Bluetooth. Cenni storici

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1 Bluetooth Cenni storici I primi studi sulla tecnologia Bluetooth partono nel 1994, quando la Ericsson Mobile Communication intraprende una serie di studi allo scopo di trovare delle alternative wireless per il collegamento tra telefoni e accessori (es. auricolari). Lo studio riguarda un collegamento radio che, non essendo direzionale, non necessita della cosiddetta line of sight, cioè della visibilità diretta, ed ha quindi degli evidenti vantaggi rispetto alle tecnologie infrarossi precedentemente utilizzate per collegare tra loro cellulari e dispositivi vari. Nel febbraio 1998 nasce il SIG (Special Interest Group), che è un gruppo di compagnie leader del settore delle telecomunicazioni e dell elettronica, tra cui Ericsson, Nokia, Intel, IBM e Toshiba, che lavorano assieme per promuovere e definire le specifiche Bluetooth. In seguito entrano a far parte del SIG anche Microsoft, Lucent, 3Com e Motorola; al giorno d oggi il SIG comprende più di 2000 compagnie. Nel luglio 1999 viene pubblicata la versione 1.0 delle specifiche Bluetooth, che viene seguita nel dicembre 1999 dalla versione 1.0b. Nel febbraio 2001 esce la versione 1.1, mentre sono ancora in fase di definizione le versioni 1.2 e 2.0.

2 Generalità Bluetooth è una tecnologia radio studiata appositamente per trasmissioni a corto raggio (tipicamente 10 m) ed è caratterizzata da un bassissimo consumo di potenza, da un basso costo e da una bassa complessità. Queste caratteristiche consentono a Bluetooth di proporsi come la tecnologia del futuro nel campo delle comunicazioni wireless per apparecchi di piccole dimensioni alimentati a batteria. Inoltre è studiata anche per connettere e fare interagire tra di loro dispositivi diversi (telefoni, stampanti, notebook, PDA, impianti HiFi, TV, PC, cellulari, elettrodomestici, etc ), come riportato in Figura 1. Figura 1: Campi di utilizzo di Bluetooth Bluetooth permette anche di accedere a reti locali (LAN) tramite dei dispositivi denominati Access Point, nonché alla rete pubblica PSTN (Public Switched Telephon Network) e alla rete di telefonia mobile. Lo standard Bluetooth consente ai dispositivi di connettersi e comunicare tra loro in una regione limitata attraverso una rete ad hoc chiamata piconet (Figura ), che è costituita da un massimo di otto dispositivi attivi, di cui uno è il master, ossia colui che inizia lo scambio di dati, e gli altri sette sono gli slave, che funzionano in risposta al master, e non hanno altri collegamenti oltre a quello col master. Inoltre è possibile avere fino a 200 dispositivi in modalità park, cioè che non possono essere attivi nello scambio di dati col master, ma che restano sincronizzati con esso. 48

3 Figura 2: Esempio di piconet Caratteristica importante dei dispositivi Bluetooth è la loro capacità di creare e riconfigurare dinamicamente queste piconet senza richiedere l intervento umano. Infatti se un dispositivo entra o esce dalla zona coperta dal master viene riconosciuto o tolto dalla rete automaticamente. Questo grazie all operazione di inquiry, attraverso la quale i dispositivi Bluetooth periodicamente sono in grado di scoprire l esistenza di altri nelle vicinanze. Questa possibilità di configurazione automatica permette, ad esempio, di sincronizzare i dati di un PC portatile e un PDA semplicemente avvicinando i due apparecchi oppure di passare automaticamente al vivavoce quando si entra in auto parlando al cellulare, fino al caso di un operatore industriale che con un palmare può muoversi all interno di una fabbrica e monitorare e configurare i vari macchinari in maniera veloce ed efficiente. Tutto questo è possibile grazie al "Service Discovery Protocol" (SDP), che permette ad un dispositivo Bluetooth di determinare quali sono i servizi che gli altri apparecchi presenti nella piconet mettono a disposizione. Tale protocollo può fungere sia da server (ossia può essere interrogato da un altro dispositivo e rispondere con i propri servizi) sia da client (interrogando gli altri dispositivi) e ogni apparecchio dispone delle informazioni relative ai servizi di cui è capace e dei protocolli supportati: altri apparati potranno fare uso di queste informazioni per determinare le possibilità di interazione con i nodi della piconet. Questo è necessario perché, naturalmente, una stampante Bluetooth non offre le stesse possibilità di un PDA o di un auricolare, pertanto occorre che ogni nodo conosca le funzioni e le possibilità di ogni altro nodo 49

