Bluetooth, afila sus dientes

Publicado en la Revista RED Julio 2002.

bluetooth Introducción

Bluetooth es una tecnología utilizada para conectividad inalámbrica de corto alcance entre dispositivos tales como PDAs (Personal Digital Assistance), teléfonos celulares, teclados, máquinas de fax, computadoras de escritorio y portátiles, modems, proyectores, impresoras, etc. El principal mercado es la transferencia de datos y voz entre dispositivos y computadoras personales. El enfoque de Bluetooth es similar a la tecnología de infrarrojo conocida como IrDA (Infrared Data Association). Sin embargo, Bluetooth, es una tecnología de radiofrecuencia (RF) que utiliza la banda de espectro disperso de 2.4 GHz. Muchas veces también se le confunde con el estándar IEEE 802.11, otra tecnología de RF de corto alcance. IEEE 802.11 ofrece más caudal eficaz pero necesita más potencia de transmisión y ofrece menos opciones de conectividad que Bluetooth para el caso de aplicaciones de voz.


Bluetooth intenta proveer significantes ventajas sobre otras tecnologías inalámbricas similares tales como IrDA, IEEE 802.11 y HomeRF, claros competidores en conexiones PC a periféricos. IrDA es una tecnología muy popular para conectar periféricos, pero es limitada severamente a conexiones de cortas distancias en rangos de un metro por la línea de vista requerida para la comunicación. Debido a que Bluetooth funciona con RF no está sujeto a tales limitaciones. Las distancia de conexión en Bluetooth puede ser de hasta 10 metros o más dependiendo del incremento de la potencia del transmisor, pero los dispositivos no necesitan estar en línea de vista ya que las señales de RF pueden atravesar paredes y otros objetos no metálicos sin ningún problema.

Bluetooth puede ser usado para aplicaciones en redes residenciales o en pequeñas oficinas, ambientes que son conocidos como WPANs (Wireless Personal Area Network). Una de las ventajas de las tecnologías inalámbricas es que evitan el problema de alambrar las paredes de las casas u oficinas. Origenes
La versión 1.0 de la especificación Bluetooth fue liberada en 1999, pero el desarrollo de esta tecnología empezó realmente 5 años atrás, en 1994, cuando la compañía Ericsson (http://www.ericsson.com/) empezó a estudiar alternativas para comunicar los teléfonos celulares con otros dispositivos. El estudio demostró que el uso de enlaces de radio seria el más adecuado, ya que no es directivo y no necesita línea de vista; eran tan obvias estas ventajas con respecto a los enlaces vía infrarrojo que son utilizados para conectar dispositivos y teléfonos celulares.

Existían muchos requerimientos para el estudio, los cuales incluían la manipulación tanto de voz como de datos, de tal manera se podrían conectar teléfonos a dispositivos de cómputo.

Así es como nace la especificación de la tecnología inalámbrica conocida como Bluetooth. El origen del nombre de esta tecnología proviene de un Vikingo de origen Danés Harald Blatand (Bluetooth) quien en el siglo décimo unificó Dinamarca y Noruega. El nombre fue adoptado por Ericsson, quien espera que Bluetooth unifique las telecomunicaciones y la industria del cómputo.

Bluetooth SIG

El Bluetooth SIG (Special Interest Group, http://www.bluetooth.com/) es un grupo de compañías trabajando juntas para promover y definir la especificación Bluetooth. Bluetooth SIG fue fundado en Febrero de 1998 por las siguientes compañías: Ericsson, Intel, IBM, Toshiba y Nokia. En Mayo de 1998, se anuncia públicamente el Bluetooh SIG y se invita a otras compañías para que se unan a éste. Fue en julio de 1999 cuando el SIG publica la versión 1.0 de la especificación de Bluetooth. En diciembre de 1999, se unen otras compañías tales como Microsoft, Lucent, 3com y Motorola.

