05 - Bluetooth

Introdução

O IEEE 802.15, mas conhecido como Bluetooth, é mantido atualmente pela SIG (Bluetooth Special Interest Group). O SIG é um grupo fundado em 1998, que desenvolve a tecnologia Bluetooth para seus aparelhos. Como integrantes deste grupo existenm grandes empresas de diversos segmentos, tais como: computação, música, telecomunicações, etc.
O Bluetooth é um protocolo que possibilita a conexão e a troca de informação entre dispostivos, como celulares, computadores, impressoras, dentre outros. Esta comunicação ocorre através de uma frequência de rádio com curto alcance.
Uma rede Bluetooth é dita ad-hoc, uma rede que se caracteriza pela ausência de infra-estrutura física. A responsabilidade por organizar e controlar a rede fica dividida entre os dispositivos.

Conceitos básicos

O sistema Bluetooth é baseado no padrão IEEE 802.15.1, sendo utilizado para troca de dados à curtas distâncias, enquadrando-se como rede pessoal (WPAN). Foi conceitualmente desenvolvido para ser uma versão wireless do barramento serial RS-232. Uma das grandes vantagens é que pode conectar diversos dispositivos simultâneamente, sem grandes problemas com sincronização. A comunicação usa ondas curtas, na faixa entre 2400 e 2480 MHz, utilizando espalhamento espectral por salto em frequência (FHSS).

Os dispostivos Bluetooth são divididos em 3 classes:

• Classe 1: possui um alcance de 100m, na teoria, visto que na prática nunca nos encontramos em um ambiente livre de obstáculos.
• Classe 2: são os mais usados atualmente, sendo encontrado na maioria dos celulares e dispositivos portáteis. Possui alcance de 10m.
• Classe 3: raramente encontrada. Possui alcance de 1m.

A conexão entre dispositivos é feita através de um relacionamento mestre/escravo. O dispositivo mestre é aquele que inicia a conexão, podendo conectar-se a até sete dispositivos escravos ativos simultâneamente, ou ainda a até 255 dispositivos escravos inativos, que podem ser acionados a qualquer instante de acordo com a necessidade. Essas conexões ativas formam um grupo de rede denominado Piconet. Piconet é uma rede ad-hoc, que utiliza os protocolos da tecnologia Bluetooth para prover a conexão entre dispositivos.

Redes Piconet distintas podem ainda conectar-se, através dispositivos que agem como pontes, formando uma Scatternet.



Na figura, os dispositivos mestres estão marcados em vermelho, os escravos em verde e os inativos em azul.

O primeiro passo para promover uma conexão Bluetooth é a varredura. Qualquer dispositivo pode realizar a varredura para identificar outros dispositivos para conexão, e fica a cargo da configuração do dispositivo aceitar ou não a requisição de conexão. Caso o dispositivo que esteja tentando a conexão souber o endereço do dispositivo que se queira conectar, o mesmo vai sempre responder as requisições. Porém, o uso dos dispositivos ficam aguardando a aceitação do proprietário ou o pareamento(emparelhamento). O emparelhamento consiste em estabelecer uma conexão segura e transparente entre dois dispositivos através de uma senha, compartilhada entre os dois.

Todos os dispositivos que constituem a tecnologia Bluetooth possuem um número único constituído de 48 bits que serve como identificação, no formato de 00:00:00:00:00:00. Quando é estabelecida a conexão entre dispositivos, uma série de informações são apresentadas para os dispositivos participantes: classe do dispositivo, lista de serviços disponíveis, características, fabricantes, etc., além do número no formato apresentado que geralmente é substituído por algum nome dado ao dispositvo (somente na sua apresentação).

Fornecedores/desenvolvedores

O SIG (Bluetooth Special Interest Group) é a orgaização que gerencia o desenvolvimento dos padrões Bluetooth e o licenciamento das tecnologias e marcas para os fabricantes, sendo que esta organização em si não faz, produz ou vende produtos com tecnologia Bluetooth. É uma associação privada, sem fins lucrativos, fundada em 1998, sendo que sua sede é em Kirkland, Whashington. O atual CEO é Michael W. Foley.

