Bluetooth-Niedrigenergie - Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy ( Bluetooth LE , umgangssprachlich BLE , früher als Bluetooth Smart vermarktet ) ist eine drahtlose Personal Area Network- Technologie, die von der Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) entwickelt und vermarktet wurde und auf neuartige Anwendungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Fitness , Beacons, Sicherheit, und Home-Entertainment-Branche. Es ist unabhängig von klassischem Bluetooth und hat keine Kompatibilität, aber BR/EDR und LE können nebeneinander existieren. Die ursprüngliche Spezifikation wurde 2006 von Nokia unter dem Namen Wibree entwickelt, die im Dezember 2009 als Bluetooth Low Energy in Bluetooth 4.0 integriert wurde.

Im Vergleich zu Classic Bluetooth soll Bluetooth Low Energy deutlich weniger Stromverbrauch und Kosten bei gleicher Kommunikationsreichweite bieten . Mobile Betriebssysteme wie iOS , Android , Windows Phone und BlackBerry sowie macOS , Linux , Windows 8 und Windows 10 unterstützen nativ Bluetooth Low Energy.

Kompatibilität

Bluetooth Low Energy unterscheidet sich vom vorherigen (oft als "klassisch" bezeichneten) Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR)-Protokoll, aber die beiden Protokolle können beide von einem Gerät unterstützt werden: Die Bluetooth 4.0-Spezifikation erlaubt Geräten die Implementierung eines der beiden Protokolle oder beide der LE- und BR/EDR-Systeme.

Bluetooth Low Energy verwendet die gleichen 2,4-GHz-Funkfrequenzen wie klassisches Bluetooth, wodurch Dual-Mode-Geräte eine einzige Funkantenne teilen können , jedoch ein einfacheres Modulationssystem verwendet.

Markenzeichen

Das zuvor verwendete Bluetooth Smart-Logo

Im Jahr 2011 kündigte die Bluetooth SIG das Bluetooth Smart Logo an, um die Kompatibilität zwischen den neuen Niedrigenergiegeräten und anderen Bluetooth-Geräten zu verdeutlichen.

  • Bluetooth Smart Ready weist auf ein Dual-Mode-Gerät hin, das sowohl mit klassischen als auch mit energiesparenden Peripheriegeräten kompatibel ist .
  • Bluetooth Smart weist auf ein Gerät mit niedrigem Energieverbrauch hin , für dessen Funktion entweder ein Smart Ready oder ein anderes Smart-Gerät erforderlich ist.

Mit den Bluetooth SIG-Branding-Informationen vom Mai 2016 begann die Bluetooth SIG, die Bluetooth Smart- und Bluetooth Smart Ready-Logos und -Wortmarken schrittweise abzuschaffen, und kehrte dazu zurück, das Bluetooth-Logo und die Bluetooth-Wortmarke in einer neuen blauen Farbe zu verwenden.

Zielmarkt

Die Bluetooth SIG identifiziert eine Reihe von Märkten für Niedrigenergietechnologie, insbesondere in den Bereichen Smart Home, Gesundheit, Sport und Fitness. Zu den genannten Vorteilen zählen:

  • geringer Strombedarf, Betrieb über „Monate oder Jahre“ mit einer Knopfzelle
  • kleine größe und niedrige kosten
  • Kompatibilität mit einer großen installierten Basis von Mobiltelefonen, Tablets und Computern

Geschichte

Das inzwischen nicht mehr existierende Wibree-Logo

Im Jahr 2001 ermittelten Forscher bei Nokia verschiedene Szenarien, die von den heutigen drahtlosen Technologien nicht berücksichtigt wurden. Das Unternehmen begann mit der Entwicklung einer an den Bluetooth-Standard angepassten drahtlosen Technologie, die einen geringeren Stromverbrauch und geringere Kosten ermöglicht und gleichzeitig die Unterschiede zur Bluetooth-Technologie minimiert. Die Ergebnisse wurden 2004 unter dem Namen Bluetooth Low End Extension veröffentlicht.

Nach der Weiterentwicklung mit Partnern, insbesondere Logitech und im Rahmen des europäischen Projekts MIMOSA, und aktiv von STMicroelectronics seit der Frühphase gefördert und unterstützt , wurde die Technologie im Oktober 2006 unter dem Markennamen Wibree der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Nach Verhandlungen mit Bluetooth-SIG-Mitgliedern wurde im Juni 2007 eine Vereinbarung getroffen, Wibree als Bluetooth-Ultra-Low-Power-Technologie in eine zukünftige Bluetooth-Spezifikation aufzunehmen.

