Industrial, Scientific and Medical Band (ISM)
Bluetooth
Bluetooth Übertragungstechnik

Wireless Personal Area Network (WPAN)

Getrieben durch das Feature Phone verband man das Mobiltelefon über ein Kabel mit einer Reihe anderer Geräte:

• PC: Zur Datensicherung und für Bereitstellung von Modemfunktionalität
• Kopfhörer/Mikrofon: Für Gesprächsführung, ohne das Telefon zu halten bzw. um Musik zu hören
• Freisprecheinrichtung: Zum Telefonieren im Auto

Im Bereich der PC gab es bereits drahtlose Übertragung. Bereits seit 1991 gab es Computermäuse die über Funk mit dem PC verbunden waren. Allerdings handelte es sich hierbei um einen einfachen analogen Funkstandard.

Drahtlose Übertragung im direkten Umkreis des Endgerätes nennt man allgemein Wireless Personal Area Networks (WPAN).

Industrial, Scientific and Medical Band (ISM)

Damit überhaupt Funkübertragung mit kleiner Leistung, etwa für den Ersatz von Kabeln, möglich ist benötigt man Frequenzbänder, welche von den Behörden für Funkanwendungen zugelassen sind. Sie sind also Lizenzfrei (wenn sie bestimmten Normen entsprechen). Diese Bänder nennt man ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical).

Bekannt ist z.B. der ein Bereich um 27 MHz, welcher für Sprechfunk zum Einsatz kommt. Dieser war in den achtziger Jahren als CB-Funk sehr populär. Die gleiche Frequenz eignete sich auch für Baby-Überwachungsgeräte. Weiterhin in Gebrauch ist ein Band bei 433 MHz. Dies verwendete man lange für analoge schnurlose Kopfhörer, für Außenthermometer oder für Autoschlüssel.

Das wichtigste ISM-Band liegt bei rund 2,4 GHz. Das es existiert ist auf die Erfindung des Mikrowellenherdes zurückzuführen. Bei der Entwicklung des Radars in den vierziger Jahren stellte man fest, dass sich Lebensmittel in der Mikrowellenstrahlung des Radars erwärmten. Der Grund liegt darin, dass bei einer Frequenz von rund 2,4 Ghz Wassermoleküle zu einer Drehschwingung angeregt werden. Dies wiederum führt dazu, dass sich das Wasser entsprechend erwärmt. Bei dieser Frequenz war es auch besonders günstig Mikrowellen mit Hilfe sogenannter Magnetrons zu erzeugen. Somit wurde das 2,4 GHz Band bereits früh unlizenziert zur Verfügung gestellt.

Bluetooth

Der Ingenieur Nils Rydbeck war Anfang der neunziger Jahre technischer Leiter von Ericsson Mobile, also der Abteilung von Ericsson welche Endgeräte für den Mobilfunk herstellte. Er wünschte sich eine drahtlose Verbindung zu einem Kopfhörer (Headset) speziell für Mobiltelefone. Diese Verbindung sollte/musste natürlich sehr klein als auch sehr stromsparend sein. Zwei Ingenieure die für Ericsson arbeiteten schufen daraufhin einen neues digitalen Funksystem welches 1997 vorgestellt wurde.

In der Entwicklung der IBM Labtops (ThinkPad) arbeitete man getrieben durch die Fortschritte des GSM Standards an Wege, ein Funkmodem in ein Labtop zu integrieren. Man arbeitete mit Ericsson zusammen, kam in Studien jedoch zu dem Schluss, dass der Stromverbrauch jedenfalls damals noch zu hoch für eine Integration war. Schließlich kam der Gedanke auf, stattdessen eine schnurlose digitale Verbindung zwischen dem Labtop und dem Mobiltelefon zu etablieren. Ericsson würde hierbei sein neues Funksystem einbringen und IBM würde entsprechende Protokoll SW liefern. Hierbei wurde auch Intel, als der führende CPU Lieferant einbezogen.