O SIG também apresenta outros escritórios em Hong Kong, Taiwan, Pequim, Seoul, Tóquio e Malmö, Suécia.

Esta associação é a proprietária das marcas e dos direitos relacionados ao Bluetooth. Para que uma empresa possa utilizar essas marcas e ter acesso aos arquivos de desenvolvimento da tecnologia, ela deve se associar ao SIG. (Existem alguns arquivos de desenvolvimento livres para o público, e podem ser encontrados no domínio bluetooth.org).

Atualmente, além da equipe profissional, o SIG conta com mais de 13000 membros, que participam em vários grupos de trabalho para a produção de novos documentos de padronização e análise da qualidade da tecnologia em novos produtos.

Os membros do SIG participam em grupos de estudo, grupos de especialistas, grupos de trabalho e comitês. Os grupos de estudo são responsáveis por desenvolver pesquisas nas várias áreas que possam contribuir para o desenvolvimento do Bluetooth. Os especialistas lidam com questões de importância técnica para todos os aspectos do desenvolvimento do Bluetooth. Já os grupos de trabalho são responsáveis por desenvolver novas especificações e aprimorar as especificações já adotadas. Por fim, os comitês lidam com questões de licenciamento, marketing e revisão, incluindo desenvolvimento e manutenção do processo de qualidade.

Membros

Qualquer empresa que deseje incorporar a tecnologia Bluetooth nos seus produtos deve se tornar membro do SIG. Há três classes de membros, totalizando mais de 13 mil. Além das empresas, indivíduos específicos de empresas-membro podem participar.

• Membros Promotores

Estes são os membros mais ativos do SIG e tem influência considerável sobre estratégias e direçoes técnicas do Bluetooth como um todo. Os atuais membros promotores são Ericsson, Intel, Nokia, Toshiba (fundadoras), além de Motorola (1999), Lenovo (2005) e Microsoft (2008). Cada um destes membros tem uma cadeira (e um voto) no quadro de diretores e no quadro de revisão de qualidade (o corpo responsável por desenvolver e manter o processo de qualificação). Estas empresas devem manter várias equipes nos vários grupos de trabalho e comitês que formam o SIG.

• Membros Associados

Os membros associados renovam seu vínculo anualmente, e a sua contribuição financeira depende do rendimento da empresa. As empresas com rendimento anual superior a 100 milhões de dólares devem contribuir com 35 mil dólares anuais. Por outro lado, as empresas com rendimento inferior a 100 milhões devem contribuir com 7500 dólares anuais. Estes membros tem acesso direto às especificações mais recentes do Bluetooth e são elegíveis para trabalhar nos grupos de trabalho e comitês, uma oportunidade para benchmarking da tecnologia com os membros promotores.

• Membro Adotante

É uma categoria de membro gratuita e possibilita ao membro usar as especificações Bluetooh publicadas e logos. Esses membros não tem acesso mais cedo às especificações não publicadas, como os associados, e não podem trabalhar nos grupos de trabalho e comitês, que direcionam o desenvolvimento da tecnologia.

• Universidades

Universidades são aceitas como membros. A pessoa que registra a instituição deve ter poder e autoridade para aceitar os termos da parceria em nome da escola. Estudantes que quiserem ter acesso às especificações não podem registrar sua instituição, mas devem criar contas de usuário no domínio do SIG, bluetooth.org, que será associada a uma instituição membro.

Cronologia

O Bluetooth foi originalmente desenvolvido para ser um substituto wireless para o barramento serial RS-232, em 1994, Por Japp Haartsen e Sven Mattisson, que trabalhavam para a Ericsson, na Suécia. A especificação é baseada em FHSS. As especificações inicialmente desenvolvidas foram formalizadas pelo SIG, formalmente anunciado em 20 de maio de 1998. Todas as versões dos padrões Bluetooth são projetados para ter compatibilidade com as versões anteriores; isso permite que a versão mais recente possa se comunicar com todas as outras versões anteriores.

