Redes WPAN: Tecnología Bluetooth REDES DE ACCESO CELULAR

Redes WPAN:

Tecnología Bluetooth

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Redes WPAN

Introducción

Las Wireless Personal Area Networks (WPANs) permiten interconectar múltiples y diversos dispositivos en el espacio que rodea a una persona, proporcionándole capacidad de comunicaciones en ese espacio y con el mundo exterior.

El grupo de trabajo IEEE 802.15 se dedica a la estandarización de WPAN y comprende 7 grupos de actividad:

• IEEE 802.15.1. Adoptó la tecnología Bluetooth. El último estándar publicado es el IEEE 802.15.1-2005, que corresponde a la especificación Bluetooth

1.2. Este grupo ha decidido no seguir con la estandarización de las versiones posteriores de Bluetooth.

• IEEE 802.15.2. El documento IEEE 802.15.2-2003 recoge las prácticas recomendadas para asegurar la coexistencia de redes WPAN con otros dispositivos inalámbricos que operen en las bandas sin licencia (como las WLAN).

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Introducción

• IEEE 802.15.3. Este grupo define los estándares relativos a las capas física (PHY) y MAC para WPANs de alta velocidad (> 20 Mbps). El estándar inicial es el IEEE 802.15.3-2003. Incluye varios subgrupos:

o IEEE 802.15.3a. Proponía una capa PHY de alta velocidad basada en UWB (UltraWide Band) para aplicaciones de transmisión de imágenes y multimedia. Se canceló en 2006 por desacuerdos industriales.

o IEEE 802.15.3b. Propuso mejoras en la implementación e

interoperabilidad del MAC. Se recogen en IEEE 802.15.3b-2005.

o IEEE 802.15.3c. Ha propuesto una nueva capa PHY en la banda de

milimétricas, incluyendo la banda libre 57-64 GHz. Proporciona tasas de transmisión superiores a 2 Gbps para aplicaciones como acceso a

Internet de alta velocidad, descarga de contenido streaming (vídeo bajo demanda, HDTV, home theater, etc.), streaming en tiempo real y

sustitución de cables (bus de datos inalámbrico). Se contemplan velocidades opcionales de más de 3 Gbps.

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Introducción

• IEEE 802.15.4. Este grupo define los estándares relativos a las capas física (PHY) y MAC para WPANs de baja velocidad, bajo consumo y reducida

complejidad. El estándar inicial es el IEEE 802.15.4-2003, y su actualización es el IEEE 802.15.4-2006 (resultado de los trabajos del grupo 4b). La

especificación Zigbee define protocolos de alto nivel para operar sobre IEEE 802.15.4. Asimismo, el grupo de trabajo 6LoWPAN de IETF (Internet

Engineering Task Force) está trabajando en la especificación de métodos

para llevar a cabo networking IPv6 en redes IEEE 802.15.4.

o IEEE 802.15.4a. IEEE 802.15.4a-2007 añade dos especificaciones de capa PHY basadas en UWB y CSS (Chirp Spread Spectrum) para

comunicaciones y localización de precisión (error < 1m.). La capa PHY UWB opera en tres bandas: < 1 GHz; 3 - 5 GHz; y 6 - 10 GHz. La capa PHY CSS opera en la banda ISM 2,4 GHz.

o IEEE 802.15.4b. Este grupo estuvo dedicado a revisiones y mejoras del estándar inicial.

o IEEE 802.15.4c e IEEE 802.15.4d han generado documentos para la aplicación en bandas específicas chinas y japonesas, respectivamente.

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Introducción

• IEEE 802.15.5. Este grupo trabaja en el ámbito de las redes mesh para WPAN.

• IEEE 802.15.6. Este grupo trabaja en el ámbito de las redes de área corporal (BAN: Body Area Network). Su objetivo es definir un estándar inalámbrico de bajo consumo, baja frecuencia y corto alcance.

• IEEE 802.15.7. Este grupo está encargado de definir un estándar para las capas PHY y MAC para comunicaciones en la banda de luz visible (VLC:

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Bluetooth

La tecnología Bluetooth proporciona tasas de transmisión bajas-medias (hasta 54 Mbps en la interfaz aire para la especificación 3.0).

Aplicaciones que requieran velocidades mucho mayores, utilizarán otras tecnologías como UWB.

Un PC o portátil podrá integrar ambas tecnologías.

DSC HDTV STB/Media Center PC Photo/Printer Mobile/Smart HH Mass Storage KB, Mouse DVC Voice, Stereo Audio

Red

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Bluetooth

Se trata de un estándar de facto cuyas especificaciones son públicas y abiertas y son desarrolladas por la asociación Bluetooth SIG (Special

Interest Group):

• El Bluetooth SIG se crea en 1998 promovido por Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba.

• En la actualidad, el Bluetooth SIG incluye a miembros promotores: Ericsson, Intel, Lenovo, Microsoft, Motorola, Nokia, y Toshiba, y miles de miembros asociados y adoptadores.

• Hasta el momento se han publicado las siguientes especificaciones: o Releases 1.0 y 1.0B (1999)

o Release 1.1 (2001): ratificado como estándar IEEE 802.15.1-2002. o Release 1.2 (2003): ratificado como estándar IEEE 802.15.1-2005. o Release 2.0 + EDR (Extended Data Rate) (2004)

o Release 2.1 + EDR (2007)

o Release 3.0 + HS (High Speed) (2009).

Todas las versiones operan en la banda libre de 2,4 GHz. La Release 3.0 incorpora la posiblidad de operar en la banda libre de 5 GHz.

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Bluetooth

Release 1.2

Se basa en la utilización de 79 canales de 1 MHz (2,402 - 2,480 GHz) mediante una técnica Frequency Hopping con 1.600 saltos/sg.

La modulación es binaria GFSK a 1 Mbaudio (1 Mbps en la interfaz aire). Las máximas tasas de transmisión útil (paquetes DH5) son:

• Simétrico: 433’9 kbps bidireccional

• Asimétrico: 723’2 kbps bajada / 57,6 kbps subida

Baja potencia de transmisión: 0 dBm (hasta 20 dBm con control de potencia).

