Privatfunk

Bluetooth wurde eigens für die Kopplung von von PC, Modem, PDA und Co. entwickelt, um mit dem Kabelwirrwarr aufzuräumen. Obendrein holt der Nahbereichsfunk auch mobile Geräte wie Handys oder MP3-Player ins Netz.

Kabellos-Techniken räumen dagegen mit dem Draht-Spaghetti wirklich auf. Bislang gibt es Drahtlosspezifikationen für Netzwerke - etwa den IEEE-Standard 802.11 -- und mit der Digital Enhanced Cordless Telecommunication auch für ISDN- und Peripheriegeräte. Das Infrarot-Verfahren IrDA verbindet Peripheriegeräte ebenfalls ohne Kabel. Doch IrDA-Geräte müssen aufeinander ausgerichtet sein, um miteinander kommunizieren zu können. Audio-Signale für Kopfhörer, Lauptsprecher oder auch Video-Signale zwischen Video-Player und TV-Gerät werden gar mittels veralteter Analogtechnik übertragen.

Erst die Nahbereichsfunktechnik Bluetooth, im Weiteren kurz BT genannt, verspricht eine umfassende Lösung für den Drahtlosanschluss von Peripheriegeräten zu werden. In puncto Vernetzung von mobilen Geräten wie Handys, Freisprecheinrichtungen oder Digitalkameras liefert BT den ersten Ansatz überhaupt, Kabel durch Funk zu ersetzen.

Die Bluetooth-Geschichte begann Anfang 1998, als sich fünf Unternehmen zu einer Partnerschaft zusammenschlossen und die Bluetooth Special Interest Group, SIG, mit der Absicht gründeten, die für PC-Neulinge verwirrende Vielzahl von Peripherieschnittstellen durch eine einzige zu ersetzen. Mittlerweile zählt die Liste der SIG-Mitglieder mehr als 2000 Unternehmen.

Ericsson und Nokia steuerten ihre Kenntnisse aus dem Funkbereich bei, Toshiba und IBM brachten Erfahrungen aus dem Mobile Computing ein, und Intel ließ Know-how aus der Chip-Fertigung und Software-Entwicklung einfließen. Auf den Namen Bluetooth kam eine Gruppe von Intel- und Ericsson-Ingenieuren, Fans von Harald Blauzahn, der von 940 bis 985 in Dänemark König war und das Land einte. Eine ähnlich nahtlose Integration soll nun BT in der Welt der Peripheriegeräte leisten.

Der vielleicht wichtigste Vorteil gegenüber IrDA ist, dass BT-Geräte ohne direkten Sichtkontakt miteinander kommunizieren können; mehr noch, BT-Funkwellen durchdringen Aktentaschen, Schubladen und auch Wände. Mit BT kann eine Digitalkamera ihre Fotos zur Bearbeitung oder Archivierung zum PC schicken oder ein Organizer dem Handy eine Nummer übermitteln und einen Anruf einleiten, und PCs können über ISDN-Adapter oder Modems drahtlos ins Internet.

Andere Szenarios für BT-Anwendungen liegen weiter in der Zukunft. So sind zurzeit erste drahtlose MP3-Player in Arbeit, die ihre Audio-Signale schnurlos zu Stereo-Kopfhörern oder Lautsprechern übermitteln. Auch ist vorstellbar, dass man am Flughafen Tickets an Funk-Terminals mit einem Organizer ordert und bezahlt -- das Terminal würde die Identität prüfen, das "Ticket in den Organizer stecken" und den passenden Geldbetrag von der Kreditkarte abbuchen.

Drahtlos bezahlen

Die Aussichten sind vielversprechend. Die BT-Entwickler haben sich von vornherein vorgenommen, BT-Module platzsparend und preisgünstig zu konzipieren - schließlich soll BT mit sehr weit verbreiteten und daher billigen Bausteinen für die herkömmlichen Schnittstellen konkurrieren können.

