Bluetooth 1.0/1.1/1.2 (IEEE 802.15)

Bluetooth ist eine standardisierte, universelle und lizenzfreie Funktechnik zum Übertragen von Sprache und Daten. Die Funktechnik Bluetooth ist typischerweise in kleinen mobilen Geräten integriert und wird für Kurzstrecken von wenigen Metern verwendet.
Bei der Entwicklung von Bluetooth wurde besonderen Wert auf geringe Störanfälligkeit, niedrigen Stromverbrauch, kleine Bauform und integrierte Sicherheitsmechanismen gelegt. Bluetooth ist so flexibel, dass jegliche Geräte untereinander Daten austauschen können.

In der ursprünglichen Form diente Bluetooth überwiegend der Anbindung von Headsets, Kopfhörern, Lautsprechern und Autoradios. Es handelt sich dabei um die Übertragung kontinuierlicher Datenströme, wie Audio, Musik oder Telefonie. Durch Bluetooth Low Energy wurden die Funktionen zur verbindungslosen Kommunikation auf geringsten Stromverbrauch optimiert und finden sich somit auch in Wearables und Smartwatches wieder.

Mit Bluetooth Mesh ist Bluetooth auch für die speziellen IoT-Anforderungen geeignet. Doch nicht jedes Bluetooth-Gerät umfasst alle Funktionen, die Bluetooth bietet. Die Hersteller wählen aus den Standards, was sie implementieren wollen. Sie richten damit ihre Produkte an bestimmte Erfordernisse aus. Während Smartphones und Tablets viele Funktionen mitbringen, benötigen Sensoren und Empfänger nur einen geringen Funktionsumfang.

Bluetooth-Verbindungen

Bluetooth Classic
(Version 1.x/2.x/3.0)
Bluetooth Low Energy
(Version 4.x/5)
Punkt-zu-Punkt (1:1) Punkt-zu-Punkt (1:1) Broadcast (1:m) Mesh (m:m)
Audiostreaming
drahtlose Headsets
drahtlose Lautsprecher
Auto-Audiosysteme
Dateiübertragung
Sport- und Fitnessgeräte
Medizin- und Wellnessgeräte
Peripherie und Gadgets
Ortsbezogene Informationen
Beacons für Point of Interest, Tracking und Navigation
Geräte-Netzwerke
Gebäude-Automation
Sensor-Netzwerke
Tracking von Gegenständen

Übersicht: Bluetooth-Standards

Geschichte und Entwicklung

1994 entwickelten die beiden Mobilfunkhersteller Ericsson und Nokia eine Technik für einen einfachen Kurzstreckenfunk, der kleine Geräte ohne großen Aufwand verbinden konnte.
Der Name für dieses Projekt geht auf den Wikingerkönig Harald Gormson Blaatand zurück, der Dänemark und Norwegen miteinander versöhnte. Zu Deutsch heißt Bluetooth Blauzahn.
1998 gründeten mehrere Firmen eine Spezial Interest Group (SIG) für Bluetooth. Heute gehören mehrere tausend Firmen der Bluetooth-SIG an.

Übertragungsverfahren

Bluetooth benutzt das lizenzfreie ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) zwischen 2,402 und 2,480 GHz. Damit stehen 79 je ein MHz breite Kanäle zur Verfügung. Da das Frequenzband um 2,4 GHz auch von vielen anderen drahtlosen Übertragungsverfahren genutzt wird (z. B. WLAN nach IEEE 802.11), werden bei Bluetooth mittels Frequenzhopping (FHSS) die Kanäle mit 1.600 Frequenzsprüngen in der Sekunde gewechselt. Die Stabilität von Bluetooth-Verbindungen erweisen sich durch die häufigen Frequenzsprünge und den kleinen Datenpaketen als sehr hoch.

Mit Bluetooth kann man bis zu 8 Geräte ohne Sichtverbindung zu einem Netzwerk miteinander verbinden (Piconet). Weitere 248 Geräte können sich anmelden, müssen aber passiv bleiben. Jedes dieser Geräte hat seine eigene individuelle 48-Bit-Adresse (MAC-Adresse der IEEE), die weltweit einzigartig ist und zur Identifikation des Gerätes dient.

