Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth -...
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Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth
Alexander Blumenröther, Dr. Andreas Vedral
Warum nicht einfach einen Bluetooth Access Point in Form eines Consumer-Produktes für 30 Euro erwerben und diesen in industriellen Applikationen einsetzen? Bluetooth ist doch schließlich Bluetooth – oder gibt es doch Unterschiede zwischen Produkten für die Industrie und Heimanwendungen?
N ahezu jedes moderne Telekommu-
nikationsgerät weist für die An-
bindung von Geräten wie Tastatur, Maus
oder Headset heute eine Bluetooth-
Schnittstelle auf. Auch für industrielle
M2M-Anwendungen hat sich diese
Funktechnologie bereits bewährt – sie
punktet dabei vor allem in Anwendun-
gen, bei denen es auf besonders robuste,
deterministische Übertragungen mit
mittleren Datenraten ankommt. Hierzu
zählt neben der Übertragung zyklischer
Prozessdaten in der Sensor-Aktor-Ebe-
ne die drahtlose Erweiterung industriel-
ler Feldbusse. Studien und Praxisan-
wendungen haben unter Beweis gestellt,
dass eine industrielle Bluetooth-Verbin-
dung selbst zeitkritische und sicher-
heitsrelevante Protokolle wie beispiels-
weise Profi safe tragen kann.
Um das volle Potenzial und alle Vortei-
le dieser Technologie auszuschöpfen,
sind allerdings spezielle Implemen-
tierungen vonnöten, die die Geräte für
industrielle Zwecke optimieren. Bedeu-
tende Unterschiede zu den typischen Im-
plementierungen des Massenmarktes
bestehen hierbei vor allem bezüglich Ko-
existenz, Reichweite, Sicherheit, Robust-
heit, Zeitverhalten und Deterministik.
KoexistenzAufgrund der ohne Zutun des Anwen-
ders automatisch arbeitenden Koexis-
tenz-Mechanismen – der automatisch
nachgeführten Sendeleistung und des so
genannten Adaptive Frequency Hopping
(AFH) – gewährleistet die Bluetooth-
Technologie bereits ein hohes Maß an
Koexistenz. AFH heißt: Ab der Blue-
tooth-Version 1.2 sind Geräte in der
Lage, gestörte Frequenzen zu erkennen
und zu vermeiden, indem die betroffenen
der 79 verfügbaren Kanäle vom Fre-
quenzsprungmuster ausgeschlossen wer-
den. So ist beispielsweise störungsfreie
Koexistenz mit WLAN-Kanal 1 dadurch
zu gewährleisten, dass der AFH-Algo-
rithmus die korrespondierenden Kanäle
0 bis 24 als belegt erkennt und sperrt. (Bild
er: W
ago)
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Da beide Mechanismen auf Über-
wachung der Signalqualitätsparameter ei-
gener Übertragungen beruhen, sind ihrer
Wirksamkeit jedoch Grenzen gesetzt:
■ Die Mechanismen benötigen eine ge-
wisse Lernzeit, innerhalb der das Ge-
rät weiterhin mit höherer Leistung als
nötig oder auf von Fremdnetzen ver-
wendeten Frequenzen sendet.
■ Die Arbeitsweise des AFH setzt vo-
raus, dass die eigene Übertragung
durch das Fremdnetz gestört wird. Im
Umkehrschluss muss nicht erfüllt
sein, dass dies auch für Fremdüber-
tragungen in diesem Frequenzbereich
zutrifft, wenn die eigene Übertragung
ungestört ist.
■ Beide Mechanismen sind bei Inquiry
(Suche nach verbindbaren Geräten) und
Paging (Rufverfahren) außer Kraft.
Aufgrund dieser Einschränkungen
dürfen Bluetooth-Geräte beispielsweise
in der Automobilindustrie nur dann ein-
gesetzt werden, wenn sie zusätzliche
Maßnahmen zur Koexistenzverbesse-
rung implementieren:
Eine davon ist das Channel Blacklis-ting: Unter diesen Begriff fällt die Unter-
stützung einer benutzerspezifi schen Fre-
quenzmaske, das heißt die Möglichkeit,
erlaubte und verbotene Bereiche des ge-
nutzten Frequenzspektrums in Schritten
von 1 MHz frei defi nieren zu können. So
lässt sich im laufenden Betrieb eine In-
terferenz für die als verboten deklarier-
ten Bereiche ausschließen. Auf die ver-
bleibenden Frequenzbereiche ist optional
zusätzlich AFH anwendbar, sofern noch
mindestens 20 der 79 Kanäle verbleiben
(determistisches Frequenzmultiplex).
