Unterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy

Kennen Sie den Unterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy?

1994 von dem schwedischen Hersteller Ericsson entwickelt, wurde die erste Bluetooth-Spezifikation (1.0) erst fünf Jahre später, im Jahr 1999, veröffentlicht. Die von der Special Interest Group (SIG), die sich aus mehreren großen Unternehmen wie IBM, Intel, Toshiba, Microsoft und Motorola zusammensetzt, vorangetriebene drahtlose Kommunikationstechnologie Bluetooth erlebte ab Anfang der 2000er Jahre einen großen Aufschwung, da sie in vielen Geräten des täglichen Lebens, angefangen bei Smartphones, eingesetzt wurde. Es dauerte jedoch bis 2010, bis die Version Bluetooth 4.0 auf den Markt kam, die die energiesparende Bluetooth-Variante beinhaltet, die als Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth LE oder Bluetooth Smart bekannt ist.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy (BLE), die Vor- und Nachteile der beiden Varianten und wie sie funktionieren. Los geht’s!

Definition der Begriffe

Was ist Bluetooth?

Bluetooth, das in unserem Alltag zur Übertragung von Daten wie Musik, Fotos und Videos verwendet wird, ist eine drahtlose Verbindungstechnologie mit kurzer Reichweite, die es ermöglicht, digitale Geräte miteinander zu verbinden. Es kann mit verschiedenen Geräten verwendet werden: einem Telefon, einem Computer oder einem drahtlosen Kopfhörer. Dieses drahtlose Kommunikationsprotokoll wurde entwickelt, um Geräte automatisch, schnell und ohne Kabel zu verbinden.

Bluetooth hat einen großen technologischen Fortschritt ermöglicht. In der Tat haben Mobiltelefone große Fortschritte gemacht, da sie miteinander und mit verschiedenen Zubehörteilen interagieren können. Diese drahtlose Technologie hat unsere Nutzung verändert und in den letzten Jahren zu einer explosionsartigen Zunahme von vernetzten Haushaltsgegenständen geführt.

Die Industrie erkannte schnell das Potenzial dieser Technologie, aber da technische Entwicklungen notwendig waren, um Bluetooth wirklich in industriellen Umgebungen einsetzen zu können, dauerte es bis zur Version 4.0, um eine massive Einführung zu ermöglichen. Dies war die Geburtsstunde von Bluetooth Low Energy.

Was ist Bluetooth Low Energy (BLE)?

Die Bluetooth Low Energy smart oder Bluetooth smart ist eine Variante des “klassischen” Bluetooth, die es ermöglicht, geringe Datenmengen zu senden. Der Hauptunterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy ist der geringe Energieverbrauch des letzteren. Daher der Name “Low Energy”. Diese technische Besonderheit ermöglicht es unter anderem, die Betriebsdauer von verbundenen Objekten erheblich zu verlängern, indem die Aktivitätszeit verkürzt wird. Aufgrund seiner Funktionsweise scheint Bluetooth Low Energy eher für den industriellen Gebrauch geeignet zu sein. Die meisten industriellen Anwendungsfälle erfordern weder eine hohe Sendefrequenz noch die Übertragung einer großen Anzahl von Informationen.

Daher ist Bluetooth Low Energy perfekt für die Übertragung von Daten wie Temperatur, Helligkeit, Bewegungsschwelle, ID oder Uhrzeit geeignet. Im Gegensatz zu herkömmlichem Bluetooth benötigt BLE kein Master/Slave-Pairing, um zu funktionieren, was die breite Nutzung erheblich erleichtert.

Bluetooth 5.0 und Bluetooth LE Audio

Seit der Einführung von Bluetooth 5.0 im Jahr 2016 hat BLE erhebliche Verbesserungen erfahren, die mit Bluetooth 5.1 und Bluetooth 5.2 noch weiter ausgebaut wurden. Diese neuen Spezifikationen haben unter anderem die Übertragungsgeschwindigkeit und die Reichweite verbessert, aber auch die Möglichkeit, Bluetooth als Ortungstechnologie zu nutzen, indem bei klassischem Bluetooth die Erkennung des Ankunftswinkels und bei BLE die Möglichkeit, die Richtung des Signals zu bestimmen, hinzugefügt wurde. Diese Fortschritte ermöglichen neue Anwendungen, wie z.B. die präzise Ortung in Innenräumen (Indoor Positioning System, IPS) mit Hilfe von BLE-Beacons.

