Die Geburt der Bluetooth-Technologie

Bluetooth stammt eigentlich aus dem Zweiten Weltkrieg. Der Kern von Bluetooth ist die Kurzstreckenfunkkommunikation, die auf der Frequenzsprungverfahren-Technologie (FHSS) basiert. Sie wurde im August 1942 von der Hollywood-Schauspielerin Hedy Lamarr und dem Pianisten George Antheil vorgeschlagen. Inspiriert von der Anzahl der Tasten eines Klaviers steuern sie den Torpedo mithilfe von 88 verschiedenen Trägerfrequenzen. Da sich die Übertragungsfrequenz ständig ändert, bietet Bluetooth gewisse Vertraulichkeits- und Störschutzfunktionen.

Diese Technologie erregte zunächst nicht die Aufmerksamkeit des US-Militärs und wurde erst in den 1980er Jahren in der drahtlosen Gefechtskommunikation eingesetzt. Später spielte die Frequenzsprung-Spread-Spectrum-Technologie (FHSS) eine Schlüsselrolle bei der Lösung des Problems der drahtlosen Datenübertragung in Bluetooth-, WiFi- und 3G-Mobilfunksystemen.

Die Bluetooth-Technologie begann 1994 mit einem Konzept von Ericsson, das die energiesparende und kostengünstige drahtlose Kommunikation zwischen Mobiltelefonen und Zubehör untersuchte. Die Erfinder hofften, einheitliche Regeln (standardisiertes Protokoll) für die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten zu entwickeln, um das Kommunikationsproblem inkompatibler mobiler elektronischer Geräte zwischen Benutzern zu lösen und den seriellen Kommunikationsstandard RS-232 zu ersetzen. Vor 1997 kontaktierte Ericsson mit diesem Konzept Mobilgerätehersteller, um die gemeinsame Entwicklung ihrer Projekte zu besprechen. Die Ergebnisse waren positiv.

Im Mai 1998 wurde die berühmte Bluetooth-Technologieallianz zwischen Intel und IBM gegründet, ein kostengünstiges Joint Venture zwischen Nokia und Ericsson. Damals wurde die Bluetooth-Spezifikation 0.7 eingeführt, die das Kommunikationsprotokoll von Basisband und LMP (Link Manager Protocol) unterstützt.

1999 wurden die Versionen 0.8, 0.9, 1.0 Entwurf, 1.0A und 1.0b veröffentlicht. Die Entwurfsversion 1.0 vervollständigte das SDP-Protokoll (Service Discovery Protocol) und das TCS-Protokoll (Telephone Control Specification). Die offizielle Veröffentlichung von Version 1.0 erfolgte am 26. Juli 1999. Sie sollte das 2,4-GHz-Spektrum nutzen und die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit betrug 1 Mbit/s. Gleichzeitig begann eine groß angelegte Werbung. Im Vergleich zur damals verbreiteten Infrarottechnologie bietet Bluetooth eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit und benötigt keine infrarotähnlichen Schnittstellen. Alle Bluetooth-Geräte können jederzeit verbunden werden, solange sie sich innerhalb der Reichweite befinden.

Spezifikationen und Funktionen der Bluetooth-Versionen

Bluetooth der ersten Generation: frühe Erforschung der Kurzstreckenkommunikation

1999: Bluetooth 1.0

Die frühen Bluetooth-Versionen 1.0A und 1.0b wiesen mehrere Probleme auf, und mehrere Hersteller wiesen darauf hin, dass ihre Produkte nicht miteinander kompatibel seien. Gleichzeitig wird beim Handshake zwischen zwei Geräten die Bluetooth-Hardwareadresse (BD_Addr) gesendet, die auf Protokollebene nicht anonymisiert werden kann, was zu Datenverlusten führen kann. Einige Benutzer sind davon abgeschreckt.

2001: Bluetooth 1.1

Bluetooth Version 1.1 ist offiziell im IEEE 802.15.1-Standard gelistet, der die Spezifikationen für die Bitübertragungsschicht (PHY) und die Medienzugriffskontrolle (MAC) definiert und für die drahtlose Verbindung zwischen Geräten mit einer Übertragungsrate von 0,7 Mbit/s verwendet wird. Aufgrund des frühen Designs kann es jedoch leicht zu Störungen durch Produkte mit gleicher Frequenz kommen, was die Kommunikationsqualität beeinträchtigt.

