Nahezu jedes moderne Telekommunikationsgerät weist für die Anbindung von Geräten wie Tastatur, Maus oder Headset heute eine Bluetooth-Schnittstelle auf. Auch für industrielle M2M-Anwendungen hat sich diese Funktechnologie bereits bewährt - sie punktet dabei vor allem in Anwendungen, bei denen es auf besonders robuste, deterministische Übertragungen mit mittleren Datenraten ankommt. Hierzu zählt neben der Übertragung zyklischer Prozessdaten in der Sensor-Aktor-Ebene die drahtlose Erweiterung industrieller Feldbusse. Studien und Praxisanwendungen haben unter Beweis gestellt, dass eine industrielle Bluetooth-Verbindung selbst zeitkritische und sicherheitsrelevante Protokolle wie beispielsweise Profisafe tragen kann.

Um das volle Potenzial und alle Vorteile dieser Technologie auszuschöpfen, sind allerdings spezielle Implementierungen vonnöten, die die Geräte für industrielle Zwecke optimieren. Bedeutende Unterschiede zu den typischen Implementierungen des Massenmarktes bestehen hierbei vor allem bezüglich Koexistenz, Reichweite, Sicherheit, Robustheit, Zeitverhalten und Deterministik.

Koexistenz

Aufgrund der ohne Zutun des Anwenders automatisch arbeitenden Koexistenz- Mechanismen - der automatisch nachgeführten Sendeleistung und des so genannten Adaptive Frequency Hopping (AFH) - gewährleistet die Bluetooth-Technologie bereits ein hohes Maß an Koexistenz. AFH heißt: Ab der Bluetooth- Version 1.2 sind Geräte in der Lage, gestörte Frequenzen zu erkennen und zu vermeiden, indem die betroffenen der 79 verfügbaren Kanäle vom Frequenzsprungmuster ausgeschlossen werden. So ist beispielsweise störungsfreie Koexistenz mit WLAN-Kanal 1 dadurch zu gewährleisten, dass der AFH-Algorithmus die korrespondierenden Kanäle 0 bis 24 als belegt erkennt und sperrt.  

Da beide Mechanismen auf Überwachung der Signalqualitätsparameter eigener Übertragungen beruhen, sind ihrer Wirksamkeit jedoch Grenzen gesetzt:

• Die Mechanismen benötigen eine gewisse Lernzeit, innerhalb der das Gerät weiterhin mit höherer Leistung als nötig oder auf von Fremdnetzen verwendeten Frequenzen sendet.
• Die Arbeitsweise des AFH setzt voraus, dass die eigene Übertragung durch das Fremdnetz gestört wird. Im Umkehrschluss muss nicht erfüllt sein, dass dies auch für Fremdübertragungen in diesem Frequenzbereich zutrifft, wenn die eigene Übertragung ungestört ist.
• Beide Mechanismen sind bei Inquiry (Suche nach verbindbaren Geräten) und Paging (Rufverfahren) außer Kraft.

Verbesserung der Koexistenz

Aufgrund dieser Einschränkungen dürfen Bluetooth-Geräte beispielsweise in der Automobilindustrie nur dann eingesetzt werden, wenn sie zusätzliche Maßnahmen zur Koexistenzverbesserung implementieren:

Eine davon ist das Channel Blacklisting: Unter diesen Begriff fällt die Unterstützung einer benutzerspezifischen Frequenzmaske, das heißt die Möglichkeit, erlaubte und verbotene Bereiche des genutzten Frequenzspektrums in Schritten von 1 MHz frei definieren zu können. So lässt sich im laufenden Betrieb eine Interferenz für die als verboten deklarierten Bereiche ausschließen. Auf die verbleibenden Frequenzbereiche ist optional zusätzlich AFH anwendbar, sofern noch mindestens 20 der 79 Kanäle verbleiben (determistisches Frequenzmultiplex).

Eine weitere wichtige Maßnahme ist das modifizierte Inquiry. Das bedeutet: Durch geeignete Parametrierung/Steuerung des Vorgangs ist das Störpotenzial des Inquiry deutlich reduzierbar. So wird durch Festlegung einer maximalen Dauer jedes Inquiry auch die Dauer einer möglichen Störbeeinfl ussung limitiert. In Verbindung mit der Möglichkeit zur Festlegung eines zeitlichen Mindestabstandes aufeinander folgender Inquiries kann die potenzielle Störbeeinflussung anderer Netze auf ein deterministisches Maß begrenzt werden.

