IoT Readiness of BLE 5: Evaluation, Implementation and Improvements

The rapid enhancement of low-power short range wireless connectivity has been a driving factor of the pervasive adoption of Internet-of-Things (IoT). However, the lack of universal standard for such technologies causes compatibility issues and slows down innovation. The Bluetooth Low Energy (BLE) protocol has become the leading protocol that is most likely to be adopted as the standard over other compatible technologies and thus has to be studied thoroughly and all characteristics evaluated. Several major enhancements were introduced in the release of BLE 5 which makes the technology instantly more attractive in wider range of use cases than before. These enhancements bring additional complexity into the BLE architecture while allowing for more flexibility and configuration varieties to optimize each use case. This thesis attempts to evaluate the benefits of new features in BLE for a specific device developed by Tritech Technologies and the possibility of utilizing several features to improve wireless performance. Additionally, the technology architecture is deeply studied, challenges in implementation identified and operational characteristics measured. Results of the literature review discusses how the scalability of BLE has significantly improved, new features provide more flexibility making the technology more attractive for all IoT and finally recommends further work in order to have a single standard when operating low-powered wireless communication. Moreover, test results of power consumption, possible range and throughput are summarized showing that the new features can bring significant benefits to certain products but massive drawbacks might occur in form of power consumed if not carefully implemented. To point out some notable test results acquired in this project, double the energy utility was achieved by utilizing high speed physical layer (PHY) in high throughput operation that reached data transfer rate of 1.37 MB/s. Using long range PHY with coding scheme of eight symbols per bit reached roughly 1 km range in Line-of-Sight (LoS) and improvement from about half-house to nearly full-house coverage. Furthermore, a method of dynamically switching PHYs was implemented and concluded not suitable for such an application due to high added power consumption.Den snabba förbättringen av trådlös kommunikation med låg energiförbrukning har präglat utvecklingen av Internet-of-Things (IoT). Bristen på en universell standard för sådan teknik orsakar kompatibilitetsproblem och kan hämma innovation. Protokollet för Bluetooth Low Energy (BLE) har kommit att bli det ledande protokoll som förmodligen kommer att antas som standarden över andra kompatibla teknologier och måste därför granskas noggrant och alla dess egenskaper utvärderas. Flera anmärkningsvärda förbättringar introducerades i utgåvan av BLE 5 vilket omedelbart gör tekniken mer attraktiv i ett större användningsområde än tidigare. Dessa förbättringar ger ytterligare komplexitet i BLE-arkitekturen, samtidigt som detta möjliggör mer flexibilitet och konfigurationsvarianter för att optimera varje användningsfall.Denna rapport försöker att utvärdera fördelarna med nya funktioner i BLE för en specifik produkt som utvecklats av Tritech Technologies och möjligheten att utnyttja flera funktioner för att förbättra den trådlösa anslutningen. Protokollarkitekturen är dessutom granskad, utmaningar i genomförandet identifierade och operativa egenskaper uppmätta. Resultaten från litteraturöversikten diskuterar hur skalbarheten hos BLE har förbättrats avsevärt, hur nya funktioner bidrar till flexibilitet vilket gör tekniken mer attraktiv för all typ av IoT och slutligen rekommenderar vidare arbete för att kunna uppnå en standard för trådlös kommunikation med låg energiförbrukning. Dessutom sammanfattas testresultatet av strömförbrukning, möjlig räckvidd och datahastighet, vilket visar att de nya funktionerna kan ge betydande fördelar för vissa produkter men att nackdelar kan förekomma i form av strömförbrukning om den inte är noggrant genomförd. BLE 5 jämfördes med tidigare versioner och resultaten från denna jämförelse visade på att fördubblad energy utility kunde uppnås genom att använda ett Physical Layer (PHY) med höghastighetsegenskaper och dataöverföringshastighet på 1.37 MB/s. Då ett PHY med lång räckvidd och datakodning på åtta symboler per bit användes kunde en räckvidd på cirka 1 km siktlinje uppnås och en förbättring kunde ses i en tvåplansvilla där täckningen ökat från cirka halva byggnaden till nästan hela byggnaden. Dessutom utvecklades en metod för att dynamiskt byta PHY under användning, och slutsatsen visade att denna metod ej är lämplig för den produkt som utreddes på grund av den ökade energiförbrukningen som då uppstod