Mengenal Arsitektur Bluetooth: Protokol, Frequency Hopping, dan Modul BLE

Bluetooth telah menjadi salah satu teknologi komunikasi nirkabel yang paling dekat dengan kehidupan sehari-hari. Teknologi ini digunakan untuk menghubungkan smartphone dengan earphone, smartwatch, keyboard, mouse, speaker, sensor, hingga berbagai perangkat Internet of Things (IoT).

Meskipun penggunaannya terlihat sederhana, Bluetooth sebenarnya memiliki arsitektur komunikasi yang cukup kompleks. Di balik proses menghubungkan dua perangkat hanya dengan beberapa ketukan, terdapat sejumlah lapisan protokol yang mengatur bagaimana perangkat ditemukan, terhubung, bertukar data, hingga mengatasi gangguan sinyal.

Secara umum, Bluetooth dirancang untuk komunikasi nirkabel jarak pendek dengan karakteristik konsumsi energi rendah, ketahanan terhadap interferensi, serta mekanisme keamanan. Teknologi ini kemudian berkembang menjadi dua pendekatan utama, yaitu Bluetooth Classic dan Bluetooth Low Energy (BLE).

Bluetooth Classic lebih banyak digunakan untuk kebutuhan seperti audio dan transfer data yang berlangsung terus-menerus. Sementara itu, BLE dirancang untuk perangkat yang mengutamakan efisiensi energi, seperti sensor, wearable, dan perangkat IoT.

Untuk memahami cara kerja teknologi ini, ada tiga hal penting yang perlu diketahui, yaitu arsitektur protocol stack, mekanisme frequency hopping, dan struktur modul BLE.

Memahami Bluetooth Protocol Stack

Bluetooth menggunakan arsitektur berlapis atau protocol stack. Setiap lapisan memiliki tugas berbeda, tetapi semuanya bekerja bersama untuk memungkinkan komunikasi antarpiranti.

Secara sederhana, arsitektur Bluetooth dapat dibagi menjadi lapisan controller, host, dan aplikasi.

Lapisan controller berhubungan erat dengan perangkat keras dan radio. Lapisan host menangani berbagai fungsi komunikasi dan pengelolaan data, sedangkan lapisan aplikasi menjadi tempat layanan dan data yang digunakan pengguna.

1. Controller: Bagian yang Berhubungan dengan Radio

Controller merupakan bagian yang berhubungan langsung dengan perangkat keras Bluetooth.

Salah satu komponennya adalah Physical Layer atau PHY. Lapisan ini bekerja pada pita frekuensi ISM 2,4 GHz dan bertugas mengubah data digital menjadi sinyal radio yang dapat dipancarkan melalui udara.

Karena pita 2,4 GHz juga digunakan oleh berbagai teknologi lain, Bluetooth harus memiliki mekanisme agar komunikasi tetap dapat berlangsung meskipun terdapat gangguan dari perangkat di sekitarnya.

Di atas PHY terdapat Link Layer atau pada Bluetooth Classic terdapat fungsi Link Manager yang menangani berbagai aspek komunikasi perangkat. Lapisan ini mengatur status perangkat, proses advertising, scanning, inisiasi koneksi, serta pertukaran paket.

Ada pula Host Controller Interface (HCI) yang menjadi jembatan antara controller dan host. HCI memungkinkan bagian perangkat keras Bluetooth berkomunikasi dengan perangkat lunak melalui antarmuka standar seperti UART, SPI, atau USB.

Pembagian tersebut memberikan fleksibilitas karena bagian controller dan host tidak harus selalu berada dalam satu chip.

2. Host: Mengatur Data dan Koneksi

Lapisan host menangani berbagai fungsi komunikasi yang lebih dekat dengan perangkat lunak.

Salah satu komponen pentingnya adalah L2CAP atau Logical Link Control and Adaptation Protocol. L2CAP bertugas melakukan multiplexing, yaitu mengatur data dari berbagai sumber atau aplikasi agar dapat menggunakan saluran komunikasi yang sama.

L2CAP juga dapat melakukan segmentation dan reassembly. Ketika data berukuran terlalu besar untuk dikirim dalam satu paket pada lapisan bawah, data dapat dipecah menjadi beberapa bagian. Setelah sampai di tujuan, bagian-bagian tersebut disusun kembali menjadi data utuh.

Pada BLE, terdapat GATT atau Generic Attribute Profile. GATT menentukan bagaimana perangkat BLE menyusun dan bertukar data.

