Mit Bluetooth® hat fast jeder schon zu tun gehabt, der ein Smartphone oder einen Computer nutzt. Der Funkstandard verbindet Kopfhörer und Lautsprecher, Tastaturen und Mäuse mit den Bildschirmgeräten. Wo früher Kabel nötig waren, reicht heute ein Funksignal. Der große Vorteil: Jedes Smartphone beherrscht die Technik und kann Bluetooth-Geräte in Betrieb nehmen.
Das macht den Standard auch für Einsätze im Gebäude interessant – weil zur Installation keine Infrastruktur, kein WLAN und keine Funkzentralen nötig sind. Das Smartphone genügt. Allerdings ist Bluetooth nicht gleich Bluetooth.
Bluetooth® Classic und Low Energy
Anfangs hatte das Funkprotokoll nur die Aufgabe, eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen zwei Geräten herzustellen. Um Medien in guter Qualität zu streamen, wurde die Basis-Datenrate (Basic Rate) erhöht (Enhanced Data Rate). Beide Versionen (BR + EDR) sind weltweit im Einsatz und heißen heute Bluetooth® Classic.
2009 kam Bluetooth® Low Energy (BLE) dazu, eine besonders energieeffiziente Variante, mit der Geräte weniger senden, um Strom zu sparen – ideal für batteriebetriebene Produkte wie smarte Armbanduhren, Fitness-Tracker und andere Sensoren.
BLE ebnete Bluetooth den Weg ins Gebäude. Apple etwa nutzte die Technologie, um in seinem HomeKit-System Lampen, Steckdosen, Thermostate oder auch Türschlösser zu steuern.
Als Nachteil erwies sich die begrenzte Funkreichweite. Sie beträgt in Innenräumen selten mehr als zehn Meter – genug, um das Deckenlicht zu schalten, aber zu wenig, um Signale ans andere Ende eines Wohn- oder Bürogebäudes leiten zu können. Zusätzliche Bluetooth-Funkzentralen auf dem Weg mussten die BLE-Reichweite vergrößern.
Chip-Hersteller und Anbieter von Gebäudetechnik begannen deshalb, eine andere Lösung für das Problem zu suchen. Sie entwickelten Bluetooth-Funksysteme nach dem Mesh-Prinzip. Darin bilden Geräte ein gemeinsames Netzwerk, in dem Funksignale wie die Maschen eines Gewebes (engl. Mesh) ineinandergreifen. Befehle können von einem Knoten zum nächsten springen, um so auch weit entferne Ziele erreichen.
Bluetooth® Mesh
Weil solche Herstellersysteme nicht standardisiert sind, ist die Produktauswahl vom Anbieter abhängig. Wegen ihrer proprietären Funktechnik lassen sich Geräte fremder Marken nicht ohne Weiteres integrieren. Anders beim offiziellen Pendant der Bluetooth Special Interest Group (SIG): Die Dachorganisation des Bluetooth-Standards (link) hat eine herstellerübergreifende Lösung entwickelt.
Bluetooth® Mesh der SIG baut auf Bluetooth Low Energy auf und erweitert den BLE-Standard um das Mesh-Prinzip. Damit legt es den Grundstein für eine flächendeckende Funkversorgung im Gebäude.
Der Größe dieses Mesh-Netzwerks sind kaum Grenzen gesetzt. Es kann bis zu 32.000 Knoten, sogenannte Nodes, enthalten. Dabei kommen den Geräten unterschiedliche Aufgaben zu. Der Standard unterscheidet vier Funktionen:
- Low Power Nodes bilden die Endpunkte im Netzwerk. Sie schlafen die meiste Zeit und benötigen in diesem Ruhezustand kaum Energie. Nur für Aktionen wachen sie kurz auf und senden ein Signal. Typischerweise handelt es sich dabei um batteriebetriebene Geräte wie Bewegungsmelder, Temperatursensoren oder Funktaster.
- Friend Nodes stellen die Verbindung zu den Endpunkten her. Sie hören permanent das Netz ab und sammeln Nachrichten für ihre zugehörigen Low-Power-Nodes. Wenn einer davon aufwacht, funkt er seinen befreundeten Knoten an und fragt, was es Neues gibt. Um diese Aufgaben zu erfüllen, sind Friend Nodes mit dem Stromnetz verbunden, etwa als Unterputz-Modul, Leuchte oder anderes 230-Volt-Gerät.
- Relay Nodes haben die Funktion, Signale im Mesh-Netzwerk weiterzuleiten. Sie bilden das zentrale Nervensystem der Installation. Dabei kann es sich um Friend Nodes mit zusätzlich angebundenen Low Power-Geräten handeln oder um reine Relais-Stationen. Jedes stromversorgte Bluetooth-Mesh-Produkt kann gleichzeitig ein Relay Node sein.
- Proxy Nodes spielen die Vermittlerrolle: Ein Gerät mit Proxy-Funktion dient als Schnittstelle zwischen dem Mesh-Netzwerk und anderen Geräten, die Bluetooth Mesh nicht selbst unterstützen. Das kann ein Smartphone sein, aber auch ein älterer Sensor, der noch auf Bluetooth Low Energie basiert. Der BLE-Sensor lässt sich so zum Beispiel über eine Mesh-fähige Glühbirne anbinden. Das Leuchtmittel übersetzt die Nachrichten von einem Standard in den anderen und ermöglicht die Kommunikation.
Das gesamte Netzwerk ist so ausgelegt, dass es sich selbst heilen kann, wenn ein Knoten ausfällt. Da Nachrichten keinen festgelegten Routen folgen, sondern über das komplette Mesh verbreitet werden (Flood Messaging) erreichen sie auch dann ihr Ziel, wenn die Verbindung an einer Stelle unterbrochen wird.
Zur Konfiguration von Bluetooth-Mesh-Produkten genügt ein Smartphone mit App – so wie bei diesem Bewegungsmelder mit einstellbarer Empfindlichkeit.
Sicherheit und Verschlüsselung
Die Bluetooth SIG hat bei der Konzeption von Bluetooth Mesh von vorneherein großen Wert auf die Sicherheit des Netzwerks gelegt. Alle Datenpakete sind hochgradig verschlüsselt und so verschleiert, dass selbst Angreifer, die ein Paket abhören könnten, nicht wissen, von welchem Gerät es stammt. Es gibt keine identifizierbaren Werte wie Quell- oder Zieladressen.
Benachbarte Mesh-Netzwerke stellen kein Problem dar, weil jedes Datenpaket über eine Kennung verfügt, zu welchem Netzwerk es gehört. Geräte aus einem Bluetooth Mesh können die Daten des anderen weder entschlüsseln noch authentifizieren und leiten diese auch nicht weiter. Das Hinzufügen neuer Geräte erfolgt unter strengen Sicherheitsbedingungen mit verschlüsselten Signalen.