Cómo funciona

Bluetooth opera en la banda 2.4 GHz bajo la tecnología de radio conocida como espectro disperso. La banda de operación está dividida en canales de 1 MHz, a 1 megasímbolo por segundo puede obtenerse al ancho de banda máximo por canal. Con el esquema de modulación empleado, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), esto equivale a 1 Mbps. Utilizando GFSK, un 1 binario representa una desviación posititiva de la portadora nominal de la frecuencia, mientras que un 0 representa una desviación negativa. Después de cada paquete, ambos dispositivos re-sintonizan su radio transmisor a una frecuencia diferente, saltando de un canal a otro canal de radio; esta técnica se le conoce como espectro disperso con salto en frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum). De esta manera, los dispositivos Bluetooth utilizan toda la banda de 2.4 GHz y si una transmisión se interfiere sobre un canal, una retransmisión siempre ocurrirá sobre un canal diferente con la esperanza de que este canal esté libre. Cada ranura de tiempo tiene una duración de 625 microsegundos y generalmente los dispositivos saltan una vez por paquete, o sea, saltan cada ranura, cada 3 ranuras o cada 5 ranuras. Como Bluetooth fue diseñado para aplicaciones móviles de poca potencia, la potencia del radio transmisor debe ser minimizada. Tres diferentes clases de niveles de potencias están definidas, las cuales proveen rangos de operación de aproximadamente 10, 20 y 100 metros: El más bajo nivel de potencia cubre 10 metros, el más alto nivel logra cubrir distancias de hasta 100 metros.

Aunado a las distancias cortas de conexión de Bluetooth en materia de ancho de banda soporta hasta 780 Kbps, los cuales pueden ser utilizados para transferir unidireccionalmente 721 Kbps y 57.6 Kbps en la dirección de retorno o hasta 432.6 Kbps de manera simétrica en ambas direcciones. Aunque estas velocidades están limitadas para cierto tipo de aplicaciones como video, aplicaciones como transferencia de archivos e impresión caen perfectas en tal ancho de banda.

Algunas de las principales características técnicas de Bluetooth son las siguientes:

  Â»   Los dispositivos en una picocelda comparten un canal de comunicación de datos común. El canal tiene una capacidad total de 1 Mbps. Los encabezados y el control de llamada consumen cerca del 20% de esta capacidad; motivo por el cual el máximo caudal eficaz es de 780 Kbps.

  Â»   En los Estados Unidos y Europa, el intervalo de frecuencia de operación es de 2,400 a 2,483.5 MHz, con 79 canales de RF de 1 MHz. En la practica, el intervalo de frecuencias es de 2,402 a 2,480 MHz. En México el intervalo de frecuencias va de 2,450 MHz a 2,485.5 MHz. En Japón, el intervalo de frecuencia es de 2,472 a 2,497 MHz con 23 canales de RF de 1 MHz.

  Â»   Un canal de datos salta aleatoriamente 1,600 veces por segundo los 79 (o 23) canales de RF.

  Â»   Cada canal está dividido en ranuras de tiempo de 625 microsegundos cada una.

  Â»   Una picocelda tiene un dispositivo maestro y hasta siete dispositivos esclavos. Un dispositivo maestro transmite en ranuras de tiempo pares, los esclavos en ranuras de tiempo impares.

  Â»   Los paquetes pueden tener una magnitud de hasta 5 ranuras de tiempo.

  Â»   Los datos en un paquete pueden ser de hasta 2,745 bits de longitud.

  Â»   Existen actualmente dos tipos de transferencia de datos entre dispositivos: Los orientados a conexión de tipo síncrono (SCO, Synchronous Connection Oriented) y los orientados a no-conexión de tipo asíncrono (ACL, Asynchronous Connectionless).

  Â»   En una picocelda, puede hacer hasta tres enlaces SCO de 64,000 bits cada uno. Para evitar problemas de sincronización y colisión, los enlaces SCO utilizan ranuras de tiempo reservadas asignadas por la estación maestra.

  Â»   Un dispositivo maestro puede soportar hasta tres enlaces SCO con uno, dos o tres dispositivos esclavos.