• Bluetooth 1.0 e 1.0B

As versões 1.0 e 1.0B tiveram muitos problemas, e os fabricantes tiveram dificuldades de fazer seus produtos interoperáveis. Estas versões também incluiam transmissão obrigatória do endereço do hardware do dispositivo (BD_ADDR) no processo de conexão, o que foi um grande ponto contra para alguns serviços que planejavam utilizar a tecnologia.

• Bluetooth 1.1

Ratificado como o padrão IEEE 802.15.1-2002, trouxe soluções para vários erros encontrados nas versões 1.0 e 1.0B. Além disso, adicionou suporte para canais não-criptografados e a funcionalidade RSSI - Received Signal Strength Indicator, que possibilitava conhecer a qualidade da conexão.

• Bluetooth 1.2

Esta versão foi compatível com a versão 1.1, sendo ratificada como o padrão IEEE 802.15.1-2003. Dentre as suas grandes melhorias, podemos citar: busca e conexão mais velozres, FHSS adaptativo, que aumenta a resistência do dispositivo à interferência ao evitar usar frequências muito povoadas para a sequência de salto, maiores taxas de transmissão (até 721 Kbps), Extended Synchronous Connections (eSCO), que melhorou a qualidade de enlaces de áudio através da retransmissão de pacotes corrompidos, além de introduzir controle de fluxo e modos de retransmissão.

• Bluetooth 2.0 + EDR

Esta versão de especificação do núcleo Bluetooth foi lançada em 2004 e era compatível com a versão 1.2 A principal diferença foi a introdução de Enhanced Data Rate (EDR), ou seja, taxas mais altas de transmissão de dados, da ordem de 2,1 Mbps práticos (3 Mbps nominais). A EDR usa uma combinação de GFSK e PSK, o que o possibilita prover menos consumo de energia através da redução do ciclo de trabalho.

• Bluetooth 2.1 + EDR

A especificação para o núcleo do Bluetooth versão 2.1 + EDR é totalmente compatível com as versões anteriores, e foi adotada pelo SIG em 26 de julho de 2007. A grande evolução desta versão foi o SSP (secure simple pairing, ou paridade simples segura): isso tornou possível a experiência de paridade entre dispositivos Bluetooth, ao mesmo tempo em que incrementou o uso e a força da segurança. Outras evoluções interessantes foram a EIR (Extended inquiry response), que provê mais informações durante o procedimento de busca, de forma a permitir uma filtragem melhor dos dispositivos antes da conexão, além da redução do consumo no modo baixa potência.

• Bluetooth 3.0 + HS

Esta versão, 3.0 + HS foi adotada pelo SIG em 21 de abril de 2009. Esta versão suporta taxas de transmissão teóricas de até 24 Mbps, mas não através do enlace Bluetooth propriamente dito. Ao invés disto, o enlace é usado para negociação e estabelecimento da chamada, e o tráfego de alta velocidade é carregado sobre um enlace 802.11. Seu grande avanço é o AMP, uma adição ao 802.11 para transporte em alta velocidade. O HS da especificação se refere justamente ao suporte do Bluetooth para transferência de dados em alta velocidade via 802.11.

• Bluetooth 4.0

O SIG completou a especificação do núcleo Bluetooth versão 4,0, que inclui protocolos de Bluetooth Clássico, Bluetooth de alta velocidade (baseado em Wi Fi) e Bluetooth de baixa energia, sendo adotada em 30 de junho de 2010.

Pontos relevantes

• Tecnologia privada aberta (de propriedade de um grupo, mas aberta para o público);
• WPAN (baixo alcance)
• Frequência de 2,45 Mhz
• Relação mestre/escravo
• Rede ad-hoc
• Pareamento

Funcionamento

A tecnologia Bluetooth se baseia em técnicas de espalhamento espectral por salto em frequência (FHSS). O FHSS consiste de transmitir sinais de RF chaveando rapidamente uma portadora ao longo de muitos canais de frequência, usando uma sequência pseudo-aleatória conhecida tanto para o transmissor quanto para o receptor. Através disto, o espectro do sinal é espalhado ao longo de várias frequências, e os acessos são feitos via a sequência PN, num processo CDMA. Esta transmissão em espectro espalhado oferece diversas vantagens com relação à transmissão convencional:

• Maior resistência à interferência (reagrupar um sinal espalhado causa o espalhamento do ruído);
• Dificuldade de interceptação, devido às baixas potências e a sequência PN (aparece como ruído de fundo para receptores faixa estreita);
• Compartilhamento das frequências com outras aplicações, resultando numa utilização mais eficiente do espectro.

