Lo standard Bluetooth

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1 Lo standard Bluetooth A. Flammini E. Sisinni P. Ferrari ing.unibs.it emiliano.sisinni@ing.unibs.it ing.unibs.it 1

2 Cos è Bluetooth Non e una wireless LAN E un sistema wireless di cable replacement E estremamente versatile Specifica non solo la comunicazione ma anche l applicazione Si propone come l interfaccia universale di collegamento per terminali mobili Blatand: soprannome di Harald, re vichingo vissuto nel decimo secolo. Blatand in danese significa dalla pelle scura in inglese e diventato Bluetooth Nome provvisorio del progetto, e rimasto come nome definitivo! 2

3 Come è nato Bluetooth Il SIG (Special Interest Group) viene fondato nel 1998 da Nokia Intel Ericsson IBM e Toshiba Dopo 6 mesi le prime specifiche vengono pubblicate Il SIG accetta nuovi membri, finora oltre 2000 aziende si sono associate I nuovi membri partecipano alla definizione e revisione delle specifiche Inizio 2001 vengono pubblicate le specifiche 1.1, la prima versione realmente diffusa Versione attuale: Bluetooth EDR, annunciata nel luglio 2007 Bluetooth 3.0, annunciato il 21/04/2009 3

4 Bluetooth Protocol Stack Applications TCP/IP HID RFCOMM Data Control L2CAP Audio Link Manager Baseband RF 4

5 Specifiche radio Opera nella banda ISM (Industrial Scientific and Medical), allocata tra 2.4 e 2.5 GHz Nella stessa banda operano anche: Wireless LAN Forni a Microonde Sistemi proprietari (Video, audio, dati, controllo) Limitazioni sull emissione di potenza Power Class Maximum Output Power (Pmax) Nominal Output Power Minimum Output Power1) Power Control mw (20 dbm) N/A 1 mw (0 dbm) Pmin<+4 dbm to Pmax mw (4 dbm) 1 mw (0 dbm) 0.25 mw (-6 dbm) Optional: 3 1 mw (0 dbm) N/A N/A Optional: 5

6 Fast frequency hopping Tecnica di spread spectrum robusta e a basso costo ma relativamente poco efficiente (trasmissione banda stretta ) Permette a Bluetooth di operare correttamente anche in ambienti molto disturbati Si basa su una radio a banda 1MHz che viene commutata velocemente (1600 hops al secondo) in base ad una sequenza pseudo-casuale 79 canali a disposizione,da 2.402GHz a 2.480GHz. La banda totale occupata e 79 MHz, la potenza media emessa in ogni singola banda è statisticamente 1/79 della potenza nominale 6

7 Modulazione GFSK (Gaussian Frequency shift keying), 2 levels (1 bit) FM modulation 1 M symbol/s 1 MHz Bandwidth 1 0 Ft Ft+fd Ft-fd Ideal zero crossing 1us t BT=0.5 Indice di Modulazione 0.28,0.35 Minima deviazione115khz Symbol rate 1us +/- 20ppm Un modulatore GFSK è un modulatore FSK i cui impulsi in banda base (-1,1) sono processati da un filtro gaussiano così da renderli più smooth è limitare l occupazione spettrale. 7

8 Modulazione Bluetooth v2.1 + EDR : Modulazione PSK per un signaling rate di 2 Mbps: π/4 rotated differential encoded quaternary phase shift keying (π/4- DQPSK). Modulazione PSK per un signaling rate di 3 Mbps: differential encoded 8-ary phase shift keying (8DPSK). 8

9 Sensitivity Link Budget Parametro che identifica la bonta del ricevitore; si definisce come il livello di potenza ricevuta (in dbm) al quale il ricevitore garantisce un BER pari a 10-3 Le specifiche richiedono almeno 70dBm, alcuni design attuali arrivano fino a 85dBm Pr = Pt-Alt+Ag-PL-Alr Pr=Potenza ricevuta (in dbm) Pt=Potenza emessa (in dbm) Alt=perdite di adattamento (in db) Ag=guadagno di antenna (in db) Pl= Attenuazione di propagazione (in db) Alr= adattamento al ricevitore (in db) PL (propagation loss) dipende dalla distanza (in campo aperto PL d 2, in ambienti indoor PL d 4 ) Limite di funzionamento: Pr=sensitivity Con i dati di specifica: 10 metri con Pt= 0dBm 100 metri con Pt=20dBm 9

