Bluetooth - Ivan Bernalclusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/AbrilAgosto06/... · • El nombre...

Iván Bernal, [email protected]://ie205.epn.edu.ec/ibernalhttp://ie205.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Copyright @2005, I. Bernal

Escuela PolitEscuela Politéécnica Nacionalcnica NacionalQuito – Ecuador

Bluetooth

IvIváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D.Diciembre 05Diciembre 05 22

AgendaAgenda

• Arquitectura Protocolos de core

Perfiles

• Especificación de Radio

• Especificación del Baseband

• Especificación del Administrador del Enlace

• Control del Enlace Lógico y Protocolo de Adaptación

• Protocolo de “Descubrimiento de Servicios”


• W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, 2005.

• N. Muller, “Tecnología Bluetooth”, McGraw-Hill, Traducción, 2002.

• Artículos:Pravin Bhagwat, “Bluetooth: Technology for Short-Range Wireless Apps”, May-June 2001. IEEE Internet Computing (http://computer.org/Internet)

BibliografíaBibliografBibliografííaa


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Muchas personas portan ya un celular, un PDA, un laptop.

• En la mayoría de los casos:Los dispositivos no tienen interfaces de comunicaciones da datos comunes.

Si los tienen, las interfaces requieren conexiones de cables muy incómodas y procedimientos de configuración.

• Una solución obvia es la de deshacerse de los cables y utilizar enlaces inalámbricos de corto alcance para facilitar la conectividad entre los dispositivos y bajo demanda.

• La solución debería también ser barata, permitir el uso desarrollo de novedosas aplicaciones y aceptada universalmente por los vendedores de los dispositivos.


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Desarrollado inicialmente por la empresa Sueca Ericsson (1994).

Hacer llamadas por un teléfono móvil desde un laptop.

• Estándares publicados por un consorcio de la industria.Bluetooth SIG (Special Interest Group).

• IEEE 802.15 se ocupa de WPANs.IEEE 802.15.1 cubre Bluetooth mas otros estándares adicionales (802.15.3 y 802.15.4).

IEEE 802.15.1 fue publicado en Junio de 2002.


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Características

Corto alcance (< 10m)

Siempre activa (always on)

Bajo consumo de potenciaYa que debe integrarse en equipos que son alimentados por baterías.

Potencia del transmisor:

1mW para 10 metros.

100mW para 100 metros.

Universal

Usa banda de 2.4 GHz (Banda ISM)Usa FHSS, se definen 80 canales (USA), espaciados 1 Mhz.

Transferencia de datos, audio, gráficos y aún video

Alcanza 720 kbps (bajo esquema asimétrico)


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• El nombre Bluetooth significa en español “diente azul” y procede del apodo que

tenía el Rey Harald Blaatand II, un legendario guerrero danés del siglo X.A diferencia de los vikingos comunes, tenía el cabello negro, de ahí el nombre Bluetooth(complexión obscura).

Unió a Dinamarca con Noruega.

• Las comunicaciones de Bluetooth se llevan a cabo mediante el modelo

maestro/esclavo. Un terminal maestro puede comunicarse hasta con siete esclavos simultáneamente.

No obstante, el maestro siempre puede suspender las comunicaciones con un esclavo.Mediante la técnica parking y activar la comunicación con un nuevo dispositivo esclavo.

Un maestro puede establecer comunicación con un máximo de 256 esclavos.

Sólo siete pueden permanecer activos simultáneamente.

Al conjunto maestro/esclavos se le llama piconet.

Un dispositivo puede ser a la vez maestro de un piconet y esclavo de otro piconet. El conjunto resultante se conoce como scatternet.


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Especificaciones desarrolladas por el Bluetooth SIG

Febrero 1998: se forma el Bluetooth SIGEricsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba

Mayo 1998: se da a conocer el Bluetooth SIG

Julio 1999: se publica la especificación 1.0A (>1,500 páginas)

Diciembre 1999: se publica la versión 1.0B

Diciembre 1999: el grupo promotor se incrementa a 9 empresas.3Com, Lucent, Microsoft, Motorola

Febrero 2000: más de 1,500 empresas interesadasGran aceptación

Rápido crecimiento

Marzo de 2001: se publica la Versión 1.1


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Especificaciones desarrolladas por el Bluetooth SIG

Noviembre de 2004: Bluetooth Versión 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate)Se espera que productos con EDR estén disponibles para fines del 2005.

Ofrece velocidades de hasta 3 Mbps, con el consumo de potencia reducido casi a la mitad.

• Actualmente se continua trabajando en: Reducir el consumo de potencia.

Mejorar aspectos de seguridad.