2003: Bluetooth 1.2

Bluetooth Version 1.2 ist abwärtskompatibel mit Version 1.1. Um die Sicherheitsprobleme von Version 1.0 zu beheben, wurde der anonyme Modus verbessert und die Hardwareadresse des Shielding Device (BD) um eine Funktion erweitert, um Benutzer vor Identitätsausspähungen und Tracking zu schützen. Darüber hinaus wurden vier neue Funktionen hinzugefügt:

• Die AFH-Technologie (Adaptive Frequency Hopping) reduziert die Interferenzen zwischen Bluetooth-Produkten und anderen drahtlosen Kommunikationsgeräten.
• ESCO (Extended Synchronous Connection Oriented Links) erweitert die synchrone Link-Oriented-Channel-Technologie, um QoS-Audioübertragung bereitzustellen und die Anforderungen hochwertiger Sprach- und Audioprodukte weiter zu erfüllen.
• Unterstützt Anforderungen für die Stereo-Tonübertragung, funktioniert aber nur im Simplex-Modus.

Bluetooth der zweiten Generation: EDR-Ära der Stromübertragungsrate

2004: Bluetooth 2.0

Bluetooth 2.0 ist eine verbesserte Version von Version 1.2. Die neue Enhanced Data Rate (EDR)-Technologie verbessert die Multitasking-Fähigkeit und den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Bluetooth-Geräte und erhöht die Übertragungsrate von Bluetooth-Geräten auf bis zu 3 Mbit/s.

Bluetooth 2.0 unterstützt den Duplexmodus: Es ermöglicht die Übertragung von Dokumenten und hochwertigen Bildern gleichzeitig mit der Sprachkommunikation. Gleichzeitig reduziert die EDR-Technologie den Stromverbrauch durch Verkürzung des Arbeitszyklus. Durch die erhöhte Bandbreite erhöht Bluetooth 2.0 die Anzahl der verbundenen Geräte.

2007: Bluetooth 2.1

Die neu hinzugefügte Sniff-Subrating-Energiesparfunktion von Bluetooth 2.1 verlängert das Sendezeitintervall gegenseitiger Bestätigungssignale zwischen Geräten von 0,1 Sekunden der alten Version auf etwa 0,5 Sekunden und reduziert so die Arbeitsbelastung der Bluetooth-Chips erheblich.

Darüber hinaus verbessert die neue SSP-Funktion für einfaches Sicherheits-Pairing das Pairing von Bluetooth-Geräten sowie deren Nutzung und Sicherheit. NFC-Nahfeldkommunikation wird unterstützt. Befinden sich zwei Bluetooth-Geräte mit integrierten NFC-Chips in der Nähe, wird das Pairing-Passwort ohne manuelle Eingabe per NFC übertragen.

Bluetooth der dritten Generation: hohe Geschwindigkeit, Übertragungsrate bis zu 24 Mbit/s

2009: Bluetooth 3.0

Bluetooth 3.0 bietet optional die Hochgeschwindigkeitstechnologie, die Bluetooth mit 802.11 WiFi verbindet und so eine schnelle Datenübertragung ermöglicht. Die Übertragungsrate beträgt bis zu 24 Mbit/s und ist damit achtmal höher als bei Bluetooth 2.0. Die Datenübertragung vom Videorecorder zum HDTV, vom PC zum PMP und vom UMPC zum Drucker ist problemlos möglich.

Der Kern von Bluetooth 3.0 ist AMP (Generic Alternate MAC/PHY), eine neue alternative HF-Technologie, die es dem Bluetooth-Protokollstapel ermöglicht, für jede Aufgabe dynamisch die richtige HF auszuwählen.

In Bezug auf den Stromverbrauch führt Bluetooth 3.0 die EPC-Technologie zur verbesserten Leistungssteuerung ein, ergänzt durch 802.11, wodurch der tatsächliche Stromverbrauch im Leerlauf erheblich reduziert wird.

Darüber hinaus fügt die neue Spezifikation auch die unidirektionale verbindungslose Datenübertragungstechnologie UCD hinzu, um die entsprechenden Funktionen von Bluetooth-Geräten zu verbessern.

Bluetooth der vierten Generation: niedriger Energieverbrauch

2010: Bluetooth 4.0

Am 7. Juli 2010 veröffentlichte die Bluetooth Technology Alliance die Bluetooth 4.0-Spezifikation. Ihr wichtigstes Merkmal ist die Unterstützung der Energieeinsparung. Bluetooth 4.0 ist die erste integrierte Bluetooth-Protokollspezifikation, die alle drei Spezifikationen vereint. Außerdem werden drei Modi vorgeschlagen: Low-Power-Bluetooth, traditionelles Bluetooth und High-Speed-Bluetooth.

Bei Highspeed-Bluetooth steht vor allem der Datenaustausch und die Datenübertragung im Vordergrund, bei herkömmlichem Bluetooth die Informationsübermittlung und Geräteverbindung, bei Low Power Bluetooth steht die Geräteverbindung im Vordergrund, ohne zu viel Bandbreite zu beanspruchen, und der Stromverbrauch ist im Vergleich zur alten Version um 90 % reduziert.

