Los SoC y herramientas con Bluetooth de baja energía compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 están a la altura de los desafíos de la IoT (Parte 1)

Las actualizaciones importantes del software del protocolo de RF de Bluetooth de baja energía ("pila") adoptadas en las versiones 4.1, 4.2 y 5 del estándar han mejorado drásticamente su utilidad para una gama más amplia de aplicaciones más allá de sus raíces de consumo, en especial, las relacionadas con Internet de las cosas (IoT).

Sin embargo, la rápida evolución de la tecnología y la falta de claridad respecto a la capacidad e interoperabilidad del Bluetooth de baja energía y del Bluetooth convencional (o "clásico") ha creado cierta confusión. Los diseñadores y desarrolladores deben saber a la perfección qué tipo de tecnología se adapta mejor a su aplicación específica si quieren optimizar el diseño y a la vez asegurar el aprovechamiento máximo de las capacidades de Bluetooth.

Este artículo de dos partes aborda dicha confusión al definir el Bluetooth de baja energía. Luego, describe las mejoras realizadas a la tecnología, que se lanzaron con las versiones 4.1, 4.2 y 5 de la especificación, las cuales la han vuelto adecuada para aplicaciones que no eran el objetivo en un principio. Estas aplicaciones incluyen una potencia ultra baja, un rango más extenso, una tasa de producción más alta y la incorporación de extensiones publicitarias. El artículo, además, incluye ejemplos de sistemas en chip (SoC) de Bluetooth de baja energía que son completamente compatibles con las versiones más recientes de la especificación.  

La segunda parte de esta serie de dos partes explicará cómo es que los diseñadores con poca experiencia en RF pueden diseñar productos inalámbricos de Bluetooth de baja energía con SoC, módulos, firmware, hardware y software.

Optimizado para el consumo de energía bajo

El Bluetooth de baja energía se presentó como una forma interoperable de tecnología inalámbrica de Bluetooth de rango corto con la adopción de la versión de Bluetooth 4.0 en el 2010. La tecnología extendió el ecosistema de Bluetooth a aplicaciones con baja capacidad de batería, como los dispositivos "ponibles". Incluye corriente promedio de microamperios en las aplicaciones meta y complementa al Bluetooth clásico. Las características esenciales de la especificación original incluyeron lo siguiente:

• Una pila de protocolos liviana.
• Interoperabilidad con Bluetooth versión 4.0 y posteriores.
• Una velocidad de datos sin procesar de 1 Mbps.
• Un alcance de alrededor de 10 metros.
• Un alto grado de inmunidad frente a otras fuentes de radio de 2,4 GHz.

La tecnología se adapta a la transmisión de datos desde sensores inalámbricos compactos u otros periféricos donde se puede utilizar comunicación completamente asincrónica. Estos dispositivos envían volúmenes bajos de datos (es decir, algunos bytes) de manera poco frecuente. Su ciclo útil tiende a extenderse desde unas pocas veces por segundo hasta una vez por minuto, o más.

En la especificación central de Bluetooth 4.0, la pila de Bluetooth de baja energía liviana incluye la capa física (PHY), que transmite bits, la capa de enlace (LL), que define el control y la estructura del paquete, y la interfaz controlada por host (HCI). En conjunto, estas tres capas se conocen como el Controlador de enlace de Bluetooth de baja energía (o "Controlador"). Por encima del Controlador, la capa de host incluye el Protocolo de control de enlace lógico y adaptación (L2CAP) que provee una abstracción basada en el canal para aplicaciones y servicios. Lleva a cabo la fragmentación y la desfragmentación de datos de las aplicaciones y la multiplexación y desmultiplexación de varios canales en un enlace lógico compartido.

La capa de host también incluye el protocolo de administración de seguridad (SMP) y el protocolo de atributo (ATT). El SMP utiliza un canal L2CAP fijo para implementar las funciones de seguridad entre dispositivos. El ATT proporciona un método para comunicar pequeñas cantidades de datos por un canal L2CAP fijo. Los dispositivos que determinan los servicios y las capacidades de otros dispositivos también utilizan el ATT. El perfil de atributo genérico (GATT) especifica la estructura en que se intercambian los datos de perfil. Esta estructura define los elementos básicos, como servicios y características, utilizados en una aplicación. Por último, el perfil de acceso genérico (GAP) define los requisitos básicos de un dispositivo Bluetooth. El software de la aplicación se encuentra en la parte superior de la pila (figura 1).