Incorporación de AFH (Adaptive Frequency Hopping) que permite reducir las interferencias evitando el salto a canales interferidos.

Definición de canales eSCO (Extended Synchronous Connections), que mejoran la calidad de las conexiones de audio mediante la retransmisión de los paquetes erróneos.

Aumenta la velocidad de descubrimiento y conexión con otros dispositivos Bluetooth respecto a las versiones anteriores.

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Bluetooth

Release 2.0 + EDR

Incorpora nuevas modulaciones:

• GFSK (la misma que en versiones anteriores: gross air data rate 1 Mbps)

• /4-DQPSK (factor de roll-off = 0,4; gross air data rate 2 Mbps)

• 8DPSK (factor de roll-off = 0,4; gross air data rate 3 Mbps)

Las máximas tasas de transmisión útil (paquetes 3-DH5 modulados 8DPSK) son:

• Simétrico: 1,3069 Mbps bidireccional

• Asimétrico: 2,1781 Mbps bajada / 177,1 kbps subida

Release 2.1 + EDR

Incorpora mejoras en el proceso de emparejamiento (pairing) de dispositivos, incluyendo NFC (Near Field Communications), una reducción del consumo de energía cuando el dispositivo se encuentra en modo sniff (muy útil para aumentar la duración de las pilas en ratones y teclados inalámbricos, por ejemplo), mayor información en la respuesta a un inquiry, etc.

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Bluetooth

Release 3.0 + HS

Su principal novedad es la introducción de la funcionalidad AMP (Alternate

MAC/PHY), que añade la tecnología IEEE 802.11 para transporte de datos

de alta velocidad. Así, la radio Bluetooth se usa para el descubrimiento de dispositivos, la conexión iniclal y la configuración del perfil y, cuando es necesario enviar grandes cantidades de datos, se utilizan las capas PHY y MAC de 802.11 (WiFi).

Además incluye mejoras en el control de potencia, definiendo un control de potencia en lazo cerrado (que incluye la posibilidad de enviar un comando para que el otro dispositivo transmita inmediatamente a la máxima potencia, lo que es útil, por ejemplo, cuando en una conexión entre el teléfono móvil y el headset se coloca el móvil en el bolsillo del lado opuesto).

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Bluetooth

Clases de potencia

Clase Potencia máxima Potencia mínima Control de potencia

1 100 mW (20 dBm) 1 mW (0 dBm) desde P_min< 4 dBm hasta 20 dBm; opcional desde P_min hasta 20 dBm (*)

2 2,5 mW (4 dBm) 0,25 mW (-6 dBm) Opcional desde P_min hasta 4 dBm (*)

3 1 mW (0 dBm) N/A Opcional desde P_min hasta 0 dBm (*)

Canales

(*) Se recomienda Pmin< -30 dBm, pero no es obligatorio y depende de la aplicación.

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Bluetooth

Redes Bluetooth

Cada dispositivo Bluetooth está identificado por una dirección única de 48 bits denominada BD_ADDR (dirección MAC).

Todos los dispositivos Bluetooth tienen la capacidad de actuar como maestros (master) o esclavos (slaves) en una red ad-hoc.

El maestro proporciona el reloj o referencia temporal (timing) y la secuencia de salto frecuencial (frequency hopping) a todos sus esclavos.

El maestro gestiona las comunicaciones con sus esclavos, indicando a cada uno de ellos cuándo debe transmitir (polling).

Existen dos topologías de red:

• PICONET: Es una red formada por un maestro y hasta siete esclavos activos.

• SCATTERNET: Es una red formada por un conjunto de piconets interconectadas a través de dispositivos que actúan como esclavos en una piconet y como maestros en otra o como esclavos en las dos.

Las especificaciones Bluetooth no definen ningún protocolo de

encaminamiento para el funcionamiento de las scatternets y la mayor parte de los dispositivos actuales no incluyen esta funcionalidad. Muchos ni

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Bluetooth

Redes Bluetooth esclavo activo maestro esclavo aparcado dispositivo en standby PICONET _SCATTERNET

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Bluetooth

Canal físico

En Bluetooth se utiliza un duplexado por división en tiempo (TDD). El canal se divide en slots consecutivos de duración 625 µs.

Se produce un salto de frecuencia de slot a slot en la secuencia de salto que sigue la piconet en la que se encuentre el dispositivo.

El dispositivo maestro comienza su transmisión en los slots pares y los esclavos, en los impares.

f(2k) 625 µs f(2k+1) f(2k+2) f(2k+3) f(2k+4) f(2k+5) f(2k+6) Maestro Esclavo f(2k) f(2k+1) f(2k+2) f(2k+3) f(2k+4) f(2k+5) f(2k+6) Trama TDD

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Bluetooth

Frequency Hopping tiempo Frecuencia Canal físico

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Bluetooth

Canal físico

Diferentes piconets utilizan secuencias de salto distintas, pero se pueden producir colisiones aleatorias.

tiempo Frecuencia Piconet 1 Piconet 2 Las referencias de tiempo de las

diferentes piconets son distintas, por lo que los paquetes no tienen por qué estar alineados.

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Bluetooth

Canal físico

En Bluetooth es posible la transmisión multislot, con paquetes que pueden durar hasta 1, 3 ó 5 slots.

En estos casos, la frecuencia de transmisión se mantiene durante todo el paquete, si bien la secuencia de salto sigue corriendo slot a slot, de modo que el siguiente paquete se transmite a la frecuencia que corresponda en dicha secuencia. 625 µs f(2k) f(2k) f(2k+5) f(2k+6) f(2k) f(2k+1) f(2k+2) f(2k+3) f(2k+4) f(2k+5) f(2k+6) f(2k+3) f(2k+4) f(2k+5) f(2k+6)

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Bluetooth

Canal físico

Se definen cinco tipos de canales físicos (Release 3.0 + HS):

• Basic Piconet Physical Channel. Utiliza una secuencia de salto compuesta por 79 frecuencias.

