4.1.2 Tecnología Bluetooth
Bluetooth [28] es un sistema de comunicación de corto alcance, diseñado para
reemplazar los cables que conectan equipos portables entre sí o con equipos fijos.
Las principales características de éste tecnología inalámbrica se centra en su
robustez y su bajo consumo de potencia.
Un sistema Bluetooth consiste en un receptor y emisor de RF, un sistema de
“banda base” y un conjunto de protocolos.
La
capa
física
de
Bluetooth,
es
un
sistema
de
Radio
Frecuencia
que
opera
en
la
banda
ISM
de
2.4
GHz.
Utiliza
técnicas
de
modulación
basadas
en
FHSS
(Frequency Hopping Spread Spectrum), de manera similar a IEEE 802.11.
La
técnica
FHSS
(Frequency
Hopping
Spread
Spectrum)
consiste
en
modular
la
señal a transmitir con una portadora que “salta” de frecuencia en frecuencia,
dentro del ancho de la banda asignada, en función del tiempo. El cambio periódico
de frecuencia de la portadora reduce la interferencia producida por otra señal
originada
por
un
sistema
de
banda
estrecha,
afectando
solo
si
ambas
señales
se
transmiten en la misma frecuencia en el mismo momento.
Se transmite 1 Mega símbolo por segundo (1 Ms/s), soportando velocidades
binarias de 1 Mb/s (“Basic Rate”), o con EDR (“Enhanced Data Rate”), 2 o 3 Mb/s.
Los dispositivos Bluetooth cercanos,
forman
una “piconet”, dentro de
la cual,
uno
de los dispositivos cumple el rol de “Maestro”,
mientras que
los demás asumen el
rol de “Esclavos”. Durante una operación típica, un mismo canal de radio es
compartido por el grupo de la piconet, sincronizándose todos los esclavos al
patrón de saltos de frecuencias impuesto por el maestro. Este patrón de saltos
está determinado algorítmicamente por la dirección y el reloj del “maestro”, y utiliza
las
79
posibles
frecuencias
de
la
banda
ISM de
2.4
GHz.
Se
dispone
de
técnicas
adaptivas, que excluyen
las frecuencias en las que se detecta interferencias, a los
efectos de poder coexistir con otros sistemas que
utilicen frecuencias
fijas dentro
de la banda.
El canal
físico es subdividido en
unidades de tiempo (“time slots”). Los datos son
transmitidos entre los dispositivos en paquetes dentro de estos time slots. Se logra
un efecto “full duplex” mediante técnicas del tipo TDD (Time-Division Duplex)
Dentro de
un canal físico, se pueden establecer canales lógicos de comunicación,
entre los dispositivos de una piconet. Sin embargo, éstos canales lógicos
solamente pueden establecerse entre un
maestro y
hasta 7
esclavos.
Los
esclavos no pueden establecer canales lógicos entre sí. Deben necesariamente
pasar por un maestro.
Solo hasta 8 dispositivos activos pueden formar una piconet. Más de 8 dispositivos
pueden
estar
dentro
de
la
piconet,
pero
no
en
estado
activo,
sino
“estacionados”
(“parked”) o en stand-by.
Un mismo dispositivos puede formar parte de
más de
una piconet, pero
no puede
ser Maestro en más de
una a
la
vez. En este caso, el dispositivo que pertenece a
más de una piconet podrá eventualmente, enrutar paquetes entre ambas piconets.
La unión de varas piconets interconectadas se denomina “scatternet”.
La siguiente
figura ilustra
una posible distribución de 20 dispositivos en
una
scatternet, formada por 3 piconets, dónde dos de
las dispositivos son
maestros de
una piconet y esclavos de otra.
Esclavo P3
Esclavo
de
P1 y Master
P2
de P2
P3
Esclavo
de
P1 y Master
de P3
A
P1: Piconet 1
P2: Piconet 2
P3: Piconet 3
Nodo
A:
Master
de
P1
En este ejemplo, se forman 3 piconets P1, P2 y P3. El nodo designado como A es
Maestro de la piconet P1. A esta piconet se
le asignan otros 7
nodos Esclavos. 2
de
estos
nodos esclavos,
se
designan,
a
su
vez,
como
Maestros
de
los
piconets
P2 y P3 respectivamente, dónde se distribuyen como Esclavos los 12 nodos
restantes (6 a la piconet P2 y 6 a la piconet P3).
Esta
configuración
permite
tener
un
máximo
de
2
saltos
desde
cualquier
nodo
al
nodo A. Por otra parte, se requiere
un máximo de 4 saltos para
llegar de cualquier
nodo a cualquier otro (dándose este máximo cuando se quiere llegar de nodos
Esclavos de P2 a nodos Esclavos de P3)
4.1.3 Consumo y Alcance en Bluetooth
El consumo de potencia es uno de los temas especialmente considerado en la
tecnología
Bluetooth.