Figura 1: Pila de protocolo de Bluetooth de baja energía que muestra el Controlador, el host y la aplicación. El perfil de atributo genérico (GATT) define los requisitos básicos de un dispositivo Bluetooth. (Fuente de la imagen: “Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook”, Robin Heydon)

La confusión entre los desarrolladores puede deberse al hecho de que, desde la versión 4.0, la especificación central de Bluetooth define dos tipos de chip:

• El chip y la pila de Bluetooth de baja energía que se describen anteriormente.
• Un chip Bluetooth con una pila modificada y la velocidad básica (BR)/PHY de velocidad de datos mejorada (EDR) de versiones anteriores en combinación con una PHY de baja energía (LE) (“BR/EDR + LE”) tal que es interoperable con todas las versiones y variantes de chip de estándar.

Este artículo (y la parte 2) se centra principalmente en el dispositivo de Bluetooth de baja energía. En varias aplicaciones de consumo, este dispositivo funciona junto con un chip Bluetooth, pero, gracias a las mejoras aplicadas al estándar presentado en las versiones 4.1, 4.2 y 5, se está utilizando cada vez más como un dispositivo independiente para aplicaciones IoT.

Los chips Bluetooth de baja energía pueden interconectarse con otros chips Bluetooth de baja energía y con chips Bluetooth que se adhieran a Bluetooth 4.0 o versiones posteriores. Debe tenerse en cuenta que los chips Bluetooth se utilizan en aplicaciones, como smartphones, computadoras tablet y PC, donde el consumo de energía es menos fundamental que el ancho de banda. Sin embargo, también pueden interconectarse con chips Bluetooth que se adhieran a Bluetooth 3.0 y versiones anteriores (figura 2).

Figura 2: El Bluetooth 4.0 está basado en dos dispositivos: chips Bluetooth (con BR/EDR + LE PHY) y chips Bluetooth de baja energía (LE PHY) (en el centro y a la derecha de la imagen). Estos dispositivos son interoperables. Los chips Bluetooth también pueden interconectarse con chips Bluetooth clásicos que se adhieran a Bluetooth 3.0 y versiones anteriores (izquierda). (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor).

El Bluetooth de baja energía ahorra energía al maximizar el tiempo de espera y al utilizar conexiones rápidas y energía de transmisión/recepción de baja potencia. Para lograr el consumo de potencia ultra baja es clave el hecho de que, mientras el Bluetooth clásico es una radio "orientada a la conexión" con un intervalo de conexión fija, el Bluetooth de baja energía, por lo general, se encuentra en un estado "no conectado” de ahorro de energía, donde los dos extremos de un enlace están al tanto el uno del otro, pero solo se conectan cuando es necesario y durante el menor tiempo posible.

El Bluetooth de baja energía utiliza tres canales publicitarios para buscar otros dispositivos o promocionar su propia presencia, en comparación con los 32 que utiliza Bluetooth. El Bluetooth de baja energía se activa de 0,6 a 1,2 ms para escanear otros dispositivos, mientras que el Bluetooth necesita 22,5 ms para escanear 32 canales, y así consume hasta 20 veces más energía.

Una vez conectado, el Bluetooth de baja energía, cambia a uno de sus 37 canales de datos y luego alterna entre los canales para evitar la interferencia de forma semialeatoria, utilizando tecnología de saltos de frecuencia adaptativa (AFH), la cual fue utilizada por primera vez por la especificación de Bluetooth original, que utiliza 79 canales. El Bluetooth de baja energía completa su conexión (escanear, vincular, enviar datos, autenticar y finalizar) en 3 ms, en comparación con los cientos de milisegundos que demora el Bluetooth, y de esta forma también ahorra energía.

