Bluetooth – Wie funktioniert es?

Die Bluetooth-Kommunikationstechnologie ist ein weltweiter Standard für die drahtlose Übertragung von Daten über kurze Entfernungen. Solche Verbindungsmodule werden z. B. in Mobiltelefonen, Headsets und Freisprecheinrichtungen, Tablets, Modems, Autos, Eingabegeräten (z. B. Maus oder Computertastatur) oder drahtlosen Lautsprechern sowie in vielen anderen Geräten verwendet.

Bluetooth – was ist das?

Ein Bluetooth-Modul, das man oft im Elektronikfachhandel findet, ist ein kleines Bauteil (ein integrierter Schaltkreis auf einer Leiterplatte mit den entsprechenden Anschlüssen), das als Sender und Empfänger fungiert. Wenn es richtig an ein Gerät angeschlossen ist, ermöglicht es eine Zwei-Wege-Kommunikation mit einem anderen Bluetooth-Modul. Es ermöglicht die Übertragung von Daten von Gerät zu Gerät über kurze Entfernungen (aber ohne Kabel) in beide Richtungen. Diese Art von Geräten ist heute in den meisten Mobiltelefonen (Smartphones), Laptops und vielen anderen Geräten zu finden. Der Bluetooth-Standard wird z. B. zur Übertragung von Mediendateien von einem Telefon auf einen Computer, zur Kommunikation mit einer Freisprechanlage im Auto, mit drahtlosen Kopfhörern oder zur Verbindung eines Computers mit einer Maus oder Tastatur verwendet. Die Bluetooth-Reichweite liegt in der Regel zwischen einigen Metern und ca. 100 Metern (in gerader Linie ohne Hindernisse für den Empfang des Signals). Die Reichweite kann je nach Leistung des Senders und des Empfängers, Hindernissen dazwischen oder anderen Störungen variieren. In einer Wohnung oder anderen Geschäftsgebäuden beträgt die Reichweite normalerweise bis zu 10 m. Man könnte meinen, dass die relativ geringe Reichweite ein Nachteil dieses Kommunikationsstandards ist, aber in Wirklichkeit ist es einfach eine Eigenschaft dieser Lösung, die erfolgreich eingesetzt wird. Solche Module werden nur in Geräten eingesetzt, deren Bluetooth-fähige Funktionen keine ständige drahtlose Verbindung über größere Entfernungen erfordern. Drahtlose Kopfhörer zum Beispiel sollen die Verkabelung zwischen Handtasche, Hosentasche oder Rucksack und den Ohren des Hörers überflüssig machen. Dank der kurzen Reichweite stören sich die Bluetooth-Geräte selbst in Gegenden, in denen sie in großer Zahl vorhanden sind, nicht gegenseitig. In Fahrzeugen, in denen die Bluetooth-Verbindung automatisch hergestellt wird, wird sie auch automatisch unterbrochen, wenn man den Innenraum verlässt – eben wegen der geringen Reichweite.

Was ist eine elektromagnetische Welle?

Um zu verstehen, wie Bluetooth funktioniert, ist es gut zu wissen, wie mehr oder weniger Funkgeräte funktionieren.

Bluetooth ist eine Datenübertragungstechnologie, die nach einem ähnlichen Prinzip wie das Radio funktioniert. Sie bedient sich der elektromagnetischen Strahlung, genauer gesagt ihrer Abwandlung, den Radiowellen. Die heutige Wissenschaft hat zu der Erkenntnis geführt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung eine der vier grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur ist. Für die Bluetooth-Technologie wurden Frequenzen gewählt, bei denen die meisten anderen Geräte nicht funktionieren. Elektromagnetische Wellen umgeben uns seit jeher – sie sind der Grund dafür, dass Geräte wie die Mikrowelle oder Mobiltelefone funktionieren, aber es sollte auch daran erinnert werden, dass z. B. Licht eine elektromagnetische Welle ist. Es ist einfach eine Welle mit einer Länge, die für das menschliche Auge sichtbar ist. Sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 4×10-7 m bis etwa 7×10-7 m (400 nm – 700 nm). Radiowellen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von mehr als 10-4 m (0,1 mm) und Frequenzen von 3 kHz bis 3 THz. Im Falle von Bluetooth wird die Betriebsfrequenz im 2,4-GHz-Band beobachtet. Dieses Frequenzband war bisher nur für industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen vorgesehen. Sowohl Funksender als auch Bluetooth-Sender beruhen auf einem ähnlichen Prinzip. Wenn eine Antenne mit Strom versorgt wird, beginnen sich Elektronen in ihr zu bewegen, wodurch in der Nähe der Antenne ein elektromagnetisches Feld entsteht. Wird in diesem Bereich eine Antenne platziert, so bewirkt das elektromagnetische Feld, dass auch in ihr ein Strom (Signal) fließt. Durch geeignete Modulation der erzeugten Welle (Änderung der Amplitude oder Frequenz) können Informationen übertragen werden – ein Signal mit gespeicherten Informationen.

