Bluetooth TM
Allgemeines
Bluetooth ist ein Standard für eine kostengünstige Niederleistungs-Funkschnittstelle (maximale Datenübertragungsrate 723 kbps) zur drahtlosen Kommunikation zwischen räumlich eng (innerhalb weniger Meter) benachbarten Endgeräten wie z.B. zwischen Mobiltelefon und zugehörigem Headset, zwischen Maus bzw. Tastatur und Computer („Funkmaus“ bzw. „Funktastatur“), zwischen Computer und Drucker, zwischen einzelnen Computern, zwischen digitaler Kamera und Computer, usw. Neben Punkt zu Punkt Verbindungen zwischen zwei einzelnen Geräten sind aber auch so genannte „Piconetze“ mit bis zu maximal 8 gleichzeitig aktiven Geräten möglich. Die maximal mögliche räumliche Ausdehnung eines solchen Piconetzes bleibt dabei je nach Geräteklasse (und damit unterschiedlicher maximaler Sendeleistung) auf einen Bereich von einigen Metern bis maximal 100 m beschränkt. Bluetooth wird häufig als Konkurrent für Wireless LAN Systeme angesehen, was aus technischer Sicht jedoch nicht berechtigt erscheint, da Bluetooth bezüglich Reichweite und erzielbarer Datenraten weit unterhalb von gegenwärtigen Wireless LAN Systemen operiert.
Entwicklungsgeschichte
Nach ersten 1994 begonnenen Vorversuchen schlossen sich Anfang 1998 die fünf Konzerne Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel zur Special Interest Group (SIG) for Bluetooth zusammen und gründeten Mitte 1998 das Bluetooth - Konsortium. Bereits Mitte 1999 wurde die erste Version (V1.0A) der Bluetooth - Spezifikation veröffentlicht. Mitte 2000 wurde das erste Bluetooth - Produkt zertifiziert. Das Bluetooth - Konsortium umfasst mittlerweile mehrere tausend Unternehmen aus allen Industriesparten. Praktisch alle gegenwärtig auf dem Markt befindliche Systeme arbeiten nach Version 1.1 der Bluetooth - Spezifikationen. Die Version 1.2 der Spezifikationen wurde Ende 2003 ratifiziert. Erste Produkte nach Bluetooth Version 1.2 sind gegenwärtig allerdings noch nicht verfügbar.
Der Name Bluetooth leitet sich vom frühmittelalterlichen dänischen Wikingerkönig Harald Blåtand ab, hat also keine tiefere technische Begründung.
Technische Beschreibung
Die Bluetooth - Funkübertragung arbeitet im unlizenzierten 2,4 GHz ISM (Industrial Scientific Medical) Frequenzband mit einem Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). In Europa (ausgenommen Frankreich und Spanien) belegt Bluetooth innerhalb dieses Bandes insgesamt 79 Kanäle mit jeweils 1 MHz Bandbreite (f = 2402+k MHz, mit k = 0, 1,…., 78). Bei der Übertragung im FHSS Verfahren wird zur Erhöhung der Störfestigkeit die Sendefrequenz in regelmäßigen Abständen gewechselt. Bei Bluetooth findet 1600 mal pro Sekunde ein Wechsel der Sendefrequenz statt („Hopping Frequency“ = 1600 Hz), wobei die Abfolge der Frequenzwechsel (sog. „Hopping Sequence“, d.h. zu welchem Zeitpunkt welche der insgesamt 79 verfügbaren Frequenzen verwendet wird) für ein Piconetz eindeutig sein muss. Ein eventuell benachbartes Piconetz muss eine andere hinreichend unterschiedliche hopping sequence verwenden, wenn es nicht zu gegenseitigen Störungen kommen soll. Zur Übertragung der Daten in den einzelnen Frequenzkanälen wird Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) als Modulationsart verwendet. Der binär („0“ oder „1“) vorliegende Datenstrom wird dabei durch eine 44 kleine Veränderung der Trägerfrequenz (± 200 kHz bei Bluetooth) innerhalb jeder Bitdauer abgebildet.