• Adapted Piconet Physical Channel. Utiliza una secuencia de salto compuesta por un número menor de frecuencias (al menos N_min = 20 frecuencias) para

implementar el mecanismo AFH.

• Page Scan Physical Channel. Es el canal utilizado para el establecimiento de una conexión. El dispositivo que realiza la solicitud de conexión (pager) es el maestro inicial, aunque pueden cambiar el papel (switch rol) posteriormente. La secuencia de salto está compuesta por 32 frecuencias, y se salta cada 312,5 µs en lugar de cada 625 µs.

• Inquiry Scan Physical Channel. Es el canal utilizado para el descubrimiento de dispositivos. La secuencia de salto está compuesta por 32 frecuencias, y se salta cada 312,5 µs. Aunque los términos maestro y esclavo no se definen hasta que se establece la conexión, se denomina maestro al dispositivo que realiza la

interrogación.

• AMP Physical Channel. Es el canal 802.11 utilizado para conexiones de alta velocidad.

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Bluetooth

Enlace físico

Bluetooth proporciona cinco tipos de enlaces:

• Síncrono orientado a conexión (SCO: Synchronous Connection Oriented). o Están pensados para las comunicaciones telefónicas de voz.

o Utilizan la reserva de slot a intervalos regulares en ambos sentidos de la comunicación

o Es simétrico.

o Un maestro puede establecer hasta tres enlaces SCO simultáneos en una piconet (con el mismo esclavo o con esclavos distintos). Un esclavo debe ser capaz de establecer hasta tres enlaces SCO simultáneos con un maestro o dos enlaces SCO con maestros distintos.

o Nunca incluyen retransmisiones.

• Síncrono orientado a conexión extendido (eSCO: Extended Synchronous

Connection Oriented).

o Proporcionan mejoras en la calidad de audio y mayores velocidades de transmisión para servicios orientados a conexión.

o Pueden ser simétricos y asimétricos. o Permiten el uso de ARQ.

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Bluetooth

Enlace físico

Bluetooth proporciona cinco tipos de enlaces (cont):

• Asíncrono no orientado a conexión (ACL: Asynchronous Connection-Less). o Están pensados para las comunicaciones de datos.

o Entre un esclavo y un maestro solamente puede existir un enlace ACL. o Permite las retransmisiones.

o No hay reserva de slots, el acceso es por polling. El maestro debe proporcionar a un esclavo al menos Npoll permisos de transmisión (negociado).

o El algoritmo de polling es propietario.

o Los servicios pueden ser simétricos y asimétricos.

• Difusión a los esclavos activos (ASB: Active Slave Broadcast).

o Sirven para que el maestro envíe mensajes a todos los esclavos activos de su picocélula simultáneamente.

• Difusión a los esclavos aparcados (PSB: Parked Slave Broadcast).

o Sirven para que el maestro envíe mensajes a todos los esclavos aparcados de su picocélula simultáneamente.

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Bluetooth

Enlace físico ACL MAESTRO ESCLAVO 1 ACL ESCLAVO 2 ESCLAVO 3 ACL

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Bluetooth

Formato de paquetes

ACCESS CODE

68/72 bits HEADER54 bits 0-2.745 bitsPAYLOAD

Velocidad básica (modulación GFSK)

Velocidad mejorada (EDR)

ACCESS CODE

72 bits HEADER54 bits Enhanced Data Rate PAYLOAD16-8.200 bits

GFSK GUARD 4,75-5,25 µs SYNC11 µs TRAILER 2 símbolos DPSK

Se definen diferentes tipos de paquetes, que pueden contener: • Únicamente el código de acceso (access code) corto (68 bits). • El código de acceso y la cabecera (header).

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Bluetooth

Formato de paquetes

Hay tres tipos de códigos de acceso:

• Channel Access Code (CAC): Identifica a una piconet y se incluye en los paquetes intercambiados entre el maestro y cada esclavo de la piconet.

• Device Access Code (DAC): Para los procesos de paging y respuesta al paging. • Inquriy Access Code (IAC): Para los procesos de búsqueda de dispositivos.

El preámbulo contiene 4 bits: unos y ceros alternados para compensación de continua.

ACCESS CODE

68/72 bits HEADER54 bits

PREAMBLE

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Bluetooth

Formato de paquetes

La palabra de sincronismo de 64 bits se utiliza para la adquisición de la referencia temporal.

• El CAC deriva esta palabra de la dirección del dispositivo bluetooth (BD_ADDR) que actúa como máster.

• El DAC deriva esta palabra de la dirección (BD_ADDR) del dispositivo llamado (paged).

• El IAC utiliza unos códigos de acceso reservados para esta función. Hay dos tipos:

o GIAC (General IAC): Es un código único usado para el descubrimiento de cualquier dispositivo Bluetooth del entorno.

o DIAC (Dedicated IAC): Son 63 códigos usados para el descubrimiento de tipos específicos de dispositivos.

El trailer contiene 4 bits: unos y ceros alternados para compensación de continua. El CAC lo incluye siempre. El DAC y el IAC únicamente cuando van seguidos de una cabecera.

ACCESS CODE

68/72 bits HEADER54 bits

PREAMBLE

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Formato de paquetes

La cabecera contiene información de control del enlace y consta de 6 campos:

• LT_ADDR (Logical Transport Address): Representa a cada uno de los esclavos activos en una picocélula.

o El maestro designa un LT_ADDR primario al esclavo al establecer una conexión y se incluye tanto en los paquetes enviados por el maestro, como en los enviados por el esclavo.

o Un esclavo recibe un LT_ADDR secundario si establece un enlace eSCO.

o El maestro no tiene LT_ADDR, no es necesario, pues sabe en qué slots tiene que recibir. o LT_ADDR = 000 corresponde a un paquete de broadcast y solamente lo puede enviar el

maestro.

ACCESS CODE

68/72 bits HEADER54 bits

LT_ADDR

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Formato de paquetes

• TYPE: Su valor, junto al tipo de enlace lógico usado (SCO, eSCO 1 Mbps, eSCO 2-3 Mbps, ACL 1 Mbps, ACL 2-3 Mbps), proporciona el tipo de paquete.

