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Alla scoperta delle nuove funzionalità di Bluetooth 5.3

La versione 5.3 di Bluetooth presentata il 13 luglio di quest’anno introduce piccoli ma significativi miglioramenti al protocollo wireless utilizzato in più di 13 miliardi di dispositivi.

Negli ultimi anni, il Bluetooth SIG (Special Interest Group) ha dedicato notevoli sforzi al miglioramento delle specifiche Low Energy per andare ben oltre ciò per cui il protocollo è stato originariamente progettato. Dalla sua introduzione in Bluetooth 4.0 nel 2009, la modalità operativa Low Energy (LE) si è focalizzata sui dispositivi IoT a bassa potenza  alimentati a batteria. I produttori lo hanno utilizzato per tutti i tipi di dispositivi, ma l’impulso principale proviene dal mercato dei dispositivi indossabili e dalla connessione all’onnipresente smartphone.

Nel 2016, Bluetooth LE ha ottenuto il suo aggiornamento probabilmente più importante con il rilascio della specifica 5.0. Le carenze di Bluetooth LE rispetto al suo “fratello maggiore” Bluetooth Classic (chiamato anche BR/EDR) nel dominio del throughput dei dati sono state affrontate con due nuove funzionalità: la modalità PHY ad alta velocità che fornisce fino a 2 Mbps (il doppio dell’originale Bluetooth LE PHY ) e la modalità di pubblicità estesa che consente di inserire più byte di dati in un singolo pacchetto pubblicitario. Inoltre, i casi d’uso emergenti nelle applicazioni industriali e per la casa intelligente hanno reso necessario il collegamento tra dispositivi molto più distanti rispetto al solito scenario indossabile. Per questa esigenza, il SIG ha aggiunto il Coded PHY che utilizza codici di correzione degli errori per consentire intervalli di trasmissione più lunghi con il compromesso di una velocità inferiore. In parallelo, il SIG ha anche lavorato sulla rete Mesh. Sebbene non faccia parte delle specifiche Bluetooth di base, Mesh è diventato uno dei principali driver per l’adozione di Bluetooth LE nelle applicazioni per la casa intelligente.

Le successive due versioni delle specifiche di base Bluetooth hanno rivolto la loro attenzione a casi d’uso particolari anziché a miglioramenti delle prestazioni più generali. Bluetooth 5.1, rilasciato nel 2019, ha aggiunto la funzionalità di ricerca della direzione alle specifiche Low Energy. Poter calcolare l’Angolo di Arrivo (AoA) di un pacchetto ricevuto – o fornire l’Angolo di Partenza (AoD) nel pacchetto – consente ai dispositivi di identificare meglio dove si trova il partner di comunicazione, abilitando così nuove applicazioni per Bluetooth LE come la navigazione o il monitoraggio. Nel gennaio 2020, Bluetooth SIG ha rilasciato la specifica 5.2 con la principale nuova funzionalità di Isochronous Channels. Dietro questo termine tecnico c’è l’idea di trasmissione audio stereo su un collegamento Bluetooth LE.

Il 13 luglio 2021, Bluetooth SIG ha annunciato il suo ultimo aggiornamento delle specifiche di base, la versione 5.3. Rispetto alle versioni precedenti, questa sembra essere più un’evoluzione che una rivoluzione. Tuttavia, i miglioramenti inclusi sono elementi costitutivi molto importanti per migliorare le prestazioni del dispositivo, tra cui:

  • Connection Subrating, sottoclasse di connessione
  • Miglioramenti al controllo della dimensione della chiave di crittografia
  • Miglioramento del processo di Periodic Advertising
  • Miglioramento della classificazione dei canali

Connection Subrating, sottoclasse di connessione

Alcuni tipi di prodotti trascorrono gran parte del loro tempo in una connessione a basso ciclo di lavoro in modo da risparmiare energia. Ma quando è necessaria una maggiore larghezza di banda per supportare un particolare caso d’uso dell’applicazione, i parametri di connessione devono essere modificati il più rapidamente possibile. Connection Subrating consente di eseguire gli aggiornamenti dei parametri di connessione con un ritardo minimo, offrendo una migliore esperienza utente ma, allo stesso tempo, mantenendo le proprietà di risparmio energetico delle connessioni a basso ciclo di lavoro.

