Bluetooth v4 und Bluetooth Low Energy (BLE) Übersicht

In diesem Beitrag wird im Kern Bluetooth Low Energy (BLE) vorgestellt. Bei Bluetooth Low Energy muss etwas weiter ausgeholt werden, um allein Klarheit bei den Begrifflichkeiten zu schaffen. Bluetooth Low Energy ist unter unterschiedlichen Namen bekannt. Unter den verbreitetsten zählen Bluetooth Low Energy, Bluetooth LE oder einfach nur die Abkürzung BLE sowie Bluetooth v4.0 und seit kurzem auch Bluetooth v4.1. Oft fallen in diesem Zusammenhang auch die Begriffe Bluetooth Classic, Bluetooth Smart sowie Bluetooth Smart Ready. Ein Begriffs-Zoo, der näher vorgestellt werden möchte.

Also der Reihe nach:

Bluetooth v4.0 und v4.1

Bluetooth Logo
Bluetooth Logo (Quelle: Bluetooth SIG)

Bluetooth v4.0 ist ein offener Standard und einfach die aktuellste (eigentlich ist Bluetooth v4.1 die neueste Version, aber für die Betrachtung von BLE spielt das hier keine Rolle) vom Bluetooth SIG freigegebene Bluetooth Spezifikation mit der Versionsnummer 4, die eine Reihe an Neuerungen mit sich bringt. Vielen ist Bluetooth ja schon lange ein Begriff, spätestens mit der Verbreitung von Smartphones und den damit verbundenen Möglichkeiten wie das Teilen und Übertragen von Sprache, Daten, Musik, Fotos und Videos unter gekoppelten Geräten. Dies ging ja bereits mit den Vorversionen der Bluetooth-Spezifikationen.

Jede Bluetooth-Spezifikation hat neben vielen Erweiterungen und Änderungen ein oder mehrere herausragende Merkmale. Bei Bluetooth v3 war es z.B. eine starke Erhöhung der möglichen Übertragungsrate, um auch größere Datenmengen schnell übetragen zu können. Bei der Versionsnummer 4 ist nun Low Energy (LE) das herausragende Merkmal. LE ist gemäß der Spezifikation eine optionale Erweiterung. Ein Produkthersteller muss also bei der Implementierung von Bluetooth in seine Produkte nicht unbedingt auch LE als Bestandteil des Produktes integrieren.

Um diese optionalen Merkmale und Erweiterungen vom eigentlichen Standard – der Core-Spezifikation – zu unterscheiden, nennt man die Core-Spezifikation allgemein Bluetooth Classic. Bluetooth v4.0 fällt also auch allgemein unter dem Begriff Bluetooth Classic und ist komplett zu den älteren Bluetooth-Versionen (1.2, 2.0, 2.1, 3.0) abwärtskompatibel.

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE) ist also lediglich Teil der Gesamtspezifikation Bluetooth v4.0. BLE erlaubt es Geräten durch verschiedene Optimierungen ihren Stromverbrauch enorm zu senken. Das geht so weit, dass die entsprechenden Geräte (in der Regel Bluetooth Smart-Geräte, siehe weiter unten) monate- bis jahrelang mit einer einzigen Knopfzellen-Batterie (z.B. CR2032) laufen. BLE verhilft dem Bluetooth-Standard aktuell sich auf immer mehr Gerätetypen durchzusetzen und sich immer weiter zu verbreiten.

Insbesondere ist hier der stetig größer werdende Markt an Fitness- und Activity-Tracker sowie Smartwatches zu nennen, die wegen ihrer Mobilität auf niedrigen Stromverbrauch angewiesen sind. Jeder Hersteller, der die energiesparenden Optionen von Bluetooth v4.0 implementieren möchte, muss gemäß Spezifikation auch automatisch die Bluetooth Core-Spezifikation v4.0 implementieren. Der Endnutzer kann sich also theoretisch sicher sein, dass ein mit BLE-beworbenes Gerät mindestens auch mit jedem mit Bluetooth v4.0 ausgestattetem Gerät kommunizieren kann.