Wie funktioniert Bluetooth mit elektromagnetischen Wellen?

Bluetooth-Module sind Geräte, über die der Benutzer Daten senden und empfangen kann. Sie fungieren sowohl als Signalempfänger als auch als Sender. Sie ermöglichen eine Einwegkommunikation (wie ein Walkie-Talkie – wenn ein Gerät sendet, kann es nicht empfangen und umgekehrt) und eine Zweiwegkommunikation (ein Gerät kann gleichzeitig empfangen und senden – wie ein Telefongespräch). Bei einer einzigen Datenübertragung nutzen die Geräte Dutzende von Frequenzen. Wenn sie sich mit einem anderen Gerät verbinden, bilden sie ein separates, einzigartiges Netz, das nur für die Bedürfnisse der beiden Geräte bestimmt ist. Wenn eine neue Verbindung mit weiteren Modulen am selben Ort hergestellt wird, entsteht ein zweites Netz. Solche Mini-Netze werden als so genannte Piconets bezeichnet. Die Geräte machen synchrone Sprünge zwischen den Frequenzen, wenn sie sich mit sehr hoher Geschwindigkeit verbinden. In einer Minute machen sie bis zu 100.000 Sprünge. Informationen (z. B. Dateien) mit großer Kapazität werden aufgeteilt und dann in sehr kleinen Teilen übertragen. Bei der Übertragung können viele Picosets (Mini-Netze) gleichzeitig in einem Gebiet arbeiten. Es besteht dann die Gefahr, dass zwei Netze gleichzeitig auf dieselbe Frequenz treffen – die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, ist sehr gering, aber wenn es wahrscheinlich wäre, würde nichts passieren. Die Störung wäre so kurz, dass sie die Übertragungszeiten nicht nennenswert beeinträchtigen könnte. Damit die Netze so gut wie möglich funktionieren (ohne Störungen), können maximal sieben andere Geräte mit einem verbunden werden. Wenn ein Gerät mit einem Bluetooth-Modul eingeschaltet wird, sendet es ein Signal innerhalb des zugehörigen Picosets. Die anderen Module, die mit dem Netz verbunden sind, nehmen das Signal sofort auf und antworten – sie müssen nicht erst aktiviert werden. Eingebaute Freisprecheinrichtungen in neuen Autos funktionieren zum Beispiel nach diesem Prinzip. Nach dem Einsteigen und Starten des Fahrzeugs erkennt das Auto automatisch das Vorhandensein des angeschlossenen Bluetooth-Moduls in dem in die Tasche gesteckten Telefon und stellt die Verbindung her, so dass der Fahrer während der Fahrt sicher telefonieren kann. Beim Verlassen des Fahrzeugs schalten sich die Geräte nach Verlust der Reichweite sofort ab.

Vorteile des Bluetooth-Standards

Der primäre und wahrscheinlich wichtigste Vorteil des Bluetooth-Standards ist neben der Abwesenheit von Kabeln sein geringer Stromverbrauch. Aus diesem Grund zeichnet er sich auch durch eine geringe Reichweite aus. Die geringe Reichweite ermöglicht es, sehr wenig Strom für die Übertragung zu verbrauchen. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Energieverbrauchskosten aus, die insbesondere für mobile Geräte sehr wichtig sind. Aus diesem Grund werden Telefone über diesen Standard mit tragbaren Lautsprechern oder Kopfhörern verbunden. Für beide Geräte hat es hohe Priorität, so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen und gleichzeitig die gestellte Aufgabe mit der bestmöglichen Qualität zu erfüllen (wobei die Übertragungsgeschwindigkeit eines der Einflusskriterien ist). Dies ist einer der Gründe, warum die Bluetooth-Technologie für die Verbindung von kleinen Inear-Kopfhörern (die, um für die Kunden attraktiv zu sein, mehrere Stunden mit einer einzigen Ladung funktionieren sollten) und einem Telefon (das gleichzeitig das Betriebssystem, den Bildschirm, die Software für die Musikwiedergabe, die ständige Verbindung zum GSM-Netz und meist auch viele im Hintergrund laufende Programme dosiert) verwendet wird.

Bluetooth-Reichweite – bis zu wie vielen Metern funktioniert Bluetooth?