Ein dritter, wichtiger Aspekt ist die Begrenzung der Sendeleistung. Während in typischen Implementierungen ein Bluetooth-Gerät Inquiry und Paging mit fester, oft maximaler Sendeleistung ausführt, erlauben bestimmte industrielle Geräte eine benutzerdefinierte Vorgabe der für Inquiry und Paging verwendeten Leistung sowie die Begrenzung des Leistungsregelbereichs für den laufenden Betrieb. Auf diese Weise kann der Anwender implizit die Reichweite des Senders und somit auch die maximal zu erwartende Interferenz auf ein deterministisches Maß begrenzen (determistisches Raummultiplex).

Reichweite

Hinsichtlich des Link-Budgets, welches maßgeblich für die erzielbare Reichweite ist, lässt die Bluetooth-Spezifikation einen sehr großen Spielraum. Da höhere Empfangsempfindlichkeit oder Sendeleistung mit höherem Stromverbrauch und höheren Kosten einhergehen, sind diese für die Mehrzahl handelsüblicher Geräte im unteren Bereich angesiedelt.

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Da viele handelsübliche Geräte nur geringe Reichweiten erzielen, wird Bluetooth fälschlicherweise oft zugeschrieben, nur geringe Distanzen überbrücken zu können. Die erzielbare Reichweite ist allerdings primär eine Eigenschaft der jeweiligen Implementierung, nicht der Technologie selbst!

In industriellen Anwendungen sind nicht selten hohe Reichweiten gewünscht beziehungsweise es wird gefordert, dass die Funkverbindung auch bei schwankender Distanz oder sich zwischen die Teilnehmer schiebenden Objekten aufrecht erhalten wird. Entsprechende Geräte verwenden daher Sender, welche durch entsprechende Verstärker die Sendeleistungsklasse 1 - mindestens 1 mW (0 dBm), maximal 100 mW (20 dBm) - erreichen. Auch werden empfangsseitig rauscharme Verstärker eingesetzt, welche die Eingangsempfindlichkeit des Empfängers bedeutend verbessern. Mit entsprechend optimierten Designs können industrielle Bluetooth-Geräte auf diese Weise im Freifeld Distanzen im Kilometerbereich überbrücken.

Neben der Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit spielt das Antennendesign eine wichtige Rolle. Während die Bluetooth-Hardware selbst auf sehr kleiner Fläche integrierbar ist, gilt dies nicht für hochwertige Antennen, da die Geometrie der Antenne maßgeblich von der Wellenlänge des genutzten Frequenzbereichs definiert wird. Um große Distanzen überbrücken zu können oder bestmögliche Netzabdeckung zu erreichen, bieten entsprechende industrielle Geräte daher einen externen Antennenanschluss. Auf diese Weise kann die für die Anwendung am besten geeignete Antenne - Richtstrahler, Rundstrahler oder Sektorantenne - zum Einsatz kommen. Zudem ermöglicht dies eine Unterbringung von Geräten im geschützten Schaltschrank. Während eine interne Antenne hier nur noch sehr schlechte Ergebnisse erzielen könnte, lässt sich die externe Antenne in günstiger Position platzieren - beispielsweise auf der Oberseite des Schaltschranks montiert oder über ein Verlängerungskabel auch außerhalb des Gebäudes für eine gute Verbindung mit im Freien befindlichen Kommunikationspartnern.

Sicherheit

Für die Hardware-Architektur eines Bluetooth-Geräts bestehen zwei Grund varianten. Während für die Variante „system on chip“ (links im Bild) die Zulassung oft kostenfrei von einer Basiszulassung abgeleitet werden kann, muss ein Gerät der anderen Architektur die Konformität in der Regel durch entsprechende Laborprüfungen belegen. Die höhere Performanz und Flexibilität eines Zwei-Komponenten-Designs wird mit höheren Kosten und längerer Entwicklungszeit erkauft.

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Industrielle Bluetooth-Implementierungen setzen häufig den Non-Discoverable-Mode (Gerät antwortet nicht auf Suchanfragen) ein. Ihre Existenz lässt sich daher nur bei aktivem Datenaustausch und dann auch nur mit hochwertigen Messgeräten feststellen. Selbst wenn der Angreifer sich in Reichweite eines ihm bekannten Netzwerks befindet, gilt dieses nach heutigem Kenntnisstand dennoch als unangreifbar, sofern es von den durch die Bluetooth-Technologie angebotenen Sicherheitsmechanismen Gebrauch macht. Industrielle Bluetooth-Geräte sind daher beispielsweise ab Werk so voreingestellt, dass sie den Sicherheitsanforderungen, beispielsweise von Profisafe, genügen; das heißt, sie verwenden den Sicherheitsmodus 3 (Sicherung auf Verbindungsebene) bei aktivierter Verschlüsselung und empfehlen dem Anwender die Verwendung eines sicheren PIN-Codes in voller Länge (bis zu 16 Zeichen möglich).  

