Bluetooth / BLE
Bluetooth ist der stromsparende Nahfunk für Kopfhörer, Wearables und Sensoren, die sich in der Nähe verbinden.
Links ein Fitness-Tracker (Peripheral), rechts ein Smartphone (Central). BLE ist stromsparender Nahfunk auf wenige Meter.
In 30 Sekunden
Bluetooth ist eine Funktechnik für kurze Strecken, meist um die 10 Meter, auf dem freien 2,4-Gigahertz-Band. Es gibt zwei Varianten: Bluetooth Classic für Datenströme wie Musik zum Kopfhörer, und BLE (Bluetooth Low Energy), das ab Version 4.0 dazukam und extrem wenig Strom braucht. Der Clou von BLE: Ein Gerät läuft damit oft jahrelang mit einer kleinen Knopfzelle, ganz ohne Kabel und Wartung. Bei BLE meldet sich ein Gerät zuerst laufend mit kurzen Funk-Rufen (Advertising). Ein anderes Gerät hört zu, verbindet sich und liest dann einzelne Werte wie die Herzfrequenz. Du triffst es überall an: in Kopfhörern, Fitness-Armbändern, Sensoren und bei der Ortung in Innenräumen.
Stell dir vor, du gehst auf einem Flohmarkt entlang. Jeder Stand ruft immer wieder kurz seinen Namen und ein paar Eckdaten in die Menge: hier Kopfhörer von Sony, hier ein Herzfrequenz-Messer, hier eine Zahnbürste. Dieses ständige Sich-Melden heisst bei Bluetooth Advertising. Du gehst mit einem Einkaufszettel vorbei und hörst zu, das ist das Scannen. Bei den meisten Ständen bleibst du nicht stehen: Sie rufen nur, mehr passiert nicht. So ein reiner Rufer, der nie ein Gespräch führt, ist ein Beacon. Bei einem Stand willst du aber mehr, du bleibst stehen und fängst ein Gespräch an. Das ist der Verbindungsaufbau, auf Englisch Connect. Kaum stehst du am Stand, zieht der Händler einen Ordner hervor, für jedes Thema eine eigene Schublade. In der Schublade Fitness liegt der Zettel Herzfrequenz, daneben der Zettel Batteriestand. Diese Schubladen heissen bei Bluetooth Services, die einzelnen Zettel darin heissen Characteristics. Du kannst einen Zettel einmal ablesen. Oder du sagst: Sag mir Bescheid, sobald sich die Herzfrequenz ändert. Dann meldet sich der Stand von selbst bei dir, statt dass du ständig nachfragst.
Wo trifft man Bluetooth / BLE an?
Kopfhörer und Lautsprecher
Kabellose Kopfhörer wie die AirPods von Apple oder ein JBL-Lautsprecher nutzen Bluetooth Classic, weil hier ein durchgehender Musik-Datenstrom vom Handy zum Gerät fliesst.
Wearables und Fitness
Eine Apple Watch, ein Fitbit-Armband oder ein Brustgurt zum Puls-Messen schicken über BLE einzelne Werte wie Herzfrequenz und Schritte ans Handy, sehr stromsparend über Tage hinweg.
Smart-Home-Sensoren
Kleine Temperatur-, Tür- oder Feuchtigkeits-Sensoren, etwa von Xiaomi oder SwitchBot, funken ihre Messwerte per BLE ans Handy oder an eine kleine Zentrale.
Indoor-Ortung mit Beacons
In Museen, Flughäfen oder grossen Läden hängen Beacons, kleine Sender, die als reines Advertising nur ihre Kennung rufen. Dein Handy schätzt daraus, wo du gerade bist, und zeigt passende Infos an.
Medizingeräte
Ein Blutzucker-Messgerät oder ein Blutdruck-Messer überträgt seine Werte per BLE an eine App auf dem Handy, ohne Kabel und mit langer Batterielaufzeit.
Eingabegeräte und Zubehör
Kabellose Tastaturen, Mäuse und Spiel-Controller verbinden sich per Bluetooth mit Computer, Tablet oder Konsole.
Gut geeignet für
- Wenn Geräte auf kurze Distanz, meist rund 10 Meter, ohne Kabel miteinander reden sollen, weil Bluetooth genau dafür gebaut ist.
- Wenn ein Gerät jahrelang mit einer kleinen Batterie auskommen muss, weil BLE (Bluetooth Low Energy) sehr wenig Strom braucht.
- Wenn nur einzelne kleine Werte übertragen werden, etwa Herzfrequenz oder Temperatur, weil das Datenmodell dahinter genau auf solche einzelnen Werte zugeschnitten ist.
- Wenn ein Gerät nur seine Anwesenheit oder Kennung ausstrahlen soll, weil ein Beacon als reines Advertising ganz ohne Verbindung funktioniert.
- Wenn ein Musik- oder Sprach-Datenstrom laufen soll, etwa zum Kopfhörer, weil Bluetooth Classic genau auf durchgehende Audio-Ströme ausgelegt ist.
Weniger geeignet für
- Für grosse Reichweiten über hunderte Meter oder Kilometer, etwa ein Sensor auf einem Feld: hier passt ein Funk für weite Strecken wie LoRaWAN (ein sehr weitreichender, sehr langsamer Funk) oder Mobilfunk wie NB-IoT besser.
- Für hohe Datenmengen wie Video-Streaming oder grosse Datei-Übertragungen, wo WLAN (der schnelle Heim- und Büro-Funk) viel mehr Daten pro Sekunde überträgt.