Die meisten anderen Funkstandards beherrschen nur eine Art der Übertragung. Entweder synchron (z. B. DECT), das heißt in beide Richtungen gleichzeitig, oder asynchron (z. B. WLAN nach IEEE 802.11). Das heißt, beide Richtungen abwechselnd. Bluetooth beherrscht beide Übertragungsverfahren.

Synchronous Connection Oriented (SCO)

Für die Übertragung von Sprache wird das synchrone Verfahren eingesetzt. Dabei wird die Sprache synchron in festen Zeitschlitzen (Timeslots) übertragen. Die Qualität der Verbindung steht bei diesem Verfahren im Vordergrund.

Asynchronous Connectionsless Link (ACL)

Beim regulären Datenaustausch benutzt Bluetooth das asynchrone Verfahren. Dieses ist nicht zeitkritisch, überträgt die Daten aber zu 100% an das Ziel. Es wird sowohl der symmetrische als auch der asymmetrische Übertragung unterstützt.

Übertragungsgeschwindigkeit

Der Bruttodurchsatz einer Bluetooth-Datenübertragung beträgt 1 MBit pro Sekunde. Eine asymmetrische Bluetooth-Verbindung hat eine Netto-Datenrate von 723,2 kBit/s in Download-Richtung und 57,6 kBit/s in Upload-Richtung. Die symmetrische Verbindung überträgt 432,6 kBit/s in jede Richtung, zusammen also 865,2 kBit/s. Unter guten Bedingungen sind bis zu 640 kBit/s in Download-Richtung möglich.
Mit EDR (Enhanced Data Rate) wird die Brutto-Datenrate auf bis zu 3 MBit/s erhöht. So sind Netto-Datenraten von bis zu 2 MBit/s möglich.

Übertragungsgeschwindigkeit Brutto Netto Modulation
Basic Rate 1 MBit/s 723,2 kBit/s GFSK
Enhanced Data Rate 2 MBit/s 1.446,2 kBit/s π/4DQPSK
3 MBit/s 2.169,6 kBit/s 8DPSK

Reichweite und Leistungsklassen

Bluetooth definiert drei Leistungsklassen, die für die Reichweite hauptsächlich verantwortlich sind. Jedoch ist es jedem Hersteller freigestellt, bis zum gesetzlich vorgeschriebenen Maß mit mehr Leistung zu funken. Die Reichweite ist von der Sendeleistung und der Empfangsempfindlichkeit der Empfänger und ihrer Antennen abhängig.

Klasse maximale Sendeleistung Mindestreichweite bei Sichtverbindung
1 100 mW / 20 dBm 100 m
2 2,5 mW / 4 dBm 20 m
3 1 mW / 0 dBm 10 m

Sicherheit

Im Gegensatz zur Datenübertragung über Kabel wird die Sicherheit bei Funkverfahren groß geschrieben. Bluetooth kennt drei Sicherheitsstufen. Für die Stufen Mittel und Hoch müssen Passwörter vergeben werden.

Niedrig Die Geräte können sich untereinander erkennen und können ohne Authentifizierung Verbindungen zueinander herstellen.
Mittel Die Geräte können sich untereinander erkennen, können aber ohne Authentifizierung keine Verbindung zueinander herstellen (Dienste-Authentifizierung).
Hoch Die Geräte können sich untereinander nicht erkennen. Eine Verbindung ist nur mit einer Authentifizierung möglich (Verbindungs-Authentifizierung).

