Studienarbeit - Bluetooth-Anwendungen

89 Pages·2004·2.4 MB·German

Studienarbeit

Bluetooth-Anwendungen

„unplug and connect“

Bearbeiter Schwerpunkte

Holger Hildebrandt 1.1, 1.2, 1.3, 2.1, 2.3, 3.1-4 , 4.
Kay Pein 1.1, 1.2, 1.4, 2.1-3, 3.1-4
Inhalt

KAPITEL 1 - DER FUNKSTANDARD BLUETOOTH
1.1. EINLEITUNG: WAS IST BLUETOOTH?
1.1.1. MOTIVATION
1.1.2. URSPRUNG
1.1.3. EINORDNUNG DES STANDARDS
1.1.4. ABGRENZUNG ZU ANDEREN FUNKÜBERTRAGUNGSSTANDARDS
1.1.5. VERWENDUNG DER BLUETOOTH-TECHNOLOGIE
1.2. GRUNDLAGEN BLUETOOTH
1.2.1. FAST FREQUENCY HOPPING - VERFAHREN
1.2.2. LEISTUNGSKLASSEN
1.2.3. NETZTOPOLOGIEN
1.2.4. ADRESSIERUNG UND STATUSMODI
1.2.5. KANALTYPEN
1.2.5.1. Synchronous Connection-Orientated (SCO):
1.2.5.2. Asynchronous Connection-Less (ACL)
1.2.6. DIE SICHERHEIT BEI VERWENDUNG VON BLUETOOTH
1.3. STANDARDS UND EVOLUTION
1.3.1. EINLEITUNG
1.3.1.1. Wozu sind Standards nötig?
1.3.1.2. Wer macht die Standards bei Bluetooth?
1.3.2. DIE STANDARDS IM ÜBERBLICK
1.3.2.1. Bluetooth 1.0a und 1.0b
1.3.2.2. Bluetooth 1.1
1.3.2.3. Bluetooth 1.2
1.3.2.3.1. eQoS
1.3.2.3.2. Verbesserter Verbindungsaufbau
1.3.2.3.3. Neuer Übertragungsmodus eSCO
1.3.2.3.4. Interferenzminimierung durch AFH
1.3.2.3.5. Abwärtskompatibilität zu Bluetooth 1.1
1.3.2.3.6. Anlehnung der Wortwahl an IEEE
1.3.2.3.7. Grundlegende Umstrukturierung
1.3.2.3.8. Verabschiedung neuer Profile
1.3.2.3.9. Anonymity Mode
1.3.2.4. Ausblick auf Bluetooth 2.0
1.3.3. BLUETOOTH IN DER IEEE
1.4. BLUETOOTH-PROTOKOLLSTAPEL
1.4.1. EINLEITUNG
1.4.2. DIE PROTOKOLLE DER BLUETOOTH-ARCHITEKTUR
1.4.2.1. Bluetooth Kernprotokolle
1.4.2.1.1. Bluetooth Radio / Baseband
1.4.2.1.2. Link Manager Protocol (LMP)
1.4.2.1.3. Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)
1.4.2.1.4. Das Host Controller Interface (HCI)
1.4.2.1.5. Service Discovery Protocol (SDP)
1.4.2.1.6. Audio
1.4.2.2. Cable Replacement Protocol
1.4.2.2.1. RFCOMM (Radio Frequency Communication)
1.4.2.3. Telefonie-Steuerungs-Protokolle
1.4.2.3.1. Telephony Control – Binary
1.4.2.3.2. Telephony Control – AT Commands
1.4.2.4. Aufgesetzte Protokolle
1.4.2.4.1. OBEX Protocol
1.4.2.4.2. Content Formats vCard und vCalendar
1.4.2.4.3. Internetprotokolle
1.4.2.4.4. PPP (Point to Point Protocol)
1.4.2.4.5. TCP/UDP/IP
1.4.2.4.6. Wireless Application Protocol WAP
1.4.3. PAKETAUFBAU
1.4.3.1. Adressierung
1.4.3.2. Pakete

KAPITEL 2 - VERBINDUNGSANALYSE
2.1 VORSTELLUNG DES BLUETOOTH-PROTOKOLLTESTERS FTS
2.1.1. FTS – AIRSNIFF (BASIC) TUTORIAL
2.1.2. ANMERKUNG
2.2 MSC EINER OBEX DATENÜBERTRAGUNG
2.2.1. DARSTELLUNG
2.2.2. ANMERKUNG
2.3 BLUETOOTH IN DER PRAXIS
2.3.1. KONFIGURATION UND BETRIEB
2.3.2. REICHWEITEN
2.3.3. KANALNUTZUNG IN FFH

