Einführung in die Bluetooth-Technik

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Gegenstand der Arbeit

2 Bluetooth - Eine Einleitung
2.1 Was ist Bluetooth?
2.2 Die Entstehung

3 Bluetooth - Die Technik
3.1 Der Bluetooth-Protokollstack
3.1.1 Der Bluetooth-Controller
3.1.1.1 Radio Frequency (RF)
3.1.1.2 Das Basisband (Baseband)
3.1.1.3 Der Link-Manager (LM)
3.1.2 Das Host-Controller-Interface (HCI)
3.1.3 Der Bluetooth Host-Computer
3.1.3.1 Das Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol
3.1.3.2 Das Service Discovery Protocol (SDP)
3.1.3.3 Das Cable Replacement Protocol RFCOMM
3.1.3.4 Telephony Protocols
3.2 Die Bluetooth-Anwendungsprofile
3.2.1 Generic Access Profile (GAP)
3.2.2 Service Discovery Application Profile (SDAP)
3.2.3 Serial Port Profile (SPP)
3.2.4 Generic Object Exchange Profile (GOEP)
3.3 Ergänzendes zur Bluetooth-Technik
3.3.1 Die Bluetooth-Lösungen
3.3.2 Qualifizierung/ Zertifizierung der Geräte

4 Bluetooth - Anwendungen, Probleme, Zukunft
4.1 Aktuelle Bluetooth-Anwendungen und Entwicklungen
4.1.1 Einige aktuelle Bluetooth-Anwendungen
4.1.2 Das 5-Sekunden-Programm von Sony
4.1.3 Die Bluetooth-Spezifikation 1
4.2 Probleme der Bluetooth-Technologie
4.3 Einbindung in mobile drahtlose Informationssysteme
4.3.1 UPS und Bofrost rüsten um
4.3.2 Bluetooth in der Automobilindustrie

5 Schlussbemerkungen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

1 Einführung

1.1 Aufgabenstellung

Untersuchen Sie anhand einer umfassenden Literaturanalyse den gegenwärtigen technischen Entwicklungsstand von Bluetooth und leiten Sie dessen künftige Entwicklungstendenzen ab. Stellen Sie dar, welche typischen Anwendungen es gegenwärtig für Bluetooth - Lösungen gibt und diskutieren sie deren Einbindung in mobile drahtlose Informationssysteme.

1.2 Gegenstand der Arbeit

Diese Arbeit soll einen grundlegenden Einblick in die Bluetooth-Technologie bieten. Dabei werden technische Aspekte von Bluetooth, wie Protokolle und Übertragungstechniken, aber auch aktuelle Einsatzgebiete und Entwicklungen dieser relativ jungen Technologie betrachtet. Es ist zu beachten, dass in dieser Arbeit weitgehend nur die wichtigsten Bestandteile von Bluetooth erläutert werden.

Zunächst werden die Grundlagen der Bluetooth-Technologie erläutert. Anschließend folgt ein umfassender Überblick der technischen Aspekte. Im Kapitel 4 werden aktuelle Anwendungen und Perspektiven aufgezeigt.

2 Bluetooth - Eine Einleitung

2.1 Was ist Bluetooth?

Bluetooth ist ein Funkverfahren, welches es ermöglicht, Geräte über eine weltweit standardisierte Schnittstelle miteinander zu verbinden. Glaubt man den Marketingstrategien vergangener Tage, so beschreibt diese Technik die ultimative Lösung für drahtlose Netzwerke und Anwendungen. [Wollert 2002, S.15]

Bluetooth definiert eine universelle Schnittstelle im 2,4 Gigahertz (GHz) Industrial-Scientific-Medical-Band (ISM-Band). Dieses ist in vielen Ländern der Welt lizenzfrei und stellt 23 beziehungsweise 79 Kanäle im Abstand von einem Megahertz (MHz) zur Verfügung. Bei dieser Funktechnik wird nur mit einigen 100 Milliwatt gesendet, natürlich ist die Reichweite dadurch auf 10-100 Meter eingeschränkt. Auch der Datendurchsatz von ungefähr einem Megabit pro Sekunde ist recht gering, zu Recht könnte man sich die Frage stellen, ob dieses Verfahren wettbewerbsfähig ist.

Bei der Entwicklung lag der Schwerpunkt sehr lange auf der Computertechnik. Bluetooth sollte Verwendung in mobilen Geräten finden, diese sind auf Stromquellen wie Akkumulatoren oder Batterien angewiesen. Deshalb spielte bei Bluetooth der Low-Power-Effekt vom Anfang an eine sehr große Rolle.

