Tecnologia Bluetooth 5 per l'Internet delle cose

La versione più recente dello standard Bluetooth - Bluetooth 5 - è destinato a offrire molti miglioramenti, come un raggio maggiore, una velocità superiore e il supporto esteso di servizi senza connessione. Si tratta di un aggiornamento significativo della tecnologia Bluetooth 4.2 di oggi, che aprirà nuove applicazioni IoT per l'ambiente intelligente.

La mossa consente alle aziende e agli sviluppatori di realizzare un Internet delle cose accessibile e interoperabile. Il nuovo standard specifica le modalità con il quadruplo del raggio dei dispositivi esistenti, riducendo la velocità di trasmissione a 500 kbps e 250 kbps per consentire l'utilizzo affidabile di più sensori in tutta la casa. Questa gamma non solo consente una maggiore distanza tra un controller e un sensore, ma fornisce anche una connessione più robusta per i dispositivi finali. Inoltre offre il doppio della velocità di trasmissione dati a 2 Mbps per un flusso audio di qualità superiore da monitor o altoparlanti wireless per migliorare l'esperienza dell'utente.

La ricerca di mercato stima che Bluetooth sarà presente in più di un terzo di tutti i dispositivi IoT installati entro il 2020, guidato dall'implementazione onnipresente negli smartphone in cui funge da controller. Tuttavia, il requisito per un chip di Bluetooth 5 in uno smartphone per essere utilizzato come controller o per lo streaming a un auricolare wireless è molto diverso dai requisiti per l'Internet di cose. Queste applicazioni di IoT hanno anche bisogno di una gestione energetica più sofisticata per massimizzare la durata della batteria del sistema, per questo un convertitore c.c./c.c. ottimizzato è un elemento sempre più comune del SoC.

I progetti ora consegnati agli sviluppatori di chip rispondono ai requisiti dei dispositivi SoC per IoT. Ad esempio, la piattaforma IP Bluetooth di RivieraWaves è costituita da un controller in banda base hardware, un modem digitale e uno stack di protocollo software dettagliato. Lo stack comprende il Link Layer fino al GAP/GATT più un insieme di servizi e profili. La tecnologia Riviera è già stata utilizzata per le generazioni precedenti di dispositivi Bluetooth 4.2 di NXP, come il dispositivo MKW31Z256.

Figura 1: Bluetooth 5 IP sviluppato da RivieraWaves per l'utilizzo in dispositivi di sistema su chip per l'Internet delle cose.

Il controller in banda base hardware è fornito come pacchetto IP Verilog. Esegue la codifica/decodifica dei pacchetti e la pianificazione dei frame ed è affiancato da un motore di crittografia hardware AES128. Lo stack software è fornito come pacchetto IP in codice C con Link Layer, L2CAP, ATT, SMP, GAP/GATT, servizi e profili che possono essere modificati dallo sviluppatore di chip.

Figura 2: Lo stack di protocollo Bluetooth 5 di RivieraWaves.

La modalità BLE differisce da Bluetooth Dual Mode, dove lo stack di protocollo include un'interfaccia HCI standard del settore nello smartphone. Un'interfaccia radio flessibile consente di distribuire la piattaforma con uno degli IP RF di RivieraWaves o con IP RF di altri partner, per una selezione ottimale di nodi foundry e di processo.

Un altro fornitore di IP, Mindtree, ha collaborato con Texas Instruments per inserire lo stack Bluetooth 4.2 nel processore CC1350. Questo combina un transceiver RF a bassa potenza con un microcontroller ARM® Cortex®-M3 a 48 MHz progettato per più strati fisici e standard RF, rendendo l'aggiornamento a Bluetooth 5 relativamente semplice. Lo schema di modulazione GFSK a 2 Mbps per la radio offre agli utenti un miglioramento significativo del throughput di sistema ed è relativamente semplice da implementare in hardware.

Lo stack viene eseguito su un core Cortex-M0 dedicato come controller radio che gestisce i comandi del protocollo RF a basso livello memorizzati in ROM o RAM. I sensori per l'Internet delle cose possono essere controller a bassissima potenza dedicati e autonomi che possono essere configurati per gestire sensori analogici e digitali, consentendo al core Cortex-M3principale di rimanere nel modo di sospensione. I sistemi di gestione potenza e clock e della radio richiedono una configurazione specifica e la gestione tramite software per funzionare correttamente, cosa che è stata implementata in un sistema operativo in tempo reale dedicato (TI-RTOS). Questo potrebbe essere aggiornato anche per includere la nuova funzionalità Bluetooth 5.

Ciò include l'estensione dei pacchetti pubblicitari a 237 byte, che apre i canali di dati per la pubblicità e introduce anche il concetto di pubblicità periodica.

