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Bluetooth » einfach erklärt

Bluetooth heißt das Zauberwort, wenn es im Nahbereich um die drahtlose Übertragung von Daten geht. Wir erklären Ihnen gerne was hinter dem Begriff „Blauzahn“ steckt und wie die Technik funktioniert.

Was ist ein Bluetooth?

Das Bluetooth-Logo mit den Initialen von König Harald Blauzahn.

Bluetooth ist ein Funkstandard, um auf kurze Distanzen Daten, Musik, Videos oder Bilder zu übertragen. Somit können zwei gekoppelte Geräte miteinander kommunizieren, ohne dass zwischen ihnen eine Kabelverbindung besteht.

Bluetooth wurde Ende der 1990er Jahre von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) als Industriestandard entwickelt und entspricht der IEEE 802.15.1 (Institute of Electrical and Electronics Engineers = weltweiter Berufsverband von Ingenieuren aus den Bereichen Elektronik und Informationstechnik). Der Interessensgemeinschaft gehören mittlerweile über 30.000 Unternehmen an, die sich die Weiterentwicklung und Verbreitung der Bluetooth-Technik zum Ziel gesetzt haben.

Zu den Gründungsfirmen der Bluetooth SIG zählten u.a. auch die skandinavischen Firmen Ericsson und Nokia, deren Vertreter vermutlich maßgeblich an der Namensgebung beteiligt waren. Der Name Bluetooth (Blauzahn) leitet sich von Harald Blatand (910 – 987) ab, der als König von Dänemark und Norwegen u.a. auch als ausgesprochen kommunikationsfähiger Diplomat bekannt war. Das Bluetooth-Logo besteht aus dem Monogramm der Initialen HB in Runenschrift.

Wie funktioniert Bluetooth?

Mehrere Piconetze ergeben ein Scatternetz.

Mit Hilfe von Bluetooth bauen Geräte untereinander eine 2,4 GHz Funkverbindung auf und können danach Daten übertragen. In der Praxis könnten das ein Android-Smartphone und z.B. ein Bluetooth-Lautsprecher sein. Wenn bei beiden Geräten die Bluetooth-Funktion aktiviert wurde, erzeugen sie ein Wireless Personal Area Network (Piconet), bei dem eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung besteht.

In einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung können bis zu acht Bluetooth-Geräte aktiv miteinander Daten austauschen. Ein Gerät fungiert dann als „Master“ (M) und die restlichen Teilnehmer sind „Slaves“ (S). Der „Master“ ist für die Steuerung der Kommunikation innerhalb des Piconetzes zuständig. Die einzelnen Geräte identifizieren sich untereinander über eine 3 Bit-AMA (Active Member Address).

Geräte, die nicht aktiv am Datenaustausch teilnehmen (P), können im Parkmodus die Synchronisation halten und bei Bedarf aktiv werden. Für den Parkmodus erhalten die Teilnehmer eine 8 Bit-PMA (Passive Member Address), sodass bis zu 256 passive Teilnehmer möglich wären.

Grundsätzlich kann ein Bluetooth-Gerät in mehreren Piconetzen angemeldet sein, aber nur in einem als „Master“ agieren. Bei Bedarf können mehrere Piconetze zu einem Scatternetz zusammengefasst werden. Durch die unterschiedlichen Frequency Hopping-Folgen in den einzelnen Piconetzen leidet die Datenrate jedoch erheblich.

Wie wird Bluetooth aktiviert?

Am Telefon müssen Bluetooth und die Sichtbarkeit aktiviert sein.

Um z.B. mit zwei Bluetooth-fähigen Smartphones eine drahtlose Verbindung aufbauen zu können, muss zunächst an beiden Handys unter dem Menü „Einstellungen“ die Bluetooth-Funktion aktiviert werden.

Damit die Smartphones sich gegenseitig erkennen, muss bei beiden Handys die Sichtbarkeit für andere Bluetooth-Geräte eingeschaltet sein. Wenn der gewünschte Teilnehmer in der Liste der sichtbaren Geräte erscheint, kann die Kopplung (Pairing) von einem der beiden Geräte durchgeführt werden.