Mittlerweile hat der Einsatz von Bluetooth die Grenzen der Computerwelt weit überschritten, worauf später besonders eingegangen werden soll.

Doch woher kommt der Name Bluetooth? Hier gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Mythen. Eine Geschichte hat sich im Laufe der Zeit besonders etabliert. Es wurde ein nordischer Stammeskönig, Harald Blaatand, als Leitfigur ausgewählt. Harald, Sohn von Gorm dem Älteren und Thyra Danebod war von 940 bis 981 König von Dänemark und christianisierte in dieser Zeit die Dänen, aber auch die Norweger. Diese Orientierung an einem nordischen Stammesfürsten ist sehr wahrscheinlich auf das starke Engagement von Ericsson und Nokia an der Entwicklung von Bluetooth zurückzuführen.

2.2 Die Entstehung

Im Jahr 1994 begann die Firma Ericsson mit der Entwicklung einer funkbasierenden Datenübertragung. Dabei setzte man sich das Ziel, eine Schnittstelle zu schaffen, welche klein und preiswert ist. Darüber hinaus sollten alle Kabelverbindungen ersetzt werden (Cable Replacement). Man sprach von einer Ablösung des Infrarot-Standards, es sollten keine optischen Verbindungen mehr nötig sein und höhere Übertragungsreichweiten möglich werden. Weiterhin machte man es sich zur Aufgabe, in diesem Verfahren eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung zu integrieren. Gegenstand der Forschung war es, verschiedenste Geräte an das Mobilfunknetz und an das Internet zu anzuschließen.

Diese Studie blieb selbstverständlich nicht ohne Resonanz. Im Mai 1998 kam es zur Gründung der Special Interest Group (SIG). Die Firmen Ericsson, Nokia, Intel, IBM und Toshiba verbündeten sich, um einen weltweit einheitlichen Standard zu schaffen. Das Ergebnis dieses Zusammenschlusses ließ nicht lange auf sich warten. Bereits im Juli 1999 wurde die Bluetooth-Spezifikation 1.0 veröffentlicht. Sie bestand aus zwei Dokumenten, der über 1000 Seiten starken Bluetooth Core Specification zur technischen Beschreibung der Protokolle und der Bluetooth Profile Documentation. Letztere spezifiziert die Anwendung der Technologie sowie die Verwendung der Protokolle und hatte einen Umfang von 440 Seiten. Später entstand für Bluetooth ein eigenes Markenzeichen (Logo) und ein Bluetooth-Schriftzug. Das Logo besteht aus den Buchstaben H und B, für Harald Blaatand. Erst nach der Qualifizierung eines Produktes und der nachfolgenden erfolgreichen Abnahme ist ein Hersteller autorisiert, dieses Logo zu verwenden. Im Kapitel 3.3.2 wird dies näher erläutert.

Abb. 2-1: Das Bluetooth-Logo [The Official Bluetooth Website]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Bluetooth - Die Technik

3.1 Der Bluetooth-Protokollstack

Bei der Funktechnik müssen ein Vielzahl von Aufgaben, Funktionen und Ereignissen abgedeckt werden. Deshalb ist selbstverständlich auch der Bluetooth-Protokollstack sehr umfangreich. Es ist möglich, bei diesem vier Funktionsbereiche zu identifizieren, welche im Folgenden kurz erläutert werden.

1. Der hardwarenahe Teil

Hier werden die grundlegenden Protokolle der Bluetooth-Spezifikation abgebildet, bestehend aus dem Hoch-Frequenz-Bereich (HF-Bereich), dem Basisband und dem Linkmanager. Dadurch wird die notwendige Firmware des Bluetooth-Controllers beschrieben.

2. Der Übergang von Bluetooth-Controller zum Hostrechner

An dieser Stelle muss eine Schnittstelle vom Host, beispielsweise einem Mobiltelefon zum Bluetooth-Controller definiert werden. Diese Schnittstelle wird im Host-Controller-Interface (HCI) beschrieben.

3. Die Zugriffsebene auf dem Host-System

Die Logical Link Control and Adaptation Protocol Schicht (L² CAP-Schicht) bietet die entsprechende Zugriffsebene. Durch die Bereitstellung virtueller Kommunikationskanäle wird die Grundlage jeglicher Kommunikation bereitgestellt. Um in einem Ad-hoc-Netzwerk bereitgestellte Dienste aufspüren zu können, ist an dieser Stelle ebenfalls das Service Discovery Protocol (SDP) implementiert.

