Capitulo 2 El Estándar Bluetooth

Capitulo 2
El Estándar Bluetooth
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2.1 Estándar 802.15.1
2.1.1 Introducción
El grupo de trabajo IEEE 802.15 ha desarrollado un estándar de WPAN
basado en las especificaciones existentes de Bluetooth. El estándar IEEE 802.15.1
fue publicado en junio de 2002 y revisado en mayo de 2005.
Este estándar es una adaptación de la versión 1.1 de Bluetooth en lo referente
a la capa física (PHY) y a la capa de enlace (MAC), incluyendo L2CAP y LMP.
Bluetooth empieza a concebirse en Ericsson Mobile Communications en 1994 como
el efecto colateral de un proyecto sobre enlaces de comunicadores múltiples
conectados a la red celular mediante teléfonos; cuatro años más tarde, aparece el
grupo de interés en la tecnología Bluetooth SIG (Special Interest Group – Grupo de
Interés Especial) en el que aparecían Ericsson, Toshiba, Nokia, IBM, e Intel como
empresas promotoras de la tecnología; más tarde se sumaron otros promotores como
3Com, Lucent Technology, Microsoft y Motorota generándose el consorcio
Bluetooth. Actualmente el Bluetooth SIG cuenta con más de 2000 empresas.
Figura 2.1: Principales empresas que conforman el SIG
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El objetivo de este grupo es fundamentalmente promover actividades relativas
a mejorar la interoperabilidad de forma que con ello se favorezca el desarrollo del
mercado.
En estos momentos, para que un producto pueda considerarse como Bluetooth
tiene que cumplir una serie de protocolos y perfiles:
a) Protocolos
Los PROTOCOLOS describen cómo se realizan las tareas básicas como
señalización telefónica, gestión de enlace y lo que se conoce como Service Discovery
– Descubrimiento de Servicios, es decir, determinación de qué servicios están
disponibles desde o través de otros productos Bluetooth.
b) Perfiles
Los PERFILES describen la forma en que diferentes protocolos y
procedimientos básicos funcionan conjuntamente en diferentes productos y
aplicaciones Bluetooth: los perfiles están considerados como la primera
aproximación en términos de conseguir la interoperabilidad.
Existen grupos de trabajo dentro del SIG Bluetooth que se encuentran
redactando perfiles para impresión, interfase usuario-equipo y posicionamiento
global (aplicaciones GPS).
Bluetooth está basado en la tecnología clásica de la plataforma inalámbrica
conocida en nuestro medio como spread spectrum (espectro ensanchado), como ya
se verá mas adelante.
2.1.2 Topología de Red
Tenemos tres tipos de topologías de Red que son:
 Topología Punto a Punto
 Topología Piconet
 Topología Scatter-net
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2.1.2.1 Topología Punto a punto
Esta topología es la más sencilla ya que es la conexión directa existente entre
dos dispositivos entre un maestro y un esclavo como se ve en la figura 2.2.
Figura 2.2: Topología Punto a Punto
2.1.2.2 Topología Piconet
En esta topología como se muestra en la figura 2.3, los canales lógicos
solamente pueden establecerse entre un maestro y hasta siete esclavos.
Los nodos esclavos no pueden establecer canales lógicos entre sí, estos tienen
necesariamente que pasar por un nodo maestro.
Únicamente ocho (8) dispositivos activos pueden formar una Piconet. Si se
tuviera más de los dispositivos que conforman una piconet, estos podrían estar dentro
de la piconet, pero en un estado estacionario o de reposo conocido como stand-by.
Un mismo dispositivo puede formar parte de más de una piconet, pero no
puede ser Maestro más de una a la vez.
En este caso, el dispositivo que pertenece a
más de una piconet podrá eventualmente, enrutar paquetes entre ambas piconets.
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Esclavo
Estacionario
Esclavo
Maestro
Estacionario
Esclavo
Figura 2.3: Topología Piconet
2.1.2.2 Topología Scatter-net
La unión de varias piconets interconectadas se denomina “Scatter-net”. Esta
topología puede estar configurada de dos formas que son como:
 Maestro - Esclavo
 Esclavo – Esclavo
La Topología Maestro – Esclavo no es nada más que un dispositivo que
siendo esclavo en una red puede ser Maestro para otra red, pero este dispositivo no
puede ser Maestro en más de una red a la vez como se ve en la figura 2.4.
La Topología Esclavo – Esclavo no es nada más que un dispositivo que
puede ser esclavo de dos diferentes dispositivos Maestros a la vez como se ve en la
figura 2.4
En la figura 2.4 a continuación se observa una posible distribución de 20
dispositivos en una scatter-net, dónde dos de los dispositivos se encuentran
trabajando como Maestros de las piconet dos y tres, y los mismos dispositivos son
esclavos de la piconet uno.