4 della rete. Per fare un esempio concreto, se un telefonino Bluetooth vuole trasferire un messaggio di testo a un PDA, potrà interrogare quest ultimo per sapere se è dotato di funzionalità , o se è in grado di ricevere un testo in altro modo. Quando un dispositivo si inserisce per la prima volta in una piconet, inoltre, effettuerà una "scansione" di tutti i nodi presenti per capire come può interagire con essi. Altra caratteristica importante dei dispositivi Bluetooth è quella di poter essere presenti in più di una piconet contemporaneamente, e di poter addirittura funzionare da master in una piconet e da slave nell altra. Un gruppo di piconet legate tra loro viene chiamata scatternet (Figura 3). Figura 3: Esempio di scatternet Lo standard Bluetooth opera nella banda libera ISM (Industrial, Scientific and Medical) centrata attorno ai 2.4 GHz. Questa banda è occupata da un elevato numero di emettitori RF, dalle applicazioni wireless proprietarie, allo standard Wireless Ethernet (IEEE b), fino ad arrivare a generatori di rumore come i forni a microonde e le lampade al sodio da strada. Ciò ha reso necessario l utilizzo di una tecnica di modulazione robusta alle interferenze: si è scelto una 2-FSK con il frequency hopping come tecnica di spread spectrum (FHSS). Questo sistema di comunicazione funziona secondo uno schema Time Division Multiplexing (TDM), dove l unità base di operazione è uno slot di durata pari a 625 μs. Quando i dispositivi sono connessi, negli slot pari è abilitato a trasmettere il master, mentre negli slot dispari sono abilitati a rispondere gli slave, uno alla volta; in 50

5 particolare può rispondere lo slave che aveva ricevuto dati dal master nello slot precedente. In Figura 4 è mostrato un esempio di scambio di dati tra un master e 2 slave. Figura 4: Scambio di dati tra master e due slave L utilizzo della tecnica FHSS comporta che ogni time slot sia caratterizzato da una frequenza di trasmissione differente, secondo una sequenza di valori frequenziali decisi dal master seguendo un particolare algoritmo di calcolo del frequency hopping. Il bitrate massimo raggiungibile in aria è pari a 1 Mbps. Lo stack Bluetooth Una chiave delle specifiche Bluetooth è il fatto che esse permettono a dispositivi di diverse case di lavorare tra di loro, in quanto non definiscono solo un sistema di trasmissione radio, ma definiscono uno stack software completo per consentire alle applicazioni di trovare dispositivi Bluetooth nella zona, scoprirne i servizi offerti e utilizzarli. Lo stack Bluetooth è definito da una serie di livelli, come si può vedere in Figura 5: 51

6 Figura 5: Stack Bluetooth Ciascun blocco di Figura 5 corrisponde a un capitolo delle specifiche Bluetooth; ciascun livello dello stack verrà descritto dettagliatamente nei paragrafi successivi. Confrontando lo stack Bluetooth con il più familiare modello di riferimento OSI per i protocolli di comunicazione (Figura 6), si può notare come i due modelli non coincidano esattamente tra di loro. 52 Figura 6: Modello di riferimento OSI e Bluetooth