Eine weitere wichtige Maßnahme ist
das modifi zierte Inquiry. Das bedeutet:
Durch geeignete Parametrierung/Steue-
rung des Vorgangs ist das Störpotenzial
des Inquiry deutlich reduzierbar. So wird
durch Festlegung einer maximalen Dau-
er jedes Inquiry auch die Dauer einer
möglichen Störbeeinfl ussung limitiert.
In Verbindung mit der Möglichkeit zur
Festlegung eines zeitlichen Mindestab-
standes aufeinander folgender Inquiries
kann die potenzielle Störbeeinfl ussung
anderer Netze auf ein deterministisches
Maß begrenzt werden.
Ein dritter, wichtiger Aspekt ist die Be-grenzung der Sendeleistung. Während in
typischen Implementierungen ein Blue-
tooth-Gerät Inquiry und Paging mit fester,
oft maximaler Sendeleistung ausführt, er-
lauben bestimmte industrielle Geräte eine
benutzerdefi nierte Vorgabe der für Inquiry
Auch bei Verwendung von AFH ist störungsfreie Koexistenz nicht immer gewährleistet. Leistungsstarke fremde Sender (violett) werden anhand gestörter Bluetooth-Übertragungen (rot) rasch detektiert und die betroffenen Frequenzen durch AFH gemieden (rot transparent). Sendet dagegen beispielsweise ein WLAN-System (grün) mit geringerer Sendeleistung, so werden die Bluetooth-Übertragungen nicht beeinträchtigt (blau) und AFH spricht nicht an. Hierdurch können WLAN-Übertragungen gestört werden (gelb), so dass Daten erneut gesendet werden müssen (siehe linkes Bild). Abhilfe schaffen industrielle Blue-tooth-Systeme mit Channel Blacklisting (hellblau unterlegt, siehe rechtes Bild).
Moderne Technologien erlauben die Ablösung von Schleifringen oder Schleppkabeln durch robuste Funkverbindungen. Eine häufi ge Frage stellung ist hierbei die Auswahl der für die jeweilige Anwendung am besten geeigne-ten Technologie.Anwendungen, bei denen hohe, variable Datenmengen seitens jedes Funkteilnehmers anfallen und welche nahtlos in ein ethernet-basiertes Firmennetz integriert werden müssen, sind das Einsatzfeld von WLAN nach IEEE 802.11. Entsprechende Geräte können in der Regel auf eine Netzversorgung zurück-greifen.
Technologien nach IEEE 802.15.4, wie bei-spielsweise ZigBee oder WirelessHART, sind ideal geeignet für Anwendungen, in denen zahlreiche batteriegestützte Teilnehmer kleine Datenmengen austauschen.Für Anwendungen, in denen nur sporadisch kleinste Datenmengen auszutauschen sind, erlaubt die EnOcean-Technologie den Verzicht auf Batterie und Netzversorgung. Die Bluetooth-Technologie nach IEEE 802.15.1 bietet einen für die meisten Anwendungen guten Kompromiss aus dem Energiebedarf auf der einen und typischen Leistungsparametern wie der Datenrate auf der anderen Seite.
Welche Funktechnologie für welche Anwendung?
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und Paging verwendeten Leistung sowie
die Begrenzung des Leistungsregelbereichs
für den laufenden Betrieb. Auf diese Weise
kann der Anwender implizit die Reichwei-
te des Senders und somit auch die maximal
zu erwartende Interferenz auf ein determi-
nistisches Maß begrenzen (determistisches
Raummultiplex).
ReichweiteDa viele handelsübliche Geräte nur ge-
ringe Reichweiten erzielen, wird Blue-
tooth fälschlicherweise oft zugeschrie-
ben, nur geringe Distanzen überbrücken
zu können. Die erzielbare Reichweite
ist allerdings primär eine Eigenschaft
der jeweiligen Implementierung, nicht
der Technologie selbst!
