Bluetooth - Eine Einführung in Anwendungen und Technik

27.11.2002
Drahtlose Kommunikation für unsere Alltagselektronik - Mittlerweile gibt es kaum mehr intelligente Geräte, die nicht auf irgendeine Weise miteinander kommunizieren könnten, um uns das Leben zu erleichtern.

Bluetooth Logo

Und mit Bluetooth soll es in Kürze sogar eine einheitliche Schnittstelle für diese Datenübertragungen geben. (von Eckhard Traber)

Der neue Standard für Kurzstreckenfunk soll Geräte aller Art Daten austauschen lassen. Damit können alle heute verwendeten Pseudo Lösungen entfallen. Die Probleme sind bekannt: Kein normales Handy funktioniert weltweit, und auch der Datenaustausch zwischen Notebook und Handy funktioniert mit proprietären Steckern und teurer Spezialsoftware der Hersteller. Der PDA muss jedes mal in eine Dockingstation gesteckt werden, damit Gerät und Besitzer auf dem aktuellen Informationsstand sind.

Dieser babylonischen Sprachverwirrung soll Bluetooth nun ein Ende setzen. Im Mai 1998 gründeten IBM, Intel, Ericsson, Nokia und Toshiba die Bluetooth Initiative. Mittlerweile sind über 8 10 Firmen dieser Special Interest Group (SIG) beigetreten. Vom Autohersteller über die Flugzeugindustrie, Unterhaltungselektronikanbieter bis zu Firmen aus der Computerindustrie im weitesten Sinne: Alle wollen einen weltweiten Standard zum drahtlosen Datenaustausch - nur einer verhält sich zurück haltend: Microsoft.

Der Name Bluetooth stammt vom dänischen König Harald Bläta (910-986), genannt Blauzahn, der Teile Skandinaviens christianisierte in seinem Königreich vereinte. Die Marketingexperten erweisen dem großen Anteil skandinavischer Firmen an der Entwicklung des Bluetooth Standards damit ihre Ehre.

 

Was ist Bluetooth?

Bei Bluetooth handelt es sich um einen Kurzstreckenfunk Standard, der im weltweit nicht lizenzierte Industrial-, Scientific- and Medical 2,4 GHz Band (ISM-Band) die problemlose Verbindung von elektronischen Geräten untereinander ermöglicht. Die nötige Hardware hat derzeit etwa die Größe eines Zweimark Stücks. Die Reichweite beträgt zehn Meter, für besondere Anwendungen sind auch bis zu 100 Meter möglich.

In einem sogenannten Pico-Netz können bis zu acht Geräte miteinander kommunizieren. Die einzelnen Devices können außerdem Teilnehmer in mehreren Pico-Netzen sein, so dass diese wiederum zu einem sogenannten Scatter-Netz verbunden sind.

Bluetooth Devices können sich in einem Netz anmelden, müssen es aber nicht. Um die Sicherheit zu gewährleisten, weist der Hersteller jedem Device eine eindeutige, 48 Bit lange Bluetooth Adresse zu, dies ermöglicht über 281 Billionen verschiedene Nummern.

Weiterhin sind die Authentifizierung mit einem 128-Bit-Schlüssel sowie eine Chiffrierung der Daten mit 8 bis 128 Bit möglich. Zusätzliche Sicherheit bringt die adaptive Sendeleistungsregelung, die die Reichweite auf zehn Meter begrenzt. Ende August 1999 soll die Bluetooth1.0 Spezifikation endgültig feststehen.

Doch schon Anfang Juni dieses Jahres waren bei der in London stattfindenden Konferenz eine Reihe interessanter Produkte als Prototypen zu sehen.Nokia etwa zeigte eine Handy Freisprecheinrichtung, bei der das Gerät ohne Kabel kommuniziert. Digianswer präsentierte die drahtlose Synchronisation von Palmpilot und Notebook sowie ein Bluetooth Videokonferenzsystem. Von Ericsson gab es ein Developer Kit zu sehen, und Intel zeigte mit Nokia die Verbindung von Handy und Computer.

Die Sender- und Empfängereinheit

Da Bluetooth weltweit einsetzbar ist und das ISM-2,4-GHz-Band jedermann zur Verfügung steht, sind schnelle und sichere Authentifizierungs- und funktechnische Verfahren erforderlich. Nur so läßt sich eine stabile und sichere Verbindung aufbauen.

