Bluetooth

Observação

Todo o conteúdo exposto abaixo foi reunido através das referências citadas.

O que é o Bluetooth?

Logo blueetooth

"A tecnologia Bluetooth é, basicamente, um padrão para comunicação sem-fio de baixo custo e de curto alcance. Através dele, é possível conectar facilmente vários tipos de dispositivos de comunicação, tais como PCs, notebooks, palmtops, handhelds, impressoras, scanners, telefones celulares (telemóveis) enfim, qualquer aparelho que possua um chip Bluetooth. O Bluetooth tem por objetivo permitir comunicação (tanto de dados, como de voz) em tempo real, bastando que os equipamentos suportem a tecnologia. Esta tecnologia veio para facilitar as transmissões em tempo real de voz e dados, permitindo conectar quaisquer aparelhos eletrônicos, fixos ou móveis, que estejam de acordo com a tecnologia".

História

"No início, o Bluetooth foi idealizado para eliminar a necessidade de conectar aparelhor por cabos. Mas a idéia foi sendo aprimorada, de acordo com o andamento do projeto, onde ficou perceptível que o Bluetooth poderia se tornar uma ótima forma de comunicação, com uma vantajosa relação de custo/benefício.

Dispositivo USB para comunicação Bluetooth

As pesquisas começaram em 1998, por cinco grandes companhias: Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba. Esse grupo formou o consórcio "Bluetooth Special Interest Group". O nome "Bluetooth" foi escolhido em homenagem ao rei "Harald Blatand", que era conhecido em seu reinado na Dinamarca como "Harald Bluetooth". Esse apelido lhe foi dado por ele possuir uma coloração azulada em sua arcada dentária. Mas você pode estar se perguntando, o que esse rei tem haver com essa tecnologia? Harald Bluetooth ficou conhecido por ser um unificador da Dinamarca, logo o significado de Bluetooth é unificação.

O consórcio Bluetooth cresceu incrivelmente em poucos anos e já conta com cerca de duas mil empresas participando. A grande maioria das conhecidas companhias de tecnologia já fazem parte do consórcio, como HP, 3Com, Philips, Motorola, Samsung, Siemens, Dell, Sony, enfim. Isso permitiu uma ampla disseminação da tecnologia em todo o mundo".

Método de comunicação

"Os dispositivos Bluetooth trabalham numa freqüência na faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical), em 2,45 GHz. Como essa faixa muda de país para país, é necessário uma pequena adaptação em certos locais. No entanto, já há iniciativas para manter tudo numa faixa de valor único.

Piconet

A comunicação entre os dispositivos Bluetooth é feita através de um canal FH-CDMA (Frequency Hopping - Code-Division Multiple Access). Neste método, o transmissor envia um sinal sobre uma série randômica de freqüências de rádio. Um receptor captura o sinal, através de uma sincronia com o transmissor. A mensagem somente é recebida se o receptor conhecer a série de freqüências na qual o transmissor trabalha para enviar o sinal.

A forma como os dispositivos Bluetooth se comunicam (formando uma rede) chama-se "piconet", na qual podem existir até oito dispositivos conectados entre si. Um deles é o "mestre" (master), ou seja, o principal, sendo os demais os dispositivos "escravos" (slave). Você pode pensar que oito é um número muito pequeno, mas é possível "sobrepôr" vários piconets, aumentando os pontos de comunicação. Esse método é conhecido como "scatternet". Veja a figura abaixo para entender melhor:

scatternet

Desta forma uma rede formada por diversos "masters" (com um número máximo de 10) pode ser obtida para maximizar o número de conexões. A banda é dividida em 79 portadoras espaçadas de 1 MegaHertz, portanto cada dispositivo pode transmitir em 79 diferentes frequências; para minimizar as interferências, o dispositivo "master", após sincronizado, pode mudar as frequências de transmissão do seus "slaves" por até 1600 vezes por segundo. Em relação à sua velocidade pode chegar a 721 Kbps e possui três canais de voz.