Die Technologie wurde als Bluetooth Smart vermarktet und die Integration in die Version 4.0 der Core Specification wurde Anfang 2010 abgeschlossen. Das erste Smartphone, das die 4.0-Spezifikation implementierte, war das iPhone 4S , das im Oktober 2011 veröffentlicht wurde. Eine Reihe anderer Hersteller brachten Bluetooth Low Energy Ready . heraus Geräte im Jahr 2012.

Die Bluetooth SIG hat Bluetooth 5 am 16. Juni 2016 während einer Medienveranstaltung in London offiziell vorgestellt. Eine Änderung auf der Marketingseite ist, dass die Punktnummer weggefallen ist, so dass es jetzt nur noch Bluetooth 5 heißt (und nicht Bluetooth 5.0 oder 5.0 LE wie bei Bluetooth 4.0). Diese Entscheidung wurde getroffen, um „das Marketing zu vereinfachen und den Benutzernutzen effektiver zu kommunizieren“. Auf der technischen Seite wird Bluetooth 5 die Reichweite vervierfachen, indem es eine erhöhte Sendeleistung oder codierte physikalische Schicht verwendet, die Geschwindigkeit durch die optionale Nutzung der Hälfte der Symbolzeit im Vergleich zu Bluetooth 4.x verdoppeln und eine achtfache Steigerung der Datenübertragungskapazität bieten durch die Erhöhung der Werbedatenlänge von Bluetooth-Übertragungen mit niedrigem Energieverbrauch im Vergleich zu Bluetooth 4.x, was für IoT- Anwendungen wichtig sein könnte, bei denen Knoten im ganzen Haus verbunden sind. Ein „Werbepaket“ im Bluetooth-Sprachgebrauch sind die Informationen, die zwischen zwei Geräten vor dem Pairing ausgetauscht werden , dh wenn diese nicht verbunden sind. Durch Werbepakete können Sie beispielsweise den Namen eines Bluetooth-Geräts sehen, bevor Sie es koppeln können. Bluetooth 5 wird die Datenlänge dieses Werbepakets erhöhen. Die Länge dieses Pakets in Bluetooth 4.x betrug 31 Byte (für Broadcast-Topologie).

Die Bluetooth SIG hat die Spezifikationen für Mesh-Profil und Mesh-Modell offiziell am 18. Juli 2017 veröffentlicht. Die Mesh-Spezifikation ermöglicht die Verwendung von Bluetooth Low Energy für die Kommunikation von vielen zu vielen Geräten für die Heimautomatisierung , Sensornetzwerke und andere Anwendungen.

Anwendungen

In Anlehnung an die ursprüngliche Bluetooth-Spezifikation definiert die Bluetooth SIG mehrere Profile – Spezifikationen für die Funktionsweise eines Geräts in einer bestimmten Anwendung – für Geräte mit niedrigem Energieverbrauch. Von den Herstellern wird erwartet, dass sie die entsprechenden Spezifikationen für ihr Gerät implementieren, um die Kompatibilität sicherzustellen. Ein Gerät kann Implementierungen mehrerer Profile enthalten.

Die meisten aktuellen Niedrigenergie-Anwendungsprofile basieren auf dem Generic Attribute Profile (GATT), einer allgemeinen Spezifikation zum Senden und Empfangen kurzer Datenstücke, die als Attribute bekannt sind, über eine Niedrigenergieverbindung. Eine Ausnahme von dieser Regel bildet das Bluetooth-Mesh- Profil, das auf dem General Access Profile (GAP) basiert.

Netzprofile

Bluetooth-Mesh-Profile verwenden Bluetooth Low Energy, um mit anderen Bluetooth Low Energy-Geräten im Netzwerk zu kommunizieren. Jedes Gerät kann die Informationen an andere Bluetooth Low Energy-Geräte weiterleiten, wodurch ein „Mesh“-Effekt entsteht. Zum Beispiel das Ausschalten eines ganzen Gebäudes mit Licht von einem einzigen Smartphone aus.

  • MESH ( Mesh Profile ) — für Basis-Mesh-Netzwerke.
  • MMDL ( Mesh-Modelle ) – für Definitionen der Anwendungsschicht. Der Begriff „Modell“ wird in Netzspezifikationen anstelle von „Profil“ verwendet, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.

