Bluetooth im Aufwind

31.01.2005 von Bernhard  Haluschak
Bluetooth hat sich mittlerweile bei portablen Geräten, im industriellen und wissenschaftlichen Bereich etabliert. Mit der neuen Spezifikation 2.0+EDR soll es jetzt schneller, stromsparender und sicherer werden.

Seit der Einführung von Bluetooth 1999 von der Special Interest Group (SIG) verdrängt diese Kurzstrecken-Funktechnologie immer mehr die herkömmlichen Kabelverbindungstechniken mobiler Kommunikationsgeräte. Bluetooth ermöglicht Funkverbindungen mit diversen mobilen Devices wie Handys, PDAs, Notebooks, digitalen Kameras, Kopfhörern und anderen tragbaren und stationären Komponenten.

Die standardisierte Kurzstrecken-Funktechnik ermöglicht aktuell eine Reichweite von bis zu 100 Metern bei einer maximalen Sendeleistung von 100 mW (20 dBm). In den Bluetooth-Netzwerken, auch Piconets genannt, können Daten und Sprache zwischen mehreren mobilen und stationären Geräten kabellos übertragen werden. Mit der im August 2004 verabschiedeten Spezifikation 2.0+EDR erhöhte die Bluetooth SIG die theoretische Datenübertragungsrate von ein auf bis zu drei Mbit/s. Damit soll Bluetooth als Datenfunkverbindung für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke noch attraktiver werden. Weitere Pluspunkte der Bluetooth-Technologie sind eine intelligente und sichere Datenübertragung sowie niedrige Chipkosten.

Laut dem Marktforschungsinstitut CONTEXT hat sich Bluetooth nach langer Anlaufphase mittlerweile in der Kommunikations- und IT-Branche etabliert. Die Marktforscher gehen davon aus, dass es bis 2009 über 800 Millionen Bluetooth-fähige Geräte weltweit geben wird und damit 80 Prozent aller Handys mit dieser Technologie ausgestattet sein werden.

Historie

Bereits 1994 begann das schwedische Unternehmen Ericsson im Bereich mobile Kommunikation nach Alternativen zu kabelgebundenen Verbindungstechniken zwischen Mobiltelefonen und entsprechenden Zusatzgeräten zu forschen. Die erste finale Spezifikation Version 1.0a veröffentlichte die Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) im Juli 1999. Die Initiatoren dieser Organisation waren neben Ericsson die Firmen IBM, Intel, Nokia und Toshiba.

Im Laufe der Zeit wurde die Spezifikation der Bluetooth-Technologie für die Anwendung mit anderen elektronischen Geräten wie Notebooks, Drucker, Digitalkameras oder schnurlosen Freisprecheinrichtungen (Headsets) erweitert. So folgten im Dezember 1999 mit der Version 1.0b und im Februar 2001 mit der 1.1-Spezifikation weitere Updates der Bluetooth-Architektur.

Darüber hinaus gesellten sich zu den ursprünglichen Gründungsfirmen weitere Unternehmen wie 3COM, Lucent, Microsoft und Motorola. Diese trieben die Entwicklung von Bluetooth weiter voran, die mit der Vorstellung der Version 1.2 im November 2003 erste Früchte trug. In der grundlegend überarbeiteten Spezifikation wurde die Bluetooth-Architektur transparenter definiert und um einen schnellen Verbindungsaufbau erweitert. Zusätzlich statteten die Entwickler Bluetooth mit der Adaptive-Frequency-Hopping-Technologie aus und verbesserten die Fehlererkennung und die Datenflusskontrolle sowie die Synchronisation zwischen mehreren Geräten.

Den vorläufigen finalen Abschluss bildet die Bluetooth-Spezifikation Version 2.0 mit der EDR-Erweiterung, die das SIG-Konsortium im August 2004 verabschiedete.

Funktechnik mit Zukunft

Anders als die herkömmlichen Datenübertragungstechnologien wie DECT oder IrDA eröffnet Bluetooth völlig neue Kommunikationsmöglichkeiten: Der PDA im Aktenkoffer synchronisiert per Bluetooth eingegebene Termine mit der Datenbank auf dem Notebook, sobald sich dieses in Funkreichweite befindet. Das Bluetooth-fähige Handy wiederum meldet eingehende E-Mails an den Mobilrechner weiter. In Konferenzen erscheinen Powerpoint-Präsentationen nicht nur auf dem Bildschirm des Vortragenden, sondern per Bluetooth-Übertragung gleichzeitig auf den Displays aller Teilnehmer.

