Tecnologia Bluetooth - Parte 1

Olá pessoal! Hoje eu vou falar sobre a tecnologia Bluetooth. O Bluetooth é uma tecnologia que está presente na maioria dos dispositivos da atualidade (notebooks, smartphones, tablets, etc.) e também por isso é bastante utilizada. Porém, pouca gente sabe como funciona essa tecnologia e nesse post, vou tentar esclarecer essas e outras dúvidas além de explicar o surgimento. As versões e demais particularidades explicarei em um post futuro.

Conceituando

A proposta da tecnologia Bluetooth consiste em ser um meio de comunicação sem fio que permite que computadores, smartphones, tablets e afins troquem dados entre si e se conectem a mouses, teclados, fones de ouvido, impressoras e outros acessórios de maneira rápida, descomplicada e sem uso de cabos, bastando apenas que um esteja próximo do outro.
Bluetooth é um padrão de comunicação global e destaca-se nessa tecnologia o baixo consumo de energia. Uma combinação de hardware e software é utilizada para permitir que este procedimento ocorra entre os mais variados tipos de aparelhos.
A transmissão de dados é feita por meio de radiofrequência (ondas de rádio), permitindo que um dispositivo detecte o outro independente de suas posições, sendo necessário apenas que ambos estejam dentro do limite de proximidade (a princípio, quanto mais perto um do outro, melhor).
Para que seja possível atender aos mais variados tipos de dispositivos, o alcance máximo do Bluetooth foi dividido em três classes:

• Classe 1: potência máxima de 100 mW (miliwatt), alcance de até 100 metros;
• Classe 2: potência máxima de 2,5 mW, alcance de até 10 metros;
• Classe 3: potência máxima de 1 mW, alcance de até 1 metro.

Este índice sugere que um aparelho com Bluetooth classe 3 somente conseguirá se comunicar com outro se a distância entre ambos for inferior a 1 metro, por exemplo. Esta distância pode até parecer inutilizável, mas é suficiente para conectar um fone de ouvido a um telefone celular guardado no bolso de uma pessoa. É importante frisar, no entanto, que dispositivos de classes diferentes podem se comunicar sem qualquer problema, bastando respeitar o limite daquele que possui um alcance menor.

No que diz respeito à velocidade de transmissão de dados, no Bluetooth essa velocidade é relativamente baixa, porém a busca por velocidades maiores é constante. Por exemplo: a terceira versão alcançava, no máximo, 1 Mb/s (megabit por segundo). Na versão seguinte, esse valor passou para até 3 Mb/s. Na versão atual, essa taxa pode chegar à 24 Mb/s. Embora essas taxas sejam curtas, são suficientes para uma conexão satisfatória entre a maioria dos dispositivos.

História do Bluetooth

 

A história do Bluetooth começa em meados de 1994. Na época, a companhia Ericsson passou a estudar a viabilidade de desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo, em vez dos tradicionais cabos. O estudo foi feito com base em um projeto que investigava o uso de mecanismos de comunicação em redes de telefones celulares, que resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MC-Link. Com a evolução do projeto, a Ericsson percebeu que o MC-Link poderia ser bem sucedido, já que o seu principal atrativo era a implementação relativamente fácil e barata.

 

Em 1997, o projeto começou a despertar o interesse de outras empresas que, logo, passaram a fornecer apoio. Por conta disso, em 1998, foi criado o consórcio Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), formado pelas companhias Ericsson, Intel, IBM, Toshiba e Nokia (dezenas de outras companhias aderiram ao consórcio com o passar do tempo). Repare que este grupo envolve duas "gigantes" das telecomunicações (Ericsson e Nokia), dois nomes de peso na fabricação de PCs (IBM e Toshiba) e a líder no desenvolvimento de chips e processadores (Intel). Esta diversidade foi importante para permitir o desenvolvimento de padrões que garantissem o uso e a interoperabilidade da tecnologia nos mais variados dispositivos.

A partir daí, o Bluetooth começou a virar realidade, inclusive pela adoção deste nome. A denominação Bluetooth é uma homenagem a um rei dinamarquês chamado Harald Blåtand, mais conhecido como Harald Bluetooth (Haroldo Dente-Azul). Um de seus grandes feitos foi a unificação da Dinamarca e da Noruega, e é em alusão a este fato que o nome Bluetooth foi escolhido, como que para dizer que a tecnologia proporciona a unificação de variados dispositivos. Não por acaso, o logotipo da tecnologia Bluetooth consiste na junção de dois símbolos nórdicos que correspondem às iniciais do monarca.

Funcionamento do Bluetooth

Frequência e comunicação



 

O Bluetooth é uma tecnologia criada para funcionar no mundo todo, razão pela qual se fez necessária a adoção de uma frequência de rádio aberta e aceita em praticamente qualquer lugar do planeta. A faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical), que opera à frequência de 2,45 GHz, é a que me mais se aproxima desta necessidade, sendo utilizada em vários países, com variações que vão de 2,4 GHz a 2,5 GHz.
Como a faixa ISM é aberta, isto é, pode ser utilizada por qualquer sistema de comunicação, é necessário garantir que o sinal do Bluetooth não sofra interferência. O esquema de comunicação FH-CDMA (Frequency Hopping - Code-Division Multiple Access), utilizado pelo Bluetooth, permite tal proteção, já que faz com que a frequência seja dividida em vários canais. O dispositivo que estabelece a conexão muda de um canal para outro de maneira bastante rápida. Este procedimento é chamado "salto de frequência" (frequency hopping) e permite que a largura de banda da frequência seja muito pequena, diminuindo sensivelmente as chances de interferência. No Bluetooth, pode-se utilizar até 79 frequências (ou 23, dependendo do país) dentro da faixa ISM, cada uma "espaçada" da outra por intervalos de 1 MHz.