Además, la tecnología ahorra energía utilizando parámetros de RF más “relajados” que Bluetooth. Ambas tecnologías utilizan modulación por desplazamiento de frecuencia gausiana (GFSK); sin embargo, Bluetooth Smart utiliza un índice de modulación de 0,5, comparado con 0,35 del Bluetooth clásico y, de esta forma, disminuyen los requisitos energéticos. El índice de modulación más bajo también ayuda a aumentar el alcance y a mejorar la robustez.

Por último, el Bluetooth de baja energía utiliza paquetes más pequeños que Bluetooth. Esto ayuda a evitar el sobrecalentamiento del chip. También elude la necesidad de una recalibración que consuma mucha energía.

Preparación para la IoT

Entre las aplicaciones de consumo, un smartphone, por lo general, funciona como un "portal" para que los datos de un dispositivo con Bluetooth de baja energía alcancen la nube. Esto funciona para aplicaciones centradas en humanos, como las pulseras fitness, pero es imperfecto para aplicaciones como la automatización industrial o doméstica, donde no es probable que haya un smartphone permanentemente disponible. Bluetooth 4.1 se lanzó (en parte) para abordar esta debilidad, cuando la tecnología se implementa para aplicaciones IoT.

Bluetooth 4.1 añadió la capacidad de que un dispositivo funcione como un "periférico” y un "concentrador" de Bluetooth de baja energía al mismo tiempo. Por ejemplo, un reloj inteligente ahora podría funcionar como un concentrador que recopila información de un monitor de frecuencia cardíaca de Bluetooth de baja energía al mismo tiempo que funciona como un periférico de un smartphone al mostrar notificaciones de mensajes nuevos en el teléfono. Segundo, Bluetooth 4.1 agregó un medio estándar para crear un canal dedicado, el cual podría utilizarse para IPv6 (la versión más reciente del protocolo de comunicación para internet).

Otras mejoras que se presentaron con esta actualización de software incluyeron lo siguiente: una coexistencia mejorada entre Bluetooth de baja energía y LTE celular; mejores conexiones debido a que se permite al desarrollador que varíe el intervalo de tiempo de reconexión, y una transferencia de datos en gran volumen.

Al mismo tiempo, el Grupo de trabajo de ingeniería en internet (IETF) agregó la especificación de la Red inalámbrica de área personal de bajo consumo (6LoWPAN) a IPv6. Superando el direccionamiento de 32 bits de IPv4, el direccionamiento de 128 bits de IPv6 asegura que los miles de millones de diminutos sensores que se están agregando a la IoT tengan una dirección IP única. Esto les permite conectarse directamente con otros dispositivos de la red. En el caso del Bluetooth de baja energía, esto permitiría que un sensor prescinda de los servicios de un portal para realizar la conexión IP y la transmisión. Los smartphones son un buen ejemplo de un portal ampliamente utilizado.

El desarrollo del IETF junto con el canal dedicado que se lanzó con Bluetooth 4.1 permitieron que Bluetooth 4.2 incluyera el Perfil de soporte del protocolo de internet (IPSP) en la pila de Bluetooth de baja energía. El IPSP permite que los dispositivos descubran y se comuniquen con otros dispositivos que son compatibles con el IPSP utilizando paquetes IPv6 en el nivel de transporte del Bluetooth de baja energía. La mayoría de los proveedores de chips Bluetooth de baja energía más importantes ahora incluyen ese nivel de transporte en sus pilas.

Gracias a la suma del IPSP, los dispositivos con Bluetooth de baja energía ahora pueden comunicarse con cualquier otro dispositivo IPv6 habilitado mediante portales o enrutadores simples y económicos. Debido a que dichos enrutadores funcionan como dispositivos neutros que confían en paquetes IPv6 sin realizar ningún análisis o manipulación, millones de dispositivos que ya están en servicio, pero que antes eran incompatibles con el Bluetooth de baja energía, como decodificadores (STB) o enrutadores Wi-Fi, ahora también pueden adaptarse para funcionar como enrutadores de forma económica.

