Wat is BLE (Bluetooth Low Energy) en hoe werkt het?

Wat is BLE?

BLE staat voor Bluetooth Low Energy, dat werd geïntroduceerd als onderdeel van de Bluetooth 4.0-standaard. Het is bedoeld om energiezuinige IoT (Internet of Things) en andere toepassingen te helpen. M2M-toepassingen binnen een kort bereik. Dit was cruciaal bij het realiseren van veel moderne IoT-apparaten die op batterijen werken. Zoals klassieke Bluetooth-technologieBLE werkt in 2.4 GHz ISM (Industriële, Wetenschappelijke en Medische) banden, terwijl enkele eigenschappen van zijn voorganger worden geërfd met meer nadruk op laag energieverbruik. Het maximale stroomverbruik van een BLE-toepassing zou ongeveer 0,01 Watt tot 0,5 Watt zijn, met dezelfde snelheid als die van klassieke Bluetooth.

Verschil tussen BLE en klassieke Bluetooth

Het belangrijkste verschil tussen klassieke Bluetooth en BLE zit in het opgenomen vermogen. Er zijn echter andere belangrijke verschillen door de architecturale verschillen in beide gevallen. Door het gebruik van 24-bits adressen in vergelijking met 3-bits adressering in Klassieke Bluetooth kan BLE tegelijkertijd verbinding maken met 20 verbindingen, terwijl Klassieke Bluetooth slechts 7 verbindingen ondersteunt.

BLE heeft ook een voorsprong op klassieke Bluetooth als het gaat om toegestane latentie in verbindingen. Klassieke Bluetooth biedt een latentie van slechts ongeveer 100 ms, terwijl BLE een verbeterde latentie van 6 ms biedt. Ondanks de verbeterde latentie kan BLE slechts snelheden tot 125 kbps tot 2 Mbps bieden, terwijl klassieke Bluetooth snelheden tot 3Mbps kan bieden. Tot slot kan BLE alleen eenrichtingscommunicatie bieden zonder spraakondersteuning. Klassieke Bluetooth heeft zowel tweerichtingscommunicatie als spraakondersteuning.

Hoe werkt BLE?

In tegenstelling tot klassieke Bluetooth, waar informatie continu wordt verzonden, verzendt BLE informatievlagen, waardoor de tijd in inactieve toestand toeneemt. Hiervoor gebruikt BLE 40 kanalen die elk gescheiden worden door 2 MHz. Van deze 40 kanalen starten drie reclamekanalen de verbinding in eerste instantie door het verzenden van reclamepakketten. De rest van de 37 kanalen staan bekend als secundaire advertentiekanalen en behandelen datacommunicatie.

We kunnen drie hoofdtypen nodes definiëren in een BLE-netwerk, namelijk:

• Adverteerder
• Scanner
• Initiatiefnemer

Een adverteerder is een apparaat dat adverteerderspakketten uitzendt. Een scanner is het apparaat dat deze pakketten ontvangt, zonder de intentie om een verbinding op te zetten. Als het scannende apparaat een verbinding tot stand wil brengen, wordt het initiator genoemd. Zodra een verbinding tot stand is gebracht, staat de adverteerder bekend als de slave, terwijl de initiator bekend staat als de master. In BLE worden elke master en één slave een piconet genoemd. Een enkele master kan echter vele piconetten tegelijkertijd vormen met verschillende slaves. Op een gelijkwaardige manier kan een slave ook veel verbindingen hebben met meer dan één master.

Toestandsdiagram

De werking van BLE wordt nauwkeurig uitgelegd aan de hand van vijf linktoestanden die verschillende fasen van het tot stand brengen van een verbinding definiëren. Deze toestanden zijn als volgt:

• Reclamestatus: In deze fase verzenden apparaten reclamepakketten op reclamekanalen.
• Scannende status: In deze fase ontvangen apparaten reclamepakketten zonder enige intentie om een verbinding op te zetten.
• Initiërende status: In dit stadium wil een apparaat een verbinding opzetten als antwoord op de binnenkomende reclamepakketten.
• Stand-by: In deze fase zijn apparaten niet verbonden.
• Verbonden status: Tijdens deze fase wordt een verbinding tussen de adverteerder (slave) en de initiator (master) tot stand gebracht. Nu kan de master gezien worden als het centrale apparaat terwijl de slave het randapparaat is.

BLE-architectuur

De BLE architectuur lijkt structureel op de klassieke Bluetooth architectuur, zoals we in ons eerdere artikel hebben besproken. Het grootste verschil zit echter in de fysieke laag van de architectuur waar het in twee modi kan werken, namelijk:

• Dubbele modus
• Enkelvoudige modus

In de Dual modus kunnen zowel BLE als klassieke Bluetooth in harmonie samenwerken in de fysieke laag. In de enkelvoudige modus kan slechts één van beide werken. De keuze tussen de twee werkingsmodi hangt alleen af van de toepassing die van belang is. We zullen ons in dit artikel meer richten op profielen in de BLE architectuur dan op de individuele componenten.

Profiel GAP

GAP staat voor Generic Access Profile. Dit profiel is belangrijk om te bepalen hoe verschillende apparaten met elkaar communiceren. Deze interacties hebben de volgende aspecten:

• Reclame
• Verbinding tot stand brengen
• Beveiliging

Bij reclame is het essentieel voor apparaten om berichten uit te zenden, apparaten te ontdekken en reclamegegevens te verzenden. Al deze handelingen worden overzien door het GAP-profiel. Bovendien behandelt het, gerelateerd aan het tot stand brengen van een verbinding, ook het accepteren van een verbinding, het beëindigen van een verbinding en verbindingsparameters. Tot slot is het ook verantwoordelijk voor het initiëren en faciliteren van relevante beveiligingsmaatregelen in de apparaten.