Per comprendere meglio di cosa stiamo parlando, prendiamo ad esempio il funzionamento di un dispositivo medicale per il controllo del livello glicemico nel sangue dotato di connessione Bluetooth con un dispositivo host o con lo smartphone.

Durante il normale periodo di monitoraggio, il dispositivo lavora a bassa potenza senza trasmettere dati ad alta velocità ovvero il circuito mantiene una modalità di ciclo di lavoro basso per massimizzare la durata della batteria. Quando è necessario inviare un burst di dati al dispositivo centrale, ad esempio per segnalare il superamento di un livello critico, il dispositivo deve prima passare in una modalità di ciclo di lavoro più alto. Questa transizione può richiedere molto tempo in funzione di come è stata implementata la procedura di aggiornamento della connessione.

Funzionalità avanzata di aggiornamento della connessione in Bluetooth 5.3. (Fonte: Silabs)

La funzionalità Connection Subrating in Bluetooth 5.3 implementa una procedura di transizione più efficiente per ridurre; in questo modo la connessione commuta tra le modalità di ciclo di lavoro basso e alto più velocemente e gestisce le velocità del pacchetto dati e il traffico in modo più efficiente.

Nei dispositivi medici intelligenti i tempi di transizione più rapidi possono migliorare significativamente la funzionalità del dispositivo, l’esperienza dell’utente e la sicurezza. Con il Connection Subrating, dopo la trasmissione del pacchetto di dati, anche il ritorno nella modalità a ciclo di lavoro basso avviene più velocemente, per prolungare ulteriormente la durata della batteria.

Controllo della dimensione della chiave di crittografia

La sicurezza sta diventando sempre più un requisito fondamentale nelle connessioni wireless, in particolare nei dispositivi per il controllo accessi, in quelli medicali, e nei sistemi di illuminazione. La versione Bluetooth 5.3 risponde a queste esigenze migliorando il controllo della chiave di crittografia tra l’host e il controller per proteggere i dispositivi e le applicazioni IoT da accessi fraudolenti.

I nuovi miglioramenti del controllo della chiave di crittografia da host a controller consentono all’host di impostare una lunghezza minima della chiave di crittografia che il controller può accettare. L’host è più sensibile all’applicazione e quindi è nella posizione migliore per decidere la lunghezza della chiave in base ai requisiti di sicurezza dell’applicazione. La nuova versione dello standard Bluetooth consente di controllare la dimensione della chiave di crittografia tramite lo stack, fornendo agli sviluppatori una maggiore flessibilità per soddisfare le varie esigenze applicative utilizzando la connessione da host a controller. Vengono evitate interazioni multiple tra stack host e livello di collegamento, mentre riconnessioni più rapide possono supportare casi d’uso sensibili al ritardo come nelle interfacce uomo-macchina (HMI). 

Miglioramento al processo di Periodic Advertising

La trasmissione automatica di più pacchetti contenenti gli stessi dati è una tecnica efficace per aumentare l’affidabilità nella comunicazione broadcast wireless. I dispositivi Bluetooth spesso trasmettono più copie degli stessi dati in rapida successione per aumentare la probabilità che i dati vengano ricevuti. Questa pratica significa tuttavia che un dispositivo riceverà spesso dati che ha già ricevuto ed elaborato con successo.

La funzione Bluetooth 5.3 AdvDataInfo nel Periodic Advertising.