Figura 3: Bluetooth lanzó el Perfil de soporte del protocolo de internet (IPSP) con el Bluetooth de baja energía (antes llamado "Bluetooth Smart"), lo que permitió que los dispositivos se conecten con cualquier otro dispositivo con IPv6 habilitado mediante conexión a internet utilizando enrutadores simples y económicos. El acceso a internet desde un portal de smartphone también es posible si se cuenta con dicho dispositivo. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Bluetooth 4.2 combate a los hackers

Bluetooth 4.2 también presentó algunos elementos de seguridad dirigidos a abordar el temor a la piratería cuando los dispositivos con Bluetooth de baja energía, como las luces inteligentes, se conectan de forma rutinaria a internet sin intervención humana.

El primero de ellos son las conexiones seguras de baja energía (LE). Hasta Bluetooth 4.2, la pieza fundamental de la seguridad de Bluetooth había sido la unión simple y segura, con la cual las conexiones entre dispositivos se concretaba después de la creación y distribución de varias claves de encriptación: una clave de corto plazo (STK) y tres claves de largo plazo para una encriptación y autenticación de capa de enlace (LTK).

Bluetooth 4.2 lanzó una seguridad mucho más sólida. Para la gerencia principal, la especificación añadió la criptografía de curva elíptica (ECC), con curvas elípticas recomendadas por las Normas de procesamiento de información federales (FIPS) También utilizó el estándar de encriptación avanzada modo contador con cifrado CBC-MAC (AES-CCM) aprobado por las FIPS, para la encriptación de mensajes. El resultado es una seguridad de capa de enlace fortalecida entre dispositivos vecinos, la cual protege los enlaces inalámbricos contra escuchas telefónicas pasivas y ataques de intermediarios (MITM), entre otros.

El segundo elemento de seguridad que se añadió a Bluetooth 4.2 es la privacidad LE, la cual administra la resolución de dirección privada en dispositivos controladores y host, y, al mismo tiempo, soporta el marcado en lista blanca de direcciones privadas en el nivel de controlador.

Además, Bluetooth 4.2 cuenta con un aumento en los modos de energía de transmisión máximos para clase 1 de +10 a +20 dB, lo que permite a los diseñadores eliminar un adaptador de alimentación externo, y así reducir costos y espacio. La capacidad del paquete también aumentó de 27 a 251 bytes en comparación con Bluetooth 4.1, y el alcance de datos aumentó 2,5 veces. Estas mejoras hacen que las comunicaciones y conexiones entre dispositivos mediante internet sean más eficientes y permiten que se realicen cargas más rápidas y actualizaciones de firmware inalámbricas (OTA) más frecuentes.

Las soluciones siguen rápidamente a las actualizaciones

Los estándares abiertos y el éxito de mercado del Bluetooth de baja energía han llevado a que una gran cantidad de proveedores y productos inunden el mercado poco tiempo después de la adopción de Bluetooth 4.0, 4.1 y 4.2. Por lo general, han tomado la ruta del SoC. Un buen ejemplo de ello es Nordic Semiconductor nRF51 Series, lanzado en el 2012. Está basado en un procesador ARM Cortex-M0 e incluye un transceptor de Bluetooth de baja energía, memoria Flash y RAM, administración de energía integrada y algunas E/S.

Dialog Semiconductor DA14680 SoC tiene una fórmula similar. El chip es un dispositivo compatible con Bluetooth 4.2 que incluye un procesador ARM Cortex-M0, una radio Bluetooth de baja energía, Flash de 8 Mb, OTP ROM de 64 kB, datos SRAM de 128 kB, ROM de 128 kB, administración de energía en chip y muchos otros periféricos (figura 4).

Figura 4: Dialog Semiconductor DA14680 es un ejemplo típico de un SoC de BLE compatible con Bluetooth 4.2 basado en un procesador ARM integrado, radio sensible de 2,4 GHz, Flash, RAM y ROM. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

Además Nordic y Dialog, muchos otros proveedores CI de Bluetooth 4.1 y 4.2 están ofreciendo soluciones a los desarrolladores. Entre ellos, se destacan Texas Instruments (TI) y Cypress Semiconductor.

Bluetooth 5 agrega alcance y ancho de banda.

La versión más reciente de la tecnología Bluetooth, Bluetooth 5 (no "5.0", como podría esperarse), presentada en diciembre del 2016, lleva el Bluetooth de baja energía un paso más cerca de convertirse en una tecnología base para la IoT. Las mejoras son importantes, ya que aumentan el alcance y el ancho de banda.