Auch unzählige Peripheriegeräte wie Drucker, Headsets, Tastaturen oder Mäuse lassen sich per Bluetooth ansteuern. Nicht nur auf dem PC-Sektor, auch im industriellen und medizinischen Bereich erfreut sich Bluetooth als kabellose Datenübertragungstechnik zunehmender Beliebtheit. Allerdings bietet die WLAN-Technologie ähnliche Kommunikationsmöglichkeiten wie Bluetooth, aber zu einem höheren Preis und mit anderer Marktausrichtung.

Der größte Vorteil von Bluetooth gegenüber der im Mobilbereich benutzten Infrarot-Übertragungstechnik besteht darin, dass Bluetooth-fähige Endgeräte ohne Sichtkontakt kommunizieren können. Die Funkwellen, die den 2,4-GHz-Bereich nutzen, durchdringen Jacken- und Aktentaschen, Schrank- und Zimmerwände. Zusätzlich bietet Bluetooth gegenüber der IrDA- oder DECT-Technologie intelligente und sichere Datenübertragungsfunktionen.

Die theoretische Funkreichweite (Freifeld) teilt die Bluetooth-Spezifikation in drei Klassen ein: In der Klasse 3 strahlt der Funksender mit einer Leistung von 1 mW (0 dBm) die Radiowellen aus und überbrückt damit Distanzen von bis zu 10 Metern. Die Klasse 2 begnügt sich mit einer Sendeleistung von 2,5 mW (4 dBm), um mit Geräten in einem Umkreis von etwa 50 Metern zu kommunizieren. Dagegen muss die Klasse 1 mit 100 mW (20 dBm) auskommen, um Strecken von zirka 100 Metern zu überbrücken.

Technologie und Funktionsweise von Bluetooth

Die Bluetooth-Technologie basiert auf dem lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband (ISM-Frequenzband), das besonders für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke benutzt wird. Es ist ein Kurzstrecken-Funkstandard, der überwiegend im Personal Area Network (PAN) kabelgebundene Konfigurationen ersetzen soll, da sich erfahrungsgemäß Kabel und Stecker in einer PAN-Umgebung als fehleranfällig erweisen. Zusätzlich benutzen die Anwender in diesem Bereich häufig mehrere proprietäre Standards wie Infrarot- oder Seriellverbindungen parallel. Die Konzeption von Bluetooth soll diese Restriktionen aufheben und einen einheitlichen, kabellosen, sicheren und preiswerten Datenverkehr ermöglichen.

Der Frequenzbereich der Bluetooth-Technologie beginnt bei 2400 MHz und endet bei 2483,5 MHz. Um länderübergreifende Frequenzbandregelungen zu erfüllen, besitzt der Frequenzbereich am unteren Ende ein 2 MHz breites und am oberen Ende ein 3,5 MHz breites Frequenzschutzband. Innerhalb des "Arbeitsbandes" von 2402 bis 2480 MHz ist für die Bluetooth-Kommunikation ein "Frequenz-Hopping-Verfahren" in 79 Schritten zu je 1 MHz Abstand festgelegt. Der Hopping-Algorithmus wird bei jeder neuen Verbindung per Zufallsgenerator berechnet, so dass die zu übertragenden Daten durch den ständigen Wechsel der Frequenzbänder vor unbefugtem Zugriff geschützt sind.

Die Bitrate von Bluetooth beträgt nach den 1.2-Spezifikationen 1 Mbit/s. Nach Abzug des Overheads, wie Protokoll- und Header-Daten, bleiben 723 KByte/s für die Übertragung von Nutzdaten. Nach der aktuellen Spezifikation 2.0+EDR sind theoretische Datenraten bis zu 3 Mbit/s (2169 KByte/s Netto) durch spezielle Synchronisationsfunktionen möglich. Sender und Empfänger können die Transferrate je nach Anwendung statisch oder dynamisch verteilen. Um größtmögliche Abhörsicherheit und eine hohe Störfestigkeit gegenüber anderen Einstrahlungen in diesem Frequenzband zu gewährleisten, erfolgt zusätzlich 1600 Mal pro Sekunde ein Frequenzwechsel (Frequenz-Hopping).

