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In diesem Artikel wollen wir uns vor allem mit der Implementierung und Planung entsprechender Anwendungen und der Beacon-Infrastruktur befassen. Anwendungen basierend auf BLE-Beacons werden immer häufiger eingesetzt. Gerade diese Anwendungen treiben aktuell den Bedarf an strukturierter Planung voran. Bluetooth entwickelt sich daher als Thema in unseren Projekten stetig weiter und gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Abgesehen von solchen berechtigten Vorbehalten kann der Einsatz von Bluetooth-Anwendungen einen echten Mehrwert bieten. Wie bei jeder Anwendung muss der Einzelfall betrachtet werden. Im Gegensatz zu vielem, was wir in unserer klassischen Beratungspraxis berücksichtigen, sind beispielsweise Beacon-Anwendungen in der Industrie und insbesondere in der Produktion eher selten. In anderen Bereichen, in denen beispielsweise das Smartphone ein zentrales Werkzeug ist, wie etwa im Büroumfeld, kann dies deutlich anders aussehen. Daher ist ein Blick auf den Umfang, den Nutzen und den ggf. notwendigen Planungsansatz solcher Anwendungen relevant und sinnvoll.
Für Bluetooth selbst ist meist das Smartphone bzw. die Verbindung mit einem entsprechend weit verbreiteten und verfügbaren System eine wichtige Basis. Die Auswahl der verfügbaren Anwendungen geht daher über die Anbindung des Smartphones an die Freisprecheinrichtung oder das Headset oder vom Laptop an diverse Peripheriegeräte hinaus. Es gibt immer mehr Anwendungen, die auf Bluetooth-Basis Einzug in moderne Gebäude halten.
Da immer mehr Anwendungen (z. B. Smartphone-Apps) auf BLE-Beacons basieren und eine entsprechende Beacon-Infrastruktur benötigen, gewinnt die Planung der Bluetooth-Versorgung zunehmend an Bedeutung. Insbesondere wenn hier produktionskritische Anforderungen gelten, sollte stets eine strukturierte Planung erfolgen.
Dabei geht es nicht nur um grundlegende Aspekte wie die Platzierung von Sender und Empfänger. Auch andere Aspekte, die wir aus der klassischen Netzwerkplanung kennen, spielen eine immer größere Rolle.
Das vielleicht wichtigste Beispiel ist hier die Sicherheit. Angesichts der aktuell veröffentlichten Sicherheitslücken in vielen Bluetooth-Implementierungen wird dies einmal mehr deutlich. Die unter Bluetooth verwendete Verschlüsselung ist anfällig. In typischen Beacon-Anwendungen mag dies oft nicht so relevant sein. Sobald jedoch andere Anwendungen von Bluetooth eine Rolle spielen, ist das Sicherheitsmanagement entsprechend wichtig.
Technische Grundlagen der Beacon-Infrastruktur
Es gibt mittlerweile eine Vielzahl unterschiedlicher Beacon-Standards. Die vier bekanntesten sind iBeacon, Eddystone, uiBeacon und ALT-Beacon. Die ersten beiden Standards sind besonders relevant, da sie von Apple (iBeacon) und Google (Eddystone) unterstützt werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Nutzer ein iPhone, Android oder Windows-Betriebssystem auf seinem Mobilgerät verwendet. Die Signale werden von allen Geräten verstanden. Das iBeacon-Protokoll wird seit Android Version 4.3 unterstützt.
Da die verschiedenen Beacon-Protokolle alle Teil des Bluetooth Low Energy Standards sind, ist der Aufbau sehr ähnlich. Das iBeacon-Datenpaket wird daher detaillierter dargestellt. Dieses ist Teil der Bluetooth Low Energy Payload, die wiederum Teil der Protocol Data Unit (PDU) des eigentlichen BLE-Frames ist. Das bedeutet, dass 31 von 47 Bytes innerhalb eines BLE-Frames für die iBeacon-Daten genutzt werden können. Die Datenmenge erscheint zwar gering, doch das Konzept der Beacons erfordert, dass die Intelligenz in der App und nicht im Beacon selbst steckt.
