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05.05.2003 H. Hassold 1 Bluetooth. 05.05.2003 H. Hassold 2 Bluetooth EntstehungBluetooth-Protokollstack Aufbau und Funktion der einzelnen Schichten AnwendungsprofileLeistungsklassenBetriebsartenBluetooth-AnwendungenFazitLiteratur.

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1 H. Hassold 1 Bluetooth

2 H. Hassold 2 Bluetooth EntstehungBluetooth-Protokollstack Aufbau und Funktion der einzelnen Schichten AnwendungsprofileLeistungsklassenBetriebsartenBluetooth-AnwendungenFazitLiteratur

3 H. Hassold 3 Bluetooth

4 H. Hassold 4 Bluetooth Entstehung Zu viele elektronische Geräte kommunizieren über unterschiedliche Protokolle. PCs, Handys, PDAs, Drucker - mal kommunizieren sie über ein Ethernet-Netzwerk, das andere Mal über eine USB oder Parallele- oder serielle Schnittstelle: Daher das Bedürfnis, sämtliche Übertragungen unter einer Norm zusammenzufassen und zu vereinfachen.

5 H. Hassold 5 Bluetooth Bluetooth wurde 1994 von Ericsson ins Leben gerufen, die zusammen mit IBM, Intel, Nokia und Toshiba 1998 die Bluetooth Special Interest Group(später SIG genannt) gegründet hat. Das System wurde nach dem dänischen König Harald Blatand (Blauzahn) mit Bluetooth bezeichnet. Heute sind in der SIG ca an Bluetooth interessierte Firmen und Institutionen vertreten.

6 H. Hassold 6 Bluetooth Bluetooth ist eine Technologie, bei der die Kabelverbindungen zwischen miteinander kommunizierenden Geräten durch Funkverbindungen ersetzt werden. Dies ermöglicht, dass alle elektronischen Geräte im persönlichen Umfeld, die mit Bluetooth ausgerüstet sind automatisch miteinander kommunizieren können. Die Geräte bilden somit ein Wireless-PAN (Personal Area Network), was bedeutet, dass die Reichweite der einzelnen Geräte sehr gering ist und Bluetooth damit zu keiner Konkurrenz von WLAN werden lässt, sondern dazu eine ideale Ergänzung bildet.

7 H. Hassold 7 Bluetooth

8 H. Hassold 8 Bluetooth Die Anwendungen können zum Beispiel mittels Wireless Access Protocol (WAP) oder Object Exchange (OBEX) auf serielle Schnittstellen zugreifen, die durch das Modul RFCOMM simuliert werden. RFCOMM bietet gewöhnlichen Anwendungen die Möglichkeit, Daten zu übertragen. RFCOMM lässt den Zugriff mehrerer Anwendungen gleichzeitig zu, es ist ein einfaches und zuverlässiges Transportprotokoll. Das Wireless Access Protocol (WAP) ist ein Protokoll, das mobilen Geräten die drahtlose Benutzung von Datendiensten und den Zugang zum Internet ermöglicht. Der WAP Protokollstack benutzt Bluetooth als Übertragungsmedium. Object Exchange (OBEX) ist ein binäres Protokoll, das einer Vielzahl von Geräten ermöglicht einfach und spontan Daten auszutauschen. Des weiteren steht eine Telephony Control Protocol Specification (TCS) zur Verfügung, welche ein Interface zum Umgang mit Telefonanrufen bereitstellt. Das Service Discovery Protocol (SDP) ermöglicht es Bluetooth Geräten, die angebotenen Dienste anderer in ihrer Umgebung befindlichen Bluetooth Geräte ausfindig zu machen. Logical Link Control and Adaption (kurz L2CAP) stellt ein Protokoll zur Verfügung, welches Daten von höheren Schichten zwischen den unterschiedlichen Paketgrößen konvertiert.