Bluetooth-Kommunikation in Theorie und Praxis

Sobald zwei oder mehrere Devices in einem Bluetooth-Netzwerk - auch Piconet genannt - miteinander kommunizieren wollen, müssen sie sich innerhalb von zwei Sekunden über eine individuelle und unverwechselbare 48 Bit lange Adresse identifizieren. Bei der Einleitung des Datenaustauschs zwischen den beiden Geräten muss der Anwender die Verbindung per Personal Identification Number (PIN) freigeben. Danach werden die Profile wie Serial Port, Headset, Fax oder File Transfer ausgetauscht, in denen definiert ist, welche Übertragungsfunktionen oder Dienste die beiden Komponenten besitzen. Zusätzlich regeln die beiden Devices die Verbindungssicherheit und senden die Parameter oder Daten, die sie benötigen.

Der Datenaustausch bei Bluetooth erfolgt über fest definierte Datenpakete. Nach der Standardspezifikation bestehen diese aus drei Abschnitten: einem 72 oder 68 Bit langen Zugriffscode (Access Code), einem 54 Bit langen Header und aus bis zu 2745 Datenbits. Um eine hohe Datenübertragung (Bluetooth 2.0+EDR) zu gewährleisten, fügten die Entwickler hinter den Standard-Header eine so genannte Guard Time und Synchronisationssequenz ein, gefolgt von den Nutzdaten und zwei Anhangsymbolen. Die Letzteren bestimmen die Synchronisationsart nach Differential-Phase-Shift-Keying- (DPSK) oder Differential-Quarternary-Phase-Shift-Keying-Verfahren (DQPSK) in Abhängigkeit des Signalrauschabstands. Dagegen erfolgt die Übertragung des Access Codes und des Headers standardmäßig nach dem Gaussian-Frequency-Shift-Keying-Verfahren (GFSK).

Die Bluetooth-Spezifikationen schreiben vor, dass in einem Piconet maximal acht Geräte gleichzeitig miteinander kommunizieren dürfen. Das erste innerhalb der Kleinnetzwerk-Struktur aktivierte Gerät wird automatisch zum Master erklärt und steuert beziehungsweise synchronisiert das Frequenz-Hopping mit 1600 Hops pro Sekunde für die übrigen Geräte.

Darüber hinaus können sich bis zu zehn Piconets zu einem Scatternet verbinden. Die Kommunikation erfolgt dann über ein gemeinsames Gerät. Dieses fungiert sowohl als Master wie auch als Slave und steuert den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Piconets.

Link Manager und Host Controller Interface

Der Baseband Controller und die entsprechenden Protokolle bestimmen die Funktionalität der Bluetooth-Hardware. Den Informationsaustausch mit den höheren Layern wie Applikationen oder Bluetooth Host übernehmen der Link Manager und das Host Controller Interface. Beide Komponenten sind in der Firmware des Bluetooth-Moduls integriert.

Der Link Manager sorgt für die Software-seitige Aufbereitung der Daten. Dabei stehen ihm für die unterschiedlichen Funktionen beziehungsweise Anwendungen verschiedene Protokolle zur Verfügung:

Im Gegensatz zum Link Manager kümmert sich das Host Controller Interface (HCI) um die elektrische beziehungsweise physikalische Ansteuerung der Hardware-Schnittstelle eines Bluetooth-Geräts.

Sicherheit von Bluetooth

Die Sicherheit bei der Datenübertragung ist ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines entsprechenden funkbasierenden Kommunikationssystems. Bluetooth will durch verschiedene Sicherheitsmechanismen diese Anforderung erfüllen. Außer dem Frequenz-Hopping-Verfahren hat Bluetooth alle Sicherheitsfunktionen wie Authentifizierung oder Verschlüsselung sowie spezielle Codier-Algorithmen im Link Layer untergebracht, die vom Link Management Protocol (LMP) verwaltet werden.

Der aktuelle Bluetooth-Standard verwendet vier wesentliche Sicherheitskomponenten. Jedes Bluetooth-Gerät ist mit einer weltweit einmaligen 48-Bit-Device-Adresse (BD_ADDR) ausgestattet. Ein Pseudo-Zufallsgenerator erzeugt ständig 128 Bit breite Zufallszahlen (RAND) und leitet diese an die verschiedenen Sicherheitsfunktionen weiter. Während des Verbindungsaufbaus erzeugt Bluetooth zwei geheime "Private User Keys": den Authentication Key und den Encryption Key. Ersterer besitzt eine feste Breite von 128 Bit und wird nur in Ausnahmefällen während einer Datenverbindung geändert. Den Encryption Key generiert Bluetooth aus dem Authentication Key. Dieser kann zwischen 1 und 16 Octets (8 bis 128 Bit) variieren. Da sich während einer Datenübertragung jederzeit der Verschlüsselungszustand und somit der Encryption Key ändern kann, korreliert die Lebensdauer des Encryption Key nicht zwingend mit dem Authentication Key.

