Bluetooth Mesh – Alternative zu ZigBee, Thread, WLAN und Z-Wave? Bluetooth LE Smart Home Funkstandard – Wissen, Geräte, Bedeutung

Bluetooth LE und Bluetooth Mesh sind im Smart Home angekommen. Philips Hue und andere damit ausgestattete Bluetooth Smart Home Geräte sollen den Einstieg ins Smart Home erleichtern. Wir erklären den Funkstandard für die Gebäudeautomation und zeigen die Unterschiede zu ZigBee, Z-Wave, WLAN oder Thread.

Der Funkstandard Bluetooth zeichnet sich durch die einfache Verbindung von kompatiblen Geräten aus

Was ist Bluetooth LE und Bluetooth Mesh? Das Wichtigste in Kürze

Bluetooth ist ein Funkstandard, der eine drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen erlaubt. Bluetooth zeichnet sich vor allem durch seine Einfachheit aus. Nutzer müssen die zu verbindenden Geräte lediglich in einen sogenannten Pairing-Modus versetzen und dann auswählen. Für die Funkverbindung wird wie bei WLAN das 2,4 GHz Frequenzband genutzt. Dort stehen 79 Kanäle zur Verfügung.

Bluetooth Mesh ist eine Funktion, die für die Bluetooth LE Versionen 4.x und 5 oder höher zur Verfügung steht. Wie Thread benötigt Bluetooth Mesh keinen Hub, da jedes Bluetooth Mesh Gerät bereits als Hub agiert.

Insgesamt lassen sich vier Einsatzgebiete unterscheiden:

  • Audio Streaming: Hier wird eine Punk-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut, z. B. zwischen einem Bluetooth-Smartphone und einem Bluetooth Kopfhörer.
  • Daten-Transfer: Auch hier findet meist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung statt, z. B. zwischen einem Bluetooth-Smartphone und einem Bluetooth-Fitnessarmband.
  • Info-/Standort-Dienste: Hier wird Bluetooth für Broadcasting-Dienste genutzt, z. B. für die Navigation auf Messen oder für Point-of-Interest-Informationen.
  • Geräte-Netzwerke: Mit Bluetooth Mesh werden auch größere Smart Home-Anwendungen möglich, z. B. für Gebäudeautomation oder Bluetooth Lichtsysteme.

Wer steckt hinter Bluetooth?

Hinter dem Bluetooth Funkstandard steht die Bluetooth Special Interest Group (SIG). Dabei handelt es sich um eine globale Organisation, der nach Eigenangaben mehr als 36.000 Unternehmen angehören. Ziel ist die kollektive Entwicklung der Bluetooth Technologie sowie das Erarbeiten gemeinsamer technischer Standards.

Der Grundstein der Bluetooth-Entwicklung wurde 1996 von Intel, Ericsson und Nokia gelegt. Letztere beide waren zu der Zeit zwei führende Größen in der boomenden Handy-Branche. Der Name Bluetooth leitet sich von König Harald Blauzahn (engl. Bluetooth) ab, der im Frühmittelalter gleichzeitig König von Dänemark und Norwegen war und damit Teile von Skandinavien vereinte. Der Legende nach hatte der König einen dunkelblau gefärbten toten Zahn, der ihm den Beinamen einbrachte. Das Bluetooth Logo leitet sich aus zwei verbundenen Runenzeichen ab, welche die Initialen des Königs bildeten.

Der Name Bluetooth war ursprünglich nur ein Arbeitsname. Der finale Name der Nahfeld-Funkübertragungstechnologie sollte RadioWire werden, da die Markenrechtsrecherche jedoch nicht rechtzeitig zum offiziellen Technologie-Start abgeschlossen werden konnte, blieb es bei der Bezeichnung Bluetooth.

Was ist Bluetooth LE (BLE) bzw. Bluetooth Smart?

