksensor, Herzfrequenzsensor und ein Thermometer. Sie können den Quellcode kompilieren und dann per SmartRF-Flash-Programmierer und CC-Debugger auf den CC2540 herunterladen und auf dem Dongle ausführen.

Ebenfalls auf der Grundlage des CC2540, bietet BlueRadios, Inc. das Evaluierungskit BR-EVAL-LE4.0-S2A an. Das Kit bietet ein betriebsbereites BLE-Gerät mit einfachen AT-Modem-ähnlichen Befehlen und Embedded-Bluetooth-Stapel und -Profilen (GAP, GATT, ATT, SMP, L2CAP und BATT) an. Dieses Gerät kann durch einfache ASCII-Zeichenketten über den HF-Link oder über den seriellen Hardware-Anschluss per UART, SPI oder USB konfiguriert und gesteuert werden.

Das ENW-89820A1KF von Panasonic ist ein Single-Mode-"Bluetooth Low Energy"-Modul für mobile Telefone, PDAs und Laptops. Es beinhaltet eine 8051-MCU, bis zu 256 Kbit Flash, 8 Kbit RAM, einen AES-Sicherheits-Coprozessor, IR-Generatorschaltung, eine USB-2.0-Schnittstelle und einen kompletten "Bluetooth Low Energy"-Softwarestapel. Das Modul PAN1720 ist in einem sehr kleinen 15,6 mm x 8,7 mm x 1,9 mm SMD-Gehäuse mit einem geschirmten Gehäuse untergebracht.

CSR fertigt eine Reihe von Chips für Bluetooth Low Energy, einschließlich des CSR1000A04-IQQM-R. Die CSR-μEnergy™-Plattform bietet alles, was erforderlich ist, um ein "Bluetooth Low Energy"-Produkt herzustellen, mit HF, Basisband, Microcontroller, qualifiziertem Bluetooth-v4.0-Stapel und Kunden-Anwendung auf einem einzigen Chip. Die CSR-μEnergy-Plattform ist in zwei Chipvarianten erhältlich. Der CSR1001-Chip ist für Tastaturen und Fernbedienungen mit dedizierter Hardware für die Tastenfeldabtastung optimiert. Der CSR1000 bietet ein kleineres Paket für Fitness-Produkte, Uhren, Mäuse und andere Sensoren.

Ist das alles?

Der Kurzstrecken-Funkmarkt ist sowohl voll als auch fragmentiert, da es keine Einzellösung für alle  unterschiedlichen Anforderungen gibt. Die meisten dieser Protokolle basieren auf dem Standard IEEE 802.15.4, der nur die PHY- und die MAC-Schichten definiert, jedes Protokoll definiert dann die Netzwerkschicht nach seinen individuellen Bedürfnissen. ZigBee ist wahrscheinlich die am weitesten verbreitete 802.15.4-Variante, aber 6LoWPAN und WirelessHART™ haben auch ihren Platz, ebenso, wie die proprietären Protokolle ANT™, Z-Wave®, MiWi™ und SimpliciTI™. Wo und wie gut passt Bluetooth Low Energy in dieses Bild?

Jedes der anderen gerade erwähnten standardisierten Protokolle hat eine Nische gefunden, in der es am meisten Sinn macht: 6LoWPAN liefert Internet-Konnektivität und WirelessHART wird für selbstheilende Maschennetzwerke verwendet; dieses sind nicht die Zielmärkte für Bluetooth Low Energy. Auf der anderen Seite adressiert das ZigBee-RF4CE™-Protokoll viele der gleichen Anwendungen wie Bluetooth Low Energy, ist aber ein komplexeres Protokoll, das besser für die Vernetzung geeignet ist - Bluetooth Low Energy kann nur in einer Sternkonfiguration betrieben werden - aber beträchtlich höhere Leistungsanforderungen hat und daher nicht annähernd so gut für Anwendungen geeignet ist, die ultraniedrige Leistungsaufnahme erfordern, wie medizinische Sensoren und industrielle und militärische Anwendungen, die ein Maximum an Batterie-Lebensdauer erfordern.

Im Konsumentenbereich ist ANT weit verbreitet bei Herzfrequenz-Messgeräten für Jogger und anderen Körpernetzwerk(BAN)-Anwendungen. Wie Bluetooth Low Energy ist auch ANT ein Ultraniederenergie-Protokoll das auf Anwendungen mit niedriger Datenrate abzielt. ANT wäre ein ernsthafter Konkurrent, aber Bluetooth Low Energy hat einen großen Vorteil - Kompatibilität mit über zwei Milliarden installierten Geräten und einer hohe Akzeptanz in der Verbraucher-Community. Die Tatsache, dass die großen ANT-Chiphersteller - Texas Instruments und Nordic Semiconductor - Bluetooth Low Energy so stark vorantreiben, sollte keinen Zweifel daran aufkommen lassen, dass es sehr bald ANT und proprietären Lösungen verdrängen wird und das dominierende Protokoll bei Wireless-Geräten mit extrem niedriger Leistungsaufnahme wird.

Referenzen:

1. Website zur Bluetooth-Technologie
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. Bluetooth Low Energy – Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. Bluetooth Low Energy – DigiKey