Adaptive Frequency Hopping (AFH) lässt Bluetooth-Geräte Störquellen im 2,4-GHz-Band laufend erkennen und belegte Kanäle dynamisch ausblenden. Der Artikel erklärt Kanalmap, Kanalbewertung und die Umsetzung in Bluetooth LE.

Was ist Adaptive Frequency Hopping (AFH)?

Adaptive Frequency Hopping, kurz AFH, ist eine Technik, mit der drahtlose Kommunikationssysteme Störungen vermeiden und das verfügbare Funkspektrum besser ausnutzen. Man kennt sie vor allem aus dem Bluetooth-Umfeld. Das Prinzip dahinter: Geräte, die miteinander kommunizieren, behalten ihre Funkumgebung ständig im Blick und passen ihre sogenannte Kanalmap laufend an. AFH baut damit auf dem Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) auf. Der Unterschied: Statt einfach pseudozufällig zwischen Frequenzen zu springen, werden gestörte oder stark belegte Kanäle gezielt erkannt und anschließend ausgelassen.

Der entscheidende Unterschied zum klassischen FHSS ist die Anpassungsfähigkeit. FHSS springt zwar schnell zwischen Trägerfrequenzen, aber immer nach einer pseudozufälligen Sequenz, die Sender und Empfänger vorher kennen – auf Störungen wird dabei nicht eingegangen. Genau hier setzt AFH an: Das Verfahren bezieht die Kanalqualität mit ein, erkennt feste Störquellen und nimmt deren Kanäle aus der nutzbaren Liste heraus. Die Sprungsequenz läuft dann überwiegend auf freien Frequenzen. Durch diese Kombination aus schnellem Frequenzwechsel und dynamischer Kanalauswahl sinkt die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen im ohnehin stark belegten 2,4-GHz-ISM-Band spürbar.

Wie funktioniert AFH: Kanalmap und Kanalauswahl?

Bei jedem Verbindungsereignis tauschen die gekoppelten Geräte Pakete aus – und zwar in exakt getakteten Abständen. Der Frequenzsprung passiert dabei immer zu Beginn eines solchen Ereignisses: Ein Funkkanal wird deterministisch per Kanalauswahl-Algorithmus aus den verfügbaren Kanälen bestimmt. Über mehrere Verbindungsereignisse hinweg wechselt die Kommunikation also ständig die Frequenz und verteilt sich so über das gesamte 2,4-GHz-Band. Das senkt die Wahrscheinlichkeit, dass man dauerhaft auf denselben Störer trifft.

Das zentrale Gerät pflegt eine sogenannte Kanalmap, in der jeder Kanal entweder als genutzt oder als ungenutzt markiert ist – und diese Map teilt es dem zweiten Gerät über eine Link-Layer-Prozedur mit. Wie die einzelnen Geräte die Kanalqualität bewerten, ist nicht standardisiert, das bleibt der jeweiligen Implementierung überlassen. Sobald ein Kanal schlechter wird oder sich wieder erholt, wird die Map entsprechend angepasst. Und genau hier liegt der adaptive Kern von AFH. Ein praxisnahes Beispiel: Ein Smartphone, das als Central fungiert, kann gezielt die Kanäle deaktivieren, die sich mit seinen WLAN-Kanälen überschneiden – ein EFR-Gerät übernimmt diese Änderung dann einfach. Andersherum: Wird das EFR-Gerät selbst zum Central, sind zunächst alle Kanäle aktiv, solange sie nicht manuell gesperrt wurden.

AFH in Bluetooth LE: 40 Kanäle und 37 Datenkanäle

Bluetooth Low Energy teilt das 2,4-GHz-ISM-Band in 40 Kanäle auf. 37 davon sind allgemeine Kanäle, die für die verbundene Kommunikation genutzt werden können. Wie Silicon Labs erklärt, sehen die Bluetooth-Spezifikationen vor, dass sich die beteiligten Geräte darauf einigen, welche dieser 37 Datenkanäle sie tatsächlich verwenden. Das sogenannte Kanalmap-Update ist dabei Teil der Bluetooth-4.0-Spezifikation und lässt sich ausschließlich vom zentralen Gerät anstoßen – ein Slave kann ein solches Update also nicht selbst auslösen. Unterstützt wird das Verfahren übrigens in sämtlichen SDK-Versionen.

