Überzeugend vor allem beim Stromverbrauch Bluetooth Low Energy: Ein Standard setzt sich durch

Beispiele von Smartphones mit BLE: Motorola Droid Razr (links) und iPhone4S (rechts)
Beispiele von Smartphones mit BLE: Motorola Droid Razr (links) und iPhone4S (rechts)

DEN einen Königsweg gibt es im Wireless-Segment nach wie vor nicht: Viele Geräte setzen auf ANT, ANT+, ZigBee, Nike+, NFC, RF4CE und IrDA als Funkprotokoll. Nach Ansicht von Hans Wiedemann, Business Devlopment Manager von Atlantik Elektronik, gibt es aber gute Gründe, sich zunächst mit Bluetooth Low Energy zu beschäftigen - und sich schließlich dafür zu entscheiden.

»Die Entscheidung, welches Protokoll zum Zug kommt, hängt von technischen Argumenten und auch marktrelevanten Aspekten ab«, schildert Wiedemann: »In beiden Bereichen spricht einiges für Bluetooth Low Energy (BLE).« Bei den technischen Parametern steht vor allem der durchschnittliche Stromverbrauch im Vordergrund. »Es ist durchaus nicht leicht, den durchschnittlichen Stromverbrauch einer Übertragungstechnik zu bestimmen. Zum einen beeinflussen viele Standard-spezifische Parameter den Stromverbrauch, einige davon beruhen auf der Hardware-Implementierung, einige sind geprägt durch die Software«, so Wiedemann. Zum anderen gibt es in jedem Standard viele unterschiedliche Operationsmodi und Zustände, so auch bei Bluetooth Low Energy: Das Protokoll kennt fünf Zustände, und zwar »Advertising«, »Scanning«, »Standby», »Initiating« und »Connection« (Bild 1).

In jedem dieser Zustände gibt es wiederum verschiedene Modi, die ebenfalls Einfluss auf den Stromverbrauch haben, wie Wiedemann erklärt: »Zum Beispiel ist im Zustand »Advertising« der Stromverbrauch während des Sendens (I_Tx) größer als der während des Empfangs (I_Rx), was auf Anhieb einleuchtet, wie im Bild 2 dargestellt.

Der Einfluss der Software wird deutlich, wenn man Parameter betrachtet, die der Nutzer beeinflusst, um seine Applikation optimal einzustellen. Dazu gehören Suchintervalle, die Zeitschlitze für das »Advertising« (also die Bekanntgabe der eigenen Existenz), die Anzahl der Kanäle, die dabei benutzt wird usw.

Die Hardware-Implementierung bezieht sich sowohl auf die Chipebene selbst als auch auf das um den Chip herum aufgebaute Design - entweder auf einem Modul oder diskret. Ein Beispiel: Für eine typische Implementierung, basierend auf dem CSR1000-Chip, gibt CSR selbst folgendes Berechnungsmodell für den Stromverbrauch während des »Advertising« an:

 

T= Advertising Intervall, (z.B. 0,5s)
D=Advertising Daten, (z.B. 20 Byte)
DC/DC Wandler eingeschaltet
I_av = ((C_adv_DC + (D x C_adv_byte )) / T) + I_idle
= (15μC + (20 x 0,4μC)) / 0,5s)μA + 2μA
= 46μA + 2μA = 48μA

Dabei sind C_adv_DC und C_adv_byte Hardware-spezifische Parameter.

Selbst im »Standby«, in dem weder gesendet noch empfangen wird, gibt es, angelehnt an das »normale« Bluetooth, unterschiedliche Stromsparzustände, die von »Deep Sleep« über »Hibernate« bis zu »Dormant« reichen. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) geht davon aus, dass der durchschnittliche Stromverbrauch von BLE gegenüber ANT und ZigBee um den Faktor 1,5 bzw 2 geringer ist.

Zwar ist der durchschnittliche Stromverbrauch laut Wiedemann der wichtigste, aber eben nur einer von mehreren technischen Parametern. »Der Spitzenwert für den Stromverbrauch spielt ebenfalls eine Rolle beim Design eines Funk-Systems. Denn bestimmte Batterietypen sind darauf ausgelegt, kurzfristig und schnell höhere Ströme zu liefern.« Oft verwenden Entwickler die normale CR2032-Knopfzelle für Geräte, deren Maximalstrom jedoch bei ca. 15 mA liegt, ohne dass dabei die Kapazität leidet. Bei Spitzenwerten von 30 mA kann sich die Kapazität schon um 10 Prozent reduzieren. Daher teilt man die Übertragungsstandards häufig anhand dieser Grenze ein:

  • IrDA Spitzenstrom ~ 10mA
  • Nike+ Spitzenstrom ~ 12.3mA
  • BLE Spitzenstrom ~ 12-16mA
  • ANT Spitzenstrom ~ 17mA    
  • RF4CE/ZigBee Spitzenstrom ~ 30-40mA
  • NFC Spitzenstrom ~ 50mA
  • Wi-Fi Spitzenstrom ~ 116mA (@1.8v)        

 

Große Unterschiede gibt es je nach Protokoll auch bei der Reichweite, was natürlich an den adressierten Anwendungen liegt. Extreme Beispiele sind sicherlich NFC (Near Field Communication), das u.a. für die Abwicklung von Zahlungen verwendet wird und dabei mit 5 cm Reichweite auskommt, und ZigBee/RF4CE, das u.a. in Metering-Anwendungen eingesetzt wird und über 100 m erreicht. »Interessant bei BLE ist, dass sich die Reichweite trotz geringeren Stromverbrauchs gegenüber dem traditionellen Bluetooth Class 2 von 10 m auf 50 m erhöht hat«, betont Wiedemann. Das liege u.a. auch am Modulationsindex des Gaussian Frequency Shift Keying - oder auf Deutsch: der Gauß‘schen Frequenzumtastung -, der von 0,35 im klassischen Bluetooth auf 0,5 erhöht wurde.

Einfluss auf den Stromverbrauch haben auch noch die Zeit für den Verbindungsaufbau und die Menge der zu übertragenden Daten. »Hier kommt man dann in Bereiche, in denen der Systemaufbau und die Applikation selbst eine immer größere Rolle spielen«, weiß Wiedemann. Eine Verbindung könne nach den Worten des Fachmanns prinzipiell sehr schnell aufgebaut werden, wenn ein Master ständig an ist und ein Slave sich sporadisch meldet. Als typisches Beispiel nennt Wiedemann einen Computer und die dazugehörige Maus. »In solchen Szenarien schneiden ANT mit praktisch Null Verzögerung oder auch WiFi mit nur 1,5 ms sehr gut ab.« Schwieriger wird es aber bei diesen Standards auch, wenn auf beiden Seiten Strom gespart werden muss. Dann erhöhen sich die Aufbauzeiten schnell, während BLE typischerweise mit nur 2,5 ms arbeiten kann. Bei anderen Standards liegen die Aufbauzeiten deutlich im zweistelligen Millisekunden-Bereich.