Teclado Logitech para tablets: comunicação via Bluetooth

Como um dispositivo se comunicando via Bluetooth pode tanto receber quanto transmitir dados (modo full-duplex), a transmissão é alternada entre slots para transmitir e slots para receber, um esquema denominado FH/TDD (Frequency Hopping / Time Division Duplex). Estes slots são canais divididos em períodos de 625 µs (microssegundos). Cada salto de frequência deve ser ocupado por um slot, fazendo com que se tenha, em 1 segundo, 1.600 saltos.
No que se refere ao enlace, isto é, à ligação entre o emissor e receptor, o Bluetooth faz uso, basicamente, de dois padrões: SCO (Synchronous Connection-Oriented) e ACL (Asynchronous Connection-Less).
O primeiro estabelece um link sincronizado entre o dispositivo emissor e o dispositivo receptor, separando slots para cada um. Assim, o SCO acaba sendo utilizado principalmente em aplicações de envio contínuo de dados, como transmissão de voz. Por funcionar desta forma, o SCO não permite a retransmissão de pacotes de dados perdidos. Quando ocorre perda em uma transmissão de áudio, por exemplo, o dispositivo receptor acaba reproduzindo som com ruído.
O padrão ACL, por sua vez, estabelece um link entre o dispositivo que inicia e gerencia a comunicação e os demais que estão em sua rede. Este link é assíncrono, já que utiliza slots previamente livres. Ao contrário do SCO, o ACL permite o reenvio de pacotes de dados perdidos, garantindo a integridade das informações trocadas entre os dispositivos. Assim, este padrão acaba sendo útil para aplicações que envolvam transferência de arquivos, por exemplo.

Redes Bluetooth

 

Quando dois ou mais dispositivos se comunicam por meio de uma conexão Bluetooth, eles formam uma rede denominada piconet. Nesta comunicação, o dispositivo que iniciou a conexão assume o papel de master (mestre), enquanto que os demais dispositivos se tornam slave (escravos). Cabe ao master a tarefa de regular a transmissão de dados na rede e o sincronismo entre os dispositivos.
Cada piconet pode suportar até 8 dispositivos (um master e 7 slaves), no entanto, é possível elevar este número a partir da sobreposição de piconets. Em poucas palavras, este procedimento consiste em fazer com que uma piconet se comunique com outra que esteja dentro do limite de alcance, esquema este denominado scatternet. Note que um dispositivo slave pode fazer parte de mais de uma piconet ao mesmo tempo, no entanto, um master pode ocupar esta posição somente em uma única piconet.

Ilustração de piconet e scatternet

Para que cada dispositivo saiba quais outros fazem parte de sua piconet, é necessário fazer uso de um método de identificação. Para tanto, um dispositivo que deseja se conectar a uma piconet já existente pode emitir um sinal denominado Inquiry. Os dispositivos que recebem o sinal respondem com um pacote FHS (Frequency Hopping Synchronization), informando a sua identificação e os dados de sincronização da piconet. Com base nestas informações, o dispositivo pode então emitir um sinal chamado Page para estabelecer uma conexão com outro dispositivo.
Como o Bluetooth é uma tecnologia que também oferece economia de energia como vantagem, um terceiro sinal denominado Scan é utilizado para fazer com que os dispositivos que estiverem ociosos entrem em stand-by, isto é, operem em um "modo de descanso", poupando eletricidade. Todavia, dispositivos neste estado são obrigados a "acordar" periodicamente para checar se há outros aparelhos tentando estabelecer conexão.

Protocolos de transporte, middleware e de aplicação

 

Assim como em qualquer tecnologia de comunicação, o Bluetooth precisa de uma série de protocolos para funcionar, cada um atendendo a um fim específico. Os mais importante são chamados de protocolos núcleo ou protocolos de transporte e são divididos, basicamente, nas seguintes camadas:

- RF (Radio Frequency): como o nome indica, camada que lida com os aspectos relacionados ao uso de radiofrequência;

- Baseband: camada que determina como os dispositivos localizam e se comunicam com outros aparelhos via Bluetooth. É aqui, por exemplo, que se define como dispositivos master e slave se conectam dentro de uma piconet, sendo também onde os padrões SCO e ACL (mencionados anteriormente) atuam;

- LMP (Link Manager Protocol): esta camada responde por aspectos da comunicação em si, lidando com parâmetros de autenticação, taxas de transferência de dados, criptografia, níveis de potência, entre outros;

- HCI (Host Controller Interface): esta camada disponibiliza uma interface de comunicação com hardware Bluetooth, proporcionando interoperabilidade entre dispositivos distintos;

- L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol): esta camada serve de ligação com camadas superiores e inferiores, lida com parâmetros de QoS (Quality of Service - Qualidade de Serviço), entre outros.

Podemos encontrar ainda os chamados protocolos middleware, que possibilitam compatibilidade com aplicações já existentes por meio do uso de protocolos e padrões de outras entidades, entre eles, o IP (Internet Procotol), o WAP (Wireless Application Procotol), o PPP (Point-to-Point Protocol) e o OBEX (Object Exchange).
Há também um grupo chamado protocolos de aplicação que faz referência ao uso do Bluetooth em si pelos dispositivos. Para fins de compatibilidade e interoperabilidade, estes protocolos são divididos em perfis. Cada perfil Bluetooth especifica como um equipamento deve implementar a tecnologia.
Há, por exemplo, um perfil para fones de ouvido sem fio, outro para distribuição de áudio, outro para sincronização de dispositivos e assim por diante.

Referências: http://www.infowester.com/bluetooth.php