Consentendo ai dispositivi trasmittenti di includere il campo AdvDataInfo nei pacchetti inviati tramite Periodic Advertising, i dispositivi riceventi possono ora riconoscere quando ricevono un pacchetto contenente dati che hanno già elaborato con successo e scegliere di scartarlo immediatamente nel controller anziché passarlo all’host. Prima un dispositivo ricevente è in grado di identificare e scartare i pacchetti contenenti dati ridondanti, meno energia impiega per elaborare quei pacchetti e più tempo può dedicare alla scansione di altri canali.

Il campo AdvDataInfo (ADI) nell’intestazione del pacchetto indica se i dati del carico utile sono stati modificati in uno dei pacchetti periodici. Nel caso in cui non ci siano modifiche, il nodo può eliminare i pacchetti successivi nella catena e utilizzare il tempo per elaborare altre transazioni di ricezione.

L’ADI nel Periodic Advertising aumenta l’efficienza complessiva della rete Bluetooth, consente di risparmiare capacità di elaborazione sui nodi, riduce il consumo energetico del nodo e offre più tempo per la scansione nei canali primari.

Miglioramenti alla classificazione dei canali

I dispositivi periferici Bluetooth Low Energy (LE) possono ora eseguire la classificazione dei canali e influenzare la mappa dei canali utilizzata per il salto di frequenza adattivo, aumentando l’affidabilità della connessione in determinate situazioni.

L’abilitazione dei dispositivi periferici Bluetooth LE per influenzare la mappa del canale di salto di frequenza adattivo (AFH) può migliorare il throughput e l’affidabilità delle connessioni in cui i dispositivi centrale e periferico non sono nelle immediate vicinanze.

Quando due dispositivi Bluetooth sono collegati, viene utilizzata una tecnica a spettro esteso chiamata salto di frequenza adattivo (AFH). La tecnologia Bluetooth divide la banda di frequenza a 2,4 GHz (ISM) in canali più piccoli e salta rapidamente tra quei canali durante la trasmissione dei pacchetti. I canali vengono scelti utilizzando un algoritmo di selezione dei canali e una tabella di dati denominata mappa dei canali che classifica ciascun canale come adatto all’uso o non adatto all’uso.

Classificazione dei canali in Bluetooth 5.3. (Fonte: Silabs)

Prima della versione 5.3 della specifica principale, la classificazione dei canali Bluetooth Low Energy veniva eseguita solo dal dispositivo centrale. Tuttavia, se due dispositivi collegati non sono molto vicini tra loro, le condizioni radio della periferica potrebbero differire da quelle sperimentate dalla centrale. Di conseguenza, quando la classificazione dei canali viene eseguita solo dal dispositivo centrale, è possibile che la mappa dei canali possa contenere canali classificati come utilizzati che non sono una scelta praticabile per la periferica remota. Ciò può aumentare la possibilità di collisioni di pacchetti e può ridurre il throughput.

La classificazione dei canali in Bluetooth LE può ora essere eseguita sia dal dispositivo periferico che dalla centrale. La periferica può riportare le sue classificazioni dei canali al dispositivo centrale in modo che anche queste possano essere prese in considerazione durante l’aggiornamento della mappa dei canali del dispositivo centrale. Il miglioramento della classificazione dei canali consente a entrambi i dispositivi di determinare quali canali funzionano bene e sono adatti all’uso, riducendo la probabilità di collisioni di pacchetti e aumentando il throughput e l’affidabilità.

Il miglioramento della classificazione dei canali può migliorare le prestazioni wireless complessive, specialmente quando i dispositivi trasmettono a +10 dBm poiché ETSI non consente la trasmissione oltre i +10 dBm sui canali con interferenze.

In conclusione possiamo affermare che la versione Bluetooth 5.3 introduce piccoli miglioramenti del protocollo che tuttavia possono fornire importanti miglioramenti sull’affidabilità wireless, sull’efficienza energetica e sull’esperienza utente, consentendo di creare applicazioni wireless sempre più innovative.