10 Fast frequency hopping canali da 1MHz freq master slave time 10

11 TDD Time division duplexing A f(2k) f(2k+1) f(2k+2) >=260 μs t B 625 μs t Dopo ogni pacchetto da A (master) a B (slave) segue un pacchetto di risposta da B ad A Ogni pacchetto viene trasmesso su un differente canale RF Uno slot temporale vale 625 us (1/1600Hz) Tra un pacchetto e il successivo viene riservato un intervallo di 260 us per commutare frequenza, l efficienza scende al 70% 11

12 Topologia Piconet Scatternet slave 3 slave 1 master A master B master active slave parked slave standby slave 2 slave 4 slave 5 12

13 Ruoli Master Stabilisce la sequenza pseudocasuale di hopping Diventa master il primo dispositivo che chiede la connessione, è possibile un Master/Slave switch Ogni dispositivo, anche il più semplice, puo diventare master Slave Fino a 7 slaves contemporaneamente attivi in una piconet Ogni slave puo comunicare solo con il master Può trasmettere solo in risposta ad un pacchetto del master Ogni slave attivo riceve un indirizzo di 3 bits (AM_address) 13

14 BD_address Ogni dispositivo Bluetooth possiede un BD_address univoco, di 48 bit Derivato dal MAC address IEEE 802 Si compone di 3 sottoparti: LAP (Lower address part) 24 bits UAP (Upper address part) 8 bits NAP (Non-significant address part) 16 bits 14

15 Bluetooth Clock 3200 Hz CLK S 312.5uS 1.25mS 625uS Contatore a 28 bits, incrementato a 3.2kHz; si riazzera ogni 23 ore, 18 minuti e 6 secondi Ogni dispositivo ha un proprio clock indipendente, resettato solamente all accensione Due dispositivi per sincronizzarsi calcolano il proprio offset relativo come differenza dei rispettivi clock; l offset relativo rimane costante nel tempo 15

16 Sequenza di Hopping NATIVE CLK 27 bits Selection kernel phase sequence 1 : 79 HOP Channel 27 bits 28 bits (LAP+4 bits UAP) Offset MASTER BD_ADDR 16

17 packet header Pacchetti 72b 54b b access code payload Iniziano con un access code, necessario alla radio per trovare il pacchetto 54bits di header, identifica il pacchetto Da 0 a 2745 bits di payload 2 tipi di Forward-Error Correction (FEC) 1/3 rate: bit-repeat code; corregge fino a un errore ogni3 bits 2/3 rate: (15,10) shortened Hamming code; corregge un errore ogni 15 17

18 Access Code LSB MSB Preambolo Sync word Trailer Preambolo: vale 1010 se syncword inizia con 1, vale 0101 se inizia con 0 Syncword:derivata dal LAP del BD_Address: DAC (device access code) relativo ad un device CAC (channel access code) relativo alla piconet GIAC (generic inqiuiry a.c.) usato nella fase di inquiry Trailer, vale 1010 se syncword finisca con 0, vale 0101 se finisce con 1 18

19 Correlatore Sinc word Bits ricevuti Ac 1 Ac 2 Ac 3 Ac 4 Ac 5 Ac 6 Ac 62 Ac 63 Ac 64 X XXXXXX XXXX Σ X Operatore xor: 1x1=1 1x0=0 0x1=0 0x0=1 Σ Operatore somma Ricerca i 64 bit dell access code all interno dello stream ricevuto In media il valore di uscita vale 32 All arrivo dell access code corretto vale 64 Si pone una soglia di ricezione attorno a 58/60 per rilevare il pacchetto anche in presenza di errori 19

20 Packet header AM_ADDR TYPE FLOW ARQN SEQN HEC parameter AM_ADDR TYPE FLOW ARQN SEQN HEC information slave active member address payload type LC flow control ACK/NAK retransmit ordering header error check Il pachet header e protetto con FEC 1/3 -> 18*3=54 bits 20

21 ARQ MASTER A B B X C SLAVE 1 G F H SLAVE 2 Z Z NAK ACK 21

22 Flow Control Quando il ricevitore non può accettare nuovi dati per un certo tempo (es. Una stampante con buffer pieno), viene attivato il bit di flow del pacchetto di risposta (Flow=0) Il trasmettitore, alla ricezione di un Flow=0 smette di inviare dati. Periodicamente si riprova ad accedere al ricevitore per verificarne lo stato (es. con POLL) Quando poll torna ad 1, la trasmissione riprende. 22

