Bluetooth-Grundlagen: Herkunft und Funktionsweise

Physikalische Schicht – Frequenzsprungverfahren

Wie viele Funksysteme arbeitet auch der Bluetooth-Standard im praktisch weltweit lizenzfrei verfügbaren 2,4-GHz-ISM-Band. Auf Grund der potenziell sehr hohen Kanalauslastung (Duty Cycle) muss entsprechend den Vorschriften der Regulierungsbehörden ein Frequenzspreizverfahren eingesetzt werden. Hierbei nutzt Bluetooth ein Frequenzsprung-Spread-Spectrum-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS).

In einem aufgebauten Piconetz wird die Frequenzfolge vom Master vorgegeben und folgt einer Pseudozufallsfolge, die in Abhängigkeit von der Geräteadresse des Masters und dessen Clock-Zustand nach vergleichsweise aufwendigen Regeln berechnet wird und somit in jedem Piconetz unterschiedlich ist. Auf diese Weise soll der Betrieb von möglichst vielen unabhängigen Piconetzen mit hoher räumlicher Dichte unterstützt werden.

Der Aufbau der Frequenzberechnung ist in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Die Frequenzen sind im Wesentlichen abhängig von der 28 Bit breiten Master-Clock CLK sowie den unteren 28 Bit der 48 Bit langen Bluetooth-MAC-Adresse. In der Frequenzberechnung finden weitere – hier nicht gezeigte – Verfahren Anwendung, wie etwa in dem PERM5-Block, die zu einer möglichst guten Gleichverteilung der gewählten Frequenzen führen.

Bei der Auswahl der Frequenzen muss natürlich Rücksicht auf die regionalen Restriktionen genommen werden. Der Aufwand wird gering gehalten, indem nur zwei Betriebsmodi unterschieden werden: Ein Modus mit 79 Sprungfrequenzen steht für Nordamerika und Europa zur Verfügung, ein zweiter Modus mit 23 Sprungfrequenzen wurde für Japan und ehemals Frankreich und Spanien definiert.

In dem Frequenzsprungverfahren beträgt die nominale Sprungrate 1600 Hops/s. Hierzu gibt der Master allen Slaves im Piconetz Zeitschlitze mit einer Länge von 625 µs vor, wobei eine Übertragung von allen Teilnehmern nur zu Beginn eines Zeitschlitzes gestartet werden darf. Die Zeitschlitze werden in Abhängigkeit von der Clock des Masters von 0 bis 227-1 durchgezählt, sodass sich eine Zykluszeit der Zählung von etwa 23 h ergibt.

Zur Unterstützung von bidirektionalem Verkehr wird ein Time Division Duplex-(TDD-)-Verfahren eingesetzt, bei dem der Master seine Übertragung nur zu Beginn eines geradzahligen Zeitschlitzes, die Slaves nur zu Beginn von ungeradzahligen Zeitschlitzen beginnen dürfen, wie dies in Abbildung 5 dargestellt ist.

Auf diese Basisfrequenz werden die Nutzinformationen mithilfe eines GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) aufmoduliert. Binäre Einsen werden hierbei durch eine positive, binäre Nullen durch eine negative Abweichung von der Trägerfrequenz repräsentiert. Der Unterschied dieser beiden Frequenzen soll größer als 115 kHz sein. Das Bandbreiten-Zeit-(BT)-Produkt soll 0,5 betragen, der Modulationsindex zwischen 0,28 und 0,35 betragen.