Von immer zentralerer Rolle sind hierbei insbesondere Anwendungen der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) bzw. Gebäudeleittechnik (GLT). Anwendungen, die in der Vergangenheit über klassische Bus-Systeme und in weitem Maße über proprietäre Protokolle gesteuert wurden, werden zunehmend IP-basiert. Damit rücken sie auch immer mehr in den Fokus der klassischen IT-Technik und des Netzwerks. Häufig werden hierbei Anwendungen mittels weiterer Protokolle (über Gateways) an das allgemeine Netz angebunden.
Dies erfolgt je nach Fall kabel- oder funkbasiert. Die genutzten Technologien sind entweder hersteller- und anwendungsspezifisch oder nutzen allgemeinere Protokolle, wie Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, etc.
Klassische Anwendungen in diesem Bereich sind Zutrittskontrollsysteme und Schließsysteme (z.B. von den Herstellern BlueID, Baimos) oder auch Überwachungs- oder Sensorsysteme und Beleuchtungssteuerungen (z.B. mit En-Ocean als Kommunikationsprotokoll).
Neben Bluetooth sind einige weitere wichtige und relevante Technologien im Einsatz, die das klassische Netzwerk entsprechend ergänzen und erweitern. Da wir sicherlich nicht alle Punkte in gleicher Tiefe behandeln können, sei an dieser Stelle bereits auf einen Artikel der folgenden Netzwerk Insider verwiesen, wo Dr. Wetzlar eingehend weitere Funkstandards beleuchten wird.
Bluetooth selbst kennen die meisten wohl als Grundlage für Smartphone-Verbindungen zur Freisprecheinrichtung bzw. dem Headset oder vom Laptop zu verschiedenen Peripheriegeräten. Darüber hinaus gibt es immer mehr Anwendungen, die auf Bluetooth-Basis in moderne Gebäude Einzug halten.
Insbesondere ist hier die Nutzung von Bluetooth-Beacons zur Ortung und Navigation in Gebäuden zu nennen. Ebenso ist das Thema des Tracking und Tracings zu nennen, also der Nachverfolgung von Gegenständen und Personen. Dies spielt in wichtigen Anwendungsfällen eine immer größere Rolle und stellt einen essentiellen Bestandteil der Logistik im Gebäude dar. Dies geht von Patientenüberwachung oder Bettenverfolgung im Krankenhaus bis hin zu klassischer Logistik mit der Überwachung von Gabelstaplern etc. Auch die Integration in Smartphone-Apps spielt immer häufiger eine Rolle, um eine Navigation im Bürogebäude und dem Campus mittels Bluetooth zu ermöglichen. Ein virtueller Pförtner, der den Weg zur Besprechung weist oder eine Museums-App sind nur grundlegende Beispiele für die Nutzung der Technologie.
Darüber hinaus werden in der Gebäudeleittechnik Sensorik an IP-Dienste angebunden, Fenster-Motoren gesteuert, das Licht ein- und ausgeschaltet oder gedimmt und so weiter. Es existiert eine ganze Reihe verschiedener Techniken, die derartige Anwendungen ermöglichen. Viele dieser Lösungen basieren nicht auf Bluetooth. Dennoch tut ein Blick auf diese Technik Not, wenn man zukünftig mit dem Betrieb und der Planung damit befasst sein wird.
Neben den in diesem Artikel erläuterten technischen Hintergründen von Bluetooth, gehen wir im zweiten Teil des Artikels in einem der nächsten Netzwerk-Insider genauer auf planerische Aspekte und die Anwendungen ein, bei denen Bluetooth und insbesondere Bluetooth-Beacons genutzt werden.
Der Bluetooth-Standard
Bluetooth hat sich aus einem Teil des offenen IEEE Standards 802.15 entwickelt, der zum Beispiel auch ZigBee beschreibt. Mittlerweile liegt die Entwicklung ausschließlich bei der Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). In ihr treibt eine große Zahl von Herstellern aus der Industrie den Standard in seiner offenen Form weiter voran. Damit steht Bluetooth herstellerunabhängig als Industriestandard für ein lizenzfreies Nahbereichsfunkverfahren zur kabellosen Sprach- und Datenkommunikation zur Verfügung.