  »   Las ranuras no reservadas para los enlaces SCO pueden ser usadas para enlaces ACL.

  »   Un maestro y un esclavo pueden compartir un enlace ACL
  »   Un enlace ACL puede ser punto-punto (maestro a un esclavo) o multipunto (maestro a todos los esclavos).

  »   Un ACL esclavo puede sólo transmitir cuando se lo solicite un maestro

Bluetooth permite manipular simultáneamente transmisiones de voz y datos. Es capaz de soportar un canal de datos asíncrono y hasta tres canales de voz asíncronos o un canal que soporte ambos, voz y datos. La capacidad combinada con los dispositivos del tipo "ad hoc" permiten soluciones superiores para dispositivos móviles y aplicaciones de Internet. Esta combinación permite soluciones innovativas como un dispositivo de manos libres para llamadas de voz, impresión a máquinas de fax y sincronización automática a PDAs, laptops y aplicaciones de libreta de direcciones de teléfonos celulares.

La especificación Bluetooth

La especificación de Bluetooth cubre desde el transceptor de radio hasta varias interfaces de protocolos basados tanto en hardware como en software. Algunos elementos clave y protocolos de la arquitectura de Bluetooth son descritos a continuación. Control de enlace: el hardware del control de enlace controla la transmisión y recepción de radio así como el procesamiento de la señal digital requerida para el protocolo de bandabase. Sus funciones incluyen establecimientos de conexiones, soporte para enlaces asíncronos (datos) y síncronos (voz), corrección de error y autentificación. El microcódigo del administrador de enlaces desempeña funciones a bajo nivel para el establecimiento de enlaces, autentificación y configuración de los enlaces.

Topología de la red: los dispositivos Bluetooth son generalmente organizados en grupos de 2 a 8 llamados picoceldas o picoredes, consistente de un dispositivo maestro y uno o más dispositivos esclavos. Un dispositivo puede pertenecer a mas de una picocelda y comportarse como un esclavo en ambas o un maestro en una picocelda y como esclavo en otra.

Como Bluetooth opera en una banda de uso libre conocida como ISM (Industrial, Scientific, and Medical) donde otros dispositivos de uso común la utilizan como es el caso de puertas de cocheras, teléfonos inalámbricos, hornos de microondas, sólo por nombrar algunos. Para que los dispositivos Bluetooth puedan coexistir y operar confiablemente con los otros dispositivos, cada picocelda es sincronizada a una frecuencia especifica del patrón de salto por frecuencia. Este patrón, que salta a 1,600 frecuencias diferentes por segundo, es único para una picocelda en particular. Cada "salto" de frecuencia es una ranura de tiempo durante la cual los paquetes de datos son transferidos. Un paquete puede abarcar hasta 5 ranuras de tiempo, en la cual la frecuencia permanece constante durante la duración de esa transferencia.

Si los dispositivos van a saltar a las nuevas frecuencias después de cada paquete, ellos deben ponerse de acuerdo en la secuencia de las frecuencias que utilizarán. Como los dispositivos Bluetooth operan en 2 modos: como maestro y como esclavo. Si el maestro asigna la secuencia de salto de frecuencia. Los esclavos sincronizan al dispositivo maestro en tiempo y frecuencia seguido de la secuencia de salto del dispositivo maestro.

Enlaces de banda base: La bandabase de Bluetooth provee canales de transmisión para voz y datos y es capaz de soportar un enlace asíncrono de datos y hasta tres enlaces de voz asíncronos (o un enlace soportando ambos). Los enlaces orientados a conexión síncronos (SCO) son típicamente empleados para transmisiones de voz. Esos enlaces son conexiones simétricas punto a punto que reservan ranuras de tiempo para garantizar la transmisión a tiempo. Al dispositivo esclavo siempre se le permitirá responder durante la ranura de tiempo inmediatamente seguido de una transmisión tipo SCO del maestro. Un dispositivo maestro puede soportar hasta tres enlaces SCO a uno o varios esclavos, pero un solo esclavo puede soportar sólo enlaces SCO para diferentes dispositivos maestros. Los paquetes SCO nunca son retransmitidos.