Calidad de servicio para facilitar el uso de múltiples aplicaciones.


Ejemplos de escenarios de usoEjemplos de escenarios de usoEjemplos de escenarios de uso• Hacer llamadas desde un headset inalámbrico conectado

(remotamente) a un teléfono celular.

• Eliminar cables para conectar una computadora a impresoras, teclado, ratón, etc.

• Enlazar reproductores MP3 inalámbricamente a otras máquinas para descargar música.

• Establecer redes en el hogar para controlar remotamente el aire acondicionado, el horno, etc.

• Llamar a casa remotamente para encender y apagar dispositivos, activar la alarma y actividades de monitoreo.


Áreas de AplicaciónÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióónn• Puntos de acceso a servicios de Voz y Datos

Facilita transmisión en tiempo real de voz y datos permitiendo fácil conexión entre dispositivos portátiles y estacionarios.

• Reemplazo de los cablesElimina la necesidad de numerosos cables (muchos propietarios).

Las conexiones son “instantáneas”.

No se requiere línea de vista.

El alcance se puede extender a 100 m con amplificadores opcionales.

• Se pueden configurar Redes ad hocSin infraestructura alámbrica.

Consiste de un conjunto de nodos móviles que se auto organizan.

Dos dispositivos equipados con Bluetooth tan pronto como están al alcance entre sí.


Áreas de AplicaciónÁÁreas de reas de

AplicaciAplicacióónn


Áreas de AplicaciónÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióónn• Espejo retrovisor para automóvil que incorpora funciones

avanzadas de manos libres Bluetooth.

• Este kit dispone de todas las ventajas del uso inalámbrico de un teléfono móvil.

Muestra información necesaria para el usuario directamente en la superficie del espejo, así como mediante anuncios vocales.

El fabricante argumenta que:“El adecuado emplazamiento del equipo, que se coloca como un espejo retrovisor, mejora sensiblemente la seguridad al volante, ya que la perfecta integración con el conjunto en el interior del vehículo hacen de este equipo una alternativa práctica y discreta para la instalación de un sistema manos libres Bluetooth”.

• 137 euros (septiembre de 2005)


Áreas de AplicaciónÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióónn


Documentos del EstándarDocumentos del EstDocumentos del Estáándarndar• Se dividen en:

Especificaciones Principales (core)

Especificaciones de Perfiles (profiles)

• Especificaciones Principales (core)Se describen detalles para las diferentes capas de la arquitectura de protocolos de Bluetooth.

Desde la interfaz de radio hasta control del enlace (ver stack de protocolos).

Otros tópicos relacionados cubiertos por las especificaciones core.

Interoperabilidad con tecnologías relacionadas.

Requerimientos para pruebas.

Definición del significado de varios temporizadores y sus valores.


Documentos del EstándarDocumentos del EstDocumentos del Estáándarndar• Especificaciones de perfiles (profiles)

Tratan con el uso de la tecnología Bluetooth para dar soporte a varias aplicaciones.

Cada especificación de un perfil discute como usar las tecnologías definidas en las especificaciones core para implementar algún modelo particular de uso.

Indica cuales aspectos del core son mandatorios, cuales opcionales y cuales no son aplicables.

Se pretende fomentar interoperabilidad, de tal forma que productos de diferentes fabricantes que argumentan soportan un modelo de uso puedan trabajar juntos.

En términos generales se enmarcan en dos categorías:Perfiles de Reemplazo de Cables

Provee medios para conectar lógicamente dispositivos cuando se encuentran en la proximidad uno del otro, para luego intercambiar datos.

Para intercambiar datos.

Cuando dos dispositivos están próximos por primera vez, automáticamente se consultan entre si para obtener un perfil común.

Luego se puede alertar a los usuarios o realizar algún intercambio automático de información.

Perfiles de Audio Inalámbrico

Para establecer conexiones de voz de corto alcance.


Arquitectura de ProtocolosArquitectura de ProtocolosArquitectura de Protocolos• Arquitectura de protocolos organizados en capas

Protocolos de coreForman un stack de 5 capas.

Protocolos de Reemplazo de Cables

Protocolos de Control de Telefonía

Protocolos Adoptados


Arquitectura de ProtocolosArquitectura de ProtocolosArquitectura de Protocolos


Arquitectura de ProtocolosArquitectura de ProtocolosArquitectura de Protocolos• Bluetooth es único en ofrecer la parte de procesamiento RF

integrado con el módulo de banda base.La integración en un solo chip reduce los costos de la interfaz de red.

Un chip Bluetooth puede estar conectado a sus procesador HOST usando USB, UART o interfaces de tarjetas para PCs.

