Bluetooth Low Energy

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Bluetooth Low Energy, Bluetooth LE (kurz BLE), Bluetooth Smart ist eine Funktechnik, mit der sich Geräte in einer Umgebung von etwa 10 Meter vernetzen lassen (siehe auch Rechnernetz). Im Vergleich zum „klassischen“ Bluetooth soll BLE deutlich geringeren Stromverbrauch und geringere Kosten mit einem ähnlichen Kommunikationsbereich haben.

Seit Dezember 2009 ergänzt diese Erweiterung den Industriestandard Bluetooth, veröffentlicht als Teil der Spezifikation 4.0.[1] Vor der Integration war die Funktechnik auch als Bluetooth ultra low power oder Wibree bekannt.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Entwicklung wurde von Nokia im Jahr 2001 begonnen, um Lücken in den bisherigen Anwendungsszenarien abzudecken.[2] Als Grundlage wurde der damalige Bluetooth Standard verwendet (Bluetooth 1.1 Standard 2002 und Bluetooth 1.2 Standard 2005), der in Richtung geringeren Stromverbrauchs und geringerer Kosten fortentwickelt wurde. Die Ergebnisse wurden erstmals 2004 als Forschungsarbeit bei der IEEE als „Bluetooth Low End Extension“ veröffentlicht.[3] Mit anderen Partnern im 6. FP der EU wurde die Serviceseite durch das MIMOSA Projekt weiter definiert,[4] und die Ergebnisse im Oktober 2006 unter dem Markenzeichen „Wibree“ vorgestellt.[5] Der Name „Wibree“ setzte sich aus „Wi“ als Abkürzung für Wireless und „Bree“ nach einem Ort aus der Fantasiesaga Herr der Ringe, an dem sich wichtige Wege kreuzen, zusammen. Wibree war zu diesem Zeitpunkt eine Gemeinschaftsentwicklung von Nokia, Epson, Broadcom, CSR und Nordic.

Im Juni 2007 wurde eine Vereinbarung zwischen dem Wibree-Forum und der Bluetooth Special Interest Group erreicht, mit der die Wibree-Technik in den Bluetooth-Standard aufgenommen werden sollte. In den ersten Ankündigungen des zu entwickelnden Normenteils im Juli 2007 hieß die Funktechnik dann Bluetooth Ultra-Low-Power Technologie.[6] Noch vor der Fertigstellung wurde dies erneut umbenannt, da die verwendete Bezeichnung Ultra Low Power eine sprachliche Assoziation zu Power = Stärke hat, die im Hinblick auf die Forderung der Politik nach Geräten mit geringerem Energieverbrauch vermieden werden sollte.[7] Die neue Protokoll-Architektur wurde dann als Bluetooth Low Energy im April 2009 in Tokio vorgestellt.[8] Die formelle Verabschiedung als Normenteil von Bluetooth 4.0 erfolgte im Dezember 2009.

Logos[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Bluetooth LE Technik wurde ein eigenes Logo Bluetooth Smart entwickelt. Geräte mit diesem Logo können sich nur mit anderen Bluetooth Smart oder Bluetooth Smart Ready Geräten verbinden.

Das Bluetooth Smart Ready Logo findet man auf herkömmlichen Bluetooth Geräten (z.B. Smartphones), die um die Bluetooth LE-Technik erweitert wurden. Diese können sich mit den „klassischen“ Bluetooth-Geräten und mit Bluetooth Smart- oder Bluetooth Smart Ready-Geräten verbinden. Möglich ist dies durch zwei verschiedene Funkeinheiten.[9]

Kompatibilität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bluetooth Smart und Bluetooth Smart Ready sind optionale Bestandteile von Bluetooth 4.0. Eine Folge daraus ist, dass Bluetooth 4.0-Geräte nicht zwangsläufig mit Bluetooth Smart-Geräten kommunizieren können müssen. Geräte im Classic Bluetooth müssen allgemein nur die Konnektivität mit der Basisgeschwindigkeit BR (Basic Rate) unterstützen, die Übertragung mit EDR (Enhanced Data Rate), HS (High Speed) oder LE (Low Energy) ist optional. Für Bluetooth Smart ist eine single-mode Implementation vorgesehen, die nur die Konnektivität per LE kennt.

