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Arquitectura II
Trabajo de Investigación - Tecnología Bluetooth
Trabajo de Investigación - Bluetooth
TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN _______________________________________________ 3
Historia ____________________________________________________________________ 3
El SIG de Bluetooth __________________________________________________________ 4
VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA _________________________________ 4
VERSIONES __________________________________________________ 5
CONEXIÓN Y REDES ___________________________________________ 5
Topología de las redes _______________________________________________________ 5
Estados de Conexión _________________________________________________________ 7
ARQUITECTURA_______________________________________________ 8
Características básicas _______________________________________________________ 8
Alcance ____________________________________________________________________ 9
Transmisión de Datos ________________________________________________________ 9
Arquitectura interna _________________________________________________________ 10
PERFILES ___________________________________________________ 12
COMPARACIÓN CON OTRAS TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS _______ 13
DESARROLLO FUTURO _______________________________________ 14
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Introducción
Bluetooth es el nombre común de la norma IEEE 802.15.1, que define
un estándar global de comunicación inalámbrica de corto alcance.
Los dispositivos que implementan esta tecnología están dotados interna
o externamente de un pequeño chip de radio que transmite señales a un
receptor ubicado en otro chip.
La especificación Bluetooth comprende hardware, software y
requerimientos de interoperatividad (intercambio de información entre
sistemas de distinto tipo), por lo que en su desarrollo participaron las
principales empresas de telecomunicaciones e informática del mundo,
como Sony Ericsson, Nokia, Motorola, Toshiba, IBM e Intel.
La tecnología Bluetooth es empleada principalmente en dispositivos
móviles de uso personal, pero también es utilizada en gran medida en las
redes de varios sectores de la industria para reducir el número de cables
y lograr conexiones sin interrupciones, transmitir sonido, transferir datos
o establecer comunicaciones de voz, y en el campo de la medicina, entre
otras cosas, para realizar seguimientos de pacientes.
Bluetooth es utilizada principalmente en los siguientes sistemas:
 PDAs (Personal Digital Assistants, computadoras de bolsillo)
 Teléfonos celulares
 Consolas de videojuegos (se utiliza, por ejemplo, en el Wiimote)
 Auriculares
 Computadoras laptop y desktop
 Impresoras
 Cámaras digitales
Historia
Bluetooth fue creado para unir diferentes equipos, y
es por eso que su nombre deriva del rey danés
Harald Blåtand cuya traducción al inglés es Harold
Bluetooth, conocido por ser un buen comunicador y
por unificar las tribus noruegas, suecas y danesas.
El logo de Bluetooth
está formado por la
unión de las runas
nórdicas Hagalaz (“H”)
y Berkana (“B”) en un
mismo símbolo.
Los orígenes de esta tecnología se encuentran en una investigación
iniciada en 1994 por la compañía sueca Ericsson, que buscaba un medio
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
de interconexión universal de bajo costo para transferir voz y datos entre
distintos dispositivos (como teléfonos celulares) mediante la utilización de
ondas de radio.
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos portátiles tiene soporte de
Bluetooth incorporado (built-in).
El SIG de Bluetooth
El SIG (Special Interest Group) de Bluetooth es un grupo fundado en
1999, formado por compañías que trabajan en forma conjunta para
desarrollar, promover, definir y publicar las especificaciones de esta
tecnología.
Ventajas de la tecnología
 Facilidad de uso: para realizar conexiones entre dispositivos que
utilizan esta tecnología no es necesario instalar controladores
(drivers), además, el estándar Bluetooth permite crear redes ad
hoc (espontáneas), sin necesidad de una infraestructura física.
Esto hace que sean sencillas de instalar y configurar. El usuario
lleva consigo en todo momento su red de área personal (PAN) e
incluso puede conectarse a otras (ver scatternets).
 Reduce el número de cables necesarios para transferir
cantidades no demasiado grandes de datos en hogares u oficinas.
 Bajo consumo energético: en modo de bajo consumo, el gasto
energético es de 1 mW/h, y en modo de alto consumo es de
100mW/h. (mW = miliWatt)
 Bajo costo: en este momento el chip de radio utilizado por
dispositivos con Bluettoth no supera los cinco dólares.
 Banda de Frecuencia Libre: dado que la tecnología Bluetooth
funciona en la banda ISM (banda internacional de radio industrial,
científica y médica) no requiere licencia (por lo tanto, su uso es
gratuito).
 Mediante el uso de la función de Salto Adaptable de Frecuencia
(AFH) se evitan y limitan las interferencias de otras señales.