Gesundheitsprofile

Es gibt viele Profile für Bluetooth Low Energy-Geräte in Gesundheitsanwendungen. Das Konsortium der Continua Health Alliance fördert diese in Kooperation mit der Bluetooth SIG.

  • BLP (Blutdruckprofil) — zur Blutdruckmessung.
  • HTP (Health Thermometer Profile) — für medizinische Temperaturmessgeräte.
  • GLP (Glukoseprofil) — für Blutzuckermessgeräte .
  • CGMP (Kontinuierliches Glukosemonitor-Profil)

Sport- und Fitnessprofile

Zu den Profilen für Sport- und Fitnesszubehör gehören:

  • BCS (Körperzusammensetzungsservice)
  • CSCP (Fahrgeschwindigkeit und Cadence Profile) - für Sensoren an einem befestigten Fahrrad oder Übungsfahrrad zu messen Kadenz und Raddrehzahl.
  • CPP (Zyklusleistungsprofil)
  • HRP (Heart Rate Profile) – für Geräte, die die Herzfrequenz messen
  • LNP (Standort- und Navigationsprofil)
  • RSCP (Laufgeschwindigkeits- und Trittfrequenzprofil)
  • WSP (Wägeskalenprofil)

Internetverbindung

  • IPSP (Internetprotokoll-Unterstützungsprofil)

Generische Sensoren

  • ESP (Environmental Sensing Profile)
  • UDS (Benutzerdatendienst)

HID-Konnektivität

  • HOGP ( HID over GATT Profile) ermöglicht Bluetooth LE-fähige kabellose Mäuse, Tastaturen und andere Geräte mit langer Akkulaufzeit.

Näherungssensorik

„Elektronische Leash“-Anwendungen eignen sich gut für die lange Batterielebensdauer, die für „always-on“-Geräte möglich ist. Hersteller von IBeacon Geräten der entsprechenden Spezifikationen für ihr Gerät zu machen , unterstützt durch die Verwendung von Näherungserfassungsfähigkeiten implementieren Apple - s iOS - Geräte .

Relevante Bewerbungsprofile sind:

  • FMP – das „Finde mich“-Profil – ermöglicht es einem Gerät, eine Warnung auf einem zweiten verlegten Gerät auszugeben.
  • PXP – das Proximity-Profil – ermöglicht einem Proximity-Monitor zu erkennen, ob sich ein Proximity-Reporter im Nahbereich befindet. Die physische Nähe kann anhand des RSSI- Werts des Funkempfängers geschätzt werden , obwohl dieser keine absolute Entfernungskalibrierung hat. Typischerweise kann ein Alarm ertönen, wenn der Abstand zwischen den Geräten einen eingestellten Schwellenwert überschreitet.

Benachrichtigungen und Zeitprofile

  • Das Telefonalarmstatusprofil und das Alarmbenachrichtigungsprofil ermöglichen es einem Clientgerät, Benachrichtigungen wie beispielsweise eingehende Anrufbenachrichtigungen von einem anderen Gerät zu empfangen.
  • Das Zeitprofil ermöglicht die Einstellung der aktuellen Zeit und Zeitzoneninformationen auf einem Clientgerät von einem Servergerät, z. B. zwischen einer Armbanduhr und der Netzwerkzeit eines Mobiltelefons .

Batterie

  • Der Batteriedienst zeigt den Batteriezustand und den Batteriestand einer einzelnen Batterie oder eines Batteriesatzes in einem Gerät an.

Audio

Das im Januar 2020 angekündigte LE Audio wird es dem Protokoll ermöglichen, Ton zu übertragen und Funktionen wie einen Kopfhörer zum Anschluss an mehrere Audioquellen oder mehrere Kopfhörer zum Anschluss an eine Quelle hinzuzufügen.

Im Vergleich zu Standard-Bluetooth-Audio bietet es eine längere Akkulaufzeit.

Kontaktverfolgung und Benachrichtigung

Im Dezember 2020 hat die Bluetooth SIG einen Entwurf einer Spezifikation für einen tragbaren Expositionsmeldedienst veröffentlicht. Dieser Dienst ermöglicht die Kommunikation von Expositions-Benachrichtigungsdiensten auf tragbaren Geräten mit Client-Geräten wie Smartphones und deren Steuerung durch diese.

