BLE – Bluetooth LE

Bluetooth Low Energy ist ein drahtloses Funksystem, das 2009 in Tokio erstmals als offener Standard vorgestellt wurde. Hauptakteure bei der Entwicklung waren Nokia und die Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Obwohl die beiden Funktechnologien Bluetooth und Bluetooth Low Energy den gleichen Namen tragen und auf der gleichen Basistechnologie basieren, gibt es wichtige Unterschiede. Der Hauptunterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth LE liegt im Energieverbrauch und dem Kommunikationsprotokoll. Während bei „normalem“ Bluetooth eine permanente sichere Streaming-Verbindung zur Datenübertragung etabliert wird (z.B. für die Audioübetragung zwischen Kopfhörer und Telefon), wurde Bluetooth LE speziell für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und der Übertragung von kleinen Datenpaketen entwickelt. Bluetooth LE eignet sich somit für batteriebetriebene Geräte und lange Betriebszeiten und kann beispielsweise in Wearables, medizinische Ausrüstung und IoT-Geräte integriert werden.

Bei der Entwicklung von Bluetooth in den 1990er Jahren stand die Energieeffizienz nicht im Fokus. Bluetooth sollte große Datenpakete mit hohen Geschwindigkeiten über geringe Entfernungen übertragen. Während Bluetooth typischerweise Datenraten von mehreren Megabit pro Sekunde unterstützt, liegt die Datenrate von Bluetooth LE im Bereich einiger Kilobit bis max. 1 Mbit pro Sekunde.

Während Bluetooth eine Reichweite von bis zu 100 Metern erreichen kann, liegt die Reichweite von Bluetooth LE typischerweise bei etwa 10 bis 50 Metern. Aufgrund der technologischen Unterschiede variieren auch die Anwendungsbereiche, wie im Artikel weiter erläutert wird.

Die Bluetooth LE nutzt das lizenzfreie 2,4-GHz-Band (ISM-Band) mit 80 verschiedenen 1-MHz-Kanälen zwischen 2400 und 2483,5 MHz. ISM steht für Industrial, Scientific and Medical-Band. WLAN nutzt die gleiche Frequenz, was zu Problemen bei der Koexistenz führen kann, wie an späterer Stelle noch erläutert wird.

Die Spezifikationen sowie Weiter- und Neuentwicklungen der Funktechnologie werden von SIG vorangetrieben. Dieser Vereinigung gehören unter anderem auch die Unternehmen Apple, Microsoft und Intel an.

Bluetooth 5 wurde 2016 von der SIG offiziell als fünfte Version des Bluetooth-Standards vorgestellt. Mit der Version 5 wurde die maximale Datenrate in Bluetooth LE-Anwendungen auf zwei Megabit pro Sekunde erhöht. Die Reichweite im Freifeld von 50 auf rund 200 Meter sowie die Sendeleistung von 10 auf 100 Milliwatt konnten mit der Version 5 deutlich gesteigert werden. Durch die Verdoppelung der Datenrate wird Bluetooth LE schneller, allerdings führt die höhere Reichweite je nach eingestelltem Sendemodus auch zu niedrigeren Datenraten von 500 Kilobit pro Sekunde oder nur 125 Kilobit pro Sekunde.

Bluetooth 5.4 wurde im Februar 2023 veröffentlicht. Als nächster Entwicklungsschritt wird Bluetooth 6 erwartet. Es wird erwartet, dass Bluetooth 6 das 6-GHz-Frequenzband genutzt wird. Ähnlich wie bei Ultrabreitband (UWB) könnte dies eine genauere Lokalisierung ermöglichen. Außerdem soll die Koexistenz mit Wi-Fi 6E weiter verbessert werden.

Die Nettodatenrate von Bluetooth LE beträgt 0,27 Megabit pro Sekunde. Bluetooth fähige 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 10 Milliwatt zum geringen Stromverbrauch von Bluetooth LE-Geräten bei. Die Datensicherheit wird über den 128 Bit-Advanced Encryption Standard (AES) gewährleistet.

Bluetooth LE eignet sich aufgrund des verwendeten Modulationsverfahrens für die Übertragung kleiner Datenpakete in schneller Folge. Die Modulation von Bluetooth Low Energy erfolgt mittels Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) und Frequenzsprungverfahren (FHSS). GFSK ist ein Modulationsverfahren mit modifizierter Frequenzumtastung (FSK), bei dem ein Gaußscher Filter verwendet wird. Bei der Frequenzumtastung wird das gesendete Trägersignal gefiltert, so dass die hochfrequenten Anteile des Trägersignals unterdrückt werden und weniger Bandbreite für die Übertragung des Signals benötigt wird.