Ein Meilenstein in der Bluetooth-Technologie war Bluetooth 4.0, bei der die stromsparende Datenübermittlung im Vordergrund stand. Bluetooth-Versionen, welche diese Funktion unterstützen erkennt man an der Bezeichnung Bluetooth LE. LE steht für Low Energy, also geringen Energieverbrauch. Das machte Bluetooth interessant für smarte Geräte Fitnessarmbänder, Smartwatches, Türschlösser oder Heizungsthermostate. Also Geräte, die nur geringe Datenmengen übertragen und für den Betrieb auf einen Akku oder eine Batterie angewiesen sind.

Was bedeuten die Bluetooth 4.x Funkprotokoll Versionen?

Einen „Quanten-Sprung“ vollzog Bluetooth mit seinen drei großen 4.x Funkprotokoll-Versionen. Wichtig ist zu wissen, dass der LE-Modus meistens nur für die Datenkommunikation genutzt wird. Das Audio-Streaming erfolgt aufgrund des größeren Datendurchsatzes im Classic-Modus.

  • Bluetooth 4.0 Funkprotokoll: Einführung von Bluetooth Low Energie für die IoT-Datenkommunikation mit max. 220 Kbit/s.
  • Bluetooth 4.1 Funkprotokoll: Nutzung des Internetprotokolls IPv6 zur Adressierung von Geräten. Hiermit begann der Einsatz von Bluetooth für das Internet der Dinge (IoT). Bluetooth-Geräte können seither auch als Hub fungieren. Das bedeutet Bluetooth-Geräte können sich auch untereinander koppeln, ohne dass ein Smartphone nötig ist, z. B. bei der Vernetzung einer Bluetooth-Fernbedienung mit einer Bluetooth-Lampe.
  • Bluetooth 4.2 Funkprotokoll: Erhöhung des Datendurchsatzes im LE-Modus. Bessere Verschlüsselung zur Datensicherheit.

Was bedeutet Bluetooth 5.0 und Bluetooth Mesh?

Mit Bluetooth 5.0 wurde die Datenrate im LE-Modus auf 2 Mbit/s erhöht und ein Bluetooth Smartphone, das diesen Standard unterstützt kann sich zudem gleichzeitig mit zwei Bluetooth Geräten verbinden. Ein weiterer Vorteil von Bluetooth 5.0 ist die erhöhte Reichweite, die sich von 50 auf bis ca. 200 Meter erhöht – im LE Modus. Allerdings handelt es sich bei den Reichweitenangaben meist um Laborwerte, die in der Praxis nicht erreicht werden.

Im Classic-Modus ohne Energieeinsparung waren bereits in der Bluetooth Version 2.0 per Enhanced Data Rate (EDR)-Funktion Reichweiten von bis zu 100 Metern bei Datenübertragungsraten von bis zu 3 MBit/s möglich.

Die große Neuerung, die mit Bluetooth 5.0 Einzug hielt, war die Einführung von sogenannten Bacons. Das sind kleine Bluetooth-Sender, die sich mit Bluetooth-Geräten wie Smartphones verbinden können, ohne dass der Nutzer ein manuelles Pairing durchführt. Das ging zwar auch schon früher, allerdings waren die Anwendungen beschränkt, da die Datenmenge der Bacons mit 31 Byte pro Datenpaket sehr begrenzt war. Mit Bluetooth 5.0 sind jetzt 279 Byte möglich. Smarte Anwendungen, die sich damit ergeben, sind z. B. Navigationsdienste für begrenzte Areale wie Messen, Flughäfen oder Supermärkte, was vor allem Marketing-Abteilungen verzücken dürfte.

Bluetooth Funkstandard – wie hoch ist die Reichweite?

Eine generelle Beziehung zwischen der Reichweite und Bluetooth-Version eines Gerätes lässt sich nicht treffen. Der Grund: Es hängt von den jeweiligen Herstellern ab, welche Bluetooth-Chips und Funktionen sie in den Geräten verbauen. Für die Sendeleistung stellt Bluetooth 3 Leistungsklassen zur Verfügung:

  • Klasse 1: Hier bieten Bluetooth-Geräte eine Reichweite von bis zu 100 Metern, bei einer Sendeleistung von max.100 Milliwatt. Zum Einsatz kommen die Chips zum Beispiel in Notebooks.
  • Klasse 2: Bluetooth Geräte, welche diese Klasse nutzen, bieten Reichweiten von zirka 50 Metern, die maximale Sendeleistung beträgt 2,5 Milliwatt. Verwendet wird die Leistungsklasse ebenfalls in Notebooks oder PCs.
  • Klasse 3: Hier liegt die Sendeleistung bei ca. 1 Milliwatt und die Reichweite bei ungefähr 10 Metern. Zum Einsatz kommt Klasse 3 in Bluetooth-Kopfhörern, Bluetooth-Lautsprechern oder auch Fitness-Trackern.

