BLUETOOTH. DESCRIPCIÓN DEL ESTANDAR
Pérez N., Joffre E.
Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Post-Grado. Los Chaguaramos Apartado 48146, Caracas 1041A, Venezuela
e-mail:joffreperez@hotmail.com
Bluetooth es un estándar empleado en enlaces de radio de corto alcance, destinado para reemplazar el cableado existente entre dispositivos electrónicos. La tecnología empleada permite a los usuarios conexiones instantáneas de voz y datos entre varios dispositivos en tiempo real. El modo de transmisión empleado, asegura protección contra interferencias y seguridad en el envío de datos.
Entre sus principales características, pueden nombrarse su robustez, baja complejidad, bajo consumo y bajo costo.
El radio Bluetooth es un pequeño microchip que opera en una banda de frecuencia disponible mundialmente. Pueden realizarse comunicaciones punto a punto y punto multipunto.
Palabras Claves: Bluetooth, inalámbrico, tecnología, interconexión
Bluetooth technology is a short-range radio link intended to replace the cable connections between electronic devices. The technology used allows users to make instant connections between various devices in real time. The mode of transmission ensures protection from interference and security of data.
Key features are robustness, low complexity, low power and low cost.
The Bluetooth radio is built into a small microchip and operates in a globally available frequency band. The Bluetooth wireless technology supports both point to point and point to multipoint connections.
Keywords: Bluetooth, wireless, technology, networking
1.- Introducción
En 1994, Ericsson Mobile Communications inició un estudio para investigar la posibilidad de una interfaz de radio de baja potencia y bajo costo entre teléfonos móviles y sus accesorios. El objetivo era eliminar los cables entre los teléfonos móviles y tarjetas de PCs, headsets, dispositivos desktop, etc. El estudio fué parte de otro gran proyecto de investigación que involucraba multicomunicadores conectados a la red celular por medio de los teléfonos celulares. El ultimo enlace en dicha conexión debería ser un radio enlace de corto rango. A medida que el proyecto progresaba, se volvió claro que las aplicaciones que envuelven dicho enlace de corto rango serían ilimitadas. A comienzos de 1997, Ericsson se aproxima a otros fabricantes de dispositivos portátiles para incrementar el interés en esta tecnología.
El motivo era simple: para que el sistema fuera exitoso y verdaderamente utilizable, una cantidad crítica de dispositivos portátiles deberían utilizar la misma tecnología de radioenlaces de corto alcance. En Febrero de 1998, cinco compañías, Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba e Intel, forman un Grupo de Interés Especial (SIG). Dicho grupo contiene la mezcla perfecta en lo que es el área de negocios, dos líderes del mercado en telefonía móvil, dos líderes del mercado en computadoras laptop y un líder del mercado en tecnología de procesamiento de señales digitales. La meta era establecer la creación de una especificación global para conectividad sin hilos de corto alcance. El nombre BLUETOOTH fué tomado de Harald Blatand, un rey vikingo danés de comienzos de la edad media.
2.- ¿ Qué es Bluetooth ?
La inquietud de empresas de telecomunicaciones y computación de desarrollar una interfaz abierta para facilitar la comunicación entre dispositivos sin la utilización de cables aprovechando la movilidad de los dispositivos inalámbricos dió como resultado una iniciativa cuyo nombre código fue "Bluetooth".
Bluetooth es una especificación para la industria de la computación y telecomunicaciones que describe como se pueden interconectar dispositivos como teléfonos celulares, Asistentes Personales Digitales (o sus siglas en Inglés PDA), computadoras (y muchos otros dispositivos) ya sea en el hogar, en la oficina, en el auto, etc. utilizando una conexión inalámbrica de corto alcance.
3.- ¿Como Funciona?
Cada dispositivo deberá estar equipado con un microchip (tranceiver) ( Ver Figura 1) que transmite y recibe en la frecuencia de 2.4 GHz que esta disponible en todo el mundo (con algunas variaciones de ancho de banda en diferentes países). Además de los datos, están disponibles tres canales de voz. Cada dispositivo tiene una dirección única de 48 bits basado en el estándar IEEE 802. Las conexiones son uno a uno con un rango máximo de 10m (dependiendo del medio podría ser más).
Los datos se pueden intercambiar a velocidades de hasta 1 megabit por segundo (se esperan 2 megabits por segundo en la Segunda Generación de esta Tecnología). Un esquema de "frequency hop" (saltos de frecuencia) permite a los dispositivos comunicarse inclusive en áreas donde existe una gran interferencia electromagnética. Además de que se provee de esquemas de encriptación y verificación
4.- Diseño de redes
Bluetooth ha sido diseñado para operar en un ambiente multi-usuario. El arreglo en una red Bluetooth puede ser punto a punto ó punto-multipunto. En este tipo de conexiones, el canal se comparte con varias unidades. Dos ó más unidades compartiendo el mismo canal forman una piconet. Cualquier unidad de una piconet, puede establecer una conexión a otra piconet para formar una Scatternet. En la siguiente figura se muestra una Scatternet en la cual la piconet A ( formada por 4 unidades ) se conecta a la piconet B ( formada por 2 unidades ).
