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Funkübertragungsverfahren

Bluetooth in der Medizintechnik

19. Dezember 2011, 16:49 Uhr | Jens Würtenberg

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Bluetooth Low Energy

Die heutige „Bluetooth Low Energy“-Spezifikation (BLE) wurde schon - vor einigen Jahren unter den Namen „Bluetooth Ultra Low Power“ und davor „WiBree“ bekannt und ist erst seit der Spezifikation „Version 4.0“ Bestandteil des Bluetooth-Standards. Seitdem Bluetooth in nahezu jedem Mobiltelefon implementiert ist, wurden viele Ideen für neue Anwendungen ausprobiert, die immer wieder an dem zu hohen Strombedarf scheiterten. Da sich mit dem Bluetooth High Speed aufgrund des hohen Overheads der Stromverbrauch nicht wesentlich reduzieren lässt, entstand mit BLE eine Technologie, die viele Vorteile von Bluetooth mit einem geringen Stromverbrauch verbindet.

Die Verbindungsphilosophie ist bei BLE ein wenig anders als bei BHS. Die Topologie von Kommunikationszellen kann bei BLE nur sternförmig sein, Scatter-Netze gibt es nicht. Es gibt bei BLE auch neue Rollen, die BLE-Geräte einnehmen können, sie heißen „Advertiser“ und „Scanner“. BLE nutzt nur 40 Kanäle anstatt der 79 Kanäle (Bild 4). Die Datenübertragungsrate bei BLE beträgt brutto maximal 1 Mbit/s, was zu einer maximalen Netto-Datenrate von max. 0,5 Mbit/s führt. Der Protokoll-Stack ist ähnlich aufgebaut wie bei BHS.

In den drei Signalisierungskanälen (Kanäle 0, 12 und 39) sendet ein -„Advertiser“ so genannte Advertising Events aus. Solange nur Broadcast oder unidirektionale Kommunikation erforderlich ist, können BLE-Geräte die komplette Kommunikation über diese Advertising Events abwickeln, ohne dabei einen dedizierten Datenkanal aufzubauen. Damit lassen sich sehr kleine und energiesparende Anwendungen wie z.B. so genannte Body-Sensor-Netzwerke realisieren.

Alternativ können BLE-Geräte bidirektionale Datenkanäle etablieren. Sobald der Advertiser den Verbindungswunsch eines anderen BLE-Gerätes akzeptiert hat, nehmen beide die bekannten Rollen aus der Bluetooth-Welt an: Der Initiator wird zum Master, der Advertiser zum Slave der Verbindung. Ab jetzt werden zwischen Master und Slave „Connection Events“ in einem bidirektionalen Datenkanal ausgetauscht. Für diese Connection Events werden die 37 verbleibenden Kanäle verwendet, die nicht als Advertising-Kanal reserviert sind. Bei BLE wird ebenfalls ein adaptives, pseudo-zufälliges Frequenzsprung-schema verwendet. Genau wie bei BHS können auch bei BLE die Slaves eines Pico-Netzes nicht unmittelbar miteinander kommunizieren, sondern nur über den Master.

In BLE sind ebenfalls Profile definiert, um die Interoperabilität auf der Anwendungsebene zwischen den Geräten verschiedener Hersteller zu gewährleisten. Im Health-Bereich wurden Mitte 2011 die ersten BLE-Profile durch die Bluetooth SIG veröffentlicht, und zwar das „Health Thermometer Profile“ sowie das „Heart Rate Pro-file“. Die Veröffentlichung weiterer Profile, wie z.B. des „Blood Pressure Profile“ oder des „Weight Scale Pro-file“, werden für das vierte Quartal 2011 erwartet. Das Hauptaugenmerk wird bei den BLE-Profilen für den medizinischen Bereich auf Monitoring-Anwendungen gelegt.

Eigenschaft/Merkmal	Standard-Bluetooth v 2.1	Bluetooth Low Energy
Anzahl der Kanäle	79	40
Reichweite	10 bis 100 m	1 bis 10 m
Datenrate	1 bis 3 Mbit/s	1 Mbit/s
Netz-Topologie	Pico-Netze, Scatter-Netze	sternförmige Netze
Modulation	GFSK	GFSK
Max. Stromaufnahme	<40 mA	< 10 mA
Datensicherheit	AES mit 128 bzw. 256 bit	AES mit 128 bit
Anwendungsbereich	Handys, Human Interface Devices (HID), Automobiltechnik, Automatisierungstechnik, Medizingeräte	Handys, Human Interface Devices (HID),Body-Sensorik

Vergleich der Eigenschaften von Standard-Bluetooth v2.x mit dem Protokoll von Bluetooth Low Energy (Teil von Version 4.0) im 2,4-GHz-Band.

In der Tabelle sind die wesentlichen Parameter der beiden Technologien dargestellt. Neben reinen BHS- und BLE-Modulen sieht die Bluetooth-Spezifikation auch Systeme vor, die beide Varianten vereinen und mit einem Dual Mode Stack ausgestattet sind (Bild 5).