Los enlaces orientados a no-conexión (ACL, Asynchronous Connectionless) son típicamente empleados para transmisión de datos. Las transmisiones sobre estos enlaces son establecidas en base por ranura (en ranuras no reservadas para enlaces SCO). Los enlaces ACL soportan transferencias punto-multipunto de datos asíncronos como síncronos. Después de una transmisión ACL del maestro, sólo el dispositivo esclavo direccionado puede responder durante la siguiente ranura de tiempo o si el dispositivo no está direccionado, los paquetes son considerados como mensajes difundidos (broadcast). La mayoría de los enlaces ACL incluyen retransmisión de paquetes. Administrador de enlaces: La máquina de estado de bandabase es controlada por el administrador de enlaces. Este microcódigo provee el control del enlace basado en hardware para configuración, seguridad y control de enlaces. Sus capacidades incluyen autentificación y servicios de seguridad, monitoreo de calidad de servicio y control del estado de bandabase. El administrador de enlaces se comunica con los demás utilizando el protocolo LMP (Link Management Protocol), el cual utiliza los servicios básicos de bandabase. Los paquetes LMP, los cuales son enviados sobre los enlaces ACL, son diferenciados de los paquetes L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) por un bit en el encabezado del ACL. Ellos son siempre enviados como paquetes de una ranura y una prioridad alta que los paquetes L2CAP. Esto ayuda el aseguramiento de la integridad del enlace bajo una alta demanda de tráfico.

El Controlador de Interface del host (Host controller interface, HCI): Por encima del administrador de enlaces se encuentra el HCI. Este protocolo basado en hardware es usado para aislar la bandabase de Bluetooth y el administrador de enlaces de un protocolo de transporte tal como el RS-232 o USB (Universal Serial Bus). Esto permite una interface estándar para el hardware de Bluetooth. Un manejador de dispositivos HCI en el host es usado para interactuar una aplicación Bluetooth con el protocolo de transporte. Actualmente existen tres mecanismos de transporte soportados: USB, RS-232 y el UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Utilizando HCI, una aplicación Bluetooth puede accesar al hardware de Bluetooth sin el conocimiento de la capa de transporte o otros detalles de implementación del hardware.  



Protocolos basados en software: el resto de los protocolos son implementados en software. La capa más baja de L2CAP provee la interface con el administrador de enlaces y permite la interoperatibilidad entre dispositivos Bluetooth. Provee la multicanalización de protocolos, lo cual permite el soporte de otros protocolos de más alto nivel tales como TCP/IP. El L2CAP opera sobre un enlace del tipo ACL en bandabase y provee enlaces punto-multipunto para transferencias síncronas como asíncronas. L2CAP provee servicios a los protocolos de los niveles superiores al transmitir paquetes de datos sobre los canales L2CAP. Existen tres tipos de canales L2CAP: canales bidireccionales que transportan comandos; canales orientados a conexión para conexiones punto-punto y bidireccionales; y canales unidireccionales orientados a no-conexión que soporten conexiones punto-multipunto, permitiendo que una entidad local L2CAP sea conectada a un grupo de dispositivos remotos.

Varios protocolos interactuan con la capa de enlace L2CAP tales como SDP y RFCOMM. El protocolo SDP (Service Discovery Protocol) provee un medio para determinar que servicios Bluetooth están disponibles en un dispositivo particular. Un dispositivo Bluetooth puede actuar como un cliente SDP solicitando servicios o como un servidor SDP proveyendo servicios, o ambos. Un simple dispositivo Bluetooth tendrá no más de un servidor SDP, pero puede actuar como un cliente para más de un dispositivo remoto. El protocolo SDP provee acceso sólo a información acerca de servicios, la utilización de esos servicios deberá ser proveído por otro protocolo. RFCOMM es un protocolo de transporte que provee transferencia de datos serial. Una entidad de emulación de puertos es usada para mapear la comunicación de la interface de la programación de aplicaciones (API, Applications Programming Interface) a los servicios de RFCOMM, permitiendo que el software legado opere en un dispositivo Bluetooth. TCS (Telephony Control Protocol Specification), un protocolo para aplicaciones de telefonía es proveído para control de llamadas de voz y datos a través de señalización. La señalización tanto para punto-punto y punto-multipunto son soportados utilizando los canales L2CAP, la voz o los datos son transferidos directamente desde la bandabase sobre los enlaces SCO.

