Technologie Bluetooth 5 pour l'Internet des objets

La dernière version de la norme Bluetooth, Bluetooth 5, promet de nombreuses améliorations, comme une plus longue portée, une vitesse supérieure et une prise en charge étendue des services hors connexion. Cette mise à niveau significative par rapport à la technologie Bluetooth 4.2 actuelle ouvre la voie à de nouvelles applications IoT pour l'environnement intelligent.

Cette évolution permet aux entreprises et aux développeurs d'instaurer l'accessibilité et l'interopérabilité de l'Internet des objets. La nouvelle norme spécifie des modes intégrant une portée quatre fois plus grande que celle des dispositifs existants, grâce à la réduction du débit de données à 500 kbps et 250 kbps pour pouvoir utiliser plus de capteurs de manière fiable à domicile. Cette portée augmente non seulement la distance entre le contrôleur et le capteur, mais permet également de renforcer la liaison avec les dispositifs de terminaison. Elle permet aussi de bénéficier d'un débit de données multiplié par deux, jusqu'à 2 Mbps, pour une lecture audio en continu de meilleure qualité via les écrans ou les haut-parleurs sans fil afin d'améliorer l'expérience utilisateur.

Une étude du marché estime que le Bluetooth sera utilisé dans plus d'un tiers des dispositifs IoT installés d'ici 2020, notamment grâce à sa mise en œuvre omniprésente dans les smartphones qui seront alors utilisés comme contrôleurs. Cependant, l'insertion d'une puce Bluetooth 5 dans un smartphone pour en faire un contrôleur ou la lecture en continu via un casque sans fil présentent des exigences très différentes de celles de l'Internet des objets. Ces applications IoT nécessitent également une gestion de l'alimentation plus sophistiquée afin d'optimiser l'autonomie de la batterie du système. Un convertisseur CC/CC optimisé est donc un élément de plus en plus courant sur le système sur puce.

Les conceptions actuellement fournies aux concepteurs de puce prennent en charge les exigences des dispositifs de système sur puce pour l'IoT. Par exemple, la plateforme Bluetooth IP de RivieraWaves comprend un contrôleur de bande de base, un modem numérique et une pile logicielle détaillée de protocoles. La pile couvre la couche de liaison jusqu'aux protocoles GAP/GATT en plus d'un ensemble de services et de profils. La technologie de Riviera a déjà été utilisée dans les anciennes générations de dispositifs Bluetooth 4.2 de NXP, comme le MKW31Z256.

Figure 1 : La technologie Bluetooth 5 IP développée par RivieraWaves est adaptée aux dispositifs de système sur puce pour l'Internet des objets.

Le contrôleur de bande de base est fourni dans un boîtier Verilog IP. Il exécute le codage/décodage de paquets et la planification, et il est complété par un moteur de cryptage matériel AES128. La pile logicielle est fournie dans un boîtier IP code C avec une couche de liaison, les protocoles L2CAP, ATT, SMP, GAP/GATT, et des services et des profils pouvant être modifiés par le développeur de la puce.

Figure 2 : Pile de protocoles de la technologie Bluetooth 5 IP de RivieraWaves.

Le mode BLE diffère du mode double Bluetooth dans lequel la pile de protocoles inclut une interface HCI conforme aux normes de l'industrie dans le smartphone. Une interface radio flexible permet le déploiement de la plateforme avec l'un des IP RF de RivieraWaves ou avec des IP RF de différents partenaires, pour une sélection optimale de la technologie de fonderie et du nœud de traitement.

Un autre fournisseur IP, Mindtree, a collaboré avec Texas Instruments pour intégrer une pile Bluetooth 4.2 au processeur CC1350. Il combine un émetteur-récepteur RF flexible basse consommation avec un microcontrôleur ARM® Cortex®-M3 de 48 MHz, conçu pour plusieurs couches physiques et pour répondre aux normes RF, afin de simplifier la mise à niveau vers la technologie Bluetooth 5. Le schéma de modulation GFSK 2 Mbps pour le signal radio permet une amélioration considérable du débit du système pour les utilisateurs et est relativement simple à mettre en œuvre au niveau du matériel.

La pile s'exécute sur un cœur Cortex-M0 dédié qui agit comme contrôleur radio pour traiter les commandes de protocole RF de bas niveau qui sont stockées dans une mémoire ROM ou RAM. Les capteurs pour l'Internet des objets peuvent être gérés par un contrôleur dédié, autonome et ultrabasse consommation, qui peut être configuré pour traiter les capteurs analogiques et numériques afin de permettre au cœur principal Cortex-M3 de rester en mode veille. Les systèmes radio, de gestion d'horloge et d'alimentation nécessitent une configuration et un traitement spécifiques par logiciel pour fonctionner correctement, ce qui a été mis en œuvre dans un système d'exploitation en temps réel dédié (TI-RTOS). Ce système sera également mis à jour pour inclure les nouvelles fonctionnalités de la technologie Bluetooth 5.

Cette mise à jour comprend l'extension des paquets d'annonce à 237 octets pour créer des canaux de données pour les annonces et pour introduire le concept de diffusion périodique.

