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Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart (4.0 / 4.1 / 4.2)

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 eine entscheidende Rolle bei Wearables, Spielzeug, Sportsensoren und Smartwatches, die an ein Smartphone gekoppelt werden.
Für die gehypte Hausautomatisierung fehlt Bluetooth noch die Mesh-Network-Fähigkeit. Mit Smartphones und Tablets hätten die Nutzer bereits die Fernbedienung.

Ursprünglich hatte Nokia Wibree als Ergänzung zu Bluetooth entwickelt. Es sollte alles können, was Bluetooth auch kann und das mit einem möglichst geringen Energieverbrauch. Wibree basiert auf Bluetooth, allerdings in einer abgespeckten Variante, die kleine und stromsparende Chips und Module erlaubt. Es wurde in Uhren, kabellosen Tastaturen und Sensoren eingesetzt.
Der Bluetooth Special Interest Group (SIG) ist irgendwann aufgefallen, dass Wibree ziemlich gut ins Bluetooth-Konzept passt. Deshalb hat man kurzerhand Wibree und Bluetooth fusioniert. Das Ergebnis ist Bluetooth 4.0.

Mit Bluetooth 4.0, 4.1 und 4.2 ist Bluetooth 3.0 nicht veraltet oder überflüssig, sondern bleibt weiterhin aktuell und wird für bestimmte Anwendungen um einen Niedrig-Energie-Modus ergänzt.
Allerdings ist Bluetooth 4.x nur bedingt abwärtskompatibel. Das gilt für normale Bluetooth-Geräte, nicht jedoch für spezielle Sender, die ausschließlich Low-Energy-Bluetooth beherrschen und demzufolge einen passenden Empfänger benötigen. Gemeint ist, dass ein Gerät, dass nur Bluetooth 4.x beherrscht bei seiner Gegenstelle ebenfalls Bluetooth 4.x voraussetzt. Bluetooth 3.0 reicht nicht aus.

Bluetooth Low Energy

Das klassische Bluetooth (bis Version 3.0) bietet im Prinzip nur ein Übertragungssystem an, das unterschiedliche Anwendungen und Geräte unterstützt. Leider ist der Stromhunger von Bluetooth recht hoch. Eingeschaltetes Bluetooth kann den Akku eines Smartphones sehr schnell leer saugen. Spezielle Low-Energy-Geräte ab Bluetooth 4.0 sind für Anwendungen ausgelegt, die in größeren Intervallen geringe Datenmengen übertragen. Um genau zu sein, nicht mehr als 220 kBit/s. Die angedachten Anwendungen brauchen auch nicht mehr. Das zeigt aber auch, dass Anwendungen, die eine höhere Datenrate brauchen, das gewöhnliche Bluetooth nutzen müssen. Das bedeutet aber auch, dass dann die Stromsparfunktionen von Bluetooth ab Version 4.0 nicht zum Tragen kommen.
Eine weitere Einschränkung von Bluetooth Low Energy ist die Reichweite von knapp 10 Meter. Darüber hinaus brechen die Verbindungen ab.

Die Low-Energy-Chips von Bluetooth ab 4.0 benötigen nur eine kleine Batterie um mehrere Jahre arbeiten zu können. Der Energiespareffekt wird durch die Verlagerung der Funktionen vom Host in den Controller hervorgerufen. Der Controller wickelt die Hintergrundkommunikation selbst ab und lässt den Host länger im Schlafmodus. Außerdem verringert ein schnellerer Verbindungsaufbau den Strombedarf.

Bluetooth Smart und Bluetooth Smart Ready

Bluetooth Smart und Bluetooth Smart Ready

Ein Gerät mit Bluetooth Smart entspricht einem Bluetooth-Funkmodul mit Low Energy (LE). Ein Gerät mit Bluetooth Smart Ready entspricht einem normalen Bluetooth-Gerät, das zusätzlich Low Energy beherrscht. Das sind dann typischerweise Smartphones. Reine Low Energy-Geräte sind Smartwatches, Sportsensoren und Aktivitätstracker, die sich mit einem Smartphone verbinden können. Es ist aber nicht möglich, dass sich Low-Energy-Geräte untereinander verbinden. Das können wiederum nur Smartphones, also Geräte mit Bluetooth Smart Ready.