• Además de las capas de protocolos, la especificación también

define un Interfaz entre el Controlador y el Host. HCI (Host Controller Interface)

Se define un método estándar para comunicarse con el chip Bluetooth.

El stack de software del procesador host se comunica con el hardware Bluetoothutilizando comandos HCI.

Se envían órdenes al controlador banda base y al administrador de enlace, yproporciona acceso al estado del hardware y a los registros de control.


Arquitectura de ProtocolosArquitectura de ProtocolosArquitectura de Protocolos• HCI ( Host Controller Interface)

HCI es parte del stack Bluetooth pero no constituye una capa de comunicación entre pares.En la Figura anterior y en la presente, el HCI se sitúa debajo de L2CAP pero esa posición no es obligatoria, ya que el HCI puede situarse encima de L2CAP, si ésta se implementa en hardware.

• A continuación se mencionan brevemente algunas características de las distintas capas. Posteriormente se analizan con mayor detalle las especificaciones de core.


Protocolos de coreProtocolos de Protocolos de corecore• Radio

Especifica detalles del interfaz de aire, como:Bandas de Frecuencia y arreglo de canales

Saltos de Frecuencia (FH)

Se especifica que se debe usar FH.

Esquema de modulación

Niveles de Potencia de Transmisión permisibles

• BasebandEstablecimiento de las conexiones en una piconet.

Descubrimiento de dispositivos

Direccionamiento

Formato del paquete

Temporización

Control de potencia

Comunicaciones síncronas y asíncronas entre pares.


Protocolos de coreProtocolos de Protocolos de corecore• Link Manager Protocol (LMP)

Responsable del establecimiento del enlace entre dispositivos Bluetooth y administración del enlace establecido.

Sirve para especificar y gestionar el establecimiento y el cierre de la conexión, con todos los pasos y procesos que ello implica (intercambio de mensajes de control)Gestión del consumo de energía.Aspectos de seguridad (autenticación y encripción).Gestión de los enlaces síncronos y asíncronos.Incluye control y negociación del tamaño de los paquetes de banda base.

La entidad funcional responsable de ejecutar el procesamiento asociado con LMP se denomina link manager.

• Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)Adapta los protocolos de la capa superior a la capa de banda base.

Encargada, en las situaciones que lo necesiten, de la segmentación y reensamblado de paquetes de gran tamaño.Provee servicios sin conexión y orientados a conexión.Usualmente L”CAP y las capas superiores se implementan en software.


Protocolos de coreProtocolos de Protocolos de corecore• Service Discovery Protocol (SDP)

Permite a cualquier dispositivo Bluetooth preguntar a otros dispositivos que se encuentren dentro de su alcance:

Información referente a los dispositivos

Descubrimiento de Servicios

Características de los servicios (parámetros/atributos)

Esto permite establecer las conexiones entre dos o mas dispositivos.

El diseño de SDP ha sido optimizado para Bluetooth y define solo los mecanismos de descubrimiento.

Los métodos para acceder a los servicios esta fuera del alcance de la especificación.

Esta capa sirve como interfaz para aplicaciones como las videoconferencias, y también para actuar sobre dispositivos como faxes o impresoras.


Protocolos de coreProtocolos de Protocolos de corecore• El stack de protocolos Bluetooth difiere del modelo clásico de redes

de siete capas. Las diferencias son para:Soportar conectividad ad hoc entre los participantes,

Al mismo tiempo se conserva energía y se utilizan dispositivos que carecen de recursos para soportar todas las capas del stack clásico.

• La capa baseband contempla las capas física (PHY) y de control de

acceso al medio (MAC).

• L2CAP puede visualizarse como la capa “Enlace de datos” de

Bluetooth.


Protocolos de coreProtocolos de Protocolos de corecore


Protocolos de Reemplazo de CablesProtocolos de Reemplazo de CablesProtocolos de Reemplazo de Cables• RFCOMM

Presenta un puerto serial virtual.

Diseñado para que el reemplazo de tecnologías de cable sea tan transparente como sea posible.

La comunicación usando el puerto serial es muy común.

Emula las señales del cable de conexión EIA-232 sobre la capa Baseband.EIA-232 se conocía como RS-232 es una interfaz ampliamente usada.

Se provee solo para compatibilidad hacia atrás.Se soportan aplicaciones legadas (legacy apps) que utilizan el puerto serial.


Protocolos de Control de TelefoníaProtocolos de Control de TelefonProtocolos de Control de Telefonííaa• TCS – BIN (Telephone Control Specification – Binary)

Especificado por Bluetooth.Cordless Telephony Protocol

Protocolo orientado a bit.