Em relação ao seu alcance e potência os dispositivos se dividem em três classes: classe 1 (100 mW, com alcance de até 100 m), classe 2 (2,5 mW e alcance até 10 m) e classe 3, (1 mW e alcance de 1 m, uma variante muito rara). Cada dispositivo é dotado de um número único de 48 bits que serve de identificação".

Evolução do blueetooth

"O Bluetooth Special Interest Group (SIG), formado pelas empresas que dão suporte ao desenvolvimento do Bluetooth, é o grupo que desenvolve suas especificações tendo publicado os seguintes releases:

1999 Release 1.0

2001 Release 1.1

Nov 2003 Release 1.2

Nov 2004 Release 2.0

Mar 2006 UWB (Ultra-Wideband)

Jun 2007 Ultra Low Power Bluetooth

Por solicitação do SIG o IEEE 802 adotou as especificações do Bluetooth como um standard IEEE 802.15 para "Wireless Personal Area Network (WPAN)".

A arquitetura do Bluetooth e suas características técnicas foram definidas nas especificações denominadas Core (Núcleo) e Profiles (Perfis), definidas pelo SIG. Enquanto a especificação do núcleo define como o sistema funciona (protocolos, camadas, especificações técnicas, etc.), o documento que define os perfis determina como os diversos elementos que compõe o sistema podem ser empregados para a realização das funções desejadas. Ao contrário de outros padrões, a especificação do Bluetooth compreende não apenas as camadas mais baixas da rede, mas também a camada da aplicação. Dentre os tipos de aplicações previstas, pode-se citar transferências de arquivos, walkie-talkies digitais, fones de ouvido sem fio, acesso a redes locais, entre outros . Devido à natureza dinâmica de criação, modificação e desativação dos profiles o SIG decidiu que a partir do release 1.2 apenas a core especificação seria publicada como um único documento.

Com a versão 2.0, é possível transmitir dados com velocidade de até 2,1 Mbps, aproximadamente três vezes mais rápido que o atual padrão. A versão 2.0 garante que dispositivos v1.2 possam se comunicar com equipamentos que usam Bluetooth v2.0. As melhorias na versão foram basicamente na introdução de outras formas de modulação (8 PSK) e melhorias na performance BER (bit error rate), bem como significativa redução de consumo do dispositivo.

Em 28 de Março de 2006, o Bluetooth SIG anunciou parceria com a WinMedia Alliance, para adotar a tecnologia UWB (ultra-wideband) em seu padrão. O UWB utiliza tecnologia Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM), e atinge taxas de transferência de até 480Mbps. A integração da tecnologia UWB ao Bluetooth está prevista para a versão 3.0.

Em 12 de junho de 2007, a empresa Nokia e o Bluetooth SIG anunciaram a adoção do Wibree, como parte da especificação da tecnologia Bluetooth para dispositivos de ultra-baixo consumo. Esta tecnologia foi desenvolvida pela Nokia, e será utilizada em dispositivos como sensores esportivos, dispositivos médicos, etc".

Segurança

"Como todo aparelho que se comunica por radio frequência, bluetooth também esta exposto a problemas de segurança.

As práticas que estão no auge são o "Bluejacking" e o "Bluesnarfing".

O Bluejacking, apesar do nome que sugere um seqüestro (hijacking, em inglês), consiste em enviar mensagens, inclusive spam, para os eletrônicos alheios, via bluetooth. A técnica surgiu inocentemente, quando um usuário cujo apelido era “ajack” identificou nas proximidades um telemóvel(telefone celular) Nokia com Bluetooth ativo e enviou, por diversão, uma mensagem que dizia "Compre Ericsson”. Empresas de marketing levaram o conceito adiante e criaram o "Bluecasting", em que um equipamento especial dispara propaganda para todos os aparelhos que passam perto. A prática é classificada como spam e proibida em muitos países.

