Nye muligheter med Bluetooth

Bluetooth har fått mange funksjoner i løpet av de 25 årene som er gått siden versjon 1.0 spesifikasjonene dukket opp. Tilleggene har åpnet veier til en rekke nye applikasjoner og markeder. Denne utviklingen har fortsatt med endringene som er gjort i den siste 6.0-versjonen av kjernespesifikasjonen og den siste utgivelsen av Bluetooth Mesh.

I de kommende årene vil disse nye innovasjonene føre til en ny generasjon applikasjoner for brukere av hjemmet, detaljhandel, distribusjon og industriell automatisering. 

Avstandsdetektering

Et viktig eksempel på innovasjon som vil utvide funksjonene til Bluetooth til nye applikasjoner er støtte for sikker findetektering av avstand ved bruk av protokollens nye Channel Sounding-protokoll. Denne protokollen lar to enheter innenfor trådløs rekkevidde av hverandre sikkert og nøyaktig bestemme avstanden som skiller dem. Channel Sounding forlenger listen over plasserings- og posisjoneringsfunksjoner som allerede finnes i Bluetooth LE. De fleste eksisterende Bluetooth-enheter kan utføre tilstedeværelsesdeteksjon ved å oppdage innkommende signaler fra andre enheter, analysere RF-signalstyrken og konvertere den til avstand, men nøyaktigheten på avstandsdeteksjonen er bare rundt ±5 m. I tillegg til grunnleggende tilstedeværelsesdeteksjon, og både grov- og finavstandsmåling, støtter standarden også retningsdeteksjon ved bruk av Angle-of-Arrival og Angle-of-Departure måleteknikker.

Bluetooth Channel Sounding

Den nye Bluetooth Channel Sounding muliggjør sikker finmåling av avstand mellom Bluetooth 6.0-enheter. Den nye protokollen drar fordel av den 80MHz båndbredden og flerkanalsnaturen til Bluetooth som muliggjør tone- og tur-retur tidsmålinger over hele frekvensområdet. Prosessen begynner med at "initiator"-enheten og "reflektor"-enhetene åpner en Bluetooth-tilkobling, blir enige om en konfigurasjon for måling basert på kapasitetssammenligning og deretter utfører avstandsmålingsprosedyren. Under en Channel Sounding-prosedyre sender en initiator toner eller pakker over angitte 2,4 GHz-kanaler, og reflektoren svarer ved å sende data tilbake til initiatoren. Både tur-retur-tid for pakker og faseforskjeller mellom sendte og mottatte toner brukes til å bestemme avstand.

Overføring over en kryptert Bluetooth-tilkobling, tidsstempler på pakker og andre sikkerhetsfunksjoner bidrar til å forhindre at andre noder forfalsker svar og gir initiatoren et falskt avstandsestimat.

I mange miljøer i den virkelige verden kan finavstandsmåling ved bruk av channel sounding som inkluderer fasemålinger gi en nøyaktighet på ±0,3 m ved en rekkevidde på mindre enn 5 m og ±0,5 m over 5 m.

Anvendelser

Det er mange applikasjoner for Bluetooth Channel Sounding-måling i industri-, hjemme- og detaljhandelsmiljøer - for eksempel for nøkkelfri adgang, aktivasporing og infrastrukturposisjonering. Nøyaktigheten til Channel Sounding gjør den tilgjengelig for geofence-baserte sikkerhetsstrategier, åpner dørene for brukere med riktig autorisasjon når de nærmer seg og slår alarm hvis de oppholder seg i sensitive områder for lenge. Lignende prinsipper kan brukes for nøkkelfri adgang for biler og hus, hvor systemet låser opp dørene først når eieren kommer på nært hold. 

Bluetooth Mesh utvidelser

Bluetooth Mesh 1.1 introduserer flere nye funksjoner designet for å redusere kompleksiteten og kostnadene ved nettverksoppsett og vedlikehold, samt forbedre ytelsen, sikkerheten og skalerbarheten. Høydepunktene i den nye Bluetooth-mesh-standarden er oppsummert nedenfor.

Fjernstyrt provisjonering gjør at nye enheter kan legges til nettverket fra ett sted, noe som er spesielt nyttig for storskala distribusjoner. I den forrige versjonen av standarden måtte provisjoneringen gjøres innenfor radiorekkevidden til enheten, noe som betydde at det var behov for en person for å sette i gang enhetene.

Sertifikatbasert provisjonering øker sikkerheten ved å bruke digitale sertifikater for enhetsautentisering under klargjøringsprosessen. Det sikrer at bare autoriserte enheter kan koble seg til nettverket, og gir et ekstra lag med sikkerhet. Dette er spesielt nyttig når det kombineres med fjernstyrt provisjonering ettersom det muliggjør sikker bulk-idriftsetting av enheter, med minimum brukerinteraksjon.