Define la señalización para control de llamadas.Para establecer llamadas de voz y datos entre dispositivos Bluetooth.

Define procedimientos de administración de movilidad para manejar grupos de dispositivos TCS.


Protocolos AdoptadosProtocolos AdoptadosProtocolos Adoptados• Definidos por especificaciones publicadas por otras organizaciones

e incorporadas en la Arquitectura Bluetooth.

• La estrategia de Bluetooth es desarrollar solo los protocolos necesarios y utilizar estándares existentes cuando sea posible.

• PPPPoint-to-Point Protocol.

Para transmitir datagramas IP por un enlace punto – punto.

Espera una interfaz de línea serial de la capa inferior.

Métodos mas eficientes para soportar IP sobre Bluetooth están bajo desarrollo.

• TCP/UDP/IPProtocolos del stack TCP/IP.


Protocolos AdoptadosProtocolos AdoptadosProtocolos Adoptados• OBEX

Object Exchange Protocol

Protocolo a nivel de sesión.

Desarrollado por IrDA (Infrared Data Association) para el intercambio de objetos.

Provee funcionalidad similar a HTTP pero de forma mas simple.

También provee un modelo para representar objetos y operaciones.

Ejemplos de formatos de contenido transferidos por OBEX:vCard

Formato de una tarjeta electrónica de negocios.

vCalendar

Formato para las entradas de un calendario personal.

Formato para Información de Planificación (scheduling).


Protocolos AdoptadosProtocolos AdoptadosProtocolos Adoptados• WAE/WAP

Wireless Application ProtocolEstándar abierto para proveer a los usuarios móviles de terminales inalámbricos (teléfonos, PDAs, pagers, etc.) acceso a telefonía y servicios de información.

Se basa en estándares existentes para el Internet.

IP, XML, HTML, y HTTP.

Incluye facilidades de seguridad.

Se consideran limitaciones de los equipos y las redes que los conectan.





Wireless Application Protocol



Wireless Application EnvironmentEspecifica un framework para el desarrollo de aplicaciones para dispositivos inalámbricos.

Consiste de una serie de herramientas y formatos cuya intención es la de facilitar la tarea de desarrollar aplicaciones soportadas por WAP.

WAE User agents – software que se ejecuta en los dispositivos inalámbricos y que proveen una funcionalidad específica (ejemplo: presentar o desplegar contenido).

Content generators – aplicaciones que producen que producen contenido en respuesta a pedidos de los agentes (ejemplo: scripts CGI en los servidores)

Standard content encoding – definido para permitir que un WAE user agentnavegue contenido Web.

Wireless telephony applications (WTA) – colección de extensiones específicas para telefonía, para mecanismos de control de llamadas y otras características (ejemplo: Usando un microbrowser se pueden originar llamadas).




Perfiles y modelos de usoPerfiles y modelos de usoPerfiles y modelos de uso• Cada dispositivo soporta uno o mas perfiles.

• Un modelo de uso es un conjunto de protocolos que implementan una aplicación particular basada en Bluetooth.

Algunos modelos están definidos en los perfiles de Bluetooth.

Cada perfil define los protocolos y las caractercaracteríísticas particularessticas particulares de estos protocolos que son útiles para soportar un modelo de uso.


Perfiles y modelos de usoPerfiles y modelos de usoPerfiles y modelos de uso


Perfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de Uso• La autoridad de Certificación Bluetooth utiliza los perfiles para

probar y certificar cumplimiento para permitir el uso del logo.

• Transferencia de archivosSoporta la transferencia de directorios, archivos, documentos, imágenes, y formatos de streaming.

Soporta la exploración de directorios en el dispositivo remoto.


Perfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de Uso• Internet Bridge

Un PC está conectado inalámbricamente a un teléfono móvil o módem inalámbrico para:

Accesos dial up.

Se usan comandos AT para controlar el teléfono móvil y otro stack de protocolos para la transferencia de datos (PPP sobre RFCOMM).

Servicios de fax.

El software del fax opera directamente sobre RFCOMM.


Perfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de Uso• Acceso a una LAN

Dispositivos en una piconet acceden a una LAN.

Una vez conectado el dispositivo opera como si estuviera conectado con un cable.

• SincronizaciónPara sincronizar de dispositivo a dispositivo Información tipo PIM (Personal Information Management).

Directorio de teléfonos

Calendarios

Mensajes

IrMC (Ir Mobile Communications)Protocolo IrDA para transferir información PIM usando el modelo cliente/servidor.


Perfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de UsoPerfiles y Modelos de Uso• Teléfono tres en uno

Se implementa en teléfonos inalámbricos y actúan como:

Teléfonos cordless que se conectan con una estación base (en casa).