Dabei wird zunächst ein Sicherheitscode ausgetauscht, der entweder nur bestätigt oder eingegeben werden muss. Anschließend startet der Pairing-Vorgang. Nach erfolgter Kopplung können z.B. Bilder, Musik oder Videos von einem Telefon zum anderen übertragen werden.

Die kabellose Freiheit beim Telefonieren.

Um z.B. ein Headset mit dem Handy zu verbinden muss zunächst das Headset in den Bindungsmodus geschaltet werden.

Die Vorgehensweise ist in den Unterlagen des Headsets zu finden, da die von Hersteller zu Hersteller variieren kann.

Danach muss am Handy die Bluetooth-Funktion aktiviert und das Bluetooth-Headset gesucht werden. Dazu sollten Smartphone und Headset einen max. Abstand von 1,5 m zueinander aufweisen.

Wenn das Headset angezeigt wird, muss die Verbindung aktiviert und eventuell noch ein PIN-Code eingegeben werden.

Welche Funktechnik wird für Bluetooth genutzt?

Dank Frequenz-Hopping ist Bluetooth sehr stabil und zuverlässig.

Für die Funkverbindung nutzt Bluetooth das ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical).

In dem Bereich von 2,402 – 2,480 GHz stehen insgesamt 79 Kanäle mit einer Bandbreite von je 1 MHz zur Verfügung. Da der Frequenzbereich um 2,4 GHz auch für WLAN oder für Funkfernsteuerungen genutzt wird, führt Bluetooth ein Frequenz-Hopping durch.

Das bedeutet, dass der Sender und der Empfänger nur für den Bruchteil einer Sekunde auf einen Kanal Daten austauschen und dann gemeinsam auf einen anderen Kanal wechseln.

Sollte ein Kanal durch externe Störungen blockiert sein, so betrifft das nur einen minimalen Anteil der übertragenen Informationen, der problemlos korrigiert werden kann. Dadurch wird die Störsicherheit deutlich erhöht, wodurch die Bluetooth-Verbindung sehr stabil ist.

Welche Bluetooth-Versionen gab und gibt es?

Seit der Einführung des Bluetooth-Standards 1.0 im Jahr 1999 gab es zahlreiche Entwicklungsschritte, welche die Funktionalität, Datenrate und auch die Reichweite verbessert haben.

Bluetooth 1.0a & 1.0b

Bei den beiden ersten Versionen von 1999 gab es noch viele Unzulänglichkeiten und Fehler. Dadurch gelang es auch nicht Geräte unterschiedlicher Hersteller untereinander zu verbinden. Die Übertragungsrate war auf 723 Kbit/s begrenzt.

Bluetooth 1.1

In dieser Version, die 2001 erschienen ist, wurden die Fehler der Vorgänger-Versionen größtenteils behoben. Nun waren auch Verbindungen von Geräten unterschiedlicher Hersteller machbar. Hinzu kam noch die Möglichkeit, verschlüsselte Verbindungen aufzubauen und ein Signalstärke-Indikator wurde hinzugefügt.

Bluetooth 1.2

Da es mit WLAN-Netzen Probleme und Verbindungsabbrüche gab, wurde 2003 das Frequenzsprung-Verfahren AFH (Adaptive Frequency Hopping spread spectrum) eingeführt. Bei diesem Verfahren wird bis zu 1600 Mal pro Sekunde die Frequenz gewechselt. Störungen durch andere 2,4 GHz Funksysteme wurden dadurch so gut wie komplett eliminiert. Die Datenrate betrug nun stolze 1 Mbit/s.

Bluetooth 2.0

Endes des Jahres 2004 wurde mit der Version 2.0 die erweiterte Datenübertragung EDR (Enhanced Data Rate) eingeführt. Dadurch wurden die Akkus der Geräte geschont und die Übertragungsrate stieg auf bis zu 2,1 Mbit/s an.

Bluetooth 2.1

Dank Secure Simple Paring (SSP) konnten ab 2007 Verbindungen leichter aufgebaut werden. Zudem wurde die Übertragungssicherheit erhöht und eine vorrangige Bearbeitung bestimmter Datenpakete eingeführt.

