Bluetooth ahora con energía ultra baja

Por John Donovan

Colaboración de Convergence Promotions LLC


Prácticamente no hay teléfono celular en el planeta que no tenga un transceptor Bluetooth® para conectarse a un dispositivo inalámbrico. La mayoría de las nuevas PC ahora incluyen chips de Bluetooth para la misma finalidad, permitiendo escribir mientras se habla o escucha. Muchos, si no es la mayoría de los autos, tienen Bluetooth para que pueda hablar con manos libres mientras conduce. No obstante, si bien esto es algo bueno, existen muchas aplicaciones para las que Bluetooth no es apropiado o, por lo menos, no lo era hasta hoy.

Bluetooth es un protocolo orientado a la conexión diseñado para administrar una transmisión constante de datos a velocidades relativamente altas, por lo que es ideal para conectar auriculares inalámbricos a los teléfonos celulares. Si bien se ha intentado que sea de bajo consumo, la mayoría de los cambios aplicados a la especificación de Bluetooth se han centrado en mejorar la velocidad de datos. La velocidad básica (BR) permite conexiones sincrónicas y asincrónicas de hasta 720 kbps. La versión 2.0 de Bluetooth (2004) agregó una velocidad de datos mayor (EDR) de 3 Mbps (en la práctica es más de 2.1 Mbps). Bluetooth 3.0 (2009) ha agregado una capacidad de datos de alta velocidad de hasta 24 Mbps al utilizar MAC/PHY (AMP) alternativo que se comunica a través de un enlace 802.11 co-ubicado. A pesar de algunos diseños inteligentes, el pedido de mayor velocidad resultó en un mayor consumo de energía.

Bluetooth de baja energía se diseñó desde el principio para que sea un protocolo con consumo ultrabajo (ULP) para brindar servicio a dispositivos inalámbricos de corto alcance que es posible que funcionen durante meses o incluso años con una batería de una sola celda. Este Bluetooth que se presentó en la versión 4.0 de Bluetooth (2010) utiliza un pila simple que permite una comunicación asíncrona con dispositivos de bajo consumo, como sensores inalámbricos que envían volúmenes bajos de datos a intervalos infrecuentes. Las conexiones se pueden establecer rápidamente y liberarse una vez que se haya completado el intercambio de datos, minimizando la PA en el tiempo y, por consecuente, en el consumo de energía.

La especificación Bluetooth Core Specification Version 4.0 incluye las especificaciones completas de "Bluetooth clásico"; "Bluetooth de alta velocidad" y "Bluetooth de baja energía". Si bien Bluetooth de baja energía es totalmente nuevo, los diseñadores se percataron de las ventajas de mantener la compatibilidad con versiones anteriores de más de dos mil millones de dispositivos Bluetooth que ya están en circulación. Para resolver este problema sin comprometer el diseño del Bluetooth de baja energía, la versión 4.0 introdujo dos tipos de dispositivos:
  • Chips de modo doble que se puede comunicar con los dispositivos con Classic Bluetooth (Bluetooth clásico) y con los chips monomodos en dispositivos con consumo ultra bajo.
  • Chips monomodo que ejecutan la pila compacta del protocolo Buetooth de baja energía Se pueden comunicar con otros chips monomodos o modo doble que se utilizan con la parte de Bluetooth de baja energía de su arquitectura.
Chips de modo doble, recientemente en el mercado, ofrecerán la funcionalidad de Bluetooth en todos los teléfonos celulares, PC y automóviles. Pueden comunicarse con dispositivos Bluetooth anteriores así como con dispositivos nuevos y de bajo consumo que ejecutan Bluetooth de baja energía con un amplio rango de aplicaciones médicas, industriales y de consumo. Esta capacidad incorporada se ofrece a un costo extra de silicio muy bajo.

Se paga por publicitar.

Las radios con Bluetooth de baja energía operan en la banda ISM de 2.4 GHz, salto de frecuencia en más de 40 canales utilizando la modulación GFSK para lograr una velocidad de datos de hasta 1 Mbps. El Bluetooth de baja energía utiliza dos esquemas de acceso de datos: acceso múltiple de división de frecuencia (FDMS) y acceso múltiple de división de tiempo (TDMA).

