Najnowsze rozwiązania w łączności bezprzewodowej standardu Bluetooth

Ewolucja standardów łączności bezprzewodowej sprawia, że coraz więcej osób i urządzeń komunikuje się z jedną infrastrukturą sieciową, co przekłada się na wiele udogodnień w codziennym życiu i ułatwia życie użytkownikom końcowym. Nowe standardy sieciowe dają również szereg korzyści przy projektowaniu urządzeń. Jednak co to oznacza dla programistów, inżynierów i producentów? Co powinni oni wiedzieć i nad czym się zastanowić? W artykule przyjrzyjmy się bliżej najnowszym standardom bezprzewodowym.

Protokół Bluetooth LE i Bluetooth Mesh

Kolejne generacje standardu Bluetooth nie tylko poprawiają dostępne funkcje pod względem zużycia energii, zasięgu i jakości połączenia, ale także przynoszą unikalne możliwości. Obecne generacje stosów Bluetooth 5.4/5.3 i Mesh otwierają nowe drzwi dla tego standardu na rozwijającym się i wymagającym rynku IoT.

Obecnie Bluetooth obsługuje topologie o określonej funkcjonalności:

1. Sygnalizacja (beaconing)

• obsługiwane formaty iBeacon, EddyStone i inne,
• obsługa zaawansowanych funkcji sygnalizacji w Bluetooth 5.

2. Punkt-punkt i gwiazda

• tryb urządzeń peryferyjnych i centralnych Bluetooth,
• do 32 połączeń i podwójna topologia,
• jednoczesna praca jako urządzenie peryferyjne i centralne.

3. Siatka (mesh)

• rozwiązanie Bluetooth Mesh dla dużych sieci urządzeń i komunikacji wiele-do-wielu,
• jednoczesne korzystanie z Bluetooth LE i technologii mesh.

Rysunek 1. Struktura stosu Bluetooth

Struktura stosu Bluetooth została pokazana na rysunku 1. Ulepszony Bluetooth 5.3 jest zgodny ze stosem Bluetooth i ma wbudowane następujące funkcje:

• dynamiczna kontrola mocy nadawania z Bluetooth 5.2,
• wyszukiwanie kierunku z Bluetooth 5.1,
• standardowe funkcje z Bluetooth 5.0,
• funkcje z Bluetooth 4.x.

Rysunek 2. Struktura stosu Bluetooth Mesh

Najnowszy profil Bluetooth Mesh rozszerza możliwości sieci pod względem gęstości, opóźnień komunikacji i nowych profili. Struktura stosu Bluetooth Mesh została pokazana na rysunku 2. Wprowadzone i nadchodzące cechy i funkcje Bluetooth Mesh uproszczą konserwację urządzeń i sieci, obniżą zużycie energii i zabezpieczą każdy węzeł i sieć. Kompletny profil Bluetooth Mesh, obsługuje:

• węzły proxy, przekazujące i zaprzyjaźnione,
• węzły małej mocy sieci Bluetooth mesh (LPN),
• komunikację o niskich opóźnieniach do 10 ms na przeskok,
• duże sieci – do 4096 węzłów.

Rysunek 3. Zalety technologii Bluetooth Mesh

Nowe funkcje Bluetooth Mesh dają wiele korzyści – rysunek 3. Najważniejsze z nich to:

1. Uproszczona aktualizacja sieci

• automatyczne sprawdzanie dostępności nowego oprogramowania układowego i instalowanie go,
• standaryzacja i jednoczesne aktualizacje oprogramowania układowego Over-the-Air dla jednorodnych urządzeń.

2. Łatwa skalowalność

• skalowalne uruchamianie nowych urządzeń w dużych wdrożeniach,
• urządzenie zarządzające (provisioner) już nie musi znajdować się w zasięgu radiowym.

3. Plug and play

• automatyczne wykrywanie zmiany właściciela urządzenia,
• resetowanie węzłów ze względów bezpieczeństwa i pod kątem identyfikacji.

4. Większe bezpieczeństwo i prywatność sieci

• dołączanie uwierzytelnionych urządzeń,
• certyfikaty do uwierzytelniania urządzeń przed włączeniem ich do sieci.

Co dalej?