• FLOW: Se usa para el control de flujo en un enlace ACL. Cuando el buffer del receptor está lleno, devuelve FLOW=0 (STOP) para que el transmisor deje de enviarle paquetes en ese enlace ACL. Para reanudar el envío: FLOW = 1 (GO). • ARQN: 1 bit de reconocimiento como correcto (ARQN=1) o erróneo (ARQN=0) del

último paquete recibido.

• SEQN: Es un secuenciador para controlar la repetición de paquetes. Cada vez que se envía un paquete nuevo (se ha recibido el ACK del anterior), se invierte el bit SEQN. Si se retransmite un paquete, se envía con el mismo SEQN.

• HEC: 8 bits de redundancia para detectar errores en la cabecera.

ACCESS CODE

68/72 bits HEADER54 bits LT_ADDR

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Formato de paquetes

Para los paquetes EDR se definen otros campos además del payload:

• GUARD: Es un tiempo de guarda para conmutar la transmisión de GFSK a DPSK (π/4-DQPSK o 8DPSK). Su duración debe situarse entre los 4,75 y los 5,25 µs. • SYNC: Secuencia de sincronización para la parte del paquete modulada DPSK.

Se compone de 11 símbolos DPSK (22 bits o 33 bits, dependiendo de la modulación).

• TRAILER: Tras el payload, los paquetes EDR incluyen 2 símbolos DPSK (4 bits o 6 bits, dependiendo de la modulación, todos ellos de valor cero).

ACCESS CODE

72 bits HEADER54 bits Enhanced Data Rate PAYLOAD16-8.200 bits

GFSK GUARD 4,75-5,25 µs SYNC11 µs TRAILER 2 símbolos DPSK

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Formato de paquetes

El payload incluye:

• HEADER: Un octeto para los paquetes ACL de velocidad básica (BR) y 2 octetos para los paquetes EDR ACL. Incluye información como la longitud del payload body (5 bits para BR y 10 bits para EDR), un bit de control de flujo, y dos bits para el indicador del enlace lógico (LLID), que identifica el tipo de enlace lógico e indica si se trata del primer fragmento de un mensaje o un fragmento posterior. La

cabecera de los paquetes EDR contiene otros tres bits reservados. Este campo se utiliza en los paquetes eSCO EDR y en los ACL. No está presente en los

paquetes SCO y eSCO de velocidad básica.

• PAYLOAD BODY: Incluye la información de usuario y determina la tasa efectiva de transmisión (throughput).

• CRC: 16 bits de redundancia para detección de errores en el payload.

El payload (header + payload body + CRC) puede ir protegido mediante un código corrector de errores de tasa 1/3 (código de repetición) o 2/3 (código Hamming recortado (15,10)).

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Tipos de paquetes

Paquetes de control del enlace. Se definen cinco tipos:

• ID (Identity Packet): Incluye únicamente el DAC o el IAC y tiene una longitud fija

de 68 bits. No se transmite ningún otro campo.

• NULL: Incluye únicamente el código de acceso y la cabecera (longitud fija de 126

bits). Puede usarse para informar al transmisor del éxito en la recepción del paquete anterior (ARQN) o del estado del buffer del receptor (SEQN). Este paquete no requiere reconocimiento (ACK).

• POLL: Este paquete tiene una estructura similar al NULL, no incluye payload, y

puede ser enviado únicamente por el maestro para indicar a un esclavo que debe transmitir en el siguiente slot. El esclavo debe realizar la transmisión aunque no tenga datos en su buffer (en ese caso transmitirá un paquete NULL). Esa

transmisión sirve de ACK implícito para este paquete.

• FHS (Identity Packet): Es un paquete de control especial, con un tamaño de

payload fijo de 240 bits (144 bits de información útil + 16 bits de CRC + FEC 2/3) que incluye, entre otras cosas, el reloj y la dirección del maestro (BD_ADDR).

• DM1 (Identity Packet): Es un paquete de tamaño variable (entre 0 y 136 bits de

información útil) para el envío de mensajes de control. Este formato se usa también en los enlaces ACL.

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Tipos de paquetes

Paquetes SCO. Se usan fundamentalmente para conexiones de voz a 64 kbps, aunque pueden transportar otros servicios síncronos a esa velocidad. Se definen cuatro tipos:

• HV1 (High Quality Voice- 1): Contiene 80 bits de información de usuario que se

protegen con un código FEC 1/3. El payload no incluye cabecera ni CRC y tiene un tamaño fijo de 240 bits.

• HV2 (High Quality Voice-2): Contiene 160 bits de información de usuario que se

protegen con un código FEC 2/3. El payload no incluye cabecera ni CRC y tiene un tamaño fijo de 240 bits.

• HV3 (High Quality Voice-3): Contiene 240 bits de información de usuario sin

protección. El payload no incluye cabecera ni CRC y tiene un tamaño fijo de 240 bits.

• DV (Data Voice): Transporta 80 bits de voz y entre 8 y 80 bits de información de

usuario en el campo de datos. La voz no va protegida. El campo de datos incluye una cabecera de 8 bits, entre 8 y 80 bits de información y 16 bits de CRC. Todos estos bits de datos se protegen con un código FEC 2/3. La parte de voz no admite retransmisiones, pero sí pueden darse en la parte de datos.

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Tipos de paquetes

Paquetes eSCO. Todos ellos incluyen un CRC de 16 bits y admiten

retransmisiones. Se definen siete tipos, 3 de ellos (EV3, EV4 y EV5) para velocidad básica y 4 (2-EV3, 2-EV5, 3-EV3 y 3-EV5) para EDR:

• EV3 (Extended Voice-3): Contiene entre 8 y 240 bits de información sin proteger mediante

FEC y el CRC. No incluye cabecera y ocupa un único slot. La longitud del paquete se negocia en el establecimiento de la conexión y se mantiene fija.

• EV4 (Extended Voice-4): Contiene entre 8 y 960 bits de información y el CRC, protegidos con

un FEC 2/3. No incluye cabecera y ocupa hasta tres slots. La longitud del paquete se negocia en el establecimiento de la conexión y se mantiene fija.