Abbildung 1: Bluetooth-Logo
Hierzu wird das 2,4-GHz-Band genutzt, so dass Bluetooth in direkter Konkurrenz zu WLAN steht. Vielleicht ist es aufgrund des oft verrufenen Störeinflusses zwischen Bluetooth und WLAN bezeichnend, dass der Standard seinen Namen dem durchaus kriegerischen Wikinger-Führer und dänischem König Harald Blauzahn verdankt. Tatsächlich wurde der Name als Metapher bzw. als Verweis auf die Einigung der Dänen und Norweger unter Harald Blauzahn gewählt. Bluetooth soll in diesem Sinne die IT-Geräte mittels Nahbereichsfunk „vereinen“. Das Bluetooth-Logo (siehe Abbildung 1) stellt daher die Runen der Initialen von Harald Blauzahn dar.
Es ist also durchaus im Sinne des Blue-tooth-Standards verschiedenste Arten und Typen von Endgeräten zu verbinden und damit auch recht flexibel verschiedene Anwendungen zu ermöglichen. Daher ist eine entsprechende Weiterentwicklung des Standards notwendig, um auch zukünftige Anwendungen zu unterstützen und zu ermöglich.
Seit dem Beginn der Bluetooth-Entwicklung gibt es eine Reihe von Fortschritten und Änderungen. Heute liegt der Standard in der 2016 verabschiedeten Version 5.0 vor.
Die in Abbildung 2 aufgeführten Ausbaustufen des Bluetooth-Standards zeigen, die Entwicklung der Funktionen. Die Datenraten entwickelten sich von maximal 768 kBit/s zu möglichen Bluetooth-Übertragungen über WLAN mit 24 Mbit/s. Darüber hinaus sind weitere Key-Features, wie Bluetooth Low Energy (BLE) und IPv6-Unterstützung zu nennen.
Technische Grundlagen
Technisch basiert Bluetooth auf dem Funk im 2,4-GHz-ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical). Es ist also klar, dass ein wichtiger Aspekt der Planung und Betrachtung von Bluetooth als Technologie damit zu tun hat, dass es in Konkurrenz zu WLAN funkt.
Abbildung 2: Bluetooth-Versionen und die wichtigsten Neuerungen
In Projekten und insbesondere bei Kunden, bei denen WLAN oder Bluetooth wichtige Funktionen (z.B. mit Produktionsrelevanz) erfüllen, hat die Erfahrung gezeigt, dass eine detaillierte Planung unumgänglich ist. Eine Abstimmung und Koordination der Funktechnologien, wie weiter unten beschrieben, wird damit häufig unumgänglich.
Bluetooth bietet zwei Betriebsmodi: Ad-hoc-Netzwerk und Infrastruktur-Netzwerk. Darüber hinaus wird mit BLE sogenannte Generic Attributes (GATT) als Modus unterstützt, in dem beispielsweise Beacons senden. Damit lassen sich BLE-Dienste in der Umgebung finden und so Information (z.B. Beacon-IDs zur Ortung) abrufen.
Bluetooth unterteilt das verfügbare Spektrum in 79 Kanäle zwischen 2400 und 2483,5 MHz. Die Übertragung der Daten erfolgt zeitschlitzgesteuert (Time Division Duplex). Zusätzlich wird Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) mit bis zu 1600 Sprüngen pro Sekunde über die verschiedenen Kanäle eingesetzt um robuster gegenüber Störungen zu sein. Hierdurch ergeben sich bei Messungen auch die typischen Bilder und scheinbar zufällige Abfolge von Frequenzen bei der Übertragung.
Wie in Abbildung 3 ersichtlich, zeigt sich dies unter anderem dadurch, dass die Bluetooth-Übertragung das Spektrum recht umfassend belegt (stärkeres sichtbares Signal). Diese weitreichende Beeinträchtigung des verfügbaren Spektrums führt also gelegentlich zu Problemen. Im vorliegenden Mitschnitt zeigt sich aber auch, dass die Bluetooth-Übertragung den WLAN-Kanal ausspart. Zu sehen ist dies auf der Grafik im mittleren Bereich zwischen 2425 und 2450 MHz. Das WLAN-Signal ist hier weiterhin sichtbar. Das am Messpunkt (aufgrund der räumlichen Nähe) stärkere Bluetooth-Signal ist aber lediglich außerhalb dieses Bereichs dargestellt.
Durchaus von besonderer Bedeutung ist diese Sprungsequenz in Hinblick auf WLAN und andere Konkurrenten, die das 2,4-GHz-Band nutzen. Durch die Sprung-sequenz werden gelegentlich auch Kanäle gewählt, auf denen andere Protokolle und Geräte senden. Durch den Kanalwechsel soll aber sichergestellt werden, dass dennoch eine ausreichende Erfolgswahrscheinlichkeit für die Übertragungen der Bluetooth-Daten besteht. Mittels Adaptive Frequency Hopping (AFH) versucht Bluetooth zusätzlich die durch andere Technologien genutzten Frequenzen auszusparen. Wenn ein fremdes Signal (z.B. WLAN) auf einem Kanal erkannt wird, wird die Sprungsequenz entsprechend angepasst, wie in Abbildung 3 ersichtlich. Eine einwandfreie Erkennung ist aber nicht garantiert. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision wird dadurch dennoch entsprechend reduziert.