Princípios básicos de funcionamento

O Bluetooth usa FHSS, segmentando os dados que precisam ser transmitidos e espalhando-os sobre 79 canais de 1 MHz, centrados entre 2402 e 2480 MHz, na banda de rádiofrequência de curto alcance de 2,4 GHz ISM. Originalmente, o GFSK era o único esquema de modulação disponível; subsequentemente, desde a introdução do Bluetooth 2.0 + EDR, modulação pi/4-DPSK e 8-DPSK também passaram a ser usadas entre dispositivos compatíveis. Os dipositivos que utilizam GFSK são ditos como operando em modo de taxa básica (BR), nos quais uma taxa instantânea de 1 Mbps é possível. O termo EDR é utilizado para descrever os esquemas pi/4-DPSK e 8DPSK, que podem fornecer 2 e 3 Mbps, respectivamente. A combinação dos modos BR e EDR é classificada como 'BR/EDR radio'

[[Arquivo:Bluetooth-tutorial-frequency-hopping-FHSS.jpg]

Fluxo de transmissão/recepção

O Bluetooth é um protocolo de comunicação baseado na comutação de pacotes, com uma estrutura mestre/escravo. Um mestre pode se conectar com até 7 escravos ativos em uma Piconet; todos os dispositivos compartilham o relógico do mestre. A troca de pacotes é baseada no relógio básico, definido pelo mestre, assinalado em intervalos de 312,5 micro segundos. Uma subida e uma descida de relógio formam um slot de 625 micro segundos; dois slots fazem um par de 1250 micro segundos. No caso simplificado de pacotes de apenas um slot, o mestre transmite em slots pares e recebe em slots ímpares; o escravo, consequentemente, fz exatamente o contrário. Os pacotes podem ter tamanhos de 1,3 ou 5 slots, mas em todos os casos a situação par/ímpar persiste.

Topologia/arquitetura

Os dispositivos Bluetooth IEEE 802.15.1 suportam conexões ponto a ponto, ou seja, um dispositivo mestre pode se conectar a um ou mais escrevos diretamente, sem a necessidade de alguma infra-estrutura. Estas conexões diretas formam as chamadas Piconets, conforme já foi discutido. Essas Piconets, dentro deste conceito de conexão, podem se combinar para formar um ambiente similar ao ad-hoc, deniminando-se Scatternet. Essas redes são organizadas da seguinte forma: a Piconet é formada por um dispositivo mestre e até sete escravos; já a Scatternet consiste de várias Piconets conectadas entre si. Pode ocorrer algumas combinações interessantes, como um dispositivo ser escravo de mais de uma Piconet, ou mestre em uma e escravo em outra, conforme pode ser visto na figura.

Elementos

Como uma rede Bluetooth é por princípio livre de infra-estrutura, para que seja criado um enlace, basta que existam dois equipamentos habilitados à tecnologia, sendo que um deve sempre iniciar a conexão. O Bluetooth oferece uma forma segura de conectar e trocar informação entre dispositivos de todos os tipos, como faxes, celulares, telefones, notebooks, computadores, impressoras, receptores GPS, câmeras digitais e videogames.

Protocolos e tipos de acesso

O SIG desenvolve aplicações da tecnologia IEEE 802.15.1 para várias finalidades, como áudio e video, impressão, automóveis, dentre outras. Em meio a estas técnicas são dispostos profiles, que são definidos pelos grupos de trabalho. Cada profile define uma seleção de mensagens e procedimentos que são especificados pelo SIG como funcionalidades. Elas fornecem uma descrição dos métodos que podem ser utilizados para desenvolvimento no dispositivo. Estes profiles se localizam verticalmente na pilha de protocolos, sendo que cada um tem seu próprio modelo de utilização. Os profiles de uso frequente são quatro: GAP (Generic Access Profile), SDAP (Service Discovery Application Profile), SPP (Serial Port Profile) e GOEP (Generic Object Exchange Profile).