KAPITEL 3 - KOEXISTENZ IM ISM-BAND
3.1 EINLEITUNG
3.2 FTS-PAKETANALYSE
3.2.1. STÖREINFLUSS VON WLAN
3.2.2. STÖREINFLUSS EINER MIKROWELLE
3.2.3. FAZIT
3.3 DURCHSATZMESSUNGEN
3.3.1. MOTIVATION
3.3.2. WAHL EINES GEEIGNETEN PROGRAMMS
3.3.3. VORBEREITUNG DES EXPERIMENTS
3.3.4. MESSAUFBAU
3.3.5. DURCHFÜHRUNG
3.3.6. AUSWERTUNG
3.3.7. FAZIT
3.4 CROSS MEASUREMENTS
3.4.1. EINFÜHRUNG
3.4.2. VISUALISIERUNG
3.4.3. FAZIT

KAPITEL 4 - DIE FUNKTIONSWEISE VON AFH
4.1 EINLEITUNG
4.2 MOTIVATION
4.3 KLASSIFIKATION DER FREQUENZKANÄLE
4.3.1. CHANNEL-CLASSIFICATION
4.3.2. CHANNEL-MAP
4.3.2.1. Channel-Classification-Report
4.4 CHANNEL-MAP-ÜBERMITTLUNG UND AKTIVIERUNG VON AFH
4.4.1. FREQUENZAUSWAHL
4.4.2. NICHT-ADAPTIVE SLAVES
4.4.3. ANMERKUNG
4.5 SAME CHANNEL METHOD
4.6 ABWÄRTSKOMPATIBILITÄT ZU BLUETOOTH 1.1
Abkürzungen

A
ACK Acknowledge
ACL Asynchron Connection-Less
AFH Advanced Fequency Hopping
AM_ADDR Active Member Address
API Application Programming Interface
ARQ Automatic Repeat Request
ARQN Ackknowledge Request Number
AT Attention (in Telephone Control Commands)

B
BD_ADDR Bluetooth Device Address
BT Bluetooth

C
CAC Channel Access Code
CC Channel Classification
CCR Channel Classification Report
ChM Channel Map in AFH (eigene Abk)
CRC Cyclic Redundancy Check
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access w/ Collision Detection
CTP Cordless Telephony Profile
CTS Clear To Send
CVSD Continuos Variable Slope Delta

D
DAC Device Access Code
DH Data High-rate (Packettyp in ACL)
DM Data Medium-rate (Packettyp in ACL)
DSR Data Set Ready
DTR Data Terminal Ready
DUN-P Dial-Up Networking Profile
DV Data Voice (Packettyp in SCO)

E
eQoS enhanced QoS
eSCO enhanced SCO
ETSI European Telecommunications Standardisation Institute
EV Enhanced Variable (Packettyp in SCO)

F
FAX-P Fax-Profile
FEC Forward Error Correction
FFH Fast Frequency Hopping
FTP File Transfer Protocol

G
GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
GSM Global System for Mobile Communication

H
HCI Host Controller Interface
HEC Header Error Check
HF Hochfrequenz
HTTP Hyper Text Transfer protocol
HV High quality Voice (Packettyp in SCO)

I
IAC Inquiry Access Code
ID Identification
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP Internet Protocol
IrDA Infra-red Data Association
IrMC Ir Mobile Communication
ISDN Integrated Services Digital Network
ISM Industrial, Science, Medical
ISO International Standardization Organisation
ITU-T International Telecommunication Union – Telecom Standardization

L
L2CAP Logical Link and Control Adaption Protocol
LAN Local Area Network
LAP Lower Address Part
LC Link Controller
LCP Link Control Protokol
LLC Logical Link Controller
LM Link Manager
LMANSC LAN/MAN Standards Committee
LMP Link Manager Protocol
LSB Least Significant Bit

M
MAC Medium Access Control
MAN Metropolitain Area Network
MSB Most Significant Bit
MSC Message Sequence Chart
MTU Maximum Transfer Unit

N
NAK Negative Acknowledgement
NAP Non-significant Address Part

O
OBEX Object Exchange Protocol
OSI Open Systems Interconnection

P
PAN Personal Area Network
PC Personal Computer
PCI Peripheral Component Interconnect
PCM Pulse Code Modulation
PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association (PC Card)
PDA Personal Digital Assistent
PDU Potocol Data Unit
PER Packet Error Rate
PIN Personal Indetification Number
PM_ADDR Parked Member Address
PPP Point-to-Point Protocol
Q
QoS Quality of Service