 Seguridad: la tecnología Bluetooth cuenta con seguridad
integrada, como el cifrado de 128 bits, que hace que la información
enviada sea mucho más difícil de descifrar por personas no
autorizadas, y la autenticación mediante código PIN. Cuando dos
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
productos Bluetooth se identifican y conectan entre si por primera
vez el usuario debe ingresar su número PIN, para certificar que
aprueba la conexión.
Versiones

Bluetooth v.1.1 (2001):
 Tiene una velocidad de transferencia de 723.1 Kbps

Bluetooth v.1.2 (2003):
 Permite la existencia simultánea de conexiones Wi-Fi y
Bluetooth sin que haya interferencias (se debe recordar que
ambas trabajan en frecuencias cercanas a los 2.4 Ghz)
 Incorpora las tecnologías Voice Quality y Enhanced Voice
Processing, que reducen el ruido ambiental, mejorando la
calidad de las comunicaciones de voz.
 Incorpora la técnica Adaptive Frequency Hopping (AFH),
que hace que la transmisión de datos sea más rápida y que
su cifrado sea más seguro.
 Tiene una velocidad de transferencia de 1 Mbps

Bluetooth v.2.0 (2004):
 Incorpora Enhanced Data Rate (EDR) que mejora la
velocidad de transmisión (ahora va de 2.1 a 3 Mbps)

Bluetooth v.2.1 (2007):
 Simplifica la conexión entre dispositivos
drásticamente el consumo de energía.
y
reduce
Conexión y Redes
Topología de las redes
Piconet
Una piconet es una pequeña red local, formada por equipos con
capacidades Bluetooth que comparten un área de cobertura. En las
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
piconets las unidades actúan como pares (peers), o sea, todos sus
miembros tienen los mismos privilegios, pero uno de ellos actúa como
maestro y el resto como esclavos hasta que finalice la conexión.
El dispositivo maestro determina el patrón de salto de frecuencias, hace
que los esclavos sincronicen su reloj (clock) con el suyo y controla la
transmisión de datos.
Se debe aclarar que una unidad puede ser maestro de solo una piconet a
la vez, pero puede ser esclavo en varias piconets.
 Cuando un nuevo dispositivo se une a la piconet, se le asigna un
AMA (Active Member Adress – Dirección de Miembro Activo) de 3
bits.
 Cuando existen 8 miembros activos conectados la piconet (el
máximo permitido), el dispositivo maestro coloca a uno de ellos en
el estado park.
 Tras entrar en el estado Park (uno de los estados de bajo
consumo) el dispositivo obtiene un PMA (Passive Member Address
– Dirección de Miembro Pasivo) de 8 bits, y libera su antiguo AMA,
que puede ser asignado a otro dispositivo que se encuentra en
estado pasivo. La diferencia entre la cantidad de direcciones de
miembros activos y pasivos se debe a que el número de
dispositivos que pueden estar esperando simultáneamente para
unirse a una piconet es 256, mientras que solo 8 pueden transferir
datos.
Scatternet
Las scatternets (que en español significaría algo como “redes
esparcidas”) son conjuntos formados por dos o más piconets
superpuestas, que tienen uno o más dispositivos PMP (dispositivos que
forman parte de más de una piconet a la vez) que actúan como puentes
entre ambas redes. Esto se logra por medio de la multiplexación por
división de tiempo (TDM), que asigna a cada canal todo el ancho de
banda (tamaño de un canal, que resulta de la diferencia entre la
frecuencia más alta y la más baja del canal medida en Hertz) durante un
slot.
Las scatternets solucionan uno de los principales problemas de las
piconets, que es la disminución de la velocidad de transferencia cuando
se incorporan nuevos usuarios a la red, haciendo que solo compartan un
mismo canal aquellas unidades que van a intercambiar información.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Piconet
Scatternet
Estados de Conexión
 Standby (Espera): el dispositivo no está conectado a ninguna
piconet, y está esperando para unirse a una. Cuando se encuentra
en este estado, el chip consume una cantidad mínima de recursos.
 Inquiry (Pregunta): busca dispositivos a los cuales conectarse
dentro de su área de alcance, y obtiene sus direcciones dentro de
la piconet a través de unos paquetes especiales (FHS) que ellos le
envían. El inquiry scan se realiza una vez cada 1,25 segundos.
