Im Gespräch mit Damon Barnes von der Bluetooth SIG Channel Sounding: Präzise Ortung und sichere Zugangskontrolle für IoT-Geräte

Bluetooth 6 bringt mit Channel Sounding eine präzise und sichere Methode zur Entfernungsmessung zwischen Geräten. Damon Barnes, Director of Technical Marketing der Bluetooth SIG, erklärt im Interview, was dies für Entwicklungen im IoT- und Embedded-Bereich bedeutet.

Mit der Bluetooth-Spezifikation 6.0 führt die Bluetooth Special Interest Group (SIG) ein neues Kernfeature in den drahtlosen Konnektivitätsstandard ein, der vor allem für IoT-Anwendungen interessant sein dürfte: Channel Sounding soll es Entwicklern ermöglichen, Abstände im Zentimeterbereich zu messen und dabei höchste Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Dabei stehen vor allem die Technologien phasenbasiertes Ranging (PBR) und Round-Trip-Time (RTT) im Vordergrund, die nicht nur für präzise Messungen sorgen, sondern auch gezielte Schutzmaßnahmen gegen Cyberbedrohungen bieten sollen. Im Interview erläutert Damon Barnes, Director of Technical Marketing der Bluetooth SIG, die Neuerungen von Channel Sounding für den Praxisfall – und geht auf Herausforderungen ein, die bei der Integration in bereits bestehende Lösungen auftreten können.

Mr. Barnes, Wie passt Bluetooth Channel Sounding zu den allgemeinen Trends bei der Entwicklung von IoT und intelligenten Geräten, insbesondere in Bezug auf Genauigkeit und Sicherheit?

Damon Barnes, Bluetooth SIG: Die Leistungsfähigkeit smarter IoT-Geräte hat sich kontinuierlich erhöht. Bluetooth Channel Sounding ist beispielhaft für diesen Trend. Seit mehr als einem Jahrzehnt nutzen Entwickler Bluetooth RSSI, um die Entfernung zwischen zwei Geräten abzuschätzen, damit sich Bluetooth-Geräte besser erkennen und so intelligenter, reaktionsschneller und intuitiver arbeiten.

Nun bietet Channel Sounding zentimetergenaue Messungen über beträchtliche Entfernungen. Das erfüllt die Anforderungen der meisten Anwendungen. Zu den wichtigsten Beispielen gehören sicherere digitale Schlüssel und Bluetooth-Schlösser sowie Bluetooth-basierte industrielle HMI-Lösungen, um die Sicherheit des Personals zu erhöhen.

Channel Sounding führt zwei neue Entfernungsschätzverfahren in die Bluetooth-Spezifikation ein: das phasenbasierte Ranging (PBR) und die Round-Trip-Time (RTT). Können Sie diese beiden Verfahren kurz erklären?

Mit Bluetooth Channel Sounding können sich Devices wie IoT-Geräte mit deutlich höherer Genauigkeit gegenseitig finden als mit dem klassischen RSSI (Received Signal Strength Indicator). Dieser relative Indikator für die Empfangsfeldstärke eines eingehenden Signals ist anfälliger für Störungen durch externe Faktoren.

Stellen Sie sich vor, Sie suchen in einem unübersichtlichen Raum nach Ihren verlorenen Schlüsseln. In der Vergangenheit war es mit der Bluetooth-Signalstärkeanzeige RSSI so, als würde man eine Taschenlampe mit einem sehr schwachen Strahl verwenden. Sie konnten den Bereich, in dem sich Ihre Schlüssel befinden könnten, nur vage erkennen. Es war schwierig oder unmöglich, die genaue Position zu bestimmen.

Jetzt nutzt Bluetooth zwei bewährte Entfernungsmessungsmethoden, die phasenbasierte Entfernungsmessung (PBR) und die Round-Trip-Time (RTT), für die präzise und sichere Entfernungsmessung zwischen zwei Geräten mit Bluetooth-Funktionalität. Das nennt sich Bluetooth Channel Sounding.

Bei PBR sendet ein Initiator-Gerät ein Signal an ein Reflektor-Gerät, welches es zurücksendet. Dieser Vorgang wird über mehrere Frequenzen hinweg wiederholt. Die exakte Entfernung zwischen den beiden Geräten wird dann über die Phasendifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen der Frequenzen berechnet.

Darüber hinaus nutzt Bluetooth Channel Sounding eine sekundäre Entfernungsmessung, die auch IT-Schutz und Cybersicherheit bietet. Die Round-Trip-Time (RTT) ist ein Abwehrschutz gegen ausgefeilte Man-in-the-Middle (MITM)-Relay-Angriffe. Bei RTT sendet ein Bluetooth-fähiges Initiatorgerät kryptografisch verschlüsselte Pakete an ein Reflektorgerät, das diese Pakete zurücksendet. Die Entfernung zwischen den Geräten wird dann auf der Grundlage der Zeit berechnet, die die Pakete für den Hin- und Rückweg benötigten.