Die kurze Reichweite von Bluetooth ist das offensichtliche Merkmal, über das Sie oben lesen können. Es ist jedoch erwähnenswert, dass es je nach Gerät eine von drei Klassen gibt, von denen sie abhängt. Die Reichweite wird durch die verwendete Leistung bestimmt – Klasse 1 bietet eine Reichweite von bis zu 100 Metern, wobei 100 mW Leistung für die Übertragung verwendet werden. Welche Reichweite hat die Bluetooth-Klasse 2? Diese Version, die am häufigsten verwendet wird, ermöglicht die Verbindung mit Geräten in einer Entfernung von bis zu 10 Metern – in dieser Konfiguration beträgt die zur Erzeugung des Signals erforderliche Leistung bereits 2,5 mW. Sehr selten und in Ausnahmefällen wird die Klasse 3 verwendet – Geräte, die sich über den Bluetooth-Standard verbinden, können bis zu einem Meter voneinander entfernt sein, der Vorteil ist dann aber nur 1 mW Leistung, die zur Erzeugung des Signals benötigt wird. Was aber, wenn uns solche Entfernungen nicht zusagen? Wie kann man die Reichweite von Bluetooth vergrößern? Zu diesem Zweck werden spezielle Richtantennen verwendet, die dieses Problem perfekt in den Griff bekommen.

Bluetooth-Versionen – Standards

Jede Technologie, die erfolgreich und bei den Nutzern beliebt ist, wird später verbessert und aktualisiert. Dies ist in vielen Fällen zu beobachten – ein gutes Beispiel ist der USB-Computeranschluss, den wir heute in fast jedem modernen Gerät finden. Heutzutage ist die dritte Generation dieses Standards am weitesten verbreitet. Die USB 1.0-Spezifikation erschien 1998 – der maximale Durchsatz über eine solche Buchse wurde mit nur 1,5 MB/s angegeben. Die heutige USB-Version 3.2 bietet bis zu 2,5 GB/s, also etwa das 1.700-fache der Geschwindigkeit von USB 1.0. 2002 wurde der Standard IEEE 802.15.1 offiziell verabschiedet – das ist natürlich Bluetooth. Dies war die erste Version: Bluetooth 1.0 – die Übertragung erreichte Geschwindigkeiten von bis zu 21 kbps. Die nächste Stufe war Bluetooth 1.2 (Übertragung – 328 kbps), dann kam Bluetooth 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) – die Übertragungsrate stieg auf 2,1 Mbps. Die zweite Generation wurde ebenfalls verbessert – Bluetooth 2.1 + EDR bot den Nutzern einen einfacheren Prozess der Gerätekopplung und vor allem benötigte die Übertragung weniger Energie. Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) beschleunigte auf bis zu 24 Mbit/s, die Version Bluetooth 3.1 + HS verdoppelte die Geschwindigkeit fast auf – 40 Mbit/s. Bluetooth 4.0 + LE (Low Energy) – bietet dem Nutzer eine Übertragungsrate von 1 Mbit/s, wodurch der Stromverbrauch deutlich gesenkt und die Reichweite auf etwa 100 m erhöht werden konnte. Die aktualisierte Version wurde für die Verwendung von Bluetooth 4.1-Geräten mit Geräten entwickelt, die Teil des Konzepts des Internets der Dinge (IoT) sind. Es folgte Bluetooth 4.2 (schnellere Übertragung, bessere Sicherheit und einfachere Verbindung zu Objekten). Bluetooth 5.0 ist die heutige standardisierte Version mit einer Übertragungsrate von 2 Mbit/s für Wearables und bis zu 50 Mbit/s für den Rest der Geräte. Mit Bluetooth 5.0 beträgt die Reichweite im freien Raum bis zu 140 m.

Zusammengefasst sieht der Bluetooth-Standard wie folgt aus:

• 1.0 – Datenrate bis zu 21 kbps.
• 1.1 – bis 124 kb/s.
• 1.2 – bis 328 kb/s.
• 2.0 + EDR – bis 2,1 Mb/s.
• 3.0 + HS – bis 24 Mb/s.
• 3.1 + HS – bis 40 Mb/s.
• 4.0 + LE
• Bluetooth 4.1
• Bluetooth 4.2
• Bluetooth 5.0