Funksjonen Mesh Device Firmware Update (DFU) standardiserer fastvareoppdateringsprosedyren i Bluetooth mesh-nettverk og muliggjør effektive over-the-air (OTA) oppdateringer av enhetens fastvare i mesh-nettverket. Standarden definerer også en BLOB (Binary Large Object)-protokoll som bruker både multicast- og unicast-meldinger for en effektiv levering av fastvaren til nodene som skal oppdateres. Denne funksjonen er spesielt nyttig for å vedlikeholde store nettverk, slik som de som brukes i kommersiell bygningsautomatisering

Subnet Bridging-funksjonen opprettholder muligheten til å inkludere subnett for områdeisolering samtidig som nettverkets kompleksitet forenkles. Subnett-brobygging øker både nettverkssikkerheten, ettersom hvert subnett bruker en unik sikkerhetsnøkkel, og nettverkseffektivitet, ettersom standard meldinger ikke videresendes mellom subnett.

Funksjonen for rettet videresending, Directed Forwarding, forbedrer effektiviteten av meldingslevering ved å la relénoder opprette direkte veier fra kilden til destinasjonen. Denne multi-hop-metoden reduserer antallet hopp som trengs, og forbedrer dermed nettverksytelsen.Flere andre mindre funksjonsforbedringer er også inkludert i den nye Bluetooth-mesh-standarden, og som forbedrer enten ytelsen, brukervennligheten eller sikkerheten til teknologien.

Disse oppdateringene gjør Bluetooth Mesh 1.1 til en mer robust og allsidig løsning for et bredt spekter av bruksområder, fra smarthus til store kommersielle bygninger og industrimiljøer.

Storskala, ultra-laveffekt stjernenettverk med PaWR

Periodic advertising with responses (PAwR) er en annen funksjon som forbedrer kommunikasjonseffektiviteten til store Bluetooth-nettverk ved å muliggjøre forbindelsesløs toveiskommunikasjon. PAwR passer til situasjoner der de fleste nodene er relativt enkle, faste elementer, for eksempel de elektroniske hylleetikettene (ESL) som nå brukes i utsalgssteder. Med standardisert Bluetooth ESL-profil og -tjeneste kan PAwR konfigureres for å støtte opptil 128 PAwR-underhendelser som hver adresserer opptil 255 unike enheter. Dette muliggjør nettverksstørrelse på mer enn 32 000 eksterne enheter.

Selv om PAwR er utviklet for nettverk der den primære kommunikasjonsmåten er én-til-mange, tillater PAwR toveis kommunikasjon. Men bruk av underhendelser oppnår dette på en energieffektiv måte. Det gjør PAwR meget godt egnet for ESL-enheter som har et svært begrenset strømbudsjett. Når en administrasjonsnode trenger å oppdatere ESL-ene i en gruppe, sender den ut en underhendelsesmelding. Hver av nodene knyttet til den delbegivenheten har en designet luke der de kan svare, kanskje med en melding for å bekrefte at en prisoppdatering har blitt oppført. Alternativt kan den benytte anledningen til å sende en alarm for å fortelle administratorer at batteriet begynner å bli lavt. Gjennom denne tidssynkroniserte mekanismen kan ESL slå av sin trådløse sender og andre funksjoner utenfor tidsluken der den forventes å være helt våken. For situasjoner som fastvareoppdateringer, kan nodene dra nytte av Bluetooth-tilkobling for høyere datagjennomstrømning. De kan gå tilbake til energisparende PAwR-modus etterpå.

Selv om detaljhandel representerer et nøkkelmarked for PAwR, er det andre situasjoner som kan dra nytte av dette ESL-orienterte designet. Et eksempel er i administrasjon av aktiva, der en sentral server trenger å holde styr på eiendeler som paller på et lager eller produktbærere i et produksjonslinjemiljø.

For å sikre at PAwR-protokollen vil fungere i virkelige scenarier, utførte Silicon Labs omfattende tester på en enhetsfarm med mer enn 500 PAwR-aktiverte enheter for å bestemme hvor godt nettverket kan gjenopprette seg etter et strømbrudd som forstyrrer synkroniseringen. Testene viste også i hvilken grad protokollen kan bevare batterilevetiden på ESL-enheter. Testene viste PAwR's evne til å balansere mellom respons og ultralavt strømforbruk ved å variere PAwR intervalltiming.

Disse tilleggene til den siste avlingen av Bluetooth-standarder demonstrerer den levende naturen til den trådløse protokollen, og verdien for OEMer og integratorer av å omfavne det nyeste silisiumet når de utvikler maskinvare for systemene deres.