 Page (Búsqueda): Una vez que el dispositivo recibió una respuesta
en el inquiry scan, envía un paquete ACK al maestro con su código
de acceso, al cual éste responde con un paquete de control que
contiene información sobre su ID y reloj. Finalmente, el dispositivo
envía un nuevo paquete ACK con su dirección, y se incorpora a la
piconet.
 Connected (Conectado): cuando se encuentra en este estado, el
dispositivo está habilitado para transferir datos dentro de la
piconet.
 Park (estacionado): es un estado de bajo consumo en el que el
dispositivo sigue estando sincronizado con el dispositivo maestro y
sigue conociendo su frecuencia de salto, pero no puede transmitir
datos (hasta que se reactive), permitiendo que el ancho de banda
sea utilizado por los dispositivos activos.
 Hold: Cuando un miembro de la piconet no está transfiriendo datos
con mucha frecuencia, el dispositivo maestro puede ponerlo en
este modo de bajo consumo, en el que solo su reloj interno se
mantiene funcionando.
 Sniff: en este modo el dispositivo realiza inquiry scans y escucha
peticiones de otros dispositivos a una frecuencia menor que en el
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
resto de los estados activos. Al igual que cuando entra al estado
Hold, el dispositivo sigue manteniendo su AMA.
Arquitectura
Algunos conceptos importantes a tener en cuenta antes de comenzar a analizar la
arquitectura de bluetooth son los de espectro y banda.
El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles radiaciones
electromagnéticas.
Una banda es una subsección del espectro electromagnético utilizada con un propósito
específico (como la banda ISM).
Características básicas
 Trabaja en frecuencias que van desde 2.4Ghz hasta 2.483Ghz
 Utiliza un esquema de Modulación por Desplazamiento de
Frecuencia Gausiana (GFSK), en el que los 1 lógicos son
representados mediante un incremento y los 0 lógicos son
representados mediante un decremento de la frecuencia de la
onda portadora. Este esquema permite hacer un uso más eficiente
de las señales, aumentar el alcance y disminuir el consumo de
energía.
 Cada dispositivo Bluetooth tiene una clave de identificación única
de 48 bits.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Alcance
El alcance de conexión de los dispositivos que
implementan la tecnología Bluetooth es de 10
metros en modo de bajo consumo y de hasta 100
metros (similar al de Wi-Fi, pero en ciertos casos es
necesario utilizar repetidores) en modo de alto
consumo. El alcance puede verse afectado por
objetos físicos que se encuentren entre los
dispositivos que se desean comunicar.
Los dispositivos Bluetooth se dividen en tres clases
según su alcance:
Clase 1: 100 metros
Clase 2: 20 a 30 metros
Onda portadora
(Carrier Wave) es una
forma de onda
modulada por una
señal que contiene la
información a
transmitir, es decir,
ciertas variaciones en
la señal moduladora
permiten modificar
determinados
parámetros de la onda
portadora.
La frecuencia de esta
onda es mayor que la
de la señal
moduladora.
Clase 3: 1 metro
La distancia de comunicación entre dispositivos de distinta clase está
determinada por el alcance del dispositivo de menor alcance.
Transmisión de Datos
La transmisión de datos se divide en espacios de tiempo denominados
slots (ranuras) de 625μs (microsegundos) de duración. Cada paquete
transmitido puede ocupar 1,3 o 5 slots.
Un paquete es un conjunto
de datos que se transmiten a
través de un canal físico. Los
paquetes utilizados por
bluetooth están divididos en
tres partes: un área que
contiene el código de acceso;
un encabezado que contiene
información relativa al
paquete, como la dirección a
la que se dirige, su tipo y el
número de slots que va a
ocupar; y un área de datos,
que contiene la información a
transmitir y un código de
redundancia cíclica (CRC)
para detectar errores.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) es una técnica mediante la cual se hace
saltar a la señal entre 79 canales en forma pseudoaleatoria, 1600 veces por segundo
(una vez por slot). Se utiliza para reducir la interferencia con otros sistemas inalámbricos
y evitar que los datos puedan ser interceptados.
Arquitectura interna
La arquitectura de Bluetooth está organizada en una pila de protocolos
(Bluetooth Protocol Stack) compuesta por cuatro capas (encargadas
de llevar a cabo las operaciones necesarias para transmitir datos) que
contienen distintas unidades funcionales.
Los protocolos son
reglas formales que
especifican de qué forma
deben comunicarse dos
sistemas.
Las unidades
funcionales son bloques
abstractos definidos por
el estándar Bluetooth
que establecen una
actividad a realizar, pero
cuya implementación
práctica depende del
fabricante del dispositivo.