O "Bluejacking" também tem suas utilidades nobres, como as variantes "Bluedating" e "Bluechating" – respectivamente, paquera e bate-papo via bluetooth. Já o "Bluesnarfing" consiste em surrupiar informações dos aparelhos alheios. Basta que o seu telemóvel (só os modelos mais antigos são vulneráveis) esteja com o bluetooth ligado e em modo “discoverable” para que uma pessoa mal-intencionada possa invadi-lo e roubar informações. Embora o alcance típico da tecnologia bluetooth esteja fixada 100 m uma equipe da Flexilis construiu um “rifle bluetooth” capaz de captar sinais de dispositivos localizados a mais de 1 km. Durante os testes do equipamento em Los Angeles, o grupo conseguiu encontrar dezenas de aparelhos bluetooth em minutos, simplesmente apontando a “arma” para prédios comerciais ao redor. A brincadeira recebeu o nome de "bluetooth Sniping" ".

Características

"A seguir relacionam-se as características técnicas da tecnologia:

Freqüência: 2400 a 2483,5 GHz - ISM (industrial, scientific and medical)

79 Canais

Antena Omnidirecional

Data Rate de 1Mbit/s e Taxa de transferência de até 723 Kbps e até 2,1Mbps para o Bluetooth EDR (Enhanced Data Rate)

Alcance de até 100 metros

Técnica de modulação: GFSK (Graussian Frequency Shift Keying) e PSK (Phase Shift Keying) com 8 níveis

TDMA – TDD – Frequency hopping

Espalhamento Espectral

Frequency-Hopping - Salto de freqüência a cada 625 micro segundo

Canal de voz e dados

Criptografia: 128 bit

Baixo consumo e custo

Potência de transmissão de 1 a 100 mW, para Classe 1; Classe 2: 0,25 a 2,5 mW (típica) e Classe 3: </= 1 mW".

Protocolos

"A Figura abaixo apresenta a relação entre as camadas de protocolo definidas pela especificação core do Bluetooth e as camadas do modelo OSI e do IEEE802. As camadas definidas pela Core especificação do Bluetooth correspondem às camadas de MAC e física do IEEE 802.

Relação entre o Modelo OSI da ISO, o IEEE 802 e o Bluetooth

O Bluetooth core pode ser divido nas seguintes camadas:

Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP): Fornece serviços de conexão de dados com e sem conexão para as camadas superiores de protocolo. Executa funções de multiplexação, segmentação, controle de fluxo e de erro e gerenciamento de grupo. O L2CAP é utilizado para multiplexar canais lógicos em um único enlace físico.
Gerência de Enlace: É a camada responsável pela codificação e decodificação dos pacotes Bluetooth do pacote de dados e parâmetros relacionados com o canal físico, transporte lógico e enlace lógico. É responsável pelo estabelecimento de enlaces entre os vários dispositivos Bluetooth, controlando a negociação dos tamanhos de pacotes, chaves de segurança, modos de potência e estado de uma unidade na piconet.
Banda Básica: Fornece o suporte para o link de RF em funções como sincronização e salto de frequências e controle de acesso ao meio.
Rádio: É a parte de Rádio Frequência (RF) propriamente dita".

Modulação

"O Bluetooth utiliza modulalação GSFK (Gaussian Frequency Shift Keying), onde os dados são codificados na forma de variações de freqüência em uma portadora, de maneira similar à modulação FSK. Todavia, antes dos pulsos entrarem no modulador, eles passam por um filtro gaussiano, de modo a reduzir a largura espectral dos mesmos, servindo como uma espécie de formatador de pulso suavizando a transição entre os valores dos pulsos. No Bluetooth, o um “1” binário é representado por um desvio positivo de freqüêEm um canal físico básico de piconet do Bluetooth a sua frequência muda de forma pseudo-aleatória 1.600 vezes por segundo (cada 0,625 useg). A sequência de salto de frequência é definida pelo relógio e endereço Bluetooth do dispositivo mestre. Os dispositivos em uma piconet compartilham este canal físico de comunicação. Quando ocorre um salto de frequência os seus transmissores e receptores são sintonizados ao mesmo tempo na nova frequência.ncia, e um zero binário é representado por um desvio negativo de freqüência, com variação nunca menor que 115 KHz.