• GAP (Generic Access Profile) -> define os procedimentos genéricos relacionados a descoberta e gerenciamento de conexão em dispositivos Bluetooth IEEE 802.15.1, ele também define procedimentos relacionados aos níveis de segurança e formatos padrão de acesso aos níveis de interface do usuário.
• SDAP (Service Discovery Application Profile) -> define as features e os procedimentos para uma aplicação de uma dispositivo Bluetooth IEEE 802.15.1 descobrir os serviços em outro dispositivo.
• SPP (Serial Port Profile) -> são definidos os requisitos para os dispositivos Bluetooth IEEE 802.15.1 emularem conexões seriais utilizando RFCOMM entre dois dispositivos.
• GOEP (Generic Object Exchange Profile) -> define os protocolos e procedimentos que serão utilizados pelas aplicações que precisarem utilizar troca de objetos, as possíveis aplicações seriam sincronização e transferência de arquivos.

Todos os profiles internos dependem destes profiles principais, e para que os profiles possam ser utilizados, ambos os dispositivos devem ter suas pilhas de protocolos implementando estes profiles. Os protocolos do padrão Bluetooth IEEE 802.15.1 são necessários para implementar os profiles e seus modelos de uso, sendo que cada profile utiliza uma parte da pilha de protocolos do dispositivo; e para que os dispositivos se comuniquem utilizando um serviço específico através de um determinado profile, é necessário que eles possuam a pilha de protocolos deste serviço implementada. Os principais protocolos da arquitetura são:

• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), que é responsável pela multiplexação, remontagem e segmentação dos pacotes;
• SDP (Service Discovery Protocol), usado para obter as informações de um dispositivo, serviços e as características de outros dispositivos;
• Baseband e Link Control juntos ativam a conexão de rádiofrequênica entre dispositivos formando a Piconet. Esta camada é responsável por sincronizar a transmissão dos saltos de freqüência e os clocks dos diferentes dispositivos Bluetooth IEEE 802.15.1;
• LMP (Link Manager Protocol) é responsável principalmente por configurar questões de autenticação, criptografia, modos de consumo, controle de estados de conexão e pacotes de banda base;
• Audio é utilizado diretamente da banda base do dispositivo; qualquer dispositivo Bluetooth IEEE 802.15.1 que suporte áudio, pode abrir uma conexão para enviar e receber dados de áudio, utilizando uma conexão síncrona de 64 kpbs para transmitir e outra para receber.
• RFCOMM é um protocolo que emula sinais RS-232, pode ser usado em aplicações que implementam a conexão com cabo serial.

Estágio atual

Apesar de atualmente já existir o padrão Bluetooth 4.0, a 2.1 continua sendo a mais utilizada e deverá continuar sendo aplicada em transfeência de dados, áudio e vídeo entre dispositivos móveis, sendo que o SIG mantém o desenvolvimento desta versão. A 3.0, por sua vez, busca mercado entre os dispositivos que exigem altas taxas de transmissão, como por exemplo vídeos em alta definição.

Estado da arte

Com o avanço das redes ditas ad-hoc nos últimos anos, sendo utilizadas em diversos meios para aplicações diversas, padrões wireless de alta velocidade como IEEE 802.11b/g/n, IEEE 802.16 e o próprio IEEE 802.15.1 têm se destacado. No caso do Bluetooth IEEE 802.15.1, os dispositivos podem ser utilizados em diversas aplicações, como segurança e monitoramento na área de saúde, sensores de segurança e incêndio, detecção de falhas em sistemas, como também em ambientes cooperados de robôs. Os dispositivos podem atuar como pontes entre outras redes ou servir como nós para redes ad-hoc. Este conjunto de aplicações formam as chamadas redes pessoais WPAN (Wireless Personal Area Networks), que geralmente utilizam do conceito Scatternet ou Piconet, cada uma com a sua peculiaridade de comunicação. Estas peculiaridades visam atender requisitos específicos de serviços e nota-se que os dispositivos buscam satisfazer questões como: baixo custo, tamanho reduzido e consumo de energia. Nestas tecnologias de transmissão sem fio de curta distância, percebe-se o crescimento promissor do Bluetooth ao lado dos aparelhos celulares, ocasionando um crescimento paralelo das ferramentas de programação para dispositivos móveis, e também das features agregadas ao dispositivo, os já vistos profiles. O SIG recentemente divulgou as Especificações da versão 4.0 do Bluetooth, que consome uma quantidade menor de energia e assim consegue competir com o Zigbee no mercado de sensores e automação. O Bluetooth continuará a ter nos aparelhos móveis seu grande mercado. Pesquisas apontam que em 2013, 2,4 bilhões de aparelhos estarão equipados com chip para conexão Bluetooth.

