Caratteristiche tecniche fondamentali di Bluetooth Low Energy

Caratteristiche tecniche fondamentali di Bluetooth Low Energy

Le novità introdotte dalla versione 4.0 di Bluetooth (quindi Bluetooth Low Energy o Bluetooth LE) portano sul mercato due tipologie di dispositivi che vanno a coprire quell’area di necessità nelle quali i suoi predecessori non riuscivano ad essere ottimali. In breve, un dispositivo che utilizza la tecnologia Low Energy è:

  • Fisicamente piccolo: è possibile “applicarlo” praticamente ovunque date le dimensioni ridotte.
  • Rapido nel setup: il tempo di discovery è di pochi millisencondi.
  • Longevo: il basso consumo di batteria e l’autonomia elevata fanno sì che il dispositivo non abbia alcuna necessità di manutenzione periodica.
  • Dotato di una portata flessibile: il range seppur inferiore a quello dei predecessori è comunque buono, ed è possibile misurare la distanza effettiva tra gli interlocutori, permettendo la localizzazione indoor.
  • Utile nella quotidianità: è già diffuso in alcune grandi catene di centri commerciali e negozi di elettronica (di cui parleremo più avanti nei Case Study) come ausilio allo shopping.

Con l’introduzione del Low Energy nel panorama Bluetooth, si è ritenuto necessario suddividere le tipologie di devices essenzialmente in 3 categorie: Bluetooth Classic, Bluetooth Smart e Bluetooth Smart Ready.

Caratteristiche tecniche fondamentali di Bluetooth Low Energy

I dispositivi Smart Ready, come si può notare dalla figura, sono al centro di questo “ecosistema”: essi altro non sono che smartphone, tablet, palmari e laptop, che grazie ad uno stack di protocolli dual-mode possono collegarsi ai devices di vecchia e di nuova generazione. I dispositivi Smart invece sono il vero e proprio cuore dell’innovazione: sensori, strumenti di misurazione, dispositivi di posizionamento ed altro ancora, con consumi bassissimi e capaci di inviare piccole quantità di dati a comando, una volta connessi ad un device Smart Ready.  Importante notare che i devices Smart non sono retrocompatibili e possono comunicare solo con devices Smart Ready.

Caratteristiche tecniche fondamentali di Bluetooth Low Energy - Dispositivi

La documentazione ufficiale e gli standard definiti offrono un profilo generico che viene modellato per ogni utilizzo specifico dei devices. Alcuni esempi di archetipi possono essere i profili per il riconoscimento di prossimità od addirittura per la misurazione del battito cardiaco: il dispositivo di misurazione medico utilizza Bluetooth LE per trasmettere dati comprensibili ad un secondo dispositivo di controllo mediante un protocollo di comunicazione, il quale è ben definito nelle specifiche in modo da essere compatibile con ogni device a norma.

I ruoli supportati e predefiniti nelle specifiche di Bluetooth 4.0 sono i seguenti:

  1. Broadcaster
  2. Observer
  3. Peripheral
  4. Central

Ogni ruolo richiede degli specifici comportamenti da parte del controller sottostante: un controller infatti può venire configurato per assumere più ruoli, ma mai due nello stesso momento.

  1. Il ruolo di Broadcaster è ottimo per gli oggetti che hanno l’unica funzione di trasmettere dati, senza supportare connessioni. Il Broadcaster usa notifiche in advertising per trasmettere le informazioni ai devices in ascolto.
  2. Il ruolo di Observer è complementare al Broadcaster, essendo un ruolo di sola ricezione. La connessione non è supportata, ed il device rimane semplicemente in ascolto degli advert circostanti
  3. Il ruolo di Peripheral è ottimizzato per i devices che supportano una connessione singola e sono meno complessi dei devices centrali. I devices Peripheral necessitano di un Controller che supporti  il ruolo di Slave.
  4. Il ruolo Central è il più complesso: è l’unico che supporta connessioni multiple ed è l’unico ad iniziarne di nuove con i device del ruolo Peripheral. Viene richiesto un Controller che supporti il ruolo di Master.

Bluetooth Classic e Bluetooth Low Energy a confronto

Abbiamo già accennato, in questo articolo Spiegazione e differenze tra Bluetooth e Bluetooth LE, le differenze esistenti tra Bluetooth Classic e Bluetooth Low Energy, ma per definire meglio le specifiche di quest’ultimo è utile metterli a confronto per poter discernere al meglio anche tutti i punti in comune.

Specifica Bluetooth Classic Bluetooth Low Energy
Raggio d’azione ~ 100 m ~ 50 m
Velocità ottimale attraverso l’aria 1–3 Mbit/s 1 Mbit/s
Throughput delle applicazioni 0.7–2.1 Mbit/s 0.27 Mbit/s
Slave attivi 7 Dipende dall’implementazione
Sicurezza 56/128-bit e definita
dall’applicazione
128-bit AES con Counter Mode
CBC-MAC e definita
dall’applicazione
Robustezza Adaptive fast frequency hopping, FEC, fast ACK Adaptive frequency hopping, Lazy Acknowledgement, 24-bit CRC, 32- bit Message Integrity Check
Latenza (da uno stato disconnesso) Tipicalmente 100ms 6ms
Comunicazione vocale No
Topologia del network Scatternet Star-bus
Consumo 1 (preso come riferimento) da 0.01 a 0.5 a seconda dell’uso
Consumo di corrente massimo <30mA <15mA
Service Discovery
Profili
Casi d’uso principali Telefoni cellulari, gaming, cuffie audio, streaming audio, accessori auto, etc. Telefoni cellulari, gaming, orologi, sport e fitness, sicurezza e rilevazione di prossimità, etc.

Come i predecessori, il segnale radio di BLE opera sulla frequenza 2.4 GHz della banda ISM. Il sistema Low Energy impiega un transceiver a frequency hopping (ovvero una tecnica che consiste nel variare la frequenza di trasmissione ad intervalli regolari) per combattere le interferenze  tra devices in prossimità. Le frequenze vengono modulate in maniera pseudocasuale e binaria per minimizzare la complessità del transceiver. Anche la struttura dei comandi in BLE è semplificata: l’Host Control Layer offre infatti circa 50 comandi, molti di meno se confrontati ai 180 comandi/eventi presenti in una completa implementazione di Bluetooth.

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