• EV5 (Extended Voice-5): Contiene entre 1 y 1.440 bits de información sin proteger mediante

FEC y el CRC. No incluye cabecera y ocupa hasta tres slots. La longitud del paquete se negocia en el establecimiento de la conexión y se mantiene fija.

• 2-EV3: Similar a EV3, pero con los bits modulados π/4-DQPSK. Ahora los bits de información

varían entre 8 y 480.

• 2-EV5: Similar a EV5, pero con los bits modulados π/4-DQPSK. Ahora los bits de información

varían entre 8 y 2.880.

• 3-EV3: Similar a EV3, pero con los bits modulados 8DQPSK. Ahora los bits de información

varían entre 8 y 720.

• 3-EV5: Similar a EV5, pero con los bits modulados 8DQPSK. Ahora los bits de información

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Tipos de paquetes

Paquetes ACL. Se definen siete tipos para velocidad básica (DM1, DH1, DM3, DH3, DM5, DH5 y AUX1) y otros siete para EDR (DH1, 3-DH1, 2-DH3, 3-2-DH3, 2-DH5 y 3-DH5).

• DM1, DH1, AUX1, 2-DH1 y 3-DH1 ocupan un único slot. • DM3, DH3, 2-DH3 y 3-DH3 pueden ocupar hasta 3 slots. • DM5, DH5, 2-DH5 y 3-DH5 pueden ocupar hasta 5 slots. • 2-DH1, 2-DH3 y 2-DH5 utilizan una modulación π/4-DQPSK. • 3-DH1, 3-DH3 y 3-DH5 utilizan una modulación 8DQPSK.

DM: Data - Medium Rate DH: Data - High Rate

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Tipos de paquetes

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Tipos de paquetes Velocidad máxima Bluetooth 1.1 y 1.2 Velocidad máxima Bluetooth 2.0 y 2.1 +EDR

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Tipos de paquetes

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Canales lógicos

Bluetooth define cinco enlaces lógicos:

• Link Control (LC). Se mapea en la cabecera del paquete y contiene información de bajo nivel para el control del enlace, como ARQ, control de flujo y la

caracterización del payload. Este enlace se transporta en todos los paquetes excepto en el ID, que no tiene cabecera.

• ACL Control Logical Link (ACL-C). Transporta información de control entre los controladores de enlace (Link Managers: encargados del control de la banda base) del maestro y del esclavo. Usa generalmente paquetes DM1, y en algunos casos puede usar DV1. Se identifica con LLID=11 en la cabecera del payload. • User Asynchronous/Isochronous Logical Link (ACL-U). Transporta datos de

usuario asíncronos o isócronos (datos síncronos que viajan por un canal ACL). Estos mensajes pueden ser transmitidos en uno o más paquetes de banda base. Para paquetes fragmentados, el primer paquete usa LLID=10 en la cabecera del payload, y el resto de paquetes LLID = 01. Si no hay fragmentación, todos los paquetes usan LLID=10.

• User Synchronous Data Logical Link (SCO-S). Transporta datos de usuario síncronos sobre canales SCO.

• User Extended Synchronous Data Logical Link (eSCO-S). Transporta datos de usuario síncronos sobre canales eSCO.

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Estados de conexión

Se definen 3 estados principales: STANDBY, CONNECTION y PARK; y 7 subestados: page, page scan, inquiry, inquiry scan, master response, slave response, e inquiry response.

Los subestados son estados provisionales que se usan para el

establecimiento de la conexión y para el descubrimiento de dispositivos.

STANDBY PARK CONNECTION Page Page scan Inquiry Inquiry scan Master response Slave response Inquiry response

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Estados de conexión

STANDBY. Es el estado por defecto. El dispositivo no se encuentra

conectado a ninguna piconet y únicamente va corriendo su reloj nativo. El dispositivo puede abandonar este estado para realizar escuchas, bien de posibles solicitudes de conexión (page scan), bien de solicitudes de

descubrimiento (inquiry scan), o para realizar él mismo una solicitud de conexión (page) o una petición de descubrimiento de dispositivos (inquiry).

Subestados de descubrimiento de dispositivos. • Inquiry.

o Un dispositivo Bluetooth entra en este subestado para descubrir los dispositivos que se encuentran en su entorno. Para ello, envía un mensaje de Inquiry (paquete ID), que contiene el código de acceso GIAC (para el descubrimiento de todos los dispositivos) o DIAC (para el descubrimiento de un tipo determinado de dispositivos). Este mensaje no contiene ninguna información sobre el dispositivo que efectúa el inquiry.

o El mensaje de Inquiry se repite cambiando de frecuencia dos veces por slot Tx (cada 312,5 ms) con una secuencia de 16 frecuencias. Esta secuencia (10 ms.) se repite varias veces (al menos 256) y después se cambia por otra secuencia de 16 frecuencias

distintas que se repiten de nuevo varias veces. En total, se usan 32 frecuencias para el salto. La secuencia se deriva siempre del GIAC, aunque se use un inquiry con el DIAC. o En este subestado, el dispositivo recoge las BD_ADDR, los relojes y otra información

(servicios soportados, nombre local, etc.) de todos los dispositivos que contestan (un dispositivo puede decidir no ser descubrible).

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Estados de conexión

Subestados de descubrimiento de dispositivos (cont). • Inquiry scan.

o Un dispositivo Bluetooth entra en este subestado (desde STANDBY o CONNECTION) para detectar las peticiones de descubrimiento realizadas por otros dispositivos del entorno. Para ello, inicia la escucha a una de las 32 frecuencias de salto usadas en el inquiry (el valor de la frecuencia concreta se obtiene a partir de su reloj) y se mantiene a la escucha durante un tiempo configurable (entre 10,625 ms. y 2,56 s.; por defecto, 11,25 ms.). Tras ese tiempo, vuelve al estado anterior (STANDBY o CONNECTION) y vuelve a abrir una ventana de escucha tras un tiempo configurable (entre 11,25 ms. y 2,56 s.; por defecto, 2,56 s.) a la siguiente frecuencia de salto (determinada por el GIAC).