Implementierung

Chip

Ab Ende 2009 wurden integrierte Bluetooth Low Energy- Schaltungen von einer Reihe von Herstellern angekündigt. Diese ICs verwenden normalerweise Software-Funk, sodass Aktualisierungen der Spezifikation durch ein Firmware- Upgrade vorgenommen werden können.

Hardware

Aktuelle Mobilgeräte werden häufig mit Hardware- und Softwareunterstützung sowohl für klassisches Bluetooth als auch für Bluetooth Low Energy veröffentlicht.

Betriebssysteme

  • iOS 5 und höher
  • Windows Phone 8.1
  • Windows 8 und höher (Windows 7 erfordert Treiber vom Bluetooth-Radiohersteller, die BLE unterstützen, da es keine integrierten generischen BLE-Treiber hat)
  • Android 4.3 und höher
  • BlackBerry 10
  • Linux 3.4 und höher bis BlueZ 5.0
  • Unison OS 5.2
  • macOS 10.10

Technische Details

Funkschnittstelle

Die Bluetooth Low Energy-Technologie arbeitet im gleichen Spektrumbereich (dem 2,400–2,4835 GHz ISM-Band ) wie die klassische Bluetooth-Technologie, verwendet jedoch einen anderen Kanalsatz . Statt der klassischen Bluetooth 79 1-MHz-Kanäle hat Bluetooth Low Energy 40 2-MHz-Kanäle. Innerhalb eines Kanals werden Daten mit Gaußscher Frequenzverschiebungsmodulation übertragen , ähnlich dem klassischen Bluetooth-Basisratenschema. Die Bitrate beträgt 1 Mbit/s (optional 2 Mbit/s bei Bluetooth 5), die maximale Sendeleistung beträgt 10 mW (100 mW bei Bluetooth 5). Weitere Details sind in Band 6 Teil A (Physical Layer Specification) der Bluetooth Core Specification V4.0 angegeben .

Bluetooth Low Energy verwendet Frequenzsprungverfahren , um Schmalbandinterferenzproblemen entgegenzuwirken. Klassisches Bluetooth verwendet auch Frequenzsprung, aber die Details sind anders; Als Ergebnis klassifizieren sowohl FCC als auch ETSI die Bluetooth-Technologie als FHSS- Schema, Bluetooth Low Energy wird als ein System klassifiziert, das digitale Modulationstechniken oder ein Direktsequenz-Spreizspektrum verwendet .

Technische Spezifikation Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate-Technologie Bluetooth Low Energy-Technologie
Distanz/Reichweite (theoretisch max.) 100 m (330 Fuß) <100 m (<330 Fuß)
Over-the-Air-Datenrate 1–3 Mbit/s 125 kbit/s – 500 kbit/s – 1 Mbit/s – 2 Mbit/s
Anwendungsdurchsatz 0,7–2,1 Mbit/s 0,27-1,37 Mbit/s
Aktive Slaves 7 Nicht definiert; umsetzungsabhängig
Sicherheit 56/128-Bit und Anwendungsschicht benutzerdefiniert 128-Bit- AES im CCM-Modus und benutzerdefiniert auf Anwendungsschicht
Robustheit Adaptives schnelles Frequenzspringen, FEC , schnelles  ACK Adaptives Frequenzsprungverfahren, Lazy Acknowledgement, 24-Bit-CRC, 32-Bit-Nachrichtenintegritätsprüfung
Latenz (aus einem nicht verbundenen Zustand) Typisch 100 ms 6 ms
Mindestgesamtzeit zum Senden von Daten (det. Batterielebensdauer) 0,625 ms 3 ms
Sprachfähig Jawohl Nein
Netzwerktopologie Streunetz Streunetz
Energieverbrauch 1 W als Referenz 0,01–0,50 W (je nach Anwendungsfall)
Spitzenstromaufnahme <30 mA <15 mA
Diensterkennung Jawohl Jawohl
Profilkonzept Jawohl Jawohl
Primäre Anwendungsfälle Mobiltelefone, Spiele, Headsets, Stereo-Audio-Streaming, Smart Homes, Wearables, Automobil, PCs, Sicherheit, Nähe, Gesundheitswesen, Sport & Fitness usw. Mobiltelefone, Gaming, Smart Homes, Wearables, Automobil, PCs, Sicherheit, Nähe, Gesundheitswesen, Sport & Fitness, Industrie usw.