Innerhalb der BLE-Erweiterung werden zwei Gerätetypen unterschieden, die zwei paar verschiedene Schuhe sind:

  • Geräte, die mit Bluetooth Smart Ready ausgestattet sind
    • auch als Dual-Mode-Geräte bezeichnet, da sie Bluetooth Classic als auch Bluetooth Smart unterstützen
  • Geräte, die mit Bluetooth Smart ausgestattet sind
    • auch als Single-Mode Geräte bezeichnet, da sie nur Bluetooth Smart unterstützen

Bluetooth Smart Ready

Bluetooth Smart Ready Logo (Quelle: Bluetooth SIG)
Bluetooth Smart Ready Logo (Quelle: Bluetooth SIG)

Geräte mit der Eigenschaft oder dem Logo Bluetooth Smart Ready zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwei Funkeinheiten haben, eine für die Kopplung mit Bluetooth Classic und eine für Bluetooth Smart Geräte. Daher kommt auch die Angabe „Dual-Mode“ oder „Dual-Radio“. Sie sind also voll abwärtskompatibel zu älteren Bluetooth-Versionen, unterstützen aber auch die Kopplung von energiesparenden Bluetooth Smart-Geräten wie Fitness- und Activity-Tracker. Beispiele für Geräte mit Bluetooth Smart Ready sind PCs, Fernseher aber insbesondere hier wichtig Smartphones und Tablets.

Ein Gerät mit Bluetooth Smart Ready ist also in der Regel der Empfänger von Informationen und ist in der Lage die empfangenen Daten in die relevanten (Fitness-) Apps zu schleusen. Die Apps wiederum sind dann für die Aufbereitung und Darstellung der Daten für den Endnutzer zuständig.

Damit ein Hersteller Bluetooth Smart Ready anbieten kann, muss er zwei Dinge umsetzen: die entsprechende Hardware mit mindestens Bluetooth v4.0 einbauen, aber auch seine Software, sprich das Betriebssystem und seine Schnittstellen, entsprechend erweitern. Apple Smartphones integrieren seit dem iPhone 4S Bluetooth Smart Ready und lassen sich prinzipiell mit Geräten mit Bluetooth Smart koppeln. In den Datenblättern gibt Apple dies „Bluetooth 4.0 wireless technology“ an. Bei Android ist da wegen der schleppenden Updatepolitik seitens der Hersteller mehr Vorsicht geboten. Ein Android-Smartphone muss mindestens Android 4.3 installiert und die entsprechende Hardware mit Bluetooth v4.0 und Bluetooth Smart Ready an Bord haben. Ist eine dieser Bedingungen nicht gegeben, wird ein Koppeln an einen Fitness-Tracker oder einer Smartwatch nicht ohne Weiteres möglich sein.

Bluetooth Smart

Bluetooth Smart Logo (Quelle: Bluetooth SIG)
Bluetooth Smart Logo (Quelle: Bluetooth SIG)

Geräte mit Bluetooth Smart sind die Spezialisten unter der ganzen Vielfalt an Bluetooth-fähigen Geräten. Sie sind die Datensammler und übernehmen eine ganz spezielle Aufgabe und können die erfassten Daten an ein Gerät mit Bluetooth Smart Ready senden, wie z.B.  ein Smartphone oder Tablet. Da diese Geräteart lediglich eine energiesparende Funkeinheit besitzt, haben sie auch den Beinamen „Single-Mode“ oder „Single-Radio“. Beispiele für Gerätearten mit Bluetooth Smart  sind z.B. Fitness- und Activity-Tracker (z.B. „The Dash“ von Bragi, die Smartwatch Polar V800, LGs Lifeband Touch oder der Fitness-Tracker für Kraft und Bewegungen Gymwatch), Herzfrequenzsensoren, Smartwatches, Wearables und vieles mehr.

Es reicht aber nicht, dass ein gekoppeltes Bluetooth-Gerät die Version 4.0 unterstützt, um mit einem Gerät mit Bluetooth Smart zu kommunizieren. Das gekoppelte Gerät muss Bluetooth Smart-fähig sein. In der Praxis ist es aber so, dass alle Hersteller, die Bluetooth v4.0 einbauen gleichzeitig auch Bluetooth Smart Ready mitintegrieren.

Wichtig an dieser Stelle ist, dass Bluetooth Smart nicht zu Bluetoothversionen kleiner Version 4.0 abwärtskompatibel ist. Ein Fitness-Tracker zum Beispiel, der mit Bluetooth Low Energy wirbt kann in der Regel keine Daten mit Geräten austauschen, deren Bluetooth-Version kleiner v4.0 ist. Ebenso kann er nicht mit Geräte kommunizieren, die lediglich die Bluetooth v4.0-Core Spezifikation unterstützen. Geräte mit Bluetooth Smart können ausschließlich mit Geräten mit Bluetooth v4.0  kommunizieren, die auch gleichzeitig Bluetooth Smart Ready anbieten. Der Endnutzer sollte also darauf achten, dass sein Smartphone oder Tablet Bluetooth Smart Ready ist, wenn er dieses für das weitere Auswerten seiner vom Tracker gesammelten Daten einsetzen möchte. Die hier gezeigten Logos sind in der Regel prominent auf den Verpackungen der Geräte platziert, so dass man schnell erkennt, ob ein Gerät geeignet ist.