Ein Fitness-Tracker mit Bluetooth LE 5.0 könnte also eine theoretische Reichweite von bis zu 200 Metern erzielen, wenn der Hersteller allerdings nur einen Chip mit Leistungsklasse Klasse 3 verwendet, reicht die Sendeleistung nur für 10 Meter aus, was in der Regel auch der Fall ist, da nur eine Verbindung vom Armband bis zum Smartphone nötig ist. Dafür profitiert der Fitnesstracker vom hohen Datendurchsatz den Bluetooth 5.0 im Low Energy bietet. Die geringere Sendeleistung hilft zusätzlich dabei, den Energiebedarf gering zu halten.

Bluetooth 5.0 Lampe mit Bluetooth 4.2 Smartphone schalten?

Für Verwirrung bei Nutzern sorgen immer auch die Kompatibilitäten der verschiedenen Bluetooth-Standards untereinander. Kann ich zum Beispiel eine über Bluetooth kommunizierende Smart Home Lampe mit einem Smartphone schalten, das nur Bluetooth 4.2 nutzt? Die Antwort ist Ja!

Ein großer Vorteil von Bluetooth ist, dass höhere Versionen weitestgehend abwärtskompatibel sind. So lässt sich ein Smart Home Gerät mit Bluetooth 5.0 ohne weiteres mit einem Smartphone koppeln, das Bluetooth 4.2 nutzt, allerdings können im Zusammenspiel nur die Funktionen der Versionen 4.2 genutzt werden.

Um bei unserem Beispiel zu bleiben: Die smarte Bluetooth 5.0 Lampe lässt sich zwar mit dem Handy schalten, die Reaktionszeit beim Ein- oder Ausschalten kann aber verzögert stattfinden, da die niedrigere Bluetooth-Version des Smartphones eine geringere Datengeschwindigkeit aufweist.

Wie unterscheidet sich Bluetooth Mesh vom WLAN, Thread und ZigBee Funkstandard?

Mit der Bluetooth Mesh Funktion, die ab Bluetooth LE Version 4.x implementiert ist, wurde der Funkstandard auch für Smart Home Anbieter interessant. Bei einem Mesh-Netzwerk verknüpfen sich die Geräte zu einem großen einheitlichen Netzwerk, bei dem die Geräte zugleich Daten Senden und Empfangen können. Ein Mesh WLAN Netzwerk benötigt zusätzlich einen Mesh WLAN-Router sowie Mesh-Access-Points, auf welche die WLAN Smart Home Geräte zugreifen können, da letztere nicht in der Lage sind, Daten zu senden, sondern nur empfangen können.

Im Vergleich zu einem WLAN Mesh Netzwerk benötigen Bluetooth Mesh Geräte keine speziellen Access-Points oder Router. Das gleiche gilt für das Funkprotokoll Thread. Ab Bluetooth 4.0 sind Bluetooth-Geräte auch in der Lage ein Mesh-Netzwerk aufzubauen, sofern die Gerätehersteller die Funktion in ihre Geräte integrieren.

Der Smart Home Funkstandard ZigBee bringt ebenfalls von Haus aus die Mesh-Funktionalität mit. Der Funkstandard ist etabliert, energiesparend und bietet eine große Gerätevielfalt. Viele Smart Home Hersteller, die eigene Smart Home Systeme anbieten, verwenden ein abgewandeltes ZigBee Funkprotokoll. Dazu zählen z. B. Homematic IP oder Bosch Smart Home. Im Gegensatz zu Thread oder Bluetooth benötigen ZigBee Geräte jedoch noch ein Gateway oder Hub.