Bei welchen Anwendungen und in welchen Szenarien würden Sie der phasenbasierten Entfernungsmessung (PBR) den Vorzug gegenüber der Round-Trip-Time (RTT) geben oder umgekehrt?

Die Verwendung von PBR und RTT beim Bluetooth Channel Sounding ist keine Entweder-Oder-Entscheidung. Die beiden Methoden ergänzen sich gegenseitig. Die phasenbasierte Entfernungsmessung (PBR) wird für die präzise Entfernungsmessung zwischen zwei Geräten verwendet, während der Hauptzweck der Round-Trip-Time (RTT) die Angriffs-sichere Entfernungsmessung ist. Die Daten- und Informationsübertragung über Bluetooth ist damit gegen kriminelles Abhören und Cyberdaten-Angriffe, Threats und Leaks gesichert.

Welche spezifischen Anwendungen in den Bereichen IoT, industrielle Automatisierung oder embedded (eingebettete) Systeme werden von der höheren Genauigkeit der Abstandserkennung durch Bluetooth Channel Sounding profitieren?

Bluetooth RSSI ermöglichte es Entwicklern bereits, ein so genanntes „Find My Device“ mit einem Entfernungsbewusstsein auszustatten. Mit PBR und RTT basiert die Entfernungsmessung zwischen zwei Bluetooth-Produkten nicht mehr auf einer angenäherten Genauigkeit, die von der tatsächlichen Entfernung abweicht, sondern auf einer exakten Ortung. Damit können Unternehmen und Organisationen überzeugende Ortungslösungen entwickeln, darunter die aktuellen „Find My"-Netzwerkfunktionen für Endverbraucher. Diese suchen zum Beispiel die Autoschlüssel. Unternehmen profitieren etwa von Systemen zur Verfolgung von Vermögenswerten, die bereits in vielen gewerblichen und industriellen Kontexten eingesetzt werden.

Die Vorteile von Channel Sounding liegen auf der Hand: Entwickler stellen damit sicher, dass sich ein Schloss nur dann öffnet, wenn sich das autorisierte Gerät in einer definierten Nah-Entfernung befindet. Damit wird das Risiko eines unbefugten Zugriffs durch Man-in-the-Middle-Relay-Angriffe (MITM) bei digitalen Zutrittslösungen und Schlüsseln erheblich reduziert. Endkunden finden ihre Bluetooth-fähigen Geräte – wie Hörsysteme, Schlüssel oder Kopfhörer – schneller wieder. Die präzise Ortung gibt den Kunden mehr Benutzerkomfort und ein besseres Device-Erlebnis. Bluetooth Channel Sounding bietet damit einen deutlichen Mehrwert.

Neben Find My- und Digital Key-Lösungen hat Bluetooth Channel Sounding das Potenzial, viele weitere Systeme an vernetzten IoT-Geräten zu unterstützen. So können beispielsweise Bluetooth Human Interface Devices (HID) wie Computermäuse, Tastaturen oder Game-Controller jetzt automatisch zwischen aktivem und inaktivem Zustand wechseln, je nachdem, wie weit sie von einem über Bluetooth zugehörigen Smartphone oder Tablet entfernt sind. Das birgt völlig neue, anwenderfreundliche und vereinfachende Interaktionen in unserer vernetzten Arbeits- und Freizeitwelt mit embedded Systems, hybriden Arbeitsplätzen und nahtloser Bluetooth-Konnektivität von Tastaturen oder beim Gaming.

Bei Bluetooth Human-Machine Interface-Lösungen (HMI) in industriellen Umgebungen erhöht Channel Sounding die Sicherheit des Personals, indem die Nutzung bestimmter Anlagen nur aus sicherer Entfernung erlaubt wird. Ebenso können Bluetooth-Gerätenetzwerke, wie für die drahtlose Beleuchtungssteuerung, mit diesem neuen Standard ihre Konfiguration selbst optimieren, um die Systemleistung zu verbessern oder Energie zu sparen. Das sind nur Einblicke in einige von unzähligen Anwendungsszenarien.

Wie wirken sich Mehrwegreflexionen auf die Genauigkeit der Entfernungsschätzung bei herkömmlichen Bluetooth-Implementierungen aus? Wie werden diese Effekte durch die Kanalsondierung abgeschwächt?

Schwierige RF-Umgebungen, einschließlich Mehrwegeffekten, Interferenzen und Back-Pocket-Szenarien, beeinträchtigen in der Regel die Genauigkeit der Entfernungsmessung, unabhängig von der verwendeten Wireless-Technologie. So weisen beispielsweise Wi-Fi, UWB und sogar GPS in anspruchsvollen HF-Umgebungen eine gewisse Leistungsverschlechterung auf.