Bluetooth 3.0

Durch die Einführung eines zusätzlichen High Speed Kanals konnte im April 2009 die Übertragungsgeschwindigkeit theoretisch auf bis zu 24 Mbit/s angehoben werden. Die Kopplung zweier Geräte erfolgte nach wie vor per Bluetooth, wobei dann größere Datenmengen über WIFI übertragen wurden. Die Kommunikation erfolgte zwischen den einzelnen Geräten (Peer-to-Peer) und nicht mehr durch Verteilung (Multicast).

Bluetooth 4.0

Mit der Einführung der Version 4.0 hat man Ende 2010 weniger Wert auf Reichweite gelegt. Vielmehr stand das Stromsparen im Vordergrund. Mit Bluetooth Low Energy wurden Daten nur mit max. 220 Kbit/s übermittelt, dafür war die Übertragung aber sehr stromsparend. Somit war die Technik ideal für das Internet der Dinge (IoT) geeignet, wo z.B. Türschlösser, Wettersensoren, Fitnesstracker oder Smartwatches nur eine begrenzte Akkukapazität haben.

Bluetooth 4.1

Um der immer größer werdenden Anzahl von Bluetooth-Geräten gerecht zu werden, wurde im Dezember 2013 mit IPv6 die Adressiermöglichkeit deutlich erweitert. Ebenso neu war auch die Möglichkeit, jedes Gerät als Host oder Client betreiben zu können. Ohne den Umweg über das Smartphone nehmen zu müssen, konnten nun z.B. Pulsmesser und Fitnessarmband direkt gekoppelt werden.

Bluetooth 4.2

Bei der im Dezember 2014 erschienen Version lag das Augenmerk auf der Verbesserung der Leistungsfähigkeit im LE-Modus. Die Geschwindigkeit konnte auf das 2,5 fache der herkömmlichen Low-Energy Variante erhöht werden. Zudem wurde mit dem ECC- bzw. AES-CMAC-Standard die Datensicherheit optimiert.

Bluetooth 5.0

Bei dieser Version, die seit Juni 2016 verfügbar ist, wurden Reichweite, Geschwindigkeit und Stromverbrauch optimiert. Im Low Energy-Modus sind nun 2Mbit/s möglich und mit Enhanced Data Rate (EDR) sogar 3 Mbit/s, wobei die Reichweite bis zu 200 m beträgt. Im Gegensatz zur Version 4, die Wearables wie Headsets, Smartwatches oder Fitnessarmbänder im Fokus hatte, eignet sich die Version 5 auch für Rauchmelder, Thermostate, Smart Home-Komponenten oder IoT-Sensoren. Da z.B. IoT-Sensoren nur die Bluetooth LE-Funktionen benötigen, können diese Sensoren klein, günstig und stromsparend aufgebaut werden.

Weitere Vorteile von Bluetooth 5.0

Bluetooth 5 wird auch als Bluetooth SMART bezeichnet.

Neben der Erhöhung der Reichweite und der Datenkapazität bei gleichzeitiger Energieeinsparung ist die Nutzung von verbindungslosen Diensten ein weiterer großer Vorteil von Bluetooth 5.

Das vormals manuelle Verbinden von Bluetooth-Geräten (Pairing) entfällt. Die Geräte sollen sich selbsttätig verbinden, wenn das vom Hersteller so vorgesehen wurde. Bluetooth 5 wird auch als Bluetooth SMART bezeichnet.

Bluetooth 5 eignet sich mit seiner Low Energy-Funktion auch perfekt für sogenannte Beacons. Mit den kleinen Bluetooth LE-Sendern lassen sich z.B. Personen in Supermärkten lokalisieren oder auch Pakete in einem Logistikzentrum verfolgen. Dabei verzichten die Beacons auf die Pairing-Funktion, was effektiv Zeit spart und den Energieverbrauch senkt.

Was ist ein Bluetooth-Profil?

Während Bluetooth die Basis für den schnurlosen Datenaustausch mit anderen Geräten schafft, legt das Bluetooth-Profil fest, welche Daten und Funktionalitäten ausgetauscht werden können. 

Bei Headsets und Freisprecheinrichtungen sind die Profile „HSP“ (Headset-Profile) oder „HFP“ (Hands Free Profile) erforderlich. Das Profil „AVRCP“ (Audio/Video Remote Control Profile) hingegen wird benötigt, um z.B. einen geeigneten Mediaplayer zu steuern.