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Figura 2.4: Dispositivos en una Scatter-net, formada por 3 piconets.
Este tipo de configuración nos permite tener un máximo de 2 saltos desde
cualquier nodo al nodo Maestro. Requiriéndose un máximo de 4 saltos para llegar
de nodo a nodo.
2.1.3 Funcionamiento
La tecnología Bluetooth es un sistema de comunicación de corto alcance,
diseñado específicamente para reemplazar a los cables que conectan equipos fijos y
portátiles entre sí. Las características principales de éste tipo de tecnología
inalámbrica se centra en su robustez y el
bajo consumo de potencia de los
terminales.
Un sistema con tecnología Bluetooth consiste en un receptor y emisor de RF,
un sistema de “banda base” y un conjunto de protocolos.
La capa física de Bluetooth, es un sistema de Radio Frecuencia (RF) que
opera en la banda ISM de 2.4 GHz. Utiliza técnicas de modulación basadas en FHSS
(Frequency Hopping Spread Spectrum – Espectro Ensanchado con Salto de
Frecuencia), de manera similar a IEEE 802.11.
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Esta técnica FHSS, consiste en modular la señal que se va a transmitir con
una portadora que “salta” de frecuencia en frecuencia, dentro del ancho de la banda
asignada, en función del tiempo. Los saltos periódicos de frecuencia de la portadora
reducen la interferencia producida por otra señal originada por un sistema de banda
estrecha, afectando solo si ambas señales se transmiten en la misma frecuencia en el
mismo momento.
Se transmite 1 Mega símbolo por segundo (1 Ms/s), soportando velocidades
binarias de 1 Mb/s (“Basic Rate” - Tasa Básica), o con EDR (“Enhanced Data Rate”Tasa de Datos Mejorada), de 2 o 3 Mb/s.
Los dispositivos Bluetooth mas cercanos, forman una “piconet”, dentro de la
cual uno de los dispositivos cumple el rol de “Maestro”, mientras que los demás
asumen el rol de “Esclavos”.
Durante una operación típica, un mismo canal de radio es compartido por el
grupo de la piconet, sincronizándose todos los esclavos al patrón de saltos de
frecuencias impuesto por el maestro. Este patrón de saltos está determinado
algorítmicamente por la dirección y el reloj del “maestro”, y utiliza las 79 posibles
frecuencias de la banda ISM de 2.4 GHz. Se dispone de técnicas adaptativas, que
excluyen las frecuencias en las que se detecta interferencias, con el fin de poder
coexistir con otros sistemas que utilicen frecuencias fijas dentro de la banda.
El canal físico se encuentra subdividido por unidades de tiempo conocidos
como time slots o intervalos de tiempo.
Los datos son transmitidos entre los
dispositivos en paquetes dentro de estos time slots, logrando un efecto “full duplex”
mediante técnicas del tipo TDD (Time-Division Duplex – Duplexación por División
de Tiempo).
Dentro de uno de los canales físicos, se pueden establecer canales
lógicos de comunicación entre los dispositivos de una piconet. Sin embargo, éstos
canales lógicos solamente pueden establecerse entre un maestro y hasta siete
esclavos.
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2.1.4 Capa Física (PHY).
La figura 2.5 nos da a conocer la relación existente entre la pila de protocolo
(Protocol Stack) Bluetooth y la capa física.
La PHY es la primera de 7 capas del modelo OSI y es responsable de la
transmisión de bits entre sistemas adyacentes sobre un canal aéreo. Las tareas de esta
capa se limitan a los siguientes puntos:
 Recepción de una trama de bits de la subcapa MAC y la transmisión de una
trama de bits vía ondas de radio hacia una estación asociada.
 Recepción de ondas de radio de alguna estación asociada y la conversión de
estas a una trama de bits que se transmite hacia la MAC.
Figura 2.5: Relación de la Capa Física PHY
2.1.5
Modulación
La modulación es del tipo GFSK: Transmisión por Desplazamiento de
Frecuencia Gausiana (Gaussian frequency shift keying) con un tiempo de ancho de
banda de 0.5s. El índice de modulación debe ser de entre 0.28 y 0.35. Un 1 binario se
representa con una desviación positiva de frecuencia, y un 0 binario se representa
con una desviación negativa de frecuencia.