Adaptives Frequency Hopping (AFH) ermöglicht, dass die Bluetooth-Übertragung, einschließlich Bluetooth Channel Sounding, in schwierigen RF-Umgebungen zuverlässig funktioniert. Denn Bluetooth beinhaltet standardisierte Funktionen und Techniken zur Überwindung von Interferenzen sowie zum Finden und Nutzen des klarsten Übertragungsweges bei verschiedenen Interferenzen wie Mehrwegreflexionen.

Beispielsweise nutzt Bluetooth das Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) als AFH. Bluetooth unterteilt dazu das Frequenzband in kleinere Kanäle und springt bei der Übertragung von Paketen schnell zwischen diesen Channels hin und her. Darüber hinaus kann AFH die Sprungfolge anpassen. Kanäle, die verrauscht und belegt sind, werden dynamisch nachverfolgt und beim Senden von Paketen gemieden.

Bluetooth Channel Sounding kann Endgeräte mit mehreren Antennen unterstützen. Durch mehr Antennen werden alternative Pfadoptionen zur Interferenzminderung bereitgestellt. Das unterstützt dabei, den kürzesten, stabilsten und sichersten Weg für den Austausch von Kommunikationssignalen auch dann zu identifizieren, wenn Mehrwegreflexionen vorhanden sind. Die Nutzung mehrerer Antennen hilft auch, die Genauigkeit von Entfernungsmessungen in schwierigen RF-Umgebungen mit Bluetooth Channel Sounding zu erhalten.

Welche Herausforderungen können bei der Integration von Bluetooth Channel Sounding in bestehenden Bluetooth-Low-Energy-Geräte (BLE) auftreten, insbesondere in Bezug auf den Stromverbrauch, die Hardware-Funktionen oder die Sicherheitsimplementierung?

Bluetooth Channel Sounding hat einen völlig neuen Protokollstapel, einschließlich einer physikalischen Schicht (PHY). Dies bedeutet, dass Endgeräte möglicherweise ein Upgrade der integrierten Bluetooth LE-Schaltung (IC) benötigen, um Bluetooth Channel Sounding zu unterstützen. Der Stromverbrauch wird durch Bluetooth Channel Sounding nicht wesentlich erhöht.

Wie verbessert Bluetooth Channel Sounding die Sicherheit bei Anwendungen wie digitalen Schlüsseln und der Nachverfolgung von Vermögenswerten?

Die Verwendung der zweiten Messmethode RTT bietet einen zusätzlichen Sicherheitslayer. Durch die Verifizierung von PBR-Messungen erhöht sich der IT-Schutz vor komplexen Man-in-the-Middle-Relay-Angriffen. Beide Schutzmethoden unentdeckt mit einem Threat zu durchbrechen, halten Sicherheitsexperten für sehr komplex. App-Ingenieure, Entwickler und IT-Security-Architekten, die auf diesen kombinierten Ansatz setzen, steigern den Unternehmens- und Assetschutz und verbessern gleichzeitig das Anwendererlebnis (UX). Sicherheit, Prozessoptimierung und einfachere Arbeitsabläufe gehen durch Bluetooth Channel Sounding nun Hand in Hand.

Wie erhöht die Integration von kryptografisch verschlüsselten Paketen in RTT die Sicherheit bei Bluetooth Channel Sounding?

Die Integration verschlüsselter Pakete in die Round-Trip-Time erhöht die Sicherheit der Bluetooth-Kanalsondierung, indem sie die zwischen den Geräten ausgetauschten Zeitdaten vor potenziellen Angriffen schützt und es einem Angreifer erheblich erschwert, den RTT-Paketaustausch zwischen zwei Bluetooth-Geräten zu kompromittieren. Beim Scrambling werden die Pakete mit einem kryptografischen Schlüssel verschlüsselt, so dass die Daten ohne den richtigen Entschlüsselungsschlüssel für niemanden verständlich sind. Dieser Prozess verhindert, dass Angreifer die Datenpakete abfangen, verzögern oder manipulieren, um die Entfernungsmessung zwischen den Geräten zu beeinträchtigen – eine gängige kriminelle Technik bei Relay-Angriffen.

Durch die kryptografische Verschlüsselung wird sichergestellt, dass nur die vorgesehenen Bluetooth-Geräte die Zeitinformationen entschlüsseln und genau nutzen können. So ist die Integrität der Entfernungsmessungen gewahrt und die Sicherheit der Bluetooth-Verbindung viel höher. Dies gilt insbesondere für sensible Datentransfers mit Einsatzszenarien wie digitalen Schlüsseln und bei der Zugriffskontrolle.

Die Bluetooth-Kernspezifikation 6.0, die Channel Sounding enthält, wurde im September diesen Jahres vorgestellt. Bis wann können wir die ersten größeren Implementierungen erwarten?

Erste Produkte wie Chips, Module und Stacks von Rohde & Schwarz oder Nordic Semiconductor kommen voraussichtlich noch in diesem Jahr auf den Markt. Der neue Standard Channel Sounding soll dann für Bluetooth-fähige Endprodukte wie Mobiltelefone, Tags und Anhänger ab 2025 verfügbar sein.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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