Bluetooth הולך להספק אולטרה-נמוך

אין כמעט טלפון סלולארי על הפלנטה שלנו שאין לו מקמ"ש ®Bluetooth לחיבור לאוזניות אלחוטיות. מרבית המחשבים האישיים החדשים משלבים שבבי Bluetooth לאותה מטרה, ומאפשרים לך להקליד תוך כדי דיבור או האזנה. למרבית אם לא לכל המכוניות החדשות יש Bluetooth בכדי לאפשר לך לדבר תוך כדי נהיגה כשידיך חופשיות. למרות זאת, בעוד כל זה יפה וטוב, קיים מגוון רחב של יישומים עבורם Bluetooth אינו מתאים - או לכל הפחות עד עתה. 

Bluetooth הוא פרוטוקול מוכוון-חיבורים אשר תוכנן לטפל בהזרמה רצופה של נתונים במהירויות גבוהות יחסית ולכן הוא מתאים מאוד לחיבור אלחוטי בין טלפונים סלולאריים לאוזניות. ביחד עם המאמצים לשמור על הספק נמוך, מרבית השינויים למפרט Bluetooth התמקדו בהגדלת קצב הנתונים. הקצב הבסיסי (BR) מאפשר חיבורים סינכרוניים ואסניכרוניים עד 72‎0 kbps. גירסת ‏Bluetooth ‏2.0 (‏2004) הוסיפה קצב נתונים מורחב (EDR) של ‎3 Mbps (למעשה יותר כמו ‎2.1 Mbps). גירסת ‏Bluetooth ‏3.0 (‏2009) הוסיפה יכולת נתונים במהירות גבוהה (HS) של עד 2‎4 Mbps הודות לשימוש ב- MAC/PHY ‏(AMP) אלטרנטיבי המתקשר על קו 802.11 באותו איזור. למרות התחכום ההנדסי, השאיפה למהירות גבוהה יותר הובילה בהכרח לצריכת הספק גבוהה יותר. 

לעומת זאת, Bluetooth באנרגיה מועטה (Bluetooth Low Energy, או BLE) תוכנן מלכתחילה כפרוטוקול בהספק אולטרה-נמוך (ULP) בכדי לשרת התקני אלחוט לטווחים קצרים הנדרשים לפעול במשך חודשים או אפילו שנים מסוללת תא כפתור יחידה. הושק בגירסת Bluetooth ‏4.0 (‏2010),‏ ה- Bluetooth באנרגיה מועטה משתמש במחסנית פשוטה בכדי לאפשר תקשורת אסינכרונית עם התקני הספק נמוך, כגון חיישני אלחוט השולחים נפחים קטנים של נתונים ברווחי זמן לא תדירים. החיבורים מוקמים במהירות ומשתחררים מיד לאחר השלמת החלפת הנתונים תוך קיצור למינימום של זמן פעולת מגבר ההספק ועקב כך הקטנה למינימום של צריכת ההספק. 

מפרט הליבה של גירסת Bluetooth ‏4.0 כולל את המפרט המלא של Bluetooth "קלאסי", Bluetooth מהיר ו- Bluetooth באנרגיה מועטה. בעוד שה- Bluetooth באנרגיה מועטה הוא חדש לגמרי, המתכננים נהנים מהיתרונות של שמירת תאימות לאחור עם מעל לשני מיליארד התקנים שכבר פועלים בשוק. בכדי להתמודד עם מציאות זו ללא התפשרות עם התכן של Bluetooth באנרגיה מועטה, גירסה 4.0 הציגה שני סוגי התקנים:

• שבבי אופן-כפול היכולים לתקשר עם התקני Bluetooth קלאסיים כמו גם כשבבי אופן-יחיד בהתקנים עם הספק אולטרה-נמוך.
• שבבי אופן-יחיד המשתמשים במחסנית פרוטוקול Bluetooth באנרגיה מועטה. אלו יכולים לתקשר עם שבבי אופן-יחיד או אופן-כפול אחרים המשתמשים בחלק ה- Bluetooth באנרגיה מועטה בארכיטקטורה שלהם.