Damit Bluetooth Smart Home Geräte aus der Ferne bedient werden können, wird in der Regel ein internet-fähiges Smartphone mit Bluetooth benötigt, über welches auch die Installation und Bedienung erfolgt. Das Smartphone dient dann als Smart Home Gateway bzw. Hub.

Wie unterscheidet sich Bluetooth vom Connected Home over IP Funkstandard?

Eine Gemeinsamkeit von Wifi, Bluetooth und Thread ist, dass sie für die Gerätekommunikation das Internetprotokoll IPv6 nutzen, um Geräte zu adressieren. Alle drei Funkstandards zählen deshalb zu den ersten drei Protokollen, die von Connected Home over IP unterstützt werden sollen.

Wie sicher ist Bluetooth?

Verbindungsaufbau und Datenübertragung lassen sich bei einer Bluetooth-Verbindung verschlüsseln. Hierzu muss vom Nutzer zumindest vor dem ersten Geräte-Pairing eine PIN eingegeben werden, sofern die Option in der Software des Gerätes aktiviert wurde. Der Anwender kann festlegen, dass die PIN für spätere Verbindungen gemerkt werden soll.

Bluetooth macht leider immer wieder negative Schlagzeilen bezüglich Sicherheitslücken, die es Hackern erlauben, auf Smartphones oder IoT-Geräte zuzugreifen. Zuletzt machten die Sicherheits-Forscher der ETH Lausanne, dem CISPA Helmholtz Center for Information Security und der Universität Oxford im Mai 2020 in einer Sicherheitsstudie auf eine Bluetooth-Sicherheitslücke namens Bluetooth Impersonation AttackS (BIAS) aufmerksam.

Was sind die wichtigsten Bluetooth Audio-Codecs?

Das Bluetooth Audio-Streaming erfolgt im Classic-Modus und nicht im Low Energy Modus, das für den Datenaustausch von Smart Home Geräten verwendet wird. Die meisten Hersteller nutzen den Universalcode SBC, der eine Bandbreite von bis zu 345 kB/s bietet. Die Qualität der Verbindung kann jedoch – je nach Verbindung – schwanken, z. B. wenn sich ein Bluetooth-Lautsprecher immer weiter vom Smartphone entfernt.

Wer Wert auf qualitativ hochwertiges Audio-Streaming legt, sollte beim Kauf auf eines Bluetooth-Lautsprechers oder Bluetooth-Kopfhörers auf den Audio-Codec aptX von Qualcom legen. Leider sparen die Gerätehersteller hier sehr oft, da dafür Lizenzgebühren zu entrichten sind. Sony setzt als Hersteller von Audio-Geräten und Smartphones auf einen eigenen Bluetooth-Audiocodec namens LDAC. Apple nutzt mit AAC ebenfalls eine Eigenentwicklung. Im Vergleich zu SBC sieht AAC mit einer Bandbreite von 250 kBit/s zwar auf den ersten Blick schlechter aus, was jedoch täuscht. Denn im Vergleich zu SBC, behält AAC die Bandbreite bei.

 

Universalcode SBC

Apple AAC

Qualcom aptX

Sony LDAC

CD

Bandbreite

bis zu 345 kBit/s

250 kBit/s

354 kBit/s

990 kBit/s

1.411 kBit/s

Sample-Tiefe

16 Bit

16 Bit

16 Bit

24 Bit

16 Bit

Abtastrate

48 kHz

48 kHz

48 kHz

96 kHz

44,1 kHz

Bemerkung

starkkomprimiert

starkkomprimiert

hohe Musikqualität

hohe Qualität

Referenz

Was ist Bluetooth LE Audio, LC3 und Bluetooth Audio Sharing?

Bisher wird für Audio-Streaming nicht der Low Energy-Modus verwendet, sondern der energieintensivere Classic Mode. Das soll sich mit der zukünftigen Einführung von LE Audio ändern. Gleichzeitig mit LE Audio kommt auch ein neuer Audio-Codec namens Low Complexity Communications Codec (LC3) zum Einsatz.

