Introdução

Bluetooth é o nome dado a um protocolo de rádio, baseado em saltos em freqüência de curto alcance (Frequency Hopping), que visa substituir os cabos de conexão existentes por uma conexão universal, sem fio, de maneira robusta, barata e de baixo consumo.

A idéia original surgiu em 1994, quando a empresa Ericsson iniciou um estudo que visava substituir os cabos que ligavam seus aparelhos celulares aos diversos acessórios existentes por meio de uma tecnologia sem fio acessível. Quatro anos depois, Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba se uniram para desenvolver o padrão que passaria a ser conhecido como Bluetooth. A este grupo original, denominado SIG (Special Interest Group), foram se juntando novas empresas. Atualmente, o SIG conta com centenas de componentes, e mais de duas mil empresas produzindo produtos com esta tecnologia [10][11]

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)". [11]

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 [10]. 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 [11].

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 [3].

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 [9]

 

O que é Bluetooth?

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, enfim, qualquer aparelho que possua um chip Bluetooth. De certa forma, é possível deixar até os eletrodomésticos de uma casa interligados [7].

Em sua concepção, buscou-se um padrão que pudesse interligar dispositivos heterogêneos de forma transparente ao usuário. Dessa forma, podemos conectar um telefone celular a um microcomputador, ou a outro telefone celular ou PDA, sem que note-se qualquer diferença. Nem mesmo precisamos saber do que se trata o dispositivo a ser conectado, apenas qual a aplicação desejada (transferência de arquivos, conexão com a internet, automação, etc).

De uma forma geral, o padrão Bluetooth visa 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 [2].

Na Figura 1, podemos observar um exemplo de comunicação de dispositivos utilizando Bluetooth.



 

O padrão Bluetooth, foi desenvolvido para atender o segmento das PAN’s (Private Area Network), com um alcance máximo de 100 metros, mas atualmente é utilizada em situações com alcances bem mais restritos. Na Figura 2 podemos observar um infográfico, que situa o uso da tecnologia Bluetooth, perante as outras tecnologias de acesso sem fio disponíveis.

Na Figura 3, apresenta-se um comparativo entre a taxa de transmissão e a área de cobertura da tecnologia Bluetooth, comparada as demais tecnologias sem fio.

 
 

Porque Bluetooth?

O nome Bluetooth é uma homenagem ao Rei Viking Harald Blaatand "Bluetooth" II, Rei da Dinamarca entre os anos 940 e 981. Filho de Gorm "O Velho", rei da Dinamarca, e de Thyra Danebod, filha do rei Ethelred da Inglaterra. O rei Bluetooth II, trabalhava fortemente na diplomacia entre os reinados Europeus, estabelecendo tratados comerciais e culturais entre os povos.

Devido ao fato da tecnologia Bluetooth ter sido criada com o intuito de comunicar dispositivos heterogêneos, em função e fabricantes, optou-se por fazer referência ao findado rei [5].

 

Aplicações e Usos

Na atualidade encontramos inúmeros usos para esta tecnologia. Praticamente para todas as situações onde se exije uma baixa taxa de transferência de dados e um curto alcance (tipicamente menor que 10 metros), podemos utilizar esta tecnologia.

Alguns usos que podemos citar [5]:

- Dispositivos com processamento: PCs, Telefone Celulares, PDAs;

- Periféricos de Áudio: Headsets, Caixas de som, Receptores Stéreo;

- Periféricos Multimídia: Mouse, Teclado, Joysticks, Câmeras, Impressoras, LAN Access Points;

- Aplicações Embarcadas: Alarmes de carros, sistemas industriais, kits viva-voz, etc.

 

Vantagens e Desvantagens do Bluetooth

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.

 

Características

Resumidamente, a seguir relaciona-se as características técnicas da tecnologia [11] [5]:

• 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 P
• 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

 

Redes Bluetooth

O padrão Bluetooth foi concebido para permitir que dispositivos possam se associar formando redes mais complexas, e expandindo assim a sua área de cobertura.

Uma piconet é uma rede Blootooth formada por até 8 dispositivos, sendo 1 mestre e os demais escravos. Todos os dispositivos estão sincronizados ao relógio e seqüência de salto de freqüência (hopping) do mestre.

A Figura 4 representa a estrutura básica de uma Piconet, onde todos os dispositivos são conectados a um dispositivo master, não podendo haver conexão entre escravos.

 

Em um determinado local podem existir várias piconets independentes. Cada piconet tem um canal físico diferente, isto é um dispositivo mestre, um relógio e sequência de salto de frequência independentes.

Um dispositivo Bluetooth pode participar concorrentemente em duas ou mais piconets, não podendo ser no entanto mestre de mais de uma piconet. Como o canal físico que caracteriza a piconet é definido pelo relógio e endereço do dispositivo mestre é impossível ser o mestre de duas ou mais piconets.

Quando um dispositivo se conecta a mais de uma piconet, cria-se um Scatternet, conforme representado na Figura 5. Envolvimento em uma scaternet não implica necessariamente em qualquer função ou capacidade de roteamento no dispositivo Bluetooth. O Bluetooth não oferece esta funcionalidade, sendo esta responsabilidade de protocolos de mais alto nível.