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Bluetooth-Profilen, die ständig erweitert werden. So wurde mit Bluetooth 4.0 das Profil „GATT“ (Generic Attribute Profile) für die energieeffiziente Übertragung kleiner Datenmengen (Sensordaten) neu erstellt.

Wie groß ist die Bluetooth-Reichweite?

Bei Bluetooth gibt es drei Klassen mit unterschiedlicher Sendeleistung und Reichweite:

Klasse 1:

Das ist die stärkste Klasse, bei der mit maximal 100 mW (Milliwatt) gesendet wird. Im freien Feld werden in dieser Klasse Reichweiten um die 100 m erreicht. Sender und Empfänger dieser Leistungsklasse sind oft in Notebooks oder PCs zu finden.

Klasse 2:

In dieser Leistungsklasse liegt die maximale Sendeleistung bei 2,5 mW. Die im freien Feld erreichbare Distanz liegt bei ca. 50 m. Bluetooth-Komponenten mit dieser Leistungsklasse finden sich in PCs, Notebooks oder auch Bluetooth-Adaptern.

Klasse 3:

Das ist die schwächste Leistungsklasse. Die maximale Sendeleistung liegt hier bei ca. 1 mW. Die Reichweite im freien Feld liegt hier bei ca. 10 m. Diese Technik wird bei mobilen Geräten wie Bluetooth-Kopfhörer, Freisprecheinrichtungen oder MP3-Playern genutzt.

Wichtig!
Neben der reinen Sendeleistung sind auch die Empfindlichkeit der Empfänger und die Anordnung der Antennen entscheidend für die tatsächliche Reichweite. Aber auch die örtlichen Gegebenheiten sind wesentliche Faktoren, die sich auf die nutzbare Distanz auswirken. Eine Betondecke mit Stahlarmierung oder Metallteile können selbst bei Klasse 1-Geräten die Reichweite auf wenige Meter schrumpfen lassen.

Wie schnell ist die Übertragung bei Bluetooth?

Die Bluetooth-Übertragungsgeschwindigkeit steigt stetig an.

Die Übertragungsgeschwindigkeiten haben sich bei den unterschiedlichen Versionen immer wieder geändert:


Bluetooth 1.0 / 1.1:

Bei den ersten Bluetooth-Versionen lag die Übertragungsgeschwindigkeit bei 723 kbit/s. Das reichte für die damaligen Anwendungen vollkommen aus.


Bluetooth 1.2:

Die Übertragungsgeschwindigkeit wurde auf 1 Mbit/s angehoben.


Bluetooth 2.0 / 2.1:

Die zweite Version von Bluetooth wies mit 2,1 Mbit/s schon die dreifache Geschwindigkeit der Urversion auf.
 

Bluetooth 3.0:

Durch die Unterstützung eines HighSpeed-Kanals auf der Basis von WLAN und UWB waren theoretisch Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 24 Mbit/s möglich.


Bluetooth 4.0 / 4.1 / 4.2:

Mit max. 25 Mbit/s befindet sich die Übertragungsgeschwindigkeit auf dem Niveau vieler WLAN-Netzwerke.


Bluetooth 5:

Bei der neuesten Version beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit bis zu 50 Mbit/s.

Wird Bluetooth auch in Zukunft genutzt werden?

Diese Frage lässt sich ganz klar mit einem „Ja“ beantworten. Speziell bei den IoT-Anwendungen sehen Spezialisten ein enormes Wachstumspotential. Denn hier werden immer mehr kleine und stromsparende Bluetooth-Komponenten für den automatisierten Kommunikationsaufbau bzw. für die Vernetzung benötigt.

Ein weiteres Einsatzfeld stellen Kraftfahrzeuge dar. Mittlerweile ist es bereits Standard, das sich beim Einsteigen der Bordcomputer selbsttätig und vollautomatisch mit dem Smartphone des Fahrers verbindet.

Aber auch in der Industrie und bei der Automatisierungstechnik wird die zuverlässige und störungsresistente Bluetooth-Technologie genutzt. Denn sie ist die ideale Basis für eine kabellose Steuerung von Maschinen und Anlagen.

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