Introdução à Computação Móvel Bluetooth

1. Introdução à Computação Móvel Bluetooth Simone Melo Bysmarck

2. Bluetooth • O que é? • Como surgiu? • Por que o nome Bluetooth? • Objetivo • Desafios • Aplicações Bluetooth • Arquitetura

3. O que é? • Bluetooth é uma tecnologia para conexão sem fio (wireless) a curta distância de dispositivos como celulares, palm tops, fones de ouvido, microfones, computadores, teclados, etc.. • Por meio de conexões de rádio ad hoc.

4. Surgimento • A idéia original surgiu em 1994, com a Ericsson, que visava substituir os cabos que ligavam seus aparelhos celulares aos diversos acessórios existentes por meio de uma tecnologia sem fio; • Quatro anos depois em 1998, Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba se uniram e formaram o Bluetooth SIG (Special Interest Group), com o objetivo de expandir e promover o conceito Bluetooth e estabelecer um novo padrão industrial. • Atualmente o Bluetooth SIG já conta com milhares de empresas de todo o mundo.

5. Por que o nome Bluetooth? • A escolha do nome foi uma homenagem ao unificador da Dinamarca, o rei Harold Blatand, mais conhecido como Harold Bluetooth ou Harold Dente Azul, que unificou a Noruega e Dinamarca e controlou ambas até a morte.

6. Objetivo • Prover comunicação sem fio entre pequenos dispositivos móveis através de enlaces de rádio; • Mercado alvo: laptop, PDAs, pagers, telefones, computadores e outros dispositivos. • Substituir cabos na comunicação entre periféricos. • Mobilidade, substituição de cabos.

7. Objetivo

8. Bluetooth • Dispositivos Bluetooth operam na faixa de frequência de ISM (Industrial, Scientific, Medical) centrada em 2.4 Ghz. • Faixa aberta e livre de tributação. • A transmissão de dados ocorre a uma taxa de 1Mbps. • Cobertura pequena, tipicamente 10 metros.

9. Desafios • Suporte para voz e dados; • Capacidade para estabelecer conexões ad hoc; • Provimento de segurança comparável a da rede cabeada; • Consumo de energia compatível; • Encorajar o desenvolvimento de aplicações

10. Redes no Bluetooth • Os dispositivos Bluetooth se comunicam entre si e formam uma rede denominada piconet. • Uma piconet é formada por até 8 dispositivos, sendo 1 mestre e os demais escravos. Todos os dispositivos estão sincronizados ao relógio e sequência de salto de frequência (frequency hopping) do mestre. • Cada piconet utiliza um canal de comunicação • Conexão ponto-a-ponto e ponto-a-multiponto • Scatternet

11. Redes no Bluetooth • Conexão Ponto-a-ponto • Conexão ponto a Multiponto • Scatternet

12. Piconet

13. Scatternet

14. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth no escritório • Você chega no escritório • e coloca sua pasta na • mesa, perto do seu • computador pessoal(PC) • Enquanto isso, seu PDA • “sincroniza” automaticamente • as atividades • executadas no assistente • com seu PC e transfere • arquivos, e-mails e • outras informações

15. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth em casa • Ao chegar em casa, a • porta é automaticamente • aberta, as luzes são • acesas, o aquecimento ou • o ar condicionado ligado, • a música começa a tocar • – tudo de acordo com as • preferências previamente • definidas

16. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth na viagem • Você chega ao aeroporto • e existe uma longa fila • para fazer o “check-in” • Usando o seu PDA, você • apresenta um “bilhete • eletrônico” e • automaticamente • seleciona o assento

17. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth na viagem • A sala de embarque possui • interfaces Internet via bluetooth • Você e outros passageiros • usam dispositivos • portáteis, como laptops, • PDAs, celulares com • Bluetooth, para acessar o • escritório, etc, através do • servidor da empresa ou • para fazer chamadas telefônicas • (VoIPoBluetooth)

18. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth na viagem • Você entra num ônibus da • empresa de aluguel de • carros que o deixa perto • do carro com interface • Bluetooth que vai dirigir • Já no carro, o seu PDA • contacta o hotel para • saber sobre a reserva e • um sistema de navegação • passa a informar a rota a • ser seguida para o hotel

19. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth na viagem • Ao chegar no hotel, o • “check-in” é feito automaticamente • Você recebe no seu PDA • o número do quarto e a • chave eletrônica • Ao chegar perto do • quarto, a porta é aberta • automaticamente

20. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth em negócios • Você vai a uma feira e • informa as suas • preferências sobre • informações de produtos • que deseja receber • À medida que você • anda, o seu PDA detecta • expositores e outras • pessoas com interesses • semelhantes

21. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth no carro • Ao entrar no carro, você • é lembrado das • atividades na sua • agenda, e de outras • informações específicas • como resultados de • jogos, quotações, etc

22. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth no carro • Você está dirigindo e • recebe uma mensagem • que é transmitida • verbalmente para o • sistema de som do carro • Imediatamente você • gera uma resposta para • essa mensagem

23. Aplicações com Bluetooth • Bluetooth em ambientes sociais • Você vai a um bar e • recebe um dispositivo • Bluetooth • Usando esse dispositivo • você pode se comunicar • com outras pessoas, • pedir bebidas, tiragostos, • pratos, pagar a • conta, participar de • jogos, etc

24. Especificação Bluetooth • A especificação está dividida em em dois grupos: • Core especification – descrve os detalhes das várias camadas da arquitetura de protocolos do Bluetooth; • Profile especifications – preocupa-se com o uso da tecnologia do Bluetooth para dar suporte a várias aplicações. A porposta é definir padrões de interoperabilidade.

25. Arquitetura Figura 01 – Arquitetura Bluetooth

26. Arquitetura • Rádio  lida com a transmissão de dados via RF e sua modulação. • Baseband  descreve a especificação do Controlador de Enlace do Bluetooth (LC), sendo responsável pelo protocolo de controle e por várias rotinas de enlace de baixo nível. • LMP corresponde ao Protocolo de Gerenciamento de Enlace (Link Manager Protocol), utilizado na configuração e controle dos mesmos. • HCI representa a Interface de Controle do Host (Host controller Interface), provendo às camadas superiores uma interface padrão de acesso ao Controlador e ao Gerenciador de Enlace.

27. Arquitetura • L2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol realiza a segmentação e montagem de pacotes, a multiplexação e demultiplexação dos mesmos, e lida ainda com os requisitos de qualidade de seviço. • RFCOMM emula uma porta serial convencional, permitindo que dispositivos já existentes possam ser facilmente incorporados ao sistema. • SDP (Service Discovery Protocol)  permite que sejam descobertos quais os serviços disponíveis nos dispositivos Bluetooth, e quais as suas características. • Os demais elementos representam os diversos tipos de perfis definidos na especificação.

28. Rádio Define três classes de transmissão baseadas em potência de transmissão: • Classe 1: 1 a 100mW • Classe 2: 0,25 a 2,5 mW • Classe 3: baixa potência. Transmissão nominal é 1mW

29. Banda Base • Corresponde em termos de camadas do modelo OSI, às camadas física e de enlace. • Ela lida com o controle dos canais físicos e lógicos, do acesso ao meio, e de serviços como detecção e correção de erros, entre outros.

30. Banda Base O Bluetooth usa a técnica de salta em frequência (frequency hopping - FH) para: • Evitar interferências externas; • Fornecer uma forma de acesso múltiplo entre dispositivos em diferentes piconets.

31. Banda Base Como FH trabalha: • A largura total da banda é dividida em 79 canais físicos • Cada canal possui uma largura de banda de 1MHz • FH ocorre pelo salto de um canal físico para o outro em uma sequência semi-aleatória. • A mesma sequência de saltos é compartilhada por todos os dispositivos sobre uma única piconet; • A taxa de saltos é de 1600 saltos por segundo (1600h/s), de modo que cada canal físico é ocupado por uma duração de 0,625µs; • O intervalo de duração de cada canal físico é chamado de slot, e são numerados sequencialmente

32. Banda Base A comunicação por rádio do Bluetooh usa a técnica Time Division Duplex (TDD). TDD: A transmissão ou recepção de dados é feita em uma única direção no tempo, com a alternância entre as duas direções, usando a mesma freqüência.