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El error de cruce por cero es la diferencia de tiempo entre el periodo ideal del
símbolo y el tiempo de cruce real. Este debe de ser menor a ± 0.125 del periodo de
un símbolo. La desviación máxima de frecuencia debe de ser entre 140 kHz y 175
kHz.
Figura 2.6: Error de Cruce por cero
2.1.6
Sensitividad y Rango
Los niveles actuales de sensibilidad se define como los niveles de entrada
para los cuales el BER (Bit Error Rate – Tasa de Error de Bit ) se consideran de
0.1%.
Los requerimientos de un receptor Bluetooth están en un nivel de sensibilidad
de –70 dBm o mejor. El receptor debe tener un nivel de sensibilidad de –70dBm con
cualquier transmisor Bluetooth.
2.1.7
Interferencias
El desempeño con interferencia co-canal y el de canal adyacente es
aproximadamente de 1 MHz y 2 MHz, siendo esta tomada con la señal deseada a 10
dB sobre el nivel de referencia.
En todas las demás frecuencias, la señal deseada debe ser de 3 dB sobre el
nivel de sensibilidad de referencia.
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2.2 Bluetooth
2.2.1 Reseña Histórica
El nombre Bluetooth tiene sus orígenes entre los años 940 y 985 en nombre al
Rey Vikingo de Dinamarca Harald Blatand (Harald Bluetooth o Diente Azul).
Así como el Rey Harlad unificó Dinamarca y Noruega, es así que los
creadores de Bluetooth esperan que ésta tecnología unifique los mundos de los
dispositivos informáticos y de telecomunicaciones.
En 1998 las compañías Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba e Intel formaron un
“Grupo de Interés Especial” conocido como SIG, para el desarrollo de una
tecnología de conectividad inalámbrica entre dispositivos móviles de uso personal,
que utilizará la banda no licenciada de frecuencias (ISM).
En la actualidad más de 2 500 compañías se han afiliado al grupo Bluetooth
Figura 2.7: Logotipo de Bluetooth
2.2.2 Estándar Bluetooth
Es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica, que
facilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos, mediante un enlace
por radiofrecuencia.
Los principales objetivos que se pretende conseguir con esta norma son:
 Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos
 Eliminar cables y conectores entre los dispositivos.
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 Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la
sincronización de datos entre nuestros equipos personales
La tecnología Bluetooth comprende hardware, software y requerimientos de
Inter-operatibilidad. Para su desarrollo ha sido necesaria la participación de los
principales fabricantes de los sectores de las telecomunicaciones y la informática,
posteriormente se han ido incorporando muchas más compañías, y se piensa que
próximamente lo hagan también empresas de sectores tan variados como, fabricantes
de juguetes, electrodomésticos, etc.
Logrando finalmente una conectividad de nuestros equipos tanto en el hogar
como en la oficina o en cualquier lugar que nos encontremos como se muestra en la
figura 2.8.
Figura 2.8: Conectividad e interoperabilidad de Bluetooth
2.2.2.1 Banda de Frecuencia Libre
Para poder operar en todo el mundo es necesaria una banda de frecuencia
abierta a cualquier sistema de radio independientemente del lugar del planeta donde
nos encontremos. Sólo la banda ISM (médico-científica internacional) de 2.4 GHz
cumple con éste requisito, con rangos que van de los 2.400 Ghz a los 2.4835 Ghz, y
solo con algunas restricciones en países como Francia, España y Japón como se
puede observar en la tabla 2.1.
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Tabla2.1: Bandas de Frecuencia en las que trabaja Bluetooth
2.2.3 Arquitectura de Bluetooth
Una característica de Bluetooth es la de proveer un conjunto completo de
protocolos que permite la intercomunicación de aplicaciones entre dispositivos, a
diferencia de IEEE 802.11 que especifica únicamente las tres capas más bajas del
modelo OSI.
Figura 2.9: Arquitectura Bluetooth
Las tres capas más bajas del protocolo se implementan generalmente dentro
del chip Bluetooth, e interactúan con las capas superiores a través de una interfaz
denominada HCI (Host Controller Interface – Controlador de Interfase Principal).
2.2.3.1 Capa RF
Esta capa de Radio Frecuencia RF contiene el MODEM de radio utilizado
para la transmisión (Tx) y recepción (Rx) de información, en la banda ISM de 2.4
GHz, mediante modulación FHSS.
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2.2.3.2 Capa Banda Base
La capa de banda base (Baseband) se encarga del control del enlace a nivel de
bits y paquetes, además establece la codificación y encriptación, así como las reglas
de saltos de frecuencias.