Sowohl Classic Bluetooth als auch Bluetooth Smart arbeiten im 2.4 GHz ISM-Band, sodass sie sich eine Antenne teilen können. Die Funkübertragung für LE ist so verschieden, dass regelmäßig verschiedene integrierte Schaltkreise zur Umsetzung eingesetzt werden, die softwareseitig getrennt angesprochen werden, auch wenn sie im gleichen Chip integriert sind.

Durch die Bearbeitung des Bluetooth Normengremiums und die geschichtliche Ableitung des Low Energy Verfahrens aus dem herkömmlichen Bluetooth wird ein störungsarmer Parallelbetrieb von Classic Bluetooth- und Bluetooth Smart-Geräten gewährleistet. Die verwendeten Verfahren zur Kollisionsvermeidung und Bitübertragung sind ähnlich.

Funkübertragung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bluetooth LE teilt das ISM-Frequenzband in 40 Kanäle mit einer Breite von 2 MHz. (Herkömmliches Bluetooth BR/EDR teilt das ISM-Frequenzband in 79 Kanäle mit einer Breite von 1 MHz). Bluetooth LE verwendet wie auch Bluetooth BR ein FH-SS Frequenzsprungverfahren zur Kollisionsvermeidung und beide setzen eine GFSK Frequenzumtastung zur Bitübertragung ein. Die ab Bluetooth 2.0 für die durchsatzstärkeren EDR-Übertragung vorgesehenen alternativen Phasenumtastungen in der Modulation werden von Bluetooth Smart nicht verwendet, sodass reine BLE-Chips einfacher aufgebaut sein können.

Die Datenübertragungsrate liegt bei Bluetooth LE bei 1 MBit/s, identisch mit dem Wert der Basic Rate BR. Maximal ist für Bluetooth Smart-Geräte eine Sendeleistung von 10 mW vorgesehen, sodass die typische Reichweite bei 40 Metern liegt. Im Bluetooth-Standard insgesamt gibt es auch Klasse 1 Bluetooth-Geräte, die mit 100 mW senden können (typische Reichweite von 100 Metern), diese Sendeleistung wird bei Bluetooth Smart jedoch nicht angewendet.

Deutlich verändert zum klassischen Bluetooth sind die Verfahren zur Fehlerkorrektur und zum Verbindungsaufbau. Die Nettodatenrate sinkt von maximal 0.7 MBit/s (Basic Rate) auf 0.27 MBit/s, ein Verbindungsaufbau kann in 3 ms statt mindestens 100 ms erfolgen, und eine Datenübertragung nach 6 ms abgeschlossen sein. Insbesondere die kurzen Bursts auf der Funkstrecke tragen zum geringen Stromverbrauch von Bluetooth LE Geräten bei – statt 1000 mW als Referenz beim herkömmlichen Bluetooth gibt es Bluetooth Smart Profile mit einem Stromverbrauch von typisch 10 mW.

Verbindungstypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Classic Bluetooth kann im Piconet bis zu 255 Geräte (Slaves) verwalten, von denen 7 gleichzeitig aktiv sein können, die sich die Bandbreite aufteilen (bei EDR können so bis zu 3 Audioübertragungen störungsfrei parallel stattfinden). Das Bluetooth Smart kennt keine aktiv/passiv Unterscheidung (es ist auch für Audioübertragung nicht geeignet).

Alle Bluetooth LE Geräte senden unabhängig voneinander kurze Advertising Events (ein Aufmerksamkeitshinweis) auf einem der drei Advertising Channels. Anschließend lauscht das Gerät auf diesem Kanal nach einer Verbindungsanfrage, worauf dann auf einen der verbliebenen 37 Kanäle gewechselt wird um einen größeren Datenblock vom Gerät zu bekommen. Bei Bluetooth Smart ist der mögliche Master die meiste Zeit passiv, die möglichen Slaves senden in einem regelmäßigen Interval auf dem Advertising Channel – als Beispiel kann der iBeacon so konfiguriert werden, dass er statt 100 ms nur alle 900 ms aktiv wird. Die Unterscheidung in Master/Slave ist nicht generell den beteiligten Geräten zugeordnet, sondern wer auf einen Advertising Event reagiert wird für die folgende Datenverbindung der Master.