In industriellen Anwendungen sind
nicht selten hohe Reichweiten ge-
wünscht beziehungsweise es wird ge-
fordert, dass die Funkverbindung auch
bei schwankender Distanz oder sich
zwischen die Teilnehmer schiebenden
Objekten aufrecht erhalten wird. Ent-
sprechende Geräte verwenden daher
Sender, welche durch entsprechende
Verstärker die Sendeleistungsklasse 1 –
mindestens 1 mW (0 dBm), maximal
100 mW (20 dBm) – erreichen. Auch
werden empfangsseitig rauscharme Ver-
stärker eingesetzt, welche die Eingangs-
empfi ndlichkeit des Empfängers bedeu-
tend verbessern. Mit entsprechend
optimierten Designs können industrielle
Bluetooth-Geräte auf diese Weise im
Freifeld Distanzen im Kilometerbereich
überbrücken.
Neben der Sendeleistung und Emp-
fangsempfi ndlichkeit spielt das Anten-
nendesign eine wichtige Rolle. Während
die Bluetooth-Hardware selbst auf sehr
kleiner Fläche integrierbar ist, gilt dies
nicht für hochwertige Antennen, da die
Geometrie der Antenne maßgeblich von
der Wellenlänge des genutzten Frequenz-
bereichs defi niert wird. Um große Distan-
zen überbrücken zu können oder best-
mögliche Netzabdeckung zu erreichen,
bieten entsprechende industrielle Geräte
daher einen externen Antennenanschluss.
Auf diese Weise kann die für die Anwen-
dung am besten geeignete Antenne –
Richtstrahler, Rundstrahler oder Sektor-
antenne – zum Einsatz kommen. Zudem
ermöglicht dies eine Unterbringung von
Geräten im geschützten Schaltschrank.
Während eine interne Antenne hier nur
noch sehr schlechte Ergebnisse erzielen
könnte, lässt sich die externe Antenne in
günstiger Position platzieren – beispiels-
weise auf der Oberseite des Schalt-
schranks montiert oder über ein Verlänge-
rungskabel auch außerhalb des Gebäudes
für eine gute Verbindung mit im Freien
befi ndlichen Kommunikationspartnern.
SicherheitIndustrielle Bluetooth-Implementierun-
gen setzen häufi g den Non-Discoverable-
Mode (Gerät antwortet nicht auf Suchan-
Reichweite einer Bluetooth-VerbindungGerät des Massenmarkts (z.B. drahtlose Maus), Klasse 2
Industrielles „long range“ Gerät (z.B. Wago 750-644), Klasse 1
Sendeausgangsleistung –4 dBm +20 dBm
Eingangsempfi ndlichkeit –76 dBm –90 dBmAnpassungsverluste, Antennengewinne
–6 dB 0 dB
Resultierendes Link- Budget, 10 dB Reserve
56 dB 100 dB
Reichweite (Freifeld) 6 m 955 m
Hinsichtlich des Link-Budgets, welches maßgeblich für die erzielbare Reichweite ist, lässt die Bluetooth-Spezifi kation einen sehr großen Spielraum. Da höhere Empfangsempfi ndlichkeit oder Sendeleistung mit höherem Stromverbrauch und höheren Kosten einhergehen, sind diese für die Mehrzahl handelsüblicher Geräte im unteren Bereich angesiedelt.
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fragen) ein. Ihre Existenz lässt sich daher
nur bei aktivem Datenaustausch und dann
auch nur mit hochwertigen Messgeräten
feststellen. Selbst wenn der Angreifer sich
in Reichweite eines ihm bekannten Netz-
werks befi ndet, gilt dieses nach heutigem
Kenntnisstand dennoch als unangreifbar,
sofern es von den durch die Bluetooth-
Technologie angebotenen Sicherheitsme-
chanismen Gebrauch macht. Industrielle
Bluetooth-Geräte sind daher beispiels-
weise ab Werk so voreingestellt, dass sie
den Sicherheitsanforderungen, beispiels-
weise von Profi safe, genügen; das heißt,
sie verwenden den Sicherheitsmodus 3
(Sicherung auf Verbindungsebene) bei ak-
tivierter Verschlüsselung und empfehlen
dem Anwender die Verwendung eines si-
cheren PIN-Codes in voller Länge (bis zu
16 Zeichen möglich).
Für die Hardware-Architektur eines Bluetooth-Geräts bestehen zwei
Grund varianten. Während für die Variante „system on chip“ (links im
Bild) die Zulassung oft kostenfrei von einer Basiszulassung abgeleitet
werden kann, muss ein Gerät der anderen Architektur die Konformität
in der Regel durch entsprechende Laborprüfungen belegen. In diesem
Sinne wird die höhere Performanz und Flexibilität eines Zwei-Komponenten-
Designs mit höheren Kosten und längerer Entwicklungszeit erkauft.
