Le Bluetooth passe en mode ultrabasse consommation

Il n'existe plus guère de téléphones portables n'intégrant pas un émetteur-récepteur Bluetooth® pour la connexion à un casque sans fil. La plupart des nouveaux ordinateurs intègrent des puces Bluetooth dans le même but, pour vous permettre de continuer à utiliser le clavier tout en parlant ou en écoutant. De nombreuses voitures, sinon la plupart, disposent du Bluetooth pour vous permettre de téléphoner tout en conduisant. Cependant, il existe de nombreuses applications pour lesquelles la technologie Bluetooth n'est pas appropriée, ou en tout cas ne l'était pas jusqu'à maintenant.

Le Bluetooth est un protocole orienté connexion conçu pour gérer le flux continu de données à vitesses relativement élevées, ce qui en fait une solution parfaitement adaptée pour la connexion de casques sans fil à des téléphones portables. Tout en essayant de conserver les spécifications de basse consommation, la plupart des changements apportés au Bluetooth se sont portés sur l'augmentation du débit de données. Le débit de base (BR) permet des connexions synchrones et asynchrones jusqu'à 720 Kbps. Bluetooth version 2.0 (2004) a permis l'ajout d'un débit de données étendu (EDR) de 3 Mbps (en pratique plutôt 2,1 Mbps). Bluetooth 3.0 (2009) ajoute la capacité de données haute vitesse (HS) jusqu'à 24 Mbps en utilisant une couche MAC/PHY alternative (AMP) qui communique sur une liaison 802.11 colocalisée. Malgré les efforts techniques, la quête d'une vitesse plus élevée a résulté en une consommation énergétique supérieure.

Bluetooth Low Energy, en contraste, a été conçu dès le départ pour être un protocole ultrabasse consommation (ULP) afin de convenir aux dispositifs sans fil à courte portée devant fonctionner pendant des mois voire des années à partir d'une simple pile bouton. Introduite dans la version Bluetooth 4.0 (2010), Bluetooth Low Energy utilise une simple pile qui permet la communication asynchrone avec des dispositifs basse consommation, tels que les capteurs sans fil envoyant de faibles volumes de données à intervalles occasionnels. Les connexions peuvent être établies rapidement et interrompues dès que le transfert de données est terminé, réduisant ainsi la consommation énergétique.

La spécification principale Bluetooth version 4.0 inclut les spécifications complètes pour Classic Bluetooth, Bluetooth HS et Bluetooth Low Energy. Même si Bluetooth Low Energy est entièrement nouveau, les concepteurs sont conscients des avantages à maintenir la rétrocompatibilité avec les plus de deux milliards de dispositifs Bluetooth déjà en circulation. Pour résoudre ce problème sans compromettre la conception de Bluetooth Low Energy, la version 4.0 présente deux types de dispositifs :

• Puces mode double pouvant communiquer avec les dispositifs Classic Bluetooth et puces mode simple dans les dispositifs ultrabasse consommation.
• Puces mode simple exécutant la pile de protocoles Bluetooth Low Energy. Elles peuvent communiquer avec d'autres puces mode simple ou avec des puces mode double utilisant la partie Bluetooth Low Energy de leur architecture.

Les puces mode double, juste commercialisées, offriront dorénavant une fonctionnalité Bluetooth dans tous les téléphones portables, les ordinateurs et les voitures. Elles peuvent communiquer avec des dispositifs Bluetooth hérités ainsi qu'avec les nouveaux dispositifs basse consommation Bluetooth Low Energy dans de nombreuses applications médicales, industrielles et grand public, et ce, à faible coût supplémentaire.

Les annonces sont bénéfiques

Les radios Bluetooth Low Energy fonctionnent dans la bande ISM 2,4 GHz, avec des sauts de fréquence sur 40 canaux en utilisant la modulation GFSK pour atteindre un débit de données de 1 Mbps. Bluetooth Low Energy utilise deux schémas d'accès aux données : accès multiple par répartition en fréquence (FDMA) et accès multiple par répartition dans le temps (TDMA).

Dans le schéma FDMA, les radios LE effectuent des sauts entre 40 canaux physiques séparés par 2 MHz, dont 3 sont utilisés en tant que canaux d'annonce et 37 pour les canaux de données. Dans le schéma TDMA, un dispositif transmet un paquet à un moment prédéterminé et le dispositif de balayage répond avec un autre paquet après un intervalle prédéterminé. Les données sont transmises entre les dispositifs Bluetooth Low Energy durant deux unités temporelles appelées événements : événements d'annonce (voir Figure 1) et événements de connexion (voir Figure 2).