Bluetooth Sende- und Empfängermodule verhindern Funkinterferenzen, indem sie bis zu 1600mal pro Sekunde nach jedem Empfangen oder Senden von Daten zufällig ihre Frequenz ändern. Für dieses Frequency Hopping sind bis zu 79 Schritte (Kanäle), jeweils um ein Megahertz getrennt, im Bereich zwischen 2,402 und 2,480 GHz vorgesehen.

Bild 1: Geräte können durch Zeitmultiplexing mehreren Pico-Netzen teilnehmen, es entsteht ein Scatter-Netz.Da Bluetooth-Module hiermit schneller als die anderen Geräte in diesem Band sind und nur sehr kurze Datenpakete verschicken, können von außen kommende Störungen die Verbindung kaum behindern. Speziell der Einfluß von Mikrowellengeräten, die auch in diesem Frequenzband arbeiten, wird minimiert.

Zusätzlich wird Forward Error Correction (FEC) verwendet, so dass der Einfluss des sogenannten Weißen Rauschens bei Entfernungen bis zu 100 Metern vernachlässigbar ist. Die Brutto-Übertragungsrate soll auf diese Weise bis zu 1 MBit/s erreichen.

Bild 1: Geräte können durch Zeitmultiplexing mehreren Pico-Netzen teilnehmen, es entsteht ein Scatter-Netz.

Übertragungsarten

Das Bluetooth Basisbandprotokoll arbeitet mit einer Kombination ans Leitungs- und Paketvermittlung. Bei der synchronen Übertragung sind für die Dateipakete einzelne Slots reserviert. Jedes Paket wird in einem anderen Kanal (Hop) gesendet. Normalerweise wird pro Zeiteinheit (ein Slot bei 1600 Hz ist 625 m s lang) nur ein einzelnes Datenpaket ausgetauscht, jedoch sind auch größere Pakete mit bis zu fünf Slot Länge (3,125 ms) möglich.

Bluetooth unterstützt einen asynchronen und gleichzeitig bis zu drei synchrone Dateikanäle. Auch kann man über einen Kanal gleichzeitig asynchron Daten und synchron Sprache übertragen.

Jeder Sprachkanal bietet mit synchronen 64 kBit/s ISDN-Qualität. Der asynchrone Datenkanal unterstützt eine Verbindung mit maximal 721 kBit/s in der einen und 57,6 kBit/s in der anderen Richtung. Bei symmetrischer Verbindung sind 432,6 kBit/s möglich.

Aufbau einer Verbindung im Pico-Netz

Bevor sie eine Verbindung im Pico-Netz aufbauen, befinden sich Bluetooth Geräte im Standby-Modus. Dabei suchen nicht verbundene Geräte alle 1,28 Sekunden nach eventuellen Netznachrichten. Jedes Gerät kontrolliert hierbei 32 Kanäle.

Prinzipiell kann jedes Gerät in einem Pico-Netz dieses initialisieren. Dieses Gerät ist dann automatisch auch der Master, der die Slaves kontrolliert und die Timer synchronisiert. Der eigentliche Verbindungsaufbau erfolgt, wenn die Bluetooth Adresse des Slaves bereits bekannt ist, durch eine Page-Nachricht. Ansonsten sendet der Master eine Inquiry Nachricht (Rundruf), gefolgt von einer Page-Anforderung bei unbekannter Adresse der Slaves.

Bild 2: Bis zu acht Geräte bilden ein sogenanntes Pico-Netz. Ein Master überwacht und kontrolliert den Netzwerkverkehr.Beim Initialisieren des Page-Status sendet der Master eine Folge von 16 gleichen Page-Nachrichten auf 16 Kanälen. Erfolgt keine Antwort, sendet der Master die Page-Abfrage auf den verbleibenden 16 Kanälen des Standby Modus. Bis der Master den Slave erreicht, vergehen maximal 2,56 Sekunden (doppelte Wakeup-Zeit), im Durchschnitt jedoch nur die halbe Wakeup-Zeit (0,64 Sekunden).

Die Inquiry-Nachricht wird benutzt, um Bluetooth-fähige Geräte ohne bekannte Adresse zu finden. Sie ist dem Page-Ruf ähnlich, benutzt aber eine zusätzliche Nachrichtenfolge, um alle Antworten zu erhalten

Bild 2: Bis zu acht Geräte bilden ein sogenanntes Pico-Netz. Ein Master überwacht und kontrolliert den Netzwerkverkehr.