Mindtree ha anche lavorato con Synopsys per sviluppare un progetto completo Bluetooth Smart IP per 4.2 su processi TSMC a 55 nm e 180 nm. Questo combina l'IP fisico di Synopsys con il livello di collegamento BlueLitE e lo stack software IP di Mindtree, fornendo ai progettisti di chip con un blocco BLE completo che riduce al minimo il rischio e le difficoltà di integrazione per system-on-chip (SoC) a bassissima potenza per applicazioni IoT. L'IP PHY di Synopsys funziona al di sotto di 1 V di alimentazione per prolungare la durata della batteria e dispone di una rete integrata di adattamento dell'antenna per garantire una corretta trasmissione del segnale tra antenna e sorgente, riducendo il costo dei componenti esterni.

Bluetooth 5 è attualmente implementato nei dispositivi. Ad esempio, la famiglia nRF52 di dispositivi SoC di Nordic Semiconductor è una famiglia di SoC multiprotocollo a bassissima potenza costruita attorno a un core ARM Cortex-M4F a 32 bit con 1 MB di flash e 256 kB di RAM su chip. Il più recente transceiver embedded a 2,4 GHz supporta tutte le velocità di trasmissione Bluetooth 5 Low Energy in hardware, dalle nuove velocità di 2 Mbps e quella esistente di 1 Mbps a quelle a lungo raggio Bluetooth 5 di 500 kbps e 125 kbps. La radio supporta la misurazione RSSI ad alta risoluzione e funzioni automatizzate per ridurre il carico della CPU, incluso EasyDMA per l'accesso diretto alla memoria per i dati e l'assemblaggio dei pacchetti. Nordic fornisce inoltre gli stack di protocollo per la tecnologia Bluetooth 5 Low Energy - questi stack sono anche detti SoftDevices e l'nRF52840 è supportato dal SoftDevice S140, uno stack Bluetooth Low Energy pre-qualificato per Bluetooth 5.

Figura 3: La scheda di sviluppo nRF52 di Nordic Semiconductor permetterà di valutare gli ultimi dispositivi Bluetooth 5.

Molti dei dispositivi Bluetooth 4.2 esistenti sono stati progettati con la nuova generazione in mente e l'elemento Bluetooth in un SoC per Internet delle cose può essere una parte relativamente piccola del progetto del chip. Ad esempio, in CYBL11573 di Cypress Semiconductor, la maggior parte del chip è stata dedicata alla gestione periferica come mostrato nella Figura 4.

Figura 4: La maggior parte di CVBL11573 di Cypress Semiconductor è dedicata alla gestione del sensore necessario in applicazioni IoT.

Il sottosistema BLE per il SoC è costituito dal motore Link Layer e dallo strato fisico. Il motore supporta sia i ruoli master che slave e implementa funzioni time-critical come la crittografia in hardware per ridurre il consumo energetico e fornisce un minimo intervento del processore e prestazioni elevate. Gli elementi chiave del protocollo, come l'interfaccia di controllo host (HCI) e il controllo di collegamento, sono implementati nel firmware e sono gli elementi che cambiano nell'implementazione Bluetooth 5.

Lo strato fisico cambia anche per gestire la velocità dati più alta di 2 Mbps. Questo utilizza già la modulazione GFSK, convertendo il segnale in banda base digitale di questi pacchetti BLE in frequenza radio prima di trasmetterli in aria attraverso un'antenna. Nella direzione di ricezione, questo blocco converte un segnale RF dall'antenna in un flusso di bit digitale dopo aver eseguito la demodulazione GFSK. Il transceiver RF contiene un balun integrato che funge da perno di ingresso RF monofase per pilotare un terminale di antenna da 50 Ω tramite una rete di adattamento Pi. La potenza di uscita è programmabile da -18 dBm a 3 dBm per ottimizzare il consumo di corrente per diverse applicazioni.

Allo stesso modo, la famiglia di controller Bluetooth EFR32MG di Silicon Labs può essere aggiornata a Bluetooth 5. La famiglia corrente utilizza un core ARM Cortex-M4 da 40 MHz con opzioni di configurazione scalabili di memoria e radio e utilizzano tutti contenitori QFN compatibili a livello di impronta. Come altre implementazioni di IoT, il Peripheral Reflex System a 12 canali consente la gestione autonoma delle periferiche, mentre il balun integrato a 2,4 GHz e l'amplificatore di potenza forniscono fino a 19,5 dBm di potenza di trasmissione.

Conclusione

Con il lancio di Bluetooth 5 all'inizio del 2017, gli sviluppatori di chip stanno adottando diversi approcci per fornire la funzionalità in dispositivi system-on-chip rivolti all'Internet delle cose. L'utilizzo di IP fisici e software da fornitori quali RivieraWaves o MindTree consente a uno sviluppatore di concentrarsi sulle periferiche aggiuntive e sulla gestione energetica del chip, con meno rischi. Altri stanno tentando di integrare strettamente la funzionalità Bluetooth 5 all'interno del progetto di un SoC per aggiungere funzioni o ridurre la dimensione del die.

Entrambi gli approcci forniscono ai progettisti di nodi IoT nuove funzionalità. Il consumo energetico più basso, il raggio più lungo e velocità dati superiori consentono agli sviluppatori di Bluetooth 5 embedded di aggiungere facilmente una connettività wireless più sofisticata ai propri dispositivi.