• Inquiry response.

o Cuando se recibe el mensaje de inquiry en el estado inquiry scan, el dispositivo transmite un paquete FHS como respuesta 625 µs después de la recepción a la frecuencia

correspondiente (a cada una de las 32 frecuencias de salto de transmisión del mensaje de inquiry le corresponde una única frecuencia de recepción 625 µs más tarde) .

o En el mensaje FHS se indica si se va a enviar información adicional del dispositivo. En caso afirmativo, se envía un paquete 1.250 µs tras la transmisión del FHS a la misma frecuencia que éste (no se salta de frecuencia).

o Como pueden producirse colisiones si varios dispositivos envían el FHS

simultáneamente a la misma frecuencia, un dispositivo envía el FHS varias veces tras esperar tiempos aleatorios (random backoff) mientras se sigan recibiendo mensajes de inquiry (hay que tener el cuenta que el FHS no genera ACK).

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Estados de conexión

Subestados de descubrimiento de dispositivos (cont).

tren 10ms (16 slots - 16 frecuencias)

Inquiry device Inquiry Scan device TX RX ID FHS

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Estados de conexión

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Estados de conexión

Subestados de establecimiento de la conexión.

• Page.

o Para realizar un page, el maestro debe conocer la BD_ADDR del dispositivo paged, bien porque lo ha descubierto tras un inquiry o porque lo conoce de antemano.

o El maestro envía un mensaje de page (paquete ID) cuyo código de acceso es el DAC del dispositivo paged.

o La secuencia de salto, formada por 32 posibles frecuencias, se deriva de la BD_ADDR del esclavo, de modo que será la misma que la utilizada por éste para escanear. Sin embargo, en un momento determinado, el esclavo no tiene por qué estar escuchando la misma frecuencia que la usada por el maestro (fase). Para ello, el maestro debería conocer el reloj del esclavo. Puede tener un cierto conocimiento de éste si ha existido una conexión previa en la que el ahora esclavo actuó como maestro o porque el maestro realizó antes un inquiry y el esclavo le envió el valor de su reloj. De este modo, el

maestro estima la frecuencia en la que está escuchando el esclavo.

o La estimación puede ser incorrecta. Por ello, el maestro divide las 32 frecuencias en dos bloques (trenes). El primero está formado por las 16 frecuencias más cercanas a la estimada y el segundo por las 16 restantes. El maestro envía el mensaje de page

cambiando de frecuencia dos veces por slot Tx (cada 312,5 ms) con la secuencia de 16 frecuencias del primer tren. Esta secuencia (10 ms.) se repite varias veces y, si no se ha recibido respuesta, se cambia por la otra secuencia de 16 frecuencias distintas, que se repiten de nuevo varias veces.

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Estados de conexión

Subestados de establecimiento de la conexión (cont).

• Page scan.

o Un dispositivo Bluetooth entra en este subestado (desde STANDBY o CONNECTION) para detectar un posible page realizado por otro dispositivo. Para ello, inicia la escucha a una de las 32 frecuencias de salto de la secuencia derivada de su BD_ADDR (el valor de la frecuencia concreta se obtiene a partir de su reloj) y se mantiene a la escucha durante un tiempo configurable, siempre superior al que ocupan las 16 frecuencias del page. Tras ese tiempo, vuelve al estado anterior (STANDBY o CONNECTION) y vuelve a abrir una ventana de escucha tras un tiempo configurable a la frecuencia correspondiente al valor del reloj en ese instante.

• Slave response.

o El esclavo entra en este estado cuando detecta un page y responde 625 µs después de la recepción con un paquete ID (con su DAC) a la frecuencia correspondiente dentro de la secuencia de salto del sentido esclavo a maestro.

o En el slot siguiente el maestro enviará un paquete FHS al esclavo, al que éste responderá con un paquete ID (con el DAC del esclavo).

o El esclavo pasa a la secuencia de salto normal (79 frecuencias) determinada por la BD_ADDR del maestro (que ha recibido en el FHS) pues con ella el maestro le envía el primer paquete de entrada en el estado CONNECTION (paquete poll), al que el esclavo contesta con cualquier tipo de paquete.

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Estados de conexión Por defecto: T_{w_page_scan} = 11’25 ms (N=18) T_{page_scan} = 1’28 s (N=2048)

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Estados de conexión

Subestados de establecimiento de la conexión (cont).

• Master response.

o El maestro entra en este estado cuando detecta el ID del esclavo (que éste envía como primera respuesta al mensaje de page).

o Tras la recepción del paquete ID del esclavo, el maestro envía un paquete FHS en el que informa al esclavo, entre otras cosas, de la clase de dispositivo y de su BD_ADDR y su reloj, para que éste pueda determinar la secuencia de salto a utilizar en el estado

CONNECTION.

o Tras el reconocimiento por parte del esclavo del FHS (con un paquete ID), el maestro entra en estado CONNECTION y envía un paquete POLL con la secuencia de salto determinada por su BD_ADDR.

CONNECTION. En este estado, se ha establecido la conexión y tanto el maestro como el esclavo pueden enviar paquetes en ambos sentidos. Los paquetes se envían con el DAC del maestro. Los primeros paquetes

intercambiados en este estado son de control para definir los parámetros del enlace y proporcionar información acerca de los dispositivos.

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Estados de conexión

Establecimiento de la conexión

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Estados de conexión

PARK. En este estado, el esclavo no puede intercambiar datos con el

maestro, pero se mantiene sincronizado con él. El esclavo libera su dirección LT_ADDR de esclavo activo y recibe dos direcciones nuevas:

• PM_ADDR (Parked Member Address): Dirección de 8 bits para distinguir entre 255 esclavos aparcados (la dirección todo ceros se reserva). Esta dirección la puede usar el maestro para activar a un miembro aparcado. También puede activarlo enviando su BD_ADDR de 48 bits (de modo que en realidad el número de esclavos aparcados puede ser mucho mayor que 255).

• AR_ADDR (Access Request Address): Dirección de 8 bits que usará el esclavo para solicitar salir del estado PARK para activarse.

