Funktionsweise der BLE-Technologie in der Praxis

Eine Besonderheit in der Entwicklung von Bluetooth stellt BLE dar. Seit Bluetooth 4.0 ist Bluetooth Low Energy (BLE, auch Bluetooth Smart) Teil des Bluetooth-Standards. Hiermit ist es Geräten möglich, innerhalb von drei Millisekunden eine Übertragung aufzubauen. Diese Verbindung kann über 100 m aufrechterhalten werden. Für die Vergrößerung der Reichweite kann die Übertragungsrate reduziert werden, wodurch im freien Feld sogar bis zu 200 Meter Reichweite zustande kommen können. Durch die drastisch verkürzten Burst-Signale und durch Schlafphasen zwischen den Sendezyklen kann ein stark reduzierter Energieverbrauch verglichen mit herkömmlichen Bluetooth-Geräten erreicht werden.

Technologische Grundlagen der BLE-Technologie

Ähnlich wie RFID arbeitet auch Bluetooth mit Funk-Technologie. Hierbei werden Daten jedoch in einem Frequenzband zwischen 2,404 GHz und 2,480 GHz übertragen. Da die Datenübertragung in diesen Frequenzen leicht Störungen durch Mikrowellenherde, WLAN-Signale oder auch schnurlose Telefone unterliegt, wird ein Frequenzsprungverfahren in der Bluetooth-Datenübertragung eingesetzt. Hierbei wird sekündlich bis zu 1600-mal in eines von 79 Frequenzbändern gewechselt. Eine Verbindung zwischen zwei Geräten kommt in älteren Versionen innerhalb von mindestens 100 ms bis zu zwei Sekunden zustande. Die möglichen Datenübertragungsraten variieren stark, je nachdem, von welcher Bluetooth-Version man spricht. Es gibt jedoch zwei unterschiedliche Übertragungsmodi – synchron und asynchron. Synchrone Verbindungen werden in der Bluetooth-Technologie hauptsächlich bei der Sprachübertragung verwendet. Asynchrone Verbindungen werden dagegen bei allen anderen Anwendungen verwendet und können wiederum in symmetrisch und asymmetrisch unterschieden werden. Bei einer asymmetrischen Verbindung unterscheiden sich die Datenraten beim Empfangen und Senden. So ist bei Bluetooth 1.2 beispielsweise eine asymmetrische Datenrate von 732,2 kbit/s in eine Richtung und 57,6 kbit in die Gegenrichtung möglich oder eine symmetrische Verbindung mit jeweils 433,9 kbit/s in beide Richtungen. Abgesehen von den verschiedenen Versionen gibt es drei Klassen, in die Bluetooth-Geräte eingeteilt werden. Klasse 3 besitzt dabei die schwächste Leistung und somit auch die geringste Reichweite, während Klasse 1-Geräte eine Reichweite von bis zu 100 m erreichen.

Neben der Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die man zwischen zwei Geräten über Bluetooth eingehen kann, ist es auch möglich, bis zu acht Geräte gleichzeitig miteinander in einem Piconet zu verbinden. Dabei wird jedem aktiven Teilnehmer eine 3-Bit-Adresse zugeteilt. Darüber hinaus ist es Geräten jedoch auch möglich, passiv an einer Bluetooth-Verbindung teilzunehmen, als Standby oder Parked, und erst dann aktiv zu werden, wenn sie angesprochen werden. Diese passiven Geräte werden anhand einer 8-Bit-Adresse identifiziert, die theoretisch bis zu 255 passive Teilnehmer ermöglicht.

Bluetooth-Geräte Klassen

Klasse	Leistung (mW)	Leistung (dBm)	Reichweite innen	Reichweite im Freien
Klasse 1	100	+20	100m	100m
Klasse 2	2,5	+4	10m	50m
Klasse 3	1	0	1m	10m

Möglichkeiten und Grenzen – BLE das neue WLAN?