Profile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus der Sicht des Classic Bluetooth verbinden sich Bluetooth LE Geräte immer über das GATT-Profil – das Generic Attribute Profile ist für Sensordaten, und allgemein die ernergieeffiziente Übertragung kleiner Datenmengen optimiert. Neben der Zugriffsteuerung per GAP (Generic Access Profile) implementieren single-mode Bluetooth Smart Geräte nur Varianten dieses Profils. Die GATT-Spezifikation definiert eine Reihe von Attributen, und zeigt die Verwendung für Sensorprofile und Anwendungsdienste – schon die GATT-Spezikation 1.0 enthielt zwei Dutzend GATT Profile und Dienste.[10] Grundsätzlich kann ein Bluetooth Smart Gerät dabei mehrere Rollen gleichzeitig annehmen und im Advertising Event anbieten.

Geräte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie Bluetooth 2.1 sendet Bluetooth Low Energy im 2,4-GHz-Bereich, soll dabei weniger Energie verbrauchen und in der Integration erheblich kostengünstiger sein. Dieser neue Protokollstapel ist mit Bluetooth Version 2.1 verträglich, ist aber unabhängig zu konfigurieren. Bluetooth Low Energy wird es als Einzel-Chip-Lösung für Kleingeräte geben und ist in Kombination mit bisherigen Bluetooth-Geräten zu benutzen. Voraussetzung ist bei bisherigen Geräten mindestens ein Update der Software.

Das Betriebssystem Android unterstützt Bluetooth Low Energy ab der Version 4.3.[11] Apples Betriebssystem iOS unterstützt BLE seit Ausgabe 5[12] mit dem CoreBluetooth Framework, das im Oktober 2011 erschienen ist. BLE ist für das Nokia Lumia 520, 620, 625 und 720 mit der Lumia Amber-Software bereits verfügbar. Mit der Softwareaktualisierung auf Nokia Lumia Black wird die Bluetooth LE Funktion auf allen Nokia-Lumia-Smartphones mit Windows Phone 8 aktiviert.[13]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. SIG Introduces Bluetooth Low Energy Wireless Technology, The Next Generation of Bluetooth Wireless Technology. In: SIG Press Releases. Bluetooth Special Interest Group (SIG), 17. Dezember 2009, abgerufen am 28. Januar 2010 (englisch).
  2. Iddo Genuth: Nokia’s Wibree and the Wireless Zoo. (Memento vom 3. April 2014 im Internet Archive) In: thefutureofthings.com (englisch). 16. November 2006, abgerufen am 30. Dezember 2015
  3. M. Honkanen, A. Lappetelainen, K. Kivekas, Low end extension for Bluetooth, Radio and Wireless Conference, 2004 IEEE, 19–22 September 2004
  4. This website is dedicated to the European project MIMOSA. Abgerufen am 15. Dezember 2015.
  5. Is Wibree going to rival Bluetooth? Abgerufen am 15. Dezember 2015.
  6. Wibree becomes ULP Bluetooth, Electronics Weekly (englisch), 12. Juli 2007
  7. Bluetooth low energy (englisch)
  8. Bluetooth low energy (englisch)
  9. Warum Bluetooth nicht gleich Bluetooth ist, golem.de, abgerufen am 17. Januar 2014
  10. GATT Specification Documents. Abgerufen am 15. Dezember 2015.
  11. Android 4.3 detailed in new leak, but updates are minimal (englisch) auf The Verge, abgerufen am 19. Juli 2013
  12. iOS 5.0, Apple (englisch), abgerufen am 28. September 2013
  13. Nokia-Website
  14. iBeacons: Wireless Nahfeldkommunikation mit Potential zum Standard – Artikel bei Beyond-print.de vom 25. September 2013, abgerufen am 28. September 2013