Weitere technische Details können der offiziellen Spezifikation entnommen werden, die von der Bluetooth SIG veröffentlicht wurde. Beachten Sie, dass der Stromverbrauch nicht Teil der Bluetooth-Spezifikation ist.

Werbung und Entdeckung

BLE-Geräte werden durch ein Verfahren erkannt, das auf dem Senden von Werbepaketen basiert. Dies geschieht über 3 separate Kanäle (Frequenzen), um Störungen zu reduzieren. Das Werbegerät sendet ein Paket auf mindestens einem dieser drei Kanäle mit einer Wiederholungsperiode, die als Werbeintervall bezeichnet wird. Um die Wahrscheinlichkeit von mehreren aufeinander folgenden Kollisionen zu verringern, wird jedem Werbeintervall eine zufällige Verzögerung von bis zu 10 Millisekunden hinzugefügt. Der Scanner hört den Kanal für eine Dauer ab, die als Scan-Fenster bezeichnet wird und in jedem Scan-Intervall periodisch wiederholt wird.

Die Discovery-Latenz wird daher durch ein probabilistisches Verfahren bestimmt und hängt von den drei Parametern (nämlich dem Advertising-Intervall, dem Scan-Intervall und dem Scan-Fenster) ab. Das Erkennungsschema von BLE verwendet eine auf periodischen Intervallen basierende Technik, für die obere Grenzen der Erkennungslatenz für die meisten Parametrisierungen abgeleitet werden können. Während die Erkennungslatenzen von BLE durch Modelle für rein periodische intervallbasierte Protokolle angenähert werden können, kann die zu jedem Werbeintervall hinzugefügte zufällige Verzögerung und die Dreikanalerkennung Abweichungen von diesen Vorhersagen verursachen oder möglicherweise zu unbegrenzten Latenzen für bestimmte Parametrisierungen führen.

Sicherheit

Softwaremodell

Alle Bluetooth Low Energy-Geräte verwenden das Generic Attribute Profile (GATT). Die Anwendungsprogrammierschnittstelle, die von einem Bluetooth Low Energy-fähigen Betriebssystem angeboten wird, basiert typischerweise auf GATT-Konzepten. GATT hat die folgende Terminologie:

Klient
Ein Gerät, das GATT-Befehle und -Anfragen initiiert und Antworten akzeptiert, beispielsweise ein Computer oder ein Smartphone.
Server
Ein Gerät, das GATT-Befehle und -Anforderungen empfängt und Antworten zurückgibt, beispielsweise ein Temperatursensor.
Charakteristisch
Ein zwischen Client und Server übertragener Datenwert, zum Beispiel die aktuelle Batteriespannung.
Service
Eine Sammlung verwandter Merkmale, die zusammenwirken, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Der Dienst " Health Thermometer" enthält beispielsweise Merkmale für einen Temperaturmesswert und ein Zeitintervall zwischen den Messungen.
Beschreibung
Ein Deskriptor liefert zusätzliche Informationen zu einem Merkmal. Beispielsweise kann eine Temperaturwertkennlinie eine Angabe ihrer Einheiten (zB Celsius) und der Maximal- und Minimalwerte aufweisen, die der Sensor messen kann. Deskriptoren sind optional – jedes Merkmal kann eine beliebige Anzahl von Deskriptoren haben.

Einige Service- und Merkmalswerte werden zu administrativen Zwecken verwendet – zum Beispiel können Modellname und Seriennummer als Standardmerkmale innerhalb des Generic Access- Service gelesen werden. Dienste können auch andere Dienste als Unterfunktionen umfassen; Die Hauptfunktionen des Geräts sind sogenannte Primärdienste , die Zusatzfunktionen, auf die sie sich beziehen, sind Sekundärdienste .

Bezeichner

Dienste, Merkmale und Deskriptoren werden zusammenfassend als Attribute bezeichnet und durch UUIDs identifiziert . Jeder Implementierer kann eine zufällige oder pseudozufällige UUID für proprietäre Zwecke auswählen , aber die Bluetooth SIG hat eine Reihe von UUIDs (in der Form xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB ) für Standardattribute reserviert . Aus Effizienzgründen werden diese Identifikatoren im Protokoll als 16-Bit- oder 32-Bit-Werte dargestellt und nicht als 128 Bit, die für eine vollständige UUID erforderlich sind. Zum Beispiel kann die Geräteinformationen hat Dienst den kurzen Code 0x180A, anstatt 0000180A-0000-1000 -.... Die vollständige Liste wird online im Dokument " Bluetooth Assigned Numbers" aufbewahrt .