Bluetooth v4.0, Bluetooth Low Energy Kompatibilität

Um sich mal ein Gesamtbild der obigen Abschnitte zu machen, nachfolgend eine Übersichtszeichnung, die zeigt, wie die einzelnen Bluetooth-Komponenten kompatibel zueinander sind:

Bluetooth Low Energy Überblick
Bluetooth Low Energy Überblick

Es bleibt abzuwarten, ob die Kompatibilität der verschiedenen Bluetooth Erweiterungen auch in der Praxis gegeben ist. Vieles hängt von den eigentlichen Implementierern (den Geräte-Herstellern und App-Entwicklern) ab, die sicherstellen müssen, dass sie die Spezifikation wie vorgegeben abbilden.

Hat Bluetooth Low Energy eine Zukunft?

Gerade Geräte mit lediglich Bluetooth Smart (Single-Mode) an Bord sind leicht zu implementieren und integrieren. Oft hat aufgrund der geringen Spezifikations-Anforderungen die Größe der gesamten Platine auf der die BLE-Einzelteile gelötet sind gerade mal die Flächengröße einer CR2032 Knopfzelle. Ebenso winzig ist in der Regel die auf der Platine aufgedruckte Funkeinheit.

Diese Eigenschaften sowie die Art und Weise wie BLE die Daten überträgt führen dazu, dass BLE im Vergleich zu seinen Konkurrenten sehr energiesparend arbeitet und somit Geräte umsetzbar sind, die lange Zeit ohne Batteriewechsel auskommen. Außerdem verbringt ein Gerät mit BLE ein Großteil der Zeit im energiesparenden Schlafmodus.

Mit BLE sind Daten über große Distanzen übertragbar. Bei den erreichbaren Reichweiten spielen viele Parameter (Sendeleistung des Geräts, Empfindlichkeit eines Empfängers, Eigenschaften der Umgebung, usw.) eine Rolle, aber Distanzen von ca. 50m in geschlossenen Räumen und ca. 100m im Freien sollten für BLE kein Problem sein.

BLE funkt im 2,4-GHz-Bereich, so dass es viele potentielle Störer geben kann. Dazu gehören z.B. WLANs, Schnurlostelefone und Mikrowellenherde, die im gleichen Frequenzband arbeiten. BLE minimiert Störungen mit anderen Geräten dadurch, dass das Frequenzsprungverfahren Adaptive Frequency-Hopping (AFH) eingesetzt wird. Dieses erlaubt eine zuverlässige Datenübertragung, wodurch auch wieder Energie eingespart wird, da Fehlübertragung minimiert werden und somit weniger Fehlübertragungen stattfinden. Die Idee hinter AFH ist, dass ein Gerät sich Frequenzkanäle merkt, in denen Fehler auftreten (z.B. Daten-Kollisionen, wenn auch das WLAN die selbe Frequenz nutzt) und diese für zukünftige Datenübertragungen meidet.

Erwähnt werden sollte bei BLE auch die sehr gute Latenz. Auch wenn ein Gerät mit BLE größtenteils im Schlafmodus verbringt, erfolgt die Datenübertragung ohne spürbare Zeitverzögerung, da sich neue Verbindungen in lediglich 3 ms aufbauen lassen. Auch diese Eigenschaft führt zu einer besseren Energiesparsamkeit.

Um es kurz zu halten: BLE hat im Fitness-Umfeld großes Potenzial. Wenn die Herstellern und Entwickler konsequent die Spezifikation implementieren, so gehört BLE sicher die Zukunft. Aktuell sind nur gerade im Android-Bereich leider nicht viele Geräte voll kompatibel mit BLE, da die Android-Version oft kleiner 4.3 ist. Der Endnutzer sollte sich dessen bewusst sein und genau auf Hardware- und Software-Angaben achten. Sobald aber die Smartphone- und Tablethersteller nachgerüstet haben, sind für Fitness- und Activitytracker sowie Smartwatches kaum Grenzen gesetzt.

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