ATT en GATT-profiel

ATT staat voor Attribute Protocol en zorgt voor het definiëren van rollen voor apparaten die deelnemen aan een verbinding. Deze rollen worden gedefinieerd op basis van hun functionaliteit na het opzetten van een verbinding. Een server is een apparaat dat diensten of bronnen levert, terwijl de client het apparaat is dat bronnen en diensten verwacht. Het is de moeite waard om te vermelden dat een slave in wezen niet altijd een server wordt terwijl de master altijd een client is. Dit hangt af van het doel van de verbinding tussen de twee knooppunten. Neem bijvoorbeeld een situatie waarin een BLE-verbinding tot stand wordt gebracht tussen een polsband tracker en een smartphone. Wanneer de tracker de hartslag verzendt, fungeert deze als server terwijl de smartphone als client fungeert. Stel nu dat het nodig is om de tijd op de polsband weer te geven, voor dit doel zou de smartphone die toegang heeft tot het internet de server zijn terwijl de polsband de client is. ATT profile handles bieden middelen voor de server om gegevens op te slaan in een formaat dat verschillende functionaliteiten vergemakkelijkt. Voor dit doel gebruikt ATT profiel een hiërarchisch database model.

Hier komt GATT (Generic Attribute Profile) om de hoek kijken. Het is verantwoordelijk voor het definiëren van de gegevenshiërarchie in het databasemodel. Hiervoor gebruikt het een boomstructuur met vier niveaus, namelijk van boven naar beneden:

• Profiel: Dit verwijst naar het hoofdknooppunt
• Diensten: Deze worden gebruikt voor het organiseren van verschillende soorten gegevens
• Kenmerken: Dit zijn de basisopslageenheden in het boomkader
• Waarde en descriptoren: Waarde is een enkele waarde om een kenmerk te definiëren, terwijl descriptoren meerdere waarden zijn die worden gebruikt om kenmerken te definiëren.

Het GATT-profiel kan volledig worden begrepen aan de hand van een voorbeeld. Een heartbeat tracker kan bijvoorbeeld de volgende profielen hebben:

• Profiel voor hartslagmeting
• Informatieprofiel apparaat

Laten we nu eens kijken naar het profiel voor het meten van de hartslagfrequentie, dit profiel kan de volgende services hebben:

• Hartslagservice
• Lichaamsmeting

Elk van de bovenstaande diensten zou dus verschillende kenmerken hebben met waarden en descriptoren zoals gemeten door de tracker. De hartslagservice zou bijvoorbeeld hartslagkarakteristieken hebben met een waarde van 69 bpm (slagen per minuut).

BLE Beveiliging

De belangrijkste soorten aanvallen waarvoor BLE en klassieke Bluetooth kwetsbaar zijn, zijn afluisteren en man-in-the-middle aanvallen. BLE heeft interessante eigenschappen om de risico's van deze aanvallen te minimaliseren. Deze eigenschappen zijn:

• Numerieke vergelijking: Hier genereren twee eindapparaten een numerieke waarde die handmatig wordt gevalideerd zodra deze op beide apparaten wordt weergegeven.
• Passkey invoer: Hier genereert het niet-initiërende apparaat een willekeurige seed genaamd nonce om de verbinding te verifiëren.
• Werkt gewoon: Hier genereert het niet-initiërende apparaat een nonce met een bevestigingswaarde die wordt bevestigd met de bevestigingswaarde van het andere eindapparaat na het doorgeven van de nonce.
• Out-of-band (OOB): Hier wordt de communicatie beveiligd via een secundair communicatiekanaal zoals Wi-Fi en NFC (Near Field Communication).

Toepassingen van BLE

BLE is een goede kandidaat voor laagvermogen PAN (Personal Area Network) IoT- en M2M-toepassingen. Deze toepassingen variëren van eenvoudige domoticasystemen tot grootschalige industriële toepassingen. Enkele toepassingen van BLE zijn:

• Domotica: BLE is een populaire keuze geworden als het gaat om domotica-toepassingen. Deze IoT- en slimme toepassingen omvatten slimme stopcontacten, slimme sloten, slimme lampen en slimme beveiligingssensoren.
• Traceren van locatie binnenshuis: Ondanks de beschikbaarheid van technologieën zoals GPRS, is BLE een betrouwbaardere navigatietechniek vanwege zijn prestaties tegen interferentie.
• Volgtoepassingen: BLE wordt veel gebruikt in IoT-toepassingen waarbij slechts korte informatie-uitzendingen nodig zijn. Dit is belangrijk in toepassingen zoals het volgen van activa en vlootbeheer.

Concluderend kunnen we BLE gebruiken voor IoT-toepassingen in PAN-netwerken die een laag energieverbruik en een lage payload-communicatie vereisen.

BLE bakens

BLE-bakens zijn kleine zendapparaten die gebruikmaken van BLE-communicatietechnologie om korte berichten uit te zenden naar luisterende apparaten. Het zijn eenrichtingsapparaten op batterijen die veel worden gebruikt in marketingtoepassingen en andere tracking IoT-toepassingen. Momenteel zijn er twee bekende leveranciers van BLE-bakens, namelijk:

• Eddystone van Google
• iBeacon van Apple

Conclusie

BLE wordt veel gebruikt in PAN IoT-toepassingen met een laag stroomverbruik, voornamelijk gericht op domotica-applicaties, tracking-apparaten en nabijheidsmarketingtoepassingen. Met de toenemende ondersteuning voor BLE is het een goede kandidaat voor IoT-toepassingen die hoog in uw lijst van keuzes zou moeten staan.