Les canaux d'annonce permettent la détection des dispositifs situés à proximité. Un annonceur envoie des paquets indiquant qu'il a des données à communiquer. Un dispositif de balayage peut ensuite demander au dispositif d'annonce d'envoyer un autre paquet d'annonce, activant la communication sur ce canal d'annonce seulement, ou plus souvent, il exigera la configuration d'une liaison de communication bidirectionnelle.

Lorsqu'une connexion est demandée, ces mêmes canaux d'annonce servent à connecter les dispositifs, qui utiliseront ensuite les canaux de données pour la communication. Lors de la connexion, le dispositif initiateur définit le canal et le moment de l'échange de données, ayant estimé la latence des communications avec le dispositif esclave ou d'annonce, qui peut ensuite demander un changement de ces paramètres afin d'optimiser la consommation énergétique.

Une fois la connexion établie, le scanneur devient un dispositif maître et l'annonceur devient un dispositif esclave. Le saut de fréquences est initié, et des paquets de données sont échangés durant les événements de connexion sur chaque fréquence. La maître initie chaque événement de connexion, même si soit le maître soit l'esclave peuvent mettre fin à la communications à tout moment.

Économies d'énergie

L'une des manières dont Bluetooth Low Energy parvient à réduire la consommation d'énergie est d'activer la radio pour de brèves périodes seulement. Les radios Bluetooth Low Energy doivent seulement balayer trois canaux d'annonce pour rechercher d'autres dispositifs, ce qu'elles peuvent faire en 0,6 à 1,2 ms, tandis que les radios Classic Bluetooth doivent balayer 32 canaux en permanence, ce qui nécessite 22,5 ms à chaque fois. Cette simple astuce permet aux dispositifs LE de consommer 10 à 20 fois moins d'énergie que les dispositifs Classic Bluetooth.

Tout comme Classic Bluetooth, Bluetooth Low Energy utilise un saut de fréquences adaptatif pour réduire les interférences avec les radios colocalisées. Cependant, Bluetooth Low Energy utilise trois canaux d'annonce fixes qui ne sont pas protégés contre les interférences. Ces canaux ont toutefois été choisis car en une seule instance (2402 GHz, canal 37) il y a seulement un conflit occasionnel avec le Wi-Fi (canal 1), et par conception, il n'y a aucun conflit avec les données Bluetooth Low Energy.

Avec une bande passante de données de 1 Mbps, un émetteur-récepteur Bluetooth Low Energy sera actif 1/8 du temps qu'un nœud ZigBee®, fonctionnant sur la même bande 2,4 GHz, requiert pour transmettre les mêmes données, résultant en une autonomie batterie multipliée par 8 rien qu'en raison du débit de données.

Les dispositifs Bluetooth Low Energy peuvent rechercher d'autres dispositifs, se connecter, envoyer des données, confirmer réception, et interrompre la liaison en 3 ms. Les dispositifs Classic Bluetooth ont besoin de centaines de millisecondes pour accomplir la même série de tâches, exigeant deux ordres de grandeur d'énergie en plus dans le processus.

Les paquets Bluetooth Low Energy sont également beaucoup plus courts que ceux utilisés par Classic Bluetooth, permettant une autonomie étendue des batteries.

Enfin, le schéma de modulation de Bluetooth Low Energy contribue à offrir un profil basse consommation et une meilleure robustesse. Classic Bluetooth et Bluetooth Low Energy utilisent la modulation GFSK. Toutefois, Classic Bluetooth utilise un indice de modulation de 0,35, tandis que l'indice de modulation pour Bluetooth Low Energy est défini entre 0,45 et 0,55, proche du niveau de modulation GMSK. Cela permet un rendement spectral supérieur et une robustesse améliorée par rapport à Classic Bluetooth, mais présente un risque d'interférence intersymbole (ISI) légèrement supérieure. La faible augmentation d'énergie requise par l'indice de modulation plus élevé est plus que compensée par les techniques de sauvegarde d'énergie précédemment décrites. Le Tableau 1 répertorie les différences entre Classic Bluetooth et Bluetooth Low Energy.

Spécifications techniques	Classic Bluetooth	Bluetooth Low Energy
Distance/Portée	100 m (330 ft)	50 m (160 ft)
Débit de données par liaison radio	1-3 Mb/s	1 Mb/s
Débit de l'application	0,7-2,1 Mb/s	0,26 Mb/s
Esclaves actifs	7	Non défini ; dépendant de l'implémentation
Sécurité	64/128 bits et couche d'application définie par l'utilisateur	AES 128 bits avec mode compteur CBC-MAC et couche d'application définie par l'utilisateur
Robustesse	Sauts de fréquences rapides adaptatifs, FEC, Fast ACK	Saut de fréquence adaptatif, reconnaissance d'inactivité, CRC 24 bits, vérification d'intégrité de message 32 bits
Latence (depuis un état non connecté)	Typiquement 100 ms	6 ms
Durée total d'envoi de données (dét. autonomie batterie)	100 ms	6 ms
Fonction voix	Oui	Non
Topologie réseau	Scatternet	Star-bus
Consommation énergétique	1 comme référence	0,01 à 0,5 (selon le cas d'utilisation)
Consommation de courant de crête	<30 mA	<20 mA (max 15 mA pour fonctionnement sur pile bouton)
Détection de service	Oui	Oui
Concept de profil	Oui	Oui
Cas d'utilisation principaux	Téléphones portables, jeux, casques d'écoute, streaming audio stéréo, automobile, ordinateurs, sécurité, proximité, soins de santé, sports et fitness, etc.	Téléphones portables, jeux, ordinateurs, montres, sports et fitness, soins de santé, sécurité et proximité, automobile, électronique grand public, automatisation, industrie, etc.

