Bluetooth

Der Industriestandard für die bidirektionale Datenübertragung über kurze Distanz per Funkverbindung (UHF). Es handelt sich dabei um ein Wireless Personal Area Network (WPAN), wobei die typischen Entfernungen zwischen 0.2 m und 50 m liegen.

Über Bluetooth

Bluetooth ist ein Funkstandard der dazu dient, dass zwei gekoppelte Geräte auf kurze Distanzen kommunizieren bzw. kabellos Daten, Musik, Videos oder Bilder übertragen können.

Bluetooth wurde Ende der 1990er Jahre von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) als Industriestandard entwickelt. In der Interessensgemeinschaft der IEEE gehören mittlerweile über 30'000 Unternehmen an, welche sich für die Weiterentwicklung und Verbreitung der Bluetooth-Technik einsetzen.

Der Name Bluetooth (Blauzahn) leitet sich von Harald Blatand (910 - 987) ab, der als König von Dänemark und Norwegen u.a. auch als ausgesprochen kommunikationsfähiger Diplomat bekannt war. Das Bluetooth-Logo besteht aus dem Monogramm der Initialen HB in Runenschrift.

Wie Bluetooth funktioniert

Punkt-zu-Punkt-Verbindung: Mit Hilfe von Bluetooth bauen Geräte untereinander eine 2,4 GHz Funkverbindung auf, worüber sie Daten übertragen können. Wenn bei beiden Geräten die Bluetooth-Funktion aktiviert wurde, erzeugen sie ein Wireless Personal Area Network (Piconet), bei dem eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung besteht.
Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung: In einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung können bis zu acht Bluetooth-Geräte aktiv miteinander Daten austauschen. Ein Gerät fungiert in diesem Fall als "Master" (M) und die restlichen Teilnehmer sind "Slaves" (S). Der "Master" ist für die Steuerung der Kommunikation innerhalb des Piconetzes zuständig. Die einzelnen Geräte identifizieren sich untereinander über ein 3 Bit-AMA (Active Member Address). Geräte, die nicht aktiv am Datenaustausch teilnehmen, können im Parkmodus (P) die Synchronisation halten und bei Bedarf aktiv werden. Für den Parkmodus erhalten die Teilnehmer eine 8 Bit-PMA (Passive Member Address), so dass bis zu 256 passive Teilnehmer möglich wären.

Grundsätzlich kann ein Bluetooth-Gerät in mehreren Piconetzen angemeldet sein, aber nur in einem als "Master" agieren. Bei Bedarf können mehrere Piconetze zu einem Scatternetz zusammengefasst werden. Durch die unterschiedlichen Frequenzhopping-Folgen in den einzelnen Piconetzen leidet die Datenrate jedoch erheblich.

Funktechnik hinter Bluetooth

Für die Funkverbindung nutzt Bluetooth das für ISM-Anwendungen (Industrial, Scientific & Medical) reservierte Frequenzband, das global verfügbar und weltweit identisch ist. Somit können die mit Bluetooth ausgerüsteten Geräte überall auf der Welt genutzt werden.

In dem Bereich von 2,402 - 2,480 GZh stehen insgesamt 79 Kanäle mit einer Bandbreite von je 1 MHz zur Verfügung. Da der Frequenzbereich um 2,4 GHz auch für WLAN oder für Funkfernsteuerungen genutzt wird, führt Bluetooth ein Frequenzhopping durch (1'600 Frequenzwechsel pro Sekunde). Das bedeutet, dass der Sender und der Empfänger nur für den Bruchteil einer Sekunde auf einen Kanal Daten austauschen und dann gemeinsam auf einen anderen Kanal wechseln. Sollte ein Kanal durch externe Störungen blockiert sein, so betrifft das nur einen minimalen Anteil der übertragenen Informationen, der problemlos korrigiert werden kann. Dadurch wird die Störsicherheit deutlich erhöht, wodurch die Bluetooth-Verbindung sehr stabil ist.

Bluetooth-Versionen

Seit der Einführung des Bluetooth-Standards 1.0 im Jahr 1999 gab es zahlreiche Entwicklungsschritte, welche die Funktionalität, die Datenrate und auch die Reichweite verbessert haben. Die für IoT-Lösungen relevanten Versionen sind im Folgenden erläutert.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Mit der Einführung der Version 4.0 ("Bluetooth Low Energy") hat man Ende 2010 die Basis für das Internet der Dinge (IoT) gelegt.

Bluetooth 4.0

Mit der Einführung der Version 4.0 hat man Ende 2010 den Fokus auf das Stromsparen gelegt. Mit Bluetooth Low Energy wurden Daten nur mit max. 220 Kbit/s übermittelt, dafür war die Übertragung aber sehr stromsparend. Somit war die Technik ideal für IoT-Use Cases geeignet, wo z.B. Türschlösser, Wettersensoren, Fitnesstracker oder Smartwatches nur eine begrenzte Akkukapazität haben.

Bluetooth 4.1

Um der immer grösser werdenden Anzahl von Bluetooth-Geräten gerecht zu werden, wurde im Dezember 2013 mit IPv6 die Adressierungsmöglichkeit deutlich erweitert. Ebenso neu war auch die Möglichkeit, jedes Gerät als Host oder Client betreiben zu können. Ohne den Umweg über das Smartphone nehmen zu müssen, konnten nun z.B. Pulsmesser und Fitnessarmband direkt gekoppelt werden.

Bluetooth 4.2

Bei der im Dezember 2014 erschienen Version lag das Augenmerk auf der Verbesserung der Leistungsfähigkeit im LE-Modus. Die Geschwindigkeit konnte auf das 2,5 fache der herkömmlichen Low-Energy Variante erhöht werden. Zudem wurde mit dem ECC- bzw. AES-CMAC-Standard die Datensicherheit optimiert.

Bluetooth SMART

Bei dieser Version, die seit Juni 2016 verfügbar ist, wurden Reichweite, Geschwindigkeit und Stromverbrauch optimiert.

Bluetooth 5

Im Low Energy-Modus sind bei Bluetooth 5 nun 2Mbit/s möglich und mit Enhanced Data Rate (EDR) sogar 3 Mbit/s, wobei die Reichweite bis zu 200 m beträgt. Im Gegensatz zur Version 4, die Wearables wie Headsets, Smartwatches oder Fitnessarmbänder im Fokus hatte, eignet sich diese Version auch für Rauchmelder, Thermostate, Smart Home-Komponenten oder IoT-Sensoren. Da z.B. IoT-Sensoren nur die Bluetooth LE-Funktionen benötigen, können diese Sensoren klein, günstig und stromsparend aufgebaut werden.

Neben der Erhöhung der Reichweite und der Datenkapazität bei gleichzeitiger Energieeinsparung ist die Nutzung von verbindungslosen Diensten ein weiterer grosser Vorteil von Bluetooth 5. Das vormals manuelle Verbinden von Bluetooth-Geräten (Pairing) entfällt. Die Geräte sollen sich selbständig verbinden, wenn das vom Hersteller so vorgesehen wurde.

Bluetooth 5 eignet sich mit seiner Low Energy-Funktion auch perfekt für sogenannte Beacons. Mit den kleinen Bluetooth LE-Sendern lassen sich z.B. Personen in Supermärkten lokalisieren oder auch Pakete in einem Logistikzentrum verfolgen. Dabei verzichten die Beacons auf die Pairing-Funktion, was effektiv Zeit spart und den Energieverbrauch senkt.