Los esclavos aparcados se despiertan periódicamente para resincronizarse y escuchar los mensajes de broadcast. Para que los esclavos puedan

mantener la sincronización y acceder al canal para solicitar su activación, el máster envía periódicamente un beacon y abre ventanas de acceso, de cuya estructura se informa al esclavo cuando se aparca. Si cambia esta estructura de envío, se informa al esclavo aparcado mediante mensajes de broadcast.

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Modos de bajo consumo

Además del estado PARK, que también es un modo de operación en el que el esclavo reduce su consumo de energía, existen otros dos modos de

operación de bajo consumo cuando el esclavo se encuentra activo (estado CONNECTION): HOLD y SNIFF.

• HOLD:

o En este estado se interrumple la transferencia de paquetes en la conexión ACL del esclavo, si bien las conexiones SCO y eSCO se mantienen.

o El esclavo mantiene su dirección LT_ADDR.

o Antes de entrar en este estado, el maestro y el esclavo acuerdan su duración. Cuando transcurre ese tiempo, el esclavo vuelve a esperar posibles transmisiones en su

conexión ACL con el maestro.

o Durante el tiempo en el que se encuentra en este modo, el esclavo puede hacer otras cosas, como scanning, paging, inquirying o atender a otra piconet (si se encuentra en una scatternet).

• SNIFF:

o En este estado se reduce el tiempo en el que el esclavo se encuentra escuchando las posibles transmisiones del maestro, de manera que solamente escucha en unos

determinados slots separados un intervalo fijo (T_sniff) acordado con el maestro. o Este modo solamente afecta a la conexión ACL. Las conexiones SCO y eSCO se

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Pila de protocolos HCI Radio AUDIO L2CAP Baseband LMP SDP RFCOMM TCS-BIN OBEX AT-COMMANDS PPP TCP/IP

Headset _AccessLAN Cordless_Phone Fax File Transfer Sync APLICACIONES MÓDULO BLUETOOTH INTERFAZ HOST CONTROLLER (hardware y software) PERFILES

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Pila de protocolos

Radio. Esta capa se encarga de transmitir y recibir los flujos de bits modulados.

Baseband. Se encarga de todos los procesos de nivel físico (sincronización, entramado, codificación de canal, control del flujo de datos en los enlaces, ARQ, etc.).

LMP (Link Manager Protocol). Se encarga de la señalización entre

dispositivos bluetooth para el control de la baseband: Establecimiento de la conexión, negociación de parámetros y cambio en las pólíticas del enlace. Incluye funciones de control de la piconet como attach y detach de esclavos, la conmutación maestro-esclavo, el establecimiento de enlaces ACL y SCO y el control de los modos de baja potencia. También se encarga de las

funciones de configuración del enlace, como la gestión de la calidad de

servicio (intervalo de polling, envío de los mensajes de broadcast), el control de potencia y la negociación del tipo de paquetes (utilización de paquetes multislot). Finalmente, tiene también funciones de seguridad, encargándose de la autenticación y el cifrado.

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Pila de protocolos

LMP (Link Manager Protocol) (cont).

Master

Slave

Paging Connection Setup (LMP) Optional: M-S Switch, Security, etc Declare Setup complete ID ID ID LMP_host_connection_req LMP_accepted

Master Slave Switch (opt) Accept or Not Accept

Opt. Additional Transactions

LMP_setup_complete

FHS

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Pila de protocolos

LMP (Link Manager Protocol) (cont).

Formato de los paquetes LMP

Se utilizan paquetes DM1 para intercambiar mensajes de control y configuración.

ACCESS CODE

72 bits HEADER54 bits

PAYLOAD BODY

0-136 bits información + CRC16 + FEC 2/3 Payload Header

8 bits

TID

1 bit OpCode7 bits PAYLOAD

Extended Opcode 8 bits

hasta 136 bits

TID

1 bit OpCode7 bits PAYLOAD

hasta 136 bits

• TID = 0 si una determinada transacción de paquetes LMP ha sido iniciada por el maestro y TID = 1 si ha sido iniciada por el esclavo. Todas las PDUs de una transacción tienen el mismo TID.

• El Opcode (7 ó 15 bits) identifica el tipo de PDU.

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Pila de protocolos

HCI (Host Controller Interface). Proporciona una interfaz para acceder a las capacidades del módulo Bluetooth.

PAL: Protocol Adaptation Layer

Radio Baseband Link Manager Driver HCI Control L2CAP Audio

Protocolos intermedios y aplicaciones

Firmware HCI

Interfaz física

Módulo Bluetooth

Host

Capa de transporte HCI

Diagrama de bloques

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Pila de protocolos

HCI (Host Controller Interface) (cont). El HCI driver del host intercambia datos, comandos y eventos con el firmware HCI del módulo Bluetooth. El Host Control Transport Layer (USB, serie, etc.) permite a ambas capas HCI intercambiar información. Estos mecanismos de transporte proporcionan al host la capacidad de enviar comandos HCI, datos ACL y datos síncronos al controlador BR/EDR y comandos HCI y datos ACL al controlador AMP.

También permiten al host recibir eventos HCI, datos ACL y síncronos del controlador BR/EDR y datos ACL del controlador AMP.

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Pila de protocolos

HCI (Host Controller Interface) (cont). La especificación HCI de Bluetooth define el formato de los comandos, eventos e intercambio de datos entre el host y los controladores. Los comandos se utilizan para el control del enlace (ordenar conexiones, desconexiones, cambiar claves, establecer el cifrado, etc.), para la política del enlace (establecimiento del enlace, modos de bajo consumo, etc.), para modificar parámetros de banda base, para obtener

información sobre las características y capacidades del dispositivo Bluetooth, para obtener información sobre la calidad del enlace, etc.

Ejemplo: Formato de los paquetes de comandos HCI

Cada comando se identifica por un OpCode único constituido por dos campos: OGF (Opcode Group Field), que indica el grupo de comandos al que

pertenece (p.ej. control de enlace) y el OCF (Opcode

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Pila de protocolos

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol). Proporciona servicios de datos orientados a conexión y no orientados a conexión a los protocolos de nivel superior, con capacidad para la multiplexación de protocolos y la

segmentación y reensamblado de paquetes.