Die Bluetooth SIG arbeitet an der Möglichkeit, Audioprofile in BLE zu erstellen, die bisher dem klassischen Bluetooth vorbehalten waren.

Technische Funktionsweise: Unterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy

Damit die Geräte miteinander kommunizieren können, arbeiten Bluetooth und BLE mit UHF (Ultrahochfrequenz)-Radiowellen auf Frequenzen zwischen 2,4 GHz und 2,483 GHz, ähnlich wie WIFI und andere Systeme wie Zigbee.

Der Bluetooth-Standard (einschließlich BLE) verwendet die FHSS-Technik (Frequency Hopping Spread Spectrum ) , bei der das Frequenzband in 39 Kanäle mit einer Breite von 1 MHz aufgeteilt wird. Er überträgt dann die Informationen mit Hilfe einer Kombination von Kanälen. Durch den Wechsel des Kanals bis zu 1600 Mal pro Sekunde vermeidet der Bluetooth-Standard Interferenzen mit den Signalen anderer Funkmodule, was in industriellen Umgebungen praktisch sein kann.

Wie funktioniert Bluetooth?

Gehen wir näher auf die technische Funktionsweise von Bluetooth ein. Wie bereits erwähnt, basiert der Bluetooth-Standard auf einem Master/Slave-Betrieb , der ein Pairing erfordert, das mehr oder weniger lange dauern kann. Wenn Sie beispielsweise Musik von Ihrem Smartphone an einen angeschlossenen Lautsprecher senden möchten, ist in dieser Konfiguration das Smartphone der “Master” und der angeschlossene Lautsprecher der “Slave”.

Der Master wird die Präsenz der um ihn herum vorhandenen Geräte erfassen. Dies wird als “Pico-Netzwerk” bezeichnet. Ein Master kann nur mit einem aktiven Gerät gleichzeitig verbunden sein, wird aber vor dem Verbindungsaufbau sehr schnell umschalten, um die Illusion einer gleichzeitigen Verbindung zu mehreren Geräten zu erzeugen.

Der Aufbau einer Verbindung zwischen zwei Geräten durchläuft mehrere Schritte, um ein gewisses Maß an Sicherheit zu gewährleisten:

• Inquisitionsphase (inquiry)
• Synchronisation mit dem Zugangspunkt (Paging)
• Entdeckung der Dienste des Zugangspunkts
• Erstellen eines Kanals mit dem Zugangspunkt
• Zahlung mit PIN-Code
• Nutzung des Netzwerks

Sobald die beiden Geräte verbunden sind, können sie miteinander kommunizieren. Obwohl der Sicherheitsschlüssel gespeichert wird, um den späteren Austausch zu erleichtern, ist immer noch ein Pairing erforderlich.

Wie funktioniert Bluetooth Low Energy?

Das Bluetooth Low Energy Kommunikationsprotokoll basiert auf einer Reihe von Schichten, die für den Datenaustausch wichtig sind: Generic Access Profile (GAP), Generic Attribute Protocol (GAAT) und Attribute Protocol (ATT) sowie die Schicht Link Layer (LL).

Die GAP-Schicht: Definition der Rollen

Die GAP-Schicht (Generic Access Profile) führt die verschiedenen Rollen ein, die ein mit BLE verbundenes Objekt haben kann: Broadcaster, Observer, Central und Peripheral. Diese Schicht macht die BLE-Geräte für die Außenwelt sichtbar und bestimmt, wie zwei Geräte miteinander interagieren können (oder nicht).

Die Rolle wird vom Hersteller definiert, der die Art der Rolle in Abhängigkeit von der Nutzung und den Funktionen, die er seinem Produkt geben möchte, entscheidet.