Dado
que
los
dispositivos
que
utilizan
esta
tecnología
(PDAs, hand helds, teléfonos celulares, etc) son generalmente alimentados con
baterías de corta autonomía, las aspectos
relacionados al consumo deben tenerse
muy en cuenta.
Es
generalmente
admitido
que
los
módems
Bluetooth
consumen
menos
potencia
que
los
de
IEEE
802.11.
En
las
páginas
del
sitio
de
Bluetooth
se
menciona
que
ésta tecnología utiliza la quinta parte de la potencia que la tecnología Wi-Fi [29].
Sin embargo, algunos estudios muestran que diferentes productos del mercado
802.11
pueden
tener
grandes
diferencias
de
consumo
entre
sí,
llegando
a
medir
un factor de 15 entre el de menor y el de mayor consumo [30]. Los de menor
consumo, podrían entran en la franja de consumos de los productos Bluetooth
En Bluetooth
las clases de
los dispositivos definen la potencia de emisión, y por lo
tanto, el alcance típico, según la siguiente tabla [31]:
Clase
Potencia máxima
(Pmax)
Potencia
nominal
Potencia Mínima
Alcance
1
100 mW (20 dBm)
N/A
1
mW (0 dBm)
100 m
2
2.5 mW (4 dBm)
1
mW (0 dBm)
0.25 mW (-6 dBm)
10 m
3
1
mW (0 dBm)
N/A
N/A
1
m
4.1.4 Arquitectura y modelo de capas en Bluetooth
Una
de
las
características
de
Bluetooth
es
que
provee
un
conjunto
completo
de
protocolos
que
permite
la
intercomunicación
de
aplicaciones
entre
dispositivos,
a
diferencia de IEEE 802.11 que especifica únicamente las tres capas más bajas del
modelo.
El modelo de capas de Bluetooth se esquematiza en la siguiente figura:
Applications
Other
TC
S
RFCOMM
Data
SDP
Con
trol
Application Framework and
Support
HCI: Host Controller
Interface
Audio
L2CAP
LMP
Link Manager and L2CAP
Baseband
RF
Radio & Baseband
La capa RF contiene el MODEM de radio utilizado para
la transmisión
y
recepción
de
información, en
la banda
ISM de 2.4
GHz,
mediante
modulación
FHSS,
como
se mencionó anteriormente.
La capa de banda base (“Baseband”) se encarga del control del enlace a
nivel de
bits y paquetes.
En particular esta capa establece
la codificación
y
encripción,
así
como las reglas de saltos de frecuencias.
La
capa
LMP
(“Link
Management Protocol”) establece
los
enlaces
con
los
otros
dispositivos. Es responsable de conectar maestros con esclavos dentro de una
piconet,
y administrar sus modos de operación (activos, estacionados)
y sus
potencias.
Estas tres capas más bajas del protocolo se implementan generalmente dentro del
chip Bluetooth, e interactúan con las capas superiores a través de una interfaz
denominada HCI (“Host Controller Interface”).
La
capa
L2CAP
(“Logical
Link
Control
and
Adaptation
Protocol”)
proporciona
servicios
de
datos
tanto
orientados
a
conexión
como
no
orientados
a
conexión
a
los protocolos de las capas superiores, junto con facilidades de multiplexación y de
segmentacion
y
reensamblaje.
L2CAP
permite
que
los
protocolos
de
capas
superiores puedan transmitir y recibir paquetes de datos L2CAP de hasta 64
kilobytes de longitud.
L2CAP se basa en el concepto de canales. Un canal es
una conexión lógica que
se sitúa sobre la conexión de banda base. Cada canal se asocia a un único
protocolo.
Cada
paquete
L2CAP
que
se
recibe
a
un
canal
se
redirige
al
protocolo
superior correspondiente. Varios canales pueden operar sobre la
misma conexión
de banda base, pero
un canal
no puede tener asociados más de
un protocolo de
alto nivel.
Por sobre L2CAP se
ubican
las capas RFCOMM, SDP
y
TCS. El protocolo
RFCOMM
proporciona
emulación
de
puertos
RS-232
serie
a
través
del
protocolo
L2CAP. Este protocolo se basa en el estándar de la ETSI denominado TS 07.10.
RFCOMM es utilizado para establecer comunicaciones seriales punto a punto,
emulando el protocolo
RS-232 a través de RF. Sobre este protocolo pueden
implementarse diferentes aplicaciones, como por ejemplo:
OBEX:
Es
un
protocolo
muy
utilizado
para
transferencias
de archivos
entre
dispositivos móviles, por ejemplo, tarjetas de visita o entradas de
agenda
(por ejemplo, entre teléfonos celulares y PDAs).