2.2.3.3 Capa Link Management Protocol (LMP)
La capa LMP Protocolo de Manejo de Enlace (Link Management Protocol)
se encarga de establecer los enlaces con los otros dispositivos, es el responsable de
conectar nodos maestros con esclavos dentro de una piconet y se encarga de la
administración de sus modos de operación ya sean estos activos o estacionarios y se
le encomienda el control de potencia.
2.2.3.4 Capa Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)
La capa L2CAP Protocolo de Adaptación y Control de Enlace Lógico
(Logical Link Control and Adaptation Protocol) es la encargada de proporcionar
servicios de datos orientados a conexión como los no orientados a conexión de los
protocolos de las capas superiores, junto con facilidades de multiplexación,
segmentación y reensamblaje.
Además L2CAP permite que los protocolos de capas superiores puedan
transmitir y recibir paquetes de datos de hasta 64 Kbytes de longitud. Por sobre
L2CAP se ubican las capas RFCOMM, SDP y TCS.
2.2.3.5 Protocolo RFCOMM
Este protocolo es utilizado para establecer comunicaciones seriales punto a
punto, emulando el protocolo RS-232 a través de RF, proporcionando la emulación
de puertos RS-232 serie a través del protocolo L2CAP. Este protocolo esta basado
en el estándar de la ETSI denominado TS 07.10.
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2.2.3.6 Protocolo (SDP)
El protocolo SDP Protocolo de Descubrimiento de Servicios (Service
Discovery Protocol) permite a las aplicaciones del cliente descubrir la existencia de
diversos servicios proporcionados por uno o varios “servidores de aplicaciones”,
junto con los atributos y propiedades de los servicios que se ofrecen.
Estos atributos de servicio incluyen el tipo o clase de servicio ofrecido y el
mecanismo o la información necesaria para utilizar dichos servicios.
2.2.3.7 Protocolo (TCP)
El protocolo TCP Protocolo de Control de Telefonía (Telephony Control
Protocol) define la señalización para el control de llamadas de voz para aplicaciones
de telefonía inalámbrica. Esta basado en el protocolo ITU-T Q.931.
El audio es directamente transferido de la aplicación a la banda base.
Bluetooth soporta hasta 3 canales de audio full duplex simultáneamente.
2.2.4 Consumo de Energía
Uno de los principales temas que se debe tomar muy en cuenta es el consumo
de energía ya que los equipos que utilizan este tipo de tecnología son alimentados
con baterías de corta independencia. Los módems Bluetooth consumen menos
potencia que los de IEEE 802.11.
Bluetooth utiliza la quinta parte de la potencia que maneja la tecnología WiFi (Wíreless Fidelity – Fidelidad Inalámbrica), sin embargo estudios realizados
indican que existen diferentes productos en el mercado 802.11 que pueden tener
grandes diferencias de consumo de energía entre sí. Los de menor consumo, podrían
entrar en la franja de consumos de los productos Bluetooth.
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En tabla 2.2 se muestran las diferentes clases de productos bluetooth, según
su consumo.
Tabla2.2 Clases de Dispositivos Bluetooth en función de la Potencia
2.2.5
Seguridad
Como en todos los tipos existentes de comunicación vía radio, el aspecto de
la seguridad es un tema muy importante y delicado.
El Perfil de Acceso Genérico Bluetooth, que es un marco en el cual se centran
todos los demás perfiles, define tres modos de seguridad:
 Modo de seguridad 1: no seguro.
 Modo de seguridad 2: seguridad impuesta a nivel de servicio.
 Modo de seguridad 3: seguridad impuesta a nivel de enlace.
Modo de seguridad 1
En este modo no se iniciará ningún proceso de seguridad.
Modo de seguridad 2
En este modo el dispositivo Bluetooth inicia el procedimiento de seguridad
después de que el canal haya sido establecido ó sea se establece en las capas altas de
la pila de protocolos.
Modo de seguridad 3
En el siguiente modo de seguridad el dispositivo Bluetooth inicia el
procedimientos de seguridad antes de que el canal haya sido establecido (capas bajas
de la pila de protocolos).
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Además existen dos posibilidades en el acceso de dispositivos a diferentes servicios:
 Dispositivos de confianza
 Dispositivos de no confiables
Los primeros dispositivos tienen acceso sin restricción a todos los servicios,
mientras que los segundos dispositivos tienen acceso limitado.
Los servicios también pueden ser catalogados en tres niveles de seguridad:
 Servicios abiertos, a los cuales puede acceder cualquier dispositivo.
 Servicios que requieren sólo autenticación, a los cuales se puede acceder
cualquier dispositivo que se haya autenticado, puesto que habrá demostrado
que comparte una clave de enlace con el proveedor del servicio.