Der Vorgänger von BLE ist die von Nokia entwickelte Wibree-Technologie. Als speziell für Mobilgeräte entwickelte Mobilfunktechnologie mit sehr geringem Stromverbrauch wurde BLE nach der Akzeptanz und Standardisierung durch SIG in Bluetooth Low Energy (im Folgenden „Low-Power-Bluetooth“ genannt) umbenannt. Diese drei Protokollspezifikationen können auch miteinander kombiniert werden, um einen breiteren Anwendungsbereich zu erreichen.

Der Bluetooth 4.0-Chipmodus ist in Single- und Dualmodus unterteilt. Der Singlemodus kann nur mit Bluetooth 4.0 übertragen, ist aber nicht abwärtskompatibel zu 3.0/2.1/2.0; der Dualmodus ist abwärtskompatibel zu Version 3.0/2.1/2.0. Der Singlemodus wird bei Sensorgeräten mit Knopfzellen wie Herzfrequenzmessern und Thermometern eingesetzt, die einen hohen Stromverbrauch haben; der Dualmodus wird bei herkömmlichen Bluetooth-Geräten eingesetzt, da hier ein geringer Stromverbrauch gefordert ist.

Darüber hinaus erhöht Bluetooth 4.0 die Übertragungsreichweite auf über 100 Meter (im Energiesparmodus). Dank der schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit kann die Verbindung hergestellt und die Datenübertragung in nur 3 ms gestartet werden. Sicherere Technologie durch den AES-128 CCM-Verschlüsselungsalgorithmus zur Paketverschlüsselung und Authentifizierung.

2013: Bluetooth 4.1

Bei Bluetooth 4.1 gibt es kaum Änderungen bei Übertragungsgeschwindigkeit und Reichweite, aber deutliche Softwareverbesserungen. Ziel dieses Updates ist es, die Bluetooth-Smart-Technologie zur zentralen Triebkraft für die Entwicklung des Internets der Dinge zu machen.

Unterstützt die nahtlose Zusammenarbeit mit LTE. Bei der gleichzeitigen Datenübertragung mit Bluetooth- und LTE-Funksignalen kann Bluetooth 4.1 die Übertragungsinformationen automatisch koordinieren, um eine kooperative Übertragung zu gewährleisten und gegenseitige Störungen zu reduzieren.

Es ermöglicht Entwicklern und Herstellern, das Wiederverbindungsintervall von Bluetooth 4.1-Geräten anzupassen, was Entwicklern mehr Flexibilität und Kontrolle bietet.

Unterstützt Cloud-Synchronisierung. Bluetooth 4.1 führt einen dedizierten IPv6-Kanal ein. Dies bedeutet, dass die Daten in der Cloud über IPv6 synchronisiert werden können, um den Anwendungsanforderungen des Internets der Dinge gerecht zu werden. Dieser Prozess wurde durch die Verbindung mit internetfähigen Geräten (z. B. Mobiltelefonen) realisiert.

Unterstützt den Rollenaustausch zwischen erweiterten und zentralen Geräten. Headset, Uhr, Tastatur und Maus nach Bluetooth 4.1-Standard können zum unabhängigen Senden und Empfangen von Daten verwendet werden, ohne dass PC, Tablet, Mobiltelefon oder andere Datenknoten erforderlich sind. Beispielsweise können Smartwatches und Schrittzähler Smartphones umgehen und direkt kommunizieren.

2014: Bluetooth 4.2

Die Übertragungsgeschwindigkeit von Bluetooth 4.2 ist schneller, nämlich 2,5-mal höher als bei der vorherigen Generation, da die Kapazität des Bluetooth Smart Packet erhöht wurde und die Datenmenge, die es speichern kann, etwa 10-mal höher ist als bei der vorherigen Generation.

Es verbessert die Übertragungsrate und den Datenschutz. Wenn ein Bluetooth-Signal eine Verbindung zum Gerät des Benutzers herstellen oder es verfolgen möchte, muss der Benutzer dies genehmigen. Benutzer können tragbare Geräte verwenden, ohne Angst vor Verfolgung zu haben.

Es unterstützt 6LoWPAN, einen langsamen WLAN-Standard für persönliche Netzwerke auf Basis von IPv6. Bluetooth 4.2-Geräte können über IPv6 und 6LoWPAN direkt auf das Internet zugreifen. Diese Technologie ermöglicht es mehreren Bluetooth-Geräten, sich über ein Terminal mit dem Internet oder LAN zu verbinden. Dadurch können die meisten Smart-Home-Produkte auf die relativ komplexe WLAN-Verbindung verzichten und auf Bluetooth-Übertragung umsteigen. Dies macht die Verbindung zwischen persönlichen Sensoren und dem Zuhause komfortabler und schneller.