GATT-Operationen

Das GATT-Protokoll stellt eine Reihe von Befehlen für den Client bereit, um Informationen über den Server zu ermitteln. Diese beinhalten:

  • Entdecken Sie UUIDs für alle primären Dienste
  • Finden Sie einen Dienst mit einer bestimmten UUID
  • Finden Sie sekundäre Dienste für einen bestimmten primären Dienst
  • Entdecken Sie alle Eigenschaften für einen bestimmten Service
  • Finden Sie Merkmale, die einer bestimmten UUID entsprechen
  • Lesen Sie alle Deskriptoren für ein bestimmtes Merkmal

Es werden auch Befehle zum Lesen (Datenübertragung vom Server zum Client) und Schreiben (vom Client zum Server) der Merkmalswerte bereitgestellt:

  • Ein Wert kann entweder durch Angabe der UUID des Merkmals oder durch einen Handle- Wert (der von den oben genannten Information Discovery-Befehlen zurückgegeben wird) gelesen werden .
  • Schreiboperationen identifizieren das Merkmal immer per Handle, haben aber die Wahl, ob eine Antwort vom Server erforderlich ist oder nicht.
  • Die Operationen 'Long Read' und 'Long Write' können verwendet werden, wenn die Länge der Merkmalsdaten die MTU der Funkstrecke überschreitet .

Schließlich bietet GATT Benachrichtigungen und Hinweise . Der Client kann eine Benachrichtigung für ein bestimmtes Merkmal vom Server anfordern. Der Server kann den Wert dann an den Client senden, wenn er verfügbar ist. Beispielsweise kann ein Temperatursensorserver seinen Client jedes Mal benachrichtigen, wenn er eine Messung durchführt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für den Client abzufragen den Server, der die Server-Radio - Schaltung erfordern würde ständig in Betrieb ist.

Eine Anzeige ähnelt einer Benachrichtigung, erfordert jedoch eine Antwort vom Client als Bestätigung, dass er die Nachricht erhalten hat.

Auswirkungen auf die Batterie

Stromverbrauchsprofile des Bluetooth Low Energy-Chipsatzes mit unterschiedlichen Konfigurationsparametern gemäß The Hitchhikers Guide to iBeacon Hardware von Aislelabs.

Bluetooth Low Energy wurde entwickelt, um Geräten einen sehr geringen Stromverbrauch zu ermöglichen. Mehrere Chiphersteller, darunter Cambridge Silicon Radio , Dialog Semiconductor , Nordic Semiconductor , STMicroelectronics , Cypress Semiconductor , Silicon Labs und Texas Instruments, haben bis 2014 Bluetooth Low Energy-optimierte Chipsätze eingeführt. Geräte mit peripheren und zentralen Funktionen haben unterschiedliche Leistungsanforderungen. Eine Studie des Beacon-Softwareunternehmens Aislelabs ergab , dass Peripheriegeräte wie Proximity-Beacons in der Regel 1–2 Jahre lang funktionieren und von einer 1.000-mAh-Knopfzellenbatterie gespeist werden. Dies ist aufgrund der Energieeffizienz des Bluetooth Low Energy-Protokolls möglich, das im Vergleich zu Bluetooth Classic, das auch für Audio- und Daten mit hoher Bandbreite geeignet ist, nur kleine Pakete überträgt.

Im Gegensatz dazu kann ein kontinuierlicher Scan nach denselben Beacons in der zentralen Rolle in wenigen Stunden 1.000 mAh verbrauchen. Auch Android- und iOS-Geräte haben je nach Art der Scans und der Anzahl der Bluetooth-Low-Energy-Geräte in der Nähe sehr unterschiedliche Auswirkungen auf den Akku. Mit neueren Chipsätzen und Fortschritten in der Software hatten im Jahr 2014 sowohl Android- als auch iOS-Telefone einen vernachlässigbaren Stromverbrauch bei der realen Bluetooth-Low-Energy-Nutzung.

