Unchaining BLE 

Schnelle Anwendungsentwicklung dank Transportlayer

Blue Tooth Low Energy (BLE) bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Funkprotokollen. Verglichen mit anderen Standards bietet BLE mit seiner doch recht kompakten Protokollspezifikation die perfekte Basis für batteriebetriebene Anwendungen, bei denen keine hohen Datenraten oder Streaming erforderlich ist.

Im Gegensatz zum Blue Tooth Classic (BR/EDR) werden Bursts kurzer Packete übermittelt. Die Kommunikation erfolgt in Zeitschlitzen mit parametrierbarer Periode. Nach jeder Übertragung wird die Verbindung aufgelöst und das Periperal (Wearable etc) wird in einen stromsparenden Sleep Mode versetzt. 

PCB with Texas Instruments CC2541 chip and antenna

 

 

Verführerische Spezifikation, harte HW Constraints

Ein Blick auf die Core Spezifikation 4.0 lässt die Entwicklerherzen höher schlagen. Mit einer Datenrate von 1Mbit/s (over the air) sollten sich doch allen gängigen Anforderungen gut abdecken lassen.

Wie so oft, zeigen sich in der Praxis eine Reihe von Limitationen: 

  • Sende- und Empfangsbuffer sind hinsichtlich Anzahl und Grösse begrenzt.

  • Die unterstützte Maximum Transmission Unit (MTU) ist limitert.

  • Es kann nur eine fixierte Anzahl Packete während einer Verbindung ausgetauscht werden.

  • Einige Hersteller mobiler Betriebssyteme lassen Connection Intervalle < 30ms nicht zu.

Je nach verwendeter Halbleiterlösung sind die Einschränkungen unterschiedlich. Am Beispiel des TI CC2541 Chips lässt sich die erreichbare Datenrate für ein Connection Intervall von 30ms leicht abschätzen:

Datenrate [B/s] = (1/Connection Interval[s]) * (MTU Size-3[B]) * Packetbuffer Count

Datenrate[B/s] = (1/0.030) * (23-3) * 4 = ~2'600 B/s

Die Berechnung gilt für eine unquittierte unidirektionale Kommunikation ohne Verwaltungsoverhead auf dem Application Layer.

 

Datenendpunkte - Fluch und Segen

Für einen einfachen Datenaustausch stellt das BLE Protikoll einen Client Server Mechanismus zur Verfügung. Ein sogenannter GATT Server erlaubt den Lese- oder Schreibzugriff des Clients auf vordefinierte Datenendpunkte. Damit sich ändernde Datenendpunkte, wie beispielsweise Sensordaten nicht laufend gepollt werden müssen, kann ein Datenendpunkt auch eine Notification versenden, wenn sich sein Inhalt verändert hat.

Die endpunktorientierte Kommunkation ist unvergleichlich einfach in der Handhabung und bewährt sich seit langem auch in anderen Protokollen wie z.B. CAN. Eher als unpraktisch in der Verwendung erweist sich dieses Kommunikationsmodell, wenn Transfers mit variabler Datenlänge gefordert werden. Hier ist der messageorienterte Ansatz mit variabler Meldungslänge vorteilhafter.

 

Transportlayer für flexible Meldungslängen

Ein zusätzlicher Transportlayer überwindet erwähnten Limitationen und erlaubt die zuverlässige flexible bidirektionale Kommunikation mit frei wählbarer Meldungslänge. Somit können Anwendungen für Datengateways, Bootloader, Remoteprozeduraufrufe schnell und unkompliziert realisiert werden. Auf der Ebene der Anwendungsentwicklung steht ein zuverlässiger bidirektionaler Datenkanal zur Verfügung. Sämtliche Kommunikationsaufgaben wie Packet Assembly/Disassembly, Packet Flow Control, etc. entfallen bzw. werden vom Transportlayer übernommen.

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