Auf Seiten der Betriebssysteme hat Bluetooth mittlerweile auf breiter Front Fuß gefaßt. Apple und die Linux-Gemeinde spielten im letzten Jahr die Vorreiter und Microsoft folgt alsbald. MacOS-X- und Linux-Rechner "sprechen" schon von Haus aus Bluetooth; Hersteller von Bluetooth-Erweiterungen müssen für diese beiden Betriebssysteme keine Bluetooth-Treiber entwickeln. Es genügt, einen der verbreiteten Bluetooth-Adapter am USB-Port einzustecken -- die gibts schon ab 40 Euro -- und schon kann zum Beispiel ein Mac drahtlos mit dem Palm-PDA hotsyncen oder ein Linux-PC schnurlos über einen ISDN-Adapter ins Internet. Windows-XP-PCs mit Service Pack 1 lassen sich immerhin mit Microsofts eigener Bluetooth-Software nachrüsten und ab Service Pack 2 dürfte Bluetooth standardmäßig zum Funktionsumfang von Windows XP gehören.

Im PDA-Markt gibt es neben Palm-Geräten eine Reihe von Pocket-PC-Organizern, die Bluetooth mitbringen. Andere lassen sich über spezielle Erweiterungs-Module wie SDIO- oder CompactFlash-Karten nachrüsten.

Von den Notebook-Herstellern gibt es wenig zu berichten. berichten. Toshiba, IBM, Sony, Apple und andere haben den Nahfunk bereits an Board, doch die meisten Notebooks spielen erst mittels der genannten Nachrüstmodule im Bluetooth-Konzert mit. Drucker-Hersteller haben sich lange Zeit zurückgehalten, einzig HP und Canon haben einige wenige Modelle auf den Markt gebracht. Immerhin gibt es aber eine kleine Auswahl an Parallel-Port-Adaptern, mit denen sich beliebige Drucker "verschnurlosen" lassen. Ähnlich begann die Bluetooth-Entwicklung auch im Handy-Bereich.

Privatfunk, Teil 2

Der Bluetooth-Standard

Geräte mit eher unzulänglichen Bluetooth-Behelfslösungen wurden mittlerweile von vielseitigen Handys abgelöst, die den Kurzstreckenfunk nahtlos integriert haben. Sie gewähren Laptops oder PDAs drahtlosen Zugriff auf ihr eingebautes GSM-Modem für mobilen Internet-Zugriff, können schnurlos mit PCs synchronisieren und Visitenkarten oder Termine untereinander austauschen.

Andere Techniken, etwa DECT im ISDN Bereich oder WLAN bei der Vernetzung haben zwar ihre Stärken in bestimmten Bereichen, so wie Bluetooth konnten sie sich aber nicht auf breiter Front durchsetzen. Die BT-Spezifikation beschreibt Kurzstreckenverbindungen, die mobile und stationäre abhörgesicherte Verbindungen ad hoc aufbauen kann. Nach anfänglichen Schwierigkeiten lieferte die Chip-Industrie schon recht kleine Bausteine, die auf wenigen Quadrat-Centimetern die gesamte Logik enthielten und die Miniaturisierung schreitet weiter fort.

Allein aufgrund der Größe eignen sich BT-Chips also schon recht gut als Ersatz für andere Peripherie-Schnittstellen. Bei näherem Hinsehen fällt auf, dass BT in vielen Bereichen ökonomisch ausgelegt ist. Beispielsweise liegt die verwendete Funkfrequenz im lizenzfreien 2,4-GHz-Band, das ursprünglich weltweit für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke zur Verfügung gestellt wurde; daher der aus dem Englischen abgeleitete Name ISM (Industry Science Medicine). Zur Verfügung stehen von 2402 bis 2480 MHz jeweils 79 Kanäle (Träger) von je 1 MHz Breite (Ausnahmen sind Frankreich, Spanien und Japan, wo BT wegen eines schmaleren Bandes nur 23 Kanäle nutzen kann).

Anders als DECT oder WLAN, deren maximale Sendeleistung mit 300 mW spezifiziert ist, gibt es bei Bluetooth drei Klassen mit maximalen Sendeleistungen von 1 mW, 10 mW und 100 mW. Je nach Funkklasse sind die Geräte also für maximale Reichweiten von 10 Metern, 50 Metern und 100 Metern ausgelegt.

Den Herstellern ist zwar freigestellt, welche Funk-Klasse sie implementieren wollen, doch vom Anwendungsprofil kann man in der Regel auf die Funk-Klasse rückschließen. Geräte, die ihren Energiebedarf über Akkus decken, also Tastatur oder Maus sowie mobile Geräte wie Handys, PDAs oder auch MP3-Player, sind in der Regel mit der genügsamsten Variante mit 1 mW Sendeleistung ausgestattet (Klasse 3) und gehören zu den "Zimmerfunkern", die bis zu 10 Meter überbrücken.