Netztopologie

Bluetooth unterstützt Point-to-Point und Point-to-Multipoint Verbindungen. Bluetooth-Devices können durch Zeitmultiplexverfahren Mitglieder in mehreren Pico-Netzen sein, es entsteht dann ein sogenanntes Scatter-Netz. Die einzelnen Pico-Netze lassen sich durch unterschiedliche Hopping-Kanal Folgen unterscheiden. Außerdem muß sich der Slave in jedem Multiplex-Zeit-Slot neu auf den jeweils aktuellen Master synchronisieren..

Stromsparfunktionen

Neben dem Standby-Modus ohne Netzverbindung ist noch eine Reihe weiterer Stromsparfunktionen möglich. Im Hold-Modus bleibt das Gerät in das Pico-Netz integriert, es werden aber keine Daten übertragen. Lediglich ein interner Timer läuft im Slave weiter. Bei Bedarf startet die Datenübertragung verzögerungsfrei. Der Hold-Modus kann vom Master für den Slave angeordnet werden. Anderseits kann der Slave den Master auffordern, ihn in diesen Modus zu schalten.

Im Sniff-Modus »lauscht« das Gerät in programmierbaren Abständen in das Netz. Auch hier läuft der Timer zur Synchronisation im Slave weiter.

Weiterhin lassen sich Geräte im Netz parken. Hierbei verliert das Gerät seine MAC-Adresse (Media Access Control) im Netz, kann den Netzverkehr also nur mehr mit verfolgen und sychronisiert in größeren Abständen seinen internen Timer mit dem des Masters.

Verbindungs- und Paketarten

Das Bluetooth Basisbandprotokoll unterstützt zwei Verbindungstypen: Synchronous Connection Oriented (SCO), der bevorzugt für Sprache verwendet wird, und Asynchronous Connectionless (ACL), der zur Datenübertragung gedacht ist. Verschiedene Master/Slave Paare in einem Pico-Netz können unterschiedliche Verbindungstypen verwenden. Der Verbindungstyp läßt sich nach Bedarf auch umschalten.

Die beiden Verbindungsarten unterstützen jeweils 16 Paketarten, wobei vier sowohl bei SCO als auch bei ACL zur Datenflusssteuerung verwendet werden. Zur Duplex-Datenübertragung benutzen beide Typen ein Zeitmultiplexverfahren.

Die SCO-Verbindung ist symmetrisch und unterstützt zeitkritische Sprachdatenpakete. SCO-Pakete werden in reservierten Intervallen übertragen. Steht die Verbindung, so können Master und Slave die Daten ohne weitere Beschränkung austauschen.

ACL-Verbindungen sind paketorientiert Lind unterstützen symmetrischen und asymmetrischen Datenverkehr. Der Master Überwacht die Verbindung, gibt die mögliche Bandbreite im Pico-Netz frei und ändert bei Bedarf die Symmetrie der Verbindung. Die Datenübertragung der Slaves muss vom Master eigens freigegeben werden.

Fehlerkorrektur

Bild 3: Die Modi der Bluetooth-Geräte im Pico-Netzsind drei verschiedene Fehlerkorrekturmethoden definiert: die in zwei Stufen arbeitende Forward Error Correction (FEC) sowie die Automatic Retransmission Query (ARQ). Sinn und Zweck des FEC Verfahren ist es, Datenübertragungen auch unter schwierigen Bedingungen zu ermöglichen und die Verbindung stabil zu halten.

Dies funktioniert, indem in jedem Datenpaket Korrekturinformationen enthalten sind. Haben Master Lind Slave eine sehr gute Verbindung und ist eine Fehlerkorrektur gar nicht oder nur selten nötig, wird FEC zugunsten der Nutzinformationen im Paket abgeschaltet, und der effektive Datendurchsatz steigt. Der Paket-Header ist immer durch FEC geschützt, so das bei Bedarf per ARQ immer noch das komplette Paket ohne Datenverlust wiederholt werden kann.

Sicherheit in Bluetooth

Bluetooth garantiert die Sicherheit auf Bitübertragungsebene. Authentifizierungs- und Verschlüsselungsmechanismen sind in jedes Bluetooth Gerät identisch implementiert.

