Bluetooth und NFC:
Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Bluetooth und Near Field Communication (NFC) werden häufig als komplementär bezeichnet. Zwei Technologien, die sich gut ergänzen und dabei grundverschieden sind. Beide Technologien sind heute weit verbreitet und fast in jedem aktuellen Smartphone/Tablet vorhanden. Der Beitrag zeigt auf, wo die Unterschiede der Technologien liegen und für welche Applikation sich welche Technik besonders gut eignet. Denn der Teufel liegt wie immer im Detail.
Bluetooth besteht aus dem klassischen Bluetooth oder auch Bluetooth BR/EDR (Bluetooth Smart Ready) und aus Bluetooth Low Energy (Bluetooth Smart), welches mit Bluetooth 4.0 eingeführt wurde. Obwohl beide Bluetooth-Standards die gleiche Funkeinheit verwenden, handelt es sich um völlig unterschiedliche Technologien, die nicht untereinander kompatibel sind. Bluetooth Low Energy ist für spezifische Anwendungsfälle mit begrenztem Datentransfer, wie z.B. Sensoren, ausgelegt und benötigt deutlich weniger Energie als klassisches Bluetooth. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Medizin, Sport und Fitness, aber auch in der Industrie. NFC ist eine besondere Funktechnologie, da hier mit einer Funkübertragung im Nahfeld gearbeitet wird, einschließlich einer Energieübertragung über das Nahfeld. NFC unterstützt mit Reader/Writer, Peer2Peer und Card Emulation drei grundverschiedene Modi und ist für das ‚Touch and Go Paradigma‘ bekannt. NFC wird oft als Überbegriff für viele Legacy Technologien verwendet. Der NFC-Standard wird vom NFC-Forum definiert und nicht alle Anwendungen, die man landläufig mit NFC bezeichnet, erfüllen die Anforderungen des Standards. Ein prominentes Beispiel sind die Bezahldienste. Diese fallen nicht unter den NFC-Forum-Standard, sondern müssen die EMVCo-Anforderungen erfüllen. Bluetooth und NFC ergänzen sich als Technologien, wenn z.B. ein NFC ‚Touch and Go‘ als Initiator eines Bluetooth-Verbindungsaufbaus genutzt wird (sog. Out of Band-Pairing).
Systemkomponenten
Die Systemintegration gliedert sich grundsätzlich in eine Hardware-Integration und eine Software-Integration. Bei der Hardware-Integration sind sowohl bei Bluetooth, als auch bei NFC, die wesentlichen Komponenten Funkchips, Hostcontroller und Antenne zu betrachten. Auf Software-Seite ist es bei beiden Technologien erforderlich, einen Protokollstack in das System zu integrieren.
Integration
Die Integration von NFC und Bluetooth ist von den Komponenten und dem Ablauf her sehr ähnlich. Unterschiede gibt es aber im Detail (siehe Abb. 2).
a) Embedded-Modul
Die einfachste Art der Integration von Bluetooth oder NFC in ein System/Produkt ist die Verwendung eines embedded-Moduls. Embedded-Module enthalten den Funkchip, einen Hostcontroller, auf dem der Protokollstack läuft und in der Regel auch eine Antenne. Es handelt sich dabei also um komplette Subsysteme. Die Module ermöglichen eine Systemintegration, ohne dass man sich mit den Details der jeweiligen Funk-Technologie auseinandersetzen muss. Im Falle von Bluetooth sind embedded-Module weit verbreitet. Der große Vorteil von embedded-Modulen, wie z.B. der BlueMod+ Reihe von Stollmann, ist zudem, dass die Integration von Bluetooth schnell und kostengünstig ist. Die Module haben in der Regel eine einfache Kommandoschnittstelle, die die Host-Applikation nutzt, um die Funkfunktionen zu steuern. Die Module werden aufgelötet und über eine UART-Schnittstelle mit dem Applikationscontroller verbunden. Da die embedded-Module meist auch eine Antenne enthalten, sind sie in der Regel bereits für viele Länder zertifiziert und auch bei der Bluetooth SIG zugelassen. So ist die vollständige Integration der Technologie in wenigen Wochen möglich. Bei NFC sind embedded-Module, welche den NFC-Forum-Standard erfüllen, derzeit noch nicht verfügbar, so dass die Verwendung eines embedded-Moduls für NFC nicht in Frage kommt.