Der LC3 Bluetooth Audio-Codec soll selbst bei niedrigen Datenraten eine Soundqualität bieten, die an SBC heranreicht. Für die Hersteller von akkubetriebenen Bluetooth-Audiogeräten bedeutet das eine vielfach längere Laufzeit bei gleicher Akkuleistung oder gleiche Laufzeit bei kleineren Akkus, die eine geringere Gerätegröße erlauben.

Ein weiteres Merkmal von LC3 ist Fähigkeit von Multi-Stream. Das bedeutet zwei Audio-Streams synchronisieren sich miteinander. Einen Einfluss hat das dann z. B. auf True Wireless In-Ear-Kopfhörer, bei denen jeder Kopfhörerknopf einen eigenen Empfänger hat.

Zuletzt soll Bluetooth LE Audio auch Broadcast-Funktionen bieten. Das bedeutet, ein Nutzer kann mit Bluetooth Audio Sharing Musik gleichzeitig auf seine Kopfhörer streamen und die der Freundin oder des Freundes.

Was sind die Vorteile von Bluetooth?

  • Einfache Installation und Einrichtung von Bluetooth Smart Home Geräten
  • Weite Verbreitung auf Bluetooth-fähigen Smartphones
  • Günstige Gerätepreise
  • Mesh-fähig

Was sind die Nachteile von Bluetooth?

  • Geringe Reichweite
  • Hohe Latenzzeiten aufgrund geringer Bandbreite und schwacher Sendeleistung im Vergleich zu anderen Funkstandards
  • Sicherheitsanfällig

Bluetooth Geräte im Überblick

Da Bluetooth vor allem auf Smartphones verbreitet ist, wird der Funkstandard zusammen mit Streaming-Diensten sehr gern im Lifestyle-Bereich eingesetzt. So existieren zahlreiche Bluetooth-Kopfhörer sowie Lautsprecher. Aber auch bei Smart Home Geräten ist Bluetooth beliebt. Hier kommt der Funkstandard vor allem in Einsteigergeräten zum Einsatz.

Bluetooth Lautsprecher Empfehlung – JBL Charge 4

Der Bluetooth Lautsprecher JBL Charge 4 bietet einen integrierten 7.500 mAh starken Akku, der sich auch als Powerbank zum Aufladen eines Smartphones nutzen lässt. Die Betriebszeit wird vom Hersteller mit ca. 20 Stunden angegeben. Das Gerät ist Wasserfest nach Schutzklasse IPX7, so dass die Box auch nach einem Sturz in den Pool weiter guten Sound abstrahlt. Sound-technisch richtet sich die JBL Charge 4 vor allem an Musikliebhaber, die Wert auf starke Bässe legen.

Bluetooth Kopfhörer Empfehlung – Sony WH-1000XM3 mit ANC

Musik hören ohne Kabelsalat. Mit dem kabellosen Bluetooth KopfhörerSony WH-1000XM3 kein Problem. Das Gerät bietet zudem eine exzellente Active Noise Cancelling-Funktion, mit der sich störende Umgebungsgeräusche effektiv ausblenden lassen. Der Kopfhörer verfügt über einen sehr guten Frequenzgang von 4 Hz bis 40.000 Hz und eine Betriebszeit von 30 Stunden. Unterstützt werden die beiden hochwertigen Bluetooth-Audio-Codecs LDAC sowie aptX.

Bluetooth In-Ear Kopfhörer Empfehlung – Soundcore Life P2

Die Bluetooth In-Ear Kopfhörer Soundcore Life P2 erinnern in ihrem Aussehen stark an Apple AirPods Pro. Dank Schutzklasse IPX7 sind die die Kopfhörer unempfindlich gegen Wasser, was sie auch für den Einsatz beim Sport interessant machen. Natürlich fehlt für den günstigen Preis das Active Noise Cancelling wie beim Apple Design-Vorbild, dafür sind eine lange Akkulaufzeit, Bluetooth 5.0 und der hochwertige Audio-Codec aptX mit an Bord. Nicht zu vergessen: Sie kosten nur einen Bruchteil der Apple AirPods Pro In Ear-Kopfhörer.