33. Banda Base A técnica de acesso é TDMA A modularização da freqüência não é necessária,isto é, o receptor pode ficar na mesma freqüência o tempo todo. O acesso a uma piconet é caracterizado por  FH-TDD-TDMA

34. Banda Base Figura 02 – FH/TDD k – número do slot f(k) – canal físico

35. Banda Base Obsevação: Embora, diferentes piconets em uma mesma área tenham diferentes Mestres, onde usarão diferentes sequencias de saltos, eventualmente diferentes canais físicos, ocasionalmente, duas piconets usarão o mesmo canal físico durante o mesmo slot de tempo, causando uma colisão e perda de dados. Para resolver tal problema usa-se Code Division Multiple Access (CDMA)

36. Banda Base(Links Físicos) A especificação Bluetooth define dois tipos de links entre as unidades mestre e escrava: • SCO (Synchronous Connection-Oriented) • ACL (Asynchronous Connectionless)

37. Banda Base(Links Físicos)  SCO (Synchronous Connection-Oriented) • conexão ponto-a-ponto; • reserva de slots (um par consecutivo, um em cada direção de transmissão); • sem retransmissão de pacotes; • o mestre suporta até três SCO simultâneos com um único escravo ou com escravos distintos; • Um escravo pode comportar 3 links SCO, com o mesmo mestre, ou apenas 2, caso dois mestre estejam envolvidos; • exemplo de uso: transmissão de voz

38. Banda Base(Links Físicos) • SCO (Synchronous Connection-Oriented): Estabelecimento do enlace • o mestre envia uma mensagem de setup por intermédio do protocolo LMP, contendo os elementos que seguem, os quais definem o slot inicial de transmissão: a) o tamanho do intervalo de transmissão (TSCO); b) um flag, indica o método de calculo para o slot inicial de transmissão, de forma a evitar erros devido ao problema da virada do relógio; c) um offset, denomidado (DSCO)

39. Banda Base(Links Físicos)  ACL (Asynchronous Connectionless) • conexão ponto-a-multiponto; • sem reserva de slots; • Entre o mestre e o escravo existe apenas um único enlace ACL; • Aplica-se detecção de erros e retransmissão de pacotes; • ACL troca de pacotes • Um escravo pode enviar um pacote ACL apenas após ter sido endereçado no pacote ACL anterior pelo mestre • Caso o ACL não seja endereçado a nenhum escravo em particular, ele é considerado pacote de broadcast

40. Banda Base(Pacotes) Figura 03 – Formato geral do pacote Bluetooth

41. Banda Base(Pacotes) • Access Code – usado para sincronização das unidades da piconet, a compensação do componente DC, e a identificação da piconet ou do dispositivo endereçado; • Header – usado para identificar o tipo de pacote e a informação de controle do protocolo de transmissão; • Payload – O conteúdo do campo de payload depende do tipo de pacote enviado; de forma geral, quando o pacote em questão não é de controle, este campo pode ser composto por um campo de voz, um campo de dados, ou ambos.

42. Banda Base(Pacotes) • Access Code • PREAMBULO - composto por uma seqüência fixa de 0's e 1's, utilizada para a compensação DC. • SYNC WORD - é composto por um código derivado da parte baixa do endereço do dispositivo, denominada LAP, de Lower Address Part. • TARILER – quando o código de acesso é seguido por um cabeçalho (header), o campo de trailer, formado por 0's e 1's alternados, é enviado, visando melhorar ainda mais a compensação DC. Figura 04 – formato do código de acesso

43. Banda Base(Pacotes) • Access Code: tipos de código de acesso • CAC (Channel Access Code) - Identifica a piconet de forma única, sendo incluído em todo os pacotes transmitidos através do canal. • DAC (Device Access Code) - utilizado para o procedimento de paging • IAC (Inquiry Access Code)- tilizado quando o master deseja descobrir quais dispositivos Bluetooth estão presentes em seu raio de ação. Esta interrogação pode ser geral (GIAC, de General Inquiry Access Code), ou dedicada (DIAC, de Dedicated Inquiry Access Code).

