Protokollerweiterungen von Bluetooth 6.0 sorgen für mehr Reichweite

Bluetooth hat in den 25 Jahren seit Erscheinen der Spezifikationen (v1.0) viele Funktionen hinzugewonnen. Die Erweiterungen haben den Weg für zahlreiche neue Anwendungen und Märkte geebnet. Diese Entwicklung setzt sich mit den Änderungen in der neuesten Version 6.0 der Kernspezifikation und der neuesten Version von Bluetooth Mesh weiter fort. In den kommenden Jahren führen diese Anpassungen zu neuen Anwendungen in den Bereichen Haus und Heim, Einzelhandel, Vertrieb und industrielle Automatisierung.

Ein Beispiel, das die Möglichkeiten von Bluetooth auf neue Anwendungen ausdehnt, ist die sichere Feinortung mithilfe des neuen Channel-Sounding-Protokolls. Damit können zwei Geräte, die sich in Funkreichweite zueinander befinden, den Abstand zwischen ihnen sicher und genau bestimmen. Channel Sounding ergänzt die Liste der bereits in Bluetooth LE (BLE) vorhandenen Ortungs- und Positionierungsfunktionen. Die meisten Bluetooth-Geräte können eine Anwesenheitserkennung durchführen, indem sie eingehende Anzeigen von anderen Geräten erkennen, die HF-Signalstärke analysieren und diese in eine Entfernung umrechnen. Die Genauigkeit der Entfernungsmessung beträgt aber nur etwa ±5 m. Zusätzlich zur grundlegenden Anwesenheitserkennung und der groben und feinen Entfernungsmessung unterstützt der Standard auch die Richtungsbestimmung mithilfe von Messverfahren für den Einfalls- und den Abgangswinkel (AoA/AoD).

Das neue Bluetooth Channel Sounding ermöglicht eine sichere Feinortung zwischen Bluetooth-6.0-Geräten. Das neue Protokoll nutzt die 80-MHz-Bandbreite und die Mehrkanalfähigkeit von Bluetooth, um Ton- und Umlaufzeit-/Round-Trip-Time-Messungen über den gesamten Frequenzbereich zu ermöglichen. Der Prozess beginnt damit, dass das „Initiator“-Gerät und die „Reflektor“-Geräte eine Bluetooth-Verbindung herstellen, sich auf eine Messkonfiguration auf der Grundlage eines Leistungsvergleichs einigen und dann das Entfernungsmessverfahren ausführen. Während eines Channel-Sounding-Verfahrens sendet ein Initiator Töne oder Pakete über bestimmte 2,4-GHz-Kanäle, und der Reflektor antwortet, indem er Daten an den Initiator zurücksendet. Sowohl die Umlaufzeit der Pakete als auch die Phasendifferenzen zwischen gesendeten und empfangenen Tönen werden zur Entfernungsbestimmung verwendet (Bild 1).

Die Übertragung über eine verschlüsselte Bluetooth-Verbindung, Zeitstempel auf Paketen und andere Sicherheitsfunktionen verhindern, dass andere Knoten gefälschte Antworten senden und dem Initiator eine falsche Entfernungsschätzung übermitteln. In vielen realen Umgebungen kann die Feinortung mittels Channel Sounding, das Phasenmessungen umfasst, eine Genauigkeit von ±0,3 m bei einer Reichweite von weniger als 5 m und ±0,5 m bei einer Reichweite von mehr als 5 m liefern.

Es gibt viele Anwendungen für Bluetooth Channel Sounding in industriellen, privaten und Einzelhandelsumgebungen, z. B. für schlüssellosen Zugang, Asset-Tracking und Infrastrukturortung. Die Genauigkeit von Channel Sounding macht es für Geofencing-basierte Sicherheit tauglich, indem es Nutzern mit der richtigen Berechtigung die Türen öffnet, wenn sie sich nähern, und einen Alarm auslöst, wenn sie sich zu lange in sensiblen Bereichen aufhalten. Ähnliche Prinzipien lassen sich auf schlüssellose Zugangssysteme für Autos und Häuser anwenden, bei denen das System die Türen nur dann entriegelt, wenn der Besitzer in die Nähe kommt.

Bluetooth Mesh 1.1 führt mehrere neue Funktionen ein, mit denen sich die Komplexität und Kosten der Netzwerkeinrichtung und -wartung verringern sowie die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Skalierbarkeit verbessern lassen. Die Remote-Bereitstellung ermöglicht das Hinzufügen neuer Geräte zum Netzwerk von einem einzigen Standort aus, was gerade bei großflächigen Einsätzen nützlich ist. In der vorherigen Version des Standards musste die Bereitstellung innerhalb der Funkreichweite des Geräts erfolgen, was bedeutete, dass eine Person die Geräte in Betrieb nehmen musste.

Die zertifikatbasierte Bereitstellung erhöht die Sicherheit durch digitale Zertifikate für die Geräteauthentifizierung während des Bereitstellungsprozesses. Sie stellt sicher, dass nur autorisierte Geräte dem Netzwerk beitreten können und bietet so eine zusätzliche Sicherheitsebene. Dies ist besonders nützlich in Kombination mit der Remote-Bereitstellung, da es eine sichere Serieninbetriebnahme von Geräten mit minimaler Benutzerinteraktion ermöglicht.