Ortsgebundene Geräte mit stationärer Stromversorgung über die Steckdose, zum Beispiel Drucker, Modems, ISDN-Adapter, LAN-Access-Points bekommen entweder die 10- oder die 100-Milliwatt-Version (Klasse 2 und 1). Aber auch Laptops mit ihren leistungsfähigen Akkus können Klasse-1-Funker sein und so zum Beispiel aus einem anderen Zimmer oder aus dem Garten mit einem Klasse-1-ISDN-Adapter kommunizieren um etwa schnurlose Internet-Verbindungen aufzubauen.

BT-Pakete können bis zu 2745 Bytes an Nutzlast transportieren, aber auch Fahrten ohne Nutzlast sind möglich.

Der BT-Transceiver liefert in beiden Richtungen eine Datenbandbreite von 1 MBit/s; das Protokoll Time Division Duplex ermöglicht es jedem der beiden Funkpartner 1 MBit/s zu senden und zu empfangen (sog. Vollduplex). BT-Technik kann anstatt einer ganzen Reihe von proprietären Kabelverbindungen eingesetzt werden. Aber neben der Abschaffung der Kabel durch Funkverbindungen bietet BT eine universelle Brücke zu Datennetzen und einen Mechanismus, mit dem sich kleine private Gruppen von Geräten ad hoc vernetzen lassen, unabhängig von herkömmlichen Netzwerken.

Entwickelt für stark gestörte Funkumgebungen, wechselt BT die zur Verfügung stehenden Funkkanäle, um robuste Verbindungen bieten zu können (Frequency Hopping, Kanalhüpfen). Das Frequency Hopping erfolgt bei BT schnell (1600-mal pro Sekunde). Jedes Mal wenn ein Paket gesendet oder empfangen wurde, wechseln die beteiligten Funkmodule die Kanalfrequenz um Interferenzen mit anderen Funksignalen zu vermeiden. Verglichen mit anderen Systemen, die im ISM-Band funken (etwa Drahtlosnetze gemäß IEEE 802.11, aber auch Mikrowellenöfen), `hüpft´ BT schneller, und die Pakete sind kleiner.

Letzteres erhöht zwar den Anteil der Verwaltung gegenüber den Nettodaten, doch ist das bei stark gestörter Funkumgebung, in der zerstörte Pakete erneut gesendet werden müssen, ökonomischer - je kleiner die Pakete, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass sie gerade in dem Moment gesendet werden, wenn keine Funkstörungen auftreten. Doch Frequency Hopping allein genügt noch nicht. Die so genannte Vorwärtsfehlerkorrektur soll zum Beispiel Paket-Header grundsätzlich vor Zerstörung schützen (Forward Error Correction, FEC). Daneben wird auch CRC eingesetzt (Cyclic Redundancy Check). Da die FEC einigen Raum im Paket beansprucht sowie den Verwaltungsaufwand erhöht und dadurch den Durchsatz senkt, dient sie dem Schutz der Nutzlast des Pakets nur dann, wenn der Funkraum stark gestört ist.

Interessant ist das Angebot an verschiedenen BT-Übertragungskanälen, die sich auf dieser Basis aufbauen lassen. So berücksichtigt die Spezifikation sowohl synchrone Anwendungen wie die Sprachübertragung als auch asynchrone für die verschiedenen Varianten der Datenübertragung.

Aufgereiht: Piconetze im Mono-Slave- und Multi-Slave- sowie im Scatter-Netz-Modus.

CVSD haben die BT-Entwickler wegen des robusten Verhaltens bei stark gestörter Funkumgebung gewählt. Da Sprachpakete zeitgebunden gesendet werden müssen, sind im Fehlerfall keine Sendewiederholungen möglich - das würde zu unnatürlichen und erzwungenen Gesprächspausen führen. Bei CVSD führen zunehmend stärkere Störeinflüsse nur zu einem höheren Hintergrundrauschen. Experten bescheinigen CVSD sogar bis zu einer Bitfehlerrate von vier Prozent noch recht gute Verständlichkeit; im ISDN liegen die Bitfehlerraten unter dem Promille-Bereich.