Die Datenstruktur des iBeacon-Frames innerhalb von Bluetooth Low Energy
Unabhängig von den einzelnen Protokollen bieten Beacons stets mehrere Informationen, die sie in festen Abständen aussenden. Dabei handelt es sich um die Werte für den Universally Unique Identifier (UUID), Major, Minor und TX Power. Ersterer hat ein Datenvolumen von 128 Bit. Daraus ergeben sich 160 Bit Nutzdaten, die mithilfe eines Beacons übertragen werden können. Dies ermöglicht eine gute Strukturierung unterschiedlicher Informationen für vielfältige Anwendungen. So kann sich die UUID beispielsweise auf das Unternehmen beziehen, Major auf ein Gebäude und Minor auf eine bestimmte Position innerhalb des Gebäudes.
Der TX-Power-Wert ist dafür verantwortlich, dass das Endgerät die Entfernung zum Beacon abschätzen kann. Dabei überträgt das Gerät die Information über die eigene Signalstärke in Form eines Zweierkomplements. So ergibt sich beispielsweise der Wert 0xC8 = 200, Zweierkomplement = 256-200 = 56 und damit eine codierte Signalstärke von -56 dBm des Beacon-Signals. Dies ist ein Indikator für den Received Signal Strength Indicator (RSSI) und gibt an, wie stark das Signal sein sollte, wenn es einen Meter vom Objekt entfernt gemessen wird. Natürlich werden hierbei die real vorhandenen Umstände nicht berücksichtigt. Eine Wand oder eine Person zwischen Beacon und Empfänger kann die gemessene Feldstärke stark beeinflussen. Für den Empfänger des Signals ist somit nicht erkennbar, ob das Signal weit entfernt ist, ob es sich um das Echo eines tatsächlich näheren Signals handelt oder ob sich zwischen Sender und Empfänger ein Hindernis befindet. Dennoch ermöglicht dieser Wert eine verbesserte Ortungsgenauigkeit bei der Positionsbestimmung in Bezug auf die Position des Beacons.
Beacon-Anwendungen in modernen Gebäuden
In modernen Gebäuden gibt es neben der klassischen Bürokommunikation immer mehr Anwendungen, die eine Datenverbindung erfordern. Dabei geht es nicht nur um die Anbindung der Peripherie des Arbeitsplatzes, wie Maus, Tastatur oder Headset.
Die Anbindung vieler weiterer Endgeräte erfordert oft nicht das klassische kabelgebundene Netzwerk. Eine Verbindung über WLAN ist hier mittlerweile oft Standard. Und selbst in Kundenprojekten, in denen das kabelgebundene Netzwerk noch vorherrscht, ist der Trend zu kabellosen Anwendungen oft deutlich. Schon heute, aber insbesondere im Gebäude der Zukunft, ist davon auszugehen, dass immer mehr Endgeräte drahtlos angebunden werden. Eine Folge dieser Entwicklung ist insbesondere, dass oft eine flächendeckende WLAN-Abdeckung erforderlich ist. Aus diesem Grund benötigen eine ganze Reihe von Bluetooth-Anwendungen auf Basis von BLE-Beacons eine zweite Datenverbindung per Mobilfunk oder WLAN.
Eine typische BLE-Beacon-Anwendung ist nicht allein einsetzbar, sondern benötigt eine zusätzliche Datenverbindung. Im Netzwerk verfügbare Dienste und Services können wie dargestellt erreicht werden. Im Zweifelsfall muss diese Verbindung geplant und bereitgestellt werden.
Der standortabhängige Einsatz ist die naheliegendste Anwendung für Beacons. So wurde beispielsweise im Einzelhandel mit vielen Beacons versucht, das Kaufverhalten von Kunden zu analysieren und zu beeinflussen. Dieses „Proximity Marketing“ war zumindest in Europa bisher wenig erfolgreich, stattdessen tauchen immer mehr Indoor-Navigationssysteme auf, die Nutzern die Orientierung in einem unbekannten Gebäude erleichtern sollen.
Die Idee im Gebäude der Zukunft geht so weit, dass der Aufzug über seine Sensoren meldet, dass er bald einen Defekt erwartet und den Servicetechniker benachrichtigt. Dieser kommt ins Gebäude, erhält automatisch die benötigten Schließberechtigungen für die elektronischen Türschlösser und wird per App mittels Bluetooth-Beacons zum entsprechenden Serviceraum geleitet. Dort angekommen, verlinkt ein Beacon am Aufzug auf das aktuelle Servicehandbuch des Geräts und der Techniker kann die Historie bisheriger Wartungen und Reparaturen abrufen.
