Mehrpfad-Funkkommunikation Bluetooth für Internet-of-Things-Anwendungen nutzen

Autor / Redakteur: Martin Woolley * / Michael Eckstein

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Viele Wege führen zum Ziel: Mehrpfad-Zustellung mit Hilfe von Relais.
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(Bild: Bluetooth SIG)

Schnell, sicher, ohne Informationsverluste: Die Anforderungen an Datenübertragungen sind klar. Auf den ersten Blick erfüllen analoge Funksignale sie nicht so gut. Trotzdem funktioniert Bluetooth auf dieser Basis – auch in industriellen Einsatzbereichen. Der Grund dafür ist eine intelligent abgestimmte Kaskade von Technologien. Sie gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit bei geringem Installations- und Energieaufwand.

Damit Funkkommunikation zuverlässig funktioniert, müssen vier Probleme gelöst werden. Erstens: Es können Kollisionen auftreten, wenn zwei zeitlich und örtlich überschneidende Übertragungen aufeinander treffen und sich gegenseitig stören. Die digitalen Datenbits werden für die Übertragung in analoge Symbole umgewandelt und nacheinander auf dem ausgewählten Funkkanal gesendet. Die Symbolrate bestimmt, wie kurz die Umschaltzeit von einem Symbol zum nächsten ist. Mit der Dauer der Übertragung steigt die Wahrscheinlichkeit einer Kollision.

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Zweitens: Funksignale können wie Licht von Oberflächen reflektiert oder beim Durchgang durch Objekte gebrochen werden. In Kommunikationssystemen kann ein Signal einen Empfänger daher mehrmals aus unterschiedlichen Richtungen erreichen. Kopien eines Signals, die einen anderen Weg genommen haben, kommen dann zu leicht unterschiedlichen Zeiten beim Empfänger an. Diese Laufzeitdispersion verursacht unter Umständen eine Intersymbolinterferenz (ISI).

Signalstärke und Frequenzspektrum

Drittens: Die Signalstärke. Sie kann nicht nur zu schwach ausfallen, sondern auch zu stark. Dann übersättigt das Signal einen Funkempfänger. Die Folge: Fehler beim Versuch, das empfangene Signal zu dekodieren. Je schwächer ein Signal ist, desto näher kommt sein Pegel an das Hintergrundrauschen heran.

Dann kann die im übertragenen Signal enthaltene Information nicht mehr fehlerfrei dekodiert werden. Viertens: Verschiedene Funktechniken nutzen den gleichen Teil des Frequenzspektrums. So verwenden beispielsweise Bluetooth, WLAN oder Technologien mit dem IEEE 802.15.4-Standard alle das 2,4-GHz-ISM-Band. Dann kann schnell ein Koexistenz-Problem entstehen: Ohne geeignete Abhilfemaßnahmen stört eine Technik die andere. Wenn dagegen ein einziges Gerät zwei oder mehr Funktechniken unterstützt, spricht man von Kollokation. Hier können sich die Frequenzen gegenseitig überlagern.

Die Bluetooth-Kommunikation funktioniert trotz dieser potenziellen Schwierigkeiten sehr gut. Das liegt am Design des Bluetooth-Kommunikationssystems und daran, wie es Funksignale und Protokolle verwendet. Entscheidend für die Zuverlässigkeit ist, wie genau sich Funksignale als Träger für digitale Daten nutzen lassen. Im Bluetooth-Stack ist hierfür der Physical Layer (PHY) zuständig.

Hohe Zahl von Funkkanälen im eingesetzten Spektrum

Die Datenkommunikation über Bluetooth Low Energy (LE) verwendet nicht einen Funkkanal, sondern 40. Das macht die Bluetooth-Kommunikation auch in stark frequentierten Funkumgebungen zuverlässig, in denen Kollisionen und Interferenzen wahrscheinlich sind. Das von Bluetooth verwendete 2,4-GHz-ISM-Übertragungsband umfasst den Frequenzbereich zwischen 2400 MHz und 2483,5 MHz.

Für Bluetooth LE ist dieser Frequenzbereich in diese 40 Kanäle unterteilt, die jeweils 2 MHz breit sind. Bei Bluetooth BR/EDR wird er in 80 Kanäle mit 1 MHz Breite aufgeteilt. Jeder Kanal ist nummeriert, beginnend bei Kanal Null. Er hat eine Mittenfrequenz von 2402 MHz. Zwischen der untersten Frequenz, die den Kanal Null begrenzt, und dem Beginn des 2,4-GHz-ISM-Bands bleibt so eine Lücke von 1 MHz. Kanal 39 hat eine Mittenfrequenz von 2480 MHz und lässt damit eine Lücke von 2,5 MHz bis zum Ende des 2,4-GHz-ISM-Bands.