GATT menggunakan konsep service dan characteristic. Service dapat dianggap sebagai kelompok fungsi tertentu, sementara characteristic merupakan data atau parameter spesifik yang berada di dalam service tersebut.

Sebagai contoh sederhana, sebuah smartwatch dapat memiliki service untuk informasi kesehatan dengan characteristic yang menyimpan data seperti detak jantung atau jumlah langkah.

Komponen lain yang penting adalah GAP atau Generic Access Profile. GAP mengatur bagaimana perangkat ditemukan dan bagaimana koneksi dibentuk.

GAP juga menentukan peran perangkat dalam komunikasi BLE. Dua peran yang umum dikenal adalah Central dan Peripheral. Central biasanya melakukan scanning dan memulai koneksi, sedangkan Peripheral melakukan advertising agar dapat ditemukan oleh perangkat lain.

Mengapa Bluetooth Menggunakan Frequency Hopping?

Bluetooth beroperasi pada pita 2,4 GHz yang cukup padat. Selain Bluetooth, pita tersebut juga digunakan Wi-Fi, microwave, dan berbagai perangkat nirkabel lainnya.

Jika Bluetooth hanya menggunakan satu frekuensi secara terus-menerus, komunikasi akan lebih mudah terganggu ketika frekuensi tersebut bertepatan dengan sinyal perangkat lain.

Karena itu, Bluetooth menggunakan mekanisme Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS).

Konsepnya cukup sederhana. Alih-alih menetap pada satu kanal, perangkat Bluetooth berpindah-pindah kanal secara cepat selama berkomunikasi.

Bluetooth Classic menggunakan 79 kanal dengan lebar masing-masing 1 MHz, sedangkan BLE menggunakan 40 kanal dengan lebar 2 MHz.

Pada Bluetooth Classic, perpindahan kanal dapat dilakukan hingga sekitar 1.600 kali per detik. Perangkat yang sedang berkomunikasi harus mengetahui urutan perpindahan tersebut agar keduanya tetap dapat bertukar data.

Dari luar, pola perpindahan tersebut terlihat seperti urutan acak. Namun sebenarnya perangkat yang terhubung menggunakan algoritma tertentu untuk menentukan kanal yang akan digunakan berikutnya.

Mekanisme ini membantu mengurangi dampak interferensi karena gangguan yang terjadi pada satu kanal tidak otomatis menghentikan komunikasi secara keseluruhan.

Adaptive Frequency Hopping Membuat Bluetooth Lebih Tangguh

Bluetooth modern tidak hanya mengandalkan frequency hopping biasa. Ada pula mekanisme Adaptive Frequency Hopping (AFH).

AFH memungkinkan sistem mengidentifikasi kanal yang mengalami tingkat gangguan tinggi.

Misalnya, Bluetooth mendeteksi bahwa beberapa kanal sedang dipenuhi interferensi dari jaringan Wi-Fi di sekitarnya. Kanal tersebut dapat ditandai sebagai kanal yang buruk dan kemudian dikeluarkan dari daftar kanal yang digunakan untuk hopping.

Bluetooth selanjutnya lebih banyak menggunakan kanal yang dianggap lebih bersih.

Dengan demikian, sistem tidak sekadar berpindah secara mekanis dari satu kanal ke kanal lainnya. Urutan hopping dapat beradaptasi terhadap kondisi lingkungan radio.

Inilah salah satu alasan mengapa koneksi Bluetooth dapat tetap berfungsi dengan cukup baik meskipun digunakan di lingkungan yang memiliki banyak perangkat nirkabel.

Bagaimana Kanal BLE Dibagi?

BLE memiliki total 40 kanal yang dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu advertising channels dan data channels.

Tiga kanal, yakni kanal 37, 38, dan 39, digunakan sebagai advertising channels.

Kanal tersebut digunakan perangkat BLE untuk mengumumkan keberadaannya sehingga perangkat lain dapat menemukannya. Mekanisme ini menjadi bagian penting dalam proses awal sebelum koneksi terbentuk.

Sementara itu, 37 kanal lainnya digunakan sebagai data channels. Kanal-kanal tersebut digunakan untuk pertukaran data setelah perangkat memasuki kondisi connected.

Pembagian ini membuat proses discovery dan komunikasi data memiliki fungsi yang berbeda. Advertising digunakan untuk membuat perangkat dapat ditemukan, sedangkan data channels digunakan ketika komunikasi sudah berlangsung.