שבבי אופן-כפול היוצאים לשוק זה עתה יעניקו פונקציונליות Bluetooth בכל הטלפונים הסלולאריים, המחשבים האישיים והמכוניות מכאן והלאה. הם יכולים לתקשר עם התקני Bluetooth קודמים כמו גם עם התקנים חדשים בהספק נמוך המשתמשים ב- Bluetooth באנרגיה מועטה במגוון רחב של יישומים רפואיים, תעשייתיים ולצרכנים. יכולות נוספת זו מגיעה עם עלות סיליקון נוספת קטנה מאוד. 

משתלם לפרסם 

התקני הרדיו של ה- Bluetooth באנרגיה מועטה פועלים בתחום ‎ ,2.4 GHz ISMעם דילוג תדרים על פני 40 ערוצים ותוך שימוש במודולציית GFSK להשגת קצב נתונים של עד ‎1 Mbps. ה- Bluetooth באנרגיה מועטה משתמש בשתי סכמות של גישה לנתונים: Frequency Division Multiple Access ‏(FDMA) ו- Time Division Multiple Access (‏TDMA).

בסכמת FDMA, רדיו LE מדלג בין 40 ערוצים פיזיים עם הפרדה של ‎2 MHz, כאשר 3 מהם משמשים כערוצי פרסום ו- 37 כערוצי נתונים. בסכמת TDMA, התקן אחד משדר חבילה בזמן קבוע מראש וההתקן הסורק עונה עם חבילה אחרת אחרי מרווח זמן קבוע מראש. הנתונים משודרים בין התקני ה- Bluetooth באנרגיה מועטה במהלך שתי יחידות זמן הנקראות "אירועים": אירועי פרסום (ראה תרשים 1) ואירועי חיבור (ראה תרשים 2). 

ערוצי הפרסום מאפשרים גילוי ההתקנים הזמינים בקרבת מקום. המפרסם שולח חבילות המציינות כי יש לו נתונים להעביר. התקן סריקה יכול אז לדרוש מההתקן המפרסם לשלוח חבילת פרסום נוספת - ובכך לאפשר תקשורת מסוג שידור פומבי בערוץ פרסום זה בלבד - או שהוא ידרוש הקמה של קו תקשורת דו-כיווני, מה שיותר נפוץ. 

כאשר נדרש חיבור, אותם ערוצי פרסום ישמשו לחיבור ההתקנים, אשר ימשיכו אז להשתמש בערוצי הנתונים עבור התקשורת. בהקמת החיבור, ההתקן היוזם מגדיר את הערוץ ואת התזמון של החלפת הנתונים לאחר שהוא העריך את שיהוי התקשורת עם התקן הפרסום או עם ההתקן המשועבד, אשר יכול בהמשך לדרוש שינוי בפרמטרים אלו בכדי למטב את צריכת ההספק. 

ברגע שהוקם החיבור, הסורק הופך להיות ההתקן המשעבד (Master) והמפרסם הופך להיות ההתקן המשועבד (Slave). בשלב זה מתחיל דילוג תדרים, כשחבילות הנתונים מוחלפות בכל תדר במהלך מה שנקרא אירועי חיבור. המשעבד יוזם כל אירוע חיבור, הגם שהן המשעבד והן המשועבד יכולים לסיים את התקשורת בכל רגע. 

חיסכון באנרגיה 

אחת הדרכים בהן Bluetooth באנרגיה מועטה מקטין למינימום את צריכת ההספק היא הפעלת הרדיו אך ורק לפרקי זמן קצרים. התקני הרדיו של Bluetooth באנרגיה נמוכה צריכים לסרוק שלושה ערוצי פרסום בלבד בכדי לחפש התקנים אחרים, והם עושים זאת ב- ‎0.6 ms עד ‎1.2 ms בלבד, בעוד שהתקני הרדיו של Bluetooth קלאסי צריכים לסרוק 32 ערוצים באופן קבוע, משימה הדורשת ‎22.5 ms כל פעם. טריק זה לבדו מאפשר להתקני אנרגיה מועטה לחסוך פי 10 עד 20 פחות הספק בהשוואה להתקני Bluetooth קלאסיים. 