Die Einsatzgebiete der Technologie sind vielfältig und aufgrund der einfachen Nachrüstbarkeit auch für bestehende Beacon-Infrastruktur interessant.
Wer schon einmal das Aachener Klinikum besucht hat, weiß den Wert der Indoor-Navigation für die Orientierung in den verwinkelten Gängen zu schätzen. Dort wurden einige Stationen mit Beacons ausgestattet und ermöglichen so eine teilweise Patientennavigation. Leider wurde nicht die gesamte Klinik mit Beacons ausgestattet, sondern nur in wenigen Bereichen. Als Proof-of-Concept ein interessantes Projekt, doch ohne flächendeckenden Ausbau wird die Nutzerakzeptanz kaum zu erreichen sein.
Ebenso lässt sich ein Museum problemlos mit Beacons an den Exponaten erweitern und die bisherigen Audioguides durch eine Museums-App ersetzen. Dies ermöglicht zudem eine Kundenbindung über den einzelnen Besuch hinaus. Untersuchungen zeigen, dass viele Nutzer die App nach dem Besuch auf ihrem Mobilgerät belassen. Dies wiederum ermöglicht es dem Betreiber, den Besucher über neue Ausstellungen oder Aktionen zu informieren.
Auch eine Messe kann von dieser Technologie profitieren. Eine Messe-App mit BLE-Technologie ermöglicht dem Nutzer nicht nur eine Indoor-Navigation oder Messeführung, sondern bietet dem Betreiber auch die Möglichkeit, Besucherströme zu analysieren und zu steuern. Ist eine Halle überfüllt, sind Nutzer möglicherweise dankbar für die Information, dass eine andere Halle aktuell kaum Besucher hat.
Natürlich kann es dann für den App-Nutzer erfahrbar sein, dass sich in der vermeintlich leeren Halle sämtliche Nutzer ohne Smartphone und Messe-App tummeln, was das System nicht „gesehen“ hat. Anhand des typischen Nutzerverhaltens (oder nach dem statistischen Mittelwert) und mit entsprechender Software lässt sich jedoch oftmals eine entsprechend gute Vorhersage treffen.
Die flächendeckende Versorgung eines Gebäudes mit Beacon-Technologie bietet zudem eine Vielzahl neuer Nutzungskonzepte. Ein ungenutzter Besprechungsraum muss nicht (oder seltener) gereinigt werden. Und ein nie genutzter Besprechungsraum könnte möglicherweise sinnvoller genutzt werden. Hierzu könnten anonymisierte Daten genutzt werden, um ein Nutzungsprofil des entsprechenden Bereichs zu erstellen.
Ortung mittels Bluetooth-Beacons
Beim Einsatz von Beacon-Geräten gibt es drei verschiedene Anwendungsfälle, die im Folgenden näher erläutert und schematisch dargestellt werden.
Verschiedene Möglichkeiten der Nutzung des Beacons; links: Navigation durch stationäre Beacons; Mitte: Tracking durch bewegliche Beacons auf Objekten; rechts: die Kombination beider Methoden
Ein mögliches Setup für die Indoor-Navigation setzt voraus, dass die Beacons fest positioniert sind und die Anwendung weiß, wo sich jeder Beacon befindet. Die Position innerhalb der Beacon-Infrastruktur kann mittels Trilateration bestimmt werden. In der Regel werden hierfür die zusätzlichen Sensoren der mobilen Geräte genutzt. Die Positionsbestimmung kann durch die Beschleunigungssensoren unterstützt werden, die in allen aktuellen Mobiltelefonen verbaut sind.
Beim Asset Tracking möchte man wissen, wo sich die Beacons befinden. Komponenten, die lokalisiert werden sollen, werden daher mit Beacons ausgestattet und können dann innerhalb der Infrastruktur geortet werden. Im Gesundheitswesen ist dies beispielsweise aktuell eine sehr relevante Anwendung, die immer häufiger eingeplant werden muss. Der Betreiber möchte wissen, wo sich bestimmte Ressourcen befinden.
