Protocolo Bluetooth (Parte 1): Noções básicas e funcionamento

Dispositivos portáteis como telefone celular, palmtop e laptop estavam rapidamente se tornando parte integrante de nossas vidas diárias. Na maioria dos casos, esses dispositivos não possuem interfaces de comunicação de dados compatíveis ou, se tiverem, a interface requer conexões de cabos e procedimentos de configuração complicados. Não é absolutamente fantástico conectar seu PC para compartilhar músicas, dados e informações de calendário sem usar fios? Ou para acessar números de telefone sem fio no seu PDA a partir do seu telefone celular. Dirigir sem segurar o aparelho torna tudo muito mais seguro e fácil. Acessando a internet, imprima arquivos do seu computador e imprima fotos tiradas de uma câmera digital sem um único pedaço de fio no seu escritório.

Uma solução óbvia foi livrar-se dos cabos e usar cabos de curto alcance, sem fio, baratos e universalmente adotados pelos fornecedores de dispositivos para facilitar a conectividade sob demanda entre dispositivos.A maravilha da engenharia nos deu a liberdade de trocar dados sem usar metros de fios e popularmente conhecido como Bluetooth. Tudo começou em 1994, quando a Ericsson Mobile Communications iniciou uma avaliação utilitária de uma solução de rádio barata e de baixa potência entre telefones celulares e acessórios de telefone. A ideia era construir um pequeno rádio tanto em celulares quanto em laptops que substituísse os incômodos fios entre eles. Quatro anos depois, a Ericsson, juntamente com a Nokia, IBM, Toshiba e Intel formaram o Bluetooth Special Interest Group (SIG). Estas foram as empresas líderes na área de celulares, notebooks e líderes no mercado de tecnologia digital. Com nomes tão grandes da área, imediatamente chamou a atenção da mídia e havia grandes expectativas em relação ao produto. Mas muitas complexidades e problemas foram enfrentados inicialmente. Então, em 1999, foi lançada a primeira especificação Bluetooth 1.0 e, um ano depois, a especificação 1.1. Hoje, o Bluetooth SIG conta com 3.400 empresas.

Bluetooth é um padrão de tecnologia sem fio para conectar dispositivos fixos ou móveis usando link de rádio curto. Seu objetivo é fornecer comunicação sem fio com tamanho pequeno, consumo mínimo de energia e preço baixo. A tecnologia foi projetada para ser simples e o objetivo era torná-la padrão em conectividade sem fio. O nome Bluetooth tem uma história muito interessante. O Bluetooth SIG adotou o codinome como uma homenagem ao rei viking do século X, Harald Blatand, que uniu pacificamente vários pequenos reinos sob sua região que trabalhavam sob regras diferentes, iguais às da tecnologia Bluetooth. Harald gostava de comer mirtilos, o que deu aos seus dentes a coloração que deu origem ao apelido de “Bluetooth”. O símbolo também é famoso pelo nome e tem uma origem muito interessante. O logotipo combina a representação das runas nórdicas Hagalaz (transcrito por 'H') e Berkana (transcrito por 'B') no mesmo símbolo. Isto é, HB como Harald Blatand.

Figura 1: Imagem representativa do símbolo Bluetooth

O que torna o Bluetooth especial quando existiam tecnologias sem fio como IrDA e Wi-Fi?

Colocar essas tecnologias umas contra as outras seria injusto, pois cada uma delas tem vantagens únicas e se complementa, em vez de competir entre si. Embora o IrDA suportasse conectividade sem fio, eles precisavam de contato óptico com linha de visão direta e que suportasse a troca de dados um a um usando luz infravermelha. Por exemplo, um controle remoto e uma televisão onde precisamos manter o controle remoto na linha de visão da televisão. Da mesma forma, o Wi-Fi oferece um meio de conectar sem fio um ou mais computadores entre si e um roteador para que possamos acessar a Internet. Ele usa distâncias maiores e também transfere dados em taxas mais rápidas, mas o Bluetooth oferece um meio de conectar não apenas computadores, mas PDAs, fones de ouvido, headsets, impressoras e outras tecnologias entre si. A figura abaixo representa as três redes.