Nadchodzące udoskonalenia funkcji Bluetooth Mesh przewidują:

• Aktualizację oprogramowania sprzętowego urządzenia (DFU) – funkcja DFU Bluetooth Mesh dodaje standardowy sposób aktualizacji oprogramowania układowego w węzłach sieci;
• Zdalne włączanie urządzeń do sieci (RPR) – funkcja pozwala dodawać urządzenia i konfigurować sieć za pośrednictwem węzła proxy, eliminując konieczność przebywania w zasięgu radiowym urządzenia zarządzającego (rysunek 4);

Rysunek 4. RPR umożliwia szybszą i prostszą konfigurację sieci

• Włączanie do sieci bazujące na certyfikatach (CBP) – nowa funkcja wprowadza rozwiązanie, w ramach którego podczas dodawania urządzeń do sieci stosowane się certyfikaty uwierzytelniające (rysunek 5);

Rysunek 5. Włączanie do sieci bazujące na certyfikatach (CBP)

• Mostkowanie podsieci – umożliwia komunikację między urządzeniami w różnych podsieciach (rysunek 6). Mostki między podsieciami operują na tabelach mostkowania;

Rysunek 6. Mostkowanie podsieci

• Przekazywanie kierowane – funkcja poprawia skalowalność sieci poprzez dodanie nowego typu węzła – węzła przekazywania kierowanego, a także modeli konfiguracji, ścieżek oraz metody do ich tworzenia i utrzymywania (rysunek 7);

Rysunek 7. Przykład przekazywania kierowanego

• Prywatne beacony – funkcja szyfruje informacje statyczne, aby zapobiec zagrożeniom prywatności podczas sygnalizacji. Prywatne beacony gwarantują, że ani urządzenia w sieci, ani ich użytkownicy, nie mogą być śledzeni za pomocą informacji statycznych zawartych w komunikacie sygnalizacyjnym.

Zasoby sprzętowe

Złożoność sieci Bluetooth Mesh i różnorodność typów węzłów wymaga różnych zasobów sprzętowych, takich jak odpowiednia ilość pamięci Flash czy RAM. Silicon Laboratories opracowało rodziny produktów z serii 2, które będą obsługiwać określone funkcjonalności/profile – rysunek 5.

Rysunek 8. Zalecane układy SoC implementujące nowe funkcje Bluetooth Mesh

Bluetooth 5.4

Najnowszy stos Bluetooth 5.4 poprawia dwukierunkową komunikację z tysiącami węzłów końcowych z jednego punktu dostępowego. Wymagający i rozwijający się rynek elektronicznych etykiet cenowych (ESL) odniesie z tej funkcji duże korzyści. Ponadto w nowym standardzie Bluetooth 5.4 zostaną wprowadzone dwa znaczące ulepszenia:

• Okresowe rozgłaszanie z odpowiedziami (PAwR)
  
  • umożliwienie implementacji sieci w topologii gwiazdy z synchronizacją czasową i dwukierunkową komunikacją z uzyciem udoskonalonego okresowego rozgłaszania z odpowiedziami,
  • obsługa dużych sieci w topologii gwiazdy w sposób bardzo wydajny i dający ogromne możliwości.
• Zaszyfrowane dane rozgłoszeniowe (EAD)
  
  • włączenie możliwości szyfrowania danych rozgłoszeniowych.

Główne produkty z oferty Silicon Labs pozwalające skorzystać z nowych funkcji Bluetooth 5.4 to:

• kluczowe produkty dla urządzeń Bluetooth: EFR32BG22 i EFR32BG24,
• kluczowe produkty dla punktów dostępowych Bluetooth: EFR32BG21.

Podsumowanie

Połączony świat staje się rzeczywistością dzięki najnowszym standardom łączności. Interoperacyjność protokołów umożliwia komunikację z różnymi urządzeniami, połączonymi z użyciem różnych standardów. Wszyscy producenci urządzeń muszą na bieżąco śledzić trendy rynkowe i dbać o zgodność z nimi.

Mnogość standardów i rozwiązań może powodować pewne trudności w procesie selekcji. Jednak kluczowym punktem dla wszystkich programistów i producentów produktów końcowych jest wybór najlepszego rozwiązania pod każdym względem, z uwzględnieniem ceny i parametrów.

Skontaktuj się z nami, jeśli będziesz mieć dodatkowe pytania dotyczące odpowiedniego stosu lub wyboru rozwiązania. Szczegółowe informacje o standardach i rozwiązaniach dostępne są na żądanie w webinariach: https://www.silabs.com/support/training.ap-language_english.ct-webinars_tech-talk.

Kamil Prus
BDM & FAE Polska i kraje bałtyckie
kamil.prus@ccontrols.pl