Protocolo Bluetooth (Parte 1): Noções básicas e funcionamento

Protocolo Bluetooth (Parte 1): conceptos básicos y funcionamiento

24 de junio de 2024 Roberto Magalhães

Los dispositivos portátiles como teléfonos móviles, ordenadores de bolsillo y portátiles se estaban convirtiendo rápidamente en una parte integral de nuestra vida diaria. En la mayoría de los casos, estos dispositivos no tienen interfaces de comunicación de datos compatibles o, si las tienen, la interfaz requiere conexiones de cables y procedimientos de configuración complicados. ¿No es absolutamente fantástico conectar tu PC para compartir música, datos e información del calendario de forma inalámbrica? O acceder de forma inalámbrica a números de teléfono de su PDA desde su teléfono móvil. Conducir sin sujetar el dispositivo hace que todo sea mucho más seguro y sencillo. Accediendo a Internet, imprima archivos desde su computadora e imprima fotografías tomadas con una cámara digital sin un solo cable en su oficina.

Una solución obvia fue deshacerse de los cables y utilizar cables inalámbricos, económicos y de corto alcance adoptados universalmente por los proveedores de dispositivos para facilitar la conectividad bajo demanda entre dispositivos. La maravilla de la ingeniería nos ha dado la libertad de intercambiar datos sin necesidad de utilizar metros de cables y lo que popularmente se conoce como Bluetooth. Todo comenzó en 1994, cuando Ericsson Mobile Communications inició una evaluación de una solución de radio económica y de bajo consumo entre teléfonos móviles y accesorios telefónicos. La idea era construir una pequeña radio tanto en teléfonos móviles como en portátiles que sustituyera los engorrosos cables entre ellos. Cuatro años más tarde, Ericsson, junto con Nokia, IBM, Toshiba e Intel formaron el Bluetooth Special Interest Group (SIG). Estas fueron las empresas líderes en el área de celulares, notebooks y líderes en el mercado de tecnología digital. Con nombres tan importantes en el sector, inmediatamente llamó la atención de los medios y había grandes expectativas sobre el producto. Pero inicialmente se enfrentaron muchas complejidades y problemas. Luego, en 1999, se lanzó la primera especificación Bluetooth 1.0 y un año después la especificación 1.1. Hoy, el Bluetooth SIG cuenta con 3.400 empresas.

Bluetooth es un estándar de tecnología inalámbrica para conectar dispositivos fijos o móviles mediante un enlace de radio corto. Su objetivo es proporcionar comunicación inalámbrica con un tamaño pequeño, un consumo mínimo de energía y un precio bajo. La tecnología fue diseñada para ser simple y el objetivo era convertirla en el estándar en conectividad inalámbrica. El nombre Bluetooth tiene una historia muy interesante. El Bluetooth SIG adoptó el nombre en clave como homenaje al rey vikingo del siglo X Harald Blatand, quien unió pacíficamente varios pequeños reinos bajo su región que funcionaban bajo reglas diferentes, las mismas que las de la tecnología Bluetooth. A Harald le gustaba comer arándanos, lo que le daba a sus dientes el color que dio origen a su apodo de “Bluetooth”. El símbolo también es famoso por su nombre y tiene un origen muy interesante. El logo combina la representación de las runas nórdicas Hagalaz (transcrita por 'H') y Berkana (transcrita por 'B') en un mismo símbolo. Es decir, HB como Harald Blatand.

Figura 1: Imagen representativa del símbolo de Bluetooth

¿Qué hace que Bluetooth sea especial cuando existían tecnologías inalámbricas como IrDA y Wi-Fi?

Sería injusto enfrentar estas tecnologías entre sí, ya que cada una tiene ventajas únicas y se complementan en lugar de competir entre sí. Aunque IrDA admitía la conectividad inalámbrica, necesitaban un contacto óptico directo con línea de visión que permitiera el intercambio de datos uno a uno mediante luz infrarroja. Por ejemplo, un mando a distancia y un televisor donde necesitamos mantener el mando a distancia en la línea de visión del televisor. Asimismo, Wi-Fi ofrece un medio para conectar de forma inalámbrica una o más computadoras entre sí y a un enrutador para que podamos acceder a Internet. Utiliza distancias mayores y también transfiere datos a velocidades más rápidas, pero Bluetooth ofrece una forma de conectar no sólo computadoras, sino también PDA, audífonos, impresoras y otras tecnologías entre sí. La siguiente figura representa las tres redes.