Radio

Link Manager

Protocol (LMP)

Baseband

Logical Link Control and

Adaption Protocol (L2CAP)

Capas superiores

HCI

Tareas de bajo nivel. Transmisión de

paquetes

• Multiplexación

• Segmentación y reensamblado. • Retransmisión y control de flujo

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) (cont). La SDU máxima en L2CAP es de 64 kbytes.

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) (cont). El funcionamiento de L2CAP se basa en canales. Cada uno de los dos puntos de terminación de un canal viene definido mediante un identificador local CID (Channel

Identifier). Se pueden establecer varios canales L2CAP entre el maestro y

cada esclavo, cuyas características (fiabilidad, tamaño de la SDU máxima, etc.) se determinan para cada canal de forma independiente. Cada

dispositivo elige el CID de forma independiente, de modo que puede suceder que un dispositivo tenga canales L2CAP establecidos simultáneamente con diferentes dispositivos que utilicen un mismo valor de CID. Lo que nunca puede suceder es que un dispositivo asigne el mismo valor CID a dos conexiones L2CAP distintas. El par (CID, dispositivo) determina

unívocamente una conexión L2CAP.

Bidireccionales: Connection-Oriented and Unicast Traffic on Connectionless Channel

Unidireccionales:

Connectionless Data Channels

(usados para broadcast por parte del maestro)

L2CAP Signaling Channel Device #2 L2CAP CID L2CAP CID _CID CID _CID Device #4 L2CAP CID Device #3 L2CAP CID Device #1 L2CAP CID CID CID CID

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) (cont). Paquetes L2CAP en modo básico

Basic L2CAP Header

4 bytes DATA L2CAP

Length

2 bytes 2 bytesCID 1 byteCode Identifier1 byte 2 bytesLength tamaño variable según el tipo (puede ser 0)DATA Signaling Channel

Connectionless Channel

Connection-oriented Channel PSM

≥ 2 bytes INFORMATION PAYLOAD0 - 65.533 bytes Length

2 bytes 2 bytesCID

INFORMATION PAYLOAD 0 - 65.535 bytes Length

2 bytes 2 bytesCID

Longitud de los campos de DATA L2CAP: PSM + information payload en bytes

CID de destino

CID = 0x0002 (reservado para tráfico no orientado a conexión)

Longitud del campo information payload en bytes

Protocol Service Multiplexer: Indica el protocolo de nivel superior que ha originado el paquete (p.ej.: SDP: 0x0001; RFCOMM: 0x0003).

Longitud de los campos de DATA L2CAP: Code + Identifier + Length + DATA CID = 0x0001 (reservado para señalización)

Identifica el tipo de comando Enlaza peticiones y respuestas: El dispositivo que realiza la petición da un valor a este campo y el que envía la respuesta coloca el mismo valor.

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) (cont).

Paquetes L2CAP para canales orientados a conexión en modos con retransmisión/control de flujo/streaming

Length

2 bytes 2 bytesCID 2/4 bytesControl

L2CAP SDU Length 0/2 bytes FCS 0/2 bytes Information Payload

tamaño variable según el tipo (puede ser 0) Cabecera

L2CAP básica

I-Frame (Information Frame): Para la transferencia de información entre entidades L2CAP

Length

2 bytes 2 bytesCID 2/4 bytesControl

L2CAP SDU Length 0/2 bytes

FCS 0/2 bytes

S-Frame (Supervisory Frame): Para el ACK de I-Frames y solicitar su

retransmisión

• El campo de control contiene bits para el control de la segmentación y ensamblado (I-Frames), número de secuencia, ACK, control de flujo, etc.

• Cuando una SDU L2CAP se segmenta en varias I-Frames, el campo L2CAP SDU

Length está presente en la primera de ellas y contiene la longitud de la SDU L2CAP. El resto de I-Frames no incluyen este campo.

• El FCS es opcional. Si se incluye, contiene el CRC de toda la trama (incluyendo la cabecera L2CAP básica).

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Pila de protocolos

L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) (cont). Segmentación y reensamblado

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Bluetooth

Pila de protocolos

SDP (Service Discovery Protocol). SDP proporciona un mecanismo que permite a las aplicaciones descubrir cuáles son los servicios disponibles en su entorno y determinar las propiedades específicas de éstos.

RFCOMM (Radio Frequency Communication). Es un conjunto simple de protocolos de transporte, construido sobre el protocolo L2CAP, que

proporciona hasta sesenta conexiones simultáneas para dispositivos Bluetooth emulando puertos serie RS-232.

TCS-BIN (Telephony Control Specification - Binary). Es un protocolo que define la señalización de control para el establecimientos de llamadas de voz y datos entre dispositivos Bluetooth.

OBEX (OBject EXchange). Es un protocolo de comunicaciones para el intercambio de objetos binarios entre dispositivos.

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Perfiles

Definen los protocolos por defecto de una aplicación. Permiten que no sea necesario implementar en un dispositivo toda la pila de protocolos, sólo los necesarios para esa aplicación y aseguran la interoperabilidad entre

dispositivos Bluetooth que cumplan los mismos perfiles.

Perfiles

Protocolos

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Perfiles

Perfil de acceso Genérico (GAP): Se encarga de procedimientos para el descubrimiento y establecimiento de conexión para dispositivos Bluetooth. Es la base del resto de perfiles.

Perfil de Aplicación del descubrimiento de Servicio (SDAP): Define los procedimientos para descubrir servicios registrados en otros dispositivos.

Perfil de Puerto Serie (SPP): Define los procedimientos para poder emular el puerto serie en los dispositivos Bluetooth.

Perfil genérico de intercambio de objetos (GOEP): Define cómo los

dispositivos Bluetooth deben soportar los modelos de intercambio de objetos.

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Bibliografía

- http://www.bluetooth.org - http://www.bluetooth.com. Especificaciones en : http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Technology/Building/Specifications/Default.htm - http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html