Bluetooth 4.0 moet zich nog bewijzen

26 oktober 2011

Dat Apple zijn Iphone 4S heeft uitgerust met Bluetooth 4.0, heeft tot veel speculatie geleid over de mogelijkheden van de nieuwste Bluetooth-versie. Jaap Haartsen, de man die aan de wieg stond van de originele standaard, ziet voor de meeste applicaties in ieder geval nog geen duidelijke voordelen.

Het aantal verkochte Bluetooth-apparaten neemt nog steeds snel toe. Het afgelopen jaar gingen er 1,2 miljard exemplaren over de toonbank en in 2013 zullen dat er zo’n twee miljard zijn, aldus marktvorser In-Stat. Bluetooth 4.0, waarvan de specificaties begin 2010 zijn vrijgegeven, zien de onderzoekers daarbij als een van de aanjagers achter de opgaande trend.

Op het eerste gezicht lijken er duidelijke verbeteringen te zijn in de 4.0-versie van Bluetooth. Belangrijke nieuwe eigenschap is het Bluetooth Low Energy-protocol (BLE). Hiermee is een verbinding energiezuiniger tot stand te brengen: BLE meet een piekstroom van twintig milliampère, tegen dertig milliampère voor het klassieke Bluetooth Basic Rate (BR). Ook kan BLE aanmerkelijk sneller een verbinding opzetten: in drie milliseconden is er contact, terwijl dat bij Bluetooth BR ongeveer een seconde duurt. De draagwijdte is vergelijkbaar, ongeveer tien meter.

BLE is niet achterwaarts compatibel met Bluetooth BR. Versie 4.0 kan echter wel in dual mode worden uitgevoerd. Een masterapparaat, bijvoorbeeld een smartphone, kan dan worden uitgerust met een chipset die BLE, Bluetooth BR en Bluetooth HS (High Speed) ondersteunt, terwijl eenvoudigere apparaten zoals sensoren enkel in single-mode BLE werken.

Advertentiefrequenties

Volgens Jaap Haartsen is BLE in veel opzichten gelijkwaardig aan het klassieke Bluetooth. Het is enkel de wijze van contact maken die duidelijk anders is. Als projectleider bij Ericsson stond Haartsen aan de wieg van de originele standaard en hoewel hij niet meer direct betrokken is bij de specificatie van de nieuwe versies, heeft hij als CTO van Tonalite, de doorstart van Sony Ericsson in Emmen, nog altijd veel met de techniek te maken (zie kader).

Bluetooth gebruikt frequency hopping om een verbinding te leggen. Daarbij is de 2,4-GHz-band onderverdeeld in 79 frequentiekanalen van 1 MHz. Bij een connectie maakt het radiosignaal steeds slechts korte tijd gebruik van één kanaal, zo’n 625 microseconden, om vervolgens te verspringen naar een ander. Het idee hierachter is dat het de kans verkleint op een botsing van twee signalen die hetzelfde kanaal willen gebruiken. Iedere verbinding volgt immers zijn eigen patroon en mogelijke interferentie is altijd maar van korte duur.

Bluetooth-‘uitvinder’ Jaap Haartsen is nog niet erg onder de indruk van de nieuwe mogelijkheden van de Low Energy-variant.

Wanneer een Bluetooth-apparaat nu een verbinding wil maken met een soortgenoot, zendt het over de hele frequentieband intensief radiosignalen uit, net zolang tot het het ontvangende apparaat heeft gevonden. Dit kan even duren (ongeveer een seconde), omdat de ontvanger de kanalen ‘beluistert’ met een zeer lage duty cycle, bijvoorbeeld tien milliseconden elke seconde. De zender moet dus betrekkelijk lang intensief signalen verzenden, waardoor een verbinding opzetten ook betrekkelijk veel stroom kost.

De Low Energy-variant legt de verbinding fundamenteel anders. Voor BLE zijn er drie startfrequenties gedefiniëerd. Apparaten die nog geen verbinding hebben, zenden op deze frequenties radiosignalen uit om hun aanwezigheid te adverteren. ‘Dat is het fundamentele verschil’, zegt Haartsen. ‘Bij Bluetooth ging ik ervan uit dat het apparaat enkel de frequentieband beluistert als je niets doet. Je wilt niet nodeloos signalen de lucht in sturen, daar krijg je enkel vervuiling van. BLE transmit daarentegen met een lage duty cycle en om een verbinding te maken, moet een apparaat de advertentiefrequenties beluisteren.’

