Bluetooth ist ein Telekommunikationsstandard für den bidirektionalen Datenaustausch über kurze Distanzen unter Verwendung von UHF -Funkwellenim 2,4- GHz- Frequenzband . Sein Zweck besteht darin, Verbindungen zwischen benachbarten elektronischen Geräten zu vereinfachen, indem Drahtverbindungen entfernt werden. Es kann ersetzen, beispielsweise Kabel zwischen Computern , Tabletten , Lautsprechern, Mobiltelefonen zwischen ihnen oder mit Druckern , Scannern , Tastaturen , Mäusen , Videospiel - Controller, Mobiltelefonen , persönlichen Assistenten , freihändigen Systemenfür Mikrofone oder Kopfhörer., Auto Radios , Digitalkameras, Strichcodeleser und interaktive Werbekioske.
Der Name " Bluetooth " ist direkt inspiriert von dem anglisierten Spitznamen des dänischen Wikingerkönigs Harald mit dem blauen Zahn (auf Dänisch Harald Blåtand , auf Englisch Harald Blauzahn ), von dem bekannt ist, dass es gelungen ist, die dänischen Stämme in einem einzigen Königreich zu vereinen gleichzeitig das Christentum. Dieser Name wurde 1996 von Jim Kardach von Intel vorgeschlagen , einem Ingenieur, der damals an der Entwicklung eines Systems arbeitete, das es Mobiltelefonen ermöglicht, mit Computern zu kommunizieren. Zu der Zeit, als Kardach diesen Vorschlag machte, hatte ihm ein Ericsson- Kollege von diesem Herrscher erzählt, nachdem er den historischen Roman Orm the Red von Frans Gunnar Bengtsson gelesen hatte , der während seiner Regierungszeit spielt. Die Schlussfolgerung ist, dass Bluetooth Telekommunikation und Computer verbindet und Geräte miteinander „vereint“ , wie König Harald sein Land vereinte und Dänemark und Norwegen zusammenführte .
Das Bluetooth-Logo ist auch von den Initialen im Runenalphabet ( neuere Futhark ) von Harald Blåtand ( Hagall ) (ᚼ) und
( Bjarkan ) (ᛒ) inspiriert.
Die Bluetooth SIG schreibt und veröffentlicht die Spezifikationen des Standards, der sich seit 1999 aus den Versionen 1.0, 1.1, 1.2, 2.0 + EDR ( Enhanced Data Rate ), 2.1 + EDR, 3.0 + HS, 4.0, 4.1 dann 4.2 in . entwickelt hatDezember 2014 und v5.
Die veröffentlichten Versionen der Bluetooth-Standards lauten wie folgt:
Ausführung | Datiert | Hauptverbesserungen |
---|---|---|
1.0 | Mai 1999 | Schaffung |
1.0b | Dezember 1999 | Interoperabilität zwischen Marken |
1.1 | 2002 | Einige Bug - Fixes
Mögliche Nutzung unverschlüsselter Kanäle Hinzufügen eines Signals zur Messung der Empfangsleistung |
1,2 | 2003 | Verbesserter praktischer Durchsatz erhöht auf 721 kbit / s und verbesserte Störfestigkeit |
2.0 | 2004 | Überlegener praktischer Ablauf
Rückwärtskompatibilität Reduzierung des Peripherieverbrauchs und Optimierung der Transfers |
2.0 + EDR | 2004 | Theoretische Höchstgeschwindigkeit auf 3 Mbit/s (2,1 Mbit/s sinnvoll) mit EDR ( Enhanced Data Rate ) Modus erhöht |
2.1 + EDR | 2007 | Einfacheres und schnelleres Pairing.