Bluetooth-Protokollstapel

Bluetooth-Protokollstapel

Die unterste Ebene im Bluetooth-Protokollstapel ist die Funkschnittstelle. Darauf setzt das Baseband auf. Es handelt sich dabei um eine Schnittstelle zu den höheren Protokollen. Sie ermöglicht den Zugriff auf die Funkkanäle durch Sende-/Empfangsroutinen. Auf dem Baseband setzen die Protokolle LMP und L2CAP auf. Das LMP (Link Manager Protocol) übernimmt die Steuerung der Kommunikation, wie den Verbindungsaufbau und -abbau, die Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung. HCI (Host Controller Interface) ist eine Kommandoschnittstelle, über die der Zugriff auf Baseband-Funktionen erfolgt.
L2CAP (Logical Link and Control Adaptation Protocol) stellt mehrere logische Kanäle für die Datenübertragung bereit. Die Übertragung von Sprache erfolgt direkt über das Baseband. Dazu gehören auch Anwendungen, wie Headsets oder Freisprecheinrichtungen. Das L2CAP übernimmt auch die das Multiplexing von Protokollen und Datenströmen. Auf L2CAP baut das RFCOMM-Protokoll auf, über das sehr viele Bluetooth-Anwendungsprofile abgewickelt werden. RFCOMM ist an die serielle Kommunikation über Kabel angelehnt. Es bietet Schnittstellen an, die es Anwendungsentwicklern einfach macht, bereits bestehende Anwendungen, die eine serielle Schnittstelle verwenden, zu portieren. RFCOMM ist vor allem aus Gründen der Abwärtskompatibilität vorhanden. Bis zu 60 serielle Schnittstellen können verarbeitet werden. Sogar herkömmliche AT-Kommandos funktionieren damit.

OBEX (Object Exchange Protocol) ist ein weiteres Protokoll, dass auf L2CAP aufbaut. Es dient zum Austausch von Daten und Objekten zwischen zwei Stationen. OBEX ist von IrDA bekannt und wurde praktischerweise für Bluetooth übernommen. Es wird von vielen Betriebssystemen unterstützt und bietet einen Plattform-unabhängigen Informationsaustausch. Allerdings wird es nur sehr selten verwendet. Zur Synchronisation unterschiedlicher Geräte verwenden Hersteller gerne ihre eigenen Protokolle und Anwendungen.
TCS BIN (Telephony Control Protocol Binary) ist ein Protokoll, das ebenfalls auf L2CAP aufsetzt. Es ist eine Steuerschicht für Telefonie-Anwendungen mit Funktionen zur Anrufkontrolle.

SDP (Service Discovery Protocol) ermöglicht das Erkennen und Abfragen von Diensten, die von anderen Bluetooth-Geräten angeboten werden. Dieses Protokoll ermöglicht es, dass die angebotenen Dienste automatisch erkannt werden. Über eine UUID (Universal Unique Identifier) werden die Dienste eindeutig identifiziert. Darin sind Informationen über die Klasse des Dienstes und weitere spezifische Informationen enthalten.

Basisprotokolle

Die Protokolle bekommt der Anwender nicht zu sehen. Sie arbeiten im Hintergrund. Einige arbeiten Hand in Hand mit einem Bluetooth-Profil zusammen. Andere sind Basisprotokolle für alle Profile.

  • GAP - Generic Access Profile
  • SDP - Service Discovery Protocol
  • CMTP - CAPI Message Transport Protocol
  • BNEP - Bluetooth Network Encapsulation Protocol
  • RFCOMM - Serial Port Emulation
  • TCS - Telephony Control Specification
Anwendungen   ISDN LAN Serial Modem Telephone
Schnittstellen CAPI NIC COM AT a/b
Profile GAP SDAP CIP PAN SPP DUN CTP
Basisprotokolle GAP SDP CMTP BNEP RFCOMM TCS
Funkschnittstelle L2CAP

Bluetooth-Profile

Die Profile in Bluetooth haben eine zentrale Bedeutung. Sie definieren den Aufbau und den Inhalt einer bestimmten Kommunikation in Abhängigkeit der Anwendung. Die Bluetooth-Profile erlauben die Zusammenarbeit der Bluetooth-Geräte auf der Anwendungsebene und garantiert die Zusammenarbeit von Bluetooth-Geräten unterschiedlicher Hersteller. Ein typisches Beispiel ist die Kommunikation zwischen Handy und Headset. Beide Geräte müssen nicht vom selben Hersteller kommen.

In einem Profil sind Regeln und Protokolle definiert. Der Benutzer hat dadurch den Vorteil, dass er die Endgeräte nicht manuell aufeinander abstimmen muss. Zusätzlich lässt Bluetooth mehrere Profile gleichzeitig zu.
Durch ein Profil bleibt das Gerät auf die für die spezifische Anwendung notwendigen Funktionen beschränkt. Dadurch bleibt es klein und stromsparend. Das bedeutet, das Gerät muss nur einen geringen Funktionsumfang besitzen und muss nicht alle erdenklichen Funktionen beherrschen.
Die Profile werden vom Bluetooth-SIG standardisiert.

