Wie funktioniert Bluetooth?
Matthias Koschnitzke
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Welt der Physik: Was passiert, wenn sich zwei Geräte per Bluetooth verbinden?
Alexander Tschekalinskij: „Damit sich zwei Geräte zum ersten Mal verbinden können, muss eines im sogenannten Kopplungsmodus sein. Danach erkennen sich die Geräte anhand einer ID, die jedes Gerät weltweit besitzt, das Bluetooth oder WLAN nutzt. Das ist die sogenannte MAC-Adresse, wobei MAC für Media Access Control steht. Wenn sich zwei Geräte verbinden, beim sogenannten Pairing, teilen sie sich zunächst gegenseitig mit, was sie unterstützen, zum Beispiel Audioanwendungen, Datenübertragung oder das Teilen von Sensordaten. Was Bluetooth dabei ausmacht: Egal von welcher Marke die Geräte sind, es gibt immer einen kleinsten gemeinsamen Nenner – also eine standardisierte Möglichkeit, eine Verbindung herzustellen und Daten zu übertragen.“
Zur Person
Alexander Tschekalinskij arbeitet am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in der Abteilung „Audio für Kommunikationsanwendungen“ und ist dort zuständig für Entwicklungen im Rahmen des Bluetooth-Low-Energy-Audio-Standards.
Bluetooth nutzt elektromagnetische Wellen, um drahtlos Daten zwischen Geräten auszutauschen. Was unterscheidet Bluetooth technisch von anderen funkbasierten Anwendungen wie WLAN, Infrarotverbindungen oder Digitalradio?
„Der Unterschied zu Infrarot oder Radio liegt in der Frequenz. Infrarot nutzt höhere Frequenzen und ist für sehr nahe Kommunikation in Sichtweite gedacht. Radio funkt mit niedrigeren Frequenzen und eignet sich für eine einseitige, weite bis extrem weite Kommunikation. Bluetooth funktioniert dagegen in einem Umkreis von bis zu hundert Metern sehr gut. Für die Übertragung verwendet es Frequenzen von 2,4 bis 2,48 Gigahertz, genau wie WLAN. Dieser Frequenzbereich ist kostenfrei und kann lizenzfrei genutzt werden.
Einen großen technischen Unterschied zwischen Bluetooth und WLAN gibt es eigentlich nicht, da die Frequenz dieselbe ist. Tatsächlich gibt es in den meisten Geräten nur eine Antenne, die gleichzeitig für WLAN und Bluetooth zuständig ist. Allerdings kann WLAN eine deutlich höhere Datenrate übertragen und verbraucht dadurch meist mehr Energie.“
Digitale Funkübertragung mit Bluetooth
Funktechnologien wie Radio, Mobilfunk, WLAN oder Bluetooth nutzen elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen deutlich unterhalb der Frequenz von sichtbarem Licht liegen. Beim analogen Radio wird die Stärke oder die Tonhöhe einer Trägerwelle im Takt des Audiosignals verändert, um Sprache oder Musik zu übertragen. Bei digitalen Verfahren wie Bluetooth dagegen werden die Informationen als lange Folge von Nullen und Einsen gesendet.
Bluetooth Classic unterscheidet diese beiden Ziffern, indem es die Frequenz innerhalb eines Kanals leicht verschiebt – um weniger als ein Megahertz. Der nutzbare Bereich von 2,4 bis 2,48 Gigahertz bietet damit 79 Kanäle. Die Daten werden nicht als kontinuierlicher Strom gesendet, sondern in kleine Datenblöcke zerlegt. Diese sogenannten Pakete werden dann einzeln und nacheinander zwischen den Geräten übertragen.
Um einen Zugriff von Außenstehenden zu verhindern, werden die Daten per Bluetooth stets verschlüsselt hin- und hergeschickt: Wenn sich zwei Geräte verbinden, vereinbaren sie dafür zunächst ein nur ihnen bekanntes Geheimwort. Ohne diesen sogenannten Schlüssel sind die gesendeten Informationen unlesbar.
Viele Leute nutzen Bluetooth, zum Beispiel für kabellose Kopfhörer. Wie wird verhindert, dass sich Signale von verschiedenen Geräten gegenseitig stören?
„Der für Bluetooth genutzte Bereich umfasst 79 Kanäle. Um gegenseitige Störungen zu vermeiden, wird häufig der Kanal gewechselt – teils mehrere Hundert Mal pro Sekunde. Das ist vergleichbar mit einem Spurwechsel auf der Autobahn, auf der Autos sich gegenseitig überholen, um sich nicht zu behindern. Dieser Prozess heißt Frequency Hopping. Die Abfolge, in welcher die Geräte gemeinsam über die Kanäle springen, wird bereits beim Pairing festgelegt.“
Manchmal scheint es trotzdem zu Störungen zu kommen.