Architecture de piles

Un émetteur-récepteur en mode simple Bluetooth Low Energy, lorsqu'il fonctionne à plein régime, n'est curieusement pas plus écoénergétique qu'un émetteur-récepteur Classic Bluetooth (20 mA contre 30 mA). Les économies d'énergie proviennent principalement de l'architecture de piles, qui permet diverses techniques d'économies des batteries.

La pile de protocoles Bluetooth Low Energy (voir Figure 3) consiste en un contrôleur et un hôte. Les diverses parties de la pile sont les suivantes :

• La couche physique (PHY) envoie et reçoit des paquets sur le canal physique, dans ce cas des paquets GFSK à 1 Mbps sur la bande ISM 2,4 GHz.
• La couche de liaison (LL) contrôle le statut RF de l'émetteur-récepteur, déterminant quand il annonce, balaie, initie, est connecté ou en veille.
• L'interface de contrôleur hôte (HCI) traite toutes les communications entre l'hôte te le contrôleur, généralement via SPI, USB ou UART.
• Le protocole L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) offre des services d'encapsulation des données pour les couches supérieures. Il permet la gestion du trafic, contrôlant l'ordre de soumission de l'unité de données de protocoles à la bande de base, et garantissant l'accès QoS au canal physique.
• Le protocole d'attributs (ATT) permet à un dispositif de révéler certains de ses attributs à un autre dispositif. Le bloc ATT établit une communication pair-à-pair entre un client et un serveur d'attributs pour permettre l'échange ces informations sur un canal L2CAP dédié.
• Le gestionnaire de sécurité (SM) génère, gère et stocke les clés d'identité et de chiffrement pour permettre à deux dispositifs de communiquer de manière sécurisée sur un canal L2CAP dédié. Bluetooth Low Energy utilise le chiffrement AES 128 bits avec mode compteur CBC-MAC et une couche d'application définie par l'utilisateur.
• Le profil d'attribut générique (GATT) définit les sous-procédures pour l'utilisation d'ATT et spécifie la structure des profils Bluetooth. Toutes les communications entre les dispositifs Bluetooth sont gérées via des sous-procédures GATT.
• Le bloc de profils d'accès génériques (GAP) fournit une interface entre l'application et les profils Bluetooth, et gère la détection de dispositifs, la connexion et les services, y compris les procédures de sécurité.

Les dispositifs et les applications Bluetooth communiquent entre eux via un ensemble de procédures très structuré appelé profils. Les profils peuvent être assez simples, comme des profils pour une connexion à des dispositifs IrDA ou la configuration de liaisons sécurisées, ou ils peuvent être regroupés pour des applications de haut niveau. Par exemple, il existe des protocoles Bluetooth Low Energy pour surveiller la pression artérielle (BLS), la fréquence cardiaque (HRS) et la température (HTP) d'un patient. Ensemble, ils constituent un groupe de profils médicaux. Le groupe Bluetooth SIG travaille actuellement à définir des profils pour les applications industrielles, grand public et de soins de santé, pour lesquelles il prévoit un développement rapide des dispositifs Bluetooth Low Energy.

Puces Bluetooth Low Energy

C'est seulement depuis fin 2011 que les puces Bluetooth Low Energy commencent à faire leur apparition sur le marché. Texas Instruments est l'un des premiers fabricants à s'être lancé avec son système sur puce Bluetooth CC2540. Le CC2540 est une puce monomode intégrant un microcontrôleur 8051, 8 Ko de mémoire RAM, 128-256 Ko de mémoire Flash, un émetteur-récepteur RF, une pile de protocoles mode simple, un logiciel de profils embarqué et un large éventail de périphériques. Le CC2540 peut fonctionner en mode maître ou esclave, et ne consomme que 15,8 mA à 3 V en mode de réception et 18,6 mA en mode de transmission (-6 dBm).

