Bluetooth Mesh – neue Wege für das IoT
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Bluetooth Mesh – neue Wege für das IoT

Je intensiver sich die Wirtschaft mit dem Internet der Dinge beschäftigt, desto fleißiger arbeitet die Wissenschaft an neuen Möglichkeiten der Kommunikation im IoT. Nach Edge und Fog Computing oder NarrowBand IoT und 5G erschließt jetzt Bluetooth Mesh neue Wege.

Anfang Januar 2018 kündigte der taiwanische Prozessorhersteller MediaTek einen neuen Bluetooth-Chip für Smart-Home-Geräte an. Die Meldung ließ Branchenkenner aufhorchen, kooperiert MediaTek doch mit Alibaba A.I. Labs, der Forschungsabteilung der größten IT-Firmengruppe Chinas. Über den neuen Chip können sich intelligente Haushaltsgeräte mit Alibabas Sprachassistenten Tmall Genie koppeln, der sich in China bereits millionenfach verkauft hat. Das von Alibaba A.I. Labs hierfür entwickelte Übertragungsprotokoll IoTConnect basiert dabei auf Bluetooth Mesh – eine neue Netzwerkerweiterung des Standards, der speziell für das Internet der Dinge entwickelt wurde. Und der Bluetooth jetzt auch für Industrieunternehmen interessant macht.

Bluetooth – vom Kopfhörer zum Sensor

Auf der CES in Las Vegas feierte Bluetooth jüngst seinen 20. Geburtstag. Die drahtlose Übertragungstechnik verbindet heute bereits mehr als acht Milliarden Geräte weltweit miteinander und wird den Marktforschern von ABI Research zufolge bis 2021 in 60 Prozent aller mobilen Geräte zu finden sein.

Bluetooth unterstützte bislang vor allem in drei Nutzerszenarien:

  • die kontinuierliche „One-to-One“-Kommunikation mit großen Datenströmen, etwa beim Musikstreaming von einem Smartphone zu einem kabellosen Kopfhörer oder Lautsprecher, oder bei der Kommunikation zwischen Audiosystemen im Auto mit dem Smartphone,
  • die gelegentliche „One-to-One“-Kommunikation mit geringen Datenmengen, beispielsweise für den Datenaustausch zwischen Wearables wie Fitnesstrackern und dem Smartphone, wofür 2010 die stromsparende Spezifikation Bluetooth Low Energy (BLE) eingeführt wurde,
  • sowie die „One-to-Many“-Datenübertragung mit BLE-Beacons, etwa am Point-of-Sale, die vorbeigehende Kunden über Angebote und Rabatte informieren.

Im Juli 2017 veröffentlichte die Bluetooth Special Interest Group (SIG) dann die Spezifikationen für Bluetooth Mesh, eine Erweiterung des Standards um Mesh-Netzwerkfähigkeiten. Bluetooth-Mesh-Netzwerke funktionieren nach dem Peer-to-Peer-Prinzip (P2P), unterstützen aber gleichzeitig auch die Mehrwegkommunikation (Multipath). Das heißt: Es können einerseits alle Geräte direkt miteinander sprechen – ein zentraler Hub oder Empfänger für die Kommunikation, wie in der Stern-Netzwerktopologie üblich, ist nicht erforderlich. Alle Knoten in diesem Mesh-Netzwerk sind dezentralisiert. Zugleich werden die Daten aber auch an alle Geräte in Reichweite gesendet. So ist sichergestellt, dass Nachrichten in jedem Fall ihren Bestimmungsort erreichen: Fällt ein Gerät aus, laufen die Daten über alternative Pfade – das defekte Gerät wird einfach umgangen.

Steuerung durch Managed Flood Messaging

Diese dynamische Selbstkonfiguration und auch die Flut einzelner Datenübertragungen müssen allerdings verwaltet werden. Die Bluetooth SIG spricht hier von Managed Flood Messaging. Das kostet Energie, deshalb können in einem BLE-Mesh-Netzwerk einige Knoten ans Stromnetz angeschlossen werden, um Daten weiterzuleiten. Geräte mit geringer Leistung wie batteriebetriebene Sensoren benötigen dann keine Relaisfunktion. Sie können so lange im Schlafmodus verweilen, bis sie selbst etwas ans Relais zu melden haben – und so mit einer Knopfzellenbatterie viele Jahre lang betrieben werden.