4. Die Hostprotokolle

Zuletzt fehlen solche Protokolle, die auf dem Hostsystem eine Anwendungsschicht zur Verfügung stellen. Das Cable Replacement Protocol (RFCOMM) stellt dem Hostsystem klassische serielle Schnittstellen zur Verfügung. Die Steuerung von Telefondiensten wird durch Telephony Control Protocols unterstützt. [Wollert 2002, S. 47 f.]

Es wird in diesem Kapitel die Technologie von Bluetooth in drei Ebenen mit deren wichtigsten Bestandteilen dargestellt. Die Punkte drei und vier werden im Folgenden gemeinsam unter der Überschrift „Der Bluetooth Host-Computer“ behandelt. Abb. 3-1 zeigt die Zusammenhänge des Bluetooth-Protokollstacks auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-1: Der Bluetooth-Protokollstack [Beecks 2002]

3.1.1 Der Bluetooth-Controller

3.1.1.1 Radio Frequency (RF)

Radio Frequency (RF), oder auch Hoch Frequenz (HF), beschreibt die Funktechnik, welche bei Bluetooth verwendet wird. Sie wird in der untersten Protokollschicht definiert. Zum Verständnis dieses Teils des Bluetooth-Controllers werden folgend das von Bluetooth benutzte Industrial-Scientific-Medical-Band (ISM-Band), die Modulation und die Eigenschaften des Senders und des Empfängers näher betrachtet.

Zur Übertragung nutzt Bluetooth das in Deutschland lizenzfreie ISM-Band. Dies sind Frequenzbereiche, welche für allgemeine Aufgaben verwendet werden. Speziell wird an dieser Stelle der 2,4 GHz-Bereich verwendet. Da das ISM-Band frei verfügbar ist, treten natürlich auch Probleme auf, da auch andere Anwendungen im Kleinleistungsbereich dieses Band nutzten. Besonders Wireless Local Area Networks (WLAN) können durch Bluetooth gestört werden. Bluetooth nutzt den Bereich zwischen 2402 und 2480 MHz, das bedeutet, dass 79, in einigen Ländern 23 Kanäle, mit einer Bandbreite von einem MHz zur Verfügung stehen. Dieser Bereich wird von den darüber und darunter liegenden Bändern eindeutig durch sogenannte Guard-Bänder abgetrennt. Dadurch werden Schwierigkeiten mit den angrenzenden Frequenzen vermieden.

Da das ISM-Band frei verfügbar ist, muss es einige geeignete Regeln zur Nutzung von diesem geben. Die Wesentlichste besagt, dass die zur Verfügung stehenden Frequenzen gleichmäßig ausgenutzt werden müssen. Die 79 Kanäle werden durch ein Frequenz-Hopping-Verfahren optimal ausgenutzt. Dabei ändern sich die Frequenzen 1600 Mal pro Sekunde. Um die Modulation zu ermöglichen, nutzt Bluetooth ein einfaches Gaußsches Frequenz-Shift-Keying (GFSK), eine Technik, bei der die Datenbits durch die Änderung der Frequenz repräsentiert werden. Weicht die Frequenz negativ ab so ist dies gleichzusetzen mit einer binären Null, bei einer positiven Abweichung wird eine logische Eins repräsentiert. Natürlich ist in der Bluetooth-Spezifikation festgelegt, wie groß die Frequenzabweichung mindestens sein muss, um als Signal eindeutig identifiziert zu werden. Zur Übermittlung der Datenpakete nutzt Bluetooth das Time-Division-Duplex-Verfahren (TDD), hierbei steht nach einem Sendeslot ein Antwortslot auf einer anderen Frequenz zur Verfügung. Eine Slotlänge ist bei Bluetooth mit 625 Mikrosekunden definiert, dies wiederum entspricht eine Hop-Frequenz von 1600 pro Sekunde. Den Ablauf des TDD-Verfahrens stellt die Abbildung Abb. 3-2 dar. Auf dieser Grundlage arbeitet das Basisband, welches später erläutert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-2: Das Time-Division-Duplex-Verfahren (TDD) [Gotzhein 2002, S. 132]

Die wesentlichste Eigenschaft des Senders ist die sehr geringe Sendeleistung. Dies ist im Sinne der Hauptziele, die man sich bei der Entwicklung von Bluetooth gesetzt hatte. Denn eine geringe Sendeleistung bedeutet gleichzeitig eine geringe Leistungsaufnahme. Damit wird auf ein wesentliches Problem von mobilen Geräten eingegangen, ihre Verwendung ist abhängig von der Batterielebensdauer. Bluetooth spezifiziert drei Leistungsklassen, um unterschiedliche Reichweite zu ermöglichen. Es gibt Geräte der Leistungsklasse 1, 2 und 3, diese senden mit einer Leistung von einem 100, 2,5 beziehungsweise einem Milliwatt (mW). Die Steuerung der Leistung übernimmt das Link Manager Protokoll, ebenfalls auf dem Bluetooth-Controller zu finden.