A partir da inclusão do Modo Enhanced Data Rate (EDR) – oficialmente a partir da versão 2.0, mas já presente na implementação v1.2 de muitos fabricantes – passou-se a utilizar também modulação Phase Shift Keying com 8 níveis (8PSK).

O espalhamento espectral é feito através de Frequency Hopping. Neste método, o transmissor envia um sinal sobre uma série randômica de freqüências de rádio. Um receptor captura o sinal, através de uma sincronia com o transmissor. A mensagem somente é recebida se o receptor conhecer a série de freqüências na qual o transmissor trabalha para enviar o sinal.

Em um canal físico básico de piconet do Bluetooth a sua frequência muda de forma pseudo-aleatória 1.600 vezes por segundo (cada 0,625 useg). A sequência de salto de frequência é definida pelo relógio e endereço Bluetooth do dispositivo mestre. Os dispositivos em uma piconet compartilham este canal físico de comunicação. Quando ocorre um salto de frequência os seus transmissores e receptores são sintonizados ao mesmo tempo na nova frequência.

Bluetooth Frame

O intervalo de tempo de 0,625 useg que dura a transmissão em um frequência é chamado de slot. Um pacote de dados é transmitido em cada slot de tempo. É possível também estender o pacote para ocupar 3 ou 5 slots de modo a aumentar a taxa de dados transmitida como apresentado na figura a seguir.

Multi-slot Packets

O release 1.2 da especificação do Bluetooth definiu também um canal de piconet adaptado que apresenta as seguintes diferenças em relação ao canal básico descrito acima:

As frequências nas quais um escravo transmite são as mesmas que o mestre acabou de transmitir. Ou seja, não há um salto de frequência entre um pacote do mestre e o pacote do escravo que vem logo a seguir.

Para evitar a colisão entre as múltiplas transmissões de dispositivos escravos, o dispositivo mestre utiliza uma técnica chamada "polling", que permite somente ao dispositivo indicado no slot mestre-para-escravo transmitir no slot escravo-para-mestre seguinte [2].

Como existem muitas tecnologias trabalhando nessa faixa ISM, a maioria não utilizando sistemas Frequency Hopping, é possível excluir algumas frequências entre as 79 disponíveis para a sequência de salto de frequências, que são marcadas como fora de uso. Evita-se desta forma a utilização de frequências com alto grau de interferência".

Pacote de Dados

"A figura a seguir apresenta estrutura geral de um pacote de dados (PDU) do Bluetooth.

Pacote do bluetooth

onde:

Código de Acesso ao Canal: é o código de acesso do canal físico;
Cabeçalho do Pacote: inclui o identificador do transporte lógico e do protocolo de controle do enlace;
Cabeçalho do Payload: identificador do enlace lógico;
Payload: Dados de usuário, L2CAP mensagens ou frames, mensagens de gerenciamento;
CRC: Código de erro.

O Cabeçalho do pacote ainda é subdividido em":

Pacote detalhado

Correção de erros

"Existem três esquemas de correção de erros definidas para o Bluetooth:

1/3 rate FEC
2/3 rate FEC
ARQ

A técnica denominada FEC (Forward Error Correction), permite, através da inserção de redundância de bits, corrigir erros de transmissão.

O propósito do FEC no payload é reduzir o número de retransmissões. Naturalmente em um ambiente com poucas interferências, o FEC introduz um overhead desnecessário, e diminui significativamente o throughput.

Para tanto foram criados diferentes tipos de pacotes, contendo ou não FEC no payload, resultando assim em pacotes DM (Data Medium rate), com FEC 2/3 e DH (Data High rate), sem nenhum FEC, para os links ACL. Para os links SCO foi criado os pacotes HV (High-quality Voice) que trabalha com FEC de 1/3, ao contrário dos demais, que usam FEC 2/3.

