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FEBBRAIO 2018
FIELDBUS & NETWORKS
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Nato come progetto interno di Ericsson nel 1994, che cercava un so-
stituto delle comunicazioni ottiche (Irda) per l’interconnessione degli
accessori e un cellulare, si impose successivamente come soluzione
di riferimento per le comunicazioni radio a corto raggio, con la fonda-
zione nel 1997 di SIG (Special Interest Group), gruppo che ancora oggi
ne gestisce le specifiche e l’interoperabilità tra prodotti di costruttori
differenti.
L’ultima versione ufficiale dello standard è la 5, che include le specifiche
della variante cosiddetta BLE, o Low Energy, ufficialmente rilascia il 7
dicembre 2016, tesa a migliorare sia le prestazioni sia la copertura.
Secondo stime recenti, Bluetooth verrà utilizzato nel 60%di tutti i dispo-
sitivi wireless entro il 2021, con BLE che si dovrebbe attestare invece
a un 16% del totale.
Incremento delle prestazioni
In particolare, per quanto riguarda la variante BLE una delle principali
nuove funzionalità è costituito dal livello fisico (PHY, comunque opzionale)
con data rate in aria pari a 2 Mbps. Infatti, mentre i dispositivi Bluetooth
4.x supportano il solo data rate a 1Mbps, i dispositivi Bluetooth 5 sono in
grado di gestire entrambi, garantendo quindi la retro-compatibilità con le
versioni precedenti. Oltre a migliorare la coesistenza, grazie a una durata
minore del messaggio in aria e quindi a una ridotta probabilità di colli-
sione, anche il consumo medio di corrente risulta essere inferiore, poiché
è possibile dedicare più tempo alle modalità di sospensione a basso con-
sumo. Come mostrato in
Tabella 1,
tuttavia, il range è ridotto data la mi-
nore ‘robustezza’ della modulazione adottata.
Da un punto di vista applicativo, i vantaggi sono da ricercarsi in trasferi-
menti di dati bulk più veloci, per esempio per gli aggiornamenti OTA (Over-
The-Air) o la trasmissione di log di telemetria per un sensore wireless;
ovviamente, anche la latenza e la reattività, fondamentali per applicazioni
quali quelle medicali o i sistemi di sicurezza, ne traggono beneficio.
Range aumentato
La caratteristica forse più rilevante in ambito IoT offerta resta però la
funzionalità LE (Long Range), che rende Bluetooth 5 un possibile concor-
rente delle soluzioni Lpwan (Low power area network), che annoverano
tecnologie come LoRaWAN e SigFox.
Quando è possibile sacrificare il data rate, Bluetooth 5 rende disponibili
due ulteriori PHY opzionali, denominati ‘LE coded PHY’. In questo caso,
alla modulazione standard utilizzata per la trasmissione a 1 Mbps, che
continua a valere per il preambolo e l’indirizzo di accesso, si aggiunge
un’ulteriore codifica che mappa ogni bit del messaggio-utente con ‘S=2
bit’ o ‘S=8 bit’ in aria, ottenendo quindi un data rate effettivo pari a 500
kbps (S=2) o 125 kbps (S=8). Il formato del messaggio è stato modifi-
cato di conseguenza, aggiungendo un indicatore di codifica (CI), oltre ai
campi Term1 e Term2 (si veda la
Figura 2
).
L’uso della codifica, che crea quindi dei simboli più robusti per la rap-
presentazione dei dati-utente, migliora implicitamente la sensibilità del
ricevitore, da cui deriva un aumento della portata, come detto prece-
dentemente.
È possibile quantificare in 4 o 6 dB il
processing gain
equivalente, che
corrisponde in un’estensione della distanza coperta di un fattore due (a
500 kbps) o quattro (a 125 kbps), come mostrato in
Tabella 2.
Il prezzo
da pagare, oltre all’ovvia maggiore durata dei messaggi a parità di pay-
load, è l’aumento del consumo medio di energia.
In
Figura 3
si vede l’effettiva catena di elaborazione dei messaggi: qui si
vede l’origine della riduzione del data rate. Infatti, viene innanzitutto ap-
plicato un meccanismo di correzione degli errori (FEC), per ridurre ulterior-
mente il
bit error rate
effettivo.
Il blocco FEC converte ciascun bit di ingresso in due bit ‘b0’ e ‘b1’ di uscita
tramite un encoder di correzione dell’errore convoluzionale, il che significa
che il numero di bit trasmessi viene duplicato.
I polinomi utilizzati dall’encoder convoluzionale sono:
Successivamente, un
patternmapper
viene applicato al pacchetto; questo
converte l’uscita del codificatore FEC convoluzionale nei simboli a ‘P bit’
mostrati in
Tabella 3
, dalla quale si evince che con S=2 il valore di P=1 non
altera il numero di bit in uscita, ma se S=8 ogni bit in ingresso all’encoder
FEC fornisce quattro bit di uscita (P=4). Pertanto, l’effetto netto dell’enco-
der FEC e del
pattern mapping
è che 1 bit diventa 2 bit con S=2 e 8 bit con
S=8.
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