En el esquema FDMA, las radios LE saltan entre 40 canales físicos separados por 2 MHz, tres de los cuales se utilizan como canales de publicidad y 37 para canales de datos. En el esquema TDMA, un dispositivo transmite un paquete a un tiempo predeterminado y el dispositivo de escaneo responde con otro paquete después de un intervalo predeterminado. Los datos se transmiten entre los dispositivos Bluetooth de baja energía durante dos unidades de tiempo conocidas como eventos: eventos de publicidad (consulte la Figura 1) y eventos de conexión (consulte la Figura 2).

Los canales de publicidad permiten encontrar dispositivos disponibles en los alrededores. Un publicista envía paquetes indicando que tiene datos para comunicar. Un dispositivo de escaneo puede solicitar al dispositivo de publicidad enviar otro paquete de publicidad, permitiendo la transmisión de la comunicación en solo ese canal de publicidad o lo más común es soliciten establecer un enlace de comunicación bidireccional.

Eventos de publicidad

Figura 1: Eventos de publicidad (cortesía de Bluetooth SIG).

Cuando se solicita una conexión, estos mismos canales de publicidad sirven para conectar los dispositivos que luego utilizarán los canales de datos para las comunicaciones. Al establecer la conexión, el dispositivo inicial define el canal y el tiempo de intercambio de datos al haber evaluado la latencia de las comunicaciones con el dispositivo de publicidad o esclavo, que puede solicitar posteriormente un cambio en los parámetros para optimizar el consumo de energía.

Eventos de conexión

Figura 2: Eventos de conexión (cortesía de Bluetooth SIG).

Una vez que se estableció la conexión, el escaner se convierte en el dispositivo maestro y el publicista en el esclavo. Se inicia el salto de frecuencia con paquetes de datos que se intercambian durante los denominados eventos de conexión en cada frecuencia. El maestro inicia cada evento de conexión a pesar de que el maestro o el esclavo pueden finalizar la comunicación en cualquier momento.

Ahorro de energía

Una manera de administración de Bluetooth de baja energía para minimizar el consumo de energía es encender la radio durante periodos muy breves de tiempo. Las radios Bluetooth de baja energía solo necesitan escanear tres canales de publicidad para buscar otros dispositivos, que pueden hacerlo en 0.6 a 1.2 ms, mientras que las radios Classic Bluetooth deben escanear constantemente 32 canales, que requieren 22.5 ms cada vez. Este truco solo pemite que los dispositivos de bajo consumo consuman 10 a 20 veces menos de energía que aquellos con Classic Bluetooth.

Al igual que el Classic Bluetooth, Bluetooth de baja energía utiliza el salto de frecuencia adaptativa para minimizar la interferencia con las radios coubicadas. No obstante, el Bluetooth de baja energía utiliza tres canales de publicidad fijos, que no están protegidos de la interferencia. No obstante, se eligieron estos canales porque en solo una instancia (2402 GHz, canal 37) hay un conflicto ocasional con Wi-Fi (canal 1) y, por supuesto, por diseño no hay conflicto con los datos de Bluetooth de baja energía.

Con un ancho de banda de datos de 1 Mbps, un transceptor Bluetooth de baja energía estará encendido un octavo del tiempo que un nodo ZigBee® que opera en la misma banda de 2.4 GHz y debe transmitir los mismos datos por lo que ahorra ocho veces la vida de la batería debido a la velocidad de datos únicamente.

Los dispositivos de Bluetooth de baja energía pueden buscar otros dispositivos, conectarse, enviar datos, confirmar una recepción válida y terminar el enlace en 3 ms. Los dispositivos Classic Bluetooth requieren generalmente cientos de milisegundos para realizar la misma serie de tareas que requieren un par de órdenes de mayor energía en el proceso.

Los paquetes Bluetooth de baja energía también son más cortos que los utilizados por Classic Bluetooth, por lo que ofrece menos tiempo para el PA y más vida útil de la batería.