Bluetooth también soporta el protocolo de sesión conocido como IrOBEX (IrDA Object Exchange Protocol), definido por IrDA. Este protocolo puede operar sobre las capas de transporte, incluyendo RFCOMM y TCP/IP. Para dispositivos Bluetooth, solo OBEX orientado a conexión es soportado. Tres perfiles de aplicación han sido desarrollados usando OBEX. Estos incluyen funcionalidades de sincronización para directorios telefónicos, calendarios, mensajes, etc.; funcionalidades de transferencia de archivos y Object Push para soporte de tarjetas de presentación.

Los perfiles de Bluetooth

Los perfiles son una parte muy importante en la tecnología Bluetooth. Los perfiles le proveen a Bluetooth una significante ventaja sobre las otras tecnologías. Los perfiles, definidos por Bluetooth SIG, tienen la intensión de asegurar la interoperatibilidad entre las aplicaciones de Bluetooth y los dispositivos de diferentes fabricantes. Estos perfiles definen los roles y capacidades para aplicaciones especificas. Diferentes perfiles pueden abarcar diferentes capas y protocolos y para diferentes grados de seguridad. Además de los requerimientos de interoperatibilidad, los protocolos pueden definir servicios requeridos para otras aplicaciones o para usuarios finales.

Todos los dispositivos Bluetooth deberán soportar el perfil de acceso genérico (Generic Access Profile) como mínimo. Este perfil en particular define el descubrimiento o hallazgo de dispositivos, procedimientos de conexión y procedimientos para varios niveles de seguridad. También se describen algunos requerimientos de interface al usuario. Otro perfil universal, aunque no es requerido, es el perfil de acceso a descubrimiento de servicios (Service Discovery Access Profile), el cual define los protocolos y parámetros asociados requeridos para accesar a los perfiles. Un número de perfiles han sido definidos incluyendo TCS, RFCOMM y OBEX. Algunos de estos requieren la implementación de otros, y todos ellos requieren la implementación de perfiles genéricos.

Bluetooth es adoptado por fin por la IEEE

Durante la ultima semana del mes de marzo del 2002 la IEEE (http://www.ieee.org/) aprobó finalmente el estándar IEEE 802.15.1 compatible totalmente con la tecnología Bluetooth v1.1. En este estándar se definen las especificaciones de la capa física y MAC (medium access control) para las redes WPANs. El nuevo estándar permitirá una mayor validez y soporte en el mercado de las especificaciones de Bluetooth, además es un recurso adicional para aquellos que implementen dispositivos basados en esta tecnología. Anteriormente a la estandarización, dispositivos Bluetooth no podían coexistir con los dispositivos basados en IEEE 802.11b debido a que ambos se interferían entre sí. Para más información sobre el estándar IEEE 802.15.1 visite http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html. Otro esfuerzo importante para buscar la interoperatibilidad entre dos sistemas lo están haciendo la compañía Intersil Corp., (http://www.intersil.com/) fabricante de chips para el protocolo IEEE 802.11b (Wi-Fi) y la compañía Silicon Wave Inc. (http://www.siliconwave.com/) fabricante de sistemas de radio de Bluetooth. Este esfuerzo entre Wi-Fi y Bluetooth es conocido como Blue802 y permitirá la operación simultánea de estos dos protocolos inalámbricos. La tecnología Blue802 fue demostrada con éxito en el pasado evento Networld+Interop 2002 en las Vegas. Para más información sobre esta tecnología visite http://www.siliconwave.com/Blue802.html.