כמו Bluetooth קלאסי, Bluetooth באנרגיה מועטה מנצל דילוג תדרים אדאפטיבי בכדי להפחית למינימום הפרעות מהתקני רדיו אחרים באותו מקום. למרות זאת, Bluetooth באנרגיה מועטה משתמש בשלושה ערוצי פרסום קבועים אשר אינם מוגנים מפני הפרעות. אך עדיין, ערוצים אלו נבחרו מאחר ורק במקרה אחד (240‎2 GHz, ערוץ 37) יש קונפליקט מקרי עם Wi-Fi (ערוץ 1), וכמבון שבהגדרה אין קונפליקט עם הנתונים ב- Bluetooth באנרגיה מועטה. 

עם רוחב-פס נתונים של ‎1 Mbps, מקמ"ש Bluetooth  באנרגיה מועטה יהיה במצב מופעל רק שמינית מהזמן בהשוואה לצומת ®ZigBee, הפועל על אותו פס תדר של ‎2.4 GHz ונדרש לשדר את אותם נתונים, כך שהתוצאה היא חיסכון של פי שמונה בחיי הסוללה הודות למהירות לבדה. 

התקני Bluetooth באנרגיה מועטה יכולים לסרוק התקנים אחרים, לחבר, לשלוח נתונים, לאשר קליטה תקפה ולסיים את החיבור ב- 3‎ ms. התקני Bluetooth קלאסיים דורשים בדרך כלל מאות מילישניות להשלים את אותה סדרה של משימות ובתהליך זה הם צורכים אנרגיה רבה יותר במספר סדרי גודל. 

החבילות של Bluetooth  באנרגיה מועטה הן גם קצרות יותר מאשר אלו שבשימוש ב- Bluetooth  קלאסי, כשהתוצאה היא זמן פעולה קצר יותר של מגברי ההספק ולכן חיי סוללה ארוכים יותר. 

בסיכומו של דבר, סכמת המודולציה של Bluetooth באנרגיה מועטה גם תורמת לפרופיל האנרגיה המועטה שלו כמו גם לחוסן רב יותר. הן ה- Bluetooth הקלאסי והן ה- Bluetooth באנרגיה מועטה משתמשים ב- Gaussian Frequency Shift Keying ‏(GFSK). אך ה- Bluetooth הקלאסי משתמש באינדקס מודולציה של 0.35 בעוד שאינדקס המודולציה של Bluetooth באנרגיה מועטה נקבע בין 0.45 ל- 0.55, שהוא קרוב לרמת ה- Gaussian Minimum Shift Keying ‏(GMSK). התוצאה היא נצילות ספקטרלית גבוהה יותר ולכן גם חוסן רב יותר מאשר ה- Bluetooth הקלאסי, אך יחד עם זאת עם הסיכון להפרעות Inter-Symbol Interference ‏(ISI) מוגדלות במעט. ההגדלה המועטת בהספק הנדרש עבור אינדקס המודולציה הגבוה מקוזזת לגמרי על ידי טכניקות חיסכון ההספק אשר תוארו קודם לכן. טבלה 1 מסכמת את ההבדלים בין ה- Bluetooth הקלאסי לבין ה- Bluetooth באנרגיה מועטה. 