Capas Básicas
 Capa de Radio: contiene el bloque RF que se encarga de enviar y
recibir paquetes en el canal físico (equivale al nivel más bajo del
modelo OSI), es decir, en la emisión convierte datos provenientes
de la capa superior (Banda Base) en señales físicas (ondas), y en
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
la recepción transforma las señales físicas en datos y los pasa a la
capa superior.
Los dos tipos de enlace físico son el sincrónico y el asincrónico:
 Sincrónico: es un enlace entre un dispositivo maestro y
un esclavo específico, que reserva dos canales
consecutivos (uno para el envío y otro para la recepción)
en intervalos regulares de tiempo. Este tipo de enlace se
utiliza para enviar y recibir voz, y a diferencia del enlace
asincrónico nunca retransmite los paquetes, ya que la
información se transmite en tiempo real (la voz no puede
ir y volver).
 Asincrónico: este tipo de enlace establece una única
conexión entre maestro y esclavo a la vez, y utiliza la
retransmisión de datos para validar la integridad de los
datos (comprueba que los datos recibidos son los mismos
que los enviados). En este enlace el dispositivo maestro
regula el flujo de información permitiendo al esclavo
enviar datos solo si el maestro le permitió hacerlo en el
slot anterior.
 Banda Base (Baseband): sus funciones más importantes son
sincronizar y transmitir información hacia el bloque RF, realizar la
corrección de errores en los datos mediante los mecanismos de
CRC (Control de Redundancia Cíclica) y FEC (Forward Error
Correction) y encriptar los datos.
 Protocolo de Administración de Enlaces (Link Management
Protocol - LMP-): equivale al nivel enlace del modelo OSI. En
general, se puede decir que lo que hace esta capa es configurar y
administrar la seguridad de las conexiones. Específicamente, sus
funciones más importantes son enviar y recibir mensajes de
regulación de energía, realizar el cambio de modalidades entre
hold, park, sniff y page, sincronizar los relojes de los dispositivos
maestro y esclavo, realizar transferencias de datos entre
dispositivos maestro y esclavo sobre un enlace asincrónico y
establecer conexiones.
Los mensajes provenientes de esta capa tienen una prioridad
mayor que los datos transmitidos por el usuario y se envían
aunque el enlace esté congestionado.
 Link Layer Control and Adaptation layer Protocol (L2CAP): es
la capa más alta de la pila de protocolos. Se encarga de
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
multiplexar los protocolos de capas superiores para que puedan
ser interpretados por la banda base y viceversa, de fraccionar y
rearmar paquetes y de transmitir la información necesaria para
garantizar que la operación no excederá un nivel específico de
tiempo y que el tamaño de los paquetes no superará la capacidad
del receptor (QoS).
Capas superiores
 RFCOMM: Emula puertos de serie, permitiendo enviar señales de
control y datos a dispositivos que los utilizan (como impresoras y
modems).
 Protocolo de Descubrimiento de Servicios (Service Discovery
Protocol -SDP-): busca dispositivos con los cuales comunicarse
dentro del área de alcance.
Perfiles
Los perfiles son modelos de uso de Bluetooth establecidos por el SIG,
que definen el comportamiento que deben adoptar dispositivos de distinto
tipo al comunicarse. Su objetivo es asegurar la compatibilidad entre
dispositivos y aplicaciones de distintos vendedores.
Algunos de los perfiles son:
 Generic Access Profile (GAP): es el perfil básico al que deben
adaptarse todos los dispositivos Bluetooth, ya que asegura que
cualquier dispositivo que cuente con esta tecnología pueda
intercambiar información con otro, y de esta manera conocer
cuales son las operaciones permitidas entre ellos.
 Dial-Up Networking Profile (DUN): es utilizado, por ejemplo, para
acceder a Internet con una notebook utilizando un celular dotado
de un chip Bluetooth como módem inalámbrico.
 Basic Printing Profile (BPP): se utiliza para enviar texto o
imágenes desde un dispositivo móvil a una impresora sin
necesidad de instalar drivers de ninguna marca específica.
 Human Interface Device (HID): es utilizado para comunicarse con
dispositivos de entrada, como teclados, controles remotos y
punteros.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Comparación con otras tecnologías
inalámbricas
A continuación describiremos brevemente las principales tecnologías de
conexión inalámbrica, comparando los puntos fuertes y débiles de cada
una con los de Bluettoth.