 

 

Pilha de Protocolos

A Figura 6 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.

 

 

O Bluetooth core pode ser divido nas seguintes camadas [11]:

• 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.

A Figura 7 mostra a interação entre os diversos protocolos e a pilha de protocolos Bluetooth.

 

Sistema Rádio

Os dispositivos Bluetooth trabalham numa freqüência na faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical), em 2,45 GHz, faixa esta livre de regulamentação na maioria dos países.

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 freqüência, e um zero binário é representado por um desvio negativo de freqüência, com variação nunca menor que 115 KHz [4].

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.

 

 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.

 

 

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 [11].

 

Pacote de Dados

A figura a seguir apresenta estrutura geral de um pacote de dados (PDU) do Bluetooth [4]


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:

 

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 [4].

 

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 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 [4].




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 [4].

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) [5]:


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 

Potências Utilizadas

Os dispositivos Bluetooth são divididos em três classes, de acordo com o alcance de cada um. Cada uma das classes possui uma faixa de potencia de operação, conforme demonstrado abaixo [4]:

Classe 1

• longo alcance (~100 m)
• potência entre 1 mW e 100 mW

Classe 2

• curto alcance (~10 m)
• potência entre 0.25 mW e 2,5 mW

Classe 3

• curtíssimo alcance (~10 cm)
• potência até 1 mW

As classes de potência dos dispositivos são relativas à fabricação, ou seja, um dispositivo concebido sob a Classe 2, só poderá operar nessa faixa, por limitações de hardware.

Para o controle de potência dentro de cada uma das faixas, o padrão Bluetooth utiliza RSSI (Receiver Signal Strength Indicator). Indicador de intensidade do sinal recebido onde o controle é feito de acordo com a potência que está sendo recebida pelo dispositivo [8].

 

Link Controller

Para estabelecer conexões no Bluetooth, são necessários três elementos: scan, page e inquiry. O primeiro é usado para economia de energia. Quando dispositivos estiverem ociosos, eles entram num modo conhecido "stand-by". Periodicamente, eles devem verificar se existe algum dispositivo tentando estabelecer uma conexão. Essa peridiocidade ocorre a cada 10 ms.

O "page" é utilizado pelo dispositivo que deseja estabeler uma conexão. Para isso, são transmitidos dois pedidos de conexão seguidos em diferentes portadoras, a cada 1,25 ms. O dispositivo "paging" transmite duas vezes um pedido de conexão e verifica também duas vezes se há respostas. O “page scan” é utilizado por dispositivos que estão aguardando para entrar em uma piconet.

O "inquiry" consiste em mensagens que são difundidas por um mecanismo que deseja determinar quais outros dispositivos estão em sua área e quais suas características. Ao receber uma mensagem desse tipo, um dispositivo deve retornar um pacote chamado FHS (Frequency Hopping-Synchronization) contendo, além de sua identidade, informações para o sincronismo entre os dispositivos. Os dispositivo que encontram-se em condição de serem descobertos na rede (Discoverable State) estão em “Inquiry Scan” [2].

 

Bibliografia

[1] AGRAWAL, Aditya. 802.16a: The Right Technology at the Right Place at the Right Time. Disponível em: <www.wimaxforum.org> Acessado em 12/10/2006.

[2]  ALECRIM, Emerson. Tecnologia Bluetooth. Disponível em: <www.infowester.com/Bluetooth.php> Acessado em: 25/06/2007.

[3] BLUETOOTH SIG; Bluetooth Sig Selects Wimedia Alliance Ultra-Wideband Technology for High Speed Bluetooth® Applications. Disponível em: <www.Bluetooth.com> Acessado em: 25/06/2007.

[4] Bluetooth SIG. Specification of the Bluetooth System. Disponível em <www.Bluetooth.com>. Último acesso em 15 de junho de 2007.

[5] CHOMIENNE, D. Eftimakis, M. Bluetooth Tutorial. Disponível em <www.newlogic.com/products/ Bluetooth-Tutorial-2001.pdf>. Último acesso em 22 de junho de 2007.

[6] INTEL. Trends in Telecom: Wireless Services for the Mainstream. Disponível em: <www.intel.com> Acessado em: 24/06/2007.

[7] JASINSKI, Ricardo; PETERS, Eduardo. Interface De Baixo Custo para Automação Residencial. Revista Ágora, Caçador, 2006.

[8] KOSTIN, Sergio; AMORIM, Claudio L. Métricas para Controle Eficiente de Potência de Transmissão em Cenários de Redes de Sensores com Obstáculos Disponível em <www.cos.ufrj.br/~amorim/publications-2001-06/METRICAS-TR-2006-PORT.pdf>  Acessado em: 20/06/2007

[9] NOKIA, Fórum Wibree integra-se no Bluetooth SIG. Disponível em: <www.nokia.pt> Acessado em: 25/06/1007

[10] STEIN, Paulo; Bluetooth, Grupo de Teleinformática e Automação, UFRJ, Disponível em: <www.gta.ufrj.br/> Acessado em: 24/06/2007.

[11] TUDE, Eduardo. Bluetooth Disponível em: <www.teleco.com.br> Acessado em: 22/06/2007




Eduardo Peters