Bluetooth Special Interest Group
Funkübertragung per Bluetooth als Basis fürs IoT
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
So meistert Bluetooth diese Herausforderungen
Die Zuverlässigkeit hängt von einer wirksamen Kodierung der digitalen Daten und der sorgfältigen Gestaltung der Kommunikationsprotokolle und -verfahren ab. Bluetooth löst die Herausforderungen mit Hilfe der folgenden Mechanismen:
Zahlreiche Funkkanäle reduzieren Kollisionen und Interferenzen
Die Datenkommunikation über Bluetooth Low Energy (LE) läuft nicht nur über einen Funkkanal, sondern über 40 Kanäle. Selbst in stark frequentierten Funkumgebungen, in denen Kollisionen und Interferenzen wahrscheinlich sind, bleibt die Bluetooth-Kommunikation zuverlässig. Bluetooth arbeitet mit dem 2,4-GHz-ISM-Übertragungsband und schließt den Frequenzbereich zwischen 2400 MHz und 2483,5 MHz ein. Dieser Frequenzbereich ist bei Bluetooth LE in 40 Kanäle unterteilt, die jeweils 2 MHz breit sind. Bei Bluetooth BR/EDR ist er in 80 Kanäle mit 1 MHz Breite fragmentiert. Jeder Kanal trägt eine Nummer, Start ist bei Kanal Null. Dessen Mittenfrequenz beläuft sich auf 2402 MHz. Zwischen der untersten Frequenz und dem Beginn des 2,4-GHz-ISM-Bands entsteht daher eine Lücke von 1 MHz. Kanal 39 besitzt eine Mittenfrequenz von 2480 MHz. So bleibt eine Lücke von 2,5 MHz bis zum Ende des 2,4-GHz-ISM-Bands.
Adaptives Frequenzsprungverfahren
Frequenzsprungtechniken helfen dabei, das Risiko für Kollisionen zu reduzieren. Sind zwei Geräte miteinander verbunden, gelingt dies mit der Technik „Adaptive Frequency Hopping“ (AFH). Ein Algorithmus wählt den geeigneten Funkkanal aus der Serie von Kanälen für alle Geräte aus. In regelmäßigen Abständen, manchmal sogar alle 7,5 ms, wird zu einem neuen Kanal gewechselt. Die Geräte messen, wie gut jeder Kanal funktioniert. So findet die Kommunikation über ein sich veränderndes Set mehrerer Kanäle statt, die über das 2,4-GHz-Band verteilt sind. Auf diese Weise kommt es zu weniger Kollisionen.
Kanalkarten
Manchmal funktionieren ein oder mehrere Bluetooth-Funkkanäle in bestimmten Umgebungen wegen Interferenzen schlechter. Kommen zusätzliche drahtlose Kommunikationsgeräte hinzu, verändert sich die Liste der zuverlässigen und unzuverlässigen Kanäle. Das primäre Gerät in einer Verbindung unterhält eine Kanalkarte, die jeden gut funktionierenden Kanal als genutzt oder als ungenutzt klassifiziert. Diese Channel Map wird mit dem zweiten Gerät unter Verwendung eines Link-Layer-Verfahrens ausgetauscht, so dass beide die gleichen Informationen darüber haben, welche Kanäle genutzt und welche vermieden werden müssen.
Ein Gerät aktualisiert die Kanalkarte, wenn es eine ins Positive oder Negative veränderte Zuverlässigkeit registriert. Die Aktualisierungen werden immer mit dem zweiten Gerät geteilt. Dies stellt sicher, dass die Kommunikation stets über die optimalen Kanäle läuft.
Redundanzprüfung
Bluetooth-Pakete enthalten zudem immer eine zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check, CRC), mit der sich Fehler bei empfangenen Daten entdecken lassen. Dies sorgt dafür, dass Übertragungsfehler, etwa aufgrund von Kollisionen, rechtzeitig aufgedeckt werden. Bei jedem neuen Paket wird im Link Layer ein CRC-Wert errechnet und ergänzt. Gleiches geschieht beim Empfangsgerät, das schließlich sein Ergebnis mit dem im Paket enthaltenen Wert vergleicht. Stimmen die beiden Werte nicht überein, wird das Paket verworfen und nicht anerkannt.
LE Coded PHY
Bluetooth LE bietet drei Alternativen, um die Funksignale zu nutzen. Sie sind Teil des Physical Layers:
• LE 1M – Symbolrate 1 Msym/s
• LE 2M – Symbolrate 2 Msym/s
• LE Coded – Symbolrate 1 Msym/s mit Vorwärtsfehlerkorrektur
Mit dem LE Coded PHY steigt die Empfindlichkeit des Empfängers. Auf diese Weise lässt sich eine Bitfehlerrate von 0,1 Prozent dann erreichen, wenn der Empfänger weiter weg vom Sender ist, als er es bei LE 1M PHY wäre. LE Coded PHY funktioniert mit einem Parameter namens S, der entweder auf 2 oder 8 eingestellt ist. Bei S=2 verdoppelt LE Coded ungefähr den Bereich, über den die Kommunikation zuverlässig verläuft. Bei S=8 steigt die Reichweite in etwa um das Vierfache. LE Coded PHY sorgt für zuverlässige Kommunikation bei größeren Abständen, indem es zusätzliche Daten in jedes Paket aufnimmt, die es der Empfangseinrichtung ermöglichen, Fehler nicht nur zu erkennen, sondern auch zu korrigieren.
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