Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten

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1 Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten Andreas Müller, Mirco Gysin, Andreas Rüst Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Institut für Embedded Systems Winterthur Kontakt:

2 Ablauf Vorstellung InES Motivation Erfahrungen Limitierung der Datenrate Anzahl gleichzeitiger Verbindungen Messresultate ipad 3 Nexus Erkenntnisse Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 2

3 Vorstellung InES Institute of Embedded Systems Core Competences FPGA-based systems for network communication Time synchronization and high availability Networks Real-Time-Ethernet, safe and dependable Systems Wireless Communication Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 3

4 Vorstellung InES Wireless Communication: Solutions for Energy-Efficient and Autonomous Embedded Systems Energy harvesting Power management Low-power technologies Mesh network topologies RFID sensor networks (RSN) Standard and proprietary wireless protocols Wireless IP connectivity Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 4

5 Motivation BLE MSR Data Logger Kabelloser Zugriff eröffnet neue Möglichkeiten source: MSR / Colourbox Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 5

6 Motivation Aufzeichnung von Aktivität Gesundheitsüberwachung von Menschen oder Tieren Auslesen der Daten, falls Logger in Reichweite der Basisstation Mittels Smartphone kann die korrekte Funktion der Sensoren überprüft werden Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 6

7 Erfahrungen Einige ausgewählte Fragen und Schwierigkeiten Limitierung der Datenrate BLE für niedrige Leistungsaufnahme konzipiert langsame Datenrate Datenrate kann sich je nach Master stark unterscheiden Anzahl gleichzeitiger Verbindungen BLE Standard legt keine expliziten Grenzen fest Praxis: Verschiedene ressourcenbedingte Limitierungen Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 7

8 Erfahrungen: Limitierung der Datenrate BLE Spezifikation Nominale Bit Rate: 1 Mbit/s Abwechselnd M S und S M T_IFS = 150 μs Variable Parameter Länge des Connection Interval Pakete pro Connection Event Empty PDU (M S) 10 Byte (2 Byte PDU Header) ATT Notification (S M) 17 Byte Overhead Bis zu 20 Byte Payload preamble access address PDU header L2CAP header ATT opcode / attribute handle payload octets CRC source: Bluetooth SIG PDU Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 8

9 Erfahrungen: Limitierung der Datenrate Benötigte Zeit für einen Datenaustausch T = 2*T IFS + T overhead + T payload = p*8 [μs] Mit p Payload Octets Overhead: 27 * 8 = 216 bit 1 1 MHz resultiert in 1 μs Maximal erreichbare Datenrate p 8 d max (p) = [kbit/s] p 8 Unter der Annahme, dass das ganze Connection Interval mit Notifications aufgefüllt wird Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 9

10 Erfahrungen: Limitierung der Datenrate Für maximale Datenrate p = 20 Octets d max (20) = 236 kbit/s Einschränkungen in praxisnahen Implementierungen Slave beschränkt Anzahl Notifications per Connection Event Ev. Nur 3 Notifications (limitierter Speicher) Master erzwingt minimale Länge für Connection Interval 30 ms oder mehr (7.5 ms in BLE Spezifikation) Frühzeitiges beenden des Connection Events aufeinanderfolgende CRC Fehler, verloren-gegangene Pakete und Beschränkungen Anzahl Notifications pro Connection Event vom Master Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 10

11 Messresultate Messaufbau Ein Master und mehrere Clients Gleichzeitige Verbindungen TI CC2540 Keyfob TI BLE Stack 1.4 und InES Testanwendung source: source: Texas Instruments TI USB BLE Dongle Bluegiga USB BLE Dongle ipad 3 / ios Nexus 7 / Android Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 11

12 Messresultate TI BLE Dongle TI BLE Stack gleichzeitige Verbindungen erfolgreich getestet 1 Slave mit 40.1 kbit/s, 3 Slaves je 3.1 kbit/s Connection Interval 7.5 ms Bluegiga Dongle BLED112 Embedded Bluegiga BLE Stack gleichzeitige Verbindungen erfolgreich getestet 1 Slave mit 59.5 kbit/s, 3 Slaves je 35.4 kbit/s Connection Interval 7.5 ms Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 12

13 Messresultate: ipad 3 ipad 3 LTE, 2012 Betriebssystem ios gleichzeitige Verbindungen erfolgreich getestet Connection Interval 20 ms source: Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 13

14 Messresultate: ipad 3 Datenrate ipad 3 mit N Slaves N Achieved Data Rate [kbit/s] total Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 14

15 Messresultate: ipad 3 BLE Sniffer Connection Event mit 4 Notifications Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 15

16 Messresultate: ipad 3 Notifications per Connection Interval (30 ms) Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 16

17 Messresultate: Nexus 7 Nexus 7, Generation 2013 Betriebssystem Android Kit Kat 6 gleichzeitige Verbindungen erfolgreich getestet Connection Interval 7.5ms source: Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 17

18 Messresultate: Nexus 7 Datenrate Nexus 7 mit N Clients N Achieved Data Rate [kbit/s] total Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 18

19 Messresultate: Nexus 7 Connection Interval und Connection Events Connection Interval [ms] Achieved Data Rate [kbit/s] Notifications per Connection Interval max avg Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 19

20 Messresultate: Nexus 7 Notifications per Connection Interval (60 ms) Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 20

21 Erkenntnisse Gegenüberstellung ipad 3 / Nexus 7 Android / Nexus 7 ios / ipad 3 Gleichzeitige Verbindungen 6 8 Minimales Connection Interval 7.5 ms 20 ms Connection Interval einstellbar Exakt Bereich Verwendung der API eher aufwändig eher einfach BLE API enthalten seit Jelly Bean 4.3 (Juli 2013) ios 5 (Okt. 2011) Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 21

22 Erkenntnisse Hardware / Firmware Implementationen begrenzen erreichbare Datenrate Bsp. Update TI BLE Stack 1.3 zu 1.4 Device Connection Interval [ms] Stack 1.3 [kbit/s] Stack 1.4 mit OP [kbit/s] Steigerung Nexus Nexus Nexus Nexus ipad Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 22

23 Zusammenfassung Die in der Praxis erreichbare Datenrate ist deutlich tiefer als die mit dem BLE Standard berechnete Grosse Leistungsunterschiede bei verschiedenen Mastern Messungen ipad 3, Nexus 7, TI- und Bluegiga BLE Dongle Durchsatz bei gleichzeitigen BLE Verbindungen Kleine Anpassungen an Master oder Slave können Gesamtleistung merklich verbessern Embedded Computing Conference 2014, A. Müller, Bluetooth Low Energy gleichzeitige Verbindungen zu mehreren Knoten 23

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