R
RF Radio Frequency
RFC Request for Comments
RFCOMM Radio Frequency Communication
RS232 COM-Schnittstellenstandard
RSSI Received Signal Strength Indication
RTS Ready To Send
Rx Receiver

S
SAR Segmentation and Reassembly
SCO Synchronous Connection-Orientated
SDDB Services Discovery Data Base
SDP Services Discovery Protocol
SDU Service Data Unit
SEQN Sequence Number
SIG Special Interest Group
SIM Subscriber Identy Module

T
TCP Transport Control Protocol
TCS Telephony Control Services
TCS-bin Telephony Control Services - binary
TDD Time Division Duplex
TG Task Group
Tx Transmitter

U
UAP Upper Address Part
UDP User Datagram Protocol
USB Unversal Serial Bus
UUID Universal Unique Identifier

W
WAE WAP Application Environment
WAP Wireless Application protolcol
WBMP WAP Bitmap
WLAN Wireless LAN
WML Wireless Meta Language
WPAN Wireless Personal Area Network
Kapitel 1 - Der Funkstandard Bluetooth

1.1. Einleitung: Was ist Bluetooth?

1.1.1. Motivation
Ein hohes Kommunikationsaufkommen führt letztendlich zu einem größeren Verlangen nach
Informationsaustausch zwischen verschiedenen Geräten. Dafür notwendige
Kommunikationskanäle werden durch mechanisch anfällige und oft wenig komfortable
Kabelverbindungen realisiert. Doch ist dieser auftretende „Kabelsalat“ für moderne mobile
Anwendungen und auch bei anderen interagierenden Geräten teilweise überaus lästig. Eine
der aufstrebenden Funkkommunikationslösungen, die dies im Nahbereich ohne Kabel
möglich machen, ist Bluetooth.
Weg und Ziel dieses Standards soll hier kurz beschreiben werden. Die inhaltlichen Fakten
stützen ich dabei, bis auf wenige gekennzeichnete Ausnahmen, vollständig auf die
Spezifikationen des Bluetooth-Standards [1, 2, 3]. Begründet ist diese Beschränkung der
verwendeten Literatur durch sehr häufige und oft gravierende Widersprüche in verschiedenen
Lektüren zum generellen Thema Bluetooth. Für Illustrationsmöglichkeiten und
weiterführende Informationen wurden sehr begrenzt die unter [4] bis [19] aufgeführten
Quellen als Vorlage verwendet. Bezogen auf Erfahrungsberichte, Marktneuheiten, Ausblicke
und Interoperabilitätsprobleme, flossen zum Bearbeitungszeitpunkt aktuelle Informationen
aus verfügbaren technischen Newstickern mit in die Ausarbeitung ein.
1.1.2. Ursprung
Die Bluetooth-Technologie geht zurück auf einen Entwurf, der bereits 1994 von der Firma
Ericsson entwickelt wurde. Ericsson trat nach der grundsätzlichen Konzeption dieser
Technologie an andere Hersteller von vorrangig tragbaren elektronischen Geräten heran. Ziel
war dabei eine weltweite Standardisierung durchzusetzen.
Im Jahr 1998 wurde von Ericsson gemeinsam mit Nokia, IBM, Toshiba und Intel die
Bluetooth Special Interest Group (SIG) gegründet, die im Mai 1998 erstmals an die
Öffentlichkeit trat und der sich mittlerweile weltweit mehr als 2100 Unternehmen durch eine
Bluetooth-Anwender-Übereinkunft angeschlossen haben und aktiv die Entwicklung und
Anpassung vorantreiben.

Aufgrund der Vielzahl von Möglichkeiten, die dieser Standard zu verbinden versucht, wurde
der Name Bluetooth (Blauzahn) gewählt. Dieser soll an den Dänischen König erinnern, der
im zehnten Jahrhundert erstmals alle dänischen Provinzen unter seiner Krone vereinte. Dieser
Vereinigungsgedanke soll in diesem Konzept des Datenaustausches weitergetragen werden.
Um von Umgebungs- und Betriebsbedingungen möglichst unabhängig zu sein, wurde die
Funktechnologie gegenüber der zu diesem Zeitpunkt bereits populäreren Infrarotübertragung
favorisiert. Dadurch wurden Kurzstreckenfunkverbindungen auch ohne direkten Sichtkontakt
möglich. Ferner ist dieser Standard eher anwendungsspezifisch gestaltet. Man kann ihn daher
aus reiner Vermarktungssicht zwischen IrDA und WLAN ansiedeln.
1
1.1.3. Einordnung des Standards
Der Industriestandard Bluetooth wird von der IEEE unter dem Namen IEEE 802.15 in die
bestehende Landschaft der IEEE-802-Normen eingereiht. Diese Klasse bezeichnet alle
Benutzerszenarien, die durch ad-hoc-Konnektivität gekennzeichnet sind.
Die Bluetooth-Technologie zeichnet sich durch die folgenden wesentlichen Designaspekte
aus.