Abbildung 3: Spektrum Bluetooth-Übertragung in Konkurrenz zum WLAN (Mitte)
Ebenso unterstützen einige Bluetooth-Geräte die Konfiguration von Black- oder Whitelists, die es ermöglichen vorzugeben, welche Kanäle überhaupt verwendet werden dürfen. Auch dies kann dazu beitragen Störung von und auf andere Funkprotokolle zu reduzieren, wenn beispielsweise die genutzten WLAN-Kanäle ausgespart werden. Mindestens 20 Bluetooth-Kanäle müssen aber für die Kommunikation zur Verfügung stehen.
Zur Modulation werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Zum einen binäre Frequenzmodulation mittels Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK), bei der ein Bit pro Symbol übertragen wird. Die resultierende Datenrate beträgt 1 Mbit/s und wird als „Basic Rate“ bezeichnet. Alle
Bluetooth-Lösungen müssen dieses Verfahren unterstützen.
Darüber hinaus werden ab Bluetooth 2.0+EDR eine vierwertige Phasenmodulation (Differential Quaternary Phase Shift Keying) unterstützt, bei der zwei Bits pro Symbol übertragen werden, und eine entsprechende achtwertige Phasenmodulation mit 3 Bits pro Symbol. Die resultierende Datenrate, als „Enhanced Data Rate“ bezeichnet, beträgt 2 Mbit/s beziehungsweise 3 Mbit/s.
Grundsätzlich unterstützt Bluetooth eine asynchrone (verbindunglose) Übertragung, bei der Datenpakete, vergleichbar mit der WLAN-Übertragung, mit Distributed Coordination Function (DCF) in einem freien Zeitslot übertragen werden. Demgegenüber steht die synchrone Übertragung, in der ein festes Zeitraster (z.B. zur Echtzeit-Tonübertragung) genutzt wird. Damit ergeben sich die oben bereits beschriebenen unterstützen Datenraten.
Die Sendeleistungen bei Bluetooth sind im Vergleich zu WLAN üblicherweise geringer. Erst mit dem neuen Bluetooth-5.0-Standard wird dieser Unterschied aufgehoben und auch Übertragungen mit 100 mW möglich. Man kann also nur noch bedingt davon sprechen, dass Bluetooth deutlich weniger Sendeleistung verwendet als WLAN. Bis Bluetooth 4.2 lag die maximale Sendeleistung laut BLE-Standard bei 10 mW.
Allerdings unterstützen Endgeräte häufig Bluetooth 5.0 noch nicht oder zumindest nicht die hohen Sendeleistungen und auch die bei Bluetooth-Anwendungen zu erreichenden Reichweiten sind häufig nicht so hoch, wie die Version 5 es ermöglicht. Damit ist also immer noch ein entsprechender Unterschied erkennbar.
Ein wesentlicher Teil der Standardisierung von Bluetooth ging davon aus, dass vor allem auch Geräte unterschiedlichster Art und Weise und damit auch mit sehr unterschiedlichen technischen Fähigkeiten mit einander verbunden werden sollen. Um dennoch eine Interoperabilität der unterschiedlichen Geräte auf Basis einer grundlegenden gemeinsamen Technologie zu erreichen, unterstützt Bluetooth Anwendungsprofile. Somit muss nicht in allen Geräten der volle spezifizierte Funktionsumfang implementiert sein.
Die verfügbaren Profile hängen dabei von der entsprechenden Funktionalität des Endgeräts ab. Beispiele werden im Folgenden genannt. Diese machen die Spannweite der mit Bluetooth umsetzbaren Anwendungen deutlich.
Ein Profil, das grundsätzlich zu unterstützen ist, ist das Generic Access Profile (GAP). Es soll grundlegende Funktionalitäten, wie den Verbindungsaufbau von Bluetooth-Geräten herstellerübergreifend sicherstellen. Die tatsächlichen Gerätefunktionen sind dann mit weiteren Profilen nutzbar.
