Technischer Hintergrund und Verbindungsaufbau

Was ist Bluetooth?

Bluetooth funktioniert über das Senden von Funkwellen zwischen 2,402 und 2,480 Gigahertz und Bluetooth-fähige Geräte dürfen nach den Standards der SIG, der Bluetooth Special Interest Group, lizenzfrei betrieben werden. Sofern Geräte wie WLAN-Router oder Schnurlos-Telefone auf derselben Frequenz arbeiten, kann es daher zu Störungen kommen. Aus diesem Grund wird das sog. „frequency hopping“ betrieben, bei dem das genutzte Frequenzband in weitere Unterkanäle aufgeteilt wird und zwischen diesen bis zu 1600 mal pro Sekunde hin und her gesprungen wird. Ferner dient ein „guard band“ am oberen und unteren Ende dieser Aufteilung als Schutzband vor dem Sprung in benachbarte Kanäle.

Bereits seit der ersten Bluetooth-Version ist es möglich, mehrere Geräte zu verbinden. Diese müssen sich dann allerdings das genutzte Frequenzband teilen. Bereits seit der zweiten Version verfügt die Technologie über das EDR-Verfahren, das für Enhanced Data Rate steht. Es ist deshalb möglich, Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2,1 Mbit/s zu übertragen. Unterstützt werden die Übertragung von Daten und auch Sprache, was auch in verschlüsselter Form erfolgen kann.

Eines der wichtigsten Merkmale ist die Reichweite, die aufgrund von vielen, verschiedenen Faktoren variieren kann. Diese können technisch bedingt sein, die Verbindung kann aber z.B. ganz simpel auch durch Wände verringert werden. Ebenfalls relevant ist die Abhörsicherheit, die nur anhand einer mehrstufigen, dynamischen Schlüsselvergabe erreicht werden kann. Sie wurde in der Vergangenheit mehrfach diskutiert.

Ein Bluetooth-Netzwerk wird auch als Piconet bezeichnet und kann aus maximal acht Teilnehmern bestehen. Verbindest du also beispielsweise via Bluetooth deinen Laptop mit einem Kopfhörer ist das bereits ein Piconet. Aktive Geräte kommunizieren innerhalb des Piconetzes über eine 3-Bit-Adresse, während inaktive Geräte außerhalb des Netzwerks geparkt werden und bei Bedarf über eine 8-Bit-Adresse aktiviert und damit zu sog. „Slaves“ werden können. Das Bluetooth-Gerät fungiert als „Master“ und gibt den „Slaves“, im Übrigen bis zu 255 Teilnehmern, Befehle bzw. teilt diesen Sendezeiten sog. „Slots“ zu. Dies nennt man deshalb auch Zeitmultiplexverfahren. Das Bluetooth-Gerät kann zwar in weiteren Piconetzen angemeldet sein, allerdings nur in einem die Rolle des Masters übernehmen. Einen Zusammenschluss von bis zu zehn Piconetzten nennt man  Scatternet, bei dem die Datenrate allerdings häufig leidet.

Bei der Bluetooth-Übertragung wird zwischen einer synchronen Verbindung, Synchronous Connection-Oriented bzw. SCO und einer asynchronen Verbindung, Asynchronous Connectionless bzw. ACL, unterschieden. Via ACL wird alles bis auf Sprache übertragen, zum Beispiel auch Musik. Bei einem Telefonat mit dem Smartphone über ein kabelloses Headset wird hingegen SCO genutzt. Die Daten werden bei beiden Verfahren in Paketen übertragen, wobei sich jedes Paket immer aus einem 72-Bit-Zugriffscode, einem 54-Bit-Header und einem Nutzdatenfeld zwischen 0 Bit und 2745 Bit zusammensetzt.

Wie funktioniert der Verbindungsaufbau via Bluetooth?

Eine Verbindung wird immer zwischen einem Sender und einem oder mehreren Empfängern nach dem Protokoll der entsprechenden Bluetooth-Version aufgebaut. Diese Protokolle sind von der SIG entwickelt worden und stellen die Grundlage jeder Bluetooth-Version dar. Das angeschlossene Gerät wird während des Verbindungsaufbaus zum „Master“ und übernimmt die Kontrolle über die „Slaves“. Doch wie funktioniert dieser Vorgang genau?

Bluetooth-Geräte identifizieren sich nach der Aktivierung über eine 48 bit lange MAC-Adresse, die nicht verändert werden kann und für jedes Gerät einzigartig ist. Unverbundene Geräte befinden sich zu diesem Zustand im Scan-Modus, sodass die erstmalige Kontaktaufnahme zwischen „Master“ und „Slave“ möglich wird. Bei diesem Vorgang wird eine Inquiry-Nachricht gesendet und anschließend durch eine sog. Page-Message bestätigt. Waren die Geräte bereits einmal miteinander gepaart, bedarf es nur dem Schritt der Aussendung einer Page-Nachricht. Während dieses Zustands sendet der „Master“ 16 identische Page-Telegramme auf 16 unterschiedlichen Hopping-Frequenzen, die von den „Slaves“ gelesen werden. Im Idealfall findet der „Master“ den „Slave“ und eine Verbindung kommt zustande. Tritt dies nicht ein, sendet er erneut 16 Page-Telegramme.

Es ist seit 2005 ebenfalls möglich NFC, also Near Field Communication, zum Übertragen der Daten für den Bluetooth-Verbindungsaufbau anzuwenden. Bei diesem Verfahren können Daten mittels elektromagnetischer Induktion übertragen werden. Es findet international Anwendung, z.B. für bargeldloses Bezahlen von kleineren Beträgen.

Der Technischer Hintergrund zusammengefasst:

• Bluetooth funktioniert über das Senden von Funkwellen (2,402 und 2,480 Gigahertz)
• Ein Bluetooth-Netzwerk wird auch als Piconet bezeichnet und kann aus maximal acht Teilnehmern bestehen
•  Daten können mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2,1 Mbit/s übertragen werden
•  Die Reichweite ist von mehreren Faktoren abhängig (Bluetooth Version, äußere Umstände)
•  Das Bluetooth-Gerät fungiert als „Master“ und gibt den „Slaves“ Befehle zum ausführen
•  Es wird bei Bluetooth-Übertragungen zwischen synchronen Verbindung und einer asynchronen Verbindung unterschieden