Die fünfte Generation von Bluetooth: öffnet die Tür zum Zeitalter des Internets der Dinge

2016: Bluetooth 5.0

Bluetooth 5.0 bietet im Niedrigstrommodus eine schnellere und längere Übertragungskapazität. Die Übertragungsrate ist doppelt so hoch wie bei Bluetooth 4.2 (die Obergrenze liegt bei 2 Mbit/s), die effektive Übertragungsdistanz ist viermal so hoch wie bei Bluetooth 4.2 (theoretisch bis zu 300 Meter) und die Paketkapazität ist achtmal so hoch wie bei Bluetooth 4.2.

Unterstützt die Navigationsfunktion für die Positionierung in Innenräumen. In Kombination mit WLAN kann eine Positionierungsgenauigkeit in Innenräumen von weniger als 1 Meter erreicht werden.

Streben Sie für die Bottom-up-Optimierung des IOT (Internet der Dinge) einen geringeren Stromverbrauch und eine höhere Leistung für Smart-Home-Dienste an.

Mesh-Mesh-Netzwerk: Der Schlüssel zur Realisierung des Internets der Dinge

Mesh-Netzwerke sind eine unabhängige Forschungs- und Entwicklungsnetzwerktechnologie. Sie können Bluetooth-Geräte als Signalrelaisstationen nutzen, um Daten in einem sehr großen physischen Bereich abzudecken. Sie sind mit den Protokollen der Bluetooth-Serien 4 und 5 kompatibel.

Die herkömmliche Bluetooth-Verbindung wird durch die Kopplung eines Geräts mit einem anderen realisiert, um eine Eins-zu-eins- oder Eins-zu-viele-Mikronetzwerkbeziehung herzustellen. Das Mesh-Netzwerk ermöglicht eine Viele-zu-viele-Beziehung zwischen Geräten. In einem Mesh-Netzwerk kann jeder Geräteknoten Informationen senden und empfangen. Solange ein Gerät mit einem Gateway verbunden ist, können die Informationen zwischen den Knoten weitergeleitet werden, sodass die Nachricht über die normale Übertragungsdistanz von Funkwellen hinaus übertragen werden kann.

Auf diese Weise kann das Mesh-Netzwerk in Produktionsanlagen, Bürogebäuden, Einkaufszentren, Gewerbegebieten und größeren Bereichen verteilt werden und bietet ein stabileres Steuerungsschema für Beleuchtungsgeräte, industrielle Automatisierungsgeräte, Sicherheitskameras, Rauchmelder und Umweltsensoren.

2019: Bluetooth 5.1

Die Bluetooth 5.1-Technologiespezifikation nutzt die Peilfunktion, um die Richtung des Bluetooth-Signals zu ermitteln und so den Ortungsdienst zu verbessern. Mithilfe der Bluetooth-Peilfunktion können Entwickler Produkte auf den Markt bringen, die die Richtung von Geräten erkennen und eine zentimetergenaue Positionierung erreichen. Bluetooth Local Services nutzt RSSI, um die Entfernung zwischen zwei Geräten zu messen. In RTLS- und IPS-Szenarien kann die zentimetergenaue Positionierung durch den Einsatz von dreifacher Entfernungsmessung und Peiltechnologie erreicht werden. Die Peiltechnologie nutzt zwei Antennenarray-Technologien zur Bestimmung des Bloom-Signals: Einfallswinkel (AOA) und Abzweigwinkel (AOD), wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

1. AOA-Technologie zur Peilung

Wenn das Sendesignal das Antennenarray des Empfängers durchläuft, empfängt dieses das Sendesignal aus verschiedenen Winkeln und Richtungen. Jede Richtung kann als Vektorphase des Sendesignals betrachtet werden. Der Empfänger kann die IQ-Probe der aktiven Antenne im Antennenarray extrahieren und anhand dieser die Signalrichtung berechnen. Die AOA-Peilung kann nach RTLS, Objektsuche, Pol und anderen lokalen Diensten angewendet werden.

2. AOD-Technologie zur Peilung

AOD-Peilung wird üblicherweise in IPS-Szenarien zur Routenfindung und Navigation eingesetzt. Der Ortungsgerät verwendet ein Antennenarray. Der Empfänger kann ein herkömmliches Mobiltelefon sein (natürlich sollte eine entsprechende App vorhanden sein), sodass nur eine Antenne benötigt wird. Wenn Signale von mehreren Signalen des Ortungsgeräts gesendet werden, passieren diese die Antenne des Mobiltelefons. Das Mobiltelefon extrahiert IQ-Proben und berechnet so die Signalrichtung. nach den IQ-Proben .