Die Kommunikation innerhalb eines Bluetooth- Piconetzes (auch bei nur 2 Teilnehmergeräten) ist über ein so genanntes „Master-Slave“ -Verfahren organisiert. Dies bedeutet, dass immer eines (und nur eines) der Geräte als Zentrale („Master“) für die Organisation und den Ablauf des Datenverkehrs fungiert. Alle anderen Geräte („Slaves“) im gleichen Piconetz arbeiten entsprechend der vom Master vorgegebenen Ablauforganisation. Da in der Bluetooth - Spezifikation nur 3 Adressbits zum Ansprechen der aktiven Geräte innerhalb eines Piconetzes vorgesehen sind, besteht ein Bluetooth - Piconetz also immer aus 1 Master und bis zu maximal 7 aktiven Slaves. Die direkte Kommunikation zwischen zwei Slaves in einem Piconetz ist nicht erlaubt, d.h. alle Datenflüsse laufen über den Master. Welches der Geräte innerhalb eines Bluetooth - Piconetzes als Master und welche Geräte als Slaves arbeiten, wird bei ursprünglich gleichberechtigten Geräten beim Aufbau der Netzverbindung automatisch festgelegt. Bei einigen Anwendungen ist dies jedoch auch schon im Vorhinein festgelegt (z.B. arbeitet bei einer Bluetooth - Verbindung zwischen Mobiltelefon und Headset immer das Mobiltelefon als Master).
Die Kommunikation zwischen den einzelnen Geräten ist derart organisiert, dass immer abwechselnd vom Master zu einem Slave und anschließend von einem Slave zum Master kommuniziert wird (Zeitduplex, Time Division Duplex (TDD)). Der Datenaustausch erfolgt dabei mittels Datenpaketen. Abbildung 2.14 illustriert vereinfacht den zeitlichen Ablauf der Kommunikation zwischen einem Master und einem Slave bei konstanter Datenpaketlänge von 366 μs („Single Slot Packet“). Für jede Kommunikationsrichtung stehen abwechselnd theoretisch 625 μs lange Zeitschlitze zur Verfügung, innerhalb derer auf konstanter Frequenz gesendet wird (Hopping Frequency = 1600 Hz, entspricht 625 μs Zeitschlitz für eine Frequenz).
Vereinfachtes Schema der Kommunikation zwischen Master und Slave in Bluetooth bei konstanter Paketlänge und Ein-Zeitschlitz-Paketen (single slot packets). Helle Datenpakete werden vom Master zum Slave übertragen, dunkle Datenpakete, zeitlich versetzt, vom Slave zum Master (Time Division Duplex, TDD). Alle 625 μs ändert sich die Sendefrequenz (FHSS) entsprechend eines Frequenzsprungschemas (Hopping Sequence). Die angegebenen Werte für Frequenzen und Kanalnummern sind beliebig gewählt und dienen lediglich der Anschauung.
Dieser theoretisch 625 μs lange Zeitschlitz kann jedoch aus praktischen Gründen nicht voll für die Datenübertragung genutzt werden, da die Umtastung von einer (stabilen) Frequenz zur nächsten (stabilen) Frequenz nicht augenblicklich erfolgen kann (Frequenzsynthesizer benötigt gewisse Einstellzeit). Tatsächlich stehen daher pro Zeitschlitz nur maximal 366 μs für die Paketübertragung zur Verfügung.
In der Praxis ist die Länge der einzelnen Datenpakete jedoch variabel und hängt von der Anzahl der im jeweiligen Paket übertragenen Nutzdatenbits ab. Ein Paket besteht jedoch mindestens aus dem so genannten „Access Code“ (68 oder 72 Bits) und dem „Packet Header“ (54 Bits) also mindestens 122 oder 126 Bits. Werden zusätzlich Nutzdaten übertragen, ist das Datenpaket entsprechend länger, jedoch maximal insgesamt 2866 Bit lang. Bei der in Bluetooth spezifizierten Bitdauer von 1 μs entspricht die maximale Paketlänge daher 2.87 ms. Da diese maximal zulässige Paketdauer größer ist als die primäre Zeitschlitzlänge von 625 μs und daher nicht ohne weiters übertragen werden könnte (während der Umtastung der Frequenz ist keine Datenübermittlung möglich), definiert Bluetooth für die Übertragung solcher Multi-Slot Pakete eine Sonderregelung. Wird ein solches Multi-Slot Paket übertragen, wird die Sendefrequenz während der für die Übertragung des gesamten Paketes benötigten Zeitschlitze nicht gewechselt, sondern festgehalten. Das Frequenzsprungschema wird aber nicht verändert, da sonst alle Geräte im Netz auf eine neue Hopping Sequence umgestellt werden müssten, d.h. während der Übertragung von Multi-Slot Paketen werden die betroffenen Frequenzen ganz einfach ausgelassen. Aus der maximal zulässigen Paketdauer ergibt sich, dass neben Paketen die innerhalb eines Zeitschlitzes übertragen werden können (1-Slot-Pakete), weiters noch 3-Slot-Pakete und 5-Slot-Pakete möglich sind (2- bzw. 4-Slot-Pakete sind aufgrund des Zeitduplex nicht möglich). Die weiter unten stehende Abbildung zeigt zur Veranschaulichung ein Beispiel für die Kommunikation in einem Bluetooth - Piconetz unter teilweise Verwendung von Multi-Slot-Paketen.