Inzwischen gibt es zahlreiche verschiedene Versionen von Bluetooth. Die ursprüngliche Datenübertragungsrate von Bluetooth 1.0 und 1.1 betrug lediglich 732,2 kbit/s. Dies wurde über die Jahre auf bis zu 3 Mbit/s (Bluetooth 5.0 mit EDR, 2 Mbit/s ohne EDR) erweitert. Zwar wurde im Jahr 2009 diskutiert, ob man einen Highspeed-Kanal integriert, der auf Basis von WLAN und UWB Datenraten von bis zu 480 Mbit/s erlaubt. Diese Pläne wurden jedoch Ende 2009 wieder verworfen. Hierdurch bleibt die Datenrate von Bluetooth auch heute noch weit hinter den Möglichkeiten von WLAN zurück und wird überall dort, wo eine Übertragungsrate von mehr als 2-3 Mbit/s benötigt wird, keine Konkurrenz zum klassischen WLAN darstellen. Seit Bluetooth 5.1 wurde jedoch eine wichtige Neuheit vorgestellt, die viele Anwendungsmöglichkeiten bietet – die Ortung innerhalb von Gebäuden mit einer Genauigkeit von 10 cm durch Real Time Location Services (RTLS) und Indoor Positioning Systems (IPS). Diese Funktion bietet große Vorteile gegenüber dem WLAN, wo nur relativ ungenau der Ort eines verbundenen Gerätes bestimmt werden kann.

Bluetooth – was ist das?

Bluetooth ist ein Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1, der bereits in den 1990ern für die Datenübertragung per Funkwellentechnik entwickelt wurde und dessen erste praxistaugliche Version (Version 1.1) 2001 vorgelegt wurde. Der damalige Hauptzweck von Bluetooth bestand im Ersetzen einer kabelgebundenen Verbindung zwischen zwei oder mehreren Geräten. Ursprünglich sollte die Infrarot-Technik als praxistaugliche Alternative zu kabelgebundenen Geräten etabliert werden. Hierzu schlossen sich ca. 30 Unternehmen in der Infrared Data Association zusammen und entwickelten die Infrarot-Technik für die Datenübertragung weiter. Das größte Problem in der Anwendung bestand jedoch im notwendigen Sichtkontakt einer solchen Verbindung, weshalb daraufhin der Einsatz von Funktechnik evaluiert und mit Bluetooth eine Alternative entwickelt wurde. Inzwischen hat sich das Feld möglicher Anwendungen jedoch stark verbreitert und bietet auch der Industrie einige Vorteile.
Den Namen erhielt Bluetooth vom dänischen König Harald Blauzahn im 10. Jahrhundert, dem es gelang, große Teile Dänemarks zu vereinen. Das Bluetooth-Logo setzt sich aus den Runen der Initialen von Blauzahn (engl. Bluetooth) zusammen.

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Anwendungsfelder für BLE-Technologie

Die wohl alltäglichste Anwendung für viele Menschen ist die kabellose PC-Maus oder Bluetooth-Kopfhörer und –Headsets. Doch auch für industrielle Anwendungen eignet sich Bluetooth zunehmend. Insbesondere BLE-Geräte sind für viele Unternehmen interessant geworden. Durch die inzwischen sehr genaue Ortung können mobile Geräte oder Werkzeuge mit BLE-Tags versehen werden und sind leichter wieder aufzufinden. Hierbei genügt es oft schon, eine LED blinken oder den Tag vibrieren zu lassen, um schnell das benötigte Werkzeug zu finden. Auch Warenströme können so relativ genau nachvollzogen und optimiert werden. Doch auch in der Datenübertragung von Maschinen ist Bluetooth auf dem Vormarsch. Dass Bluetooth beispielsweise als Verfahren für die Übertragung von PROFINET-Daten definiert wurde und CAN in Automation (CiA) ebenfalls die Bluetooth-basierende Übertragung von CAN-Telegrammen plant, unterstreicht die Tauglichkeit dieser Technologie für die Industrie.