Bluetooth Low Energy (BLE)

BLE 5.1 - Was erzeugen Mesh-Feature und Positionsbestimmung?

Seit dem letzten Versions-Update 5.1 sind leistungsstarke Ortungsfunktionen mit BLE realisierbar. Damit werden BLE-basierte RTLS zur Alternative weiterer Technologien in diesem Bereich, wie zum Beispiel UWB.

Stromsparend, vielseitig einsetzbar, fester Bestandteil von Smartphones und Devices in Industrie, Handel und Gesundheitswesen

Mehr als 6 Milliarden Geräte 2024

Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) geht in einer gemeinsam mit ABI Research veröffentlichen Studie davon aus, dass 2024 6,2 Milliarden Bluetooth-fähige Geräte ausgeliefert werden. Darunter 1,14 Milliarden Connected Devices für IoT-Anwendungen und rund 2,11 Milliarden Smartphones, Tablets und PCs.

35 Prozent davon werden BLE-fähige Geräte sein. Bis 2024 wird damit gerechnet, dass alle Geräte zu 100 Prozent Dual-mode-fähig sind und somit Bluetooth Classic und Bluetooth LE unterstützen. Die beiden Technologien – Classic und LE – unterscheiden sich in der Anzahl und Bandbreite der genutzten Kanäle sowie der unterstützten Netzwerktopologien.

Zusammengestellt von RFID im Blick

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BLE sendet im 2,4 Ghz-Frequenzbereich

Von Consumer Electronics über Proximity Marketing bis zu Healthcare-Applikationen oder Industrie-Anwendungen – das sind die Einsatzmöglichkeiten von Bluetooth Low Energy (BLE) und die Nachfrage nach BLE-Lösungen am Markt steigt. Anwender nutzen die stromsparende Kommunikationstechnologie, die IoT-fähig und seit Jahren fester Bestandteil aller gängigen Smartphone-Modelle ist – und somit großflächig einsetzbar und abrufbar.

BLE ist die stromsparende Variante der Funktechnik Bluetooth. Für das IoT entwickelt, ermöglicht die Technologie Anwendungen über das WirelessPersonal-Area-Network (WPAN) für Kurzstrecken-Funktechnik.

Die Einsatzmöglichkeiten sind breit gefächert und reichen von vernetzten Fitnessgeräten bis zu Asset-Tracking-Lösungen in der industriellen Produktion. BLE-fähige Geräte senden mit einer maximalen Datenrate von einem Megabit pro Sekunde lizenzfrei über ein Industrial, Scientific und Medical (ISM)-Frequenzband mit 40 Kanälen im Frequenzbereich 2,402 bis 2,483 Gigahertz. Die Spezifikationen sowie die Weiter- und Neuentwicklungen der Funktechnologie werden von der Bluetooth Special Interest Group (SIG), der unter anderem die Unternehmen Apple, Microsoft oder Intel angehören, vorangetrieben.

Der aktuelle Status: Bluetooth 5

Anfang Dezember 2016 stellte die Bluetooth Special Interest Group (SIG) offiziell die fünfte Version des Bluetooth-Standards vor. Mit der Version 5 erhöht sich in BLEAnwendungen die maximale Datenrate auf zwei Megabit pro Sekunde, die Reichweite im Freifeld von 50 auf rund 200 Meter, sowie die Sendeleistung von 10 Milliwatt auf 100 Milliwatt. Durch die Verdopplung der Datenrate wird BLE schneller, jedoch führt eine höhere Reichweite, je nach eingestelltem Sendemodus, auch zu niedrigeren Datenraten von 500 Kilobit pro Sekunde oder lediglich 125 Kilobit pro Sekunde.

Maximal 10 Milliwatt Stromverbrauch

Die Nettodatenrate von BLE beträgt 0,27 Megabit pro Sekunde. Bluetoothfähige Geräte können innerhalb von drei Millisekunden eine Verbindung aufbauen und eine Datenübertragung in sechs Millisekunden ohne Verzögerungen abschließen. Die kurzen Signalimpulse bei der Datenübertragung tragen mit maximal zehn Milliwatt zum geringen Stromverbrauch von BLEGeräten bei. Die Datensicherheit wird über den 128 Bit-Advanced Encryption Standard (AES) gewährleistet.

Modulation per GFSK und FHSS

BLE eignet sich aufgrund des angewandten Modulationsverfahren für die Übertragung kleiner Datenpakete in schneller Abfolge. Die Modulation findet mittels Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) und Frequenzsprungverfahren (FHSS) statt. Bei GFSK handelt es sich um eine Modulationstechnik per modifizierter Frequenzumtastung (FSK), bei der ein Gaußscher Filter eingesetzt wird. Bei einer Frequenzumtastung wird das ausgesandte Trägersignal gefiltert, sodass die hochfrequenten Anteile des Signals wegfallen und weniger Bandbreite für die Übertragung des Signals benötigt wird. 1.600 Frequenzsprünge in der Sekunde.

Das FHSS dient zur Sicherung einer störungsfreien Übertragung und verhindert Kollisionen mit anderen Signalübertragungen, indem es mit 1.600 Frequenzsprüngen in der Sekunde zwischen vorher festgelegten Frequenzkanälen sendet. Dazu wird das Frequenzband in 40 Kanäle mit einer Breite von zwei Megahertz eingeteilt. Für die Kontaktaufnahme zwischen BLE-Geräten sind drei der 40 Kanäle reserviert. Am unteren und oberen Ende des Frequenzbereichs dient jeweils ein Frequenzband als Sicherheitsband zu benachbarten Frequenzbereichen.

Blutooth 5.0: schneller oder weiter?