Der Bluetooth-Standard in den Versionen 1.2 bis 2.1 hat sich bereits als ausgezeichnete Basis für die Implementierung industrieller Funksysteme erwiesen. Im vergangenen Jahr hat die Bluetooth Special Interest Group mit den Versionen 3.0 und 4.0 wesentliche Erweiterungen am Standard vorgenommen. Ab Version 3.0 können Bluetooth-Geräte für höhere Datenraten von bis zu 24 Mbit/s temporär eine alternative physikalische Schicht (AMP – Alternate Physical and MAC layer) nach IEEE 802.11 aktivieren. Mit
Version 4.0 wurde dem Standard eine Spezi-fi kation für Betrieb mit besonders niedrigem Stromverbrauch (Low Energy – kurz LE) hinzugefügt, der von Bluetooth-Geräten als alleinige (single-mode) oder zusätzliche Betriebsart (dual-mode) unterstützt werden kann. Single-Mode Bluetooth-LE-Geräte lassen sich jahrelang von der Energie einer Knopfzelle betreiben, womit sich nun Appli-kationen bedienen lassen, die bislang eher Technologien nach IEEE 802.15.4 (ZigBee, WirelesssHART) vorbehalten waren.
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RobustheitDer Funkkanal im ISM-Band von 2,402
bis 2,480 GHz ist in realen Umgebungen
stets in gewissem Maß zeitvariant fre-
quenzselektiv. Auch ohne besondere Mo-
difi kation zeigt sich die Datenübertragung
mittels Bluetooth als extrem robust, was
überwiegend dem verwendeten Frequen-
cy Hopping Spread Spectrum (FHSS;
System wechselt nach einem pseudozu-
fälligen Muster bis zu 1600 Mal je Sekun-
de den Übertragungskanal) zu verdanken
ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass
auch in Umgebungen mit vielen aktiven
Störern und bewegten Objekten das Zu-
sammentreffen einer Störung mit der
Übertragung eines Pakets auf einem der
1 MHz breiten Kanäle nur selten eintritt
– und dann in der Regel auch nur dieses
eine Paket betrifft. Da verlorene Pakete im
Bluetooth-Basisband automatisch erneut
gesendet werden können, ist im Daten-
strom einer Ende-zu-Ende-Übertragung
lediglich mit einem kurzzeitigen Abfall
der Datenrate zu rechnen.
Um die Robustheit noch weiter zu stei-
gern, schränken bestimmte Komponen-
ten die Auswahl der im Bluetooth-Basis-
band verwendeten Pakettypen ein.
Dadurch kann die Modulation auf robus-
te GFSK (Gaussian Frequency Shift
Keying) und die Länge der Paketübertra-
gungen beschränkt werden. Ebenso lässt
sich sicherstellen, dass ausschließlich
Pakettypen inklusive fehlerkorrigieren-
dem Code zum Einsatz kommen, wo-
durch auch bei Eintreten von Störungen
mit hoher Wahrscheinlichkeit die Daten
restaurierbar sind und eine erneute Über-
tragung nicht nötig ist.
ZeitverhaltenZwar bietet das Bluetooth-Basisband
aufgrund der festen Zeitscheibenstruk-
tur bereits eine ausgezeichnete determi-
nistische Zeitbasis. Damit dies jedoch
auch für Ende-zu-Ende-Übertragungen
höherer Protokollschichten gilt, ist eine
dahingehend optimierte Hardware- und
Software-Architektur zu wählen.
Viele Applikationen des Consumer-
marktes werden unmittelbar als „system
on chip“ realisiert. Das heißt, es kommen
Chips zum Einsatz, die als Firmware be-
reits ein vollständiges Bluetooth-Anwen-
dungsprofi l wie beispielsweise PAN oder
SPP enthalten. Die gerätespezifi sche Ap-
plikation kann somit auf eine sehr kom-
fortable Schnittstelle zurückgreifen.
Ausgeführt wird diese innerhalb einer
virtuellen Maschine ebenfalls unmittel-
bar auf demselben Chip. Dies erlaubt
zwar sehr kurze Entwicklungszeiten für
Geräte für Standardanwendungen; ein
optimales Zeitverhalten ist mit diesem
Ansatz jedoch nicht zu erreichen.
