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Bluetooth

Bluetooth ist eine Wireless-Technologie für die Kurzstrecke, die im unlizenzierten 2.4 GHz ISM-Funkfrequenzband (Industrial, Scientific and Medical) operiert.

Bluetooth‑Logo

Robuste Konnektivität in einem global implementierten Ökosystem

Bluetooth Wireless‑Technologie ist momentan in zwei Varianten verfügbar: BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate) für Audio- und Streaming‑Anwendungen und Bluetooth Low Energy (BLE) für die kurzzeitige Datenübertragung in Batterie‑betriebenen Sensorgeräten.


Robustheit

Bluetooth passt die Frequency Hopping Sequenz – mit Hilfe von Adaptive Frequency Hopping (AFH) – dynamisch an, um Kanäle zu vermeiden, die möglicherweise von anderen Technologien verwendet werden. Die automatische Energiesteuerung reduziert die Ausgangsleistung auf ein Mass, das zum Aufrechterhalten von Verbindungen erforderlich ist, das aber gleichzeitig andere Funkgeräte mit 2.4 GHz (einschliesslich anderer Bluetooth‑Verbindungen) in der Nähe nicht stört. Durch Forward Error Correction (FEC) können Empfänger begrenzte Bitfehler korrigieren, die in rauen Umgebungen auftreten können. Aus diesem Grund ist Bluetooth besonders geeignet für Anwendungen in den Bereichen Industrie, Automotive und Medizin, wo die von Bluetooth bereitgestellte Zuverlässigkeit entscheidend ist.


Beispielloses Ökosystem

Laut ABI Research ist zu erwarten, dass bis 2021 mehr als fünf Milliarden Bluetooth‑fähige Geräte ausgeliefert werden. Bluetooth hat sich bereits zu einem Standard für Wireless‑Konnektivität zwischen mobilen Geräten entwickelt und steht in allen Smartphones und Tablets zur Verfügung. Es gibt Hunderte von Anwendungen für Smartphones und massgeschneiderte tragbare Steuerungsgeräte, mit denen ein anderes System mit integriertem Bluetooth verwaltet oder gesteuert wird und zur gemeinsamen Nutzung von Medien, Dateien und Informationen zwischen Benutzern.


Gegenüberstellung von BR/EDR und Bluetooth Low Energy

Zwar heissen beide Technologien „Bluetooth“, trotzdem bestehen grundlegende Unterschiede zwischen Bluetooth BR/EDR und Bluetooth Low Energy. Bluetooth BR/EDR ist für Audio‑Verbindungen und Streaming‑Anwendungen gedacht. Bluetooth Low Energy Technologie ist ideal geeignet für Anwendungen, die regelmässig eine kleine Anzahl an Daten übertragen müssen, wo also extrem niedriger Stromverbrauch im Vordergrund steht. Es nutzt einen schnelleren Verbindungsmechanismus als Bluetooth BR/EDR. Damit braucht die Funkverbindung nur für sehr kurze Zeit hergestellt zu werden. Darum ist diese Technologie besonders nützlich bei Sensoren für IoT‑Anwendungen (Internet of Things).

Dual‑Mode Bluetooth‑Geräte unterstützen sowohl Bluetooth Low Energy als auch Bluetooth BR/EDR. Das ist beispielsweise bei Smartphones nützlich, die sich über Bluetooth BR/EDR mit einem Laptop und über Bluetooth Low Energy mit einem Pulsmesser verbinden. Der Pulsmesser nutzt nur Bluetooth Low Energy und ist daher ein Beispiel für ein Single‑Mode Gerät mit Bluetooth Low Energy.

Bei Bluetooth Low Energy spricht man von den peripheren und zentralen Rollen für ein Gerät. Sobald die Verbindung hergestellt wurde, bilden die Geräte eine Master und Slave Topologie, ähnlich wie bei Bluetooth BR/EDR. Im oben genannten Beispiel agiert also der Pulsmesser als peripheres Gerät/Slave, während das Smartphone als zentrales Gerät/Master agiert.

Ein Profil ist eine Spezifikation, die einen bestimmten Einsatzfall beschreibt und dazu eingesetzt wird, Interoperabilität zwischen Geräten zu erreichen, die dasselbe Profil unterstützen. Zwei Bluetooth BR/EDR‑fähige Geräte müssen dasselbe Profil implementiert haben, damit sie sich miteinander verbinden können. Bei Personal Area Networking (PAN) können beispielsweise zwei oder mehr Geräte ein Ad‑hoc Netzwerk bilden, und das Serial Port Profile (SPP) ersetzt eine serielle Kommunikationsschnittstelle.