So bietet Bluetooth ein Profil, das als Serial Port Profile die serielle Kabelverbindung gemäß RS-232 abbildet und ersetzt. Deutlich bekannter wird den meisten sicherlich die Anwendung von Bluetooth im Bereich der Freisprecheinrichtungen und Headsets sein, die durch zwei entsprechende Profile ermöglicht werden. Neben der Tonübertragung für die Sprache spielt hier natürlich auch die Steuerung des Mobiltelefons, wie zum Beispiel das Wählen einer Nummer, Annehmen eines Anrufs etc., eine wichtige Rolle.
Weitere Profile stellen beispielsweise eine Stereo-Audioübertragung mit hoher Qualität bereit (Advanced Audio Distribution Profile – A2DP) oder ermöglichen die Kopplung von Tastaturen, Mäusen und ähnlichen Zeigegeräten an Rechner und Laptops (Human Interface Device Profile – HID). Bei letzterem ersetzt Bluetooth insbesondere die Funktionalität der entsprechenden kabelbasierten USB-Verbindung.
Außerdem ermöglicht Bluetooth die Übertragung von Dateien oder anderer Daten, wie Kontakten, Terminen etc., oder den Zugriff auf die SIM-Karte eines Telefons oder auch die Nutzung als Fernbedienung.
Somit erlaubt Bluetooth eine recht breite Palette an Anwendungen und Nutzungen. Neben den mittlerweile im Büroumfeld etablierten Anwendungen, wie Headsets, Tastaturen etc., kommen immer mehr Anwendungen auf, die auf Bluetooth-Beacon-Technologie basieren und damit eine flächendeckende Versorgung fordern.
Für eine Datenübertragung ist meist ein Verbindungsaufbau notwendig. Hierzu muss sich jedes Bluetooth-Gerät eindeutig identifizieren lassen. Analog zu den MAC-Adressen im Ethernet, werden bei Bluetooth daher sogenannte Bluetooth Device Addresses (BD_ADDR) verwendet. Diese sind 48 Bit lang, öffentlich bekannt und weltweit eindeutig.
Abbildung 4: Power-Klassen für BLE gemäß Standard
Die Basis für den Verbindungsaufbau stellt das sogenannte Inquiry und Paging dar. Mittels Inquiry kann ein Bluetooth-Gerät feststellen, ob und welche anderen Geräte sich im Sendebereich befinden. Hierzu muss sich das gesuchte Gerät in einem entsprechenden (discoverable) Modus befinden, indem es seine Geräteadresse sowie weitere Informationen aussendet. Zusätzlich werden (ab Bluetooth 2.1+EDR) Gerätenamen und unterstützte Dienste bzw. Profile mitgeteilt und können daher angezeigt werden. Dies wird im Standard als Secure Simple Pairing (SSP) bezeichnet.
Der Paging-Prozess erlaubt dann nach dem Inquiry den Verbindungsaufbau zum gefundenen Gerät. In der Bluetooth-Architektur nennt man das Gerät, das die Verbindung aufbaut, Master und das andere Slave.
Um diese Verfahren möglichst effizient durchführen zu können, werden während der Gerätesuche und des Verbindungsaufbaus nicht die vollen zur Verfügung stehenden 79 Kanäle, sondern lediglich 32 davon verwendet. Für das Inquiry werden diese 32 Kanäle beobachtet, während das zu findende Gerät durch diese Kanäle springt und dort sendet. Empfängt das suchende Gerät ein entsprechendes Paket, erkennt es die Sprungsequenz und kann dieser dementsprechend folgen. Somit können beide Geräte auf einander abgestimmt mit einander kommunizieren und die Verbindung etablieren.
Beim Paging kann der Master den Slave gezielt ansprechen, indem er die im Rahmen des Inquiry erhaltene Adresse und Zeittakt verwendet. Mit dem Übermitteln seiner eigenen Geräteadresse und seines eigenen Zeittakts kann der Slave die wesentlich komplexere Sprungsequenz der eigentlichen Bluetooth-Kommunikation synchron zum Master initiieren. Nach erfolgtem Paging sind somit die physikalischen Voraussetzungen für eine Kommunikation per Bluetooth geschaffen.
Bei den vielen Anwendungen mittels Bluetooth, handelt es sich häufig um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wie beispielsweise bei der Anbindung eines Headsets an das Smartphone. Tatsächlich unterstützt der Standard aber auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen mit bis zu 255 Geräten (Piconet). Mehrere Piconets lassen sich in einem sogenannten Scatternets verbinden, so dass eine Bluetooth-Infrastruktur möglich wird. Mit den neueren Bluetooth Standards (Bluetooth 5 und Bluetooth Low Energy) lassen sich darüber hinaus größere Netzwerke aufbauen, die als sogenanntes Mesh-Netzwerk Verbindungen über mehrere Bluetooth-Geräte hinweg ermöglichen.