Weltweite Nutzbarkeit
Die drahtlose Bluetooth-Technologie verwendet das weltweit lizenzfrei verfügbare ISM-
Funkfrequenzband. In den meisten Nationen liegt dieses Band im Frequenzbereich von 2400
MHz bis 2483,5 MHz. Das ISM-Band (Industrial, Science, Medical) allgemein ist ein
Frequenzbereich, der nicht der staatlichen Regulierung unterliegt und lizenzfrei für
industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen genutzt werden darf.
Lediglich müssen Auflagen bezüglich der Sendeleistung und der Störung benachbarter
Frequenzbereiche eingehalten werden. Somit dürfen Bluetooth-Geräte weltweit zulassungsfrei
betrieben werden. Es muss aber mit Störungen durch andere Geräte gerechnet werden, die im
gleichen Frequenzband arbeiten (z.B.: Mikrowellenherde, 802.11 WLANs, Medizinische
Geräte, etc.). Diesen Störfaktoren wirken diverse Verfahren entgegen, sodass ein
störungsfreier Betrieb gewährleistet ist bzw. genannte Störungen verkraftet werden.

Sprach- und Datenunterstützung
Bluetooth ist jeweils speziell für die Übertragung von Sprache und Daten konzipiert.

Ad-hoc-Konnektivität
Geräte sollen alleine andere Geräte in Reichweite finden und sich mit ihnen verbinden.
Außerdem müssen mehrere Verbindungen gleichzeitig möglich sein.

Sicherheit
Mit Authentifizierung und Verschlüsselung soll derselbe Sicherheitsstandard wie bei
Kabelverbindungen realisiert werden.

Geringe Größe und kostengünstige Serienfertigung
Im Vergleich zu anderen (Daten-) Funktechnologien, wie z.B. GSM, wird bei Bluetooth ein
einfaches RF-Design verwendet, vergleichbar mit IrDA. Man ging beim Entwurf davon aus,
dass sich ein Bluetooth-Sender/Empfänger fast immer in einem Mikroprozessor gesteuerten
Endgerät befindet. Somit wurde die Steuerung und Fehlerkorrektur der Funkübertragung auf
nachgeschaltete digitale Komponenten (Hardware und entsprechende Software) verlagert.

Sehr geringe Leistungsaufnahme (und Sendeleistung)
Um mobil zu werden, sollte die Leistungsaufnahme einer Bluetooth-Einheit, verglichen mit
dem Host-Gerät, sehr klein sein um die Akkulaufzeit nicht unnötigerweise zu verringern. Dies
wird durch die sehr geringe Sendeleistung im 2,4GHz-Band realisiert, wodurch der Einsatz in
elektro-magnetisch-kritischen Umgebungen, wie z.B. in Kraftwerken, Krankenhäusern,
Flugzeugen (Lufthansa), ermöglicht wird.

1.1.4. Abgrenzung zu anderen Funkübertragungsstandards

Im Bereich der drahtlosen Datenkommunikation gibt es mittlerweile diverse Standards,
welche teilweise ein eigenes Einsatzgebiet besitzen und mit den anderen Standards nicht viel
2
gemeinsam haben. In nachfolgender Tabelle wird eine Gegenüberstellung der vier wichtigsten
Technologien Bluetooth, IrDA, IEE 802.11b und Home-RF gegenübergestellt.