2M PHY

Bluetooth 5 hat einen neuen Übertragungsmodus mit verdoppelter Symbolrate eingeführt . Bluetooth LE überträgt traditionell 1 Bit pro Symbol, sodass sich theoretisch auch die Datenrate verdoppelt. Allerdings verdoppelt der neue Modus die Bandbreite von ca. 1 MHz auf ca. 2 MHz, was für mehr Störungen in den Randbereichen sorgt. Die Aufteilung des ISM-Frequenzbandes hat sich mit immer noch 40 Kanälen im Abstand von 2 MHz nicht geändert. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu Bluetooth 2 EDR, das auch die Datenrate verdoppelt hat, aber dies geschieht durch die Verwendung einer π/4-DQPSK- oder 8-DPSK- Phasenmodulation auf einem 1-MHz-Kanal, während Bluetooth 5 weiterhin nur Frequenzumtastung verwendet .

Die traditionelle Übertragung von 1 Mbit im Bluetooth Basic Rate wurde in Bluetooth 5 in 1M PHY umbenannt. Der neue Modus mit verdoppelter Symbolgeschwindigkeit wurde als 2M PHY eingeführt. Bei Bluetooth Low Energy beginnt jede Übertragung auf dem 1M PHY und überlässt es der Anwendung, einen Wechsel zum 2M PHY einzuleiten. In diesem Fall schalten sowohl Sender als auch Empfänger für Übertragungen auf den 2M PHY um. Dies soll Firmware-Updates erleichtern, bei denen die Anwendung im Fehlerfall auf eine traditionelle 1M PHY zurückschalten kann. In Wirklichkeit sollte sich das Zielgerät in der Nähe des Programmierplatzes befinden (wenige Meter).

LE-codiert

Bluetooth 5 hat zwei neue Modi mit niedrigerer Datenrate eingeführt. Die Symbolrate des neuen „Coded PHY“ entspricht der Base Rate 1M PHY, jedoch werden im Modus S=2 pro Datenbit zwei Symbole übertragen. Im Modus S=2 wird nur ein einfaches Pattern Mapping P=1 verwendet, das einfach das gleiche Stopfbit für jedes Eingangsdatenbit erzeugt. Im Modus S=8 gibt es acht Symbole pro Datenbit mit einer Musterzuordnung P=4, die kontrastierende Symbolfolgen erzeugt - ein 0-Bit wird als binär 0011 codiert und ein 1-Bit wird als binär 1100 codiert. Im Modus S=2 wird mit P= . codiert 1 verdoppelt sich die Reichweite ungefähr, während sie sich im Modus S=8 mit P=4 vervierfacht.

Die „LE-codierten“ Übertragungen haben nicht nur das Fehlerkorrekturschema geändert, sondern verwenden ein grundlegend neues Paketformat. Jeder „LE-codierte“ Burst besteht aus drei Blöcken. Der Schalterblock („extended preamble“) wird auf dem LE 1M PHY übertragen, besteht aber nur aus 10 mal einem binären '00111100'-Muster. Diese 80 Bit sind nicht wie üblich FEC-codiert, sondern werden direkt an den Funkkanal gesendet. Darauf folgt ein Header-Block („FEC Block 1“), der immer im S=8-Modus übertragen wird. Der Kopfblock enthält nur die Zieladresse („Access Address“ / 32 Bit) und ein Encoding Flag („Coding Indicator“ / 2 Bit). Der Codierungsindikator definiert die Musterzuordnung, die für den folgenden Nutzlastblock („FEC-Block 2“) verwendet wird, wobei S=2 möglich ist.

Das neue Paketformat von Bluetooth 5 ermöglicht die Übertragung von 2 bis 256 Byte als Nutzlast in einem einzigen Burst. Das sind deutlich mehr als die maximal 31 Bytes bei Bluetooth 4. Dies soll neben Reichweitenmessungen auch Lokalisierungsfunktionen ermöglichen. Insgesamt wird die vervierfachte Reichweite - bei gleicher Sendeleistung - auf Kosten eines geringeren Datenvolumens bei einem Achtel mit 125 kBit erreicht. Das alte Übertragungspaketformat, wie es in den Modi 1M PHY und 2M PHY weiterhin verwendet wird, wird in Bluetooth 5 als „Uncoded“ bezeichnet Nutzlast, was sowohl für kürzere Latenzen als auch für einen geringeren Stromverbrauch von Vorteil ist, da die Burst-Zeit selbst kürzer ist.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Externe Links