Ein Ingenieur von Intel lieferte hierbei eine Namen für das gemeinsame Projekt: Bluetooth. Dieser Name stammt von einem legendären dänischen König namens Blauzahn der im zehnten Jahrhundert Dänemark und Norwegen vereinigte. Man ging eigentlich davon aus, dass der neue Standard irgendwann einen Namen oder ein Kürzel bekommen würde, aber der Projektname wurde zum Namen des Standards. Bald bildete sich ein Konsortium welches sich um die Weiterentwicklung dieses Standards kümmerte. Es nannte sich die Bluetooth Special Interest Group (SIG).

1999 erschien ein erstes Headset mit Bluetooth. Bereits 2001 gab es dann das erste Mobiltelefon mit integrierten Bluetooth, natürlich ein Ericsson: T36. Gleichzeitig brachte IBM auch den ersten PC mit Bluetooth Interface auf den Markt.

Bluetooth Übertragungstechnik

Bluetooth ist ein digitaler Funkstandard. D.h. er hat eine Trägerfrequenz auf der digitale Signale aufmoduliert werden. In seinen ersten Versionen von Bluetooth nutzte man wie bei GSM Gaussian minimum shift keying (GMSK). Die Kanalbandbreite liegt mit 1 MHz deutlich höher als bei GSM und läßt somit bitraten von 780 kbit/s zu. Allerdings gibt es pro Bluetooth Verbindung bzw. Netzwerk (später mehr) nur einen Kanal. Nicht wie bei GSM einen Uplink und eine Downlink Kanal. Alle Verbindungen müssen sich also den Kanal teilen. Dazu ist er in Zeitschlitze mit einer Länge von 625 us eingeteilt.

Die Kanäle liegen im ISM Band zwischen 2400 MHz und 2483,5 MHz. Dadurch ergeben sich 79 verfügbare Kanäle. Aber Achtung, auch andere System dürfen dieses Band verwenden und interferieren mit Bluetooth, allen voran der Mikrowellenofen und später vor allen der WLAN Standard. Schlimmer noch, auch andere Bluetooth Verbindungen müssen im selben Band übertragen und es gibt kein zentrales Element welches verschiedene Bluetooth Verbindungen überwacht.

Daher wurde bei Bluetooth auf Frequenzsprungverfahren gesetzt. D.h. nach jedem Zeitschlitz wird eine neue Frequenz gewählt und somit das Bluetooth Signal über das gesamte Frequenzband verteilt. Man spricht von Frequency Hopping Spread Spektrum (FHSS). Die Frequenzsprünge sind scheinbar zufällig und verhindern, so dass es zu starken Interferenzen kommt. In späteren Versionen von Bluetooth wurde das Frequency Hopping verfeinert. Wenn es eine dauerhafte Störung von einigen Kanälen bzw. Kanalbereichen gab, etwa durch ein konkurrierendes 2,4 GHz Gerät konnte man diese erkennen und umgehen. Das nannte man dann Adaptive Frequency Hopping.

Bluetooth kann Verbindungen zwischen zwei Geräten herstellen (z.B. zwischen einem Mobiltelefon und einem Headset). Es ist aber auch möglich, dass ein kleines Netz aufgebaut wird, z.B. PC mit Verbindung zu Maus, Tastatur und Headset. In jedem Fall übernimmt ein Gerät (meist das Mobiltelefon oder der PC) die Steuerung. Diese Geräte werden als Master bezeichnet. Alle Geräte, die in Verbindung stehen nennt man dann Slave. Bei Bluetooth kann ein Piconet aus einem Master und bis zu 7 Slaves bestehen.

Es gibt bei Bluetooth zwei Arten von Datentransfer. Einen Synchronen Modus (etwa wie der normale Traffic Channel bei GSM) bei dem kontinuierlich (Sprach)Daten gesendet werden oder eine Asynchronous Mode in dem Datenpakete geschickt werden.

Im synchronen Mode, SCO (Synchrounous Connetion Oriented), werden in regelmäßige Abständen Slots (Bursts) geschickt und empfangen, und zwar so, dass sich eine Datenrate von genau 64 kbit/s ergibt. Dies entspricht der üblichen Sprachabtastung mit 8 kSample/s. Je nach Übertragungsqualität kann eine Fehlerkorrektur benutzt werden, was natürlich die Anzahl der Rohdaten erhöht. Weiterhin ist es möglich auch Kontrolldaten zu übertragen, um etwa eine Lautstärke in einem Headset zu steuern.