- Für viele Geräte, die sich zu einem grossen, sich selbst reparierenden Funknetz verbinden sollen, etwa 40 Lampen und Schalter im ganzen Haus: hier funktioniert Zigbee (ein stromsparendes Maschennetz fürs Smart Home) zuverlässiger, weil es Nachrichten von Knoten zu Knoten weiterreicht.
- Wenn ein Gerät allein ins Internet soll, ohne Handy oder Zentrale als Brücke. Bluetooth verbindet nur zwei nahe Geräte; fürs Internet braucht es einen Funk wie WLAN oder Mobilfunk.
Fakten
- Bluetooth SIG, das Industrie-Gremium hinter dem Standard und der Marke
- 2,4 GHz, dasselbe frei nutzbare Band wie WLAN, weltweit ohne Lizenz
- Bluetooth Classic für durchgehende Datenströme wie Audio, BLE (Bluetooth Low Energy) für stromsparende, kurze Datenpakete
- mit Bluetooth 4.0 (2010); BLE und Classic verstehen sich nicht, viele Geräte können aber beides
- Peripheral meldet sich per Advertising, Central scannt und verbindet sich; Fachleute nennen das GAP
- Werte liegen in Services (Schubladen) mit einzelnen Characteristics (Zetteln), z. B. der Service Herzfrequenz
- iBeacon (Apple) und Eddystone (Google): reines Advertising ohne Verbindung, für Ortung in Innenräumen
- typisch rund 10 Meter; mit einem robusteren Funkmodus ab Bluetooth 5 auf hunderte Meter erweiterbar
Im Detail
Advertising, Scan und Connect: so finden sich Geräte
Bei BLE gibt es zwei Rollen, die zusammen den Verbindungsaufbau tragen. Das Gerät, das entdeckt werden will, ist das Peripheral, zum Beispiel ein Fitness-Armband. Es sendet in regelmässigen Abständen kurze Advertising-Pakete aus, also kleine Funk-Rufe, die seinen Namen und ein paar Eckdaten enthalten. Das ist wie ein Marktstand, der immer wieder kurz seinen Namen ruft.
Das andere Gerät ist die Central, zum Beispiel dein Handy. Sie scannt, hört also auf diese Rufe und sammelt, was in der Nähe funkt. Findet sie das gesuchte Gerät, baut sie mit einem Connect eine Verbindung auf. Ab jetzt reden die beiden nicht mehr in die Menge, sondern direkt miteinander.
Diese Aufgaben, Finden und Verbinden, regelt bei Bluetooth ein Teil, den Fachleute GAP nennen. Ein Peripheral kann meist nur mit einer Central gleichzeitig verbunden sein. Eine Central dagegen kann mehrere Peripherals zugleich bedienen, etwa dein Handy die Uhr und den Kopfhörer gleichzeitig.
GATT: die Daten liegen in Schubladen
Sobald die Verbindung steht, kommt das Datenmodell ins Spiel. Fachleute nennen es GATT, und es ordnet alle Werte sauber. Die grossen Fächer heissen Services, also Schubladen für ein Thema, zum Beispiel der Service Herzfrequenz oder der Service Batteriestand. In jeder Schublade liegen einzelne Zettel, die Characteristics genannt werden, also die eigentlichen Werte.
Die Central kann nun einen einzelnen Wert lesen, etwa die aktuelle Herzfrequenz. Sie kann einen Wert aber auch abonnieren. Dann sagt sie dem Peripheral einmal: Melde dich, sobald sich dieser Wert ändert. Ab da schickt das Peripheral die neuen Werte von selbst, ohne dass die Central ständig nachfragt. Das spart viel Strom und ist der Grund, warum ein Armband tagelang mit einer kleinen Batterie durchhält.
Beacon: reines Rufen ganz ohne Verbindung
Nicht jedes Gerät will ein Gespräch. Ein Beacon ist ein Sender, der nur ruft und nie eine Verbindung aufbaut. Er sendet also unentwegt seine Kennung in die Umgebung, mehr nicht. Jedes Handy in Reichweite kann diesen Ruf hören, ohne sich zu verbinden.
Genau das nutzt du zur Ortung in Innenräumen, wo klassisches GPS schwach ist. In einem Museum, Flughafen oder Laden hängen viele solcher Beacons. Aus der Stärke der empfangenen Rufe schätzt dein Handy, in welchem Bereich du gerade stehst, und zeigt passende Inhalte an. Zwei verbreitete Beacon-Formate sind iBeacon von Apple und Eddystone von Google.
Classic gegen BLE und die Reichweite
Bluetooth gibt es in zwei Ausprägungen, die sich das gleiche 2,4-Gigahertz-Band teilen, aber unterschiedlich arbeiten. Bluetooth Classic ist für durchgehende Datenströme gemacht, etwa Musik vom Handy zum Kopfhörer. Die Verbindung bleibt dauerhaft offen und liefert einen gleichmässigen Strom. BLE (Bluetooth Low Energy) kam mit Bluetooth 4.0 im Jahr 2010 dazu und ist auf kurze, seltene Datenpakete und langen Batteriebetrieb ausgelegt. Die beiden sind getrennte Techniken: Ein reines BLE-Gerät und ein reines Classic-Gerät verstehen sich nicht. Viele Geräte können aber beides.
Die typische Reichweite liegt bei rund 10 Metern und hängt stark von Wänden, Möbeln und Sendeleistung ab. Seit Bluetooth 5 gibt es einen besonders robusten Funkmodus, der die Daten langsamer, aber zuverlässiger überträgt. Damit lassen sich auch mehrere hundert Meter überbrücken, allerdings auf Kosten der Geschwindigkeit. Über den Standard und die Marke Bluetooth wacht die Bluetooth SIG, ein Zusammenschluss vieler Hersteller.