Die Idee dahinter ist, dass man damit Ressourcen besser planen kann und weniger Zeit mit der Suche nach der entsprechenden Komponente verbringt. Ein zusätzlicher Nebeneffekt ist, dass man auch Informationen über die tatsächliche Nutzung erhält. In dieser Anwendung werden häufig WLAN-Access Points mit zusätzlicher BLE-Technologie eingesetzt.
Mit einer solchen Infrastruktur lassen sich beide Verfahren kombinieren und sowohl Indoor-Navigation als auch Asset-Tracking ermöglichen, wodurch ein Mehrwert für die Gebäudenutzung entsteht. Dank des geringen Preises der Beacons sind damit keine hohen Investitionskosten verbunden. Die Technologie kann zunächst flächendeckend eingeführt und dann schrittweise ausgebaut werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mehr Beacons nicht zwangsläufig die Ortungsgenauigkeit verbessern. Bei zu vielen Beacon-Signalen sinkt die Genauigkeit wieder [Li 2015]. Um eine flächendeckende Nutzung zu erreichen, ist eine sorgfältige Planung der Beacon-Infrastruktur sinnvoll und notwendig.
Planungsgrundlagen der Beacon-Asset-Verfolgung
Unter Asset Tracking versteht man in diesem Zusammenhang eine Beacon-basierte Verfolgung von Objekten etc. Grundlage hierfür ist meist die Ortung von beweglichen Bluetooth-Beacons, die an zu verfolgenden Objekten platziert werden. Diese Beacons werden durch entsprechende Bluetooth-Empfänger lokalisiert. Man benötigt also eine Infrastruktur aus BLE-Empfängern, die die Beacons empfangen. Eine darunterliegende Beacon-Infrastruktur kann die Daten auswerten und letztendlich die Position des Beacons bestimmen.
Positionsbestimmung mittels Trilateration
Technisch und planerisch erinnert dies stark an die Ortung von WLAN-Endgeräten anhand der Signalstärke ihrer Pakete über WLAN-Access Points. Im Gegensatz zur Ortung über WLAN ist die Anzahl der benötigten Empfangsstationen bei BLE oft geringer. Letztlich hängt dies jedoch von der baulichen Umgebung, den Genauigkeitsanforderungen der Anwendung und weiteren Rahmenparametern ab. Ein Teil der Planung ist daher mit der WLAN-Planung vergleichbar. Ähnlich wie bei Funkzellen müssen entsprechende Versorgungsbereiche definiert und geplant werden.
Es ist daher nicht verwunderlich, dass viele der im professionellen Umfeld verfügbaren WLAN-Access-Points mittlerweile auch ein blaues
Bringen Sie ein Zahnfunkmodul mit. Eine entsprechende Bluetooth-Beacon-Infrastruktur ist somit bereits durch die WLAN-Infrastruktur geschaffen. Die Planung für Asset-Tracking-Anwendungen ist zu einem großen Teil eine fast klassische Infrastrukturplanung.
WLAN-Planungstools unterstützen nun erste Grundfunktionen für die Bluetooth-Planung [openreality.com]. Eine WLAN-ähnliche BLE-Abdeckung lässt sich im beliebten Tool Ekahau Site Survey simulieren. Die Funktionalität beschränkt sich aktuell auf die Anzeige von Funkzellen, in denen eine Mindestanzahl an Beacons mit ausreichender Signalstärke empfangen werden kann. Ein direkter Rückschluss auf die Standortgenauigkeit ist in der aktuellen Version leider noch nicht möglich.
Für die Verwaltung der Beacons, die Positionsbestimmung und ggf. weitere Managementfunktionen wird eine entsprechende Plattform benötigt. Auch hier gibt es entsprechende Lösungen von WLAN-Herstellern.
Eine solche Architektur ermöglicht zudem die Überwachung der batteriebetriebenen Beacons. Der einige Jahre nach der Implementierung zu erwartende Batteriewechsel kann vereinfacht werden, da das System den Status der installierten Beacons zurückmelden kann. Je nach Herstellerangaben und Konfiguration kann ein Batteriewechsel nach einem Zeitraum zwischen 3 und sogar 8 Jahren erforderlich sein. Weitere betriebliche Aufgaben ergeben sich zudem dadurch, dass die Beacon-Infrastruktur dokumentiert und die gesamte Architektur gewartet werden muss. Darüber hinaus müssen sicherheitsrelevante Aspekte, wie beispielsweise Updates auf aktuelle Software- und Firmware-Versionen, berücksichtigt und durchgeführt werden. Der entsprechende Aufwand ist einzukalkulieren.