Den asynchronen Datenkanal gibt es in zwei Varianten. In der asymmetrischen Ausführung liefert er in der einen Richtung bis zu 723 kBit/s und in der anderen 57,6 kBit/s. Beispielanwendungen für diesen Kanal sind Fernsteuerung oder Surfen - beim Datenversand benötigt der Nutzer für die wenigen Mausklicks längst nicht so viel Bandbreite wie beim Laden von Bildschirmmasken, Web-Seiten oder Treibern. Als symmetrische Variante befördert der asynchrone Datenkanal in beiden Richtungen je 432,6 kBit/s. Er eignet sich beispielsweise gut für Netzwerkanwendungen.

BT-Verbindungen können sowohl paket- als auch leitungsorientiert sein. Ein Paket belegt in der Regel einen so genannten Slot, einen Zeitschlitz (625 µs). Es kann sich aber auch auf bis zu fünf Slots ausdehnen. Synchrone Anwendungen wie der Sprachdienst nutzen reservierte Slots - damit ist gewährleistet, dass etwa bei der Sprachübertragung keine Verzögerungen entstehen, weil gerade ein anderer Dienst einen benötigten Zeitschlitz belegt.

Eigenregie

Auf Netzwerkebene unterstützt BT herkömmliche Verfahren wie Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen. Obendrein finden sich aber auch neuartige Eigenschaften, die dezentral und selbstorganisiert sind. Zwei oder mehr BT-Gegenstellen können beispielsweise bei gegebener Freischaltung denselben Kanal teilen und ad hoc ein so genanntes Piconetz bilden - das sind räumlich gesehen sehr kleine Netze.

Eine BT-Einheit agiert dabei als Master, die übrigen - bis zu sieben je Piconetz - als aktive Slaves. Jedes Piconetz verwendet ein anderes Frequenz-Hopping-Muster, das der Master vorgibt und so den Kanalzugriff regelt. Neben dem Master und den aktiven Slaves können an einem Piconetz viele geparkte Slaves passiv teilnehmen. Ebenfalls synchron mit dem Master, wechseln sie die Frequenzen und Slots, doch ist ihnen der Kanalzugriff nicht gestattet; sie horchen lediglich.

Mehrere Piconetze können nebeneinander im selben oder in überlappenden Versorgungsbereichen koexistieren, miteinander ein Scatter-Netz bilden -- die Mitglieder der verschiedenen Pico-Netze stehen indirekt mit den übrigen Teilnehmern dieses Verbunds über die jeweiligen Master in Kontakt. Jedes Piconetz darf nur einen Master haben (nur einer kann den Takt des Frequenz-Hoppings vorgeben), doch Slaves können auf Basis eines Zeitmultiplexschemas an verschiedenen Piconetzen partizipieren. Ein Master in einem Piconetz kann in einem anderen Piconetz Slave sein.

Den Punkt-zu-Punkt-Modus können nur ein Master und ein Slave nutzen. Eine solche Verbindung verwendet reservierte Slots, ist synchron und leitungsorientiert, wie sie der Telefoniedienst benötigt - sie besteht auch, wenn die beiden Gesprächspartner schweigen. Der Punkt-zu-Mehrpunkt-Modus wird für asynchrone verbindungslose Links zwischen dem Master und seinen Slaves genutzt. Die beiden Modi lassen sich auch kombinieren, sodass ein BT-Netz gleichzeitig Daten und Sprache übertragen kann: Während der freien Slots, die die Punkt-zu-Punkt-Verbindung nicht benötigt, kann der Master mit jedem anderen Slave eine asynchrone Verbindung herstellen.

Sparfunker

Da BT auch bei mobilen Geräten eingesetzt werden soll, haben die Entwickler stromsparende Maßnahmen ersonnen - man möchte ja möglichst lange vom Stromnetz unabhängig bleiben. Ein BT-Modul kann drei verschiedene stromsparende Betriebszustände annehmen: Hold, Spark und Standby. Die Leistungsaufnahme beträgt in den ersten beiden Betriebsarten nur je 50 uA. Der Standby-Modus gibt sich mit 300 uA zufrieden. Aber selbst bei maximaler Sendeleistung schluckt ein BT-Transceiver höchstens 30 mA.

Übergänge zwischen dem Wartemodus Standby und dem Verbindungszustand mit Datentransport: Der Link-Manager regelt den Ablauf.