Robustheit

Der Funkkanal im ISM-Band von 2,402 bis 2,480 GHz ist in realen Umgebungen stets in gewissem Maß zeitvariant frequenzselektiv. Auch ohne besondere Modifikation zeigt sich die Datenübertragung mittels Bluetooth als extrem robust, was überwiegend dem verwendeten Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS; System wechselt nach einem pseudozufälligen Muster bis zu 1600 Mal je Sekunde den Übertragungskanal) zu verdanken ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass auch in Umgebungen mit vielen aktiven Störern und bewegten Objekten das Zusammentreffen einer Störung mit der Übertragung eines Pakets auf einem der 1 MHz breiten Kanäle nur selten eintritt - und dann in der Regel auch nur dieses eine Paket betrifft. Da verlorene Pakete im Bluetooth-Basisband automatisch erneut gesendet werden können, ist im Datenstrom einer Ende-zu-Ende-Übertragung lediglich mit einem kurzzeitigen Abfall der Datenrate zu rechnen.

Um die Robustheit noch weiter zu steigern, schränken bestimmte Komponenten die Auswahl der im Bluetooth-Basisband verwendeten Pakettypen ein. Dadurch kann die Modulation auf robuste GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) und die Länge der Paketübertragungen beschränkt werden. Ebenso lässt sich sicherstellen, dass ausschließlich Pakettypen inklusive fehlerkorrigierendem Code zum Einsatz kommen, wodurch auch bei Eintreten von Störungen mit hoher Wahrscheinlichkeit die Daten restaurierbar sind und eine erneute Übertragung nicht nötig ist.

Zeitverhalten

Zwar bietet das Bluetooth-Basisband aufgrund der festen Zeitscheibenstruktur bereits eine ausgezeichnete deterministische Zeitbasis. Damit dies jedoch auch für Ende-zu-Ende-Übertragungen höherer Protokollschichten gilt, ist eine dahingehend optimierte Hardware- und Software-Architektur zu wählen.

Viele Applikationen des Consumermarktes werden unmittelbar als „system on chip" realisiert. Das heißt, es kommen Chips zum Einsatz, die als Firmware bereits ein vollständiges Bluetooth-Anwendungsprofi l wie beispielsweise PAN oder SPP enthalten. Die gerätespezifische Applikation kann somit auf eine sehr komfortable Schnittstelle zurückgreifen. Ausgeführt wird diese innerhalb einer virtuellen Maschine ebenfalls unmittelbar auf demselben Chip. Dies erlaubt zwar sehr kurze Entwicklungszeiten für Geräte für Standardanwendungen; ein optimales Zeitverhalten ist mit diesem Ansatz jedoch nicht zu erreichen.

Industrielle Designs teilen das Bluetooth- System dagegen oft in einen Host- Controller (typischerweise ein leistungsstarker ARM9-Controller) und einen Basisband-Controller (beispielsweise ein CSR BlueCore04). Letzterer wird in diesen Designs mit einer schlanken Firmware betrieben, die lediglich die Kernprotokolle und Treiber für die Abbildung des sogenannten Host-Controller-Interface (kurz: HCI) auf die physikalische Schnittstelle zum Host - USB oder UART - implementiert. Entsprechende Module werden auf dem Markt als „HCIModule" gehandelt.

Auf Seite des Host-Controllers werden alle höheren Schichten des Bluetooth-Protokollstacks implementiert. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist anstelle eines schlüsselfertigen Standardprofils wie SPP oder PAN oberhalb der Bluetooth-Kernprotokolle ein proprietärer Stack zu realisieren, der durch geeignete Kontrollmechanismen (Traffic Shaping, Timeouts) deterministische Durchlaufzeiten gewährleistet. Ebenso darf sich die Implementierung der hostseitigen L2CAP-Schicht nicht auf den wenig deterministischen QoS-Typ „besteffort" beschränken; eine vollwertige Implementierung des QoS-Typs „guaranteed" erlaubt den höheren Schichten eine umfassende Kontrolle des Datenflusses über die unteren Schichten bis zum Basisband-Controller. Nicht zuletzt ist auch dieser geeignet zu parametrieren: Durch geschickte Wahl von Puffergrößen und Sendekontingenten werden Host- und Basisband-Controller sowohl dem Datenaufkommen der Anwendung als auch der Physik des HCI angepasst.

