Funknetzwerk auf Bluetooth-Basis Bluetooth Mesh

Netzwerke auf der Basis von Bluetooth Low Energy ermöglicht der neue Standard Bluetooth Mesh.
Netzwerke auf der Basis von Bluetooth Low Energy ermöglicht der neue Standard Bluetooth Mesh.

Im Bluetooth-Standard waren bisher nur Punkt-zu-Punkt und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen definiert. Damit ließ sich kein Netzwerk realisieren. Mit Bluetooth Mesh soll diese Lücke nun geschlossen werden.

Als Ersatz für eine Kabelverbindung erfunden, etablierte sich der Funkstandard Bluetooth in PCs zur Verbindung von Tastatur und Maus, in Mobiltelefonen zur Kopplung von Kopfhörern und Freisprecheinrichtungen und in Audiosystemen zum Anschluss von mobilen Audiospielern, Smartphones und Tablet-PCs.

Mit Bluetooth Low Energy (BLE), auch Bluetooth Smart genannt, folgte eine Erweiterung des Bluetooth-Standards zur energiesparenden Übertragung kleinerer Datenpakete. Entsprechend der Intention als Kabelersatz konnte Bluetooth zunächst nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufbauen. Mit Bluetooth Low Energy wurden dann Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen standardisiert, die den Betrieb von Funkbaken erlauben.

Was fehlte waren Netzwerkfunktionen, z.B. für das Weiterleiten und Lenken von Nachrichten. Sie wurden nun im Standard Bluetooth Mesh definiert.

Netzwerkfunktionen auf BLE-Basis

Grundlage für das Bluetooth-Netzwerk ist der Standard Bluetooth 5, mit dem die Reichweite für BLE um den Faktor vier vergrößert wurde. Alle für den Netzwerkbetrieb nötigen Protokoll-Schichten bauen auf BLE auf (Bild 1), so dass die bereits am Markt angebotenen Transceiver-ICs für vernetzbare Bluetooth-Funkknoten genutzt werden können. Deshalb werden Nachrichten im Bluetooth-Netzwerk ungerichtet an alle Funkknoten gesendet (Broadcast) und von den Knoten in Empfangsreichweite wiederholt (Relais-Funktion) und somit an die Knoten innerhalb ihrer Reichweite weitergeleitet. Die Relais-Funktion muss nicht in jedem Bluetooth-Funkknoten implementiert sein. Sie kann auch in Funkknoten deaktiviert werden.

Damit die Wiederholung nicht zu einer unkontrollierten Nachrichtenflut führt und das Netzwerk überlastet, wurden Mechanismen zur Steuerung implementiert. Im Bluetooth-Mesh-Standard wird dies als „magaged-flood-based mesh network“ bezeichnet. Die wichtigsten zwei Funktionen sind ein Nachrichtenspeicher in den Funkknoten und ein Zähler für die Lebenszeit der Nachricht.

Jeder Funkknoten im Bluetooth-Netzwerk speichert empfangene Nachrichten in einer Liste. Wird eine Nachricht empfangen, so vergleicht der Knoten die empfangene Nachricht mit den in der Liste gespeicherten Nachrichten. Nur wenn ein Knoten die Nachricht nicht in seinem Speicher findet, wird die Nachricht auch gesendet und somit weitergeleitet. Dadurch wird ein wiederholtes Senden vermieden.

Mit dem Lebenszeit-Zähler – im Bluetooth-Mesh-Standard als „time to live“ (TTL) bezeichnet – kann die Anzahl der Weiterleitungen limitiert werden. Der Wert kann vom Erzeuger der Nachricht maximal auf 127 eingestellt werden und wird von jedem Bluetooth-Knoten im Netzwerk, der die Nachricht empfängt um den Wert 1 reduziert, wenn er die Nachricht sendet und somit weiterleitet.