Die Authentifizierung mit einem 128-Bit Schlüssel zwischen Bluetooth Devices erfolgt vom Anwender gesteuert uni- oder bidirektional - oder auch überhaupt nicht, je nach Wunsch. Diese Informationen lassen sich speichern und automatisieren. So ist es möglich, das eigene Handy vom eigenen Notebook ohne Beschränkung nutzen zu lassen, dem Kollegen die Nutzung jedoch zu untersagen.

Bild 5: Prototyp der Bluetooth-Einheit von Nokia mit AntenneDie Verschlüsselung erfolgt zur Sicherung des (Funk) Datenverkehrs im jeweiligen Pico-Netz. Sie erfolgt je nach Benutzereinstellung mit Schlüssellängen von 8 bis 128 Bit.

Ist eine noch höhere Sicherheit nötig, können zusätzlich die bekannten Sicherheitsmechanismen der auf Bluetooth aufsetzenden Netzwerkprotokolle oder zusätzliche Verschlüsselungssoftware verwendet werden.

Hard- und Software

Neben den oben angesprochenen Funktionen übernimmt die Bluetooth Hardware noch eine Reihe weiterer spezialisierter- Funktionen, die mit Hilfe von Firmware Anpassungen realisiert sind. Komplexere Eigenschaften lassen sich so nach Bedarf nachrüsten.

So muss Bluetooth in einem Headset sicher keine USB-Schnittstelle zur Verfügung stellen, ein Bluetooth Nachrüstadapter für PCs hingegen schon. Auch kann die interne Schnittstelle des Bluetooth Moduls optimal auf das jeweilige Gerät angepasst werden, um nur einige Beispiele zu nennen.

Nokia, Ericsson und Cambridge Silicon Radio haben bereits fertig entwickelte Bluetooth Adapter im Test. Die minimale Größe liegt zur Zeit bei circa 15 x 30 x 3 Millimetern, wird aber durch höhere Integration weiter schrumpfen, die Antenne läßt sich in das Gehäuse integrieren. Bild 6: Das Ericsson Bluetooth Modul ist hochintegriert.

Auf Basis eines 600-mAhAkkus lassen sich folgende Standzeiten erreichen: Standby-Modus (Stromaufnahme zirka 0,3 mA) - mehr als 3 Monate, Datenübertragung (zirka 10 mA) - mehr als 60 Stunden, Sprachmodus (zirka 30 mA) - mehr als 20 Stunden.

Die Zukunft

Treiber und Applikationen sind für verschiedene PDAS, Linux und die verschieden Windows Betriebssysteme im Betastadium verfügbar. Die Windows Unterstützung ist pikanterweise von Mitgliedern der Bluetooth-SIG entwickelt worden. Microsoft ist immer noch nicht Mitglied dieser Organisation und »beobachtet« die Entwicklung lediglich von außen.

Auf der letzten Winhec Konferenz im Frühjahr diesen Jahres lautete das offizielle Statement zu diesem Thema: »Microsoft is currently weighting the importance of providing Bluetooth support in Windows. Regardless of the result of this process, Microsoft does not plan to provide any specific support for this technology in the upcoming release of Windows 2000.«

Wenn Bluetooth sich durchsetzt, wovon wegen der zahlreichen Vorteile für den Anwender und der extrem breiten Unterstützung in der gesamten Industrie auszugehen ist, wird auch Microsoft Bluetooth in Windows 2000 und Windows CE integrieren. Schließlich hat Bill Gates auch den Internet Support erst verspätet in seine Produktpalette eingebaut.

Die ersten Anwendungen mit sind Ende dieses Jahres zu erwarten. Da die Devices ein Bluetooth-SIG eigenes Zertifizierungsverfahren vor ihrer Zulassung durchlaufen, ist Kompatibilität sichergestellt.

Zur Cebit 2ooo haben viele Hersteller Geräte angekündigt. Ober den Preisaufschlag darf frei spekuliert werden. Zur Zeit kostet ein komplettes Bluetooth Modul etwa 20 Dollar, bei großen Stückzahlen soll der Modulpreis auf unter fünf Dollar sinken.

Mit Genehmigung des Authors Eckhard Traber


© copyright @ Bachert Datentechnik GmbH 2018