Aus den oben genannten vier Sicherheitskomponenten leitet Bluetooth alle weiteren für die initiierte Datenübertragung notwendigen Sicherheitsparameter ab. Doch nicht nur Key-abhängige Funktionen steigern die Sicherheit bei der Datenübertragung via Bluetooth, auch eine Prüfsumme der Nutzdaten nach dem CRC-Verfahren innerhalb eines Datenpakets erhöht die Datenintegrität.

Energiespar-Modi

Gerade im mobilen Einsatz spielt das sparsame Umgehen mit vorhandenen Energieressourcen eine große Rolle. Deshalb verfügt Bluetooth über ausgeklügelte Powermanagement-Funktionen, die den Stromverbrauch in allen Betriebsmodi auf ein Minimum reduzieren sollen.

Im Normalzustand befindet sich ein Bluetooth-Gerät im so genannten Standby-Mode, in dem nur noch die Masterclock aktiv ist. Dieser Mode wird durch eine Nachfrage (Inquiry), eine Suchanforderung (Paging) oder durch einen Scan aufgehoben. Die mittlere Stromaufnahme im Standby beträgt etwa 300 µA.

Soll über eine fest definierte Zeitspanne kein Datenaustausch erfolgen, wird das entsprechende Bluetooth-Gerät in den Hold-Modus versetzt. Dieser wird bei Bedarf durch den Master eingeleitet, der mit dem Slave ein Zeitintervall vereinbart, in der dieser keine Daten empfangen kann. Das Slave-Gerät deaktiviert für diese Zeitdauer den Funkempfänger, um Strom zu sparen. Allerdings bleibt er weiter ein Bestandteil des Pico-Netzes inklusive seiner Active Member Address (AMA) zur Identifizierung. Nach Ablauf der festgelegten Zeitspanne erwacht der Slave automatisch aus dem Hold-Zustand und synchronisiert sich wieder im Pico-Netz als aktives Gerät.

Im "Schnüffelmodus" (Sniff Mode) vereinbaren der Master und der Slave ein so genanntes "Sniff-Intervall". In diesem Zeitraum verfügt der Slave über bestimmte spezifische Eigenschaften, die das Sniff-Verhalten beeinflussen beziehungsweise das Sniff-Intervall unterbrechen. Nach Ablauf der Sniff-Zeit schaltet der Slave seinen Empfänger wieder ein.

Im Park Mode wird die AMA-Kennung abgegeben und durch eine Parked Member Address (PMA) ersetzt. Bis zu 255 Slaves kann Bluetooth so parken und verwalten. Geparkte Slaves behalten ihre Synchronisationsinformationen und können über Broadcasts innerhalb von 2 ms aktiviert werden. Sowohl der Master als auch der Slave können den Park Mode initiieren. Das vereinbarte Intervall für das Einschalten des Empfängers ist frei wählbar. Im Park Mode liegt die Stromaufnahme bei zirka 60 µA. Dagegen benötigt der Sprachmodus einen mittleren Strom von 8-30 mA. Bei Datentransfers reduziert sich die durchschnittliche Stromaufnahme auf 5 mA.

Technische Erfolgsfaktoren für Bluetooth

Um die Bluetooth-Technologie auf dem Markt zu etablieren, wurde bei der Entwicklung und Positionierung von Bluetooth besonderer Wert auf folgende technische Kriterien gelegt:

Weitere Erfolgsfaktoren für Bluetooth

Neben den technischen Faktoren sind auch marktstrategische Kriterien für den Erfolg einer Technologie entscheidend:

Probleme mit Bluetooth

In der Theorie bietet Bluetooth eine Vielzahl von verschiedenen Kommunikationsmöglichkeiten mit entsprechenden Geräten. Doch in der Praxis erweist sich dies als Manko. Probleme verursachen bereits die Betriebssysteme. Denn erst Windows XP, der Nachfolger von Windows 98, erhielt Bluetooth-Support - allerdings nur eingeschränkt. Eine ähnlich verminderte Bluetooth-Unterstützung bietet auch Linux, so dass entsprechende Treiber und Software von spezialisierten Firmen nötig sind.

Auch die Kompatibilität zwischen Bluetooth-Geräten in punkto Hard- und Software bereitet offensichtlich Probleme. Denn einige Hersteller verzichten oft auf die volle Bluetooth-Unterstützung nach den aktuellen Spezifikationen, so dass zum Beispiel bestimmte Headsets mit einigen Mobiltelefonen nicht zusammenarbeiten. So kann es auch passieren, dass ein USB-Bluetooth-Dongle partout die Kommunikation mit einer entsprechenden Digitalkamera verweigert.