Por último, el esquema de modulación de Bluetooth de baja energía también contribuye al perfil de baja energía así como a una mayor resistencia. Tanto el Classic Bluetooth como el Bluetooth de baja energía utilizan el desplazamiento de frecuencia gausiana (GFSK). Sin embargo, el Classic Bluetooth utiliza un índice de modulación de 0.35 mientras que el índice de modulación para Bluetooth de baja energía se establece entre 0.45 y 0.55 que es cerca del nivel de desplazamiento mínimo gausiano (GMSK). Como resultado, se logra mayor eficiencia espectral y, por lo tanto, mayor solidez que con el Classic Bluetooth, no obstante, se corre el riesgo de aumentar un poco la interferencia intersímbolo (ISI). El pequeño aumento en la alimentación que requiere un mayor índice de modulación más que offset de las otras técnicas de ahorro de energía antes mencionadas. La tabla 1 resume las diferencias entre el Classic Bluetooth y Bluetooth de baja energía.

Especificación técnica Classic Bluetooth Bluetooth de baja energía
Distancia/Rango 100 m (330 ft) 50 m (160 ft)
Por encima de la velocidad de datos por aire 1-3 Mb/s 1 Mb/s
Tasa de producción de la aplicación 0.7-2.1 Mb/s 0.26 Mb/s
Esclavos activos 7 No definido, depende de la implementación
Seguridad 64/128 bits y el usuario de capa de aplicación definido AES de 128 bits con CBC-MAC de modo contador y usuario de capa de aplicación definido
Solidez Salto de frecuencia rápido y adaptativo, FEC, ACK rápido Salto de frecuencia adaptativo, reconocimiento lento, CRC de 24 bits, control de integridad de mensajes de 32 bits.
Latencia (desde un estado no conectado Por lo general 100 ms 6 ms
Tiempo total para enviar datos (vida útil de la batería) 100 ms 6 ms
Capacidad de voz No
Topología de red Scatternet (red dispersa) Star-bus
Consumo de energía 1 como la referencia 0.01 a 0.5 (según el uso)
Consumo de corriente máximo <30 mA <20 mA (máx. 15 mA para funcionar en batería tipo botón)
Descubrimiento de servicio
Concepto de perfil
Uso principal Teléfonos móviles, juegos, auriculares, difusión de audio estéreo, automotriz, PC, seguridad, proximidad, atención para la salud, deportes y bienestar, etc. Teléfonos móviles, juegos, PC, relojes, deportes y recreación, atención para la salud, seguridad y proximidad, automotriz, electrodomésticos, automatización, industrial, etc.

Tabla 1: Classic Bluetooth versus Bluetooth de baja energía (Fuente: Wikipedia).

Arquitectura de pila

Sorprendentemente cuando un transceptor de Bluetooth de baja energía de modo único funciona a toda máquina no consume menos energía que uno con Classic Bluetooth (20 mA versus 30 mA). El ahorro de energía se logra, en gran medida, por la arquitectura de pila, que permite un rango de técnicas de ahorro de batería.

La pila del protocolo Bluetooth de baja energía (consulte la figura 3) consta de un controlador y un host. La pila consta de las siguientes piezas:
  • La capa física (PHY) transmite y recibe los paquetes en el canal físico, en este caso los paquetes GFSK a 1 Mbps en la banda ISM de 2.4 GHz.
  • La Capa de enlace (LL) controla el estado de RF del transceptor, determinando si es publicidad, escaneo, inicialización, conectado o en espera.
  • La Interfaz del controlador host (HCI) procesa todas las comunicaciones entre el host y el controlador, por lo general por SPI, USB o UART.
  • El Protocolo de adaptación y control de enlace lógico (L2CAP) ofrece servicios de encapsulación de datos para las capas superiores. Ofrece administración de tráfico, controlando la orden de envío de la unidad de datos del protocolo a la banda base y asegurando el acceso QoS al canal físico.
  • El Protocolo de atributo (ATT) permite que un dispositivo devele algunos de sus atributos a otro dispositivo. El bloque de ATT establece la comunicación entre pares entre un servidor de atributos a un cliente para que puedan intercambiar información en un canal L2CAP dedicado.
  • El Administrador de seguridad (SM) genera, administra y almacena encriptaciones y claves de identidad para permitir que dos dispositivos se comuniquen de manera segura en un canal L2CAP dedicado. El Bluetooth de baja energía utiliza la encriptación AES de 128 bits con CBC-MAC de modo contador y una capa de aplicación definida por el usuario.
  • El Perfil de atributo genérico (GATT) define los subprocedimientos para usar ATT y especifica la estructura de los perfiles de Bluetooth. Todas las comunicaciones entre los dispositivos Bluetooth se administran mediante subprocedimientos GATT.
  • El bloque de Perfil de acceso genérico (GAP) ofrece la interfaz entre la aplicación y los perfiles de Bluetooth y maneja la detección de dispositivos, la conexión y los servicios, entre ellos los procedimientos de seguridad.