Mindtree a également collaboré avec Synopsys pour développer une conception Bluetooth Smart IP complète pour la version 4.2 dans les traitements 55 nm et 180 nm de TSMC. Cette conception combine la couche IP physique de Synopsys avec la couche de liaison BlueLitE et la couche IP de la pile logicielle de Mindtree pour fournir aux concepteurs de puces un bloc BLE complet qui limite les risques et les défis d'intégration des systèmes sur puce ultrabasse consommation pour les applications IoT. La couche IP physique de Synopsys fonctionne avec une alimentation inférieure à un volt pour étendre l'autonomie de la batterie, et comprend un réseau intégré d'adaptation d'antenne pour garantir la transmission adéquate du signal entre l'antenne et la source, et ainsi réduire le coût des composants externes.

La technologie Bluetooth 5 est désormais mise en œuvre dans les dispositifs. Par exemple, la gamme de dispositifs de systèmes sur puce nRF52 de Nordic Semiconductor est une gamme de systèmes sur puce multiprotocoles ultrabasse consommation conçue autour d'un cœur ARM Cortex-M4F 32 bits avec une mémoire Flash de 1 Mo et une mémoire RAM de 256 Ko sur puce. Le dernier émetteur-récepteur embarqué de 2,4 GHz prend en charge tous les débits de données basse consommation de la technologie Bluetooth 5, des 2 Mbps de la nouvelle norme au débit de 1 Mbps de la norme existante, en passant par les débits longue portée de 500 kbps et 125 kbps de la norme Bluetooth 5. Le système radio prend en charge des fonctions de mesure RSSI haute résolution et des fonctions automatisées pour réduire la charge du processeur, notamment grâce au module EasyDMA qui permet l'accès direct à la mémoire pour les données et les ensembles de paquets. Nordic fournit également des piles de protocoles conçues directement pour la technologie Bluetooth 5. Ces piles sont connues sous le nom de SoftDevices, et le nRF52840 est pris en charge par le S140 SoftDevice, une pile de protocoles BLE pré-qualifiée Bluetooth 5.

Figure 3 : La carte de développement nRF52 de Nordic Semiconductor permet d'évaluer les derniers dispositifs Bluetooth 5.

De nombreux dispositifs Bluetooth 4.2 existants ont été conçus en prévision de la nouvelle génération, et l'élément Bluetooth d'un système sur puce pour l'Internet des objets peut représenter une partie vraiment infime de la conception de la puce. Par exemple, dans la solution CYBL11573 de Cypress Semiconductor, la majorité de la puce est dédiée au traitement périphérique, comme illustré dans la Figure 4.

Figure 4 : La majorité du CYBL11573 de Cypress Semiconductor est dédiée à la gestion des capteurs nécessaires aux applications IoT.

Le sous-système BLE du système sur puce comprend un moteur de couche de liaison et une couche physique. Le moteur de couche de liaison prend en charge les rôles maître et esclave, et met en œuvre des fonctionnalités à contraintes temporelles comme le cryptage du matériel afin de limiter la consommation énergétique. Il fournit également une intervention minimale du processeur et de hautes performances. Les principaux éléments de protocole, comme l'interface de contrôle hôte (HCI) et le contrôle de liaison, sont mis en œuvre dans le micrologiciel. Ce sont les éléments qui changent dans l'implémentation Bluetooth 5.

La couche physique est également modifiée pour prendre en charge le débit de données supérieur de 2 Mbps. La modulation GFSK est déjà utilisée pour convertir le signal numérique de la bande de base des paquets BLE en une fréquence radio avant de les transmettre sans fil via une antenne. En ce qui concerne la réception, le bloc convertit un signal RF d'antenne en un flux binaire numérique après avoir réalisé une démodulation GFSK. L'émetteur-récepteur RF contient un symétriseur intégré qui fournit une broche de port RF à sortie asymétrique pour commander une borne d'antenne de 50 Ω par le biais d'un réseau d'adaptation d'impédance. La puissance de sortie est programmable de -18 dBm à +3 dBm pour optimiser la consommation de courant des différentes applications.

De même, la gamme EFR32MG de contrôleurs Bluetooth de Silicon Labs peut être mise à niveau vers Bluetooth 5. La gamme actuelle utilise un cœur ARM Cortex-M4 de 40 MHz avec une mémoire évolutive et des options de configuration radio utilisant des boîtiers QFN compatibles. Comme les autres mises en œuvre IoT, le système PRS (Peripheral Reflex System) à 12 canaux permet la gestion autonome des périphériques, tandis que le symétriseur de 2,4 GHz et l'amplificateur de puissance intégrés fournissent jusqu'à 19,5 dBm de puissance de transmission.

Conclusion

Avec le lancement de la technologie Bluetooth 5 début 2017, les développeurs de puce adoptent plusieurs approches pour fournir les fonctionnalités nécessaires dans des systèmes sur puce dédiés à l'Internet des objets. L'utilisation des IP physiques et logiciels de différents fournisseurs comme RivieraWaves ou Mindtree peut permettre à un développeur de se concentrer sur la gestion des périphériques supplémentaires et de l'alimentation de la puce en limitant les risques. D'autres tentent d'intégrer la fonctionnalité Bluetooth 5 dans leur conception de système sur puce pour ajouter des fonctions supplémentaires ou pour réduire la taille de la puce.

Les deux approches offrent aux concepteurs de nœuds IoT de nouvelles opportunités. Grâce à la consommation énergétique réduite, à la portée plus étendue et aux débits de données supérieurs de la technologie Bluetooth 5, les développeurs de systèmes embarqués peuvent ajouter en toute simplicité une connectivité sans fil plus sophistiquée dans leurs dispositifs IoT.