Bei Bluetooth Low Energy definieren die GATT‑Profile (Generic Attribute) eine hierarchische Datenstruktur für den Austausch von Konfigurationsdaten zwischen Bluetooth Low Energy Geräten. Die GATT‑Profile beschreiben Einsatzfälle, und die GATT-Services sind Eigenschaften (Daten, Beschreibungen, mögliche Aktionen usw.), die die Fähigkeiten eines Bluetooth Low Energy Geräts definieren.

GATT definiert Clients („Geräte, die Daten haben wollen“) und Server („Geräte, die Daten haben“). Server und Clients tauschen Informationen aus, um einen Dialog herzustellen und die Payload‑Transportanforderungen und deren Wiederholungsraten oder Ereignis‑Auslöser zu definieren. Es ist möglich, dass beide Funktionen im selben Produkt vorhanden sind: bei den u‑blox Bluetooth Low Energy Modulen (NINA B1, NINA‑B3, ODIN‑W2) sind sowohl die Rollen GATT‑Server als auch GATT‑Client implementiert, was höhere Designflexibilität ermöglicht. Es ist auch möglich, massgeschneiderte Services zu definieren. Beispielsweise hat u‑blox festgelegt, dass der Serial Port Service von u‑blox den zuverlässigen seriellen Austausch von Daten zwischen Bluetooth Low Energy Geräten, ganz ähnlich wie beim Bluetooth EDR/BR SPP, ermöglicht.

 


Bluetooth 5

Bluetooth5

Die neueste Version der Spezifikation, Bluetooth 5, umfasst drei wichtige Verbesserungen bei Bluetooth Low Energy: erhöhte Datenrate (2‑fache Geschwindigkeit), höhere Reichweite (4‑mal die Entfernung) und verbesserte Advertising‑Fähigkeit. Zwei dieser Funktionen können mit einem Software‑Upgrade erreicht werden und für eine davon (höhere Reichweite) ist neue Hardware erforderlich.

Das vor kurzem eingeführte Bluetooth Mesh ermöglicht Bluetooth Low Energy Netzwerklösungen, bei denen in einem vermaschten Netz alle Knoten untereinander verbunden sind. Bluetooth Mesh ist als Software‑Update für Bluetooth Low Energy verfügbar und kann mit allen Bluetooth Low Energy Versionen 4.0, 4.1, 4.2 und 5.0 verwendet werden.

Durch Mesh wird der abgedeckte Bereich deutlich erweitert, sogar über Bluetooth 5 hinaus, weil Bluetooth‑Knoten Nachrichten weiterleiten können und als Stationen in einem kooperativen Netzwerk fungieren.

Bluetooth 5 und Bluetooth Mesh eröffnen komplett neue Anwendungen für Bluetooth. Industrielle Sensornetzwerke, Gebäudeautomatisierung, Strassenbeleuchtung, Überwachung von Umweltbelastungen und viele andere Anwendungen benötigen damit nur einen einzigen Hostknoten, um Daten zu sammeln, steuern und verwalten sowie das Mesh‑Netzwerk zu steuern und zu verwalten.

Übersicht über Bluetooth‑Versionen und ihre Funktionen:

Version/Erweiterung Funktionen Beschreibung
Bluetooth 4.1
BR/EDR Secure Connections Bietet 128‑Bit AES‑Verschlüsselung
Dual‑Mode Topologie Ermöglicht, dass ein Gerät gleichzeitig als Bluetooth Dual‑Mode Hub und Bluetooth Low Energy Peripheriegerät agiert
L2CAP Dedicated Channels Ermöglicht IPv6 über Bluetooth Low Energy
Bluetooth 4.2 Internet Protocol Support Profile (IPSP) Ein Bluetooth Low Energy Sensor kann über ein Gateway‑Gerät auf das Internet zugreifen
LE Privacy 1.2 Verhindert, dass Bluetooth Low Energy Geräte verfolgt werden
LE Secure Connections Bietet 128‑Bit AES‑Verschlüsselung für Bluetooth Low Energy
LE Data Length Extension Steigert den Datendurchsatz auf das bis zu 2.5‑fache
Bluetooth 5 2 Mbit/s LE Erweitert die von Bluetooth Low Energy unterstützten Datenraten auf bis zu 2 Mbit/s, womit die Geschwindigkeit verdoppelt wird
LE Long Range Erweitert die Reichweite, die Bluetooth Low Energy Geräte unterstützen, auf das Vierfache
LE Advertising Extension Unterstützt längere Advertisment‑Nachrichten als Vorbereitung auf zukünftige IPv6‑basierte Mesh‑Netzwerke und für funktionsreichere Bluetooth‑Beacons
Bluetooth Mesh LE Topography Extension Mesh Networking erweitert den abgedeckten Bereich durch ein kooperatives Bluetooth Low Energy Netzwerk deutlich