Darüber hinaus sieht der Standard weitere speziellere Varianten vor, wie eine Bluetooth-Übertragung über IEEE 802.11 WLAN-Technologien oder auch über andere ähnliche Basis-Technologien, wie zum Beispiel Ultra-Wide-Band, um höhere Datenraten zu erreichen. Bluetooth wird zur Steuerung der Daten-Übertragung verwendet. Lediglich die Übertragung der Nutzdaten erfolgt hierbei über die weitere Basis-Technologie.
Außerdem hat sich Bluetooth Low Energy immer mehr als Mittel der Wahl durchgesetzt, wenn Batterie-betriebene Endgeräte mit geringen Datenmengen kommunizieren sollen. Dies bildet die Basis für die verschiedensten heutigen Anwendungen, wie Lokalisierung mittels Beacons, Tracking und Tracing und weitere.
Sicherheit bei Bluetooth
Ein Aspekt, der bei WLAN zur Standardbetrachtung in Konzepten und Planungen gehört hat sich bei Bluetooth in vielen Bereichen noch nicht so stark etabliert: Hierbei handelt es sich um das Thema Sicherheit.
Häufig handelt es sich bei Bluetooth-Endgeräten (z.B. Headsets etc.) um Geräte, die auf dem Consumer-Markt eine recht simple Logik bieten sollen. So wird häufig auf komplizierte Verbindungsschlüssel verzichtet oder diese sind gar nicht konfigurierbar.
Tatsächlich bietet Bluetooth die Möglichkeit einer verschlüsselten Verbindung. Der Schlüssel wird während des Verbindungsaufbaus erzeugt. Beim Pairing wird daher ein 128-Bit langer Schlüssel vereinbart und genutzt. Zur Bestimmung des Schlüssels werden die Geräteadressen und eine Zufallszahl genutzt. Die Zufallszahl wird unter den Geräten ausgetauscht und dazu unter anderem mit einer PIN kryptographisch gesichert.
Der Bluetooth-Standard definiert drei Sicherheitsstufen. Vom Non-secure Mode ohne Verschlüsselung über einen Modus mit Verschlüsselung auf der Anwendungsebene bis hin zum verschlüsselten Link-Layer.
Bluetooth Low Energy
Mit Bluetooth 4.0 kam auch Bluetooth Low Energy (BLE), eine Ergänzung des Bluetooth-Standards für Endgeräte und Anwendungen mit besonders restriktiven Energie-Anforderungen. Bluetooth Low Energy wurde 2010 als Standard noch unter dem Namen Bluetooth Smart verabschiedet und ist (im Gegensatz zum übrigen Teil von Bluetooth 4) als solches nicht abwärtskompatibel zu anderen, früheren Teilen des Standards.
Ziel bei der Entwicklung von Bluetooth Low Energy war es, ein energieeffizientes Kommunikationsprotokoll zu entwickeln. Somit ist BLE geeignet für Anwendungen, die darauf angewiesen sind, einen geringen Stromverbrauch zu haben, z.B. um einen Batterie-Betrieb über mehrere Monate oder Jahre hinweg zu ermöglichen. So sollten neue Anwendungen kostengünstig ermöglicht werden. Dies zahlt sich zum Beispiel bei der Nutzung von BLE-Beacons mit mehreren Jahren Lebensdauer aus.
Bluetooth Low Energy bedient sich natürlich auch verschiedener Teile des eigentlichen Bluetooth Standards. So werden auch entsprechende Profile angeboten. Diese umfassen unter anderem Mesh-Profile, die ein Netzwerk mehrere BLE-Geräte erlaubt, in dem Nachrichten über mehrere Geräte hinweg weitergereicht werden. Dies ergänzt die bisherige Bluetooth-Architektur deutlich.
Weitere BLE-Profile betreffen beispielsweise medizinische Anwendungen. So umfasst der Standard Protokolle für Blutdruck-Sensoren, Thermometer und weitere Messverfahren. Ebenso wurden Profile für Sport oder Fitness-Anwendungen hinzugefügt.
Der auffälligste Unterschied zu klassischem Bluetooth ist natürlich der geringere Stromverbrauch. Dies geht einher mit entsprechenden Anpassungen im Standard. So ist die Sendeleistung bei BLE auf 10 mW beschränkt. Die erreichbare Bitrate ist auf 1 Mbit/s beschränkt. Das Frequenzsprungverfahren nutzt lediglich 40 Kanäle. Außerdem wurden entsprechende Ruhe- bzw. Sendepausen im Standard vorgesehen, um den Energiebedarf zu reduzieren.
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