Mengenal Modul Bluetooth Low Energy

BLE dirancang untuk perangkat yang harus bekerja menggunakan konsumsi energi sangat rendah. Karena itu, modul BLE banyak digunakan dalam perangkat IoT, sensor, wearable, dan perangkat elektronik berukuran kecil.

Salah satu karakteristik menarik BLE adalah kemampuannya bekerja dengan baterai kecil untuk waktu yang sangat lama. Dalam skenario penggunaan tertentu, perangkat yang hanya mengirim data sesekali dapat beroperasi dalam jangka waktu panjang menggunakan baterai kancing seperti CR2032.

Modul BLE biasanya memiliki beberapa komponen utama.

System on Chip atau SoC

SoC merupakan pusat pemrosesan modul. Di dalamnya dapat terdapat microcontroller, misalnya berbasis ARM Cortex-M, yang menjalankan firmware, protocol stack Bluetooth, sekaligus kode aplikasi pengguna.

Karena berbagai fungsi dapat ditempatkan dalam satu chip, desain perangkat BLE menjadi lebih ringkas.

Transceiver Radio

Transceiver merupakan bagian yang bertugas mengirim dan menerima sinyal radio pada frekuensi 2,4 GHz.

Komponen ini menjadi penghubung antara data digital yang diproses oleh sistem dengan sinyal radio yang dikirimkan melalui antena.

Antena

Antena bertugas memancarkan dan menerima gelombang radio. Pada modul BLE, antena dapat berupa PCB trace antenna yang dibuat langsung pada papan sirkuit atau antena keramik eksternal.

Desain antena sangat berpengaruh terhadap kualitas komunikasi, sehingga tata letak komponen dan desain PCB perlu diperhatikan.

Power Management Unit

Komponen manajemen daya mengatur penggunaan energi modul. BLE dapat memasuki mode tidur atau sleep mode ketika tidak sedang melakukan komunikasi.

Ketika membutuhkan aktivitas, modul dapat kembali aktif, melakukan tugasnya, kemudian masuk ke kondisi hemat energi lagi.

Siklus tersebut menjadi salah satu kunci efisiensi BLE.

Bluetooth Classic dan BLE Tidak Sama

Meskipun sama-sama menggunakan teknologi Bluetooth, Bluetooth Classic dan BLE memiliki karakteristik berbeda.

Bluetooth Classic lebih cocok untuk kebutuhan yang memerlukan aliran data berkelanjutan, misalnya koneksi audio. Sementara BLE lebih mengutamakan komunikasi hemat daya dengan pola pertukaran data yang relatif efisien.

Perbedaan tersebut membuat keduanya memiliki desain protokol dan penggunaan yang berbeda.

BLE sangat cocok untuk perangkat yang harus terus tersedia tetapi tidak selalu aktif mengirim data dalam jumlah besar. Sensor suhu, perangkat kesehatan, smartwatch, beacon, dan berbagai perangkat IoT merupakan contoh penggunaan yang sesuai dengan karakteristik tersebut.

Mengapa Arsitektur Bluetooth Penting Dipahami?

Memahami arsitektur Bluetooth bukan hanya penting bagi pengembang perangkat keras atau programmer. Pengetahuan ini juga membantu menjelaskan mengapa Bluetooth dapat bekerja secara efisien di lingkungan dengan banyak perangkat nirkabel.

Protocol stack memastikan setiap fungsi memiliki tugas yang jelas. PHY dan Link Layer menangani komunikasi radio, HCI menjadi jembatan antara controller dan host, sementara L2CAP, GAP, dan GATT mengatur koneksi serta struktur data pada lapisan host.

Di sisi radio, frequency hopping dan Adaptive Frequency Hopping membantu Bluetooth menghadapi interferensi pada pita 2,4 GHz.

Sementara pada BLE, desain modul yang menggabungkan SoC, transceiver, antena, dan manajemen daya memungkinkan perangkat dibuat kecil dan hemat energi.

Pada akhirnya, pengalaman menggunakan Bluetooth yang terlihat sederhana sebenarnya merupakan hasil dari banyak mekanisme yang bekerja secara bersamaan. Ketika pengguna memasangkan earphone, menghubungkan smartwatch, atau membaca data dari sensor IoT, ada proses discovery, koneksi, pertukaran paket, pengelolaan kanal, hingga penghematan energi yang berlangsung di balik layar.

Itulah yang membuat Bluetooth tetap menjadi salah satu teknologi komunikasi nirkabel paling penting untuk perangkat jarak pendek hingga saat ini.