Figura 2: Imagem mostrando diferentes redes Bluetooth

“Comunicação sem fio facilitada”, um slogan usado para abordar o Bluetooth, mas é apenas para usuários e não para desenvolvedores. As demandas de criação de produtos habilitados para Bluetooth são muito desafiante. Deve ser uma topologia de aplicação flexível para que a troca ocorra entre os dispositivos necessários. A energia exigida pelo Bluetooth deve ser baixa já que ninguém quer uma bateria de curta duração. O tamanho é uma característica importante durante o design. Deve ser pequeno, portanto, adicionar capacidade Bluetooth a um dispositivo não deve aumentar visivelmente seu tamanho. A qualidade de serviço é suportada para voz e, por último, mas não menos importante, o Bluetooth não pode custar mais do que cabos.

A promessa do Bluetooth – O que ele pode fazer!!

A promessa do Bluetooth é extremamente ambiciosa. Originalmente concebida como uma tecnologia de baixo consumo e curto alcance para substituir cabos que interligam dispositivos como impressoras, teclados e minas. Ele evoluiu seu potencial percebido em uma extensão muito maior. Deu origem à rede de área pessoal onde tudo o que está relacionado com a comunicação de informação de voz e dados é acessível dentro do Espaço Operacional Pessoal. Existem vários exemplos em que o modelo Bluetooth foi usado.

Figura 3: Resumo das funções Bluetooth

Como podemos ver inicialmente o Bluetooth foi iniciado na área de telefonia móvel. Todos os fabricantes começaram a implementar dispositivos habilitados para Bluetooth nos telefones. A razão por trás dessa adoção foi o uso de fones de ouvido sem fio com o telefone, o que significa que o telefone pode ser usado mesmo se estiver em uma pasta ou no porta-malas. Foi usado para fazer um telefone celular ou modem sem fio para fornecer rede Dial-Up que permite conectar-se à Internet sem qualquer linha telefônica física. O laptop pode utilizar automaticamente o telefone celular próximo do usuário para discar e conectar-se ao serviço dial-up. A troca de arquivos ponto a ponto pode ser feita sem a presença de infraestrutura de rede. Por exemplo, um vendedor pode compartilhar o conteúdo de slides eletrônicos com o público. O Bluetooth permite a detecção automática de dispositivos Bluetooth na sala, permitindo a transferência. A sincronização de dados entre os dispositivos é permitida por Bluetooth. Por exemplo, um computador desktop habilitado para Bluetooth pode sincronizar sem fio sua lista de contatos, informações de tarefas e calendário com o telefone, PDA ou notebook de um usuário. Hoje em dia, a HP está fabricando impressoras e notebooks com tecnologia Bluetooth incorporada para que possam detectar automaticamente impressoras habilitadas para Bluetooth em sua área e enviar documentos sem fio para a impressora, sem passar por longos processos de rede e configuração de impressão.

Como funciona o bluetooth?

Bluetooth é uma comunicação de curto alcance simples, segura e disponível em qualquer lugar. Bilhões de dispositivos, desde telefones celulares e computadores até dispositivos médicos e produtos de entretenimento doméstico, são habilitados com dispositivos Bluetooth.

Em termos simples, o Bluetooth pega as informações normalmente transportadas por fio e as transmite em uma frequência especial para outro dispositivo Bluetooth. Os dispositivos de envio e recebimento possuem o mesmo chip receptor Bluetooth, que traduz os dados em transmissão sem fio e depois volta ao normal, dependendo do remetente ou destinatário. Qualquer dispositivo Bluetooth pode ser mestre ou escravo dependendo da aplicação. Cada dispositivo é equipado com um microchip (trans-receptor) que transmite e recebe na frequência de 2,4 GHz que está disponível para todo o mundo. Além da informação, estão disponíveis três canais de vozes. As informações podem ser trocadas a uma velocidade de até 1 megabit por segundo ou 2 megabit por segundo na Segunda Geração desta Tecnologia). O salto de frequência permite a comunicação inclusiva sem interferências. Os dados transmitidos são divididos em pacotes e cada pacote é transmitido em um dos 79 canais Bluetooth designados. Cada canal tem uma largura de banda de 1 MHz. O primeiro canal começa em 2.402 MHz e continua até 2.480 MHz em passos de 1 MHz. Geralmente executa 800 saltos por segundo, com Salto de frequência adaptativo ativado. O mestre define a sequência de salto e os escravos sincronizam com o mestre. Um cluster é formado por um mestre e até sete escravos ativos conhecidos como redes Pico. Os escravos numa rede Pico comunicam apenas com o mestre. Uma rede de dispersão pode ser formada ligando duas ou mais redes do Pico. Quando um dispositivo está presente em mais de uma rede Pico, ele deve compartilhar o tempo e sincronizar com o mestre da rede Pico com a qual está se comunicando no momento. As redes em Bluetooth são muito mais diversas e dinâmicas. Como eles são constantemente formados e dissolvidos, os dispositivos Bluetooth entram e saem do alcance, portanto há maneiras ilimitadas de conectá-los. A figura abaixo resume a comunicação Bluetooth.