Die Funktion „Mesh Device Firmware Update“ (DFU) standardisiert das Firmware-Update-Verfahren in Bluetooth-Mesh-Netzwerken und ermöglicht effiziente Over-the-Air-/OTA-Updates der Geräte-Firmware innerhalb des Mesh-Netzwerks. Der Standard definiert auch ein BLOB-Protokoll (Binary Large Object), das Multicast- als auch Unicast-Messaging für eine effiziente Bereitstellung der Firmware an die zu aktualisierenden Knoten verwendet. Diese Funktion ist besonders nützlich für die Wartung großer Netzwerke, wie sie in der Gebäudeautomation zu finden sind.

Die Subnetz-Bridging-Funktion ermöglicht es, Subnetze zur Bereichsisolierung einzubinden und vereinfacht gleichzeitig die Netzwerkkomplexität. Subnetz-Bridging erhöht die Netzwerksicherheit, da jedes Subnetz einen eindeutigen Sicherheitsschlüssel verwendet. Auch das Netzwerk wird effizienter, da standardmäßig keine Nachrichten zwischen Subnetzen weitergeleitet werden müssen.

Die Funktion „Directed Forwarding“ verbessert die Effizienz der Nachrichtenübermittlung, indem sie den Relaisknoten ermöglicht, direkte Pfade von der Quelle zum Ziel zu erstellen. Diese Multi-Hop-Methode reduziert die Anzahl der erforderlichen Hops und verbessert so die Netzwerkleistung.

Der neue Bluetooth-Mesh-Standard enthält außerdem mehrere kleinere Funktionsverbesserungen, die entweder die Leistungsfähigkeit, Benutzerfreundlichkeit oder Sicherheit der Technik verbessern. Diese Aktualisierungen machen Bluetooth Mesh 1.1 zu einer robusteren und vielseitigeren Lösung für eine Reihe von Anwendungen, wie Smart Homes oder große Gewerbeeinheiten und Industrieeinrichtungen.

Warum PAwR mehr Energieeffizienz für smarte Netze bringt

Periodic Advertising with Responses (PAwR) ist eine weitere Funktion, die die Kommunikationseffizienz großer Bluetooth-Netzwerke verbessert, indem sie eine verbindungslose bidirektionale Kommunikation ermöglicht. PAwR eignet sich für Situationen, in denen die meisten Knoten einfache, feste Elemente sind, wie z. B. die elektronischen Regaletiketten (ESL; Electronic Shelf Label), die heute in Supermärkten verwendet werden. Mit dem standardisierten Bluetooth-ESL-Profil und -Dienst lässt sich PAwR so einrichten, dass es bis zu 128 PAwR-Subevents unterstützt, die jeweils bis zu 255 eindeutige Geräte ansprechen. Dies ermöglicht eine Netzwerkgröße von mehr als 32.000 Peripheriegeräten.

Obwohl PAwR für Netzwerke entwickelt wurde, in denen die primäre Kommunikationsart „One-to-Many“ ist, ermöglicht es bidirektionale Kommunikation. Durch Subevents wird dies jedoch auf energieeffiziente Weise erreicht. Dadurch eignet sich PAwR ideal für ESL-Geräte mit einem sehr begrenzten Energiebudget. Muss ein Verwaltungsknoten die ESLs in einer Gruppe aktualisieren, sendet er eine Subevent-Nachricht. Jeder der mit diesem Subevent verbundenen Knoten verfügt über einen dafür vorgesehenen Slot, in dem er antworten kann, z. B. mit einer Nachricht zur Bestätigung, dass eine Preisaktualisierung umgesetzt wurde.

Alternativ kann ein Alarm gesendet werden, der die Administratoren darüber informiert, dass die Batterie fast leer ist. Durch diesen zeitsynchronisierten Mechanismus kann das ESL seinen Funksender und andere Funktionen außerhalb des Zeitfensters ausschalten, in dem es vollständig aktiv sein soll. Für Firmware-Updates können die Knoten dann die Bluetooth-Verbindung für einen höheren Datendurchsatz nutzen, um danach in den energiesparenden PAwR-Modus zurückzukehren.

Der Einzelhandel stellt zwar einen wichtigen Markt für PAwR dar, es gibt es auch andere Situationen, die von diesem ESL-orientierten Design profitieren. Ein Beispiel ist das Asset-Management, bei dem ein zentraler Server den Überblick über Assets wie Paletten in einem Lager oder Produktträger in einer Fertigungsumgebung verfolgen muss.

Um sicherzustellen, dass das PAwR-Protokoll in realen Szenarien funktioniert, führte Silicon Labs umfangreiche Tests mit mehr als 500 PAwR-fähigen Geräten durch. Dabei wurde festgestellt, wie gut sich das Netzwerk nach einem Stromausfall, der die Synchronisierung unterbricht, wiederherstellen lässt. Die Tests zeigten auch, wie das Protokoll die Akkulaufzeit von ESL-Geräten verlängert. PAwR stellt dabei durch Variation des PAwR-Intervall-Timings ein Gleichgewicht zwischen Reaktionsfähigkeit und sehr niedrigem Stromverbrauch her.

Diese Ergänzungen der neuesten Bluetooth-Standards zeigen die Dynamik des Funkprotokolls und den Nutzen für OEMs und Integratoren, die bei der Entwicklung von Hardware für ihre Systeme auf neueste Halbleiterbauelemente zurückgreifen. (na)