7 La Figura 6 può comunque aiutare per capire che tipo di relazione c è tra un livello del modello OSI e un livello dello stack Bluetooth. Segue ora una descrizione dettagliata di ciascun livello dello stack Bluetooth, con particolare attenzione rivolta al livello Radio, specialmente per i vari ritardi in trasmissione e ricezione, e ai livelli HCI e L2CAP, ossia i livelli ai quali verrà sviluppato il software a microcontrollore per il controllo del modulo Bluetooth. 53

8 Radio Modulazione Il ricetrasmettitore Bluetooth opera nella banda ISM centrata attorno ai 2.4 GHz. Utilizza una modulazione di tipo 2-FSK, ossia una modulazione numerica che trasmette una certa frequenza per il livello logico alto, e un altra per il livello logico basso. L informazione digitale viene prefiltrata con un impulso Gaussiano, in modo che il passaggio da una frequenza all altra non avvenga in modo brusco e si ottenga, quindi, una minore occupazione di banda. Essendo la banda ISM molto rumorosa, è necessario adottare delle tecniche di spread spectrum, in modo da limitare la probabilità d errore. In particolare si utilizza la tecnica del frequency hopping (FHSS), che consiste nello sparpagliare il segnale su una banda maggiore facendo cambiare in continuazione la frequenza della portante. In Figura 7 è mostrato un esempio di trasmissione FHSS, dove ogni T h (tempo di hop) cambia la frequenza della portante (f h1, f h2, ) e, a seconda che il simbolo d t da trasmettere sia 0 o 1, viene trasmesso un segnale a una frequenza maggiore o minore della portante di quell intervallo T h. Nello standard Bluetooth questo salto di frequenza avviene 1600 volte al secondo (ogni 625 μs, ossia un time slot del TDM), e i canali sono fissati e variano a seconda della zona geografica. Figura 7: Trasmissione FHSS 54

9 Nella maggior parte dei paesi la banda di frequenze va da 2400 MHz a MHz, e si hanno 79 canali spaziati di 1 MHz l uno dall altro, a partire da 2402 MHz fino a 2480 MHz. In alcuni paesi, a causa delle limitazioni nazionali sulle banda ISM, è stato specificato uno speciale algoritmo di frequency hopping; un esempio è la Francia, in cui la banda va dai MHz ai MHz, con 23 canali disponibili, spaziati tra loro di 1 MHz, a partire da 2454 MHz fino a 2476 MHz. La Figura 8 mostra le varie bande di frequenza al variare delle zone geografiche; i valori sono espressi in GHz. Figura 8: Bande di frequenze ISM per FHSS In Figura 9 si può vedere lo schema di funzionamento di un modulatore FHSS: Figura 9: Modulatore FHSS 55

10 La banda disponibile è divisa in N = 79 canali e salta tra questi in funzione della sequenza pn t generata nel modulatore, in base alla quale viene generata la portante f hi. Per ogni time slot la banda trasmessa è concentrata attorno alla frequenza della portante attuale, ed ha una larghezza Δf ch dipende dal segnale 2-FSK trasmesso (Figura 10). Figura 10: Salto di canale FHSS Quindi il segnale FHSS è a banda stretta, in quanto tutta la potenza è concentrata attorno al canale in uso; mediando su più salti, la potenza trasmessa si sparge su tutto la banda utile W SS, che nel nostro caso va da GHz a GHz. Il fatto di trasmettere su una banda più larga comporta due vantaggi: una bassa densità di potenza, che significa che il segnale FHSS non disturba altri sistemi e non può essere rilevato da intrusi, garantendo un alto livello di sicurezza, e una ridondanza, data dal fatto che i messaggi presenti su differenti frequenze possono essere recuperati in caso di errore. Questo implica un alta reiezione delle interferenze e del rumore. Ci sono due tipi di rumore che possono interferire: un rumore narrowband, ossia a banda stretta, e un rumore wideband, ossia a banda larga. In caso di rumore a banda stretta presente attorno a una determinata frequenza, esso disturberà solo il canale legato a quella frequenza, bloccando la trasmissione in un singolo time-slot. Questo è dovuto al fatto che in ricezione (Figura 11) il segnale utile subisce l operazione inversa allo spreading (despreading), e torna a banda stretta, mentre il rumore a banda stretta subisce lo sparpagliamento, e non interferisce con il segnale utile. 56