b) HCI/NCI-Modul
Reine Funkmodule bestehen aus dem Funkchip und in den meisten Fällen einer Antenne. Bei Bluetooth handelt es sich um HCI-Module und bei NFC sind es NCI- oder ebenfalls HCI-Module. HCI und NCI sind standardisierte Hardware- und Software-Schnittstellen, auf welche die Protokollstacks aufsetzen, wie z.B. der Bluetooth Stack von Stollmann ‚BlueCode+‘. Bei HCI/NCI-Modulen befindet sich auf dem Modul selbst kein Hostcontroller und damit natürlich auch kein Bluetooth oder NFC-Protokollstack. Das reduziert die Stückkosten, sodass diese Module deutlich günstiger sind als embedded-Module. Da die Module zusammen mit der Antenne ein komplettes Funksystem bilden, sind sie wie embedded-Module zugelassen und zertifiziert. Der Nachteil ist, dass die Integrationszeiten und Kosten deutlich höher sind im Vergleich mit embedded-Modulen. Die Hardware-Integration ist identisch mit der Integration von embedded-Modulen. Auch die HCI/NCI-Module werden als fertige Baugruppen auf die Basisplatine integriert und über den UART mit einem Applikationscontroller verbunden. Da die HCI/NCI-Module aber ohne Hostcontroller kommen, muss der Protokollstack auf dem Applikationscontroller des Systems zusammen mit der Applikation integriert werden. Der Protokollstack muss dabei an die Hardware des Systems und das Betriebssystem angepasst werden. Sowohl Bluetooth als auch NFC sind komplexe Technologien, sodass alleine die Stackintegration in der Regel 2 bis 3 Monate dauert und mit entsprechenden Kosten verbunden ist.
c) Chipintegration
Die höchste Integrationsstufe ist die Chipintegration. Die Chipintegration ermöglicht geringste BOM-Kosten bei höchsten Entwicklungskosten und längsten Entwicklungszeiten. Die Chipintegration ist zum Beispiel sinnvoll, wenn Produkte so klein wie möglich sein müssen und/oder in sehr hohen Stückzahlen laufen. Bei der Chipintegration werden alle Hardware-Komponenten direkt in dem Gerät auf der Basisplatine integriert. Problematisch ist hier insbesondere das Antennendesign. Da Bluetooth im 2.4GHz-Band funkt, ist hier nicht nur die Platzierung der Antenne ausschlaggebend, vielmehr muss beim gesamten Elektronik-Design darauf geachtet werden, dass nicht Abstrahlungen die Funkleistung des Gerätes beeinflussen. Diese Aufgabe erfordert tiefes HF-Wissen. NFC hingegen arbeitet ’nur‘ auf 13,56MHz. Hier besteht die Hauptherausforderung darin, eine Antenne so zu dimensionieren und zu platzieren, dass für jede NFC-Betriebsart ausreichend Leistung an der Gegenstelle über Induktion bereitgestellt wird. Im Falle der NFC-Integration gibt es eine weitere Besonderheit: NFC-Chips fallen grob in zwei Kategorien: NFC-Controller mit integrierter Firmware und NFC- Controller ohne integrierte Firmware. Bei NFC-Controllern mit integrierter Firmware werden alle echtzeitkritischen Ereignisse und Protokollschichten innerhalb der Firmware komplett bearbeitet. Diese NFC-Controller werden typischerweise über ein logisches Standardinterface wie NCI (NFC Forum) oder HCI (ETSI) angesteuert. NFC-Controller ohne integrierte Firmware, also einfache NFC-Transceiver, benötigen zusätzlich einen dedizierten Mikrocontroller, auf dem die echtzeitkritischen Low Level Firmware abläuft, die das NCI-/HCI-Interface zur Verfügung stellt. Es ist nicht möglich, den Protokollstack auf diesem dedizierten Mikrocontroller mit ablaufen zu lassen, da dies das Echtzeitverhalten des Systems negativ beeinflussen würde. Die Software-Integration ist identisch zu der Integration bei den HCI/NCI-Modulen, d.h. der Protokollstack muss mit der Applikation auf einem Hostcontroller laufen.
Fazit
Die bestmögliche Integrationsweise von NFC- oder Bluetooth-Technologie ist von Produkt zu Produkt / von Projekt zu Projekt verschieden. Welches die beste Vorgehensweise ist, ergibt sich aus den Anforderungen an das Produkt. Stollmann bietet Produkte für alle Integrationsstufen an. Wichtige Parameter sind vor allem Baugröße, Stückkosten, Funktionalität und Entwicklungszeit/-kosten. Zudem wird nicht jede gewünschte Bluetooth- und/oder NFC-Funktionalität von Standardmodulen abgedeckt.