Die Bluetooth-Technologie ermöglicht preisgünstige Funkverbindungen, weil sie das nicht durch Reglementierungen eingeschränkte 2,4-GHz-Band benutzt. Dies ist jedoch dasselbe Band, das auch drahtlose lokale Netzwerke (WLAN) nach dem Industriestandard 802.11 nutzen. Das in der Bluetooth-Technologie verwendete Frequenzsprungverfahren sollte die Auswirkungen von Frequenzbandkonflikten minimal halten. Es besteht aber die Möglichkeit, dass die Bluetooth-Kommunikation in einer Umgebung mit Wireless-LANs zu Datenkollisionen und verlorenen Datenpaketen im 802.11-Netzwerk führt.

Bluetooth-Roadmap

Neben der Neuvorstellung der Spezifikation 2.0+EDR plant die Bluetooth-Organisation weit in die Zukunft. So soll Ende 2005 die Bluetooth-Spezifikation um spezielle Funktionen für Quality-of-Service (QoS)- und Security- sowie stromsparende Features erweitert werden. Davon sollen besonders Multigeräte-Architekturen profitieren.

Mit den QoS-Erweiterungen wird die bisherige Einschränkung auf sieben Slave-Geräte und einen Bluetooth-Master aufgehoben. Zukünftig soll es möglich sein, bis zu 255 Geräte inklusive Master zu verwalten. Bei der simultanen Übertragung erfolgt der Datentransport ohne Latenzzeiten oder Interferenzen. Darüber hinaus erlaubt Bluetooth, den Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten zu priorisieren. Zum Beispiel kann ein Druckerauftrag ohne Probleme mit einer Latenzzeit von einer Sekunde Verspätung beginnen, dagegen muss eine Maus oder eine Headset latenzfrei kommunizieren.

Zusätzlich sollen spezielle Sensoren die eingesetzten Batterien in den Bluetooth-Geräten überwachen und deren Leistungsfähigkeit kontrollieren und optimieren, um die Lauf- und Lebensdauer dieser Zellen zu erhöhen.

Im Jahr 2006 will die Bluetooth SIG die Benutzerfreundlichkeit, die Sicherheit und die Performance verbessern. In punkto Usability soll Bluetooth in der Lage sein, eine Nachricht an mehrere Adressaten gleichzeitig zu senden. Dadurch ergeben sich zum Beispiel Vorteile bei Multiuser-Anwendungen, Multi-Headset oder Multi-Lautsprecher-Übertragungen.

Darüber hinaus soll die Sicherheit im Remote-Modus weiter steigen. Laut Bluetooth SIG darf es einem Angreifer nicht gelingen, im Nicht-Sichtbarkeits-Modus unter Ausschöpfung aller möglichen Mittel, eine Bluetooth-Verbindung zu unterwandern. Außerdem sollen die Spezifikationen das Energiesparpotenzial im Bereich der 100-m-Reichweite deutlich erhöhen.

Fazit

Die Funktechnologie Bluetooth ist zurzeit mit ihrer intelligenten, stromsparenden und sicheren Datenübertragung sowie ihren geringen Komponentenkosten eine sehr gute Wahl, um Geräte im Kurzstreckenbereich mit Funkübertragungstechnik auszustatten.

Bluetooth hat nicht nur in vielen portablen Geräten wie Notebooks, Mobiltelefonen und PDAs Einzug gehalten, sondern auch in fest installierten Geräten wie Druckern, PCs und Messgeräten. Auch die Symbiose von mobilen und stationären Komponenten eröffnet dem Bluetooth-Standard ein erhebliches Marktpotenzial.

Doch zu beachten ist, dass auch Bluetooth noch immer mit einigen Problemen wie Treiber- und Software-Support sowie mit der Kompatibilität zu unterschiedlichen Geräten zu kämpfen hat. Zusätzlich kann es zu Übertragungsstörungen kommen, wenn andere Devices auf dem gleichen Frequenzband per WLAN kommunizieren.

Allerdings bietet die Bluetooth-Technologie noch erhebliches Entwicklungspotenzial, wie die Roadmap der Bluetooth SIG offen legt. So soll in den nächsten Spezifikationen die Stromaufnahme weiter reduziert und die Usability verbessert werden. Zusätzlich wollen die Entwickler weitere Funktionen wie Quality-of-Service-Erweiterungen und überarbeitete Multiuser-Funktionen implementieren. (hal)

Wireless LANs optimieren