FHSS sorgt für eine störungsfreie Übertragung und verhindert Kollisionen mit anderen Signalübertragungen, indem mit 1.600 Frequenzsprüngen pro Sekunde zwischen vorher festgelegten Frequenzkanälen gesendet wird. Dazu wird das Frequenzband in 40 Kanäle mit einer Breite von zwei Megahertz aufgeteilt. Für die Kommunikation zwischen Bluetooth LE-Geräten sind drei der 40 Kanäle reserviert. Am unteren und oberen Ende des Frequenzbereichs dient jeweils ein Frequenzband als Sicherheitsband zu benachbarten Frequenzbereichen.

Mit der Version 5.1 wurde die Bluetooth-Spezifikation um zwei Funktionen zur Richtungs- und Positionserkennung erweitert. Je nach Design einer Bluetooth LE-Anwendung zentimetergenaue Lokalisierung von Objekten in Innenräumen möglich. Bluetooth Direction Finding“ war 2019 das Hauptmerkmal der Bluetooth 5.1 Core Spezifikation. Diese Funktion unterstützt Lokalisierungsdienste, die bisher nur eine auf der Signalstärke basierende Technologie mit Received Signal Strength Indication (RSSI) nutzten.

Die Bluetooth LE-basierte Echtzeitokalisierung oder Ortung ermöglicht neue und optimierte Einsatzmöglichkeiten für Echtzeitlokalisierungssysteme (RTLS) zur Verfolgung von Objekten in einer Vielzahl von Anwendungen.

Je nach Implementierung kann die Bluetooth LE-Lokalisierung zur 2D- oder 3D-Lokalisierung verwendet werden. Bluetooth Direction Finding“ basiert auf den beiden Schlüsselkonzepten Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD). Dabei werden die Winkel-Phasen-Verschiebungen ausgenutzt, die beim Empfang (AoA) oder Senden (AoD) von HF-Signalen zwischen den Antennen auftreten. Durch die Verwendung von Antennen-Arrays auf beiden Seiten der Kommunikationsverbindung können die Phasenverschiebungsdaten bestimmt und daraus die Position berechnet werden.

Für die Ortung mit Bluetooth LE werden verschiedene Methoden eingesetzt.Triangulation und Signalstärkemessung sind zwei Beispiele.

Bei der Triangulation, auch Bluetooth LE AoA (Angle of Arrival) genannt, werden mehrere Bluetooth LE-Empfänger in der Umgebung verteilt. Jeder Empfänger empfängt die Signale eines Bluetooth LE-Geräts und bestimmt die Entfernung zwischen ihm und dem Gerät. Durch die Verwendung mehrerer Empfänger und ihrer relativen Positionen können die Standorte der Bluetooth LE-Geräte trianguliert werden.

Die zweite Methode basiert auf der Messung der Signalstärke (Received Signal Strength Indicator – RSSI) des Bluetooth LE-Signals an verschiedenen Standorten. Da die Signalstärke mit zunehmender Entfernung abnimmt, kann die Entfernung zwischen einem Bluetooth LE-Gerät und einem Empfänger anhand der gemessenen Signalstärke von der Positioning Engine geschätzt werden. Durch Kombination der Messungen mehrerer Empfänger und der Signalstärke kann der Standort des Bluetooth LE-Gerätes berechnet werden.

Die Entscheidung zwischen Bluetooth Bluetooth LE und Ultra Wideband (UWB) hängt stark von den individuellen Anforderungen und Einsatzszenarien ab, da beide Technologien unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen aufweisen. Insgesamt gibt es keine grundsätzlich bessere Technologie, da es auf die spezifischen Anforderungen und Prioritäten der Anwendung ankommt. Bluetooth LE eignet sich gut für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und begrenztem Platzangebot, während UWB für Anwendungen mit hoher Genauigkeit und schneller Datenübertragung geeignet ist.

Dies sind die wichtigsten Unterscheidungen:

• Bluetooth LE ist bekannt für seinen geringen Energieverbrauch, was es ideal für batteriebetriebene Geräte wie Wearables, IoT-Geräte und Beacons macht. Es eignet sich gut für Anwendungen in begrenzten Bereichen wie Indoor-Navigation oder Point-of-Sale-Systeme, da die Reichweite typischerweise begrenzt ist. Die weite Verbreitung und Unterstützung von Bluetooth LE durch die meisten mobilen Geräte erleichtert die Integration und Interoperabilität. Zudem ist Bluetooth LE in der Regel kostengünstiger als UWB und daher geeignet für Anwendungen, bei denen die Kosten eine Rolle spielen. Bluetooth LE 6 wird den Wettbewerb mit UWB wahrscheinlich verstärken, da erwartet wird, dass die Fähigkeit zur Echtzeitlokalisierung weiterentwickelt wird.
• UWB bietet eine extrem hohe räumliche Genauigkeit im Zentimeterbereich. Damit eignet sich UWB ideal für präzise Indoor-Navigation, Echtzeitpositionierung von Objekten und präzises Tracking. UWB hat eine bessere Durchdringung von Wänden und Hindernissen. UWB bietet eine höhere Datenrate als Bluetooth LE und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen große Datenmengen schnell übertragen werden müssen, z. B. Audio- oder Videoübertragungen. Allerdings ist die UWB-Technologie aufgrund der komplexen Technologie und der höheren Hardware- und Entwicklungskosten in der Regel teurer als ein Bluetooth LE basiertes System.