Pour les développeurs, TI propose le kit de développement CC2540DK-MINI pour CC2540. Ce kit contient une clé USB CC2540, un boîtier plastique et une carte CC2540, un débogueur CC avec câbles, un câble mini USB, une batterie CR2032 et la documentation relative au kit. En utilisant le programme d'application BTool fourni et le profil Simple Keys GATT, vous pouvez établir une connexion entre la clé et la carte puis expérimenter différentes fonctionnalités de sécurité et autres. TI fournit le code source d'exemple que vous pourrez compiler pour un capteur de pression artérielle, un capteur de fréquence cardiaque et un thermomètre médical. Téléchargez le CC2540 utilisant le programmateur Flash SmartRF et le débogueur CC, puis exécutez-le sur la clé.

BlueRadios, Inc., offre le kit d'évaluation BR-EVAL-LE4.0-S2A également basé sur le CC2540. Le kit offre un dispositif BLE prêt à l'emploi avec commandes de type modem AT simples, et pile et profils Bluetooth embarqués (GAP, GATT, ATT, SMP, L2CAP et BATT). Ce dispositif peut être configuré, commandé et contrôlé par le biais de chaînes ASCII simples sur la liaison RF ou grâce à une connexion matérielle série via UART, SPI ou USB.

Le dispositif ENW-89820A1KF de Panasonic est un module monomode Bluetooth Low Energy destiné aux téléphones portables, aux PDA et aux ordinateurs portables. Il intègre un microcontrôleur 8051, jusqu'à 256 Kbits de mémoire Flash, 8 Kbits de mémoire RAM, un coprocesseur de sécurité AES, un circuit de génération IR, une interface USB 2.0, et une pile logicielle Bluetooth Low Energy complète. Le PAN1720-Module est conçu dans un boîtier CMS très compact de 15,6 mm x 8,7 mm x 1,9 mm blindé.

CSR a plusieurs puces Bluetooth Low Energy en production, y compris le dispositif CSR1000A04-IQQM-R. La plateforme µEnergy™ de CSR fournit tout ce dont vous avez besoin pour créer un produit Bluetooth Low Energy avec RF, bande de base, microcontrôleur, pile Bluetooth v4.0 qualifiée, et application client fonctionnant sur une seule puce. La plateforme µEnergy de CSR est disponible en deux variantes. La puce CSR1001 est optimisée pour les claviers et les télécommandes avec matériel dédié pour balayage clavier. Le CSR1000 affiche un boîtier compact pour les produits de fitness, les montres, les souris et autres capteurs.

Est-ce tout ?

Le marché sans fil courte portée est à la fois dense et fragmenté, car il n'existe aucune solution unique répondant à toutes les conditions requises. La plupart de ces protocoles sont conçus sur la norme IEEE 802.15.4, qui définit uniquement les couches PHY et MAC. Chaque protocole définit la couche réseau différemment selon les besoins. ZigBee constitue probablement la variante 802.15.4 la plus utilisée, mais 6LoWPAN et WirelessHART™ font leur chemin, de même que des protocoles propriétaires tels que Z-Wave®, MiWi™, SimpliciTI™ et ANT™. Où et comment Bluetooth Low Energy s'intègre-t-il ?

Chaque autre protocole standardisé mentionne juste avoir trouvé un créneau pour lequel il est adapté : 6LoWPAN pour connectivité Internet et WirelessHART pour réseaux maillés capables d'auto-rétablissement. Ce ne sont pas des cibles pour Bluetooth Low Energy. Le protocole ZigBee RF4CE™ s'adresse aux mêmes applications que Bluetooth Low Energy, mais comme il s'agit d'un protocole plus complexe, il est mieux adapté aux réseaux, Bluetooth Low Energy ne pouvant fonctionner qu'en configuration en étoile. Mais comme il présente une consommation considérablement plus élevée, il ne convient pas aussi bien aux applications ultrabasse consommation telles que les capteurs médicaux, ni aux applications industrielles et militaires exigeant une durée de vie aussi étendue que possible.

Dans le secteur grand public, ANT est largement utilisé dans les moniteurs de fréquence cardiaque pour les joggers et dans d'autres applications de réseau corporel (BAN). Tout comme Bluetooth Low Energy, ANT est également un protocole ultrabasse consommation destiné aux applications à faible débit de données. ANT pourrait constituer un concurrent sérieux, mais Bluetooth Low Energy affiche un énorme avantage, à savoir sa compatibilité avec plus de deux milliards de dispositifs équipés et un haut degré d'acceptation dans la communauté grand public. Le fait que les principaux fournisseurs de puces ANT, Texas Instruments et Nordic Semiconductor, soutiennent Bluetooth Low Energy dissipent tout doute quant au fait qu'il remplacera bientôt ANT et les solutions propriétaires pour devenir le protocole dominant dans les dispositifs sans fil basse consommation.

Références :

1. Site Web dédié à la technologie Bluetooth
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. Bluetooth Low Energy – Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. Bluetooth Low Energy – DigiKey