Spezielle Techniken verringern Kollisionsgefahr

Bluetooth mindert das Risiko von Kollisionen mithilfe von Spreizspektrumtechniken. Wenn zwei Geräte miteinander verbunden sind, wird eine spezielle Technik namens „Adaptive Frequency Hopping“ (AFH) verwendet. Ein Algorithmus wählt einen Funkkanal aus der Menge der verfügbaren Kanäle aus. Jedes Gerät in der Verbindung wechselt dann auf den ausgewählten Kanal. Im Laufe der Zeit findet die Kommunikation über einen häufig wechselnden Satz verschiedener Kanäle statt, die über das 2,4-GHz-Band verteilt sind. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen deutlich reduziert.

In bestimmten Umgebungen funktionieren einige Bluetooth-Funkkanäle möglicherweise etwa aufgrund von Interferenzen schlechter als andere Kanäle. Die Liste der zuverlässigen und unzuverlässigen Kanäle kann sich dabei mit der Zeit verändern, wenn andere drahtlose Kommunikationsgeräte hinzukommen oder verschwinden. Das primäre Gerät in einer Verbindung besitzt eine Kanalkarte, die jeden gut funktionierenden Kanal als genutzt oder ungenutzt klassifiziert. Diese Kanalkarte wird mit dem zweiten Gerät unter Verwendung eines Link-Layer-Verfahrens ausgetauscht. Dann verfügen beide über die gleichen Informationen.

Wenn ein Gerät erkennt, dass sich die Zuverlässigkeit positiv oder negativ verändert hat, aktualisiert es die Kanalkarte. Durch das Teilen dieser Aktualisierungen mit dem zweiten Gerät stellt Bluetooth sicher, dass immer die optimalen Kanäle zum Einsatz kommen.

Routinierte Prüfung auf Übertragungsfehler

Alle Bluetooth-Pakete enthalten zudem am oder kurz vor ihrem Ende ein Feld für die zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check, CRC). Das ist ein gängiges Verfahren, um unbeabsichtigte Übertragungsfehler, etwa aufgrund von Kollisionen, zu erkennen. Wenn ein neues Paket zusammengestellt wird, wird im Link Layer ein CRC-Wert errechnet und ihm hinzugefügt. Der Link Layer im Empfangsgerät berechnet den CRC-Wert ebenfalls und vergleicht das Ergebnis mit dem im Paket enthaltenen Wert. Liegt keine Übereinstimmung vor, wird das Paket verworfen.

Für die Nutzung der Funksignale bietet Bluetooth LE drei Alternativen, die Teil des Physical Layers sind: LE 1M (Symbolrate 1 Msym/s), LE 2M (Symbolrate 2 Msym/s) und LE Coded (Symbolrate 1 Msym/s mit Vorwärtsfehlerkorrektur). Der LE Coded PHY erhöht die Empfindlichkeit des Empfängers. Damit wird eine Bitfehlerrate von 0,1 % erst dann erreicht, wenn sich der Empfänger in einem größeren Abstand zum Sender befindet, als dies beim LE 1M PHY der Fall wäre. LE Coded PHY kommt mit einem Parameter namens S zum Einsatz, der entweder auf 2 oder 8 eingestellt ist.

Bei S=2 verdoppelt LE Coded in etwa den Bereich, über den die Kommunikation zuverlässig verläuft. Bei S=8 erhöht sich die Reichweite ungefähr um das Vierfache. LE Coded PHY erreicht zuverlässige Kommunikation bei größeren Entfernungen nicht durch eine höhere Übertragungsleistung, sondern die Aufnahme zusätzlicher Daten in jedes Paket. So lassen sich Fehler erkennen und mit Hilfe der Vorwärtsfehlerkorrektur beseitigen. Die erhöhte Reichweite ist jedoch mit einer Verringerung der Datenrate verbunden, wobei S=2 noch 500 Kb/s und S=8 noch 125 Kb/s bereitstellt.

Zuverlässigkeit in industriellen Mesh-Netzwerken

Bluetooth LE bietet die schnellste Funkverbindung der drahtlosen Low-Power-Kommunikationstechnologien mit einer Bluetooth-Mesh-Symbolrate von 1 Msym/s. Bluetooth-Pakete sind damit typischerweise halb so groß und viermal schneller als bei anderen drahtlosen Low-Power-Mesh-Netzwerktechnologien. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen deutlich reduziert.

Ein TTL-Feld ermöglicht es außerdem, die Anzahl der Weiterleitung einer Nachricht zu steuern, so dass die Frequenznutzung auf relevante Teile des Netzwerks beschränkt wird.Mit Bluetooth ist eine äußerst zuverlässige Kommunikation auch unter schwierigen Bedingungen möglich. Denn das System wurde entwickelt, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus haben Designer und Entwickler zahlreiche Optionen, die Zuverlässigkeit ihrer Produkte und Anwendungen weiter zu optimieren.

* * Martin Woolley ... ist Senior Developer Relations Manager der Bluetooth Special Interest Group.

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