11 Figura 11: Narrowband interference In caso di rumore a banda larga, che potrebbe essere la trasmissione di un altro segnale FHSS, che segue però un altra sequenza di hopping, facendo l operazione di despreading in ricezione, legata però alla nostra sequenza, il nostro segnale utile torna a banda stretta, mentre l interferenza, non essendo correlata alla nostra sequenza, viene espansa ulteriormente (Figura 12). Figura 0.12: Wideband interference 57

12 Classi di potenza Le specifiche Bluetooth definiscono tre classi di potenza e le relative distanze che si possono raggiungere in trasmissione. Ciò è mostrato nella tabella 1: Power Class Output Power (Max) Distance (Max) mw (20 dbm) 100 m mw (4 dbm) 10 m 3 1 mw (0 dbm) 1 m Tabella 1: Classi di potenza Bluetooth I dispositivi di Classe 1 hanno d obbligo il requisito del controllo di potenza, che è opzionale per le classi 2 e 3. Comunque, per un minimo consumo di potenza, è preferibile avere il controllo di potenza. Il controllo di potenza agisce tramite un ricevitore che esamina un segnale di monitorazione della potenza, l RSSI (Receiver Signal Strength Indication); in caso di segnale troppo debole viene mandato un segnale di controllo LMP_incr_pow (a livello Link Manager), che richiede di aumentare la potenza per avere un canale efficiente, mentre in caso di segnale più forte del necessario, c è una richiesta di diminuire la potenza, con un segnale di controllo LMP_decr_pow_req. La misura RSSI compara il segnale ricevuto con due livelli di soglia, che definiscono il Golden Receive Power Range (Figura 13). Figura 13: Golden Receive Power Range 58

13 La soglia bassa corrisponde a un segnale ricevuto di potenza compresa tra i -56 dbm e i 6 db sotto la sensibilità attuale del ricevitore. La soglia superiore è 20 db sopra la soglia inferiore, con un accuratezza di ± 6 db. Parametri di prestazione del sistema RF Le specifiche Bluetooth forniscono dei parametri prestazionali per il sistema RF. Alcuni di questi parametri sono accettabili solo sulla carta, per cui molti dispositivi Bluetooth in commercio eccedono significativamente rispetto alle prestazioni di specifica. Bluetooth deve operare con un Bit Error Rate (BER) massimo dello 0.1%. Questo significa avere un ricevitore con una sensibilità di -70 dbm, anche se nella realtà i ricevitori Bluetooth superano questa specifica di 10 dbm o più. Le specifiche non forniscono valori per il tempo di assestamento nella sintetizzazione. In Figura 14 sono mostrati i tempi di operazione durante una transazione Rx/Tx. End of Data burst Protocol Proc. Baseband Synthesiser Setting μs 51 μs 180 μs 10 μs 625 μs Figura 14: Requisiti per le temporizzazioni Dalla figura si nota che il processore del livello più basso prima decide in che stato mettere il controllore Baseband, che poi deve calcolare la nuova frequenza di trasmissione secondo la sequenza del FHSS e programmare il sintetizzatore. Questo impone un tempo di sintetizzatore di circa 180 μs, ma alcuni dispositivi in commercio hanno tempi migliori, compresi tra i 130 e i 170 μs. 59