Pila de protocolo BLE

Figura 3: Pila de protocolo BLE (Cortesía de Texas Instruments).

Las aplicaciones de Bluetooth y los dispositivos se comunican entre ellos mediante un conjunto altamente estructurado de procedimientos denominados perfiles. Los perfiles pueden ser de nivel bastante bajo, como perfiles para conectar los dispositivos IrDA o establecer enlaces de seguridad o bien se pueden agrupar juntos para servir a aplicaciones de nivel alto. Por ejemplo, hay protocolos de Bluetooth de baja energía para monitorear la presión sanguinea del paciente (BLS), frecuencia cardíaca (HRS) y la temperatura (HTP), todos estos protocolos forman un grupo de perfiles de atención médica. El Bluetooth SIG está en proceso de definir perfiles para aplicaciones de consumo, atención médica e industriales donde se predice la proliferación rápida de los dispositivos Bluetooth de baja energía.

Chips de Bluetooth de baja energía

Si bien aparecieron en 2011, los chips Bluetooth de baja energía están recién ahora comenzando a aparecer en el mercado. Texas Instruments es uno de los primeros en comercializar el sistema en chip Bluetooth CC2540. El CC2540 es un chip de modo único que integra un MCU 8051, 8 KB de RAM, 128-256 KB de Flash, un transceptor de RF, una pila de protocolos de modo único, un software de perfil integrado y un rango completo de periféricos. El CC2540 puede operar en modo maestro o esclavo y consumo tan solo 15.8 mA a 3 V en modo de recepción y 18.6 mA en transmisión (-6 dBm).

Para los desarrolladores, TI ofrece el kit de desarrollo CC2540DK-MINI para el CC2540. El kit contiene un dongle USB CC2540, un keyfob CC2540 y un estuche plástico, un depurador de CC con cables, un cable mini USB, una batería CR2032 y documentos del kit. Con un programa de aplicación BTool suministrado y el perfil GATT de teclas simples, podrá establecer una conexión entre el dongle y el keyfob, y luego experimentar con la seguridad y otras características de bajo nivel. TI ofrece un código fuente de muestra para un sensor de presión sanguinea, un sensor de frecuencia cardíaca, un termómetro que puede compilar, descargarlo al CC2540 utilizando el programador SmartRF Flash y el depurador CC y luego ejecutarlo en el dongle.

Kit de desarrollo CC2540DK-MINI

Figura 4: Kit de desarrollo CC2540DK-MINI (Cortesía de Texas Instruments).

También basándose en el CC2540, BlueRadios, Inc. ofrece el kit de evaluación BR-EVAL-LE4.0-S2A. El kit ofrece un dispositivo BLE listo para usar con comandos simples similares al módem AT y una pila de Bluetooth y perfiles (GAP, GATT, ATT, SMP, L2CAP y BATT) incorporados. El dispositivo se puede configurar, comandar y controlar a través de cadenas simples ASCII sobre el enlace RF o a través de la conexión serial de hardware a través de UART, SPI o USB.

ENW-89820A1KF de Panasonic es un módulo de Bluetooth de baja energía de modo único diseñado para teléfonos móviles, PDA y computadoras portátiles. Incluye una MCU 8051, hasta 256 kbits de Flash, 8 kbits de RAM, un coprocesador de seguridad AES, circuito de generación IR, una interfaz USB 2.0 y una pila de software completa de Bluetooth de baja energía. El módulo PAN1720 se fabrica en un paquete SMD muy pequeño de 15.6 mm x 8.7 mm x 1.9 mm con una carcasa protegida.