9 H. Hassold 9 Bluetooth Alle Anwendungen und somit höhere Schichten des Bluetooth Protokollstacks müssen dieses Protokoll benutzen um Daten über die tieferliegenderen Schichten zu übertragen. L2CAP unterstützt Paketgrößen, die nicht unbedingt von den darunter liegenden Schichten unterstützt werden, teilt diese zur Übertragung auf und setzt sie wieder richtig zusammen. L2CAP erlaubt verschiedenen höheren Schichten, gemeinsam Daten über eine ACL Verbindung zu übertragen. Unterhalb des L2CAP ist das Host Controller Interface für die Verbindung zwischen den getrennten Host und Bluetooth Modulen zuständig. Darunter kontrolliert und konfiguriert der Link Manager Verbindungen zu anderen Geräten. Die Baseband/Link Controller Schicht steuert die physikalischen drahtlosen Verbindungen, setzt Pakete zusammen und reguliert das Frequenz Hopping. Als unterste Schicht ist schließlich die Radio Einheit zu nennen, die Daten moduliert und demoduliert bzw. sendet und empfängt.

10 H. Hassold 10 Bluetooth Bluetooth Geräte arbeiten im Frequenzbereich von 2,402 bis 2,480 GHz. Daraus ergeben sich 79 Kanäle zu je 1 MHz Bandbreite.Dieser Frequenzbereich ist im Gegensatz zu UMTS lizenzfrei und wird auch von W-LAN genutzt. Bei der Kommunikation wird nicht ständig der gleiche Kanal benutzt, sondern es wird 1600 mal in der Sekunde die Frequenz gewechselt (Frequenzy-Hopping), um Interferenzen zu anderen Geräten auszugleichen, da auch z.B. Mikrowellenherde diesen Frequenzbereich stören können. Wesentliche Eigenschaften eines Bluetooth Geräts sind seine innere Uhr (Clock), welche die Taktung der Frequenzsprünge vorgibt. Daraus ergeben sich bei 1600 Sprüngen pro Sekunde Timeslots von jeweils 625µs.

11 H. Hassold 11 Bluetooth Die Baseband-Schicht ist verantwortlich für die Kanalkodierung/-dekodierung, das Timing und das Frequenz Hopping innerhalb eines Datenpakets. Zu den rohen Datenpaketen werden Adress- und Kontrollfelder hinzugefügt, die Fehlerkorrektur ermöglichen. Der Link Controller führt Instruktionen höherer Schichten aus, erstellt und organisiert die Verbindungen mit mehreren Geräten, und steuert die verschiedenen Zustände. Ein Bluetooth Gerät kann in sechs verschiedenen Zuständen betrieben werden: Im Standby Mode ist das Gerät inaktiv, es findet kein Datentransfer statt. Im Inquiry Mode sucht das Gerät andere Geräte, die sich im Inquiry Scan Mode befinden, um Informationen über angebotene Dienste zu sammeln. Der Page Mode dient zur Herstellung der Verbindung mit einem Gerät, das sich im Page Scan Mode befindet, und über das zuvor durch den Inquiry Mode Informationen gesammelt wurde. Bei einer bestehenden Verbindung wechselt das Gerät in den Connection Mode, der nochmals unterteilt ist in Hold, Sniff und Park Mode.

12 H. Hassold 12 Bluetooth Verbindungen Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Bluetooth Geräten werden in asynchrone (ACL) und synchrone (SCO) Verbindungen aufgeteilt. Eine ACL (Asynchronous Connection-Less) Verbindung existiert direkt nach dem Verbindungsaufbau zwischen zwei Geräten. Diese paketorientierte Verbindung wird zur Datenübertragung eingesetzt, wobei ein Master mehrere Verbindungen zu verschiedenen Slaves haben kann. Der ACL Modus bietet Fehlerkorrektur durch Redundanz und erneute Sendung, um Datenvollständigkeit zu gewährleisten. Die Bandbreite liegt bei der symmetrischen Variante bei 432,6kBit/s, bei der asymmetrischen Ausführung bei 721 kBit/s bzw. 57,6 kBit/s. SCO (Synchronous Connection Oriented) Verbindungen sind leitungsorientiert. Daten werden in regelmäßigen Abständen und ohne Fehlerkorrektur übertragen. SCO Verbindungen sind für Audio geeignet, die Bandbreite liegt konstant bei 64 kBit/s. Ein Master kann bis zu drei SCO Verbindungen zu Slaves aufsetzen.