Die Bluetooth-Spezifikation schreibt vor, dass bei einer Neuzuordnung der Kanäle mindestens zwanzig davon erhalten bleiben müssen. Bevor AFH eingeführt wurde, nutzten Bluetooth-Geräte 79 der 83,5 verfügbaren Kanäle im 2,4-GHz-Band und wechselten 1600-mal pro Sekunde scheinbar zufällig die Frequenz – was hin und wieder zu Kollisionen mit anderen drahtlosen Geräten führte. Die Bluetooth SIG entwickelte AFH und nahm es in die Bluetooth Specification Version 1.2 auf, die 2003 verabschiedet wurde. Seitdem ist die adaptive Kanalvermeidung fester Bestandteil des Standards.

Kanalbewertung: RSSI und PER im Vergleich

Wie schlechte Kanäle erkannt werden, bleibt der Bluetooth-Spezifikation selbst überlassen – hier kommt die Kanalbewertung (Channel Assessment) ins Spiel. In der Praxis haben sich vor allem zwei Verfahren durchgesetzt: RSSI (Received Signal Strength Indication) und PER (Packet Error Rate). Beide geben an, welche Kanäle potenziell belegt sein könnten, unterscheiden sich aber darin, wie zuverlässig sie die momentane Funkumgebung abbilden. RSSI misst schlicht die empfangene Signalstärke und reagiert damit sehr schnell auf Pegeländerungen. PER dagegen wertet die Paketfehlerrate aus und liefert so ein direkteres Bild der tatsächlichen Übertragungsqualität.

In der Praxis kommt es stark darauf an, wie das Verfahren umgesetzt wird. Setzt man nur auf RSSI, kann ein Kanal schon dann als gestört gelten, wenn dort ein starkes, aber nur sporadisch auftretendes Signal liegt. Geht man dagegen nach der PER vor, fallen eher länger anhaltende Übertragungsprobleme auf – dafür braucht man einfach mehr Zeit, um das Ganze zu beobachten. In beiden Fällen bleibt die Kanalmap aber nicht einfach stehen, sondern wird laufend nachgeführt. Und genau diese Rückkopplung ist der Grund, warum AFH robuster arbeitet als ein rein zufälliges Frequenzsprungverfahren. Sie erklärt auch, weshalb AFH gerade dort so wichtig ist, wo viele Funkgeräte auf engem Raum senden – im Büro, in der Wohnung oder auf einer Messe.

AFH-Parameter und Implementierungsdetails

Silicon Labs zufolge ist die AFH-Umsetzung ab dem Bluetooth SDK v3.x verfügbar. Aktivieren lässt sie sich ganz einfach über die Installation der AFH-Softwarekomponente – der Codegenerator ruft dabei sl_bt_init_afh() automatisch innerhalb von sl_bt_init() auf. Sobald AFH aktiv ist und entweder mindestens ein Advertiser mit erweiterten Advertisements läuft oder eine aktive Verbindung besteht, startet der Stack eine periodische Hintergrundaufgabe: Sie tastet alle Kanäle einmal pro afh_scan_interval ab und misst dabei die empfangene Leistung. Liegt die gemessene Leistung auf einem Kanal über dem Grenzwert von -71 dBm, wird dieser Kanal für mindestens 8 afh_scan_intervals gesperrt. Um ihn wieder freizugeben, braucht es 8 aufeinanderfolgende Messungen ohne Störung. Nach jedem Durchlauf wird eine neue Kanalmap erstellt – und falls sich etwas geändert hat, schickt das zentrale Gerät die aktualisierte Map an alle Slaves.