Die Einsatzmöglichkeiten mit Bluetooth LE reichen von Anwendungen im Consumer Electronic Bereich über Proximity Marketing bis hin zu Tracking Lösungen im Gesundheitswesen, im Sport, der Logistik und der Industrie. In Gebäuden oder privaten Wohnhäusern nutzen Anwender die stromsparende Kommunikationstechnologie auch zu Ortungszwecken. Die Einsatzmöglichkeiten sind breit gefächert, wie die folgende Auflistung zeigt, und reichen von vernetzten Fitnessgeräten bis zu Asset-Tracking-Lösungen in der Logistik und der industriellen Produktion.

• Bluetooth LE wird häufig in Wearables wie Fitness-Trackern, Smartwatches und intelligenter Kleidung eingesetzt, um Daten wie Herzfrequenz, Schrittzahl und Schlafmuster an mobile Anwendungen zu übertragen.
• Bluetooth LE kann in Smart Home-Geräten wie intelligenten Glühbirnen, Thermostaten, Türschlössern und Sicherheitssystemen eingesetzt werden, um eine drahtlose Verbindung zu Smartphones oder anderen Steuergeräten herzustellen.
• Bluetooth LE-Beacons sind kleine, batteriebetriebene Geräte, die kontinuierlich Signale aussenden, um Smartphones in ihrer Nähe zu erkennen. Diese Technologie wird in Einzelhandelsgeschäften, Museen, Veranstaltungsorten und an anderen Orten für standortbasierte Dienste, Werbung und Benachrichtigungen eingesetzt.
• Im Gesundheitswesen wird Bluetooth LE für Anwendungen wie die drahtlose Patientenüberwachung, die Medikamentenverfolgung und die Fernüberwachung medizinischer Geräte genutzt.
• In der industriellen Automatisierung wird Bluetooth LE zur Vernetzung und Steuerung drahtloser Sensoren, Aktoren und Geräte in Fabriken und anderen industriellen Umgebungen verwendet.
• Bluetooth LE wird zur Verfolgung und Lokalisierung von Objekten in Innenräumen wie Lagerhäusern, Krankenhäusern und Flughäfen eingesetzt.
• In der Logistik kann Bluetooth LE die Kühlkette absichern und in Echtzeit die Temperatur der zu transportierenden Waren überwachen.
• Bluetooth LE ermöglicht die Authentifizierung an Ladesäulen und unterstützt damit die Elektromobilität und den Komfort für Nutzer.
• In der Automobilindustrie wird Bluetooth LE für Anwendungen wie schlüssellose Zugangssysteme, Fahrzeugdiagnose und drahtlose Verbindungen zu mobilen Geräten eingesetzt.
• Kopfhörer, Lautsprecher und Fernbedienungen nutzen häufig Bluetooth LE für die drahtlose Kommunikation mit anderen Geräten.

Laut SIG wird das Volumen der jährlich ausgelieferten Geräte mit Bluetooth LE-Chip im Jahr 2024 bei 6,2 Milliarden liegen. Im Jahr 2025 sollen es 6,4 Milliarden und im Jahr 2026 mehr als 7 Milliarden Bluetooth LE-Geräte sein. Der Grund für diese hohe Verbreitung und das starke Wachstum ist schnell erklärt. Mittlerweile ist jedes Smartphone, Tablet oder Notebook mit einem Bluetooth-Chip ausgestattet.

Der Ausbruch der weltweiten COVID-19 Pandemie führte zu einem Rückgang der Nachfrage nach Bluetooth LE ICs in allen geographischen Regionen im Vergleich zur Nachfrage vor der Pandemie. Inzwischen ist der Bluetooth LE-Markt wieder auf dem Niveau von 2019. Zu den Schlüsselindustrien, die bei der Einführung der BLE-Technologie führend sind, gehören das Gesundheitswesen, die Unterhaltungselektronik und der Automobilsektor. Die USA, China und Japan treiben die Nachfrage nach Bluetooth LE-Technologien stark voran, vor allem weil sie sich zunehmend auf energieeffiziente Lösungen konzentrieren.