Figura 2: Imagen que muestra diferentes redes Bluetooth

“La comunicación inalámbrica es fácil”, es un eslogan utilizado para abordar el Bluetooth, pero es sólo para usuarios y no para desarrolladores. Las exigencias de crear productos compatibles con Bluetooth son muy desafiantes . Debe ser una topología de aplicación flexible para que pueda ocurrir la conmutación entre los dispositivos necesarios. La energía requerida por Bluetooth debe ser baja ya que nadie quiere una duración corta de la batería. El tamaño es una característica importante durante el diseño. Debe ser pequeño, por lo que agregar capacidad Bluetooth a un dispositivo no debería aumentar notablemente su tamaño. La calidad del servicio es compatible con la voz y, por último, pero no menos importante, Bluetooth no puede costar más que los cables.

La promesa de Bluetooth: ¡¡Qué puede hacer!!

La promesa de Bluetooth es extremadamente ambiciosa. Originalmente concebido como una tecnología de bajo consumo y corto alcance para reemplazar los cables que interconectan dispositivos como impresoras, teclados y minas. Ha desarrollado su potencial percibido en un grado mucho mayor. Dio origen a la red de área personal donde todo lo relacionado con la comunicación de información de voz y datos es accesible dentro del Espacio Operativo Personal. Hay varios ejemplos en los que se ha utilizado el modelo Bluetooth.

Figura 3: Resumen de funciones de Bluetooth

Como podemos ver inicialmente el Bluetooth se inició en el ámbito de la telefonía móvil. Todos los fabricantes han comenzado a implementar dispositivos con Bluetooth en los teléfonos. El motivo de esta adopción fue el uso de auriculares inalámbricos con el teléfono, lo que significa que el teléfono se puede utilizar incluso si está en un maletín o en el maletero. Se utilizó para fabricar un teléfono celular o un módem inalámbrico para proporcionar acceso telefónico a redes que le permite conectarse a Internet sin ninguna línea telefónica física. La computadora portátil puede usar automáticamente el teléfono celular cercano del usuario para marcar y conectarse al servicio de acceso telefónico. El intercambio de archivos entre pares se puede realizar sin la presencia de una infraestructura de red. Por ejemplo, un vendedor puede compartir contenido de diapositivas electrónicas con el público. Bluetooth permite la detección automática de dispositivos Bluetooth en la habitación, permitiendo la transferencia. La sincronización de datos entre dispositivos está habilitada a través de Bluetooth. Por ejemplo, una computadora de escritorio con Bluetooth puede sincronizar de forma inalámbrica su lista de contactos, información de tareas y calendario con el teléfono, PDA o computadora portátil de un usuario. Hoy en día, HP fabrica impresoras y portátiles con tecnología Bluetooth incorporada para que puedan detectar automáticamente las impresoras habilitadas para Bluetooth en su área y enviar documentos de forma inalámbrica a la impresora sin pasar por largos procesos de configuración de impresión y conexión en red.

¿Cómo funciona el bluetooth?

Bluetooth es una comunicación de corto alcance que es simple, segura y está disponible en cualquier lugar. Miles de millones de dispositivos, desde teléfonos móviles y ordenadores hasta dispositivos médicos y productos de entretenimiento en el hogar, cuentan con dispositivos Bluetooth.

En términos simples, Bluetooth toma información que normalmente se transporta por cable y la transmite en una frecuencia especial a otro dispositivo Bluetooth. Los dispositivos de envío y recepción tienen el mismo chip receptor Bluetooth, que traduce los datos en transmisión inalámbrica y luego vuelve a la normalidad, dependiendo del remitente o del receptor. Cualquier dispositivo Bluetooth puede ser maestro o esclavo según la aplicación. Cada dispositivo está equipado con un microchip (transreceptor) que transmite y recibe en la frecuencia de 2,4 GHz disponible en todo el mundo. Además de la información, hay disponibles tres canales de voz. La información se puede intercambiar a una velocidad de hasta 1 megabit por segundo o 2 megabit por segundo en la Segunda Generación de esta Tecnología). El salto de frecuencia permite una comunicación inclusiva sin interferencias. Los datos transmitidos se dividen en paquetes y cada paquete se transmite en uno de los 79 canales Bluetooth designados. Cada canal tiene un ancho de banda de 1 MHz. El primer canal comienza en 2402 MHz y continúa hasta 2480 MHz en pasos de 1 MHz. Normalmente realiza 800 saltos por segundo. Salto de frecuencia adaptativo habilitado. El maestro establece la secuencia de salto y los esclavos se sincronizan con el maestro. Un clúster se compone de un maestro y hasta siete esclavos activos conocidos como redes Pico. Los esclavos en una red Pico se comunican únicamente con el maestro. Se puede formar una red de dispersión conectando dos o más redes Pico. Cuando un dispositivo está presente en más de una red Pico, debe compartir el tiempo y sincronizarse con el maestro de la red Pico con la que se está comunicando actualmente. Las redes Bluetooth son mucho más diversas y dinámicas. Debido a que se forman y disuelven constantemente, los dispositivos Bluetooth entran y salen del alcance, por lo que hay formas ilimitadas de conectarlos. La siguiente figura resume la comunicación Bluetooth.