Im asynchronen Mode, ASC (Asynchrounous Connection-Less) sendet der Master 1 – 5 Slots an einen Slave. Dieser antwortet im folgenden Slot oder spätestens nach 5 Slots. Die Antwort kann ebenfalls 1 – 5 Slots lang sein. Daraufhin kann der Master weitere Datenslots schicken. Ein Slave muss auf jeden Fall antworten, sei es auch mit einem leeren Slot, welcher eine Empfangsbestätigung liefert. Sendet der Master nicht mehr weil sein Datenpuffer leer ist, kann er bis zu 800 Slots (0,5 s) pausieren und damit Strom sparen.

Die Abbildung oben zeigt den Aufbau eines Bluetooth Slots. Die ersten 72 bits dienen als Adresse bzw Identifikation des zugehörigen Piconetz. Es folgt ein aus 18 bits bestehender Header. Die ersten drei bits des Header geben die Nummer des anzusprechende Slaves an (7 möglich). Bedeutend ist der dann folgende Type-Bezeichner. Mit 4 bits zeigt man dort an ob es sich um einen SCO oder einen ASC Slot handelt und wie dieser Fehlercodiert wird. Hierbei gibt es 4 Arten einen SCO zu schützen bzw zu definieren und 5 Arten wie ein Datenpaket geschützt wird.

Bei den SCOs wird auch bestimmt wie viele Slots zur Übertragung benutzt werden (1, 3 oder 5). Mit einem Flow bit wird der Gegenstelle signalisiert ob ein Datenpuffer gefüllt ist. Wenn das Flow bit gesetzt ist, wird die Gegenseite aufgefordert erst einmal keine Daten mehr zu senden. Das folgende ARQN bit dient dazu zu signalisieren dass das letzte Paket korrekt (fehlerfrei) empfangen wurde. Notfalls muss die Gegenstelle die Übertragung wiederholen. Das SEQN signalisiert wiederum ob gesamte Pakete korrekt übertragen wurde. Schließlich erfolgt mit 8 bit eine Fehlerprüfung des Headers um dessen korrekte Übertragung zu garantieren.

Um ein Pico Netz aufzubauen muss dem Endgerät alle Teilnehmer bekannt sein, damit er sie über den Access Code ansprechen kann. Hierzu dient beim Bluetooth Standard ein sogenanntes Pairing. In dieser Prozedur sucht ein Endgerät mögliche Slaves und kann mit ihnen eine Verbindung aufnehmen. Durch Interaktion mit dem Benutzer kann dann ein peripheres Gerät mit dem Endgerät verbunden werden.

Bluetooth Anwendungen

1999 wurde ein erstes Headset mit Bluetooth vorgestellt. Bereits 2001 gab es das erste Mobiltelefon mit integrierten Bluetooth, natürlich ein Ericsson: T36. Zusammen mit dem Mobiltelefon erschien auch ein Headset das HBH-10. Gleichzeitig brachte IBM auch den ersten PC mit Bluetooth Interface auf den Markt.

Dennoch dauerte es ein paar Jahre bis sich Bluetooth als Anwendung durchsetzte. Allerdings wurde es sehr bald ein notwendiges Leistungsmerkmal eines hochwertigen Mobiltelefons. Man verbaute es mehr und mehr verbaut ohne dass es in gleicher Form einen Anstieg im Verkauf von Bluetooth Endgeräten wie Headsets gab. Bluetooth war dadurch ein „teures“ Leistungsmerkmal. Generell waren Bluetooth Headsets nicht sehr populär. Von größerer Bedeutung wurde Bluetooth später, um ein Mobiltelefon mit dem Auto und einer dort eingebauten Freisprecheinrichtung zu verbinden. Mitte der Nullerjahre begannen auch Jugendliche Bluetooth zu entdecken, allerdings mehr als Instrument um Daten untereinander auszutauschen.