LA TECNOLOGIA BLUETOOTH

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1 DII - Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Corso di Comunicazioni Wireless LA TECNOLOGIA BLUETOOTH Laura Raffaeli

2 Cos è Bluetooth? E uno standard di comunicazione radio per l'interconnessione di dispositivi elettronici. Non è una wireless LAN, quanto piuttosto un sistema wireless di cable replacement, dunque una tecnologia per breve e media distanza da 1m a 100m. Si propone come l interfaccia universale di collegamento per terminali mobili, eliminando problemi di compatibilità elettrica e meccanica, tipica di seriali ed USB. La tecnologia Bluetooth opera nella banda di frequenze tra 2.4 e 2.5 GHz, che è denominata ISM (Industrial, Scientific and Medical) ed è libera da ogni licenza di utilizzo. È caratterizzata da basso costo, affidabilità e specifiche aperte

3 Utilizzo di una tecnologia radio La tecnologia Bluetooth nasce come strumento per la creazione di reti personali e la sostituzione dei cavi: nei dispositivi mobili il cavo è un impedimento e deve essere eliminato. BT sfrutta una comunicazione radio per fare comunicare due dispositivi vicini. Questo solleva un insieme di altri problemi rispetto al caso di un cavo: - I vicini possono essere più di uno. - Due dispositivi devono conoscersi, scegliersi e intendersi. - La disconnessione può avvenire per semplice allontanamento o per la presenza di interferenze. - Le onde radio occupano lo spazio circostante che diventa un mezzo condiviso cui bisogna regolare l accesso. - Un sistema radio è attivo: assorbe energia anche quando non si sta trasmettendo.

4 Caratteristiche Bluetooth Ogni dispositivo è dotato di un indirizzo MAC di 48 bit univoco a livello mondiale, assegnato dal costruttore: BD_ADDR Ad ogni dispositivo può essere assegnato un nome (detto friendly name o display name). Bluetooth prevede due tipi di collegamenti/servizi: orientato alla connessione o senza connessione. SCO (Synchronous Connection-Oriented) prevede trasmissione su canali sincroni e supporta traffico audio di tipo real-time e multimediale. ACL (Asynchronous Connection-Less) invece fornisce un servizio di tipo best-effort su canali asincroni ed è utilizzato per il traffico dati. Specifica non solo la comunicazione ma anche l applicazione, attraverso la standardizzazione dei servizi: ogni terminale si classifica e descrive rigorosamente a runtime protocolli e servizi.

5 Tecnica trasmissiva Bluetooth usa una tecnica trasmissiva di tipo FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum a spettro diffuso con salti di frequenza), in cui la frequenza non è fissata ma varia saltando tra 79 frequenze diverse ad intervalli regolari, secondo una sequenza pseudocasuale. Ciò consente di contrastare l'interferenza e il fading, un affievolimento del segnale causato dalla disomogeneità dell'atmosfera e da ostacoli riflettenti presenti tra trasmettitore e ricevitore. In queste condizioni, infatti, la radiazione emessa si propaga e raggiunge l'antenna ricevente seguendo cammini diversi, che producono attenuazioni diverse e sfasamenti casuali; la ricomposizione di questi contributi all'antenna ricevente genera un segnale la cui ampiezza può fluttuare anche fortemente.

6 Classi dei dispositivi I dispositivi dotati di Bluetooth si dividono in 3 classi: Classe Potenza (mw) Potenza (dbm) Distanza (m) Classe ~ 100 Classe 2 2,5 4 ~ 10 Classe ~ 1 Il raggio di trasmissione varia in base alla classe da 1m a 100m, distanze limitate dall'esigenza di contenere la potenza di trasmissione e, di conseguenza, il consumo di energia.

7 Versioni Bluetooth - Bluetooth 1.0 (Luglio 1999) che è uscita in tre varianti 1.0, 1.0a e 1.0b - Bluetooth 1.1 (Febbraio 2001) - Nel Giugno 2002, l IEEE ha prodotto una propria versione dello standard 1.1 denominata Bluetooth 1.2 (Novembre 2003) - Bluetooth Bluetooth 3.0 (Aprile 2009) - Bluetooth 4.0 (Luglio 2010) - Bluetooth 4.1 (Dicembre 2013)

8 Versioni Bluetooth Le diverse versioni del Bluetooth si distinguono fra loro in base a implementazione di tecniche trasmissive, sicurezza, consumi energetici e velocità di trasmissione. Il data rate lordo (comprensivo, cioè, dei campi dei pacchetti dati che non costituiscono carico utile) è aumentato negli anni in funzione delle nuove modalità sviluppate. La versione 1.2 operava in modalità Basic Rate a 1 Mbps, a partire dalla 2.0 si è passati a 3 Mbps con la modalità Enhanced Data Rate (ora chiamata anche Classical ), e dalla versione 3.0 il rate è salito a 54 Mbps in modalità High Speed. I rate netti corrispondenti sono 723 Kbps, 2169 Kbps e 24 Mbps.