Productos

Existen una infinidad de productos bajo la tecnología Bluetooth en el mercado, desde tarjetas de acceso, ratones para PC, teclados, antenas, software para desarrollo, etc. Al adquirir cualquier producto, hay que tener muy en cuenta que la compañía fabricante pertenezca o esté certificada por el Bluetooth SIG. Algunos de los productos disponibles en el mercado son los siguientes:

WRAP 1260 Microserver de la la compañía BlueGiga Technologies (http://www.bluegiga.com/) es un dispositivo compatible con la versión 1.1 de Bluetooth capaz de permitir comunicación inalámbrica entre dispositivos y sus usuarios. Provee una Interface estándar tipo RS-232 y una interface a una antena de RF para que varios dispositivos puedan conectarse simultáneamente al WRAP 1260. Soporta la pila de protocolos tales como Bandabase, L2CAP, RFCOMM, SDP cliente y servidor, punto-punto, punto-multipunto. El área de cobertura es desde 10 metros, y bajo optimas condiciones se puede extender a 30 metros, aunque una versión para 100 metros estará disponible en el otoño del 2002. WRAP 1260 soporta también los protocolos de Internet: TCP/IP, DHCP, Ping, Route, Firewall y NAT.

La compañía 3com (http://www.3com.com/) tiene tres productos compatibles con Bluetooth versión 1.1, una tarjeta Bluetooth para computadoras portátiles, un adaptador para puertos USB y un kit de impresión. La tarjeta para laptop así como el adaptador USB, tienen un costo de $150 dólares. El kit de impresión, que incluye un adaptador para puerto paralelo y un adaptador USB, tiene un costo en el mercado de $250 dólares. Con este tipo de adaptadores es posible darle conexión a cualquier dispositivo que tenga una interface USB.

Para aquellos que les interesa el desarrollo sobre la tecnología Bluetooth, la compañía Connectblue (http://www.connectblue.se/) tiene a la venta una plataforma de desarrollo de Bluetooth conocida como Bluetooth Enable Platform (BEP). BEP es una jerarquía modular de componentes de software que permite control total de la tecnología Bluetooth, ya que soporta un gran número de perfiles y tiene la capacidad de desarrollar otros nuevos. Algo muy importante para los desarrolladores de software es que BEP es independiente del harware y del sistema operativo empleado, aunque todo el desarrollo básico, por ejemplo la edición y pruebas de los módulos está hecho para el ambiente Windows de Microsoft sobre una plataforma de simulación para PC; la herramienta Microsoft Visual Studio es utilizada para este propósito. BEP incluye un compilador, una herramienta para el rastreo de paso de mensajes, estados de la transmisión y otros eventos definidos por el usuario para una depuración más fácil. ConnectBlue también tiene en el mercado el hardware necesario para interactuar con el software de desarrollo.

Tendencias

Además del continuo desarrollo de perfiles, Bluetooth SIG y las compañías que la integran están trabajando en otros frentes para mejorar la especificación. Estos incluyen asuntos relacionados con la interoperatibilidad, el soporte de velocidades más altas y el mejoramiento en aspectos relacionados con la seguridad. Microsoft, miembro de Bluetooth SIG, tiene planeado incorporar en su siguiente versión del sistema operativo XP el soporte de Bluetooth incorporando la pila de protocolos y perfiles para la comunicación de dispositivos dentro de una red del tipo WPAN.

Por lo pronto, en abril del 2002 Microsoft liberó el primer ratón y teclado inalámbrico que se comunicará con una computadora personal vía tecnología Bluetooth. La ratificación de Bluetooth por la IEEE en el mes de marzo del 2002 es un triunfo importante para el Bluetooth SIG, el cual a luchado por mucho tiempo por ser un protagonista de la sopa de letras de los estándares de redes inalámbricas en el mundo. Esta ratificación le dará a Bluetooth más credibilidad y permitirá más desarrollos en la industria encaminados a satisfacer necesidades más especificas de los usuarios finales a un bajo costo y buen desempeño.

 

 

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