Figura 4: Visão geral da comunicação Bluetooth

Com o entendimento básico da troca de informações no sistema Bluetooth, avançamos agora para as especificações.

Frequência

O Bluetooth opera na faixa de frequência de 2,4 GHz. Embora esta banda esteja disponível em todo o mundo, ela pode ser diferente em alguns países. Esta é a banda de frequência das indústrias científica e médica de 2,45 GHz (ISM*). O ISM* está aberto para qualquer sistema de rádio e cuida das interferências de monitores, dos controles para portas de garagem, do telefone sem fio e do forno microondas. As faixas de largura de banda nos Estados Unidos e na Europa estão entre 2.400 e 2.483,5 MHz e cobrem parte da França e Espanha. A faixa de largura de banda no Japão está entre 2.471 a 2.497 MHz. Portanto, o sistema pode ser usado em todo o mundo porque os transmissores de rádio cobrem 2.400 e 2.500 MHz e possibilitam selecionar a frequência adequada. ISM As bandas de rádio industriais, científicas e médicas (ISM) foram originalmente reservadas internacionalmente para o uso de campos eletromagnéticos de RF para fins industriais, científicos e médicos, exceto comunicações. Em geral, os equipamentos de comunicação devem aceitar qualquer interferência gerada pelos equipamentos ISM.

Tabela representando a banda de frequência de vários países.

Poder

De acordo com a potência de emissão os equipamentos são qualificados em 3 categorias que vão de 1mW a 10mW. O equipamento receptor deverá ter no mínimo 70dBm. Os chips são incorporados em dispositivos portáteis e alimentados por baterias e por isso devem ter consumo mínimo de energia até 97% menor que um telefone celular para que a bateria do telefone dure mais. Se os dispositivos Bluetooth não trocam informações, eles estabelecem o modo de espera para economizar energia. A potência de transmissão que se utiliza como especificação é de 1 mW para um alcance de 10 m, 100 mW para um alcance de até 100 m.

Faixa

As conexões têm alcance máximo de 10 metros, porém com amplificadores é possível chegar até 100 metros, mas criar alguma distorção atrapalha. Talvez não pareça muito, mas é preciso lembrar que esses aparelhos foram criados com o intuito de serem utilizados em ambientes fechados e pequenas distâncias.

Tipo de dados e clientes

Ele pode transportar dados e voz como uma troca. Os diferentes tipos de usuários de Bluetooth podem ser computadores, PDAs, telefones celulares, etc. Existem muitos outros locais onde o Bluetooth é usado. Por exemplo, telefones celulares, fones de ouvido, fones de ouvido estéreo, adaptador de áudio, impressora, teclado, sistema GPS e muito mais.

Taxa de transferência de dados

É um dos recursos importantes do dispositivo Bluetooth. A taxa de transferência de dados é definida como a velocidade com que os dados são transmitidos de um dispositivo para outro. Geralmente varia de 1 megabite a 24 megabite dependendo do tipo de versão do dispositivo Bluetooth, conforme mostrado abaixo.

Salto de frequência

É um método de transmissão de sinais de rádio através da troca rápida de uma onda portadora entre muitos canais, usando uma sequência pseudoaleatória conhecida tanto pelo transmissor quanto pelo receptor. É útil para evitar colisões onde muitos dispositivos usam a mesma frequência para enviar o sinal e evitar interferências.

Como a banda ISM está aberta a qualquer pessoa, os sistemas de rádio que operam nesta banda devem lidar com diversas fontes imprevisíveis de interferência, como babás eletrônicas, abridores de portas de garagem, telefones sem fio e fornos de micro-ondas (a fonte mais forte de interferência). A interferência pode ser evitada utilizando um esquema adaptativo que encontre uma parte não utilizada do espectro, ou pode ser suprimida por meio de espalhamento do espectro. Nos Estados Unidos, os rádios que operam na banda ISM de 2,45 GHz são obrigados a aplicar técnicas de espalhamento de espectro se o seu nível de potência transmitida exceder 0 dBm (2). Os rádios Bluetooth usam espectro espalhado de salto de frequência (FH), uma vez que suportam melhor implementações de rádio de baixo custo e baixa potência. Além disso, eles lidam melhor com problemas de perto: um jammer próximo é efetivamente suprimido pelo filtro de canal estreito, desde que o espectro TX do jammer não coincida com o canal de salto selecionado. Os sistemas FH dividem a banda de frequência em vários canais de salto. Durante uma conexão, os transceptores de rádio saltam de um canal para outro de forma pseudoaleatória. A largura de banda instantânea (salto) é pequena em rádios FH, mas o espalhamento é obtido por toda a banda de frequência. Isso resulta em transceptores de banda estreita de baixo custo com máxima imunidade a interferências.