Kürzel Profil Anwendung
GAP Generic Access Profile grundlegendes Verfahren zur Authentifizierung und Verbindungsaufnahme
A2DP Advaced Audio Distribution Profile drahtlose Stereoverbindung für Lautsprecher oder Kopfhörer
SDAP Service Discovery Application Profile Diensteabfrage, der gerade sichtbaren Nachbarn
CIP Common ISDN Access Profile ISDN-CAPI-Schnittstelle
PAN Personal Area Network Netzwerkverbindung mit Ethernet
SPP Serial Port Profile serielle Schnittstelle
DUNP Dial-Up Networking Profile Einwahl über GSM, UMTS, Analog-Modem oder ISDN in eine Netzwerk. Zum Beispiel für Internet-Zugang.
CTP Cordless Telephony Profile schnurlos Telefonie
HSP Headset Profile Funktionen für Headset und Freisprecheinrichtung (Steuerung der Audiokanäle und Lautstärkeregelung)
HCRP Hardcopy Cable Replacement Profile Drucken
HID Human Interface Device Tastatur- und Mausanschluss (Mensch-zu-Maschine-Schnittstelle)
GOEP Generic Object Exchange Profile Objektaustausch
HFP Hands Free Profile herstellerunabhängige Kommunikation zwischen Handy und Freisprecheinrichtung
FTP File Transfer Profile Dateiübertragung
BIP Basic Imaging Bildübertragung
BPP Basic Printing Profile Drucken über die parallele Schnittstelle
FaxP Fax Profile Senden und Empfangen von Fax-Nachrichten
IntP Intercom Profile Sprechfunk
PAN Personal Area Network drahtlose Kopplung mit Ethernet (LAN)
OPP Object Push Profile Termine und Adressen übertragen
SAP SIM Access Profule SIM-Karten-Zugriff
GAVDP Generic AV Distribution Audio- und Videoübertragung
AVRCP Audio Video Remote Control Audio/Video-Fernbedienung
ESDP Extended Service Discovery Profile erweiterte Diensteerkennung
LAP LAN Access Profile LAN-Zugriffe über PPP, IP, Peer-to-Peer, NetBIOS
SP Synchronisation Profile Synchronisation zwischen Geräten (PC, PDA, Handy, Smartphone) und Applikationen (Kalender, Adressbuch, E-Mail, Dateien)
HDP Health Device Profile Übertragung von Medizindaten

Ein großer Vorteil von Bluetooth sind die vielen Profile, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten möglich machen. Ein weiterer und entscheidender Vorteil ist, die Profile sind unabhängig vom Übertragungsverfahren. Deshalb ist es ohne große Probleme möglich, Bluetooth auf andere Funksysteme aufzusetzen.

Bluetooth-Kurzübersicht

Frequenzband: 2,4 GHz (lizenzfreies ISM-Band)
Brutto-Datenrate: 1 MBit/s
Netto-Datenrate: 723,2 kBit/s (Download) / 57,6 kBit/s (Upload), asymmetrisch
432,6 kBit/s (Download) / 432,6 kBit/s (Upload), symmetrisch
Reichweite: 10 Meter / 20 Meter / 100 Meter / mehr
Abhörsicherheit: 128 Bit Kryptoschlüssellänge
Störfestigkeit: 1.600 Frequenzsprünge in der Sekunde
Stromverbrauch: gering, mit Stromspar-Modi
Kompatibilität: durch Anwendungs-Profile erweiterbar

Bluetooth 2.0/2.1 (EDR)

Das herkömmliche Bluetooth mit der Version 1.0, 1.1 und 1.2 beherrscht ausschließlich den Basic-Rate-Modus mit maximal 723,2 kBit/s. Für schnurlose Verbindungen für Synchronisieren, Drucken, Headset und manchmal auch Surfen, ist diese Übertragungsrate vollkommen ausreichend. Doch sobald Audio- und Video-Daten übertragen werden sollen, reicht die Bandbreite nicht mehr aus. Hierfür wurde die EDR-Technik (Enhanced Data Rate) mit 1.446,4 entwickelt 2.169,6 kBit/s entwickelt und in Bluetooth mit der Version 2.0/2.1 integriert.