Deterministik und Diagnose

Consumergeräte beschränken Anzeigen oft auf eine einzelne LED, die wenig Rückschlüsse auf den Zustand erlaubt. Industrielle Systeme bieten dagegen oft mehrere Anzeige-Elemente zur Diagnose vor Ort. Hier im Beispiel ein Bluetooth-Piconet, die Geräte visualisieren die jeweils wichtigsten Statusinformationen über acht mehrfarbige LEDs.

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Nahezu alle Anpassungen, die Industrial Bluetooth ausmachen, lassen sich unter dem Überbegriff „deterministisches Verhalten" zusammenfassen. Dies beinhaltet genaue Vorhersagbarkeit von Zeitverhalten, Erreichbarkeit und Datenrate. Unabhängig von der genauen Implementierung eines Systems können jedoch grundsätzlich immer unvorhersagbare Ereignisse eintreten, die eine Abweichung vom regulären Betrieb erzwingen und den Datenaustausch beeinträchtigen beziehungsweise abreißen lassen - beispielsweise aufgrund eines Stromausfalles.

Während Ereignisse wie der Verlust der Verbindung zur Gegenseite in Implementierungen des Massenmarkts teils erst nach mehreren Sekunden zur Anzeige gebracht werden, zeichnen sich industrielle Lösungen durch kontinuierliche Verbindungsüberwachung und rasche, differenzierte Diagnose im Fehlerfall aus. Anhand einer Diagnosemeldung kann die übergeordnete Steuerung geeignet reagieren - beispielsweise indem das System FailSafe- oder FailSoft-Prozeduren ausführt. Dies ist insbesondere bei Anwendungen wichtig, in denen eine späte oder ausbleibende Diagnose schwere Folgen für Mensch und Material haben würde, wie etwa bei der Fernsteuerung von Kransystemen. Aus diesem Grund betreiben solche Geräte einen Verbindungsmonitor, der auch dann fortlaufend die Verbindung mit Kontrollübertragungen testet und einen eingetretenen Verbindungsabriss in Sekundenbruch teilen feststellen kann, wenn keine Nutzdaten zu übertragen sind.  

Autoren:

Alexander Blumenröther ist Entwicklungsingenieur bei Wago Kontakttechnik.

Dr. Andreas Vedral ist Leiter der Entwicklungsabteilung bei Wago Kontakttechnik

Welche Funktechnologie für welche Anwendung?

Moderne Technologien erlauben die Ablösung von Schleifringen oder Schleppkabeln durch robuste Funkverbindungen. Eine häufige Fragestellung ist hierbei die Auswahl der für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Technologie.

Anwendungen, bei denen hohe, variable Datenmengen seitens jedes Funkteilnehmers anfallen und welche nahtlos in ein ethernetbasiertes Firmennetz integriert werden müssen, sind das Einsatzfeld von WLAN nach IEEE 802.11. Entsprechende Geräte können in der Regel auf eine Netzversorgung zurückgreifen. Technologien nach IEEE 802.15.4, wie beispielsweise ZigBee oder WirelessHART, sind ideal geeignet für Anwendungen, in denen zahlreiche batteriegestützte Teilnehmer kleine Datenmengen austauschen.

Für Anwendungen, in denen nur sporadisch kleinste Datenmengen auszutauschen sind, erlaubt die EnOcean-Technologie den Verzicht auf Batterie und Netzversorgung. Die Bluetooth-Technologie nach IEEE 802.15.1 bietet einen für die meisten Anwendungen guten Kompromiss aus dem Energiebedarf auf der einen und typischen Leistungsparametern wie der Datenrate auf der anderen Seite.

Die Bluetooth-Versionen

Der Bluetooth-Standard in den Versionen 1.2 bis 2.1 hat sich bereits als ausgezeichnete Basis für die Implementierung industrieller Funksysteme erwiesen. Im vergangenen Jahr hat die Bluetooth Special Interest Group mit den Versionen 3.0 und 4.0 wesentliche Erweiterungen am Standard vorgenommen. Ab Version 3.0 können Bluetooth-Geräte für höhere Datenraten von bis zu 24 Mbit/s temporär eine alternative physikalische Schicht (AMP - Alternate Physical and MAC layer) nach IEEE 802.11 aktivieren. Mit Version 4.0 wurde dem Standard eine Spezifi kation für Betrieb mit besonders niedrigem Stromverbrauch (Low Energy - kurz LE) hinzugefügt, der von Bluetooth-Geräten als alleinige (single-mode) oder zusätzliche Betriebsart (dual-mode) unterstützt werden kann. Single-Mode Bluetooth-LE-Geräte lassen sich jahrelang von der Energie einer Knopfzelle betreiben, womit sich nun Applikationen bedienen lassen, die bislang eher Technologien nach IEEE 802.15.4 (ZigBee, WirelesssHART) vorbehalten waren.