Bluetooth Mesh – Alternative zu ZigBee, Thread, WLAN und Z-Wave? Bluetooth LE Smart Home Funkstandard – Wissen, Geräte, Bedeutung

Hinter dem Bluetooth Funkstandard steht die Bluetooth Special Interest Group (SIG). Dabei handelt es sich um eine globale Organisation, der nach Eigenangaben mehr als 36.000 Unternehmen angehören. Ziel ist die kollektive Entwicklung der Bluetooth Technologie sowie das Erarbeiten gemeinsamer technischer Standards.

Der Grundstein der Bluetooth-Entwicklung wurde 1996 von Intel, Ericsson und Nokia gelegt. Letztere beide waren zu der Zeit zwei führende Größen in der boomenden Handy-Branche. Der Name Bluetooth leitet sich von König Harald Blauzahn (engl. Bluetooth) ab, der im Frühmittelalter gleichzeitig König von Dänemark und Norwegen war und damit Teile von Skandinavien vereinte. Der Legende nach hatte der König einen dunkelblau gefärbten toten Zahn, der ihm den Beinamen einbrachte. Das Bluetooth Logo leitet sich aus zwei verbundenen Runenzeichen ab, welche die Initialen des Königs bildeten.

Der Name Bluetooth war ursprünglich nur ein Arbeitsname. Der finale Name der Nahfeld-Funkübertragungstechnologie sollte RadioWire werden, da die Markenrechtsrecherche jedoch nicht rechtzeitig zum offiziellen Technologie-Start abgeschlossen werden konnte, blieb es bei der Bezeichnung Bluetooth.

Ein Meilenstein in der Bluetooth-Technologie war Bluetooth 4.0, bei der die stromsparende Datenübermittlung im Vordergrund stand. Bluetooth-Versionen, welche diese Funktion unterstützen erkennt man an der Bezeichnung Bluetooth LE. LE steht für Low Energy, also geringen Energieverbrauch. Das machte Bluetooth interessant für smarte Geräte Fitnessarmbänder, Smartwatches, Türschlösser oder Heizungsthermostate. Also Geräte, die nur geringe Datenmengen übertragen und für den Betrieb auf einen Akku oder eine Batterie angewiesen sind.

Einen „Quanten-Sprung“ vollzog Bluetooth mit seinen drei großen 4.x Funkprotokoll-Versionen. Wichtig ist zu wissen, dass der LE-Modus meistens nur für die Datenkommunikation genutzt wird. Das Audio-Streaming erfolgt aufgrund des größeren Datendurchsatzes im Classic-Modus.

• Bluetooth 4.0 Funkprotokoll: Einführung von Bluetooth Low Energie für die IoT-Datenkommunikation mit max. 220 Kbit/s.
• Bluetooth 4.1 Funkprotokoll: Nutzung des Internetprotokolls IPv6 zur Adressierung von Geräten. Hiermit begann der Einsatz von Bluetooth für das Internet der Dinge (IoT). Bluetooth-Geräte können seither auch als Hub fungieren. Das bedeutet Bluetooth-Geräte können sich auch untereinander koppeln, ohne dass ein Smartphone nötig ist, z. B. bei der Vernetzung einer Bluetooth-Fernbedienung mit einer Bluetooth-Lampe.
• Bluetooth 4.2 Funkprotokoll: Erhöhung des Datendurchsatzes im LE-Modus. Bessere Verschlüsselung zur Datensicherheit.

Mit Bluetooth 5.0 wurde die Datenrate im LE-Modus auf 2 Mbit/s erhöht und ein Bluetooth Smartphone, das diesen Standard unterstützt kann sich zudem gleichzeitig mit zwei Bluetooth Geräten verbinden. Ein weiterer Vorteil von Bluetooth 5.0 ist die erhöhte Reichweite, die sich von 50 auf bis ca. 200 Meter erhöht – im LE Modus. Allerdings handelt es sich bei den Reichweitenangaben meist um Laborwerte, die in der Praxis nicht erreicht werden.

Im Classic-Modus ohne Energieeinsparung waren bereits in der Bluetooth Version 2.0 per Enhanced Data Rate (EDR)-Funktion Reichweiten von bis zu 100 Metern bei Datenübertragungsraten von bis zu 3 MBit/s möglich.

Die große Neuerung, die mit Bluetooth 5.0 Einzug hielt, war die Einführung von sogenannten Beacons. Das sind kleine Bluetooth-Sender, die sich mit Bluetooth-Geräten wie Smartphones verbinden können, ohne dass der Nutzer ein manuelles Pairing durchführt. Das ging zwar auch schon früher, allerdings waren die Anwendungen beschränkt, da die Datenmenge der Beacons mit 31 Byte pro Datenpaket sehr begrenzt war. Mit Bluetooth 5.0 sind jetzt 279 Byte möglich. Smarte Anwendungen, die sich damit ergeben, sind z. B. Navigationsdienste für begrenzte Areale wie Messen, Flughäfen oder Supermärkte, was vor allem Marketing-Abteilungen verzücken dürfte.