13 H. Hassold 13 Bluetooth Verbindungen Die Abbildung oben zeigt den grundsätzlichen Paketaufbau eines Bluetooth Paketes. Der Access Code dient zur Synchronisation und zur Identifizierung. Er enthält unter anderem die Adresse des Bluetooth Masters. Der Header enthält Informationen über das Paket, wie Flusskontrolle, Slave Adresse und Art des Pakets. Der Payload enthält die Nutzdaten des Pakets. Der ACL Payload bietet im Gegensatz zum SCO Payload die Möglichkeit einer Fehlerkorrektur. Es gibt auch noch eine Reihe weiterer Spezialpakete, wie ID, NULL, POLL und FHS.

14 H. Hassold 14 Bluetooth

15 H. Hassold 15 Bluetooth Verbindungsaufbau Um eine Verbindung zwischen zwei Bluetooth Geräten aufzubauen, durchläuft der Link Controller verschiedene Zustände. Zu Beginn befinden sich sowohl der Master als auch der Slave im Standby Mode. Der spätere Master wechselt dann durch Befehl der Anwendung in den Inquiry Mode (Anfrage), um von anderen in Reichweite befindlichen Geräten, die durch die Anwendung in den Inquiry Scan Mode (Suche nach Anfrage) versetzt wurden, gefunden zu werden. Im Zustand Inquiry springt das Gerät zwischen 32 Frequenzen und schickt seine Suchanfrage aus. Er sendet ID Pakete aus, welche nur den Access Code enthalten. Die Antwort auf dieses ID Paket ist ein FHS Paket, welches dem Master erlaubt, alle notwendigen Informationen wie die Adresse und das Frequenz Hopping Muster (Clock) des Gerätes zu speichern.

16 H. Hassold 16 Bluetooth Verbindungsaufbau Optional können die Geräte wieder in den Standby Mode wechseln, dies kann sinnvoll sein, wenn sie nicht direkt eine Verbindung eingehen wollen, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt benötigt werden. Um eine Verbindung herzustellen, muss die Anwendung den Slave in den Page Scan Mode versetzen. Der Master sendet im Page Mode erneut ein ID Paket an jeweils einen Slave, jetzt jedoch mit dessen Informationen, die er vorher durch das FHS Paket im Inquiry Mode erhalten hat. Der Slave wechselt in den Slave Response Mode, sendet ein ID Paket zurück, und wartet danach auf das FHS Paket des im Master Response Mode befindlichen Masters. Dieses FHS Paket ermöglicht dem Slave sein eigenes Timing und Access Code des Master zu aktualisieren.

17 H. Hassold 17 Bluetooth Verbindungsaufbau Der Master sendet nun ein POLL Paket an den Slave, welches wie das NULL Paket nur aus dem Access Code und Header besteht, das jedoch durch den Slave durch das NULL Paket bestätigt werden muss. Dies bestätigt den erfolgreichen Verbindungsaufbau, beide Geräte befinden sich jetzt im Connection Mode.

18 H. Hassold 18 Bluetooth Piconet Bei der Verbindung zweier Geräte übernimmt ein Gerät die Funktion des Masters und das andere die Funktion des Slaves. Ein Master kann bis zu 7 aktive Slaves haben. Solche Bluetooth- Netze werden als Piconet bezeichnet. Aktiv heißt, es dürfen auch andere Geräte im gleichen Piconet sein, diese müssen sich allerdings im Schlafzustand befinden. Erst der Master kann sie wieder reaktivieren. Auch dürfen Slaves nur senden, wenn sie der Master dazu auffordert.

19 H. Hassold 19 Bluetooth Zuviele nicht aktive Slaves in einem Netz können allerdings den Datenaustausch erheblich verlangsamen, vor allem wenn ein aktiver Slave Daten an einen Schläfer senden will. Die Kommunikation läuft bei Bluetooth nur über den Master. Eine Slave – Slave Kommunikation ist nicht möglich. Durch die Verwendung von Frequency-Hopping und die Verwendung verschiedener Clocks ist eine Koexistenz mehrerer Piconets nebeneinander möglich.