Figura 5: Salto de frequência na rede Bluetooth

Aqui podemos ver que o tempo do canal está dividido em slots de 625uS. Cada pacote pode ocupar 1, 3 ou 5 slots. A frequência de salto permanece constante dentro do pacote. O mestre usa o número ímpar de slots para enviar os pacotes e o escravo usa números pares.

Rede ad hoc

A rede ad hoc é uma rede sem fio descentralizada onde não depende de infraestrutura pré-existente, como roteadores, em vez disso, cada dispositivo participa do roteamento, roteando dados para outros nós. Uma rede ad hoc normalmente se refere a qualquer conjunto de redes onde todos os dispositivos têm status igual em uma rede e são livres para se associar a qualquer outro dispositivo de rede ad hoc no alcance do link. O Bluetooth também usa rede ad hop e é baseado na conectividade peer: um dispositivo que carrega um rádio Bluetooth pode fazer uma conexão com qualquer outro dispositivo que carregue um rádio Bluetooth. Não há infraestrutura cabeada com estações base ou pontos de acesso que possam suportar a configuração de chamadas ou fornecer modos de baixo consumo de energia. Em um sistema Bluetooth o dispositivo mestre pode conectar até sete outros dispositivos formando uma rede conhecida como Pico net. Por exemplo, um computador pode conectar-se a sete dispositivos diferentes habilitados para Bluetooth, como mouse, impressora, CD-player, teclado etc. A rede do Pico é um grupo de vários dispositivos que estão na mesma cobertura de rádio onde compartilham o mesmo canal que é constituído entre duas e oito outras unidades. Duas ou mais unidades Bluetooth que compartilham um canal FH formam uma rede Pico. Para regular o tráfego no canal, uma das unidades participantes torna-se mestre da rede do Pico. Contudo, os usuários no mesmo canal devem compartilhar capacidade. Como a capacidade do canal é de apenas 1 MHz, à medida que mais e mais usuários são adicionados, a taxa de transferência por usuário cai rapidamente para menos de 10 kb/s. A largura de banda espectral disponível é de 79 MHz, mas não pode ser usada efetivamente quando cada unidade deve compartilhar o mesmo canal de salto de 1 MHz. Portanto, outra solução foi adotada. Unidades que compartilham a mesma área e que estão dentro do alcance umas das outras podem potencialmente estabelecer conexões ad hoc entre si. Porém, apenas as unidades que realmente desejam trocar informações compartilham o mesmo canal de 1 MHz de uma rede Pico. Esta solução permite criar diversas redes Pico com áreas de cobertura sobrepostas. Cada canal da rede Pico aplica sua própria sequência de salto pseudoaleatório através do meio de 79 MHz. As redes do Pico são descoordenadas e saltam de forma independente. Dentro da rede do Pico, os participantes têm de partilhar 1 MHz, mas múltiplas redes do Pico partilham a totalidade dos 79 MHz, aumentando assim a capacidade. Uma coleção de múltiplas redes Pico é chamada de rede de dispersão. Um máximo de 10 redes Pico podem ser conectadas para formar uma rede de dispersão. A figura abaixo mostra como funciona a rede Pico.

Figura 6: Imagem representando uma rede Bluetooth Ad Hoc típica

Protocolos Bluetooth

Bluetooth não é um protocolo único, mas é composto de protocolos diferentes, sete para ser exato. Cada um desses protocolos funciona em partes diferentes do Bluetooth, completando a configuração do Bluetooth. O hardware Bluetooth pode ser representado em um diagrama com host, rádio Bluetooth, controlador de link e gerenciador de link.

Figura 7: Imagem de bloco resumindo o hardware Bluetooth

Cada parte do hardware roda em determinados protocolos e combiná-los nos dá uma estrutura compacta de dispositivo bluetooth.

Figura 8: Figura mostrando a estrutura compacta do dispositivo Bluetooth

Os protocolos farão parte da próxima seção. Cont……………