Was ist die Bluetooth-Technologie und wie funktioniert sie?

Was ist Bluetooth?

Bluetooth ist eine bekannte drahtlose Technologie mit geringem Stromverbrauch. Sie ist für den Einsatz als Wireless Personal Area Network (WPAN) Technologie neben Technologien wie Wi-Fi und ZigBee. Die Anwendungen von Bluetooth reichen von Mobiltelefonen bis hin zu Sensoren in Fahrzeugen. Im Gegensatz zu seinen Pendants ist Bluetooth jedoch speziell für kürzere Entfernungen konzipiert. Bluetooth wurde erstmals 1994 von Ericsson eingeführt. Der einzige Zweck der Einführung von Bluetooth bestand darin, die Verwendung von Kabeln und Leitungen zu ersetzen. In Zusammenarbeit mit Nokia und Intel gründete Ericsson 1996 die Special Interest Group (SIG), die für die Freigabe und Definition der Bluetooth-Spezifikationen zuständig ist. Im Laufe der Jahre wuchs die Allianz der SIG, was zur Entwicklung der Bluetooth-Technologie führte. Sie basiert auf dem 2.4 GHz ISM-Frequenzband (Industrial, Scientific, and Medical Applications). Die ersten Versionen von Bluetooth unterstützten eine Bitrate von bis zu 1 Mbps. Bluetooth ist auch anfällig für Cyberangriffe, da es über eigene Sicherheitsfunktionen verfügt. Mit all diesen Eigenschaften ist Bluetooth ein idealer Kandidat für moderne Internet of Things (IoT)-Lösungen.

Wie funktioniert Bluetooth?

Bluetooth funktioniert hauptsächlich als WPAN-Technologie für IoT-Anwendungen. Es gibt zwei Haupttypen von Drahtlostechnologien. Sie sind,

1. Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR) oder klassisches Bluetooth
2. Niedrige Energie (BLE oder LE)

Trotz ihrer Unterschiede in der physikalischen Schicht werden sie auf der 2.4 GHz ISM-Frequenzband. Ein Bluetooth-Netz besteht zunächst aus den folgenden Knotenpunkten:

• Werber: Dieser Geräteknoten sendet Advertiser-Pakete.
• Scanner: Ein Geräteknoten, der Pakete empfängt, ohne dass die Absicht besteht, eine Verbindung aufzubauen.

Sobald der Scanner-Geräteknoten versucht, eine Verbindung aufzubauen, wird er als Initiator bezeichnet. Diese Verbindung wird als Reaktion auf ein vom Inserenten veröffentlichtes verbindungsfähiges Werbeereignis gestartet. Schließlich wird eine Verbindung hergestellt. Nun wird der Initiator als Master bezeichnet, während der Inserent als Slave bezeichnet wird. Diese Verbindung zwischen einem Master und einem Slave wird als Piconet bezeichnet. Im Zusammenhang mit Bluetooth BR/EDR kann es in einem Piconet bis zu einem Master mit 7 Slaves geben. Diese Piconets können jedoch zu so genannten Scatternets erweitert werden. Bei Scatternets werden zwei Piconets kombiniert, wobei ein zweiter Master das zweite Piconet verwaltet. Dieser sekundäre Master ist mit beiden Piconets verbunden (common).

Wenn es um Bluetooth geht BLE-TechnologieAufgrund seiner 24-Bit-Adressierung im Vergleich zur 3-Bit-Adressierung bei Bluetooth BR/EDR kann es Millionen von Geräten unterstützen. Bei Bluetooth BLE hingegen ist eine Master-Slave-Verbindung selbst ein separates Piconet. Daher befindet sich jedes Gerät in einem eigenen Kanal.

Nach dem Aufbau einer Verbindung wird ein Slave nach dem Senden einer Nachricht durch den Master um eine Antwort gebeten. Der Slave wird mit Hilfe eines adaptiven Frequenzsprungverfahrens ausgewählt und erhält eine Chance. Dies gewährleistet die Sicherheit und die bestmögliche Nutzung des zugewiesenen Kanals.

In einem Piconet kann sich jeder Knoten oder jedes Gerät in den folgenden Zuständen befinden:

• Meister
• Sklave
• Bereitschaft
• Geparkt

Standardmäßig befindet sich ein Knoten im Standby-Modus. Der geparkte Modus ist seit Bluetooth 5.0 veraltet.

Bluetooth-Spezifikationen

Bevor Sie sich näher mit der Bluetooth-Architektur befassen, sollten Sie die Unterschiede zwischen den Bluetooth-Spezifikationen im Laufe der Jahre kennen. In der folgenden Tabelle su1TP14 sind die wichtigsten Merkmale der einzelnen Bluetooth-Spezifikationen aufgeführt.

Weitere Einzelheiten zu den Spezifikationen finden Sie unter https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. Die aktuelle Version von Bluetooth ist Bluetooth 5.3, die im Jahr 2021 veröffentlicht wird. Beachten Sie, dass Bluetooth BLE eine der Technologien ist, die auf die Bedürfnisse von IoT-Anwendungen zugeschnitten ist. Unterstützung von Mesh-Networking und Broadcasting-Fähigkeit mit geringer Stromverbrauch macht es zu einem idealen Kandidaten gegenüber dem klassischen Bluetooth. Klassisches Bluetooth ist nur für die Punkt-zu-Punkt-Ko1TP14Kommunikation wie in Piconets geeignet.