Bluetooth 4.1

Mit Bluetooth 4.1 wurden verschiedene Verbesserungen eingeführt. So kann jedes Gerät als Peripherie und Hub dienen. Auf diese Weise könnte eine Smartwatch Daten von einem Puls- oder Herzfrequenzsensor entgegennehmen.
Dann wurde die Kontrolle über Auf- und Abbau der Verbindung verbessert. Konkret soll das in der Praxis so aussehen, dass wenn die Verbindung abbricht, dann soll sie wieder aufgebaut werden, sobald wieder Funkkontakt besteht. Auf diese Weise können die Geräte zwischenzeitlich aufgezeichnete Daten übertragen und anschließend wieder in eine Live-Übertragung übergehen.
Integriert ist eine Unterstützung für IPv6 durch das Internet Protocol Support Profile (IPSP), mit dem sich IPv6-fähige Geräte finden lassen. Beispielsweise damit Bluetooth-Sensoren und -Aktoren über ein Gateway eine Verbindung ins Internet herstellen können. Die Idee ist, dass Bluetooth als kabellose Verbindung für das Internet der Dinge geeignet ist, bei dem jeder Smart-Sensor und -Aktor seine eigene IP-Adresse hat.
Zusätzlich wurde das Protokoll aktualisiert, um einen freien Funkkanal durch Adaptive Frequency Hopping zu finden, und um Störungen durch LTE besser auszuweichen.

Bluetooth 4.2

Mit Bluetooth 4.2 wurden verschiedene Dinge verbessert, um die Laufzeit mit einer Akkuladung zu verlängern und die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Beispielsweise wurde die Funktion zur Auflösung einer Adresse in den Controller verlagert und damit die Leistungsaufnahme verringert. Gleichzeitig wurde an der Datenpaketlänge gedreht, um eine 2,5-fache Geschwindigkeitssteigerung herauszuholen. Dadurch sollen sich Aktivitätstracker mit Smartphones schneller austauschen.
Auch auf bekannte Sicherheitsschwächen wurde eingegangen. So soll das Pairing zwischen den Geräten nur noch Algorithmen verwenden, die die US-amerikanische Standardisierungsbehörede NIST als sicher betrachtet. Hierzu zählen ECC-Verfahren und AES-CMAC.

Apple iBeacon

iBeacon von Apple basiert auf Bluetooth Low Energy (BLE) welches eine Reichweite von 10 m hat. Während Smartphones teilweise mit NFC-Chips und -Funktionen ausgestattet werden, hat sich Apple vorläufig gegen NFC ausgesprochen und mit iBeacon einen NFC-Killer in seine iPhones integriert. Seit dem iPhone 6 ist auch NFC mit dabei. Doch auch hier beschränkt sich NFC auf das Bezahlen per Smartphone. iBeacon geht noch einen Schritt weiter, was an der größeren Reichweite von Bluetooth liegt.

Beacon-Signale lassen sich in Apps sehr einfach nutzen. Innerhalb der iBeacon-SDK gibt es die drei Entfernungsstufen Immediate, Near und Far). Je nach Distanz zum Sender kann sich eine App unterschiedlich verhalten. Die Möglichkeit reicht von Wegweisen bis Informationen zu einem konkreten Produkt anzeigen. Beispielsweise Indoor-Navigation und das Erfassen von Betreten und Verlassen von Räumen und Gebäuden.
Wenn auch die Anbieter solcher Nahfunk-Lösungen dem Einzelhandel eine goldene Zukunft bescheinigen, so dürften die Kunden letztlich nur zwei Dinge im Zusammenhang mit ortsbezogenen Diensten interessieren. Das eine sind Loyalitätsprogramme, das andere Gutscheine bzw. aktuelle Sonderangebote. Also geht es im Endeffekt nur darum Werbung zu verbreiten.

Neben den denkbaren Anwendungen liegen die Vorteile bei einer leichteren Integration in Mobilfunkgeräte. Da Bluetooth praktisch zu den Standard-Funktionen gehören ist es zu iBeacon nur einen Schritt weiter. Und dann sind da noch die Kostenvorteile. Bei einem mittelgroßen Kaufhaus müssen 100.000 Euro für NFC-Lesegeräte investiert werden. Bei Bluetooth Low Energy (BLE) sind es nur 5.000 Euro. Es besteht die Möglichkeit, dass sich Bluetooth Low Energy (BLE) als Standard für Nahfeldkommunikation (NFC) durchsetzen könnte.

Übersicht: Bluetooth

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