O cabeçalho do pacote, por conter dados vitais a comunicação, sempre é protegido com um FEC de 1/3 e pode sustentar muitos erros de bit.

O ARQ (Automatic Repeat Request) visa retransmitir pacotes de dados que sabidamente chegaram com erros ao receptor.

FEC CODE: RATE 1/3

Uma simples repetição tripla é usada no código FEC do cabeçalho, conforme mostrado na Figura 10. A repetição de três bits é usada no cabeçalho inteiro e também nos pacotes HV.

FEC 1/3

FEC CODE: RATE 2/3

O outro esquema FEC utilizado é código Hamming simplificado (15,10), composto pelo polinômio gerador g(D) = (D + 1)(D4 + D + 1).

O LFSR (Linear Feedback Shift Registers) usado é mostrado na Figura 11. Inicialmente todos os elementos são setados para 0 (zero). Os 10 primeiros bits de informação são sequencialmente inseridos, com as chaves S1 e S2 na posição 1. Então, depois de terminada a palavra, as chaves S1 e S2 são colocadas na posição 2, e os cinco bits de paridade são deslocados para fora. Os bits de paridade são agregados aos bits de informação, formando palavras de 15 bits.

Este código corrige todos os erros de 1 bit, e detecta todos os erros de 2 bits em cada palavra de código.

LFSR Gerador de FEC 2/3

ARQ

Com o método ARQ (Automatic Repeat request), os pacotes DM, DH e campo de dados dos pacotes DV (Data - Voice packet; nesse pacote o payload é dividido em um campo de voz de 80 bits e um campo de dados de 150bits) são retransmitidos até que um ACK (acknowledgement) seja retransmitido pelo destino, ou que ocorra um timeout. O ACK é incluído no cabeçalho do pacote de retorno, também chamado de piggy-backing.

Para determinar se o payload está correto ou não, usa-se um método de CRC (Cyclic Redundancy Check).

O ARQ somente é aplicado ao payload do pacote de pacotes de dados, não sendo aplicado ao cabeçalho dos pacotes, ou a pacotes de voz".

Taxa de dados

"A taxa de dados bruta máxima em um canal físico do Bluetooth é de 1Mbit/s. A tabela a seguir apresenta a taxa de dados máxima para transporte de dados assíncronos dependendo do número de slots ocupados e do controle de erros entre mestre e escravo.

Taxas máximas de dados (kbit/s):

Tipos de Pacotes:

DM1 – Transmissão com FEC, utilizando 1 slot
DM3 – Transmissão com FEC, utilizando 3 slots
DM5 – Transmissão com FEC, utilizando 5 slots
DH1 – Transmissão sem FEC, utilizando 1 slot
DH3 – Transmissão sem FEC, utilizando 3 slots
DH5 – Transmissão sem FEC, utilizando 5 slots
AUX1 – Transmissão sem FEC, com taxa de dados simétrica "

Vantagens e Desvantagens

"Como vantagens do uso desta tecnologia, podemos citar:

Com Bluetooth não é necessário usar conexões por cabo;

Baixo custo para redes de curto alcance;

Grande quantidade de dispositivos com chips Bluetooth;

O Bluetooth suporta comunicação tanto por voz quanto por dados, sendo útil nas mais diversas aplicações;

A tecnologia pode ser facilmente integrada aos protocolos de comunicação, como o TCP/IP, por exemplo.

Como todas as tecnologias existentes, o Bluetooth também traz inúmeras desvantagens, dentre elas, podemos citar:

O número máximo de dispositivos que podem se conectar ao mesmo tempo é limitado, principalmente se compararmos com a rede cabeada;

O alcance é bastante curto, por isso uma rede pode ser apenas local;

A taxa de transferência de dados inviabiliza muitas das aplicações multimídia atuais".