Bluetooth Lichtsystem Empfehlung – Philips Hue Bluetooth LED-Leuchtmittel

Das Philips Hue Lichtsystem hat in Smart Home Kreisen einen sehr guten Ruf und ist das Referenz-Lichtsystem der Redaktion. Hersteller Signify bietet einzelne Lösungen auch in einer einsteigerfreundlichen Bluetooth-Variante ohne Philips Hue Bridge an. Alles was Nutzer benötigen ist ein Bluetooth-fähiges Smartphone für die Einrichtung und Steuerung. Wer die intelligente Lichtsteuerung später ausbauen und um Premium-Funktionen erweitern will, kann die Bridge nachträglich hinzufügen.

Für einen guten Einstieg empfehlen wir die Philips Hue White & Color Ambiance LED-Lampe, die sich in jede herkömmliche E27-Lampenfassung eindrehen lässt. Nutzer können dann die Lichtfarbe ändern, insgesamt stehen 16 Millionen Farben zur Auswahl. Zum Arbeiten stellt die LED-Birne verschiedene Weißtöne, von kühlem bis warmem Licht zur Verfügung.

Ebenfalls mit Bluetooth bedienen lässt sich der Philips Hue White & Color Ambiance Lightstrip. Mit dem LED-Lichtstreifen lassen sich Treppenstufen illuminieren oder aber auch Schränke beleuchten. Wie bei der LED-Birne können die Nutzer Farben und Weißtöne nach Belieben anpassen. Beide Lösungen sind mit einem Amazon Echo kompatibel und bieten damit Alexa Sprachbedienung.

Bluetooth Elektronisches Türschloss Empfehlung– Nuki Smart Lock 2.0

Das Nuki Smart Lock 2.0 zeichnet sich dadurch aus, dass es sich in wenigen Minuten installieren lässt. Es wird einfach über einen bereits bestehenden Zylinder montiert und macht eine Tür damit smart. Dank Bluetooth erkennt das elektronische Türschloss, dass sich der Nutzer nähert und sperrt automatisch die Tür auf, ohne dass das Smartphone aus der Tasche genommen werden muss. Wer die Tür auch von einem entfernten Büro aus entriegeln will, um z. B. Besuch einzulassen, kann das Nuki Smart Lock 2.0 mit einer Bridge für Fernzugriff erweitern.

Bluetooth Thermostat Empfehlung – Eqiva Heizkörperthermostat N

Ein smartes Thermostat hilft Heizkosten senken, indem z. B. die Heizzeiten automatisch festgelegt werden. Das Eqiva Heizkörperthermostat N lässt sich per Bluetooth bequem vom Smartphone aus steuern. Nutzer können Heizprogramme auf Wochenbasis erstellen und bis zu 7 Schaltzeiten pro Tag festlegen.

Bluetooth Funksteckdose Empfehlung – LEDVANCE Smart+ Plug

Eine Funksteckdose ist ein beliebtes Einstiegsprodukt ins Smart Home. Nutzer können damit so gut wie jedes elektronische Gerät smart machen. Gesteuert wird der Bluetooth Zwischenstecker und das eingesteckte Elektrogerät nur indirekt. Die LEDVANCE Smart+ Plug Funksteckdose lässt sich per Smartphone schalten. Zudem können Nutzer wie bei einer Zeitschaltuhr automatische Schaltzeiten festlegen und die Bluetooth Steckdose auch per Alexa oder Siri sprachsteuern.

Ulrich Klein

Alexa-Evangelist und Digital Native. Schrieb vor seinem Start bei home&smart als freier Technikjournalist und Redakteur für verschiedene Verlage und Redaktionen, u.a. T3 (Tomorrow's Technology Today), Süddeutsche Zeitung, connect, Handy Magazin, iBusiness oder magnus.de. Spricht fließend Alexa und testet gerne Geräte, die den Alltag smarter machen, wie intelligente Lautsprecher, eBook Reader, Tablets oder Bluetooth-Kopfhörer. Spezialthemen: Smartphones, Mähroboter, Einbruchschutz.

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