Bluetooth 3.0+HS

Durch einen Highspeed-Modus ist Bluetooth 3.0+HS für die Übertragung von Fotos, Videos und Musik geeignet. Um nichts Neues erfinden zu müssen, hat man kurzer Hand einfach auf die WLAN-Übertragungstechnik von IEEE 802.11g mit einer Übertragungsrate von 54 MBit/s zurückgegriffen. Dabei ist kein Umweg über einen Access Point notwendig. Es handelt sich um einen Adhoc-Betrieb.

Bluetooth Low Energy (4.0/4.1/4.2)

Bluetooth mit den Versionen 4.0, 4.1 und 4.2 wird auch als Bluetooth Low Energy (BLE) bezeichnet. Es handelt sich um eine sehr stromsparende Variante von Bluetooth. Dadurch ergeben sich Anwendungen für ein Wireless-Personal-Area-Network (WPAN) in den Bereichen Gesundheit, Sport, Medizin, Unterhaltungselektronik, Heimautomation und Autoelektronik.
Bluetooth Low Energy spielt heute eine entscheidende Rolle bei der Anbindung von Wearables, Spielzeug, Sensoren, Aktoren und Smartwatches an Smartphones.

Bluetooth 5

Bluetooth 5 steht unter dem Motto "höhere Geschwindigkeit oder mehr Reichweite" bei geringstem Stromverbrauch (Low Energy Transmission). Es ist auf Anwendungen im Bereich "Internet der Dinge" (Internet of Things, IoT) fokussiert.
Im Vergleich zu den Vorgänger-Versionen kann mit Bluetooth 5 wahlweise die Reichweite vervierfacht oder die Geschwindigkeit verdoppelt werden.

Bluetooth Mesh

Der Einsatz von Bluetooth als IoT-Funksystem ist nur eingeschränkt möglich, weil die Reichweite zu gering ist. Das wurde zwar mit Bluetooth 5 verbessert, allerdings bleiben Geräte, die zu weit von einer Basisstation entfernt sind immer noch außen vor. Abhilfe schafft der Mesh-Betrieb, bei dem jedes Bluetooth-Gerät Nachrichten von Nachbargeräten weiterleiten kann.

Wie sicher ist Bluetooth?

Als Funktechnik strahlt Bluetooth die Funksignale in den freien Raum, wo sie von in Reichweite befindlichen Geräten empfangen werden können. Ohne eingebaute Sicherheitsfunktionen, wie Authentifizierung und Verschlüsselung, wäre Bluetooth nicht praxistauglich.
In der Regel ist es beim Thema Bluetooth-Sicherheit eher ruhig. Der Grund ist, dass der Angreifer für einen Angriff in der Nähe der mit Bluetooth ausgerüsteten Geräte sein muss. Für größere Entfernungen ist die Signalstärke zu gering. Und der Angriff macht in der Regel nur dann Sinn, wenn man das Gerät einer bestimmten Zielperson korrekt identifiziert.
Pauschale Angriffe auf alle Geräte sind meist nicht zweckmäßig, ich sei denn ein Angreifer will in großem Maßstab Schadcode verteilen.

Die Bluetooth-Spezifikationen enthalten viele Freiheiten, um die beschriebenen Funktionen umzusetzen. Hier finden sich bereits viele Schwachstellen, die durch die vielen Implementierungen in Hardware und Software nicht weniger werden. Bekannt sind kritische Sicherheitslücken in Bluetooth-Treibern verschiedener Systeme, über die ein Angreifer im schlimmsten Fall Code auf das System schleusen und ausführen kann. Denkbar wäre ein Schadcode, der als Wurm von Gerät zu Gerät springt.
Zwar wird dem durch Sicherheitsupdates ein Riegel vorgeschoben. Doch manche Hersteller versorgen ihre älteren Geräte nicht mehr mit Sicherheitsupdates. Außerdem muss sich der Anwender meist selber um das Einspielen der Updates kümmern.
Richtig böse sind die Sicherheitslücken deshalb, weil solange Bluetooth aktiv ist, sind die Geräte ohne Sicherheitsupdate verwundbar.

Übersicht: Bluetooth

Konkurrierende Funksysteme

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