14 Architettura del sistema RF Esistono diverse alternative di architetture radio; qui consideriamo una semplice modulazione eterodina a singolo bit per mostrare le componenti di un tipico sistema RF Bluetooth. Il diagramma a blocchi è illustrato in Figura 15. Figura 0.15: Sistema Radio I segnali di controllo TxOn (abilitazione della trasmissione), PaOn (Power Amp), VcoOn (abilitazione del sintetizzatore) e RxOn (abilitazione del ricevitore) sono sincronizzati con l interruttore dell antenna (Antenna Switch), che indica se trasmettere o ricevere nello slot temporale corrente. I dati entrano nel TxData in modo seriale, sotto il controllo del Baseband clock (TxClk); in ricezione, i dati entrano nel Baseband tramite la linea RxData, sotto il controllo del clock di ricezione (RxClk), che viene recuperato tramite un apposito circuito di clock recovery. Tipicamente viene utilizzato un PLL digitale. Il segnale Bluetooth Channel Numeber (ChanNo) deve essere fornito dal Baseband al sintetizzatore, per produrre l esatta frequenza della portante nel mixer. La frequenza si ottiene come ( ChanNo) MHz. 60

15 La funzione del circuito di clock recovery è di recuperare un segnale di clock valido da legare ai dati ricevuti. Esistono due modi per recuperare il clock nei sistemi Bluetooth: il primo consiste nel recuperare il clock conoscendo la sequenza di preamble di quattro bit più il primo bit della parola di sincronismo (synchword), mentre il secondo è una tecnica molto più comune (usata per es. nel DECT), dove si utilizza un PLL digitale. In entrambe i casi, la parte più importante dei dati da cui si recupera il clock sono i cinque bit della sequenza di preamble (incluso il primo della synchword). Comunque, la maggior parte dei sistemi RF perdono i primi uno, due o addirittura tre simboli a causa dei ritardi in ricezione e dei circuiti di soglia in continua. Il risultato di ciò è che solo uno o due simboli sono disponibili per il clock recovery, e l esperienza dimostra che in realtà sono richiesti come minimo quattro o cinque bit. La risposta solita è muoversi nella synchword e usare alcuni di questi bit. Comunque, usando più di uno o due bit aumenta l incertezza nella soglia di correlazione e riduce la sensibilità del ricevitore. Uno sviluppo futuro per il Bluetooth è quello di aumentare la sequenza di preamble. Ad esempio il DECT usa una sequenza di preamble di 16 bit. Temporizzazioni del sistema RF I diagrammi temporali mostrati nelle figure 2.16 e 2.17 illustrano le temporizzazioni dei vari segnali sul livello Radio. I segnali rappresentati nelle figure sono i seguenti: - ChanNo: fornisce il numero di canale per ottenere poi la frequenza attuale; - SynthOn: comanda l accensione del VCO della parte radio, e viene attivato sia in ricezione che in trasmissione; - SynthOutputFrequency: indica la frequenza a cui è sintonizzata la radio; - TxOn: è il segnale di controllo della trasmissione, e abilita i dati ad essere trasmessi; - RxOn: è il segnale di controllo della ricezione, e viene ativato quando è possibile ricevere dati. 61

16 Figura 16: Temporizzazione in trasmissione Per quanto riguarda la trasmissione, il segnale SynthOn viene attivato quando comincia lo slot temporale della trasmissione. Il tempo t TO è chiamato Transmitter On delay, ed indica il tempo minimo da far trascorrere dopo avere attivato la linea di SynthOn prima di attivare la linea TxOn. Il tempo t PHD è il Phase Detect Off delay, e indica il tempo da far trascorrere dopo l attivazione della linea TxOn prima di avviare la trasmissione dei dati. Questo tempo serve per fare stabilizzare la frequenza della portante. Figura 17: Temporizzazione in ricezione 62