Eine generelle Beziehung zwischen der Reichweite und Bluetooth-Version eines Gerätes lässt sich nicht treffen. Der Grund: Es hängt von den jeweiligen Herstellern ab, welche Bluetooth-Chips und Funktionen sie in den Geräten verbauen. Für die Sendeleistung stellt Bluetooth 3 Leistungsklassen zur Verfügung:

• Klasse 1: Hier bieten Bluetooth-Geräte eine Reichweite von bis zu 100 Metern, bei einer Sendeleistung von max.100 Milliwatt. Zum Einsatz kommen die Chips zum Beispiel in Notebooks.
• Klasse 2: Bluetooth Geräte, welche diese Klasse nutzen, bieten Reichweiten von zirka 50 Metern, die maximale Sendeleistung beträgt 2,5 Milliwatt. Verwendet wird die Leistungsklasse ebenfalls in Notebooks oder PCs.
• Klasse 3: Hier liegt die Sendeleistung bei ca. 1 Milliwatt und die Reichweite bei ungefähr 10 Metern. Zum Einsatz kommt Klasse 3 in Bluetooth-Kopfhörern, Bluetooth-Lautsprechern oder auch Fitness-Trackern.

Ein Fitness-Tracker mit Bluetooth LE 5.0 könnte also eine theoretische Reichweite von bis zu 200 Metern erzielen, wenn der Hersteller allerdings nur einen Chip mit Leistungsklasse Klasse 3 verwendet, reicht die Sendeleistung nur für 10 Meter aus, was in der Regel auch der Fall ist, da nur eine Verbindung vom Armband bis zum Smartphone nötig ist. Dafür profitiert der Fitnesstracker vom hohen Datendurchsatz den Bluetooth 5.0 im Low Energy bietet. Die geringere Sendeleistung hilft zusätzlich dabei, den Energiebedarf gering zu halten.

Für Verwirrung bei Nutzern sorgen immer auch die Kompatibilitäten der verschiedenen Bluetooth-Standards untereinander. Kann ich zum Beispiel eine über Bluetooth kommunizierende Smart Home Lampe mit einem Smartphone schalten, das nur Bluetooth 4.2 nutzt? Die Antwort ist Ja!

Ein großer Vorteil von Bluetooth ist, dass höhere Versionen weitestgehend abwärtskompatibel sind. So lässt sich ein Smart Home Gerät mit Bluetooth 5.0 ohne weiteres mit einem Smartphone koppeln, das Bluetooth 4.2 nutzt, allerdings können im Zusammenspiel nur die Funktionen der Versionen 4.2 genutzt werden.

Um bei unserem Beispiel zu bleiben: Die smarte Bluetooth 5.0 Lampe lässt sich zwar mit dem Handy schalten, die Reaktionszeit beim Ein- oder Ausschalten kann aber verzögert stattfinden, da die niedrigere Bluetooth-Version des Smartphones eine geringere Datengeschwindigkeit aufweist.

Mit der Bluetooth Mesh Funktion, die ab Bluetooth LE Version 4.x implementiert ist, wurde der Funkstandard auch für Smart Home Anbieter interessant. Bei einem Mesh-Netzwerk verknüpfen sich die Geräte zu einem großen einheitlichen Netzwerk, bei dem die Geräte zugleich Daten Senden und Empfangen können. Ein Mesh WLAN Netzwerk benötigt zusätzlich einen Mesh WLAN-Router sowie Mesh-Access-Points, auf welche die WLAN Smart Home Geräte zugreifen können, da letztere nicht in der Lage sind, Daten zu senden, sondern nur empfangen können.

Im Vergleich zu einem WLAN Mesh Netzwerk benötigen Bluetooth Mesh Geräte keine speziellen Access-Points oder Router. Das gleiche gilt für das Funkprotokoll Thread. Ab Bluetooth 4.0 sind Bluetooth-Geräte auch in der Lage ein Mesh-Netzwerk aufzubauen, sofern die Gerätehersteller die Funktion in ihre Geräte integrieren.

Der Smart Home Funkstandard ZigBee bringt ebenfalls von Haus aus die Mesh-Funktionalität mit. Der Funkstandard ist etabliert, energiesparend und bietet eine große Gerätevielfalt. Viele Smart Home Hersteller, die eigene Smart Home Systeme anbieten, verwenden ein abgewandeltes ZigBee Funkprotokoll. Dazu zählen z. B. Homematic IP oder Bosch Smart Home. Im Gegensatz zu Thread oder Bluetooth benötigen ZigBee Geräte jedoch noch ein Gateway oder Hub.