 Wi-Fi (802.11): Es una de las tecnologías de conexión inalámbrica
más populares. Opera en la frecuencia de 2.4Ghz (al igual que la
tecnología estudiada) y se caracteriza por su alto bitrate (espacio
físico que ocupa el segundo de audio - cuanto mayor es este,
mejor es la calidad -), pero también es más cara, y su consumo
energético quintuplica el de Bluetooth. Como está pensada
esencialmente para redes de área local, no es un competidor
directo de Bluetooth.
 IrDA (Infrared Data Association): Es un estándar de transmisión
de datos a través de rayos infrarrojos. Existe para una cantidad de
dispositivos similar a la que utiliza Bluetooth, pero si bien es
bastante utilizado por su bajo costo (sobre todo en controles
remotos y para sincronizar PDAs), al ser point-to-point (los
dispositivos deben estar “viéndose” directamente
para
comunicarse) su implementación es más difícil. Además, sus
rangos de alcance (0 a 1 metro) y de visión (30º) son muy
reducidos, y las señales infrarrojas no son capaces de atravesar
objetos sólidos (a diferencia de las señales utilizadas por
Bluetooth, que si bien pierden intensidad, son capaces de
atravesarlos)
 HomeRF: Es un estándar de comunicación inalámbrica entre
teléfonos, que transporta voz y datos por separado. Esta
tecnología compite con Bluetooth, pero no es tan popular.
 ZigBee (IEEE 802.15.4): fue impulsada por una alianza de
compañías (entre las que se incluyen Samsung, Mitsubishi y
Philips) con el objetivo de convertirse en el estándar inalámbrico
del ámbito industrial. Comparte con Bluetooth su rango de alcance,
su bajo costo y su facilidad de uso, pero presenta un consumo
energético menor, velocidades de transferencia inferiores y menos
seguridad.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Desarrollo Futuro
En este momento (Octubre de 2007) está en desarrollo una nueva
tecnología Bluetooth de consumo ultrabajo, compatible con versiones
anteriores de esta especificación, que dará a los dispositivos que la
implementen una autonomía mucho mayor a la actual. Esto adquiere una
gran relevancia en campos como el de la salud personal (por ejemplo,
permite enviar datos sobre la presión arterial de la persona a su teléfono
celular para ser almacenados o procesados), donde es imprescindible la
portabilidad.
Se espera que esta tecnología llegue al mercado en 2008.
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Trabajo de Investigación - Bluetooth
Fuentes consultadas:
http://spanish.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Glossary/
http://spanish.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Technology/Specifications/Default.htm
http://spanish.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Benefits/
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Works/Core_System_Architecture.htm
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Works/Profiles_Overview.htm
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Works/
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Works/Communications_Topology.htm
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Technology/lowpower.htm
http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Technology/Compare/
http://www.bluezona.com/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=50
http://www.bluezona.com/index.php?option=com_content&task=view&id=445&Itemid=211
http://en.wikipedia.org/wiki/Band_(radio)
http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
http://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_wave
http://en.wikipedia.org/wiki/Center_frequency
http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum
http://es.wikipedia.org/wiki/Multiplexación_por_división_de_tiempo
http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_ISM
http://es.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_(especificación)
http://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_red
http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_ensanchado_por_salto_de_frecuencia
http://es.wikipedia.org/wiki/FEC
http://es.wikipedia.org/wiki/Obex
http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/rfcomm.asp
http://www.palowireless.com/INFOTOOTH/glossary.asp
http://www.thewirelessdirectory.com/Bluetooth-Software/Bluetooth-Protocol-Stack.htm
http://www.its.bldrdoc.gov/fs-1037/dir-006/_0851.htm
http://www.pcmag.com/encyclopedia_term/0,2542,t=physical+link&i=49239,00.asp
http://www.palowireless.com/bluetooth/docs/mmichthesis.pdf
http://gospel.endorasoft.es/eventos/seminario-wirelessnebrija07/SeminarioWirelessNebrija2007_EspecificacionBluetooth.pdf
Bluetooth 2.1 Core Specification (Core V2.1 + EDR.pdf – desde
http://spanish.bluetooth.com/Bluetooth/Learn/Technology/Specifications/Default.htm)
Bluetooth Wireless Networking.ppt (creada por Satish P. - Project Director and Head of
Embedded Systems Group Network Systems and Technologies (P) Ltd.)
Bluetooth Architecture Overview - James Kardach
Principios de Arquitectura de Computadoras – Vincent Heuring y Miles Murdocca, Prentice Hall
- CRC
Microsoft Encarta 2007 – Ancho de Banda
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