17 Osservando la ricezione, il segnale SynthOn segue lo stesso andamento, ed anche qui si ha un ritardo t RO, Receiver On delay, che adesso indica il tempo da far trascorrere dopo l attivazione della linea SynthOn prima di attivare la linea RxOn. Inoltre c è il tempo T PHD, che indica il tempo da far trascorrere dopo l attivazione della linea RxOn prima di avviare la ricezione dei dati. I valori specifici di questi tempi variano a seconda del dispositivo fisico utilizzato, e sono presenti sui data sheet della casa di produzione. Baseband Bisogna innanzitutto fare una distinzione tra Link Controller e Baseband in quanto le specifiche Bluetooth usano a volte questi due termini in modo ambiguo. Il Link Controller (LC) è responsabile del trasporto sul link dei vari pacchetti scambiati provenienti dal Link Manager (Figura 18), e deve mantenere questo collegamento attivo una volta stabilito, mentre il Baseband controlla il livello Radio, è responsabile della temporizzazione a basso livello, del controllo degli errori e della gestione dei collegamenti durante la trasmissione di un pacchetto. Figura 18: Link control e Baseband 63

18 Confrontando con lo stack OSI (Figura 6), il livello fisico è costituito da Radio e Baseband: il livello Radio interfaccia il Baseband con il canale in aria, mentre il Baseband formatta i dati provenienti dal LC, cioè si occupa della criptazione a basso livello per una trasmissione robusta e affidabile, riceve i dati dal canale e li passa nei livelli superiori dello stack. Come descritto in precedenza il sistema Bluetooth utilizza uno schema di trasmissione TDM con slot temporali di 625 μs, che è una combinazione tra una comunicazione a commutazione di pacchetto e una a commutazione di circuito. Alcuni time slot possono essere dedicati a pacchetti sincroni: infatti è possibile supportare fino a tre canali sincroni contemporaneamente, in coesistenza con canali dati asincroni. I canali sincroni hanno una velocità di 64 kbps in entrambe le direzioni, mentre i canali asincroni possono arrivare a kbps in modalità asimmetrica (57.6 kpbs nell altra direzione), o kpbs in modalità simmetrica. Canale fisico Il canale è rappresentato da una sequenza pseudo casuale che indica il salto di frequenza attraverso i 79 canali (23 per i paesi con banda ISM limitata). Questa sequenza di salto è unica per la piconet ed è determinata dall indirizzo del dispositivo master; la fase è invece determinata dal clock del master. Il canale è diviso in slot temporali associati ad un determinato salto di frequenza. Ogni unità che partecipa alla piconet dovrà essere sincronizzata sia temporalmente che frequenzialmente al canale. Ogni dispositivo deve essere in un determinato istante o master o slave; questi due ruoli sono così definiti: - master: dispositivo che inizia lo scambio di dati; - slave: dispositivo che risponde al master. Inoltre, quando sono in comunicazione, gli slave utilizzano la temporizzazione del master e saltano in frequenza seguendo la sequenza del master. 64

19 Figura 19: Slot timing per pacchetti singolo slot Come si può vedere in Figura 19, il master trasmette per primo allo slave; questo accade quando entrambi sono sintonizzati alla frequenza f k. Dopo 625μs i due dispositivi risintonizzano i loro livelli Radio ad una nuova frequenza f k+1, ed ora solo lo slave è autorizzato a trasmettere, e deve anche rispondere con un ACK o meno riguardo al pacchetto inviato nello slot precedente. Le specifiche Bluetooth definiscono pacchetti dati che possono essere lunghi 1, 3 o 5 time slot. In Figura 20 è mostrata la temporizzazione per pacchetti multi-slot, in particolare pacchetti da tre time slot. Figura 0.20: Slot timing per pacchetti multi-slot Usare pacchetti multi-slot consente di raggiungere maggiori data rate, a scapito però di una peggior affidabilità, in quanto un maggior numero di interferenze possono intervenire durante tre o cinque slot temporali rispetto a un singolo slot. Tutti i pacchetti 65