Los dispositivos pueden habilitarse para comunicarse entre sí e intercambiar datos de una forma transparente al usuario. Hasta ocho usuarios o dispositivos pueden formar una "piconet" y hasta diez "piconets" pueden co-existir en la misma área de cobertura.
En una piconet, una unidad Bluetooth actúa como maestro mientras las otras actúan como esclavo. Una unidad maestra en una piconet puede ser una unidad esclava en otra piconet ( Ver Figura 3-c ).
Dado que cada enlace es codificado y protegido contra interferencia y pérdida de enlace, Bluetooth puede considerarse como una segura red inalámbrica de corto alcance.
5.- Especificaciones Generales
5.1.- Banda de Frecuencia y Canales RF
El estándar Bluetooth opera en la banda de 2,4 GHz. Aunque a nivel mundial, esta banda se encuentra disponible, el ancho de la banda puede diferir según el país. En los Estados Unidos y Europa, una banda de 83,5 MHz de ancho está disponible, en esta banda 79 canales de RF con un espaciamiento de 1 MHz se define. En Japón, España y Francia una banda más pequeña es utilizada, 23 canales de RF con un espaciamiento de 1 MHz se define. En la siguiente tabla se muestran las bandas y los canales de RF empleados por esta tecnología.
5.2.- Conmutación y Velocidades
El protocolo Bluetooth, utiliza una combinación de conmutaciones de circuito y paquetes. Para asegurar que los paquetes no sean recibidos fuera de orden, ranuras de tiempo ( hasta 5 ) pueden ser reservadas para los mismos.
Como se dijo con anterioridad, saltos de frecuencia son aplicados para evitar interferencia y desvanecimiento. Un salto de señal diferente es usado para cada paquete. La conmutación de circuitos puede ser síncrona o asíncrona. Hasta 3 canales de datos síncronos, ó 1 síncrono y 1 asíncrono pueden ser soportados.
Cada canal síncrono soporta una velocidad de 64 Kb/s, lo cual es utilizado para transmisiones de voz. Un canal asíncrono puede transmitir 721 Kb/s en una dirección y 57,6 Kb/s en la dirección opuesta. Es posible también en una conexión asíncrona soportar velocidades de 432,6 Kb/s en ambas direcciones si el enlace es simétrico.
5.3- Definición del canal
El canal es representado por una secuencia de salto pseudo-aleatoria a través de 79 ó 23 canales. Esta secuencia de salto es única para cada piconet y es determinada por la dirección del dispositivo Bluetooth maestro, la fase se determina por el reloj interno del mismo.
El canal se divide en espacios de tiempo en donde cada uno corresponde a un salto de frecuencia. La velocidad de los saltos es de 1600 saltos/s.
5.4.- Estructura del Paquete
En cada slot, un paquete puede ser intercambiado entre la unidad maestro y uno de los esclavos. Estos paquetes poseen el siguiente formato:
Cada paquete comienza con 72 bits de código de acceso derivados de la identidad del maestro y que es única para el canal. Cada paquete intercambiado en el canal esta precedido por este código. Ciertos recipientes en la piconet comparan las señales que arriban con el código de acceso, y si estos no son iguales, el paquete recibido es considerado no valido en el canal y el resto del contenido es ignorado. Además, el código de acceso es también utilizado para sincronización. El código de acceso es sumamente robusto y resistente a la interferencia. Una cabecera sigue al código de acceso y esta contiene información de control importante como la dirección de control de acceso al medio (MAC), tipo de paquete, bits de control de flujo, el esquema ARQ de petición de retransmisión automática y un chequeo de error en cabecera. La cabecera esta protegida por un código de corrección de error. Los datos (Payload) pueden seguir o no a la cabecera y para soportar altas ratas de datos se definen los paquetes multi-slot. Un paquete puede cubrir uno, tres o cinco slots y son siempre enviados en una portadora de salto sencilla.
5.5.- Espacios de tiempo
El canal se divide en espacios de tiempo con una duración de 625 ms cada uno. Dichos espacios son enumerados según el reloj interno de la piconet maestra.
Para transmisión Full-Duplex, un esquema Time División Duplex (TDD) es usado. La unidad maestra comienza su transmisión en los espacios de tiempo pares y las unidades esclavas en los espacios de tiempo impares. El comienzo del paquete debe estar alineado con el comienzo de la ranura de tiempo ( Ver figura ).