Das amerikanische Beratungs- und Marktforschungsunternehmen „Allied Market Research“ prognostiziert, dass der Umsatz mit Bluetooth LE-Beacons in den kommenden Jahren bis 2030 um fast 37 Prozent steigen wird. Andere Marktbeobachter gehen sogar von 50 Prozent Wachstum aus.

Bis Ende 2024 sollen alle Geräte zu 100 Prozent Dual-Mode-fähig sein, also Bluetooth Classic und Bluetooth LE unterstützen. Die beiden Technologien – Classic und LE –unterscheiden sich in der Anzahl und Bandbreite der verwendeten Kanäle sowie in den unterstützten Netztopologien.

Bluetooth LE bietet eine Reihe von Vorteilen, die es zu einer beliebten Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen machen. Einer der Hauptvorteile von Bluetooth LE ist der geringe Energieverbrauch, der speziell für batteriebetriebene Geräte wie Wearables, IoT-Geräte und Sensoren entwickelt wurde. Dadurch können diese Geräte über lange Zeiträume ohne Batteriewechsel oder Aufladen betrieben werden. Darüber hinaus sind Bluetooth LE-Chips klein, kostengünstig und einfach in Geräte zu integrieren, was sie zu einer attraktiven Option für Hersteller macht, die drahtlose Konnektivität in ihre Produkte integrieren möchten.

Darüber hinaus ist Bluetooth LE weit verbreitet und interoperabel, da es von den meisten mobilen Geräten und Computern unterstützt wird, was die Interoperabilität und die Entwicklung von Anwendungen erleichtert. Darüber hinaus bietet Bluetooth LE eine Vielzahl von Profilen und Diensten, die es für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen. Die Verbindung zwischen Bluetooth LE-Geräten ist schnell, was eine reibungslose und nahtlose Benutzererfahrung ermöglicht.

Bluetooth LE bietet verschiedene Sicherheitsfunktionen, einschließlich Verschlüsselung und Authentifizierung, um die Kommunikation zwischen den Geräten zu schützen und die Privatsphäre der Nutzer zu gewährleisten. Insgesamt ist Bluetooth LE eine zuverlässige, energieeffiziente und kostengünstige drahtlose Konnektivitätslösung, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen IoT, Wearables, Gesundheitswesen, Einzelhandel, Unterhaltung und mehr eignet.

Bluetooth Mesh ist ein Standard für Mesh-Computernetzwerke. Die Mesh-BLE-Spezifikation basiert auf Bluetooth Low Energy und wurde 2017 veröffentlicht. Der Standard ermöglicht eine Many-to-Many-Kommunikation über Bluetooth-Funk. Bluetooth Mesh-Netzwerke gewährleisten eine Many-to-Many (m2m) Gerätekommunikation. Sie sind ideal für komplexe Gerätenetzwerke. Die Vorteile: Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Damit eignet sich Bluetooth-Mesh für industrielle Anforderungen und intelligente Gebäudeinfrastrukturen, in denen Dutzende, Hunderte oder Tausende von Internet of Things (IoT)-Geräten präzise miteinander kommunizieren müssen. Die Anwendungsbereiche reichen von der Digitalisierung in der Industrie über die Digitalisierung im Gesundheitswesen bis hin zu Flughäfen, der Digitalisierung im Einzelhandel oder der Digitalisierung in der Logistik.

Der Vorteil der Mesh Kommunikation ist, dass nicht jeder Beacon in Reichweite eines Gateways sein muss der seine Daten in die Cloud Anwendung überträgt und somit weniger Gateways benötigt werden um beispielsweise eine Industrieanlage zu überwachen.

Der Nachteil ist, dass durch die Mesh Datenübertragung von Beacon zu Beacon, deren Energieverbrauch steigt und daher die Batterien häufiger ersetzt oder aufgeladen werden müssen. Seit 2017 spielt Bluetooth Mesh eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung aufstrebenden Märkten wie Smart Buildings, Industrie 4.0 oder Smart Cities.

Bluetooth LE Beacons können nicht nur zur Positionsbestimmung in der Echtzeitlokalisierung (RTLS), zur Wegfindung oder für orsbestimmte Informationen sowie Werbung eingesetzt werden, sondern auch als mobile Sensoren mit kontaktloser Datenübertragung für Internet of Things (IOT) Anwendungen. Durch ihre eigenständige Stromversorgung über Batterie oder Akku, haben Beacons genug Energie um aktive Sensoren zu betreiben.

Häufige Anwendungsfälle sind Vibrationssensoren zur Überwachung von Elektromotoren in der Industrie oder Temperatursensoren zu Überwachung der ideal Umgebungs- bzw. Kühltemperatur. Die Signale der Beacons werden per Bluetooth LE and Gateways übertragen, die per WiFi oder LAN mit einer Cloud Anwendung kommunizieren die die Signale interpretiert und nötigenfalls reaktive oder präventive Maßnahmen veranlasst.