El aumento de ancho de banda es cortesía de una PHY de 2 Mbps, en comparación con la PHY de 1 Mbps utilizada en versiones previas de Bluetooth de baja energía. El doble del ancho de banda de PHY no se traduce directamente en el doble de transmisión de datos debido a sobrecargas fijas en la estructura del paquete de Bluetooth 5, pero un desarrollador podría razonablemente esperar lograr una tasa de transmisión de datos de alrededor de 1,4 Mbps, en comparación con 800 kbps desde una PHY de 1 Mbps de Bluetooth 4.2 (figura 5).

Figura 5: Bluetooth 5 conserva la carga útil de 251 bytes de Bluetooth 4.2, pero una PHY de 2 Mbps reduce el tiempo de transmisión y aumenta el ancho de banda. Mientras Bluetooth 4.2 podía alcanzar 800 kbps utilizando su PHY de 1 Mbps, Bluetooth 5 puede alcanzar 1,4 Mbps utilizando su PHY de 2 Mbps. Las ventajas del ancho de banda se pierden al utilizar las funciones de aumento de alcance del Bluetooth 5. (Fuente de la imagen: Bluetooth.com)

Una tasa de producción más rápida es un beneficio para muchas aplicaciones, pero un ventaja clave para la IoT son las actualizaciones de OTA más rápidas, una consideración importante para los sensores IoT, los cuales suelen necesitar mejoras regulares para proporcionar una mayor funcionalidad y seguridad. Además, al utilizar una PHY de 2 Mbps, se ahorra energía porque, para mandar una determinada cantidad de datos, la radio está activa durante menos tiempo que en un dispositivo de 1 Mbps. La radio también puede pasar más tiempo en modo de reposo profundo, lo cual reduce aun más el consumo de energía.

Bluetooth 5 ofrece un alcance hasta 4 veces mayor que el del 4.2, lo cual es una ventaja para muchas aplicaciones IoT. Por ejemplo, este alcance podría permitir que todas las luces inteligentes de una casa se comuniquen con un concentrador central mediante una topología en estrella, en lugar de utilizar la topología de malla más compleja que con frecuencia se implementa para aumentar el alcance de las tecnologías inalámbricas de baja potencia. El alcance mejorado se debe a la corrección de errores de envío (FEC), que detecta y soluciona errores de comunicación en la recepción. Lo más importante es que, teniendo en cuenta la herencia de potencia ultra baja de la tecnología, el alcance se incrementa sin tener que aumentar la energía de transmisión.

Para los ingenieros y desarrolladores, el “alcance” se define como la distancia máxima a la cual se pueden extraer datos correctamente a partir de la señal recibida. A medida que el alcance aumenta, la relación señal-ruido (SNR) aumenta, y comienzan a ocurrir errores de decodificación. Un receptor de Bluetooth puede tolerar una tasa de error de bits (BER) máxima del 0,1 % antes de que la comunicación se interrumpa. En lugar de aumentar la energía del transmisor, la sensibilidad de recepción se aumentó tanto que la BER máxima ocurrió a un alcance mucho mayor.

Bluetooth 4.2 utiliza un control de redundancia cíclica (CRC) para controlar los errores de paquete. El receptor vuelve a calcular el CRC y compara el valor con el valor anexado al paquete por el transmisor. Una diferencia entre los valores CRC indica que ha ocurrido un error. Sin embargo, el 4.2 no incluía mecanismos para la corrección de errores en la recepción. En lugar de eso, el receptor generalmente solicitaba que un paquete fuera reenviado, y por lo tanto ralentizaba la tasa de producción general.

La FEC de Bluetooth 5 mejora la sensibilidad de recepción sin realizar cambios en el hardware. La desventaja es que esta técnica añade bits redundantes al paquete para facilitar la corrección de errores. Esto reduce la tasa de datos efectiva a 500 kbps o 125 kbps, según cuál de los dos esquemas de codificación disponibles se aplique. Desafortunadamente, la PHY de 2 Mbps no es compatible con la FEC, por lo que no puede utilizarse para compensar la tasa de producción efectiva baja, causada por los bits redundantes.