El salto de frecuencia permanecerá hasta haber transmitido el paquete. En el caso de un solo paquete, el salto de frecuencia se deriva del reloj interno de la unidad maestra. En el caso de varios paquetes, el salto de frecuencia deriva del reloj dentro del primer espacio de tiempo. En la siguiente figura se ilustra el caso de paquetes con una duración mayor a un espacio de tiempo.
Figura 7. Paquetes con múltiples ranuras de tiempo
5.6.- Transmisión y recepción
El equipo de transmisión se clasifica en 3 grupos según el nivel de potencia de emisión, tal y como se muestra en la Figura 8. El equipo receptor debe poseer una sensibilidad de al menos –70 dBm, y la tasa de error admisible debe ser menor ó igual a 0,1 %.
5.7.- Modulación
Los datos transmitidos poseen una velocidad de 1 Msimb./s. Una modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) es usada, en donde un “1” binario representa una desviación de frecuencia positiva, y un “0” binario representa una desviación de frecuencia negativa. La desviación máxima de frecuencia está entre 140 KHz y 175 KHz. La modulación se ilustra en el siguiente gráfico:
5.8.- Características Técnicas
A continuación se citan las características técnicas básicas del estándar Bluetooth:
Banda de Frecuencia: 2,4 GHz
Potencia de Tx: 1mW ( 0 dBm)
Tecnología: Spread Spectrum
Canales de voz: 3 por picored max.
Canales de datos: 7 por picored max.
Velocidad de datos:721Kbps por picored
Cobertura: 10 m.
Número de dispositivos: 8 por picored
Alimentación: 2,7 voltios
Interferencia: Bluetooth minimiza la interferencia potencial al emplear saltos rápidos en frecuencia.
6.- Aplicaciones
Entre las numerosas aplicaciones de este estándar, las más importantes son:
Teléfono 3 en 1: Al estar en la oficina el teléfono funcionará como un intercomunicador (sin cargos telefónicos). En el hogar funcionará como teléfono inalámbrico (con cargos ajustados a la línea). Al estar en movimiento y fuera del hogar, el teléfono se comportará como un móvil (con cargo a la empresa celular).
Puente Internet: Permite utilizar el PC portátil para surfear en la internet donde sea, sin importar si se está conectado (wireless) al teléfono móvil (celular) o a una conexión cableada (PSTN, ISDN, LAN, xDSL).
Conferencia Interactiva: en reuniones ó conferencias, pueden transferirse documentos instantáneamente entre un grupo de asistentes ó inclusive realizar una presentación e inalámbricamente conectarse con un proyector.
7.- Futuro del Bluetooth
En la actualidad, numerosas compañías a nivel mundial están implementando esta tecnología en sus dispositivos, tal es el caso de la Microsoft que se encuentra desarrollando una forma de incorporar la tecnología Bluetooth al sistema operativo Windows, con el objetivo de facilitar a los consumidores la transferencia de archivos entre el hardware Bluetooth, y el acceso a Internet, sin el empleo de cables.
10.- Conclusiones:
A manera de conclusión, se citarán las principales características del estándar Bluetooth:
· La banda de frecuencia se separa en saltos. El uso del spread spectrum establece un alto nivel de seguridad.
· Hasta 8 dispositivos pueden interconectarse en una piconet
· Las señales pueden transmitirse a través de paredes, lo cual elimina la necesidad de existencia de línea de vista
· Los dispositivos no necesitan estar direccionales entre sí ya que las señales son omnidireccionales
· Pueden soportarse aplicaciones síncronas y asíncronas, lo cual facilita la interconexión de una gran variedad de dispositivos y servicios tales como voz e Internet.
· Los gobiernos a nivel mundial regularían este estándar haciendo posible su utilización en cualquier parte del mundo
Bluetooth ofrece tres grandes ventajas. “Prescinde de cableado, facilita el acceso a la información y abarata las comunicaciones, al utilizar ondas de radio”. Como inconveniente presenta un entorno de cobertura reducido, pues restringe las comunicaciones entre dispositivos que se encuentren a un máximo de 100 metros.
Referencias:
http://www.bluetooth.com/bluetoothguide/models/interactive.asp
http://www.bluetooth.com/bluetoothguide/models/internet.asp
http://www.bluetooth.com/bluetoothguide/models/models.asp
http://www.bluetooth.com/bluetoothguide/models/two_in_one.asp
http://bluetooth.ericsson.se/ebc/default.asp
http://www.gsmdata.com/artblue.htm
http://www.mot.com/bluetooth/apps/index.html
http://www.option.com/techno/bluetooth01.htm
Referencia Biográfica:
Joffre E. Pérez N. nació en Caracas, Venezuela el 24 de Septiembre de 1976. En Enero del año 2000 obtuvo el título de Ingeniero Electricista mención Comunicaciones en la Universidad Central de Venezuela. Actualmente trabaja en la Dirección de Ingeniería del Tránsito Aéreo del Ministerio de Infraestructura.