Como intercomunicadores para conectarse con otros teléfonos (en la oficina).

Como un teléfono celular (en movimiento).

• HeadsetActúa como la entrada de audio de un dispositivo remoto, y como la interfaz de salida de un dispositivo remoto.


Piconets y scatternetsPiconets y Piconets y scatternetsscatternets• Master

Un master y hasta 7 dispositivos esclavos activos forman una piconet.

El master selecciona:El canal (secuencia de saltos de frecuencia).La fase (offset de temporización, cuando transmitir).

El master realiza la selección usando su propia dirección de dispositivo como parámetro.

Los esclavos deben sintonizarse al mismo canal y fase.Se usa operaciones matemáticas complejas (incluyendo permutaciones y XOR) para generar la secuencia de salto pseudoaleatoria.

• EsclavosPueden comunicarse solo con el master y solo cuando el master lo autoriza.


Piconets y scatternetsPiconets y Piconets y scatternetsscatternets• Múltiples Roles

Un dispositivo en una piconet puede existir como parte de otra piconet.

Puede funcionar o bien como master o bien como esclavo en cada piconet.

Un esclavo puede ser esclavo en otras piconets, o master en otra piconet.

Un master solo puede ser esclavo en otra piconet.

Una estación solo puede estar activa en una piconet a la vez.

Esta forma de sobrelapamiento se denomina scatternet.

• En las figuras se compara las scatternets con otras redes inalámbricas.


Piconets y scatternetsPiconets y Piconets y scatternetsscatternets• Los “nodos puente” entre dos piconets, participa en cada piconet

considerando una compartición temporal.Luego de permanecer en una piconet por cierto tiempo, el puente participa en otra cambiando su secuencia de salto.

De forma explícita se señala que un nodo puente puede ser:Un esclavo en ambas piconets.Ser esclavo en una y master en otra.

• Ejemplo:Una habitación llena de personas, cada persona tiene un celular y un headsetinalámbrico.

Cuando los usuarios hablan en sus headsets, solo el celular complementario al headset debería captar la señal (un headset y un celular forman una piconet).Si los usuarios desean enviar mensajes de texto entre los celulares, se hará solo si las piconets están interconectadas para formar una scatternet.


Piconets y scatternetsPiconets y Piconets y scatternetsscatternets• Ventaja porque se permite que muchos dispositivos compartan la misma área

física y hagan uso eficiente del ancho de banda.Se usa FH

Espaciamiento entre portadoras de 1MHZ.Típicamente se usan hasta 80 frecuencias para un total de 80 MHz.En un momento dado, el ancho de banda disponible es 1 MHz.

Un máximo de 8 dispositivos comparten el ancho de banda.

Se define un canal lógico con la secuencia de saltos.Canales lógicos diferentes (secuencias de salto diferentes) pueden compartir simultáneamente los 80 MHz de ancho de banda.

Las colisiones se producen cuando dispositivos en piconets diferentes, en diferentes canales lógicos, usan la misma frecuencia (de salto) al mismo tiempo.

Mientras mayor es el número de piconets en el área, mayor es el número de colisiones, y se degrada el performance de cada piconet.

• ResumenEl área física y el ancho de banda total son compartidos por el scatternet.El canal lógico y la transferencia de datos son compartidos por una piconet.


Especificación de RadioEspecificaciEspecificacióón de Radion de Radio• Es un documento corto.

• Clases de transmisores en base a la potencia de salida.El control de potencia no permite que se emita mas potencia de la necesaria.

El algoritmo de control de potencia se implementa usando el protocolo de “link management” entre el master y los esclavos de la piconet.

Clase 1:(1mw , 100mW para alcance máximo de 100 m).

Control de potencia es mandatorio.

El alcance que se obtiene es el máximo.

Clase 2(0.25 mW, 2.4 mW) para 10m

Control de potencia es opcional.

Clase 3Potencia mas baja.

Nominal es 1mW (para 10 cm).


Especificación de RadioEspecificaciEspecificacióón de Radion de Radio

• La modulación es GFSK.1 representado por una desviación de frecuencia positiva de la f central.

0 representado por una desviación de frecuencia negativa de la f central.

La desviación mínima es 115 KHz.

• Se podría utilizar una técnica de modulación mas compleja para

obtener mayores ritmos de transmisión, pero GFSK mantiene el diseño de radio simple y de bajo costo.


Especificación de RadioEspecificaciEspecificacióón de Radion de Radio


Especificación de RadioEspecificaciEspecificacióón de Radion de Radio• La parte de radio es generalmente la mas costosa de un interfaz de

red inalámbrico.En un receptor de radio típico, los filtros RF, osciladores ,etc., procesan señales de entrada a altas frecuencias.