Auch beim Pagen geht ein BT-Transceiver knickerig mit dem Energievorrat um: Er sendet das Page-Signal zunächst auf den ersten 16 der einem Slave zugewiesenen 32 Hopp-Frequenzen aus und wartet bis zu 2,56 Sekunden auf die Antwort des Slaves. Durchschnittlich sollen nur 0,64 Sekunden bis zur Antwort verstreichen. Erst wenn die Antwort ausbleibt, kommen die übrigen Hopp-Frequenzen an die Reihe.

Wenn verbundene Geräte keine Daten zu übertragen haben, kann sie der Master anweisen, den Hold-Modus für eine bestimmte Zeit anzunehmen. Auch können Slaves vom Master verlangen, in den Hold-Modus schalten zu dürfen. Nach Ablauf der Frist wachen Slaves auf, synchronisieren sich mit dem Master und warten weitere Befehle ab.

Der Sniff-Modus ist eine Variante des Standby. Dabei horcht ein Gerät seltener auf Nachrichten anderer BT-Geräte. Der Abstand zwischen Zeitschlitzen, auf die ein Slave horchen soll, ist variabel und hängt von der Anwendung ab. Wenn ein Gerät nicht mehr am Datenverkehr teilnehmen will, geht es in den Park-Modus. Immer noch synchronisiert mit dem eigenen Piconetz, hat es seine MAC-Adresse aufgegeben und horcht nur ab und zu auf Nachrichten des Masters.

Geregelter Zutritt

Doch BT-Geräte sollen nicht wahllos miteinander kommunizieren können, damit man zum Beispiel unbefugte Nutzung von Handys unterbinden kann. Schon die physische Verbindungsschicht bietet daher Verfahren zur Authentifizierung und Verschlüsselung. Es gibt Ein- wie auch Zweiwege-Authentifizierungen auf Basis eines Challenge-Response-Algorithmus. Wer will, kann sie aber weglassen.

Als Verschlüsselungsverfahren nutzt BT Stromchiffrierung mit Schlüssellängen von 0, 40 und 64 Bit. Die Schlüsselverwaltung obliegt Anwendungen in höheren Protokollschichten. Das ist zwar eine relativ einfache Hürde für unerwünschte Zuhörer, aber preiswert zu implementieren. Wer höhere Sicherheit benötigt, dem raten die BT-Entwickler auf Lösungen für Transportprotokolle zurückzugreifen (z. B. VPN-Lösungen).

Die Koordination der verschiedenen Funkaufgaben eines BT-Moduls übernimmt der Link Manager, der mit anderen Link Managern den Verbindungsaufbau, Konfiguration, Authentifizierung und anderes mehr im Piconetz regelt.

IrDA an Bord

Die dargestellten Eckwerte lassen BT interessant erscheinen. Überdies eignet sich BT aber auch als Träger für eine Reihe anderer Awendungen, beispielsweise für Audio- und Video-Streaming, für die Fernsteuerung von Unterhaltungselektronik und auch für WAP-Anwendungen. WAP, Wireless Application Protocol, ist eine Sammlung von Verfahren, die spezifisch für geräte mit kleinen Displays und langsamen Internet-Verbindungen entwickelt wurde. Mit WAP kann man speziell vorbereitete Internet-Seiten, etwa Börsenkurse, Restaurant- oder Kinotips unterwegs laden. Noch ist aber offen, ob und wann diese vielfältigen Möglichkeiten umgesetzt werden.

Zum Schluss noch eine Überraschung: Die Spezifikation beschreibt, wie man das IrDA-Protokoll IrOBEX in BT einbauen kann (Object Exchange Protocol). Damit sind entsprechende Applikationen ohne Änderungen in der Lage, sowohl BT als auch IrDA zu nutzen.Entsprechend gibt es zum Beispiel Handys, PDAs und PCs, die untereinander Visitenkarten oder Termine über Bluetooth austauschen -- eine direkte Sichtverbindung wie sie bei IrDA erforderlich ist, muss nicht gegeben sein. Zudem können BT-Funker ihre elektronische Visitenkarte auf einen Rutsch allen Teilnehmern eines Meetings rüberfunken.

Sparfuchs: Bluetoth bietet diverse Betriebsarten, die Strom sparen.