Betriebszustände von Bluetooth Geräten
Da nicht jedes Gerät in einem Bluetooth - Piconetz ununterbrochen Daten zu senden oder zu empfangen hat und in Sende- und Empfangspausen (Akku-)Energie gespart werden kann, sieht die Bluetooth - Spezifikation unterschiedliche Betriebszustände vor:
Active-Modus: Alle aktiv am Datenverkehr teilnehmenden (Daten sendende oder Daten empfangende) Geräte befinden sich in diesem Zustand.
Sniff-Modus: In diesem Modus kann ein Slave-Gerät eines Piconetzes seinen Arbeitszyklus reduzieren, d.h. es „hört“ mit geringerer Häufigkeit ins Netz hinein, ob für ihn relevante Daten vorliegen.
Hold-Modus: Ein in diesem Zustand befindliches Slave-Gerät unterstützt keinen asynchronen Datenverkehr mehr, verbindungsorientierte Datenübertragung wird jedoch noch unterstützt.
Park-Modus: In diesem Modus nimmt ein Slave-Gerät nicht mehr am Piconetz teil, bleibt jedoch auf das Master-Gerät synchronisiert. Weiters gibt das Slave-Gerät seine aktive Netzadresse („active member address“) auf und erhält dafür vom Master eine so genannte „parked member address“, anhand der es wieder in den aktiven Modus zurückgeholt werden kann.
Standby-Modus: Das Gerät ist zwar eingeschaltet, hat aber keine Verbindung zu einem anderen Gerät oder einem Piconetz.
Vereinfachtes, beispielhaftes Schema der Kommunikation zwischen einem Master und 3 Slaves in Bluetooth bei variabler Paketlänge und Übertragung von Multi-Slot-Paketen.
Sendeleistung
In den Bluetooth - Spezifikationen werden bezüglich der maximalen Sendeleistung drei unterschiedliche Geräteklassen gemäß der folgenden Tabelle definiert. In Geräten der Klasse I ist eine Sendeleistungsregelung zwingend vorgesehen. Geräte der Klassen II und III können, müssen aber keine Leistungsregelung implementiert haben.
Leistungsklassen von Bluetooth - Geräten
Die tatsächlich von einem Bluetooth - Gerät abgestrahlte mittlere Hochfrequenzleistung hängt einerseits natürlich ganz wesentlich vom jeweiligen Betriebszustand, andererseits aber auch von der übertragenen Datenpaketlänge ab. Aus dem bisher Gesagten kann abgeleitet werden, dass das Verhältnis von tatsächlich abgestrahlter mittlerer Leistung P zur Maximalleistung Pmax im Falle andauernder, asymmetrischer Übertragung von vollen 5-Slot-Paketen am größten ist. In diesem Fall wird innerhalb eines 3,75 ms langen Zeitintervalls (5 Zeitschlitze senden + 1 Zeitschlitz empfangen) für insgesamt 2,87 ms Leistung abgestrahlt und das Verhältnis P/Pmax ergibt ca. 0,76. In der Praxis wird dieser Fall jedoch selten über längere Zeit eintreten und das Verhältnis P/Pmax wird daher üblicherweise geringer sein.
Antennen
Die für Bluetooth eingesetzten Antennen sind üblicherweise in den Geräten integriert und aus Kostengründen sehr einfach aufgebaut (meist einfache Dipole oder Patches direkt als gedruckte Schaltung). In Einzelfällen, meist bei Geräten für größere Reichweiten, kommen auch kurze Stab- oder Stummelantennen zum Einsatz.
Gegenwärtige Produkte
Die gegenwärtig auf dem europäischen Markt befindliche bzw. unmittelbar vor der Einführung stehende Palette von Bluetooth - Produkten ist enorm groß. Soweit nicht ohnehin schon von vornherein in Geräten wie Notebooks, Kameras, Maus, Tastatur, Drucker, Mobiltelefon, Freisprecheinrichtungen für Mobiltelefone (Headsets), Palmtop, usw. integriert, sind Bluetooth - Module in unterschiedlichen Formen von Einsteckkarten für PC und Notebook, sowie extern über die USB-Schnittstelle an alle denkbaren EDV-Peripheriegeräte anzuschließen, erhältlich. Weiters sind auch „Bluetooth Access Points erhältlich, die zur Anbindung eines Bluetooth - Piconetzes an größere Datennetzwerke (Local Area Networks, LANs), wie z.B. Ethernet dienen.