Neben der Architektur ist eine weitere wichtige Aufgabe die Planung der darauf basierenden Anwendung. Insgesamt ist daher nicht nur eine strukturierte Planung für die Konzeption der Infrastruktur, sondern auch für die Implementierung der Anwendung erforderlich. Dazu gehören dann die Anforderungsanalyse, ein Grobkonzept, die Definition der Anforderungen an die Beacon-Infrastruktur (von der benötigten Genauigkeit bis hin zur Flächenabdeckung bzw. den Abdeckungsbereichen) sowie die entsprechenden Spezifizierungen der Anwendung und Benutzeroberfläche.
Da für das Asset Tracking ein fest installiertes Asset als Basis der Bluetooth-Architektur dient, bietet sich eine Planung analog zur klassischen WLAN-Planung an. Es ergibt sich ein mit der WLAN-Planung vergleichbares Vorgehen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Planung von Beacon-Positionen typischerweise weniger Planungsaufwand erfordert. Ein Grund hierfür ist der geringe Preis der Beacons und der meist geringe Infrastrukturbedarf. Zudem ist bei Tracking- und Tracing-Anwendungen ein gewisser Anteil bereits durch die WLAN-Planung vorgegeben, sofern die WLAN-Infrastruktur mitgenutzt werden soll.
Die in Abbildung 5 dargestellten einzelnen Planungsaspekte ähneln somit einer klassischen WLAN-Planung, benötigen jedoch nicht dieselbe Tiefe. Bereits bei der Planung der Infrastruktur ist es wichtig, die Parameter der Anwendung, wie beispielsweise die benötigte Ortungsgenauigkeit, zu kennen und zu berücksichtigen. Eine Verzahnung mit der Anwendungsentwicklung ist daher häufig sinnvoll. Wichtige Anforderungen für die Planung einer infrastrukturbasierten Bluetooth-Architektur sind insbesondere die Anforderungen der mit Bluetooth umzusetzenden Anwendung. Im Zusammenhang mit dem Asset Tracking sind dies beispielsweise die Flächenabdeckung und die Genauigkeit der benötigten Ortung. Es ist zu ermitteln, in welchen Gebäude- (bzw. Gelände-)Bereichen eine entsprechende Genauigkeit benötigt wird. Daraus ergibt sich dann die benötigte Dichte der BLE-Empfänger, die zur Ortung eingesetzt werden.
Aufbau der Bluetooth-Planung analog zur WLAN-Planung
Planungsgrundlagen Navigation / App-basierte Anwendungen
Im Gegensatz zur oben beschriebenen Ortung von mit einem Beacon ausgestatteten Objekten ist für die typische Navigation bzw. Standortbestimmung in einer Smartphone-App keine umfangreiche Beacon-Infrastruktur erforderlich.
Die Bluetooth-Beacons bilden hier typischerweise die Infrastruktur. Diese, ergänzt durch einen entsprechenden Dienst im Netzwerk, reicht für die Standortbestimmung aus. Das Smartphone oder die App empfängt mehrere Beacons. Auf dieser Basis kann dann ein entsprechender Dienst über eine Datenverbindung, beispielsweise WLAN oder Mobilfunk, die Position berechnen. Auch wenn keine mit WLAN-Access-Points vergleichbare Infrastruktur erforderlich ist, ist dennoch eine bestimmte Architektur erforderlich. Entsprechend ergeben sich Verfügbarkeitsanforderungen im Backend. Diese können mit den Anforderungen an andere Netzwerkinfrastrukturen vergleichbar sein.
Zur genauen Positionsbestimmung muss das Smartphone eine ausreichende Anzahl an BLE-Beacons empfangen und auswerten. Je nach Hersteller kann es hier auch sinnvoll sein, die in WLAN-Access-Points verbauten Bluetooth-Module zur Überwachung der Beacons zu nutzen, um durch die Überwachung der Beacons den Betriebsaufwand zu kontrollieren.