Dit verkort de tijd om contact te leggen. Ook kost het opzetten van de verbinding minder stroom. Kanttekening is dat de energievoordelen van BLE minder spelen bij het vasthouden van een connectie. Ook is de verbinding minder robuust. Waar Bluetooth BR dus 79 kanalen gebruikt van 1 MHz breed, heeft BLE 39 kanalen van 2 MHz, waardoor er een grotere kans is op signaalbotsingen en dus een grotere kans op een verstoorde verbinding.

De nieuwe wijze waarop BLE contact maakt, is volgens Haartsen onder meer mogelijk geworden door versoepelde regelgeving voor de 2,4-GHz-frequentieband. In de beginjaren van Bluetooth diende een apparaat ook in slaapstand zo’n 75 kanalen te overspringen. Dat was een extra maatregel om vervuiling op de band te voorkomen. Omdat de industrie echter steeds meer wilde doen op 2,4 GHz, ging door veel regels een streep. ‘Toen we in 1994 met Bluetooth begonnen, had ik voor ogen dat er enkel spraak en data over een verbinding zouden gaan. In de loop der tijd zijn er allerlei nieuwe applicaties gekomen, waar ook weer extra kwaliteitseisen voor zijn opgesteld. Voor een kleine sensor die af en toe een paar bits verzendt, heeft het veel te veel voeten in de aarde om aan al die normen te voldoen.’

Bluetooth Sig

Haartsen is nog niet erg onder de indruk van de nieuwe mogelijkheden van Bluetooth Low Energy. ‘Voor sommige applicaties is BLE wellicht aantrekkelijk. Het excelleert in scenario’s waarbij de connectie er niet is en af en toe even moet worden opgezet. Zo is het handig wanneer een temperatuurmeter aan het raam constant signalen verzendt naar een willekeurige gebruiker die langs komt. Een hartsensor zendt daarentegen constant een signaal naar dezelfde gebruiker.’ Voor negentig procent van de applicaties zijn de voordelen nog niet duidelijk, stelt de Tonalite-CTO. Met BLE is bijvoorbeeld geen muziek te streamen.

Veel van de nieuwe mogelijkheden zijn ook gewoon te ondervangen met Bluetooth BR. Hiermee is het energieverbruik eveneens behoorlijk te drukken door de duty cycle laag af te stellen en de verbinding in stand te houden. Doordat Bluetooth BR al langer bestaat en de productievolumes hoog zijn, zijn de chipsets bovendien tegen betrekkelijk lage kosten te maken. De BLE-chips moeten echter nog in fabricage worden genomen en zijn vanwege de lage volumes relatief duur.

Een potentieel nadeel van BLE is dat het op het masterapparaat standaard in dual mode functioneert. Het is heel goed mogelijk dat door de asymmetrische werking van het systeem de master juist meer stroom moet verbruiken om de verbinding te leggen dan bij Bluetooth BR. Daarbij moet wel worden aangetekend dat de energieconsumptie voor Bluetooth sowieso niet erg hoog is in vergelijking met andere technieken. Het vasthouden van een Wifi-verbinding kost een apparaat gemiddeld veel meer stroom en is daarom veel meer een aandachtspunt.

Ten slotte zet Haartsen vraagtekens bij de grote opeenvolging van verschillende Bluetooth-standaarden. Behalve de basisvariant en de energiezuinige editie heeft de ontwikkelaarsgemeenschap verzameld in de Bluetooth Special Interest Group (Sig) inmiddels een uitvoering geïntroduceerd met een grotere datacapaciteit: Bluetooth EDR (Extended Data Rate) haalt drie megabit per seconde, waar Bluetooth BR niet verder komt dan 1 Mb/s. Ook is er een uitbreiding gekomen genaamd Alternate Mac/Phy (Amp), die het mogelijk maakt om een verbinding op te zetten met een Bluetooth-protocol en vervolgens voor de fysieke transmissie gebruik te maken van andere hardwarelagen, zoals Wifi en Ultrawideband.

Voor Haartsen is het allemaal wat veel van het goede. Volgens hem heeft de Bluetooth Sig de jaren na de oprichting in 1998 veel werk verzet, maar is de groep nu wel klaar: de specificaties zijn geformuleerd, de kwaliteitsnormen vastgesteld en de industrie zit om de tafel.

Bram Semeijn

Terug naar overzicht