Esos circuitos requieren costosos materiales.

• En Bluetooth se recomienda desplazar la señal de entrada a una

frecuencia intermedia mas baja (IF, de alrededor de 3 MHz).Se puede construir filtros de baja potencia en los chips (on-chip), utilizando CMOS.

Sin embargo aparecen nuevos problemas:Se reduce la sensibilidad del receptor.

Se recomienda para Bluetooth: -70dBm o mejor.

El número comparable en 802.11 es -90 dBm.

Para la misma potencia de transmisión, el rango de Bluetooth es mas corto.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Uno de los documentos mas complejos.

• Saltos de frecuenciaProvee resistencia a interferencia y efectos multipath.

Provee una forma de acceso múltiple entre dispositivos localizados en una misma área, pero en diferentes piconets.

• Hop rate1600 hops por segundo.

1 segundo/1600 saltos = 0.625ms.

Este periodo se denomina un slot, y se numeran secuencialmente.

Cada canal físico está ocupado 0.625ms.

La secuencia de salto es única para cada piconet y está determinada por la dirección del dispositivo Bluetooth maestro.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• TDD (Time Division Duplex).

Técnica de transmisión en la que se transmite datos en una sola dirección a la vez.

La transmisión se va alternado entre las dos direcciones.

• Los radios Bluetooth usan TDD.Usando TDD se evita crosstalk entre operaciones de transmisión y recepción.

Esto es esencial si se quiere una implementación en un solo chip (IC).

• Como mas de dos dispositivos comparten el medio en la piconet, el método de acceso es TDMA.

• El acceso a la piconet puede caracterizarse como: FH-TDD-TDMA


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Número de slot: k

• Número de canal seleccionado durante el periodo k: f(k)

• La transmisión de un paquete empieza al inicio de un slot.Con TDD, la transmisión y recepción ocurren a diferentes slots, y por lo tanto se usan diferentes frecuencias.

En el grafico se presentan 3 regiones en los paquetes: access code, header, payload.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Se permiten longitudes de paquetes de 1, 3, y 5 slots.

• Para paquetes multislot, el radio permanece en la misma frecuencia hasta que se

acabe la transmisión de todo el paquete.

• En el slot luego del paquete multislot, el radio retorna a la frecuencia requerida por su secuencia de salto.

Entonces dos o cuatro frecuencias de salto han sido omitidas.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Los masters utilizarán diferentes secuencias de salto.

La mayoría de veces, dos dispositivos, en la misma área, en diferentes piconets, estarán en diferentes canales físicos.

Ocasionalmente, dos piconets usarán el mismo canal físico durante el mismo slot de tiempo, causando una colisión y pérdida de datos.

Esto es poco frecuente.

Se combate con FEC y detección/ARQ.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Enlaces Físicos

SCO (Synchronous Connection Oriented)Reserva un ancho de banda fijo para una conexión punto a punto (maestro y un solo esclavo).

Enlace simétrico.Para intercambiar datos con limitaciones de tiempo (restricciones de retardo).

Datos que requieren garantías de la velocidad de transmisión (slots reservados) pero que no requieren garantías de entrega.

El enlace de SCO lleva principalmente información de voz. Los paquetes SCO nunca son retransmitidos por las limitaciones de sensibilidad al tiempo.

El master mantiene el enlace SCO reservando slots a intervalos regulares (un estilo similar a conmutación de circuitos).

La unidad básica de reservación es de dos slots consecutivos, uno en cada dirección.El master envía un mensaje de establecimiento al esclavo, usando el protocolo de gestión de enlace (Link Management), y que contiene los slots reservados.No se permiten paquetes No se permiten paquetes multislotmultislot.



SCO (Synchronous Connection Oriented)El master puede mantener hasta tres enlaces SCO simultáneos al mismo esclavo o a diferentes esclavos.

Un esclavo puede mantener 2 enlaces SCO si los maestros son diferentes, o tres enlaces SCO si son con el mismo maestro.



ACL (Asynchronous Connectionless)Enlace punto – multipunto entre el master y todos los esclavos de la piconet.

El master intercambia paquetes con cualquier esclavo en cada slot.

Se lo hace en slots no reservados para enlaces SCO.

Incluso con esclavos participando en enlaces SCO (no se los excluye).

Solo puede existir un enlace ACLSolo puede existir un enlace ACL.

Se pueden enviar paquetes:

Sin protección (aunque se puede tener ARQ en capas superiores).

Con protección usando FEC.

Se permiten paquetes de 1, 3, y 5 Se permiten paquetes de 1, 3, y 5 slotsslots.