9 Bluetooth 4.0 La novità sostanziale rispetto alle precedenti versioni riguarda i consumi energetici. L implementazione della specifica low energy (LE) riduce significativamente l'assorbimento energetico e ne permette l'utilizzo su una più ampia gamma di dispositivi a basso consumo. Il grande vantaggio fornito dalla modalità LE è che i dispositivi possono scambiarsi regolarmente piccolissime quantità di dati a bassa velocità, come sincronizzazione dell'orario o informazioni per l'identificazione, con un minimo impatto sull'autonomia. Quando invece è necessario trasferire grandi quantità di dati in poco tempo, Bluetooth 4.0 può attivare la modalità Wi-Fi già introdotta nella versione 3.0: questa gli permette di raggiungere, servendosi di un modulo radio g, una velocità massima di 24 Mbps.

10 Bluetooth 4.1 Rilasciate dal SIG le specifiche per questa nuova versione nel Dicembre I punti su cui si basa sono fondamentalmente quattro: Interferenze con LTE ridotte Qualità delle connessioni migliorate Trasferimento dei dati più efficiente e riduzione ulteriore dei consumi Multiassociazione fra dispositivi Aggiornamento alle release 4.1 senza la necessità di cambiare i dispositivi: il software dei chip si potranno aggiornare in modo OTA (Over The Air aggiornamento di un dispositivo ricevendo wireless il nuovo software).

11 Bluetooth Interferenze con LTE ridotte Bluetooth 4.0 a volte ha qualche problema di interferenza con le frequenze LTE, nuova tipologia di connessione a internet ultraveloce 4G. Tale incompatibilità sporadica nella nuova versione di Bluetooth 4.1 verrà completamente risolta, cambiando lievemente la metodologia con cui le onde radio vengono trasmesse. 2. Qualità delle connessioni migliorata Verrà fornita una certa elasticità ai produttori per stabilire i tempi di riconnessione. Il tempo di riconnessione diventa adesso flessibile e variabile: questo permette ai dispositivi una riconnessione automatica quando nuovamente vicini. L intervallo di tempo in cui un prodotto Bluetooth continua a cercare dispositivi da associare sarà personalizzabile dai produttori, e in modo molto versatile.

12 Bluetooth Trasferimento dei dati più efficiente e riduzione dei consumi La tecnologia Bluetooth Smart permetterà un trasferimento automatico molto rapido e senza la perdita di dati utili da parte di tutte quelle periferiche che utilizzano sensori ambientali, come gli smartwatch per gli sportivi. Bluetooth Smart prevede ovviamente l adozione da parte del produttore delle periferiche Bluetooth, le quali, grazie a Bluetooth 4.1, potranno essere sfruttate al meglio sui dispositivi, dimezzando anche i tempi di trasferimento e risparmiando ancora sull autonomia della batteria. 4. Multiassociazione fra dispositivi L aspetto probabilmente più interessante del nuovo standard sta nella possibilità di collegare in cascata più dispositivi Bluetooth. Ad esempio, possiamo collegare il nostro smartphone ad uno speaker senza fili per ascoltare la musica, ma anche associarvi uno smartwatch per ricevere gli avvisi di notifica direttamente sul display da polso. Il nuovo standard creerà dei canali paralleli appositi che non andranno a collidere fra loro.

13 Supporto alla sicurezza 1. Pairing Il processo di pairing viene attivato quando due dispositivi, che vogliono attivare politiche di sicurezza, vengono in contatto per la prima volta. Può prevedere l inserimento di un codice (PIN), che può essere arbitrario (purché identico sulle due parti). I due dispositivi devono stabilire una chiave segreta condivisa, detta link key, derivata a partire da una coppia di numeri casuali. 2. Autenticazione L'autenticazione è ottenuta utilizzando la chiave segreta condivisa fra i due apparati (costruita durante la fase di pairing). Avviene con un meccanismo a sfida e risposta (challenge/response) tra un dispositivo richiedente e un verificatore dell'autenticazione. Se la procedura ha successo, viene ripetuta a ruoli invertiti, permettendo l'autenticazione reciproca e quindi l associazione.

14 3. Cifratura Una volta autenticato il dispositivo remoto, è possibile attivare la cifratura. Il dispositivo che decide di cifrare il traffico deve richiedere al dispositivo remoto di fare altrettanto: Se il dispositivo remoto accetta la richiesta, tutto il traffico scambiato viene cifrato; Se rifiuta, la connessione viene chiusa. 4. Autorizzazione L autorizzazione è il processo che stabilisce se la richiesta di connessione che proviene da un dispositivo remoto deve essere soddisfatta. Per ogni applicazione può essere creata una lista di dispositivi che possono accedere liberamente al servizio (trusted devices). Se un dispositivo non presente in questa lista richiede l attivazione di una connessione, viene richiesto all utente di accettare o rifiutare questa richiesta.