• Broadcaster: Er kann als Server eingesetzt werden. Seine Aufgabe ist es, Daten an andere Geräte (Clients) zu übertragen. Er arbeitet im Advertising-Modus und unterstützt nicht den “verbundenen” Modus.
• Beobachten/Scannen: In diesem Fall hört das Objekt auf die umliegenden Broadcaster. Es interpretiert die vom Broadcaster gesendeten Daten und wird entsprechend reagieren. Es arbeitet im Advertising-Modus und unterstützt nicht den “verbundenen” Modus.
• Die Zentrale: Sie fungiert als Gateway (Slave) zwischen den Peripheriegeräten (Master) und den Servern des Nutzers. Er kann Daten von den Peripheriegeräten empfangen, kann aber auch Informationen an diese zurücksenden. Er unterstützt daher den “verbundenen” Modus.
• Die Peripherie: Sie wird alle Verbindungen von der Vermittlungsstelle annehmen und periodisch Daten an sie übertragen. Er unterstützt daher den “verbundenen” Modus.

Es ist wichtig zu wissen, dass es bei Bluetooth Low Energy zwei Möglichkeiten gibt, wie zwei Geräte miteinander kommunizieren können: den Advertising-Modus und den Connected-Modus. Im Werbemodus senden die mit BLE verbundenen Geräte in regelmäßigen Abständen ihre Informationen, ohne dass sie eine Rückmeldung erhalten können. Der verbundene Modus ermöglicht es den verbundenen Objekten, miteinander zu kommunizieren und Informationen auszutauschen. Diese Verbindung kann authentifiziert und verschlüsselt werden, um die Sicherheit zu erhöhen.

Die GATT- und ATT-Schichten: Client-Server-Beziehung

Die GATT-Schicht (Generic Attribute Profile) ist eine Methode zur Darstellung von Daten, die von BLE-Geräten verwendet wird. Diese Methode basiert auf der Client/Server-Beziehung (ATT), bei der das verbundene Objekt die Rolle des Servers übernimmt, der seine Dienste dem Endgerät (Smartphone, Computer und andere Gateways) anbietet, das sich als Client mit ihm verbindet. Das verbundene Objekt sendet periodisch einen Rahmen aus, um dem “Kunden” in der Nähe seine Anwesenheit zu signalisieren. Sobald die Verbindung hergestellt ist, können sich der Client und der Server miteinander verbinden.

Die LL-Schicht: die Master/Slave-Beziehung

Der Link Layer (LL) führt den “Master”- und den “Slave” -Modus ein. Die “Zentrale” übernimmt die Rolle des “Masters” und die Peripheriegeräte die Rolle des “Slaves”. Der “Master” kann einen Befehl geben, einen Befehl an einen oder mehrere “Slaves” senden, während die Geräte, die “Slaves”, sich jeweils nur mit einem “Master” verbinden können.

Wir haben uns hier mit den Details der technischen Funktionsweise von Bluetooth Low Energy befasst. Diese Informationen richten sich insbesondere an Integratoren von IoT-Lösungen. Für den Endnutzer ist die Verbindung zwischen Bluetooth-Geräten und Servern völlig transparent. Bluetooth Low Energy ist sehr einfach zu verwenden und vollständig kompatibel mit Smartphones, PCs und Tablets auf dem Markt.

Bluetooth und Bluetooth Low Energy: Vor- und Nachteile dieser Kommunikationsprotokolle

Die Kommunikationsprotokolle Bluetooth und Bluetooth Low Energy haben zwar eine gemeinsame Basis, richten sich aber an unterschiedliche Zielgruppen und erfüllen nicht dieselben Anforderungen. Die folgende Übersicht hilft Ihnen, Ihre Wahl zu treffen und den Unterschied zwischen Bluetooth und Bluetooth Low Energy zu verstehen.

Klassisches Bluetooth

Bluetooth Low Energy

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Weitere Informationen

Was zu beachten ist :

Das “klassische” Bluetooth wird eher von der breiten Öffentlichkeit genutzt werden, da es in der Lage ist, eine große Menge an Daten wie Musik oder Videos zu streamen.

BLE wird eher für die Industrie bestimmt sein und ermöglicht es, eine kleine, nicht kontinuierliche Menge an Informationen über einen längeren Zeitraum zu übertragen. Der geringe Stromverbrauch sorgt für günstige Anschaffungskosten und ermöglicht es Unternehmen, IoT-Projekte schnell und einfach zu implementieren.