No se reserva ancho de banda, se usan los slots por demanda, y se usa control de errores y retransmisión para garantizar la entrega (tipo conmutación de paquetes).



ACL (Asynchronous Connectionless)A un esclavo se le permite retornar un paquete ACL en el slot “ESCLAVO a MASTER”si y solo si ha sido direccionado en el slot precedente “MASTER a ESCLAVO”.

Método de acceso tipo polling.

Cambiando el tamaño del paquete o realizando el polling mas seguido se puede incrementar el ancho de banda, y el maestro puede garantizar solicitudes de QoS.

La máxima velocidad de transmisión se obtiene con paquetes sin protección, de 5 slots, con asignación de capacidad asimétrica.

721 kbps en una dirección.

57.6 kbps en la otra dirección.

La especificación de baseband no ordena el uso de ningún esquema de asignación de slots.

El fabricante puede utilizar el que mejor se ajuste a su aplicación.





Polling en enlaces ACL:Un esclavo solo puede enviar tras la indicación del master.




Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes

Access Code (Código de acceso)Para sincronización de tiempo.

Útil para los procesos de paging e inquiry.

Inquiry: para el descubrimiento de otros dispositivos.

Paging: para la conexión misma.

Header (Encabezado, cabecera)Identifica el tipo de paquete.

La dirección del esclavo.

Lleva información de control del protocolo.

Numeración de paquetes para la reordenación de paquetes fuera de orden, el control de flujo, y control de errores de la cabecera.

Payload (Carga útil)Si está presente, contiene voz o datos, y en caso de datos un “payload header”.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Access code

Tipos de access code:CAC (Channel Access Code): identifica una piconet.

DAC (Device Access Code): para paging (búsqueda) y las respuestas posteriores.

Serie de mensajes para establecer un enlace con una unidad activa en el área de cobertura.

Cuando la unidad responde se establece el enlace.

IAC (Inquiry Access Code): para consultas o indagaciones (inquiry).

Estructura del access code:Preamble: Valores para compensación del nivel de DC.

(0101) si el LSB (el del extremo izquierdo) de la “sync word” es 0.

(1010) si el LSB (el del extremo izquierdo) de la “sync word” es 1.

Sync Word (Palabra de sincronización)

Trailer (Cola)

(0101) si el MSB (el del extremo derecho) de la “sync word” es 1.

(1010) si el MSB (el del extremo derecho) de la “sync word” es 0.



Sync Word (Para sincronizar el transmisor con el receptor)Un paréntesis para hablar de las direcciones.



Sync Word (Para sincronizar el transmisor con el receptor)A cada dispositivo Bluetooth se le asigna una dirección global única de 48 bits.

LAP (Lower Address Part): 24 LSBs y forman parte del Sync Word

Para un CAC (Channel Access Code) se usa el LAP del master.

Para un DAC (Device Access Code) se usa el LAP de la unidad a la que se le hace el page.

Para un IAC (Inquiry Access Code) se tiene:

GIAC (General IAC) para una consulta general para descubrir los dispositivos que están dentro de rango.

Se usa un valor reservado en LAP.

DIAC (Dedicated IAC) para indagaciones de un grupo dedicado de dispositivos quecomparten una característica común.

Se tiene un valor predefinido de LAP para cada característica.

Siguiendo un proceso algo complicado se deriva el Sync Word a partir de:Una secuencia de Barker de 7-bits

Lower Address Part (LAP)

Pseudonoise (PN) Sequence


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Header

AM_ADDR (Active Member Address)3 bits porque se pueden tener 7 esclavos activos.

Contiene la dirección de “modo activo” de uno de los esclavos.

Dirección temporal asignada a este esclavo en esta piconet.

El valor de 0 está reservada para broadcast desde el master.

Se utiliza tanto en paquetes maestro-esclavo como esclavo-maestro.

TypeLa interpretación depende del tipo de enlace asociado con el paquete (SCO o ACL).

Existen 4 paquetes SCO.

Existen 6 paquetes ACL (7 si se considere uno de los comunes –DM1).

Existen 4 paquetes comunes.

También indica el número de slots que ocupará el paquete actual (1, 3, 5).

Los receptores a los que no va dirigido el paquete saben que no tienen porque escuchar el canal durante el tiempo que duren el resto de slots.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Tipos de Paquetes

Todas las capas superiores usan estos paquetes para componer los PDU nivel superior.

Los paquetes son:ID, NULL, POLL, FHS, DM1, que se definen tanto para enlaces SCO como para enlaces ACL.

DH1, AUX1, DM3, DH3, DM5, DH5 se definen solo para enlaces ACL.