Industrielle Designs teilen das Blue-
tooth-System dagegen oft in einen Host-
Controller (typischerweise ein leistungs-
starker ARM9-Controller) und einen
Basisband-Controller (beispielsweise ein
CSR BlueCore04). Letzterer wird in die-
sen Designs mit einer schlanken Firm-
ware betrieben, die lediglich die Kern-
protokolle und Treiber für die Abbildung
des sogenannten Host-Controller-Inter-
face (kurz: HCI) auf die physikalische
Schnittstelle zum Host – USB oder
UART – implementiert. Entsprechende
Module werden auf dem Markt als „HCI-
Module“ gehandelt.
Auf Seite des Host-Controllers wer-
den alle höheren Schichten des Blue-
tooth-Protokollstacks implementiert.
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist
anstelle eines schlüsselfertigen Stan-
Consumergeräte beschränken optische Anzeigen oft auf eine einzelne LED, die wenig Rückschlüsse auf den Zustand erlaubt. Industrielle Systeme bieten dagegen oft mehrere Anzeige-Elemente zur Diagnose vor Ort. Hier im Beispiel ein Bluetooth-Piconet, bestehend aus einem Master und bis zu sieben aktiven Slaves. Abhängig von der eingestellten Rolle im Piconet (Master oder Slave) visualisieren die Geräte die jeweils wich-tigsten Statusinformationen über acht mehrfarbige LEDs. Der Master (links im Bild) zeigt neben seinem eigenen Status (LED 1) auch den Verbindungsstatus zu allen projektierten Slave-Geräten.
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Alexander Blumenröther
arbeitet als Ent-wicklungsingenieur bei Wago Kontakt -technik.
Dr. Andreas Vedral
ist Leiter der Ent-wicklungsabteilung bei Wago Kontakt-technik.
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der Bluetooth-Kernprotokolle ein pro-
prietärer Stack zu realisieren, der durch
geeignete Kontrollmechanismen (Traf-
fi c Shaping, Timeouts) deterministische
Durchlaufzeiten gewährleistet. Ebenso
darf sich die Implementierung der host-
seitigen L2CAP-Schicht nicht auf den
wenig deterministischen QoS-Typ „best
effort“ beschränken; eine vollwertige
Implementierung des QoS-Typs „guar-
anteed“ erlaubt den höheren Schichten
eine umfassende Kontrolle des Daten-
fl usses über die unteren Schichten bis
zum Basisband-Controller. Nicht zu-
letzt ist auch dieser geeignet zu para-
metrieren: Durch geschickte Wahl von
Puffergrößen und Sendekontingenten
werden Host- und Basisband-Controller
sowohl dem Datenaufkommen der An-
wendung als auch der Physik des HCI
angepasst.
Deterministik und DiagnoseNahezu alle Anpassungen, die Industrial
Bluetooth ausmachen, lassen sich unter
dem Überbegriff „deterministisches Ver-
halten“ zusammenfassen. Dies beinhaltet
genaue Vorhersagbarkeit von Zeitverhal-
ten, Erreichbarkeit und Datenrate. Unab-
hängig von der genauen Implementierung
eines Systems können jedoch grundsätz-
lich immer unvorhersagbare Ereignisse
eintreten, die eine Abweichung vom regu-
lären Betrieb erzwingen und den Daten-
austausch beeinträchtigen beziehungs-
weise abreißen lassen – beispielsweise
aufgrund eines Stromausfalles.
Während Ereignisse wie der Verlust
der Verbindung zur Gegenseite in Im-
plementierungen des Massenmarkts
teils erst nach mehreren Sekunden zur
Anzeige gebracht werden, zeichnen sich
industrielle Lösungen durch kontinuier-
liche Verbindungsüberwachung und
rasche, differenzierte Diagnose im
Fehlerfall aus. Anhand einer Diagnose-
meldung kann die übergeordnete Steue-
rung geeignet reagieren – beispielswei-
se indem das System FailSafe- oder
FailSoft-Prozeduren ausführt. Dies ist
insbesondere bei Anwendungen wich-
tig, in denen eine späte oder ausbleiben-
de Diagnose schwere Folgen für Mensch
und Mate rial haben würde, wie etwa bei
der Fernsteuerung von Kransystemen.
Aus diesem Grund betreiben solche
Geräte einen Verbindungsmonitor, der
auch dann fortlaufend die Verbin-
dung mit Kontroll über tragungen testet
und einen eingetretenen Verbindungs-
abriss in Sek undenbruch teilen feststel-
len kann, wenn keine Nutzdaten zu
übertragen sind. gh
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