Verstärkte Sicherheit Hinzufügen eines Verbindungsmodus durch "NFC" ( Near Field Communication ), der das Pairing auf sehr kurze Distanz erleichtert. |
3 | 2009 | Theoretisch höhere Geschwindigkeit auf 24 Mbit/s im Hochgeschwindigkeitsmodus "HS" (Bluetooth v3.0 + WLAN ) optional erhöht und anschließend aufgegeben. |
4 + DIE | 2010 |
Klassisches Bluetooth: kleine Änderung
Stereophone Musikwiedergabe in vergleichbarer Qualität wie bei einer CD. Bluetooth LE (Erstellung) : Reduzierung des Peripherieverbrauchs ( Low Energy ) |
4.1 | 2013 |
Klassisches Bluetooth: wenig oder keine Änderung
Bluetooth LE: Verbindung mehrerer Geräte an einem einzigen Master-Zugang für die Ausgabe von LTE- Smartphones . |
4.2 | 2014 |
Klassisches Bluetooth: wenig oder keine Änderung
Bluetooth LE: reduzierter Verbrauch von sicheren IP-Protokollen für verbundene Objekte . Erhöhte nützliche Paketgröße ( PDU ) von 31 auf 256 Byte, was die Downloadzeiten erheblich verkürzt. |
5 | Dezember 2016 |
Classic Bluetooth: Reduzierung von Störungen anderer Geräte (Slot Availability Mask) Bluetooth LE: Höhere theoretische Geschwindigkeit (2 Mbit/s PHY), praktisch: 1,4 Mbit/s, Reichweite von 40 m bis 350 m und mit einigen Modulen bis zu 500 Meter. |
5.1 | Januar 2019 |
Klassisches Bluetooth: wenig oder keine Änderung
Bluetooth LE: Möglichkeit für ein Gerät, die Richtung des Bluetooth-Signals (Standort) zu bestimmen |
5.2 | Dezember 2019 |
Klassisches Bluetooth: wenig oder keine Änderung Bluetooth LE: Erstellung eines Audioprofils (bisher für klassisches Bluetooth reserviert) mit dem LC3-Codec |
Die grundlegenden Elemente eines Bluetooth-Produkts sind in den ersten beiden Protokollschichten definiert:
Diese Schichten übernehmen Hardware-Aufgaben wie Frequenzsprungsteuerung und Taktsynchronisation.
Die Funkschicht (die unterste Schicht) wird auf Hardwareebene verwaltet . Sie kümmert sich um das Senden und Empfangen von Funkwellen. Es definiert Eigenschaften wie Frequenzband- und Kanalanordnung, Eigenschaften von Sender, Modulation, Empfänger usw.
Das Bluetooth-System arbeitet in den 2,4- GHz- ISM-Frequenzbändern ( Industrial, Scientific and Medical ) , für deren Betrieb aufgrund der geringen Sendeleistung und des geringen Störrisikos keine Lizenz erforderlich ist. Dieses Frequenzband liegt zwischen 2400 und 2483,5 MHz . Ein Transceiver für Frequenzsprung wird verwendet, um Interferenzen und Dämpfung zu begrenzen.
Für klassisches Bluetooth (außer BLE-Version) sind zwei Modulationen definiert: eine obligatorisch mit binärer Frequenzmodulation ( FSK ), um die Komplexität des Senders zu minimieren; optionale Modulation (EDR-Modus) verwendet Phasenmodulation ( Vier- und Acht-Symbol- PSK ). Die Modulationsgeschwindigkeit beträgt für alle Modulationen 1 MBaud. Duplexübertragung verwendet Zeitteilung.
Die 79 HF-Kanäle von herkömmlichem Bluetooth ( 40 im BLE-Modus ) sind von 0 bis 78 nummeriert und mit 1 MHz getrennt, beginnend mit 2402 MHz . Die Informationen werden durch Frequenzsprung kodiert und die Periode beträgt 625 µs , was 1600 Sprünge pro Sekunde ermöglicht.
Beim klassischen Bluetooth gibt es drei Klassen von Bluetooth-Funkmodulen auf dem Markt:
Klasse | Leistung | Reichweite ( m ) |
---|---|---|
1 | 100 mW (20 dBm) | 100 |
2 | 2,5 mW (4 dBm) | 10 bis 20 |
3 | 1 mW (0 dBm) | ein paar meter |
Die meisten Elektronikhersteller verwenden Module der Klasse 2.
Im Bluetooth Low Energy (BLE)-Modus kann die Sendeleistung von 0,01 mW (-20 dBm) bis 10 mW (10 dBm) variieren . Die verwendete Modulation ist vom Typ GFSK ( Gaußscher FSK ).
Das Basisband wird auf Hardwareebene verwaltet. Auf Basisbandebene werden die Hardwareadressen der Peripheriegeräte definiert (entspricht der MAC-Adresse einer Netzwerkkarte ). Diese Adresse heißt BD_ADDR ( Bluetooth Device Address ) und ist mit 48 Bit codiert .
Diese Adressen werden von der IEEE Registration Authority verwaltet .
Es ist auch das Basisband, das die verschiedenen Arten der Kommunikation zwischen Geräten verwaltet. Verbindungen zwischen zwei Bluetooth-Geräten können synchron oder asynchron sein, diese Verbindungen werden "Logical Links" ( Logical Link ) genannt.
Das Basisband kann daher zwei Haupttypen von logischen Verbindungen verwalten:
Die über diese logischen Links transportierten Daten liegen in Form von Paketen vor. Es gibt verschiedene Pakettypen, die von beiden logischen Links oder nur von einem Linktyp verwendet werden können.
Jedes Paket ist im Grunde gleich.
Es gibt drei wesentliche Teile:
Ein Piconetz ist ein Mini-Netzwerk, das sofort und automatisch erstellt wird, wenn sich mehrere Bluetooth-Geräte im gleichen Umkreis befinden. Ein Pico-Netzwerk ist nach einer Sterntopologie organisiert: Es gibt einen „Master“ und mehrere „Slaves“.