20 H. Hassold 20 Bluetooth Scatternet Ein Gerät kann Mitglied in mehreren Piconets sein. Dieses Gerät speichert einfach die Hopping-Sequence aller Master in deren Piconet es Mitglied ist, und kann sich somit auf die Frequenz eines jeden Piconet einstellen. Dieses Gerät nennt man Bridge-Node, da es zwei Piconets über eine Brücke miteinander verbindet. Solche miteinander verbundenen Netze bezeichnet man als Scatternet. Dabei kann ein Gerät zwar Master und gleichzeitig Slave sein, jedoch niemals die Master-Rolle von zwei Piconets übernehmen, da sonst beide nach der gleichen Hopping-Sequence arbeiten würden.

21 H. Hassold 21 Bluetooth Slave 3 wird in diesem Fall als Bridge-Node bezeichnet, weil er zwei Piconets zu einem Scatternet verbindet

22 H. Hassold 22 Bluetooth

23 H. Hassold 23 Bluetooth Zu den Aufgaben des Link Manager gehört das Hinzufügen und Entfernen von Slaves zu einem Piconetz, Konfiguration der Verbindung sowie Master/Slave Rollentausch. Er stellt ACL und SCO Verbindungen her und steuert die verschiedenen Connection Modes Hold, Sniff und Park, um den Stromverbrauch zu senken. Über das Link Manager Protocol (LMP) kommuniziert er mit Link Managern in anderen Bluetooth Geräten.

24 H. Hassold 24 Bluetooth

25 H. Hassold 25 Bluetooth Host Controller Interface Das Host Controller Interface (HCI) bildet die Verbindung zwischen dem Bluetooth Modul, bestehend aus Radio, Baseband / Link Controller sowie Link Manager und dem Bluetooth Host, der alle höheren Schichten enthält. Das Bluetooth Modul könnte so beispielsweise eine Karte für den PC sein, sodass die höheren Schichten auf dem Prozessor des PC ausgeführt werden. Der PC hat genug Ressourcen, um sich mit den Schichten oberhalb des HCI zu beschäftigen, was dazu führt, dass das Bluetooth Modul weniger Speicher braucht und ein schwächerer Prozessor ausreicht, wodurch die Kosten für das Modul gesenkt werden können. Auch ist durch solch eine Implementierung die Möglichkeit gegeben, den PC durch das Bluetooth Modul einzuschalten. Möglich ist auch eine Implementierung des kompletten Protokollstacks auf einem Prozessor, einem Headset zum Beispiel, jedoch muss auch eine solche Lösung ein Host Controller Interface unterstützen.

26 H. Hassold 26 Bluetooth Anwendungsprofile Die Verbindung zwischen den Anwendungen und der Bluetooth-Hardware sind die sogenannten Profile. Ein Profil legt fest, wie Bluetooth-Protokolle mit bestimmten Parametern genutzt werden, damit zwei Partner herstellerunabhängig miteinander kommunizieren können. Das macht Bluetooth so flexibel für neue Anwendungsgebiete In Bluetooth 1.1 sind derzeit 17 Profile festgelegt und es kommen immer wieder welche dazu. In Bluetooth 1.1 sind derzeit 17 Profile festgelegt und es kommen immer wieder welche dazu. Das Generic Access Profile ist das fundamentale Profil, auf dem alle anderen Profile aufbauen.

27 H. Hassold 27 Bluetooth Profile Generic Acces (GAP) Regelt Betriebsmodi und Sicherheit Alle Bluetooth Geräte Serial Port (SPP) COM-Port Emulation Modem, PC, PDA Syncronization (SP) Datenabgleich Handy, PDA, PC Personal Area Network (PAN) NetzwerkverbindungPC File Transfer (FTP) Dateiübertragung Handy, PDA, PC, Drucker Headset (HSP) Headset- Sprachausgabe Headset, Handy Hardcopy Cable Replacement (HCRP) Drucken PC, Drucker, Scanner Human Interface Device (HID) Tastatur, Maus und Joystick -Anschluss Tastatur, Maus, PC

28 H. Hassold 28 Bluetooth Leistungsklassen KlasseLeistungReichweite 1100mW100m 22.5mW20m 31mW10m

29 H. Hassold 29 Bluetooth Betriebsarten Active In diesem Modus übertragen beide Geräte aktiv Datenpakete auf dem Funkkanal, das Bluetooth-Modul ist also entweder im Sende- oder im Empfangsbetrieb. Außerdem sorgt die Elektronik dafür, dass beide Geräte synchron zueinander arbeiten. In dieser Betriebsart verbraucht ein Bluetooth-Modul am meisten Strom: zwischen 3 und 30 Milliampere.

