Bluetooth ist ein drahtloser Technologiestandard für kurze Entfernungen, der die Verbindung und Kommunikation zwischen Geräten über Entfernungen von bis zu 100 Metern ermöglicht. Der Schlüssel zu Bluetooth liegt in seinem Protokollstapel, der das gesamte Bluetooth-System von der Funkschicht bis zur High-Level-Anwendung definiert.
Der Bluetooth-Protokollstapel besteht aus fünf Schichten: der Funkschicht, der Basisbandschicht, der Verbindungsschicht, der L2CAP-Schicht (Logical Link Control and Adaptation Protocol) und der Anwendungsschicht.
Die Funkschicht übernimmt die Modulation, Übertragung und den Empfang von rohen Bluetooth-Funksignalen im 2,4-GHz-ISM-Band. Es definiert Anforderungen an die Funk-Transceiver-Schaltkreise. Verschiedene Versionen von Bluetooth arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbereichen und verwenden unterschiedliche Modulationsschemata. Beispielsweise verwendet Bluetooth Low Energy die Gaussian Frequency Shift Keying-Modulation, während Classic Bluetooth zunächst die Gaussian Frequency Shift Keying-Modulation verwendet und später zur Phase Shift Keying-Modulation wechselt.
Die Basisbandschicht liegt über der Funkschicht und verwaltet physische HF-Verbindungen zwischen Bluetooth-Geräten. Es übernimmt die Kanaleinrichtung, Paket-Timing, Leistungssteuerung, ARQ und Sicherheitsfunktionen wie Authentifizierung und Verschlüsselung. Das Basisbandprotokoll definiert Abfrage- und Paging-Verfahren, die es Geräten ermöglichen, einander zu erkennen und miteinander zu verbinden. Außerdem wird die Logik für Master-Slave-Rollen, Taktverteilung und Sprungsequenzen definiert.
Die Verbindungsschicht ermöglicht die Segmentierung, Neuzusammensetzung und Flusskontrolle von Datenpaketen. Es stellt die Datenintegrität über die Luftschnittstelle durch CRC-Prüfungen sicher. Die Verbindungsschicht nutzt Slave-Latenzmanagement, um den Stromverbrauch in Slave-Geräten zu reduzieren. Es definiert die Struktur eines Bluetooth-Piconetzes, bei dem 1 Master mit bis zu 7 aktiven Slaves verbunden ist.
L2CAP bietet Protokoll-Multiplexing zur Unterstützung von Protokollen höherer Ebenen. Es segmentiert und setzt Daten der Anwendungsschicht wieder zu Basisbandpaketen zusammen. L2CAP sorgt auch für die Servicequalität, indem es priorisierte Kanäle mit garantierten Datenraten bereitstellt. Es definiert Protokollzustandsmaschinen und Verfahren für die Kanalkonfiguration und den Verbindungsaufbau zwischen zwei Geräten.
Die oberste Anwendungsschicht definiert übernommene Protokolle und Profile, die die Erstellung von Bluetooth-Anwendungen ermöglichen. Beispiele für verwendete Protokolle sind PAN für Bluetooth-Netzwerke, Objektaustausch für Datensynchronisierung und Telefonsteuerungsprotokoll für Bluetooth-Headsets. Standardprofile definieren Spezifikationen für Bluetooth-Dienste wie Dateiübertragung, schnurlose Telefonie, Human Interface Devices und vieles mehr.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die klar definierte Architektur des Bluetooth-Protokollstapels der Schlüssel zur Ermöglichung robuster drahtloser Verbindungen ist. Jede Schicht hat spezifische Verantwortlichkeiten in Bezug auf Hardware auf niedrigerer Ebene, Funkübertragung, Verbindungen oder Anwendungen auf hoher Ebene. Das modulare Stack-Design ermöglichte es Bluetooth, von seinem anfänglichen Fokus auf den Kabelersatz zu wachsen und heute Sensorgeräte für das Internet der Dinge und ganze drahtlose Netzwerke zu unterstützen.