Ein "Master"-Gerät kann bis zu verwalten:
Die Kommunikation erfolgt direkt zwischen dem "Master" und einem "Slave". Die "Slaves" können nicht miteinander kommunizieren.
Alle „Slaves“ des Pico-Netzwerks sind mit der „Master“-Uhr synchronisiert. Es ist der "Master", der die Hopping-Frequenz für das gesamte Pico-Netzwerk bestimmt.
Bluetooth-Inter-NetzwerkDie „Slave“ -Peripherie kann mehrere „Master“ haben: Die verschiedenen Piconetze können also miteinander verbunden werden.
Das so gebildete Netzwerk wird Scatternet (wörtlich "gestreutes Netzwerk") genannt.
Es kodiert und dekodiert Bluetooth-Pakete entsprechend der Nutzlast und Parametern bezüglich des physischen Kanals, des logischen Transports und der logischen Verbindungen.
Es erstellt, verwaltet und zerstört L2CAP-Kanäle für den Transport von Dienstprotokollen und Anwendungsdatenflüssen. Es verwendet das L2CAP-Protokoll, um mit seinem Gegenstück auf Remote-Geräten zu interagieren.
Diese Schicht verwaltet die Verbindungen zwischen "Master"- und "Slave"-Geräten sowie die Verbindungsarten (synchron oder asynchron).
Es ist der Link-Manager, der Sicherheitsmechanismen implementiert wie:
Diese Schicht bietet ein einheitliches Verfahren für den Zugriff auf die Materialschichten. Seine Trennfunktion ermöglicht die unabhängige Entwicklung von Hard- und Software.
Die unterstützten Transportprotokolle sind Universal Serial Bus (USB); PC-Karte ; RS-232 ; UART .
HCI ermöglicht die Datenübertragung mit maximaler Rate, d. h. 720 kbit / s für Standard 1.2 und dreimal höhere Rate für Standard 2.0 + EDR.
Die Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP)-Schicht stellt die Dienste des Protokollmultiplexens auf höherer Ebene und Paketsegmentierung und -reassemblierung sowie den Transport von Dienstgüteinformationen bereit. High-Level-Protokolle können somit Pakete bis zu 64 KB senden und empfangen und erlauben eine Flusskontrolle über den Kommunikationskanal.
Die L2CAP-Schicht verwendet logische Kanäle.
RFCOMM: steht für „ Radiofrequenzkommunikation (en) “. Dieser Dienst basiert auf RS-232- Spezifikationen , die serielle Verbindungen emuliert. Es kann insbesondere verwendet werden, um eine IP- Kommunikation über Bluetooth zu übergeben. RFCOMM wird verwendet, wenn die Datenrate nicht mehr als 360 kbit/s erreicht (zB Mobiltelefone).
SDPSDP: steht für „ Service Discovery Protocol (en) “. Dieses Protokoll ermöglicht es einem Bluetooth-Gerät, nach anderen Geräten zu suchen und verfügbare Dienste zu identifizieren. Dies ist ein besonders komplexer Teil von Bluetooth.
OBEXOBEX : steht für „ OBject EXchange “. Dieser Dienst ermöglicht die Übertragung von Objekten unter Verwendung des für IrDA entwickelten Austauschprotokolls .
Ein Profil entspricht einer funktionalen Spezifikation einer bestimmten Verwendung. Profile können auch verschiedenen Gerätetypen entsprechen.
Der Zweck der Profile besteht darin, die Interoperabilität zwischen allen Bluetooth-Geräten sicherzustellen.
Sie definieren:
Die verschiedenen Profile sind:
Das Generic Access Profile (GAP) ist das Basisprofil, das alle anderen Profile erben. Es definiert die generischen Verfahren zum Auffinden von Geräten, Verbindungen und Sicherheit.
Um eine Bluetooth-Zertifizierung zu erhalten, sind Qualifizierungstests erforderlich. Es gibt zwei Arten von Qualifikationstests:
HF-Qualifizierung: Ziel der Tests ist der Nachweis, dass die verwendete Hardware-Plattform die Funkleistungen des Bluetooth-Standards einhält. Es gibt eine Liste von HF-Tests, die sowohl beim Senden als auch beim Empfang durchgeführt werden müssen. Diese Tests sind:
Softwarequalifizierung: Wenn der Hersteller selbst die Software seines neuen Designs mit High-Layer HCI, RFCOMM, L2CAP, SDP oder anderen Bluetooth-Profilen erstellt hat, müssen diese qualifiziert werden. Die Softwarezertifizierung erfolgt Profil für Profil. Jede Softwareschicht muss dem einzuhaltenden Bluetooth-Standard entsprechen.