ENW-89820A1KF de Panasonic

Figura 5: Módulo Bluetooth de baja energía con modo único de la serie ENW-89820A1KF de Panasonic (Cortesía de Panasonic).

CSR tiene varios chips de Bluetooth de baja energía en producción, entre ellos CSR1000A04-IQQM-R. La plataforma CSR µEnergy™ ofrece todo lo que se necesita para crear un producto Bluetooth de baja energía con RF, banda base, microcontrolador, pila Bluetooth v4.0 calificado y aplicación para clientes que se ejecuta en un solo chip. La plataforma µEnergy de CSR está disponible en dos variantes de chips. El chip CSR1001 está optimizado para teclados y controles remotos con hardware dedicado para el escaneo del teclado. El CSR1000 ofrece un paquete más pequeño para productos de bienestar, relojes, mouse y otros sensores.

¿Eso es todo lo que hay?

El mercado inalámbrico de corto alcance está sobrepoblado y fragmentado ya que no hay una solución "con un tamaño único que se adapte a todos" debido a la gran cantidad de requisitos que hay. La mayoría de estos protocolos se construyen por encima del estándar IEEE 802.15.4, que solo define las capas PHY y MAC; cada protocolo continúa para definir la capa de red de manera diferente conforme a sus necesidades. ZigBee, posiblemente, es la variante 802.15.4 que más se usa, pero 6LoWPAN y WirelessHART™ también tiene su lugar, como los protocolos propietarios como ANT™, Z-Wave®, MiWi™ y SimpliciTI™. ¿Dónde y con qué exactitud se adapta Bluetooth de baja energía?

Cada uno de los protocolos estandarizados que recién se mencionan han encontrado su nicho donde son muy útiles: 6LoWPAN ofrece conexión a Internet y WirelessHART para redes de autorecuperación. No obstante, no hay mercados objetivo para el Bluetooth de baja energía. Por otro lado, el protocolo RF4CE™ de ZigBee se centra en muchas de las mismas aplicaciones que Bluetooth de baja energía, pero al ser un protocolo más complejo, es mejor en redes por un lado (Bluetooth de baja energía puede funcionar en una configuración star), pero, por el otro lado, consume más energía, por lo que no es ni cerca ideal para aplicaciones de ultrabajo consumo como aplicaciones en sensores médicos, industriales y militares que requieren la mayor duración posible de la batería.

En el espacio del consumidor, ANT se utiliza ampliamente en los monitores de frecuencia cardíaca para corredores y otras aplicaciones de la red del área del cuerpo (BAN). Al igual que Bluetooth de baja energía, ANT también es un protocolo de consumo ultrabajo que está orientado a las aplicaciones de velocidad de datos baja. ANT sería un competidor importante, pero Bluetooth de baja energía tiene una gran ventaja: compatibilidad con más de dos mil millones de dispositivos instalados y un nivel alto de aceptación en la comunidad de consumo. El hecho de que los principales proveedores de chips ANT: Texas Instruments y Nordic Semiconductor respaldan enfáticamente a Bluetooth de baja energía debería despejar toda duda de que reemplazará pronto a ANT y soluciones propietarias para convertirse en el protocolo dominante que se encuentre en los dispositivos inalámbricos con consumo de energía ultra bajo.

Referencias:
  1. Sitio web de la tecnología Bluetooth
    http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
  2. Bluetooth de baja energía – Texas Instruments
    http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
  3. Bluetooth de baja energía – Digi-Key

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Acerca de este autor

John Donovan

John Donovan es el editor de Low-Power Design y ex jefe de edición de Portable Design y Editor ejecutivo de EDN Asia. En los últimos 25 años, John ha publicado dos libros, docenas de manuales y cientos de artículos técnicos. Tiene un B.A. en Literatura Inglesa de la universidad U.C. Berkeley, que obtuvo mientras trabajaba como técnico de microondas, y un MBA de la universidad de San Francisco State University. Es miembro de la asociación Association for Computing Machinery (ACM) y es miembro sénior de IEEE.

Acerca de este editor

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