Damit Bluetooth Smart Home Geräte aus der Ferne bedient werden können, wird in der Regel ein internet-fähiges Smartphone mit Bluetooth benötigt, über welches auch die Installation und Bedienung erfolgt. Das Smartphone dient dann als Smart Home Gateway bzw. Hub.

Eine Gemeinsamkeit von Wifi, Bluetooth und Thread ist, dass sie für die Gerätekommunikation das Internetprotokoll IPv6 nutzen, um Geräte zu adressieren. Alle drei Funkstandards zählen deshalb zu den ersten drei Protokollen, die von Connected Home over IP unterstützt werden sollen.

Verbindungsaufbau und Datenübertragung lassen sich bei einer Bluetooth-Verbindung verschlüsseln. Hierzu muss vom Nutzer zumindest vor dem ersten Geräte-Pairing eine PIN eingegeben werden, sofern die Option in der Software des Gerätes aktiviert wurde. Der Anwender kann festlegen, dass die PIN für spätere Verbindungen gemerkt werden soll.

Bluetooth macht leider immer wieder negative Schlagzeilen bezüglich Sicherheitslücken, die es Hackern erlauben, auf Smartphones oder IoT-Geräte zuzugreifen. Zuletzt machten die Sicherheits-Forscher der ETH Lausanne, dem CISPA Helmholtz Center for Information Security und der Universität Oxford im Mai 2020 in einer Sicherheitsstudie auf eine Bluetooth-Sicherheitslücke namens Bluetooth Impersonation AttackS (BIAS) aufmerksam.

Das Bluetooth Audio-Streaming erfolgt im Classic-Modus und nicht im Low Energy Modus, das für den Datenaustausch von Smart Home Geräten verwendet wird. Die meisten Hersteller nutzen den Universalcode SBC, der eine Bandbreite von bis zu 345 kB/s bietet. Die Qualität der Verbindung kann jedoch – je nach Verbindung – schwanken, z. B. wenn sich ein Bluetooth-Lautsprecher immer weiter vom Smartphone entfernt.

Wer Wert auf qualitativ hochwertiges Audio-Streaming legt, sollte beim Kauf auf eines Bluetooth-Lautsprechers oder Bluetooth-Kopfhörers auf den Audio-Codec aptX von Qualcom legen. Leider sparen die Gerätehersteller hier sehr oft, da dafür Lizenzgebühren zu entrichten sind. Sony setzt als Hersteller von Audio-Geräten und Smartphones auf einen eigenen Bluetooth-Audiocodec namens LDAC. Apple nutzt mit AAC ebenfalls eine Eigenentwicklung. Im Vergleich zu SBC sieht AAC mit einer Bandbreite von 250 kBit/s zwar auf den ersten Blick schlechter aus, was jedoch täuscht. Denn im Vergleich zu SBC, behält AAC die Bandbreite bei.

Bisher wird für Audio-Streaming nicht der Low Energy-Modus verwendet, sondern der energieintensivere Classic Mode. Das soll sich mit der zukünftigen Einführung von LE Audio ändern. Gleichzeitig mit LE Audio kommt auch ein neuer Audio-Codec namens Low Complexity Communications Codec (LC3) zum Einsatz.

Der LC3 Bluetooth Audio-Codec soll selbst bei niedrigen Datenraten eine Soundqualität bieten, die an SBC heranreicht. Für die Hersteller von akkubetriebenen Bluetooth-Audiogeräten bedeutet das eine vielfach längere Laufzeit bei gleicher Akkuleistung oder gleiche Laufzeit bei kleineren Akkus, die eine geringere Gerätegröße erlauben.

Ein weiteres Merkmal von LC3 ist Fähigkeit von Multi-Stream. Das bedeutet zwei Audio-Streams synchronisieren sich miteinander. Einen Einfluss hat das dann z. B. auf True Wireless In-Ear-Kopfhörer, bei denen jeder Kopfhörerknopf einen eigenen Empfänger hat.

Zuletzt soll Bluetooth LE Audio auch Broadcast-Funktionen bieten. Das bedeutet, ein Nutzer kann mit Bluetooth Audio Sharing Musik gleichzeitig auf seine Kopfhörer streamen und die der Freundin oder des Freundes.

• Einfache Installation und Einrichtung von Bluetooth Smart Home Geräten
• Weite Verbreitung auf Bluetooth-fähigen Smartphones
• Günstige Gerätepreise
• Mesh-fähig

• Geringe Reichweite
• Hohe Latenzzeiten aufgrund geringer Bandbreite und schwacher Sendeleistung im Vergleich zu anderen Funkstandards
• Sicherheitsanfällig