Debido a que la FEC disminuye la tasa de producción efectiva, la radio Bluetooth debe estar en estado de alta potencia durante mucho más tiempo al utilizar una operación de alcance 4 veces mayor para una cantidad de datos determinada. Según el esquema de codificación, la transmisión de la carga útil del paquete de Bluetooth de baja energía estándar puede durar hasta 13 veces más que una transmisión decodificada. Si bien el consumo de energía máximo no se ve afectado, el consumo de energía promedio salta, y por lo tanto, consume la carga de batería mucho más rápido.

Entre otras mejoras, Bluetooth 5 también presenta extensiones de publicidad. Las extensiones de publicidad aumentan el tamaño de la carga útil de 27 bytes a 251 bytes, para una transferencia de datos más eficiente. La aplicación más utilizada de esta función es para aplicaciones de señalización que permiten que los minoristas envíen más información en el paquete de publicidad a los smartphones de los consumidores. Otra función de la versión más actual es la capacidad de utilizar canales de datos para transmisión.

Los chips BLE compatibles con Bluetooth 5 comerciales recién están comenzando a emerger. Una solución es el SoC de Bluetooth de baja energía Simplelink CC2640R2F de TI.  Este chip de Bluetooth 5 incluye un procesador ARM Cortex-M3, una radio de 2,4 GHz compatible con Bluetooth 4.2 y 5 con una sensibilidad de -97 dBm, convertidor CC/CC en el chip y una selección decente de E/S y periféricos. El SoC también está soportado por el alcance extensivo de SDK de TI, diseños de referencia y otras herramientas de software.

Actualmente, Bluetooth 5 no soporta la capacidad de topología de malla de las tecnologías de la competencia, como ZigBee y ANT+. Muchos fabricantes han implementado tecnologías de malla patentadas basadas en el Bluetooth de baja energía, principalmente CRS, que ahora es parte de Qualcomm. Es probable que la malla sea un requisito clave para las aplicaciones IoT, no es una sorpresa que Bluetooth SIG esté trabajando para implementarlo. Espere a ver la próxima actualización de las redes en malla de soporte estándar de Bluetooth (para fines del 2017) .

Conclusión

Las tantas actualizaciones importantes del software ("pila") del protocolo de RF de Bluetooth de baja energía adoptadas en las versiones 4.1, 4.2 y 5 del estándar han hecho que la interfaz sea más útil para las aplicaciones que necesitan un consumo de energía menor, un mayor alcance y una tasa de producción más alta. Sin embargo, los cambios también han creado cierta confusión. Se necesita un entendimiento integral de las actualizaciones y de su implicación antes de que los desarrolladores puedan beneficiarse por completo de la versión de Bluetooth más adecuada para sus aplicaciones.

Como se puede ver, las soluciones para los productos para versiones de Bluetooth anteriores se encuentran ampliamente disponibles, mientras que Bluetooth 5 está aumentando rápidamente. Estas soluciones permiten que todo sensor, producto o dispositivo se conecte con la IoT mediante un enrutador simple y económico, en lugar de hacerlo mediante un portal complejo, como un smartphone. Esta conectividad dotará hasta a los productos contemporáneos más mundanos de una funcionalidad mejorada de forma significativa, la cual se puede actualizar frecuentemente durante la vida útil del dispositivo.

Introducción a la parte 2: Al tener esto en cuenta, la parte 2 de esta serie de dos partes explicará cómo diseñar productos utilizando una amplia gama de módulos y SoC compatibles con Bluetooth 4.2 y 5.

Junto con pilas comprobadas, software de aplicación de código abierto, diseños de referencia y herramientas de desarrollo de fábrica, estos componentes han eliminado una gran parte del arte oscuro de la ingeniería de RF.  El artículo explicará que mientras que el desarrollo de productos inalámbricos de Bluetooth de baja energía todavía no es trivial, un ingeniero puede evitar los obstáculos y crear un diseño que cumpla con la aprobación reglamentaria y con Bluetooth, y que mantenga satisfechos a los clientes.

Referencias:

1. “Getting Started with Bluetooth Low Energy”, Kevin Townsend, Carles Cufí, Akiba, and 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”