Problemas

Como tudo que é real, a tecnologia tem alguns problemas: velocidade problemática em alguns casos, gasto altíssimo de energia e riscos de segurança. Atualmente, com as versões 2.1 e 3.0, é inviável manter uma conexão ativa Bluetooth por muito tempo em dispositivos alimentados por bateria, como é o caso dos telefones celulares. A conexão Bluetooth consome muita energia, sendo este um dos grandes desafios que a versão 4.0 busca solucionar. O outro ponto problemático é a questão de segurança. Uma das formas de se obter maior segurança é através do pareamento de dispositivos. Do contrário, com o Bluetooth ativado, é relativamente fácil para agentes externos acessarem o dispositivo ou monitorá-lo, uma vez que muitas pessoas, por exemplo, não alteram a senha de acesso ao dispositivo, deixando a que vem de fábrica.

Exemplos

Atualmente, as principais aplicações para o dia-a-dia do consumidor comum do Bluetooth são:

• Celulares: é utilizado para transferência e troca de músicas, contatos, dados, agendas, tarefas;
• Fones de ouvido sem fio: substitui o tradicional fone de ouvido em qualquer aplicação;
• Sistema viva voz para carros e portões: uma trava para portas ativada por Bluetooth transforma um celular em chave para portões, portas e sistemas de alarme. Permite que o administrador cadastre novos celulares autorizados e guarda log das últimas entradas;
• Comunicação sem fio entre PCs: transfere dados dos PCs para diversos dispositivos eletrônicos e entre PCs também. Elimina a necessidade de ter um cabo conectando os dispositivos, sejam quais forem;
• Dispositivos de entrada e Saída para PCs, mouse, teclado, impressora: elimina a necessidade do emaranhado de fios ligando os vários dispositivos dos PCs, deixando o ambiente mais "limpo";
• Equipamentos médicos: conexão Bluetooth para transferir dados de taxa de pulso sanguíneo para impressoras ou computadores e celulares;
• Leitores de código de barras: faz a leitura de código de barras do produto em questão e envia para o receptor, tudo através de ondas de rádio, substituindo os infravermelhos;
• Dispositivos de controle de tráfego: fornece dados reais e atuais das condições de trânsito que um motorista pode encontrar nas vias ao seu redor, facilitando na escolha de rotas alternativas e evitando surpresas ruins;
• Nitendo Wii e PS3: elimina o fio que liga o joystick ao aparelho de vídeo game, permitindo que os atuais jogos fiquem mais interativos aos seus usuários;
• Dispositivo de entrada de dados: um dispositivo que escreve como uma caneta normal e transfere o que foi escrito para um dispositivo qualquer via Bluetooth.

Referências

Internet

[1] http://informacaocomdiversao.blogspot.com/2008/11/ieee-80215-bluetooth.html
[2] http://www.devmedia.com.br/articles/viewcomp.asp?comp=7808
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Special_Interest_Group
[5] https://www.bluetooth.org/Technical/Specifications/adopted.htm
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency-hopping_spread_spectrum
[7] http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/bluetooth/aplicacoes.html
[8] http://www.hardware.com.br/livros/redes/bluetooth.html
[9] http://www.onucleo.com/index.php/geral-tech/231-informacoes-sobre-o-bluetooth-4
[10] http://www.tecmundo.com.br/3828-o-que-o-bluetooth-4-0-tem-de-novo-.htm