„Ja, wenn sich verschiedene Geräte gegenseitig in die Quere kommen, kann das durchaus vorkommen. In einem vollen Raum, etwa in einem Zugwaggon mit vielleicht fünfzig Nutzerinnen und Nutzern, stoßen die Systeme an ihre Grenzen. Je mehr Leute in der Nähe sind, desto mehr Verkehr herrscht auf der „Bluetooth-Autobahn” – und desto mehr Störungen gibt es.“
Aber auch fernab von Menschenmengen habe ich es schon erlebt, dass die Musik zu stocken beginnt, wenn mein Smartphone mit der Anlage verbunden ist und ich aus dem Raum hinausgehe. Was passiert da?
„In dem Fall liegt die Ursache in einem Paketverlust. Das Smartphone schickt die Daten zwar an den Lautsprecher, aber dort kommen womöglich nicht alle Pakete an – denn durch Wände und andere Hindernisse wird das Signal reflektiert und absorbiert. Bluetooth hat verschiedene Techniken, um das auszugleichen: Ein Paket wird meist mehrfach gesendet, teils bis zu fünfzig Mal, um sicherzustellen, dass es ankommt. Je weiter man sich allerdings vom Empfänger entfernt, desto seltener klappt das reibungslos. Wenn schließlich alle Pakete durch Wände und Gegenstände absorbiert werden, bricht die Verbindung ab. Manchmal kommen später einzelne Pakete wieder an – dann stockt die Wiedergabe.“
Wie sicher ist eigentlich eine Bluetooth-Verbindung? Besteht die Möglichkeit, dass Dritte meine Gespräche abhören, Daten mitlesen oder Musik mithören?
„Wenn man ein paar Dinge beherzigt, besteht grundsätzlich kaum die Möglichkeit, die Daten zu entschlüsseln und dann mitzulesen oder mitzuhören. Zum einen sollten regelmäßig Updates durchgeführt werden. Zum anderen würde ich ein Pairing nutzen, bei dem man einen numerischen Code eingeben muss, und Bluetooth nur bei Bedarf einschalten. Außerdem sollte man die Sichtbarkeit des Geräts einschränken, indem man es möglichst auf „nicht sichtbar” stellt, wenn keine Verbindung gewünscht ist.“
Der Ursprung des Namens
Bluetooth entstand in den späten 1990er-Jahren. Ein Entwickler der Firma Intel, Jim Kardash, schlug als Arbeitstitel „Bluetooth“ vor – in Anlehnung an den dänischen König Harald Blauzahn. Die Vereinigung Skandinaviens durch Blauzahn diente dabei als Analogie für eine Schnittstelle zwischen verschiedenen Geräten der Unternehmen Intel, Ericsson und Nokia. Der provisorische Name wurde für die Vermarktung beibehalten. Das Logo von Bluetooth setzt sich aus den Runen von Blauzahns Initialen zusammen.
Sie arbeiten an „Bluetooth Low Energy Audio“. Können Sie kurz erklären, was das ist?
„Bluetooth Low Energy Audio ist die Audiokomponente von Bluetooth Low Energy – einem neuen Bluetooth-Standard, der weniger Energie verbrauchen soll. Ein solcher Standard legt die technischen Spezifikationen fest, wie genau Geräte miteinander kommunizieren.
Der Akku eines Smartphones ist relativ groß und der Energieverbrauch durch die Bluetooth-Verbindung eher unerheblich. Aber in den kleinen Akkus von Kopfhörern oder Hörgeräten wird der meiste Strom tatsächlich für das Senden und Empfangen der Daten sowie den Betrieb der Antenne verbraucht.
Um Energie einzusparen, haben wir bei Fraunhofer gemeinsam mit Ericsson den neuen Audiocodec LC3 entwickelt. Das Ziel ist – wie auch bei vorherigen Audiocodecs –, eine Musikdatei möglichst klein zu machen, ohne dabei wichtige Klangbestandteile zu verlieren. Je besser dieses Komprimieren gelingt, desto weniger Energie wird später für die Übertragung der Datei verbraucht. LC3, der fest zu Bluetooth Low Energy Audio gehört, liefert nun bei halber Datenrate eine bessere Qualität als der derzeitige Standard.“
Wie sieht die Zukunft von Bluetooth aus? Wird Bluetooth bleiben oder gibt es schon ein neues System am Horizont?
„Bluetooth Low Energy Audio ist zwar seit 2020 auf dem Markt, aber bisher unterstützen nur wenige Geräte diesen Standard. Es wird also noch einige Zeit dauern, bis sich dieser voll etabliert hat. Bluetooth hat einen hohen Marketingwert, da heute erwartet wird, dass jedes Gerät Bluetooth beherrscht. Sich vorzustellen, ein Smartphone ohne Bluetooth zu kaufen, erscheint derzeit undenkbar. Es ist schwer vorherzusagen, ob ernsthafte Konkurrenz entstehen wird – momentan sehe ich keine Anzeichen dafür, dass Bluetooth in naher Zukunft durch ein anderes System ersetzt wird.“
Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/wie-funktioniert-bluetooth/