מפרט טכני	Bluetooth קלאסי	Bluetooth באנרגיה מועטה
מרחק/טווח	100 מטר (330 רגל)	50 מטר (160 רגל)
קצב נתונים באוויר	‎1-3 Mb/s	‎1 Mb/s
תפוקת יישום	‎0.7-2.1 Mb/s	‎0.26 Mb/s
משועבדים (Slaves) פעילים	7	לא מוגדר; תלוי במימוש
אבטחה	‎64/128-bit ושכבת יישום ניתנת להגדרה על ידי המשתמש	‎128-bit AES עם Counter Mode CBC-MAC ושכבת יישום ניתנת להגדרה על ידי המשתמש
חוסן	דילוג תדרים אדאפטיבי מהיר, FEC, ‏ACK מהיר	דילוג תדרים אדאפטיבי, Lazy Acknowledgement,‏ ‎24-bit CRC,‏ ‎32-bit Message Integrity Check
שיהוי (ממצב של לא-מחובר)	‎100 ms טיפוסי	‎6 ms
הזמן הכולל לשליחת נתונים (קובע את אורך חיי הסוללה)	‎100 ms	‎6 ms
יכולת העברת קול	כן	לא
טופולוגיית הרשת	Scatternet	Star-bus
צריכת הספק	1 כייחוס	0.01 עד 0.5 (בתלות בסוג השימוש)
צריכת זרם שיא	‎<30 mA	‎<20 mA (‏‎15 mA מקס' לפעולה עם סוללת תא כפתור)
גילוי שירות	כן	כן
הכרת פרופילים	כן	כן
סוגי שימוש עיקריים	טלפונים ניידים, משחקים, אוזניות, הזרמת אודיו בסטריאו, כלי-רכב, מחשבים אישיים, אבטחה, קירבה, רפואה, ספורט וכושר גופני, וכו'	טלפונים ניידים, משחקים, מחשבים אישיים, שעונים, ספורט וכושר גופני, רפואה, אבטחה וקירבה, כלי-רכב, אלקטרוניקה לבית, אוטומציה, תעשייה, וכו'

ארכיטקטורת המחסנית 

מפתיע כי מקמ"ש Bluetooth באנרגיה מועטה באופן-יחיד, כשהוא פועל במלוא הביצועים, אינו צורך הרבה פחות הספק מאשר Bluetooth קלאסי (2‎0 mA לעומת ‎30 mA). החיסכון באנרגיה מתאפשר בעיקר הודות לארכיטקטורת המחסנית, המאפשרת שורה של טכניקות לחיסכון בסוללות. 

מחסנית הפרוטוקול של Bluetooth באנרגיה מועטה (ראה תרשים 3) כוללת בקר ומארח. הרבדים השונים של המחסנית כוללים:

• הרובד הפיזי (PHY) משדר וקולט חבילות על הערוץ הפיזי - במקרה זה חבילות GFSK ב- ‎1 Mbps בפס התדרים ‎2.4 GHz ISM.
• רובד הקישור (LL) מבקר את מצב ה- RF של המשדר וקובע האם הוא פרסום, סריקה, ייזום, חיבור או מצב המתנה.
• ממשק הבקר המארח (HCI) מעבד את כל התקשורות בין המארח והבקר, בדרך כלל SPI, ‏USB או UART.
• רובד בקרת הקישור הלוגי ופרוטוקול ההתאמה (L2CAP) מספק שירותי מסגור נתונים עבור הרבדים הגבוהים יותר. רובד זה מספק ניהול תעבורה, מבקר את סדר ההגשה של יחידות נתוני הפרוטוקול לפס-תדר-הבסיס ומבטיח גישת QoS לערוץ הפיזי.
• פרוטוקול המאפיינים (ATT) מאפשר להתקן לחשוף מאפיינים מסוימים שלו להתקן אחר. רובד ה- ATT מקים את תקשורת ה- Peer-to-Peer בין שרת ללקוח בכדי להחליף פרטים אלו על ערוץ L2CAP ייעודי.
• מנהל האבטחה (SM) מייצר, מנהל ומאחסן מפתחות הצפנה וזיהוי בכדי לאפשר לשני התקנים לתקשר בצורה מאובטחת על ערוץ L2CAP ייעודי. Bluetooth באנרגיה מועטה משתמש בהצפנת ‎128-bit AES עם Counter Mode CBC-MAC וכן רובד אפליקציה המוגדר על ידי המשתמש.
• פרופיל המאפיינים הגנרי (GATT) מגדיר את תת-הנוהלים עבור השימוש ב- ATT ומפרט את מבנה פרופילי ה- Bluetooth. כל התקשורות בין התקני ה- Bluetooth מטופלות באמצעות תת-נוהלי ה- GATT.
• פרופיל הגישה הגנרי (GAP) מספק את הממשק בין פרופילי האפליקציה וה- Bluetooth ומטפל בגילוי ההתקנים, בחיבור ובשירותים, כולל נוהלי אבטחה.