Die Mesh-Architektur bringt diverse Vorteile für IoT-Anwendungen:

  • Erweiterte Reichweite – In einer Stern-Netztopologie wie bei WLAN oder Mobilfunk müssen sich alle Geräte in Funkreichweite des zentralen Senders befinden. Leiten aber benachbarte Geräte innerhalb einer Mesh-Architektur Nachrichten weiter, können Start- und Zielpunkt auch dann kommunizieren, wenn sie sich nicht in unmittelbarer Reichweite befinden.
  • Verbesserte Netzwerkzuverlässigkeit und Ausfallsicherheit – Ein gut durchdachtes und implementiertes Mesh-Netzwerk bietet eine erhöhte Zuverlässigkeit: Es kann Fehler oder Unterbrechungen in Verbindungen besser umgehen, indem es mehrere Pfade zwischen Quelle und Ziel zulässt.
  • Skalierbarkeit – Wenn Netzwerke auf hunderte Geräte anwachsen, kann ein einzelner, zentraler Verbindungspunkt der Engpass sein. Die Mesh-Architektur verteilt die Funklast über das gesamte Netzwerk. Wird ein Gerät zum Netzwerk hinzugefügt, erweitert es dessen Reichweite. Die Bluetooth-Mesh-Architektur unterstützt laut Bluetooth SIG bis zu 32.000 angeschlossene Geräte.
  • Hohe Batterielebensdauer – Bei Geräten, die häufig senden, wird die Sendeleistung zu einem wichtigen Faktor bei der Berechnung der Batterielebensdauer. In einem Mesh-Netzwerk reicht für diese Geräte eine geringere Sendeleistung, da sie immer nur den jeweils nächsten Netzwerkpunkt erreichen müssen. Aktive Router übernehmen die weitere Kommunikation.

Bluetooth Mesh meets Industrie 4.0

Mesh-Netzwerke auf Basis von Bluetooth könnten sich besonders gut für das Industrielle IoT (IIoT) eignen. Im Gegensatz zu IoT-Trackinglösungen in der Versorgungs- und Lieferkette produzieren Roboter und Maschinen im IIoT oft mehr und größere Daten. Low-Power-Standards und Protokolle wie LoRaWan oder NarrowBand IoT wären hier überfordert. Bluetooth dagegen kann größere Datenmengen übertragen und mit der Erweiterung durch Mesh-Standards Maschinen in einer Fabrikhalle jetzt effektiv vernetzen.

Damit bieten sich vor allem für Anwendungen im Internet der Dinge neue Möglichkeiten: Bluetooth Mesh ermöglicht die „Many-to-Many“-Kommunikation via BLE für Netzwerke mit einer großen Zahl von Geräten oder Sensoren wie:

  • Lokalisierung und Nachverfolgung einer Vielzahl von Gütern, etwa in einer Lagerhalle,
  • Haus- und Gebäudeautomation,
  • Beleuchtung, zum Beispiel bei Straßenlaternen,
  • Vernetzung von Maschinen in einer Fabrik,
  • Energiezähler (Smart Metering) oder

Anwendungen mit vielen Beacons, beispielsweise in einem Shoppingcenter.

Intelligente Gebäude, Produktlokalisierung und -verfolgung

Bluetooth Mesh bietet sich für intelligente Gebäude an. Geräte können direkt miteinander verbunden sein, ohne dass ein Hub in der Nähe erforderlich ist. So lässt sich ein Netzwerk aus tausenden Sensoren und intelligenten Geräten aufbauen, die miteinander kommunizieren. Beispiel intelligente Beleuchtung: BLE-Sensoren in den Leuchten erkennen, wenn sich eine Person in der Nähe befindet. Sie schalten sich automatisch ein, wobei sie gleichzeitig mit allen benachbarten Leuchten kommunizieren und diese je nach Nähe ebenfalls aktivieren. ABI Research schätzt, dass im Jahr 2022 bereits mehr als 800 Millionen Bluetooth-Sensoren allein für den Smart-Building-Markt verkauft werden.

Bluetooth Mesh eignet sich auch in der Logistik. Bisher erforderte die Nachverfolgung von Gütern mit BLE-Beacons den Einsatz von festen BLE-Empfängern oder mobilen Endgeräten. Mit der Mesh-Topologie lässt sich der Standort eines Bluetooth-Tags über das angeschlossene Mesh-Netzwerk verfolgen und diese Information an einen zentralen Knotenpunkt übertragen. Auch hier kann das Beispiel der intelligenten Beleuchtung herhalten: Alle vernetzten Leuchten, etwa in einer Lagerhalle, fungieren jetzt als Empfänger und übertragen den Standort eines markierten Objekts in Echtzeit. Das bringt erhebliche Vorteile und Kosteneinsparungen in Umgebungen wie Bergwerken und Krankenhäusern oder bei Massenveranstaltungen im Freien, bei denen fest angeschlossene Empfänger nur schwer einsetzbar sind.

Trotzdem wird ein Mesh-Netzwerk nicht automatisch alle Bedürfnisse des Internets der Dinge erfüllen können. Künftige Installationen werden zeigen, wie gut Bluetooth Mesh in realen, großflächigen Netzwerken funktioniert und wie es um die Interoperabilität, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Leistung steht. Gerade auf die Zusammenarbeit verschiedener Systeme wird es ankommen: Bisher waren Bluetooth-Produkte in der Regel Punkt-zu-Punkt-Lösungen, bei denen ein Anbieter die Anwendung auf beiden Seiten steuert. In realen Mesh-Anwendungen wird es jedoch Produkte verschiedener Hersteller geben, die problemlos interagieren müssen.

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