Wat is Bluetooth-technologie en hoe werkt het?

Wat is Bluetooth?

Bluetooth is een bekende keuze voor draadloze technologie met een laag vermogen. Het is ontworpen voor gebruik als Wireless Personal Area Network (WPAN)-technologie naast technologieën zoals Wi-Fi en ZigBee. Toepassingen van Bluetooth variëren van mobiele telefoontoepassingen tot voertuigsensorgebaseerde toepassingen. In tegenstelling tot zijn tegenhangers is Bluetooth echter specifiek ontworpen voor kortere afstanden. Bluetooth werd voor het eerst geïntroduceerd in 1994 door Ericsson. Het enige doel van de introductie van Bluetooth was om het gebruik van draden en kabels te vervangen. In samenwerking met Nokia en Intel vormde Ericsson in 1996 de Special Interest Group (SIG), het bestuursorgaan voor het vrijgeven en definiëren van Bluetooth specificaties. In de loop der jaren groeide de alliantie van SIG, wat leidde tot de ontwikkeling van Bluetooth technologie. Het is gebaseerd op de 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical Applications) frequentieband. De eerste versies van Bluetooth ondersteunden een bitsnelheid tot 1 Mbps. Bluetooth is ook gevoelig voor cyberaanvallen vanwege de inherente beveiligingsfuncties in Bluetooth. Met al deze eigenschappen is Bluetooth een ideale kandidaat voor moderne Internet of Things (IoT) oplossingen.

Hoe werkt Bluetooth?

Bluetooth werkt voornamelijk als een WPAN-technologieoplossing voor IoT-toepassingen. Er zijn twee hoofdtypen draadloze technologieën. Deze zijn,

1. Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR) of klassieke Bluetooth
2. Lage energie (BLE of LE)

Ondanks hun verschillen in de fysieke laag, werken ze op de 2,4 GHz ISM-frequentieband. Een Bluetooth-netwerk bestaat aanvankelijk uit de volgende knooppunten:

• Adverteerder: Dit apparaatknooppunt verzendt adverteerderspakketten.
• Scanner: Een apparaatknooppunt dat pakketten ontvangt zonder de intentie om een verbinding op te zetten.

Zodra het knooppunt van het scannerapparaat een verbinding probeert te starten, wordt het een initiator genoemd. Deze verbinding wordt gestart als reactie op een verbindbare reclamegebeurtenis die wordt gepubliceerd door de adverteerder. Uiteindelijk wordt een verbinding tot stand gebracht. Nu wordt de initiator de master genoemd en de adverteerder de slave. Deze verbinding tussen een master en slave staat bekend als een piconet. In de context van Bluetooth BR/EDR kan er maximaal één master met 7 slaves in een piconet zijn. Deze piconets kunnen echter uitgebreid worden tot zogenaamde scatternets. Scatternets zouden twee piconets gecombineerd hebben, waarbij er een tweede master is om het tweede piconet te beheren. Deze secundaire master zou common zijn voor beide piconets.

Als het op Bluetooth aankomt BLE-technologieDankzij de 24-bits adressering in vergelijking met de 3-bits adressering in Bluetooth BR/EDR kan het miljoenen apparaten ondersteunen. In Bluetooth BLE is een master-slaveverbinding zelf echter een apart piconet. Daarom bevindt elk apparaat zich in een apart kanaal.

Na het tot stand brengen van een verbinding wordt een slaaf om een antwoord gevraagd nadat de master een bericht heeft verzonden. De slaaf wordt geselecteerd en krijgt een kans met behulp van een adaptieve frequentiehoppingtechniek. Dit zorgt voor veiligheid en het beste gebruik van het toegewezen kanaal.

In een piconet kan elk knooppunt of apparaat zich in de volgende toestanden bevinden:

• Master
• Slaaf
• Stand-by
• Geparkeerd

Standaard staat een knooppunt in de stand-bymodus. De geparkeerde modus is vervallen vanaf Bluetooth 5.0.

Bluetooth-specificaties

Voordat we diep in de Bluetooth-architectuur duiken, is het nuttig om de verschillen in Bluetooth-specificaties door de jaren heen te begrijpen. De volgende tabel summariseert de belangrijkste kenmerken van elke Bluetooth-specificatie.

Meer specificatiedetails zijn te vinden op https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. De huidige versie van Bluetooth is Bluetooth 5.3, uitgebracht in 2021. Bluetooth BLE is een van de technologieën die zijn ontworpen om te voldoen aan de behoeften van IoT-toepassingen. Ondersteuning van mesh-netwerken en broadcastmogelijkheden met laag energieverbruik maakt het een ideale kandidaat in plaats van klassieke Bluetooth. Klassieke Bluetooth kan alleen punt-tot-punt communicatie aan zoals in piconetten.