Bluetooth IrDA IEE802.11b Home RF
Verbindungstyp Spread Spectrum Infrarot Spread Spectrum Spread Spectrum
(Frequency (Freqency (Freqency
Hopping) kleiner Hopping Hopping
Winkel oder Direct oder Direct
(max 30°) Seqence) Seqence)

Spektrum ISM-Band Optisch, 850 ISM-Band ISM-Band
nm

Übertragungsleistung 1 mW 100 mW 100 mW 100 mW

max. Datendurchsatz 1 Mb/s 16 Mb/s 11 Mb/s 2 Mb/s
(VFIR)
(bald 54 Mb/s bei
802.11g)
max. Reichweite 10 m 0,7 m 100 m 300 m
(hindernisfrei)
Sichtverbindung nein ja nein nein
nötig
Unterstütze 8 pro Piko-Netz 2 Mehrere Geräte 127 pro Netzwerk
Stationen pro Access-Point;
mehrere AP’s
Netzwerk

Sprachkanäle 3 1 nur Voice over IP 6

Datensicherheit Authentifizierung: keine Authentifizierung: Blowfish-
128 Bit; Challenge- Verschlüsselungs-
(enger Response algorithmus
(optional) Winkel, über WEP;
Verschlüsselung: kleine
mit 8-128 Bit Reichweite) Verschlüsselung:
standard 40 Bit,
optional 128 Bit.

Adressierung MAC-Adresse Physikalische MAC-Adresse MAC-Adresse
mit 48 Bit. ID mit 48 Bit. mit 48 Bit.
AM_ADDR mit 32 Bit.
mit 3 Bit
Bemerkungen in Europa nicht
durchgesetzt,
in USA verbreitet
Tabelle 1.1 – Vergleich Funkstandards

Wie aus der Tabelle ersichtlich wird, steht der IrDA-Standard konkurrierend zum Bluetooth-
Standard, doch hat dieser die „schlechteren Karten“, was durch die deutlich höhere
Sendeleistung und den immer notwendigen Sichtkontakt, daraus resultierend nur eine Punkt-
zu-Punkt-Verbindung möglich, begründet ist.
3
Im Gegensatz zu Bluetooth hat IEEE 802.11b (WLAN) grundsätzlich ein völlig anderes
Einsatzgebiet. Bluetooth-Geräte verbrauchen weniger Strom und sind für die Übertragung
geringer Datenmengen über kürzere Distanzen entwickelt worden -
Kommunikationskabelersatz. WLAN dagegen bietet Verbindungen bis zu 54 Mb/s für
breitbandige Kommunikation über Distanzen von mehreren hundert Metern.

1.1.5. Verwendung der Bluetooth-Technologie

Nutzbar ist Bluetooth für eine Vielzahl von Szenarien. So könnten z.B. alle Geräte im Büro
ohne Kabelprobleme frei im Raum platziert werden. Sie bilden dann ad hoc ein so genanntes
Piko-Netz. Das beschreibt die spontane Interaktion von bis zu 8 aktiven Geräten in der
Reichweite eines dieser Geräte (dem Master).
Bluetooth ist somit bereits heute eine etablierte Funktechnik für den Nahbereich, die die
drahtlose Anbindung mobiler Endgeräte wie Notebooks, Drucker und Mobiltelefone
ermöglicht, so dass sie untereinander Daten austauschen können. Aber auch andere Geräte,
wie z.B. Headsets, Tastaturen und ähnliches, kann man mit dieser Technik ausstatten.
Damit lassen sich künftig zwei der größten Hindernisse beseitigen, die gegenwärtig die
Benutzerfreundlichkeit solcher Geräte für Kunden einschränken. Dies wären zum einen die
herstellerspezifischen Anschlusskabel und zum anderen die notwendigen Einstellungen und
Eingaben, die für den Aufbau der Kommunikation notwendig sind. Dies wird durch so zu
nennende anwendungsspezifische Profile realisiert.

1.2. Grundlagen Bluetooth

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die grundlegende Funktionsweise von Bluetooth
anhand des Standard Bluetooth 1.1 gegeben. Auf Änderungen bezüglich des im November
2003 veröffentlichten Standards 1.2 wird in einem späteren, hierauf aufbauenden Kapitel
eingegangen.

1.2.1. Fast Frequency Hopping - Verfahren

Wie bereits einführend erwähnt wurde, arbeiten Bluetooth-Transceiver im lizenzfreien ISM-
Frequenzband, dem ein Frequenzbereich von 2400 MHz bis 2483,5 MHz zugewiesen ist.
Bei der Übertragung bedient man sich des Fast Frequency Hopping Verfahrens (FFH). Dabei
wird das zur Verfügung stehende Frequenzband in 79 gleich große Kanäle à 1 MHz
aufgeteilt, zwischen denen 1600 Mal pro Sekunde gewechselt wird.

Abbildung 1.1 – Bluetooth-Kanäle im ISM-Band

In wenigen Ländern z.B. Japan, Frankreich oder Spanien ist das verwendbare Band schmaler.
Dieser Sonderfall ist im weltweiten Bluetooth-Standard berücksichtigt und führt zur Nutzung
von nur 23 Kanälen.

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