23 Pacchetti Speciali ID, ha solamente l access code Poll Non ha payload, richiede una risposta Usato dal master per interrogare gli salves Null Non ha payload, non richiede risposta Usato per terminare un trasferimento FHS per la sincronizzazione (info sul clock real time) 23

24 Link asimmetrico Slot f(k) f(k+1) f(k+2) f(k+3) f(k+4) f(k+5) f(k) f(k+3) f(k+4) f(k+5) f(k) f(k+5) 24

25 Link: ACL & SCO ACL Links: Asynchronous Connection-Less Vengono utilizzati per trasportare dati Possono utilizzare pacchetti multislot e FEC Implementano sempre il meccanismo ARQ Sono automaticamente attivati al momento della connessione SCO Links: Synchronous Connection Oriented Vengono utilizzati per trasportare la voce Si riservano periodicamente degli slot per la comunicazione sincrona Ogni link SCO garantisce un throughput di 64kbps bidirezionale Non e implementato il meccanismo ARQ, quindi i pacchetti sono soggetti ad errori Vengono attivate a richiesta appoggiandosi a una connessione ACL 25

26 Payload (solo nei link ACL) Payload header Payload Body (0:2700 bits) CRC (16 bits) Payload header: 1 byte per pacchetti singoli 2 per pachetti multipli (3/5 slot) L_CH: Logical channel 11= pacchetti di controllo, 10= inizio dati, 01=continuazione dati 26

27 Data rate: DM1 and DH1 625 µs 72 bits 54 bits 240 bits Access code Header 30 bytes = 366 bits Payload Dir Size Freq Rate / DM /3 FEC DH µs

28 Data rate: DM3 e DH µs 72 bits 54 bits 1500 bits = 1626 bits Access Header code 187 bytes Payload Dir Size Freq Rate DM /3 FEC / DH µs

29 Data rate: DM5 and DH µs 72 bits 54 bits Access Code Header 2744 bits 343 bytes = 2870 bits Payload Dir Size Freq Rate DM /3 FEC / DH µs 625 µs

30 Data whitening Si sovrappone al flusso dati un flusso pseudocasuale Il flusso così generato ha caratteristiche spettrali migliori In ricezione si ricostruisce lo stesso flusso e lo si elide 30

31 Connessione Iniziale TX us RX Ricevitore e trasmettitore non sono ancora sincronizzati, ne in tempo ne in frequenza I canali utilizzati sono ridotti a soli 32 dei 79 possibili per diminuire il tempo di connessione Il trasmettitore invia pacchetti ad un rate doppio del normale (3200/sec), La sequenza di hopping e semplificata e indipendente dall adddress Il ricevitore ascolta su un canale per un tempo necessario a ricevere almeno 16 pacchetti: statisticamente prima o poi capita che le frequenza coincidano Il pacchetto ricevuto contiene le informazioni necessarie a ricevere i pacchetti successivi 31

32 Stati 32

33 Page Quando un disposivo vuole connettersi ad un altro conoscendone il BD_address. Il Master è in stato di PAGE: invia in continuazione pacchetti ID con l access code dello Slave e, dopo ogni pacchetto trasmesso, rimane in ascolto di una risposta dallo slave Lo Slave è in inquiry scan :ricerca il proprio access code e quando lo trova, risponde con il proprio ID Un master quando sente l eco dello slave invia un FHS packed con il proprio BD_address e clock Se lo slave lo riceve correttamente, risponde con un ID e usando le informazioni contenute in FHS inizia ad ascoltare la piconet 33

34 Inquiry Usato per raccogliere informazioni sugli eventuali dispositivi bluetooth nelle vicinanze Il dispositivo che fa l inquiry invia una serie di ID packet usando un particolare access code GIAC, dopo ogniuno ascolta la risposta Ogni dispositivo in inquiry scan, ascolta un canale ricercando il GIAC, se lo trova risponde col proprio FHS packet. Per evitare collisioni, la risposta e ritardata di un tempo random 34