יישומי והתקני Bluetooth מתקשרים אחד עם השני באמצעות מערך נוהלים מובנה ביותר הנקראים פרופילים. הפרופילים יכולים להיות ברמה נמוכה למדי - כגון פרופילים לחיבור להתקני IrDA או להקמת קישורים מאובטחים - או שניתן לקבץ אותם יחד כדי לשרת יישומים ברמה גבוהה יותר. לדוגמה, ישנם פרוטוקולי Bluetooth באנרגיה מועטה לניטור לחץ הדם (BLS), קצב הלב (HRS) והטמפרטורה (HTP) של מטופלים אשר ביחד יוצרים קבוצה של פרופילים לרפואה. קבוצת התמיכה (SIG) ב- Bluetooth נמצאת בתהליך של הגדרת הפרופילים עבור יישומים לצרכנים, לרפואה ולתעשייה עבורם היא צופה התפשטות מהירה של התקני Bluetooth באנרגיה מועטה. 

שבבי Bluetooth באנרגיה מועטה 

נכון לסוף שנת 2011, שבבי Bluetooth באנרגיה מועטה מתחילים רק עתה להופיע בשוק. Texas Instruments היא אחת החברות הראשונות בשוק עם המערכת-על-שבב CC2540 Bluetooth שלה. ה- CC2540 הוא שבב אופן-יחיד המשלב מיקרו-בקר 8051, זיכרון RAM של ‎,8 KB זיכרון Flash של 128-25‎6 KB, מקמ"ש RF, מחסנית פרוטוקול אופן-יחיד, תוכנת פרופילים משובצת ומגוון שלם של רכיבים היקפיים. ה- CC2540 יכול לפעול או כמשעבד (Master) או כמשועבד (Slave) וצורך זרם הנמוך עד כדי ‎15.8 mA ב- 3‎ V באופן קליטה ו- ‎18.6 mA באופן שידור (‎-6 dBm). 

למפתחים מציעה חברת TI את ערכת הפיתוח CC2540DK-MINI עבור ה- CC2540. הערכה כוללת CC2540 USB Dongle, לוח CC2540 Keyfob ומארז פלסטיק, מנפה שגיאות CC עם כבלים, כבל Mini USB, סוללת CR2032 ותיעוד לערכה. תוך שימוש בתוכנת היישומים BTool המסופקת ופרופיל Simple Keys GATT אתה יכול ליצור חיבור בין ה- Dongle לבין ה- Keyfob ולהתנסות עם מאפיינים שונים של אבטחה ומאפיינים אחרים ברמות נמוכות יותר. חברת TI מספקת דוגמאות קוד מקור עבור חיישני לחץ דם, חיישני קצב לב ומדי טמפרטורה רפואיים אשר לאחר קומפילציה אתה יכול להוריד ל- CC2540 בשימוש בתכנת SmartRF Flash ובמנפה השגיאות CC ואחר כך להריץ ב- Dongle. 

מבוססת גם היא על ה- CC2540, חברת .BlueRadios, Inc מציעה את ערכת הפיתוח BR-EVAL-LE4.0-S2A. הערכה מספקת התקן BLE מוכן לשימוש עם פקודות AT כמו-מודם פשוטות וכן מחסנית Bluetooth ופרופילים משובצים (GAP, ‏GATT, ‏ATT, ‏SMP, ‏L2CAP ו- BATT). התקן זה ניתן להגדרת תצורה, לפיקוד ולבקרה באמצעות מחרוזות ASCII פשוטות על קווי RF באמצעות חיבור טורי בחומרה דרך UART, ‏SPI או USB. 

ה- ENW-89820A1KF מבית Panasonic הוא מודול Bluetooth באנרגיה מועטה המיועד לטלפונים ניידים, התקני PDA ומחשבים ניידים. הוא כולל מיקרו-בקר 8051, זיכרון Flash של עד ‎256 kbits, זיכרון RAM של ‎,8 kbits דוחס אבטחה AES, מעגלי יצירת IR, ממשק USB 2.0 ומחסנית תוכנה שלמה של Bluetooth באנרגיה מועטה. מודול PAN1720 מיוצר במארז SMD קטן ביותר של 15.6 מ"מ x‏ 8.7 מ"מ x‏ 1.9 מ"מ עם מארז מסוכך. 