Im Vergleich zu den Vorgänger-Versionen Bluetooth 4.0, 4.1 und 4.2 kann mit Bluetooth 5 je nach Anforderung die Reichweite vervierfacht oder die Geschwindigkeit verdoppelt werden. Darüber hinaus wurde die maximal mögliche Kapazität für Broadcasts um 800 Prozent erhöht. Bluetooth 5 ist vollständig abwärtskompatibel zu den Vorgängerversionen bis 4.0.

Muss ein Funkmodul auch die Funktionen älterer Versionen unterstützen, kann eine Dual-Mode-Implementierung erfolgen, die sowohl den Classic Mode (Version 1 bis 3) als auch den LE-Mode (Version 4 bis 5) unterstützt. BLE in der Version 5.0 und aufwärts kann somit entweder Daten schneller übertragen oder über eine höhere Reichweite kommunizieren.

IoT-Feature Nummer 1: Richtungserkennung

Mit der Version 5.1 wurde die BluetoothSpezifikation um Funktionen zur Richtungserkennung und Positionserfassung erweitert. Je nach Auslegung einer BLEApplikation soll damit im Innenbereich eine zentimetergenaue Objektortung gewährleistet werden. 'Bluetooth Direction Finding' ist das Haupt-Feature der Bluetooth 5.1 Core-Spezifikation. Diese neue Funktion unterstützt Ortungsdienste, bei denen bisher nur auf Signalstärke basierende Technologie mit Empfangssignalstärkenanzeige (RSSI) eingesetzt wurden.

Die BLE-basierte Ortung ermöglicht neue und optimierte Einsatzmöglichkeiten für Echtzeit-Ortungssysteme (RTLS) zur Objektverfolgung in zahlreichen Applikationen, von der Logistik und Lagerhaltung bis hin zur Sicherheit von Assets in Krankenhäusern und Produktionsumgebungen. Die BLE-Positionsbestimmung kann je nach Implementierung zur Positionsbestimmung in 2D oder 3D eingesetzt werden.

'Bluetooth Direction Finding' basiert auf den beiden Schlüsselkonzepten Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD). Dabei werden die Winkel-Phasenverschiebungen genutzt, die zwischen den Antennen beim Empfang (AoA) oder Senden (AoD) von HF-Signalen auftreten. Mit der Verwendung von Antennen-Arrays auf beiden Seiten der Kommunikationsverbindung können Phasenverschiebungsdaten bestimmt und daraus der Standort berechnet werden.

IoT-Feature Nummer 2: Mesh-Netzwerkfähigkeit

Bluetooth-Mesh-Netzwerke garantieren Many-to-Many (m:m)- Gerätekommunikation und sind für die Erstellung großer Gerätenetzwerke optimiert. Entwickelt, um die Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheitsanforderungen kommerzieller und industrieller Umgebungen zu erfüllen, unterstützt Bluetooth Mesh intelligente Gebäude- und Industrieimplementierungen, bei denen Dutzende, Hunderte oder Tausende von Geräten effektiv miteinander kommunizieren müssen.

Von Fabriken bis hin zu Krankenhäusern, Flughäfen, Einzelhandelsgeschäften und Privathaushalten unterstützt Bluetooth Mesh Gebäudetechnik, die Eigentümern, Betreibern und Bewohnern einen Mehrwert bietet.

Seit der Veröffentlichung der Mesh-Spezifikationen im Juli 2017 spielt Bluetooth Mesh eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung aufstrebender Märkte, wie z.B. intelligente Gebäude, intelligente Industrie, intelligente Städte und intelligente Häuser. Es wurden bereits mehr als 350 Produkte mit Mesh-Netzwerkfähigkeit von führenden Silizium-, Stack-, Komponenten- und Endproduktanbietern qualifiziert.

Indoor-Ortung  

Im Maintenance- und Logistikbereich eignet sich BLE zur Indoor-Ortung, da GPS Signale innerhalb von Gebäuden nur über eine gedämpfte Empfangsqualität verfügen und NFC nur über eine Reichweite von wenigen Zentimetern einwandfrei funktioniert. Techniker können zuvor getaggte Objekte wie Schlüssel oder Werkzeuge – BLE-Tags können die Größe einer Knopfbatterie haben – beispielsweise über ihr Smartphone lokalisieren und auslesen, denn BLE-Tags gewährleisten eine genaue Ortung bis auf einen Meter.

Proximity Marketing

BLE-Beacons werden auch für Proximity Marketing verwendet. In Einkaufpassagen oder Stores können potenzielle Kunden beispielsweise über die BLE-Funktion ihres Smartphones ortsgebundene Werbung erhalten oder an der Verteilung von Gutscheinen teilnehmen. Aus diesem Grund wird BLE Proximity Marketing aktuell hauptsächlich im Retail eingesetzt, wo BLE gleichzeitig zur internen Prozessoptimierung per Tracking & Tracing oder in Consumer Facing Funktionen zum Einsatz kommen kann. 

Gebäudeautomatisierung 

Gebäudeautomation ist die automatische, zentralisierte Steuerung der wesentlichen Systeme eines Gebäudes, einschließlich Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HLK), Beleuchtung und Sicherheit. Bluetooth ermöglicht Gebäudeautomationslösungen, die Energieeinsparungen nutzen, die Betriebskosten senken und den Lebenszyklus der Kernsysteme eines Gebäudes optimieren.

Quelle: RFID im Blick, Spezialausgabe Wireless IoT Technologie 2020

Niklas Van Bocxlaer
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Exhibition Manager
Lüneburg bei Hamburg, Deutschland
Anja Van Bocxlaer
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Chefredakteurin und Konferenzmanagerin
Lüneburg, Deutschland
Jan Phillip Denkers
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Stellvertretender Chefredakteur
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Vanessa Tan
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Redakteurin
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