44. Banda Base(Pacotes) • Header Figura 05 – Formato do cabeçalho

45. Banda Base(Pacotes) • Header • AM_ADDR (3 bits): Endereço do membro ativo. Constitui-se de uma rótulo de 3 bits único para cada escravo ativo na piconet. O rótulo 0 é utilizado para mensagens de broadcast. Todo pacote trocado entre o mestre e um escravo contém o AM_ADDR do escravo em questão. • TYPE (4 bits): Tipo do pacote. São definidos ao todo 16 tipos de pacote, sendo que a interpretação do seu significado depende do tipo de link físico utilizado (SCO ou ACL). • FLOW (1 bit): Utilizado para controle fluxo no caso de pacotes ACL. O valor 0 (STOP) indica que a transmissão deve ser interrompida temporariamente, enquanto que o valor 1 (GO) indica que a transmissão pode prosseguir.

46. Banda Base(Pacotes) • Header • ARQN (1 bit): Indica sucesso (ARQN = 1, ACK) ou falha (ARQN = 0, NAK) no envio de um pacote ACL de informação com CRC. O não recebimento de um ACK faz com que seja assumida falha no envio do pacote. • SEQN (1 bit): Determina a seqüência de um pacote de informação com CRC, de forma que o receptor possa identificar retransmissões de pacote devido à perda do ACK (método do bit alternante). • HEC (8 bits): Este campo, acrônimo de Head Error Check, ou Verificador de Erro de Cabeçalho, permite a verificação da integridade do cabeçalho enviado.

47. Banda Base(Tipos de Pacotes)  Existem três grupos distintos: • Os pacotes comuns a ambos os tipos de enlace; • Os pacotes específicos de enlace SCO; • Os pacotes específicos de enlace ACL

48. Banda Base(Tipos de Pacotes) Os pacotes comuns a ambos os tipos de enlace: • ID - Pacote de identidade, utilizado nas rotinas de interrogação, resposta, e paging. Contém apenas o código de acesso, que pode ser do tipo DAC ou IAC. • NULL - Pacote nulo. Utilizado para reportar o sucesso de uma transmissão prévia (ARQN), ou o estado do buffer de recepção (FLOW). É utilizado quando não há dados a serem transmitidos, sendo constituído apenas pelo CAC e pelo cabeçalho do pacote. • POLL - Pacote de polling. Utilizado para verificar se existe algo a ser transmitido. Ao receber um pacote deste tipo, o escravo deve obrigatoriamente responder a ele, mesmo que não haja nada a ser transmitido. Este pacote é constituído pelo CAC e pelo cabeçalho, somente. • FHS - Pacote de controle especial, utilizado, entre outras coisas, para responder a pacotes de interrogação e de paging, informar o endereço do mestre, e fornecer o AM_ADDR dos escravos. No caso, o payload do pacote é subdividido em diversos campos menores. Este tipo de pacote ocupa apenas um slot de tempo.

49. Banda Base(Tipos de Pacotes) Os pacotes específicos de enlace SCO • HV1 - Carrega 10 bytes de informação enviados com FEC 1/3, ocupando 240 bits. Estes pacotes devem ser enviados a cada 2 slots tempo (TSCO = 2). • HV2 - Carrega 20 bytes de informação enviados com FEC 2/3, ocupando 240 bits. Pacotes deste tipo devem ser enviados a cada 4 slots de tempo (TSCO = 4). • HV3 - Carrega 30 bytes de informação, sem FEC. Pacotes deste tipo devem ser enviados a cada 6 slots de tempo (TSCO = 6). • DV - Este tipo de pacote permite o envio conjunto de voz e data. O payload é dividido em 10 bytes de voz (sem FEC) e 150 bits de dados (com CRC) codificado com FEC 2/3.

50. Banda Base(Tipos de Pacotes) Os pacotes específicos de enlace ACL • DM1 - Pacote contendo apenas dados. Pode conter até 18 bytes de informação (incluindo o cabeçalho do payload) e 16 bits de CRC, codificados com FEC 2/3. Este tipo de pacote pode ocupar, no máximo, 1 slot de tempo. • DH1 - Similar ao DM1, só que sem o FEC. Pode conter até 28 bytes de informação. Também só pode ocupar 1 único slot de tempo. • DM3 - Similar ao pacote DM1, só que maior. Pode conter até 123 bytes de informação (incluindo-se 2 bytes de cabeçalho), mais 16 bits de CRC, sendo codificado com FEC 2/3. Este tipo de pacote pode ocupar até 3 slots de tempo. • DH3 - Similar ao DM3, só que sem o FEC. Pode conter até 185 bytes de informação, ocupando, no máximo, 3 slots de tempo.