20 hanno lo stesso data header, per cui i pacchetti multi-slot hanno una maggiore efficienza dati. Temporizzazione Come molti protocolli di comunicazione, Bluetooth sincronizza la maggior parte delle operazioni a un clock interno. Questo assicura, per esempio, la sincronizzazione Tx-Rx nello scambio di dati tra due dispositivi, differenziando i pacchetti persi e quelli rispediti. Il clock Bluetooth è un contatore a 28 bit che si resetta a zero all accensione e poi conta in free-run, incrementandosi ogni mezzo slot, cioè μs. Ogni dispositivo ha un suo clock interno, detto native, denominato CLKN. Quando un dispositivo opera come master, il suo clock interno CLKN viene usato come clock della piconet. Se un dispositivo opera come slave si deve invece sincronizzare al clock del master. Per fare questo, uno slave deve aggiungere un offset value al suo clock nativo (Figura 21), dal quale si ottiene una stima del clock del master, chiamata piconet clock, CLK. Il valore di questo offset value viene ricavato durante la procedura di paging (par ), quando il master manda allo slave un pacchetto FHS, che contiene il valore attuale del clock CLKN del master. Uno slave, per mantenere la sincronizzazione col master, si risincronizza ogni volta che riceve, grazie alla synchronisation word, attraverso la quale si riallinea al dispositivo trasmittente. Figura 21: Sincronizzazione tra master e slave 66

21 C è un altro clock definito nel Bluetooth: CLKE, che si ottiene aggiungendo un altro offset al CLKN dello slave ed è usato nel caso specifico di in cui si stabilisce una connessione con uno slave prima di essere sincronizzati con il master. I due bit più bassi del clock (CLK[0] e CLK[1]) sono usati direttamente per delimitare gli slot di trasmissione e ricezione. Una trasmissione del master avviene sempre quando CLK[0:1] = 00, mentre una trasmissione di uno slave avviene quando CLK[0:1] = 10. Collegamenti fisici Il livello Baseband gestisce due tipi di collegamenti: - ACL (Asynchronous Connection-Less) E un collegamento punto-multipunto tra il master e gli slave della piconet. Negli slot non riservati ai collegamenti SCO, il master può scambiare pacchetti con ogni slave della piconet. Tra un master e uno slave può esistere solo un collegamento ACL. E una connessione a commutazione di pacchetto. Può trasportare dati sia dal livello L2CAP che dal livello Link Manager. Uno slave può trasmettere solo se è stato indirizzato nel precedente slot temporale. Per garantire l integrità dei dati, i pacchetti ACL vengono ritrasmessi. - SCO (Synchronous Connection Oriented) E un collegamento simmetrico punto-punto tra il master e uno slave della piconet. Per questo tipo di collegamenti vengono riservati degli slot e può pertanto essere considerato come una connessione a commutazione di circuito. Il collegamento SCO viene utilizzato per la trasmissione della voce; un master può supportare un massimo di tre collegamenti SCO contemporaneamente. I pacchetti SCO non vengono mai ritrasmessi. Struttura dei pacchetti Bluetooth Segue ora una descrizione dei differenti tipi di pacchetti che vengono usati nella comunicazione tra dispositivi nei link ACL e SCO. Come si osserva in Figura 22, un 67

22 pacchetto standard Bluetooth è costituito da tre parti, ossia l access code, il packet header e il payload. Figura 22: Struttura di un pacchetto Bluetooth Access Code Ogni pacchetto inizia con un access code. I compiti di questo campo sono la sincronizzazione, la compensazione dell offset in continua e l identificazione, in quanto l access code viene ricavato dal Bluetooth Device Address del master, cioè ogni pacchetto sulla stessa piconet ha lo stesso channel access code. In Figura 23 viene riportato il formato, che è costituito da 72 o 68 bit a seconda che ci sia o meno il payload. Figura 23: Struttura dell'access Code Bluetooth La prima parte dell access code (preamble) è costituita da 4 bit (0101 o 1010 a seconda del primo bit della synchronisation word, per formare una parola di 5 bit, o o 10101), e serve per rilevare i fronti dei dati ricevuti e creare così un clock con il quale campionare il resto dei dati in ricezione. La synchronisation word è formata da 64 bit, di cui 24 sono costituiti dal LAP (Low Address Part) del dispositivo Bluetooth. L access code è utilizzato nelle procedure di inquiry e di paging, in cui si usano pacchetti senza header e payload. 68