Figura 4: Descripción general de la comunicación Bluetooth

Con los conocimientos básicos del intercambio de información en el sistema Bluetooth, pasamos ahora a las especificaciones.

Frecuencia

Bluetooth funciona en la banda de frecuencia de 2,4 GHz. Aunque esta banda está disponible en todo el mundo, puede diferir en algunos países. Esta es la banda de frecuencia de 2,45 GHz para industrias científicas y médicas (ISM*). ISM* está abierto a cualquier sistema de radio y se encarga de las interferencias de monitores, controles de puertas de garaje, teléfonos inalámbricos y hornos microondas. Las bandas de ancho de banda en Estados Unidos y Europa están entre 2.400 y 2.483,5 MHz y cubren partes de Francia y España. El rango de ancho de banda en Japón está entre 2471 y 2497 MHz. Por lo tanto, el sistema se puede utilizar en todo el mundo porque los transmisores de radio cubren 2400 y 2500 MHz y permiten seleccionar la frecuencia adecuada. ISM Las bandas de radio industriales, científicas y médicas (ISM) estaban originalmente reservadas internacionalmente para el uso de campos electromagnéticos de RF con fines industriales, científicos y médicos distintos de las comunicaciones. En general, los equipos de comunicaciones deben aceptar cualquier interferencia generada por equipos ISM.

País	Rango de frecuencia	Canales de radiofrecuencia
Europa y Estados Unidos	2400-2483,5MHz	F =2402 +k MHz	k = 0,……..,78
Japón	2471-2497MHz	F=2473+kMHz	k=0,………22
España	2445-2475MHz	F=2449+kMHz	K=0,………22
Francia	2446,5-2483,5MHz	F=2454+kMHz	K=0,……..22

Tabla que representa la banda de frecuencia de varios países.

Fuerza

Según la potencia de emisión, los equipos se clasifican en 3 categorías que van desde 1mW hasta 10mW. El equipo receptor debe tener al menos 70dBm. Los chips se incorporan a dispositivos portátiles y funcionan con baterías, por lo que deben tener un consumo mínimo de energía de hasta un 97% menos que un teléfono móvil para que la batería del teléfono dure más. Si los dispositivos Bluetooth no intercambian información, entran en modo de espera para ahorrar energía. La potencia de transmisión utilizada según las especificaciones es 1 mW para un alcance de 10 m, 100 mW para un alcance de hasta 100 m.

Clase de potencia del dispositivo	Fuerza Emitido	Rango
Clase 1	100mW	~ 100 metros
Clase 2	2,5 mW	~10m
Clase 3	1mW	~1 metro

Rango

Las conexiones tienen un alcance máximo de 10 metros, sin embargo con amplificadores es posible llegar hasta 100 metros, pero crear cierta distorsión es disruptivo. Puede que no parezca mucho, pero es importante recordar que estos dispositivos fueron creados con la intención de ser utilizados en interiores y en distancias cortas.

Tipo de datos y clientes

Puede transportar datos y voz como intercambio. Los diferentes tipos de usuarios de Bluetooth pueden ser ordenadores, PDA, teléfonos móviles, etc. Hay muchos otros lugares donde se utiliza Bluetooth. Por ejemplo, teléfonos móviles, auriculares, auriculares estéreo, adaptador de audio, impresora, teclado, sistema GPS y más.

Tasa de transferencia de datos

Es una de las características importantes del dispositivo Bluetooth. La tasa de transferencia de datos se define como la velocidad a la que se transmiten datos de un dispositivo a otro. Por lo general, oscila entre 1 megabites y 24 megabites, según el tipo de versión del dispositivo Bluetooth, como se muestra a continuación.

Versión	Velocidad de datos	Aplicación de máxima salida
Versión 1.2	1Mbps	0,7 Mbit/s
Versión 2.0	3Mbps	2,1 Mbit/s
Versión 3.0	24Mbps	–

Salto de frecuencia

Es un método de transmisión de señales de radio mediante el intercambio rápido de una onda portadora entre muchos canales, utilizando una secuencia pseudoaleatoria conocida tanto por el transmisor como por el receptor. Es útil para evitar colisiones donde muchos dispositivos utilizan la misma frecuencia para enviar la señal y evitar interferencias.