HV1, HV2, HV3, DV (Data and Voice) se definen solo para enlaces SCO.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Tipos de paquetes

Para enlaces SCO, los paquetes HV1, HV2, HV3 llevan 64 kbps, la diferencia es la cantidad de protección contra errores que se provee, lo que determina con que frecuencia se debe enviar un paquete para mantener la tasa de 64 kbps.

Se debe considerar que a 1 Mbps, en 0.625 ms se podrían transmitir 625 bits, sin embargo, un paquete de un solo slot es solo de 366 bits.

Esto reserva suficiente tiempo para permitir que los sintetizadores de frecuencia salten a la siguiente frecuencia y se estabilicen.

Descontando los headers, se tiene 30 bytes para carga útil del usuario.

El codificador de voz entrega 10 bytes cada 1.25 ms y puesto que en un slot se puede llevar hasta 30 bytes, solo se necesita un slot en cada dirección cada 3.75 ms.

O cada sexto slot debe ser reservado.





Para enlaces ACL, los paquetes DH1, DH3, DH5, DM1, DM3, DM5, AUX1 llevan datos con diferentes cantidades de protección contra errores y diferentes tasas de datos.

Paquete IDOtro tipo de paquete común a SCO y ACL.

Solo contiene el “access code”.

Longitud fija de 68 bits (no tiene trailer).

Se usa en los procesos de inquiry y paging.


Especificación de Baseband

EspecificaciEspecificacióón n de de BasebandBaseband

• Paquetes



Flow (Flujo)Si el buffer del receptor para el enlace ACL está lleno, se devuelve una señal de PARADA para detener la transmisión de datos (Flow=0).

La señal de PARADA se aplica solo a paquetes ACL.

Los paquetes con información de control de enlace y los SCO se siguen recibiendo.

Cuando se vacía el buffer del receptor, se devuelve una señal de CONTINUAR (Flow=1).

Cuando no se reciben paquetes, o la cabecera del paquete tiene un error, se asume una señal “CONTINUAR”.

ARQN (Petición de Repetición Automática)Un bit que se utiliza para el mecanismo de ACK para tráfico ACL protegido con un CRC.

Si la recepción fue exitosa se retorna un ACK (ARQN=1/ Automatic Repeat Request)

Si la recepción fue errónea se retorna un NAK (Negative ACK) (ARQN=0)

Se retransmite el paquete.

Paquetes de broadcast no requieren ACK.

Si no se recibe un mensaje de retorno en relación a un ACK, se asume un NAK implícitamente.



SEQN (Número de secuencia)Provee un mecanismo de numeración secuencial de 1 bit para poner el flujo de paquetes de datos en el orden correcto y filtrar retransmisiones (un ACK no recibido).

Paquetes transmitidos son etiquetados con 1 y 0 de forma alternativa.

HEC (Header Error Control)Un código de detección de error de 8 bits.

Protege el encabezado.


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Payload

Para payloads de voz no se definen encabezados.

Para algunos tipos de paquetes, la especificación Baseband define el formato del campopayload.

Para todos los paquetes ACL y para la porción de datos de los paquetes SCO tipo DV (Datos y Voz) si se define el encabezado.

Para paquetes de datos:Payload header

Payload Body

Información del usuario.

CRC

Excepto en el paquete tipo AUX1.Para datos de alta velocidad.

30 bytes de información


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Payload

Para paquetes de datos:Payload header

L_CH (2bits):Especifica el canal lógico (se detalla mas adelante)

FlowPara control de flujo en los canales lógicos a nivel L2CAP.

LengthIndicador de la longitud en bytes delpayload (del body solamente)

8 bits para paquetes de un solo slot.

16 bits para paquetes de múltiples slots.

Payload Body

CRC


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Cálculo de las velocidades de transmisión efectivas

Para DM1 y DH1Header de payload para paquetes de slot único

CRC de 2 bytes



Para DM3 y DH3Header de payload para paquetes mutislot (2 bytes)

CRC de 2 bytes



Para DM3 y DH3Header de payload para paquetes mutislot (2 bytes)

CRC de 2 bytes


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Corrección de errores

1/3 rate FECTres copias de cada bit.

Se usa una lógica de acuerdo a la mayoría.

2/3 rate FECUna forma de Código de Hamming con parámetros (15,10)

ARQDetección de errores

ACK Positivo

Retransmisión luego de timeout

ACK negativo y retransmisión


Especificación de BasebandEspecificaciEspecificacióón de n de BasebandBaseband• Paquetes: Corrección de errores:

Bluetooth usa Fast ARQAprovecha que el master y el esclavo se comunican por slots alternados.

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