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Bluetooth 1.0 / 1.1 / 1.2 (IEEE 802.15)

Bluetooth ist eine standardisierte, universelle und lizenzfreie Funktechnik zum Übertragen von Sprache und Daten. Bluetooth ist in kleine mobile Geräte integriert und wird üblicherweise für Kurzstrecken verwendet.
Bei der Entwicklung von Bluetooth wurde besonderen Wert auf geringe Störanfälligkeit, niedrigem Stromverbrauch, kleine Bauform und integrierte Sicherheitsmechanismen gelegt. Bluetooth ist so flexibel ausgelegt, das es andere Drahtlos-Techniken ablösen kann (z. B. DECT und IRDA). Jede Anwendung in einem Computer kann Bluetooth für die Datenübertragung nutzen.

Mit Bluetooth kann man bis zu 8 Geräte ohne Sichtverbindung aktiv 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), die weltweit einzigartig ist und zur Identifikation des Gerätes dient.

Übersicht: Bluetooth

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 zu 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 1600 Frequenzsprüngen in der Sekunde gewechselt. Die Stabilität von Bluetooth-Verbindungen erweist sich durch die häufigen Frequenzsprüngen und kleinen Datenpaketen als sehr hoch.

Synchronous Connection Oriented (SCO)
Für die Übertragung von Sprache wird das SCO-Verfahren eingesetzt. Vergleichbar mit ISDN wird die Sprache synchron in festen Zeitschlitzen (Timeslots) übertragen. Die Qualität der Verbindung steht bei diesem Verfahren im Vordergrund. Deshalb findet die Kommunikation auf einem geschützten Kanal statt.

Asynchronous Connectionsless LINK (ACL)
Beim Datenaustausch benutzt Bluetooth ACL. Diese ist nicht zeitkritisch, überträgt die Daten aber zu 100% an das Ziel. Es wird sowohl symmetrischer als auch asymmetrischer Datenverkehr unterstützt.

Die Vorteile von Bluetooth liegen bei diesen beiden Übertragungsverfahren, die Bluetooth gleichzeitig beherrscht. Andere Funkstandards beherrschen nur eine Art der Übertragung, symmetrisch (z. B. DECT) oder asymmetrisch (z. B. WLAN nach IEEE 802.11).

Übertragungsgeschwindigkeit

Der Bruttodurchsatz einer Bluetooth-Datenübertragung beträgt 1 MBit pro Sekunde. Ein 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 1446,2 kBit/s π/4DQPSK
3 MBit/s 2169,6 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 dem Profil zusammen. Andere sind Basisprotokolle für alle Bluetooth-Profile.

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. Weiterer und entscheidender Vorteil, die Profile sind unabhängig vom Übertragungsverfahren. Deshalb ist es ohne große Probleme möglich, Bluetooth in Zukunft auf Systeme, wie WLAN (Bluetooth 3.0) und UWB (Bluetooth 100x) aufzusetzen.

Health Device Profile (HDP)

Da Bluetooth den spezifischen Anforderungen der Medizintechnik genügt, eignet es sich zur Übertragung von Medizindaten. Speziell dafür wurde das "Health Device Profile" entwickelt, welches das erste branchenspezifische Profil ist.
Bluetooth bietet einige, für die Medizintechnik wichtige, Übertragungsprotokolle. Dazu gehört eine exakte zeitliche Synchronisation von mehreren verbundenen Sensoren und die parallele Übertragung von unterschiedlichen Daten
Die zentralen Anwendungsfälle sind das Patienten-Monitoring, sowie einige Anwendungen innerhalb von Krankenhäusern und Arztpraxen.

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: 1600 Frequenzsprünge in der Sekunde
Stromverbrauch: gering, mit Stromspar-Modi
Kompatibilität: durch Profile definier- und erweiterbar

Bluetooth 4.0 / Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart

Bluetooth mit den Versionen 4.0, 4.1 und 4.2 wird auch als Bluetooth Low Energy (LE) oder Bluetooth Smart bezeichnet. Es handelt sich um eine sehr stromsparende Version von Bluetooth. Dadurch ergeben sich erstmals Anwendungen für ein Wireless-Personal-Area-Network (WPAN) in den Bereichen Gesundheit, Sport, Medizin, Unterhaltungselektronik, Heimautomation und Autoelektronik.
Bluetooth Smart spielt heute entscheidende Rolle bei Wearables, wie Spielzeug, Sportsensoren und Smartwatches, die an ein Smartphone gekoppelt werden.

Bluetooth in der Praxis

Für eine schnelle und flexible Verbindung zwischen verschiedenen Geräten verschiedener Hersteller ist Bluetooth eigentlich die optimale Lösung. Doch leider auch sehr bedienerunfreundlich.
Bluetooth setzt eine fehlerfreie Implementierung der Profile voraus. Leider ist das nicht immer gegeben, so dass oftmals keine Verbindung zustande kommt. Und wenn, dann nur ein einziges mal. Je nach Hersteller und Produkt hat man das Gefühl, dass die Umsetzung mit der heißen Nadel gestrickt ist. Inkompatibilitäten zwischen den Geräten unterschiedlicher und auch gleicher Hersteller sind normal. Zwar lassen sich mit Geduld und Experimentieren viele Probleme lösen. Doch leider wirkt das dann sehr instabil und in der Praxis bedingt einsetzbar. Anwender von Headsets und Freisprecheinrichtungen für Handys kennen das Problem besonders gut. Die Paarung der Geräte läuft selten automatisch. Häufig muss man erst ein Kennwort eingeben, dass man zuvor im anderen Gerät gesetzt haben muss.
Ein schwer wiegender Makel von Bluetooth ist die Instabilität der Verbindungen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Reichweite durch Wände und Decken drastisch abnimmt. Im einen oder anderen Fall wäre eine Kabelverbindung sicherer und stabiler.

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