15 Reti di dispositivi Le reti topologicamente più semplici che si possono realizzare tra dispositivi Bluetooth vengono dette piconet. Esse sono composte al massimo da 8 elementi e sono caratterizzate dalla sincronizzazione temporale tra i partecipanti e dalla sequenza di frequenze di salto seguita dai suoi membri. Nodo master: - Si occupa della gestione dell accesso al canale Nodi slave: - Accedono al canale solo a fronte di una richiesta del master - Al massimo 7 slave attivi, fino a 254 slave inattivi L aggregazione di più piconet viene detta scatternet: si possono collegare al massimo dieci piconet per formare una scatternet.

16 Reti di dispositivi Per permettere la creazione di reti più grandi, ciascun dispositivo può: - essere master in una piconet e slave in un altra; - partecipare come slave a più piconet.

17 Creazione di una connessione Fase di ricerca (inquiry) che permette di identificare i dispositivi e i relativi indirizzi nel raggio di copertura. Il master invia una richiesta di ricerca a tutti i nodi (punti di accesso) presenti nella sua zona di portata, che rispondono con il loro indirizzo. Il nodo master sceglie un indirizzo e attraverso la tecnica di paging sincronizza il proprio clock e la propria frequenza con il dispositivo scelto. Inizia la fase di scoperta dei servizi del punto d'accesso, secondo un protocollo chiamato SDP (Service Discovery Protocol). A conclusione di questa fase, il master è in grado di creare un canale di comunicazione con il punto di accesso (slave) utilizzando il protocollo L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol).

18 Modalità operative Per risparmiare energia i nodi possono trovarsi in diverse modalità operative, in base alla loro attività istantanea nella rete. Active: Il nodo può effettuare trasmissione e ricezione dati o semplicemente rimanere connesso alla piconet, mantenendo la sincronizzazione con il clock del sistema. Standby: Include tre modalità, elencate in ordine di potenza decrescente: - sniff - hold - park

19 Definizioni Protocollo: Descrive il formato dei dati delle interfacce di comunicazione dei servizi, ma non descrive le funzionalità applicative di alto livello. I protocolli sono considerati come elementi software stratificati (layer) in cui ciascun livello è responsabile di un particolare aspetto della comunicazione Profilo: Insieme di funzionalità ben specifiche indipendentemente dal produttore e caratterizzate dalla composizione di uno o più protocolli. I profili forniscono funzionalità cumulative ed estendibili, infatti un profilo specializzato eredita ed estende le funzionalità di quelli generici da cui deriva. I profili non sono tra loro indipendenti, ogni profilo è contenuto in un altro e dipende da esso.

20 Stack Protocollare Lo standard Bluetooth definisce un protocollo di comunicazione per garantire l'interoperabilità fra dispositivi di produttori diversi. È organizzato in una pila, in cui ogni strato (layer) usa i servizi degli strati inferiori offrendone a sua volta a quelli superiori.

21 Profili Bluetooth Lo standard Bluetooth definisce un certo numero di profili, che permettono di definire il tipo di servizi offerti da ogni periferica.

22 Profili Bluetooth Il profilo fondamentale è il Generic Access Profile (GAP): - supportato da ogni dispositivo bluetooth; - definisce le procedure elementari per consentire l individuazione tra dispositivi e la loro connessione, le operazioni di autenticazione e cifratura. Il Serial Port Profile (SPP) descrive un generico servizio basato su una porta seriale. Comprende l insieme di protocolli tra cui RFCOMM, per la gestione delle porte seriali emulate. Il Service Discovery Application Profile (SDAP) consente la pubblicazione e la ricerca dei servizi forniti dai dispositivi Bluetooth per mezzo del Service Discovery Protocol. Il Generic Object Exchange Profile (GOEP) è il profilo generico per lo scambio di oggetti tra dispositivi.

23 Shield Bluetooth SeeedStudio Integra un modulo Serial Bluetooth, che può essere utilizzato su board Arduino. E possibile utilizzare le Software Serial Ports e selezionare due pin della board Arduino per comunicare con lo shield BT.

24 Shield Bluetooth SeeedStudio Features: [ - Input Voltage: 3.3V - Baudrate: 9600, 19200, 38400, 57600, , , Seeeduino/Arduino compatible - Up to 10m communication distance in house without obstacle - UART interface (TTL) with programmable baud rate (SPP firmware installed) - Default PINCODE: A full set of configuration commands - On board PCB antenna - FCC ID certificated

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