30 H. Hassold 30 Bluetooth Betriebsarten Sniff Anstatt jedes gefunkte Datenpaket einzeln zu empfangen und zu verarbeiten, scannt der Bluetooth-Empfänger in dieser Betriebsart nur in bestimmten Abständen, ob neue Daten gesendet werden und schaltet erst bei Bedarf in den Active-Modus. Das spart ebenfalls Energie: der Stromverbrauch liegt bei etwa 300 Mikroampere.

31 H. Hassold 31 Bluetooth Betriebsarten Hold In dieser Betriebsart besteht zwar eine logische, aber keine physikalische Funkverbindung. Obwohl das Bluetooth-Gerät grundsätzlich mit einem anderen Gerät in Verbindung steht, gibt es den Funkkanal frei und verzichtet sowohl aufs Senden wie auch aufs Empfangen. Die Elektronik ist im Schlaf-Zustand und verbraucht dabei nur etwa 60 Mikroampere. Von Zeit zu Zeit wechselt sie in den Sniff-Modus, um für kurze Zeit nachzuschauen, ob der Funkverkehr fortgesetzt wird.

32 H. Hassold 32 Bluetooth Betriebsarten Park Muss ein Bluetooth-Gerät für eine bestimmte Zeit nicht am Funkverkehr teilnehmen, will aber zum verwendeten Funkkanal synchron bleiben, wechselt es in den Park-Modus. Dazu teilt das Bluetooth-Protokoll Geräten im Park-Modus eine spezielle Park-Adresse zu. Erst wenn ein im Sniff-Modus erkannter Datenblock das Gerät konkret anweist, den Park-Modus wieder zu verlassen und zum aktiven Funkbetrieb zurückzukehren, wird dieser stromsparende Dämmer- Zustand beendet. Im Park-Modus verbraucht die Bluetooth-Elektronik nur etwa 30 Mikroampere - allerdings dauert es einige Sekunden, bis das Gerät nach der Aufforderung zum Aufwachen wieder in einen der aktiveren Betriebsmodi wechselt.

33 H. Hassold 33 Bluetooth Leistung nach Bedarf Die Stromverbrauchsangaben beziehen sich auf die Sendeleistungs-Klasse 3, in der die Reichweite 10 Meter beträgt. In Klasse 2 (20Meter) und Klasse 1 (100 Meter) ist der Stromverbrauch höher. Allerdings wechseln Bluetooth-Sender automatisch in die geringeren Leistungsklassen, wenn dies für die Kommunikation zu einer bestimmten Gegenstelle ausreicht.

34 H. Hassold 34 Bluetooth Multifunktionaler Bedienhörer aus dem Audi A8

35 H. Hassold 35 Bluetooth Bluetooth Headset von Motorola Headset für Siemens S55

36 H. Hassold 36 Bluetooth Digitalkamera von Sony

37 H. Hassold 37 Bluetooth Microsofts Wireless Optical Desktop for Bluetooth

38 H. Hassold 38 Bluetooth Der größte Vorteil von Bluetooth ist seine geringe Leistungsaufnahme, die sich besonders bei den mobilen Kleingeräten wie z.B. Notebooks, Handys, PDAs, Digitalkameras, Headsets, und Kopfhörern auszeichnet. Durch seine stromsparende Technik wird Wireless-LAN auf diesem Gebiet keine Konkurrenz sein. Ein weiterer Vorteil gegen IrDa (Infrared Data Association) ist, dass kein Sichtkontakt zwischen den Geräten bestehen muß. Im Sommer 2003 soll die Spezifikation 1.2 kommen mit einer Geschwindigkeit von 2-3 MBit/s. Die Version 2.0 soll bereits bis zu 12 MBit/s können.

39 H. Hassold 39 Bluetooth Quellenverweis Diverse ct Artikel 1, 2, 7 /2003


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