WLAN und Bluetooth – Unterschiede und Gemeinsamkeiten

WLAN und Bluetooth sind sehr ähnliche drahtlose Kommunikationsstandards. Sie haben viele Gemeinsamkeiten, aber in Wirklichkeit sind sie sehr unterschiedlich. Es ist unmöglich, eindeutig zu sagen, welche Technologie besser ist (es sei denn, es gibt einen klar definierten Zweck für eine bestimmte Verbindung). Jede Technologie hat ihre eigenen Merkmale, die sich in verschiedenen Fällen als vorteilhaft oder nachteilig erweisen. Beide Technologien arbeiten auf sehr nahe beieinander liegenden Funkfrequenzen – WLAN nutzt das 2,4-GHz-Band (2400 MHz bis 2485 MHz) oder das 5-GHz-Band (4915 MHz bis 5825 MHz), während Bluetooth das 2,4-GHz-Band (2400 MHz bis 2485 MHz) verwendet. Beide Standards sind drahtlos und dienen der Datenübertragung, werden aber für völlig unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. WLAN benötigt wesentlich mehr Energie für die Datenübertragung als Bluetooth, aber die Reichweite und der Datendurchsatz der Verbindung sind viel höher. WLAN eignet sich gut als stationäre Lösung, zumal für den Verbindungsaufbau ein Router erforderlich ist. Bluetooth ist viel mobiler. Die Verbindung von Geräten über Bluetooth ist viel einfacher und schneller als das komplizierte Verfahren der Konfiguration von Geräten im selben Netzwerk. Ein solches Verfahren hat jedoch auch seine Vorteile. Es enthält Elemente, die sich erheblich auf die Sicherheit der Verbindung auswirken – Bluetooth ist viel weniger widerstandsfähig gegen alle Arten von Angriffen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vorteile des Bluetooth-Standards gegenüber WLAN darin bestehen, dass er viel schneller einzurichten ist, viel weniger Energie für die Übertragung benötigt wird, nur ein Gerät mit einem Modul benötigt wird und die begrenzte Reichweite dafür sorgt, dass mehrere Verbindungen gleichzeitig bestehen können. Der Preis für diese Vorteile ist ein geringerer Durchsatz und ein viel geringeres Maß an Sicherheit, weshalb Bluetooth-Module in Geräte eingebaut werden, die diese Funktionen nicht benötigen.

Wozu wird Bluetooth verwendet?

Die Verwendung von Bluetooth kann vielfältig sein und hängt vom jeweiligen Gerät ab. Bluetooth wird derzeit häufig in Smartphones verwendet, um Daten auf andere Geräte zu übertragen oder um eine Verbindung zu anderen Geräten herzustellen. Sie eignen sich auch hervorragend für Computermäuse oder Tastaturen sowie für Kopfhörer oder Freisprechanlagen in Autos. Radiowellen “gehen” durch Wände hindurch und breiten sich radial aus, so dass der Sender nicht zum Empfänger gedreht werden muss, um das Signal zu empfangen. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft, dank derer u. a. Infrarot-Fernbedienungen für Fernseher heute praktisch nicht mehr hergestellt werden. Bei diesen Geräten musste die Signalquelle auf den Empfänger gerichtet werden – ein Stück Hand oder ein Kleidungsstück konnte leicht den Weg versperren. Heute arbeiten die meisten Fernbedienungen mit der Bluetooth-Technologie, wodurch diese Unannehmlichkeit gänzlich entfällt.

Bluetooth ist überall

Bluetooth-Module werden auch in Geräten wie Smartwatches eingebaut – sie halten die Uhren in ständigem Kontakt mit dem Telefon. Sie werden auch zum drahtlosen Drucken und für den Internetzugang verwendet und sind häufig in fortschrittlichen Hausautomatisierungsgeräten oder Robotern eingebaut, um mit einer Steuerung oder anderen Robotern zu kommunizieren. Bluetooth-gesteuertes Spielzeug ist auf dem Markt erhältlich, und auch Bluetooth-Kopfhörer und -Lautsprecher sind sehr beliebt geworden. Beliebt sind heute auch Bluetooth-Anhänger, die einen lauten Ton von sich geben, wenn sie sich vom Telefon entfernen – dies dient als Diebstahlschutz und erleichtert beispielsweise die Suche nach dem Schlüssel. Die Bluetooth-Reichweite des Telefons beträgt etwa 10 Meter, dieser Wert kann jedoch je nach anderen in Betrieb befindlichen Geräten, die stören könnten, variieren. Bitte beachten Sie, dass eine physische Abdeckung des Geräts dessen Funktion ebenfalls beeinträchtigen kann.

Ursprung des Namens

Der Name Bluetooth mag für viele unerklärlich sein – die wörtliche Übersetzung aus dem Englischen lautet “Blue Tooth”. Bluetooth ist der Spitzname eines dänischen Königs namens Harald – er regierte in der zweiten Hälfte des 10. Harald Blatand wurde oft als Harald Bluetooth (Harald der Blauzahn) bezeichnet, weil er zu dieser Zeit ein dunkles Gebiss hatte. Wenn man die Quellen durchforstet, stößt man auf eine Tatsache, die beweist, dass die Bedeutung des Wortes “blau” für die Menschen der damaligen Zeit die heutige Bedeutung des Wortes “dunkel” nahelegt. So hat das markante blaue Logo mit den Runeninitialen HB (Herald Bluetooth) keine direkte historische Begründung, ist aber heute eines der bekanntesten Markenzeichen. Bluetooth ist in der Tat eine Marke (im Gegensatz zu WLAN, zum Beispiel), die von der Bluetooth SIG betreut wird.