Werden diese beiden Kategorien von Qualifizierungsprüfungen durchgeführt und akzeptiert, wird die Bluetooth-Zertifizierung dann akzeptiert. Das so hergestellte Produkt entspricht der Version des Bluetooth-Standards, für die es zertifiziert ist, und ist kompatibel mit Produkten, die der gleichen Version des Bluetooth-Standards entsprechen. Der Hersteller erhält dann eine Konformitätsbescheinigung.
In den 2015 auf den Markt gebrachten Versionen (4.0 und 4.1), die vor allem in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen weit verbreitet sind, weist die Bluetooth-Verbindung folgende Eigenschaften auf:
Daher ist es auf Geräten vorhanden, die oft mit Batteriestrom betrieben werden und kleine Datenmengen über eine kurze Distanz austauschen möchten:
Die Kompatibilität zwischen den Marken ist recht gut, aber nicht perfekt: Einige Geräte verbinden sich nicht mit anderen.
Die drahtlosen Controller der Nintendo Wii- Konsolen (Controller namens Wiimote ) und Switch (Controller namens Joy-Con ) sowie der Sony PlayStation 3 (DualShock 3), PlayStation 4 (DualShock 4) Konsolen verwenden das Bluetooth-Protokoll. Xbox 360- Controller sowie Xbox One- Controller verwenden eine proprietäre drahtlose Verbindung. Die neue Version des Xbox-Controllers, erkennbar an seiner Buchse, die insbesondere mit der Xbox One Slim geliefert wird , enthält ein Bluetooth-Modul.
Um Daten auszutauschen, müssen die Geräte gekoppelt werden. Das Pairing erfolgt durch Starten der Erkennung von einem Gerät und Austausch eines Codes. In einigen Fällen ist der Code kostenlos und beide Geräte müssen nur denselben Code eingeben. In anderen Fällen wird der Code von einem der beiden Geräte (z. B. Gerät ohne Tastatur) gesetzt und das andere muss ihn kennen, um sich damit zu verbinden. Die Codes werden dann gespeichert und es reicht aus, wenn ein Gerät die Verbindung anfordert und das andere akzeptiert, um die Daten auszutauschen.
Um das Einbruchsrisiko zu begrenzen, müssen Geräte, die einen vorprogrammierten Code verwenden (oft 0000 oder 1234), manuell aktiviert werden, und die Kopplung kann nur für kurze Zeit erfolgen.
Ein Gerät teilenBei aufeinanderfolgenden Freigaben (z. B. ein drahtloses Audio-Headset, das mit einem PC verbunden ist und das Sie dann mit einem Telefon verwenden möchten), muss das erste Gerät seine Verbindung mit dem Bluetooth-Gerät beenden, während die Informationen darüber für eine Weile gespeichert bleiben spätere Verbindung. Dann müssen wir dieses Peripheriegerät nur noch an das zweite Gerät anschließen, damit es erkennt, ob es noch nicht auf diesem registriert ist.
Spürbar kompliziert wird es, wenn man sowohl zwei oder mehr Sendegeräte (zum Beispiel: Telefon, Tablet, PC etc.) als auch zwei oder mehr Empfangsgeräte (Bluetooth-Lautsprecher, Kopfhörer, ferngesteuertes Wohnzimmergerät etc.) hat, denn ein erneutes Pairing wird theoretisch verweigert, wenn eines der beiden Geräte zuvor woanders gepaart wurde, auch wenn die Verbindung (aber nicht das Pairing!) beendet und der ursprünglich gepaarte Sender ausgeschaltet ist. Es muss beendet werden.
Ein Gerät hat nicht zwei mögliche Zustände, sondern vier: Aus, Ein, Gepaart, Verbunden (und in den letzten beiden Fällen mit einem anderen Gerät).
Bluetooth verwendet einen der Frequenzbereiche, die auch Wi-Fi verwendet (2,4 GHz ), was bedeutet, dass ein Netzwerk das andere blockieren oder stören oder seine Geschwindigkeit begrenzen kann. Bluetooth verbraucht weniger Strom als kabellos, hat aber unter guten Bedingungen eine geringere maximale Reichweite von 10 Metern , mit reduzierter Funktionalität und einer geringeren Anzahl von gleichzeitig anschließbaren Geräten.
Im Gegensatz zu Bluetooth erfordert Wi-Fi im Allgemeinen die Verwendung eines Zugangspunkts , aber einige Hersteller erlauben eine direkte Verbindung zwischen Geräten mit Wi-Fi Direct , ähnlich wie bei Bluetooth mit superhoher Bandbreite.
Die ARCEP , ehemals ART, Telecommunications Regulatory Authority, legt die Bedingungen für die Nutzung von Funkanlagen im 2,4- GHz- Band fest :