23 Sono definti tre tipi di access code: - Channel access Code (CAC): identifica la piconet; - Device Access Code (DAC): utilizzato per speciali procedure di segnalazione (es. paging e risposta al paging). Il paging è un operazione che viene effettuata quando un dispositivo vuole creare una connessione e che porta alla sincronizzazione tra i due dispositivi. - Inquiry access Code (IAC): utilizzato nelle operazioni di inquiry, si suddivide in GIAC (General IAC) nel caso si vogliano trovare tutti i dispositivi nelle vicinanze e DIAC (Dedicated IAC) nel caso si vogliano trovare solo dispositivi particolari. Gli ultimi 4 bit dell access code (trailer) sono presenti solo se è presente un payload, sono simili al preamble e servono per eseguire migliori compensazioni in continua e recupero del clock. Packet header Questo campo contiene delle informazioni di controllo del collegamento; il packet header (Figura 24) contiene 18 bit di informazione, protetti dal codice Forward Error Correction (FEC) di 1/3, che replica tre volte i dati, per un totale di 54 bit. Figura 0.24: Struttura del Packet header Il payload header consiste di sei campi: - AM_ADDR (3 bit): rappresenta l indirizzo di un membro attivo della piconet; ad ogni slave viene assegnato dal master un indirizzo temporaneo di tre bit, e 69

24 tutti i pacchetti scambiati tra master e slave devono avere l AM_ADDR dello slave. Un AM_ADDR di tutti zeri viene usato per i messaggi di broadcast. - TYPE (4 bit): tipo di pacchetto; - FLOW (1 bit): viene usato per il controllo di flusso dei pacchetti sui collegamenti ACL; FLOW = 0 significa che il buffer di ricezione è pieno e la trasmissione deve essere temporaneamente fermata. Nel periodo in cui FLOW = 0 tuttavia i pacchetti SCO continuano a essere trasmessi. - ARQN (1 bit): indicatore di acknowledge, indica al trasmettitore se i dati sono stati ricevuti correttamente (ARQN = 1) o meno (ARQN = 0). - SEQN (1 bit): fornisce una numerazione sequenziale al flusso dei dati, in quanto questo campo viene invertito ogni volta che si trasmette un nuovo pacchetto. Questo bit permette di evitare problemi in caso di errore sul bit ARQN, in qual caso continuerei a ricevere lo stesso pacchetto. - HEC (8 bit): Header Error Check, è utilizzato per controllare l integrità dell header. Payload Il formato del payload è diverso nel caso di pacchetto SCO o ACL. - ACL payload E costituito da un massimo di 2744 bit, ed è formato da tre campi (Figura 25), cioè il payload header, il payload vero e proprio e il codice controllore d errore Cyclic Redundancy Check (CRC). Figura 0.25: Struttura del payload ACL 70

25 Il payload header è formato a sua volta a tre campi, cioè il L_CH (Logical Channel), che indica se è l inizio o la continuazione di un pacchetto L2CAP o LMP, il flow flag e il length field (lunghezza) (Figura 26). Figura 26: Struttura del Payload header ACL - SCO payload Ha una lunghezza fissa di 240 bit (Figura 27), è preceduto dagli stessi access code e header di un pacchetto ACL benché i vari flow, ARQN e SEQN siano ridondanti in quanto il controllo di flusso e la ritrasmissione non vengono applicati nei link SCO. E assente anche il campo CRC. I dati presenti nel payload sono 10, 20 o 30 byte a seconda del FEC scelto (1/3, 2/3 o nessuno). Figura 27: Struttura di un pacchetto SCO Correzione d errore FEC (Forward Error Correction) Aggiungendo dei bit di parità generati in funzione dei dati di ingresso, un certo numero di bit errati può essere rilevato e corretto. Ci sono tre tipi di FEC: 1/3, 2/3 e nessun FEC. 71