PPP: El p®oto©olo Point
to Point puede ser implementado sobre RFCOMM,
permitiendo, a su vez, implementar sobre él protocolos UDP y TCP
Comando AT: Pueden emula®se comandos de modems a través de
RFCOMM
El protocolo SDP (“Service Discovery Protocol”) permite a las aplicaciones
“cliente” descubrir la existencia de diversos servicios proporcionados por uno o
varios “servidores de aplicaciones”, junto con los atributos y propiedades de los
servicios que se ofrecen. Estos atributos de servicio incluyen el tipo o clase de
servicio ofrecido y el mecanismo o la información necesaria para utilizar dichos
servicios. Los dispositivos que actúan como servidores de aplicaciones
mantienen
una
lista
de
registros
de
servicios,
los
cuales
describen
las
características
de
los
servicios ofrecidos. Cada registro contiene información sobre
un determinado
servicio. Un cliente puede recuperar la información de un registro de servicio
almacenado en un servidor SDP lanzando una petición SDP. Si el cliente o la
aplicación asociada con el cliente decide utilizar un determinado servicio, debe
establecer una conexión independiente con el servicio en cuestión. SDP
proporciona un mecanismo para el descubrimiento de servicios y sus atributos
asociados, pero no proporciona ningún mecanismo ni protocolo para
utilizar dichos
servicios.
El
protocolo
TCP
(“Telephony
Control
Protocol”)
define
la
señalización
para
el
control de llamadas de
voz para aplicaciones de telefonía inalámbrica. Está
basado en el protocolo ITU-T Q.931.
El
Audio
es
directamente
transferido
de
la
aplicación
a
la
banda
base.
Bluetooth
soporta hasta 3 canales de audio full duplex simultáneamente. Puede
utilizar
codecs con técnicas CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation) a 64
kb/s, o PCM (ley A o ley Mu)
4.2
IEEE 802.15
El grupo de trabajo IEEE 802.15 ha desarrollado un estándar de WPAN basado en
las especificaciones existentes de Bluetooth. El estándar
IEEE 802.15.1 fue
publicado en junio de 2002 y revisado en mayo de 2005 [32]
Este estándar es una adaptación de la versión 1.1 de Bluetooth en lo referente a la
capa física (PHY) y a la capa de enlace (MAC), incluyendo L2CAP y LMP.
La siguiente figura, tomada de la recomendación IEEE 802.15, ilustra la
correspondencia entre las capas del modelo
ISO – OSI, frente a las de
IEEE 802 y
IEEE 802.15.1
4.3
Coexistencia IEEE 802.15/Bluetooth y IEEE 802.11
Una de
las principales preocupaciones de
la
IEEE es la coexistencia de Bluetooth
con
IEEE
802.11b,
ya
que
ambos
utilizan
la
misma
porción
del
espectro,
y
tienen
mecanismos de transmisión similares. Para abordar este problemática, se designó
al “Task group 2” (grupo de trabajo 2), que desarrolló la recomendación IEEE
802.15.2 [33]
Bluetooth
utiliza
técnicas
FHSS
de
1.600
saltos
por
segundo
a
1
Mb/s,
ocupando
todo
el ancho
de
banda disponible
en la banda ISM de 2.4 GHz. IEEE
802.11b
utiliza FHSS de 2.5 saltos por segundo para velocidades bajas y DSSS y CCK
para velocidades mayores, lo que lleva a que los problemas de interferencia y
coexistencia
deban
ser
analizados
en
detalle.
Puede
leerse
el
capítulo
13.5
de
la
referencia [34] para profundizar en los problemas de interferencia.
La recomendación
IEEE 802.15.2 estable prácticas para facilitar
la coexistencia de
estas dos tecnologías. Estas prácticas se dividen en dos categorías de
mecanismos de coexistencia:
Colaborativos: Cuando puede existir intercambio de información entre las
dos redes inalámbricas (por ejemplo, cuando el mismo equipo es 802.15.1 y
802.11b).
Dentro
de
esta
categoría
se
establecen
los
siguientes
mecanismos de coexistencia:
o
Acceso al medio inalámbrico alternado (Alternating wireless
medium
access)
o
Arbitraje de tráfico de paquetes (Packet traffic arbitration)
o
Supresión de
interferencia determinística (Deterministic interference
supression)
No
colaborativos:
Cuando
no es posible
intercambiar información entre
las
redes inalámbricas
o
Supresión
de
interferencia
adaptativa
(Adaptive
interference
supression)
o
Selección de paquete adaptativo (Adaptive packet selection)
o
Agendamiento de paquetes para enlaces ACL (Packet scheduling for
ACL links)
o
Agendamiento de paquetes para enlaces SCO (Packet scheduling
for SCO links)
o
Saltos de frecuencia adaptativos (Adaptive frequency-hopping)
Las técnicas colaborativas son las más efectivas, pero solo pueden realizarse
dentro
de
un
mismo
dispositivo que tenga
ambas tecnologías. En este caso, se
Portal para Investigadores y Profesionales