Bluetooth-Architektur

Schauen wir uns nun kurz die Grundstruktur der Bluetooth-Architektur an. Es gibt drei grundlegende Komponenten im Bluetooth-Stack, nämlich:

• Hardware-Controller
• Host-Software
• Anwendungsprofile

Diese Architektur besteht aus Protokollen oder Schichten, die verschiedene Funktionalitäten abdecken. Außerdem sind Profile die Funktionen, die die Protokolle verwenden, um die Funktionalität zu realisieren. Wenn man den Bluetooth 5.0 Stack betrachtet, kann man die Geräte in zwei Modi finden:

• Dualer Modus: Geräte, die sowohl den BR/EDR- als auch den LE-Modus unterstützen
• Einzelmodus: Geräte, die entweder den BR/EDR- oder den LE-Modus unterstützen

Bluetooth-Zuverlässigkeit

Eine der größten Herausforderungen bei der drahtlosen Kommelekommunikation ist das Vorhandensein von Interferenzen. Interferenzen werden durch Paketkollisionen und -verluste im drahtlosen Medium verursacht. Zur Überwindung von Interferenzen verwendet Bluetooth die folgenden Techniken:

• Bluetooth-Pakete sind kleiner und schneller: Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit anderen Paketen kollidieren, da sie sich schneller bewegen und kleiner sind.
• Bluetooth verwendet ein spezielles Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS), das als adaptives Frequenzsprungverfahren (AFH) bekannt ist. Dabei wird das gegebene Frequenzband in verschiedene Kanäle aufgeteilt und die Pakete springen während der Übertragung zwischen den Kanälen hin und her. Außerdem können sie überlastete und gestörte Kanäle erkennen und so vermeiden.
• Bluetooth unterstützt auch Bestätigungsmeldungen, um die ordnungsgemäße Zustellung von Nachrichten in Punkt-zu-Punkt- und Mesh-Vernetzung.
• Außerdem werden bei Mesh-Netzen Bluetooth-Pakete in mehreren Kopien auf verschiedenen Kanälen erneut übertragen. Dadurch wird eine ordnungsgemäße Übertragung auch in den lautesten Umgebungen gewährleistet.

Wie sicher ist Bluetooth?

Wenn es darum geht, IoT-Geräte in WPAN einzubinden, ist das Sicherheitsniveau der gewählten Übertragungstechnologie von zentralem Interesse. Bluetooth ist natürlich eine sichere Wahl, wenn es um drahtlose Technologien geht. Das liegt an der AFH-Technik, bei der die übertragenen Pakete schnell zwischen verschiedenen Kanälen hin- und herspringen. Um die Übertragungssicherheit weiter zu erhöhen, hat Bluetooth SIG jedoch verschiedene Sicherheitsfunktionen bereitgestellt, die je nach Bedarf aktiviert werden müssen. So kann zum Beispiel die Bluetooth-Out-of-Band-Technik verwendet werden, um die Verbindung vor verschiedenen Schwachstellen zu schützen.

Wie groß ist die Bluetooth-Reichweite?

Bluetooth ist eine drahtlose WPAN-Technologie und damit ein idealer Kandidat für kurze Entfernungen und geschlossene Räume. Trotz der verschiedenen Maßnahmen, die zur Verbesserung der Reichweite ergriffen wurden, entscheiden bestimmte Faktoren über die erzielbare Reichweite. Zu diesen Faktoren gehören:

• Pfadverluste in der Umwelt.
• Der Gewinn der Transceiver-Antenne.
• Das gewählte Funkspektrum. Ein kleineres Frequenzband würde eine größere Reichweite bieten.
• Das ausgewählte physikalische Medium. Bluetooth ist mit verschiedenen Optionen mit unterschiedlichen Datenraten ausgestattet, wie BR/EDR, HS und BLE.

Es liegt also im Ermessen des IoT-Architekten, die Reichweite in Abhängigkeit von den oben erwähnten Faktoren zu bestimmen.

Vor- und Nachteile von Bluetooth im IoT

Zu den Vorteilen von Bluetooth gehören:

• Anfälligkeit für Störungen durch andere Funktechnologien
• Geringer Stromverbrauch
• Kann sowohl für die Daten- als auch für die Sprachübertragung verwendet werden

Die Nachteile von Bluetooth sind:

• Die Sicherheit kann beeinträchtigt werden
• Geringe Bandbreite im Vergleich zu Wi-Fi
• Langsamer (es gibt immer noch verschiedene Optionen zur Auswahl)

Schlussfolgerung

Bluetooth ist ein idealer Kandidat für IoT-Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch erfordern. Idealerweise eignet es sich eher für Gebiete, in denen andere drahtlose Übertragungen stärker stören. Trotz der Herausforderungen und Nachteile ist Bluetooth jedoch eine berühmte Wahl, wenn es um WPAN-IoT-Anwendungen wie die Hausautomatisierung geht.