Der Bluetooth-Empfänger muss in der Lage sein, die eigene Leitungsqualität zu beurteilen. Nur so kann auf verändernde Umgebungsvariablen, zum Beispiel das Entfernen vom Sender, eingegangen werden. Um dies zu gewährleisten, weist jeder Bluetooth-Empfänger einen Loop-Back-Kanal auf. Dieser ist in der Lage, die als Maß für die Qualität der Leitung geltende Bitfehlerrate (Bit Error Rate) zu messen.

3.1.1.2 Das Basisband (Baseband)

Im Basisband sind die wichtigsten Technologien implementiert, welche den Charakter von Bluetooth wesentlich prägen. Dazu gehören zum Beispiel die physikalischen Verbindungen, die Netztopologie, die Übertragungscharakteristik und die Kanalverwaltung von Bluetooth. Folgend werden die Grundlagen des Basisbandes erklärt.

Grundsätzlich ist das Basisband in der Lage, zwei unterschiedliche physikalische Datenkanäle zur Verfügung zu stellen, einen leitungsvermittelten und einen paketvermittelten Kanal. Bluetooth nutzt eine Kombination aus beiden Kanälen.

Der Vorteil der Leitungsvermittlung ist eine fest zugesicherte Bandbreite, welche den Teilnehmern exklusiv zur Verfügung steht. Niemand anders kann diesen Datenkanal beeinflussen. Ein leitungsvermittelter Datenkanal wird zur Sprachübertragung genutzt. Bluetooth ist in der Lage, bis zu drei solcher Datenkanäle synchron zu übertragen, dies ist nötig, um zum Beispiel ein Stereo-Signal zu senden. Eine solche synchrone Verbindung wird ausschließlich bei der Sprachübertragung genutzt. Es wird vom Master zum Slave eine Punktzu-Punkt-Verbindung hergestellt, bei der eine Menge von Slots im definierten Abstand reserviert wird. In der Bluetooth-Spezifikation wird eine solche Verbindung als Synchronous Connection Oriented Link (SCO-Verbindung) bezeichnet.

Die andere Möglichkeit zur Datenübertragung ist die Paketvermittlung. Da die Pakete auf unterschiedlichsten Weg ihre Empfänger erreichen können, ist dies eine besonders effiziente Methode, um Daten zu senden. Das bekannteste Beispiel für diese Technik ist wohl das Internet. Da die zum Versenden bereitstehenden Pakete jedoch gleichberechtigt sind, ist keine Zeit zu definieren, wann sie den Empfänger erreichen. Deshalb spricht man hier, im Gegensatz zur Leitungsvermittlung, von einer asynchronen Übertragung. Die Datenpakete einer asynchronen Verbindung, man spricht bei Bluetooth auch von einem Asynchronous Connectionless Link (ACL-Verbindung), werden zwischengespeichert und in den Lücken der SCO-Verbindung ausgeliefert. Jedes Gerät, welches Bluetooth verwendet, besitzt genau einen ACL-Kanal, über diesen werden die Nutzdaten, aber auch Steuerdaten übertragen.

Eine weitere Aufgabe des Basisbandes ist die Unterstützung von sogenannten Ad-hoc-Netzwerken. Dies sind Netzwerke, die sich spontan bilden, sobald die Teilnehmer, ausgestattet mit einer Funktechnik, die erforderliche Nähe zueinander haben. Man könnte Ad-hoc-Netzwerke mit Peer-to-Peer-Netzwerken vergleichen, welche sich selbst konfigurieren. Bei Bluetooth können zwei oder mehrere Geräte miteinander kommunizieren. Es muss immer genau einen Master geben, dieser hat die Aufgabe, den Zugriff auf die Luftschnittstelle zu regeln. Der Master ist in der Lage, mit bis zu sieben aktiven Slaves zu kommunizieren. Alle an der Kommunikation beteiligten Slaves müssen sich nach dem Master richten, dieser bestimmt die Hop-Sequenz und auch die Hop-Phase. Eine solche Beziehung bezeichnet man als Piconet. Es sind auch Kommunikationen zwischen zwei oder mehreren Piconets möglich, gekoppelt zum Beispiel über einen gemeinsamen Slave, man spricht dann von einem Scatternet.

Ein Bluetooth-Gerät kann Rolle Masters oder Slaves sein, erst während des Kommunikationsaufbaus entscheidet sich, welche Rolle das Gerät annimmt. [Wollert 2002, S.59]

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