Debido a que la banda ISM está abierta a todos, los sistemas de radio que operan en esta banda deben lidiar con una variedad de fuentes de interferencia impredecibles, como monitores para bebés, abridores de puertas de garaje, teléfonos inalámbricos y hornos de microondas (la fuente de interferencia fuerte más común). ). La interferencia se puede evitar utilizando un esquema adaptativo que encuentre una parte no utilizada del espectro, o se puede suprimir mediante la dispersión del espectro. En Estados Unidos, las radios que operan en la banda ISM de 2,45 GHz deben aplicar técnicas de espectro ensanchado si su nivel de potencia transmitida excede los 0 dBm (2). Las radios Bluetooth utilizan espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH) ya que soportan mejor implementaciones de radio de bajo costo y baja potencia. Además, solucionan mejor los problemas de corto alcance: un bloqueador cercano es efectivamente suprimido por el filtro de canal estrecho, siempre y cuando el espectro TX del bloqueador no coincida con el canal de salto seleccionado. Los sistemas FH dividen la banda de frecuencia en múltiples canales de salto. Durante una conexión, los transceptores de radio saltan de un canal a otro de forma pseudoaleatoria. El ancho de banda instantáneo (salto) es pequeño en las radios FH, pero se logra una distribución en toda la banda de frecuencia. Esto da como resultado transceptores de banda estrecha de bajo coste con máxima inmunidad a las interferencias.

Figura 5: Salto de frecuencia en la red Bluetooth

Aquí podemos ver que el tiempo del canal se divide en intervalos de 625uS. Cada paquete puede ocupar 1, 3 o 5 espacios. La frecuencia de salto permanece constante dentro del paquete. El maestro usa el número impar de ranuras para enviar los paquetes y el esclavo usa números pares.

Red ad hoc

La red ad hoc es una red inalámbrica descentralizada en la que no depende de una infraestructura preexistente, como enrutadores, sino que cada dispositivo participa en el enrutamiento y enruta los datos a otros nodos. Una red ad hoc generalmente se refiere a cualquier conjunto de redes donde todos los dispositivos tienen el mismo estado en una red y son libres de asociarse con cualquier otro dispositivo de red ad hoc dentro del alcance del enlace. Bluetooth también utiliza redes ad hop y se basa en la conectividad entre pares: un dispositivo que lleva una radio Bluetooth puede establecer una conexión con cualquier otro dispositivo que tenga una radio Bluetooth. No existe una infraestructura cableada con estaciones base o puntos de acceso que puedan admitir la configuración de llamadas o proporcionar modos de bajo consumo de energía. En un sistema Bluetooth, el dispositivo maestro puede conectar hasta otros siete dispositivos formando una red conocida como Pico net. Por ejemplo, una computadora puede conectarse a siete dispositivos diferentes con Bluetooth, como un mouse, una impresora, un reproductor de CD, un teclado, etc. La red Pico es un grupo de varios dispositivos que se encuentran en una misma cobertura de radio donde comparten un mismo canal que está conformado por entre dos y ocho unidades más. Dos o más unidades Bluetooth que comparten un canal FH forman una red Pico. Para regular el tráfico en el canal, una de las unidades participantes se convierte en el maestro de la red Pico. Sin embargo, los usuarios del mismo canal deben compartir capacidad. Dado que la capacidad del canal es de sólo 1 MHz, a medida que se añaden más y más usuarios, el rendimiento por usuario cae rápidamente a menos de 10 kb/s. El ancho de banda espectral disponible es de 79 MHz, pero no se puede utilizar de manera efectiva cuando cada unidad debe compartir el mismo canal de salto de 1 MHz. Por lo tanto, se adoptó otra solución. Las unidades que comparten la misma área y están dentro del alcance entre sí pueden potencialmente establecer conexiones ad hoc entre sí. Sin embargo, sólo las unidades que realmente quieren intercambiar información comparten el mismo canal de 1 MHz de una red Pico. Esta solución le permite crear varias redes Pico con áreas de cobertura superpuestas. Cada canal de la red Pico aplica su propia secuencia de salto pseudoaleatoria en el medio de 79 MHz. Las redes Pico no están coordinadas y saltan de forma independiente. Dentro de la red Pico, los participantes deben compartir 1 MHz, pero varias redes Pico comparten los 79 MHz completos, aumentando así la capacidad. Una colección de múltiples redes Pico se denomina red de dispersión. Se pueden conectar un máximo de 10 redes Pico para formar una red dispersa. La siguiente figura muestra cómo funciona la red Pico.

Figura 6: Imagen que representa una red Bluetooth Ad Hoc típica

Protocolos Bluetooth

Bluetooth no es un único protocolo, sino que se compone de diferentes protocolos, siete para ser exactos. Cada uno de estos protocolos funciona en diferentes partes de Bluetooth, completando la configuración de Bluetooth. El hardware Bluetooth se puede representar en un diagrama con host, radio Bluetooth, controlador de enlace y administrador de enlace.