Ebenso lassen sich die Bluetooth-Sender in Access Points oftmals als Beacons nutzen. Die WLAN-Infrastruktur erfüllt somit einen zusätzlichen Zweck und bildet so eine nicht batteriebetriebene Grundversorgung mit Beacons. Erwähnenswert sind zudem spezielle herstellerspezifische Sonderformen. Beispielsweise bietet Cisco sogenannte Beacon Points an. In Kombination mit der Backend-Infrastruktur des gleichen Herstellers ermöglichen diese die flexible Platzierung „virtueller“ Beacons mittels einer entsprechenden kabelgebundenen BLE-Infrastruktur. Dabei kommen Sektorantennen mit entsprechenden Empfangseigenschaften sowie Hard- und Software zum Einsatz, um je nach Position im Raum unterschiedliche Beacons empfangbar zu machen. Das dahinterliegende System berechnet anschließend die Position.
In jedem Fall sollten vor der Umsetzung Planung und Tests erfolgen. Die unterschiedlichen Genauigkeitsanforderungen machen sich in der Umsetzung entsprechend bemerkbar. Bei der Planung der Beacon-Positionen bei klassischer App-basierter Ortung und Navigation gibt es einen deutlichen Unterschied zum Planungsvorgehen bei der WLAN-Planung. Dies liegt vor allem daran, dass typischerweise keine oder nur eine eingeschränkte klassische Infrastruktur (herstellerabhängig) aufgebaut wird.
Damit entfallen Punkte wie die Planung der passiven Infrastruktur im Rahmen der Positionsplanung. Dennoch müssen Rahmenparameter und Anforderungen definiert werden, da bei der Wahl der Beacon-Positionen die Flächenabdeckung und die Anforderungen an die Ortungsgenauigkeit berücksichtigt werden müssen. Hierbei ist auch zu beachten, dass in vielen Fällen, insbesondere bei batteriebetriebenen Beacons, eine nachträgliche Anpassung oder Ergänzung durch zusätzliche Beacons mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist.
Zusammenfassung
Es zeigt sich deutlich, dass Bluetooth aufgrund der damit verbundenen Anwendungen zunehmend an Relevanz gewinnt. Und auch wenn die Technologie in vielen Anwendungsfällen recht losgelöst von anderen Netzwerk-Beacon-Infrastruktur-Technologien funktioniert, ist eine genauere Betrachtung und damit eine strukturierte Planung sinnvoll und hilfreich.
Dies beginnt bei der Planung der Anwendungen und setzt sich bis hin zur Planung des Einflusses auf Netzwerktechnologien wie WLAN fort. Bei der Bluetooth-Planung dürfen die klassischen Aspekte der Netzwerkplanung, wie beispielsweise die Bedarfsanalyse, die Definition von Versorgungsgebieten etc. nicht außer Acht gelassen werden.
Wer aktuell eine WLAN-Infrastruktur plant, sollte sich mit der Beacon-Technologie auseinandersetzen, da diese bei geringen Investitionskosten einen großen Mehrwert für den Einsatz darstellen kann. Klassische Planungssoftware ist aktuell nur bedingt in der Lage, eine realistische Simulation von BLE-Infrastrukturen zu erstellen. Dies wird jedoch bald immer häufiger und vor allem mit zunehmendem Detaillierungsgrad möglich sein. Erste Ansätze für die benötigten Planungsmöglichkeiten finden sich bereits in entsprechender Software.
Je nach Anwendungsfall kann die Beacon-Infrastrukturplanung für Anwendungen geringer ausfallen als für ein klassisches Netzwerk, da der Fokus oft auf der Software bzw. Smartphone-App liegt. Es ist daher nicht zu unterschätzen, dass die Betriebsverantwortung oft in der IT gesehen wird. Spätestens wenn eine Anbindung per WLAN oder BLE-Unterstützung durch die WLAN-Infrastruktur erforderlich ist, entsteht eine neue Verantwortung in der IT-Abteilung. Insgesamt entsteht ein zusätzlicher Aufwand. Auch aus diesem Grund sollte Bluetooth in der aktuellen Planung und der strategischen Ausrichtung der IT eine Rolle spielen und berücksichtigt werden.