Das Standardintervall für afh_scan_interval liegt bei einer Sekunde. Ein kompletter Durchlauf über alle 40 Kanäle dauert dabei ungefähr 10 ms und schlägt mit rund 240 µW zusätzlichem Energieverbrauch zu Buche – das ist nicht viel, summiert sich aber im Dauerbetrieb. Unter allen Bluetooth-Operationen genießt der AFH-Scan übrigens die höchste Priorität. Die Einheit von afh_scan_interval ist 10 ms, und ändern lässt sich der Wert über sl_bt_system_linklayer_configure mit dem AFH_SCAN_INTERVAL_CONFIG_KEY. Der eigentliche Kanal-Sweep findet nach einer Funkoperation statt. Ein Beispiel: Bei einem Intervall von 100 ms und einem Advertising-Intervall von 80 ms wird etwa bei jedem zweiten Advertisement gescannt, also ungefähr alle 160 ms. Wer möchte, kann Kanäle auch manuell sperren, und zwar über sl_bt_gap_set_data_.... Und noch ein wichtiger Punkt: AFH ist Pflicht, wenn man eine TX-Leistung von mehr als +10 dBm nutzen will.

AFH und WLAN-Koexistenz im 2,4-GHz-ISM-Band

Das 2,4-GHz-ISM-Band wird nicht nur von Bluetooth, sondern auch von WLAN, Zigbee und vielen weiteren Funkdiensten genutzt. Genau deshalb ist AFH für die Koexistenz entscheidend. Ein Smartphone als Central kann beispielsweise Kanäle deaktivieren, die mit seinen eigenen WLAN-Kanälen überlappen, und so gegenseitige Störungen reduzieren. Der AFH-Mechanismus wirkt dabei wie eine fortlaufende Abstimmung zwischen den Funktechnologien im selben Gerät oder in derselben Umgebung.

Nordic-Entwickler weisen darauf hin, dass +20 dBm mit Bluetooth LE aufgrund regulatorischer Vorgaben anspruchsvoll sind. Eine Kundenanforderung verwies auf den ETSI 300 328 Adaptive Mode für +20 dBm EIRP in Verbindung mit dem LE Channel Selection Algorithm #2. Das zeigt: Je höher die Sendeleistung, desto wichtiger wird eine saubere Kanalvermeidung. AFH ist damit nicht nur eine Optimierung, sondern eine regulatorische und praktische Voraussetzung für leistungsstarke Bluetooth-Anwendungen im dicht belegten 2,4-GHz-Band.

Was brachte Bluetooth 5.3 bei der Kanalbewertung?

Die Bluetooth Core Specification v5.3, veröffentlicht Mitte Juli 2021, führte die Channel Classification Enhancement ein. Zuvor nahm nur das zentrale Gerät die Kanalbewertung vor. Waren Central und Peripheral weit voneinander entfernt, konnten sie unterschiedlichen HF-Bedingungen ausgesetzt sein. Die Kanalmap konnte dadurch Kanäle enthalten, die für das Peripheral ungeeignet waren, was Paketkollisionen, Verbindungsabbrüche und eine geringere Durchsatzrate zur Folge haben konnte. Mit der Erweiterung beteiligen sich sowohl Peripheral als auch Central an der Bewertung; das Peripheral meldet seine HF-Bedingungen und schlägt dem Central Klassifizierungen vor.

Bluetooth 5.3 ergänzte außerdem das Periodic Advertising Enhancement mit dem AdvDataInfo-Feld sowie das Connection Subrating. Diese Änderungen mögen technisch klingen, doch sie verbessern die Zuverlässigkeit in realen Umgebungen. Wenn beide Seiten ihre jeweilige Funkumgebung einbringen, wird die Kanalmap repräsentativer für die tatsächliche Verbindungsstrecke. Das reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass ein für eine Seite ungeeigneter Kanal weiter genutzt wird, und trägt zu stabileren Verbindungen sowie höherem Durchsatz bei – ein wichtiger Schritt für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit.

Vor- und Nachteile von Frequenzsprungverfahren

Frequenzsprungverfahren haben klare Stärken, aber auch Grenzen. FHSS verteilt die Übertragung über viele Frequenzen und erschwert so das gezielte Stören. AFH verbessert dies, indem es belegte Kanäle ausblendet. Allerdings beruhen FHSS-Verfahren auf der Nutzung von Trägerfrequenzen zur Übertragung der Informationsbits, was durch frequenzselektiven Schwund zu starken, bündelartigen Fehlern führen kann. Adaptive Verfahren wiederum erzeugen zusätzlichen Überwachungsaufwand. Die Kanalbewertungsmethoden RSSI und PER unterscheiden sich zudem darin, wie gut sie die aktuellen Bedingungen verfolgen.