בתהליכי ייצור בחברת CSR נמצאים מספר שבבי Bluetooth באנרגיה מועטה, כולל ה- CSR1000A04-IQQM-R. פלטפורמת ™CSR µEnergy מספקת את כל הנדרש ליצירת Bluetooth באנרגיה מועטה עם RF, פס-תדר-בסיס, מיקרו-בקר, מחסנית Bluetooth v4.0 מאושרת ואפליקציות ללקוחות הפועלים על שבב יחיד. פלטפורמת CSR µEnergy זמינה בשתי גירסות שבבים. שבב CSR1001 ממוטב עבור לוחות מקשים ובקרה מרחוק עם חומרה ייעודית עבור סריקת לוחות מקשים קטנים. ה- CSR1000 מציע מארז קטן יותר עבור מוצרי כושר גופני, שעונים, עכברים וחיישנים אחרים. 

האם זה כל מה שיש?

שוק האלחוט לטווחים קצרים הוא גם צפוף וגם מפוצל, מאחר ואין פתרון מסוג של "גודל אחד המתאים לכול" עבור המגוון הרחב של דרישות. מרביתם של פרוטוקולים אלו בנויים על גבי תקן IEEE 802.15.4, אשר מגדיר אך ורק את רבדי PHY ו- MAC, כאשר כל פרוטוקול ממשיך ומגדיר את רבדי הרשת בצורה שונה בהתאם לצרכים. ZigBee הוא קרוב לוודאי ואריאנט 802.15.4 הנפוץ ביותר בשימוש, אך גם 6LoWPAN ו- ™WirelessHART תופסים מקום משלהם, כמו גם פרוטוקולים כגון ™ANT, ‏®‏‏Z-Wave, ‏™MiWi ו- ™SimpliciTI. היכן - ועד כמה - מתאים Bluetooth באנרגיה מועטה? 

כל אחד מהפרוטוקולים מבוססי התקן האחרים שהוזכרו זה עתה מצא נישת שוק עבורה הוא המתאים ביותר: 6LoWPAN מספק חיבוריות אינטרנט ו- WirelessHART עבור רשתות מורכבות עם ריפוי-עצמי, אך אלו אינם שוקי יעד עבור Bluetooth באנרגיה נמוכה. פרוטוקול ™RF4CE של ZigBee מיועד לרבים מהיישומים אליהם מיועד גם Bluetooth באנרגיה מועטה, אך מאחר והוא פרוטוקול מורכב הרבה יותר,  הוא אמנם טוב יותר ברשתות - Bluetooth באנרגיה מועטה יכול לפעול רק בתצורת כוכב - אך בשל צריכת ההספק הגבוהה יותר משמעותית, אין הוא אפילו קרוב להיות מתאים ליישומי הספק אולטרה-נמוך כגון חיישנים רפואיים ויישומים תעשייתיים וצבאיים הדורשים משך חיי סוללה ארוך ככל האפשר. 

במרחב הצרכנים, ANT נפוץ ביותר בשימוש במנטרי קצב לב עבור רצים וכן ביישומי Body Area Network (‏BAN) אחרים. כמו Bluetooth באנרגיה מועטה, ANT גם הוא פרוטוקול המיועד ליישומים עם קצב נתונים נמוך. ANT אמור היה להיות מתחרה רציני, אך ל- Bluetooth באנרגיה מועטה יש יתרון עצום אחד - תאימות עם יותר משני מיליארד התקנים ורמה גבוהה של הכרה בקהילת הצרכנים. העובדה שהיצרנים הגדולים ביותר של שבבי ANT -‏‏ Texas Instruments ו- Nordic Semiconductor - תומכים בצורה כה נמרצת ב- Bluetooth באנרגיה מועטה מסירה כל ספק מכך שהיא תחליף בקרוב את ה- ANT ופתרונות קנייניים ותהפוך לפרוטוקול הדומיננטי בהתקני אלחוט בהספק אולטרה-נמוך. 

מקורות:

1. אתר טכנולוגיית Bluetooth
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. Bluetooth באנרגיה מועטה - Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. Bluetooth באנרגיה מועטה - DigiKey