Bluetooth-architectuur

Laten we nu kort kijken naar de basisstructuur van de Bluetooth-architectuur. Er zijn drie basiscomponenten in de Bluetooth-stack, namelijk:

• Hardware controller
• Host-software
• Toepassingsprofielen

Deze architectuur bestaat uit protocollen of lagen die verschillende functionaliteiten afhandelen. Profielen zijn ook de functies die de protocollen gebruiken om de functionaliteit te realiseren. Als we kijken naar de Bluetooth 5.0-stack, zien we dat de apparaten zich in twee modi bevinden:

• Dubbele modus: Apparaten die zowel de BR/EDR- als de LE-modus ondersteunen
• Enkelvoudige modus: Apparaten die de modi BR/EDR of LE ondersteunen

Bluetooth betrouwbaarheid

Een van de grootste uitdagingen bij draadloze communicatie is de aanwezigheid van interferentie. Interferentie wordt veroorzaakt door pakketbotsingen en verlies in het draadloze medium. Om interferentie te overwinnen gebruikt Bluetooth de volgende technieken:

• Bluetooth-pakketten zijn klein en sneller: Dit verkleint de kans op botsingen met andere pakketten omdat ze sneller bewegen en kleiner zijn.
• Bluetooth gebruikt een speciaal frequentiesprongen over gespreid spectrum (FHSS) dat bekend staat als adaptief frequentiesprongen (AFH). Hierbij wordt de gegeven frequentieband opgedeeld in verschillende kanalen en de pakketten hoppen tussen de kanalen tijdens de overdracht. Ook kunnen ze overbelaste en corrupte kanalen identificeren en deze dus vermijden.
• Bluetooth ondersteunt ook bevestigingsberichten om de juiste aflevering van berichten te bevestigen in point-to-point en mesh netwerken.
• Bovendien worden Bluetooth-pakketten in mesh-netwerken heruitgezonden als meerdere kopieën in verschillende kanalen. Dit garandeert een goede overdracht, zelfs in de meest lawaaierige omgevingen.

Hoe veilig is Bluetooth?

Als het gaat om het inschakelen van IoT-apparaten in WPAN, is een belangrijk aspect het beveiligingsniveau van de gekozen transmissietechnologie. Bluetooth is van nature een veilige keuze als het gaat om draadloze technologieën. Dit komt door het gebruik van de AFH-techniek waarbij verzonden pakketten snel tussen verschillende kanalen hoppen. Om de veiligheid van de transmissie verder te verbeteren heeft Bluetooth SIG echter verschillende beveiligingsfuncties voorzien die naar behoefte ingeschakeld kunnen worden. Zo kan bijvoorbeeld de Bluetooth Out of Band techniek pairing gebruikt worden om de verbinding te beveiligen tegen verschillende kwetsbaarheden.

Wat is het bereik van Bluetooth?

Bluetooth is een draadloze WPAN-technologie waardoor het een ideale kandidaat is voor korte afstanden en in gesloten ruimtes. Ondanks de verschillende stappen die zijn ondernomen om het bereik te vergroten, bepalen bepaalde factoren het haalbare bereik. Deze factoren zijn onder andere:

• Padverlies in de omgeving.
• De versterking van de zendontvangerantenne.
• Het geselecteerde radiospectrum. Een kleine frequentieband zorgt voor een groter bereik.
• Het geselecteerde fysieke medium. Bluetooth is uitgerust met verschillende opties met verschillende gegevenssnelheden zoals BR/EDR, HS en BLE.

Het is dus aan de IoT-architect om het bereik te bepalen, afhankelijk van de bovengenoemde factoren.

Voor- en nadelen van Bluetooth in het internet van de dingen

Voordelen van Bluetooth zijn onder andere:

• Gevoeligheid voor interferentie van andere draadloze technologieën
• Laag energieverbruik
• Kan worden gebruikt voor zowel data- als spraakoverdracht

Nadelen van Bluetooth zijn:

• Veiligheid kan in gevaar komen
• Lage bandbreedte in vergelijking met Wi-Fi
• Langzamer (er zijn nog steeds verschillende opties om uit te kiezen)

Conclusie

Bluetooth is een ideale kandidaat voor IoT-toepassingen die een laag energieverbruik vereisen. Idealiter is het meer geschikt voor gebieden met meer interferentie van andere draadloze transmissies. Maar ondanks de uitdagingen en nadelen is Bluetooth een bekende keuze als het gaat om WPAN IoT-toepassingen zoals domotica.