In der Praxis bedeutet das einen Abwägungsprozess: Mehr Überwachung und häufigere Kanalmap-Updates erhöhen den Energieverbrauch, verbessern aber die Robustheit. Wer Bluetooth-Geräte entwickelt, muss daher je nach Anwendung entscheiden, wie aggressiv AFH arbeiten soll. Für Audioanwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen kann eine schnellere Anpassung sinnvoll sein, während energiesensible Sensoren von längeren Scan-Intervallen profitieren. Die Bluetooth-Spezifikation lässt hier bewusst Spielraum, damit Hersteller ihre Implementierung an das jeweilige Einsatzszenario anpassen können.

Warum AFH für höhere Sendeleistungen Pflicht ist

AFH ist eine Voraussetzung für die Nutzung einer TX-Leistung über +10 dBm. Da höhere Sendeleistung das Interferenzrisiko erhöht, stellt das adaptive Frequenzsprungverfahren sicher, dass Geräte belegte Kanäle meiden. Silicon Labs weist ausdrücklich darauf hin, dass AFH für TX-Leistungen oberhalb von +10 dBm erforderlich ist, und verweist auf die entsprechenden Bluetooth-TX-Leistungseinstellungen. Wer also die Reichweite oder Zuverlässigkeit durch mehr Sendeleistung erhöhen will, kommt an AFH nicht vorbei.

Diese Anforderung ist kein bürokratisches Detail, sondern Folge der Physik: Mehr Leistung bedeutet mehr potenzielle Störwirkung auf andere Geräte im selben Band. Ohne adaptive Kanalvermeidung würde ein starkes Bluetooth-Signal benachbarte WLAN- oder Zigbee-Verbindungen übermäßig beeinträchtigen. Die Kombination aus Leistungssteigerung und AFH sorgt dafür, dass die Vorteile höherer Sendeleistung genutzt werden können, ohne die Koexistenz im 2,4-GHz-Band unangemessen zu belasten.

Häufig gestellte Fragen zu Adaptive Frequency Hopping

Wie funktioniert Adaptive Frequency Hopping?

Adaptive Frequency Hopping bedeutet, dass kommunizierende Geräte ihre Umgebung fortlaufend auf Interferenzen überwachen und die Kanalmap entsprechend anpassen. Bluetooth unterteilt das 2,4-GHz-Band in Kanäle und springt beim Senden von Paketen schnell zwischen ihnen, wobei laute und stark belegte Kanäle dynamisch erkannt und vermieden werden.

Was ist der Unterschied zwischen FHSS und AFH?

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) wechselt den Träger schnell zwischen Frequenzkanälen nach einer pseudozufälligen Sequenz, die Sender und Empfänger kennen. AFH ergänzt dies um Anpassung: Feste Störquellen werden identifiziert und ihre Kanäle aus der verfügbaren Liste entfernt, sodass die Sprungsequenz überfüllte Frequenzen umgeht.

Warum ist AFH für höhere Bluetooth-Sendeleistung erforderlich?

AFH ist Voraussetzung für die Nutzung einer TX-Leistung über +10 dBm. Da höhere Leistung das Interferenzrisiko erhöht, stellt das adaptive Frequenzsprungverfahren sicher, dass Geräte belegte Kanäle meiden. Silicon Labs weist darauf hin, dass AFH für TX-Leistungen oberhalb von +10 dBm erforderlich ist, und verweist auf die Bluetooth-TX-Leistungseinstellungen.

Welche Nachteile haben Frequenzsprungverfahren?

FHSS-Verfahren beruhen auf Trägerfrequenzen zur Übertragung der Informationsbits und können durch frequenzselektiven Schwund starke, bündelartige Fehler verursachen. Adaptive Verfahren erzeugen zusätzlichen Überwachungsaufwand, und Kanalbewertungsmethoden wie RSSI und PER unterscheiden sich darin, wie gut sie die aktuellen Bedingungen verfolgen.