 Servicios que requieren autenticación y autorización, a los cuales sólo
tendrán acceso aquellos dispositivos que sean de confianza y así estarán
marcados en la base de datos del servidor.
Para conseguir seguridad, tanto en el acceso a otros dispositivos Bluetooth como
en la transmisión de la información entre ellos, es necesario un complejo entramado
de seguridad que afiance estos dos aspectos.
2.2.5.1 Seguridad a nivel de enlace
Para mantener seguridad a nivel de enlace, son cuatro los parámetros que se
deben tomar en cuenta:
 La dirección del dispositivo Bluetooth (BD_ADDR).
 La clave de usuario privado de autenticación.
 La clave de usuario privado de cifrado.
 Un número aleatorio (RAND).
2.2.5.1.1 La Dirección BD_ADDR
Esta dirección tiene una longitud fija de 48 bits y es única para cada
dispositivo Bluetooth, siendo asignada por el IEEE.
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2.2.5.1.2 La clave de autenticación y Cifrado
Esta clave tiene una longitud fija de 128 bits, mientras que la de cifrado, que
normalmente se obtiene a partir de la de autenticación, durante el proceso de
autenticación, tiene una longitud variable, entre 1 y 16 octetos, es decir entre 8 y 128
bits.
2.2.5.1.3 El número aleatorio RAND
El número vendrá derivado de un proceso aleatorio o pseudo-aleatorio que
tendrá lugar en la unidad Bluetooth, este parámetro se modificará frecuentemente.
2.3 Aplicaciones de Bluetooth
En la actualidad, existe una amplia gama de productos comerciales que
abarcan áreas como audio, teléfonos móviles, PDAs dispositivos médicos, equipos de
oficina, equipos de cómputo, accesorios portátiles de comunicación, aparatos de
medición, juegos, entre otros.
En la figura 2.10, se muestra un modulo de comunicaciones que emplea la
tecnología bluetooth.
Figura 2.10: Módulo de aplicación Bluetooth
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2.3.1
Aplicaciones de Transferencia de Datos
La tecnología Bluetooth permite la transferencia de archivos entre
dispositivos móviles.
Figura 2.11: Transferencia de archivos entre dos móviles
Para conectar un dispositivo bluetooth con otro, hay que seguir un
procedimiento conocido como "pairing" (emparejar), en el cual los dos dispositivos
comparten una clave-contraseña como forma de autentificación.
Este proceso varía según el dispositivo utilizado y al que se quiere conectar.
Cuando ya estén conectados y se encuentren configurados, no será necesario repetir
este proceso. Cada vez que los encienda se reconocerán automáticamente.
2.3.2 Manos Libres con Tecnología Bluetooth
La ventaja principal para los usuarios de estos dispositivos Bluetooth es que
no necesitan emplear las manos mientras mantienen una conversación, además de
tener más libertad de movimiento al no utilizar cables que a menudo se enredan, se
enganchan o se desconectan involuntariamente. Los principales inconvenientes, junto
con la dificultad de uso de toda nueva tecnología, son algunos detalles ergonómicos,
tanto de los teléfonos como de los dispositivos manos libres.
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Figura 2.12: Utilización de un dispositivo Manos Libres
2.3.2.1 Características de un dispositivo Manos Libres:
 Independencia al hablar mientras conduce automóviles
 El sonido DSP (Digital Signal Procesing - Procesamiento Digital de Señales)
proporciona una calidad excelente
 Operaciones fáciles para contestar o rechazar una llamada.
Figura 2.13: Dispositivo Manos Libres
2.3.3
Aplicaciones Medicas
La tecnología Bluetooth puede ser utilizada en electromedicina para informar
el estado de salud de una persona, en este caso se muestra como se implementa para
un (ECG) o Electrocardiógrafo.
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Figura 2.14: ECG con tecnología Bluetooth
2.3.4
Otras Aplicaciones
2.3.4.1 Aplicaciones en la Educación
Con herramientas como teléfonos móviles y PDAs se puede incorporar
nuevas actividades para la enseñanza y la investigación, pues se tiene la capacidad de
acceder a una gran cantidad de información. Se puede utilizar estas herramientas para
procesar información y cálculos muy específicos y desplegarlos en pantalla de
diversas maneras, o enviarlos para monitoreo remoto.
Actualmente la aplicación más utilizada y que ha sido desarrollada es la
revisión de calificaciones, que no es nada mas que un programa que una vez
instalado en un PDA, con servicio inalámbrico de conexión a la red en este caso
Bluetooth, se conecta a un servidor, para obtener las calificaciones del usuario en un
curso, previo ingreso de una clave y contraseña.
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