35 Low Power (Slave) Active Active: Il dispositivo è sempre in attesa di un possibile pacchetto dal master Hold: Il dispositivo è in stand-by per un tempo definito, dopo di che torna active Sniff: Il dispositivo và periodicamente in stand-by e vi rimane per un tempo definito Parked: Il dispositivo è sincronizzato ma disattivato (no AM_Address), periodicamente ascolta il master per controllare se deve riattivarsi Unconnected Page scan: Il dispositivo periodicamente ascolta pacchetti di page Inquiry scan: Il dispositivo periodicamente ascolta pacchetti di inquiry 35

36 Low Power (Slave) Modo Hold Uno slave puo astenersi per un certo periodo dall ascoltare il master Spesso viene usato per risparmiare potenza quando non ci sono dati da inviare Lo stato di hold puo essere imposto dal master o richiesto dallo slave Durante l hold lo slave puo anche fare altro, ad es. partecipare ad un altra piconet o inquiry/page scan 36

37 Low Power (Slave) Modo Sniff Come per l hold, lo slave si astiene dalla piconet per un certo periodo A differenza dell hold, lo sniff viene ripetuto periodicamente senza ulteriore negoziazione Viene utilizzato in dispositivi a bassa potenza e basso bit-rate (es. Mouse tastiera) 37

38 Low Power (Slave) Modo Park Uno slave che per molto tempo tempo non deve comunicare col master puo essere messo in park mode. In modo park lo slave cede l AM_address e riceve un PM_address di 8 bit. Lo slave in park mantiene il sincronismo con il master (non e richiesto un page per riattivarsi) Gli slaves in park si risvegliano periodicamente negli slot di Beacon per risincronizzarsi e comunicare col master 38

39 Link Controller & Link Manager Link Controller: macchina a stati (spesso HW) per gestire: Il meccanismo ARQ La procedura di inquiry La procedura di page La creazione/ decodifica del FHS packet Scheduling realtime dei pacchetti Tutte le procedure con requisiti di tempo stringenti Link Manager: strato software realtime,che gira sul Bluetooth device (host controller) Alloca e assegna gli AM_address Stabilisce i link ACL ed SCO Configura i link Gestisce gli stati low power Comunica con il corrispettivo LM del dispositivo remoto 39

40 Link Manager LMP: protocollo che consente al Link manager di comunicare col suo pari LMP Channel: 2 bit nel Payload header vengono riservati per il codice L_CH I pacchetti LMP sono inviati esclusivamente usando pacchetti DM1 (i piu robusti) 40

41 Link Manager Formato pacchetti LMP access code packet header payload DM1 Payload header (1 byte) Payload Body (1:17 bytes) CRC (2 bytes) L_CH=11 Flow Length T_id (transaction identifier): 1 se e iniziata dal master, 0 se e iniziata dallo slave T_id OP Code Par 2 Par 1 Par 3 Par 14 Par 15 Par 16 41

42 Link Manager Connessione LMP Master Slave Link controller Paging ID (solo acces code) ID FHS (sincro) ID Link Manager LMP connection setup LMP_Host connection_req LMP_Accepted Altre transazioni opzionali 42

43 Link Manager LMP_ Supported features LM initiating LM LMP_features _req LMP_features _res Un dispositivo richiede all altro quali features opzionali supporta 43

44 Link Manager Controllo di potenza E possibile controllare il livello di potenza emessa: Diminuire la potenza in eccesso per risparmiare batterie e limitare il disturbo verso altri dispositivi Aumentare la potenza per migliorare la qualità in link disturbati La potenza emessa e relativa ad ogli link (un master ha una tabella di valori per ogni slave) Al ricevitore viene misurata la potenza ricevuta in antenna e resa disponibile al LM in un parametro RSSI Ogni ricevitore conosce il proprio Golden range di potenza, in cui le performances sono ottimali. Il ricevitore controlla in remoto la potenza del trasmettitore per ricevere nel golden range 44

45 Messaggi LMP: Link Manager Controllo di potenza LMP_incr_power_req richiede un aumento di potenza LMP_decr_power_req richiede una diminuzione di potenza LMP_max_power Comunica che e stato raggiunto il massimo livello possibile di potenza LMP_min_power Comunica che e stato raggiunto il minimo livello possibile di potenza LM initiating LM LM initiating LM LMP_incr_power _req LMP_incr_power _req LMP_decr_power _req LMP_decr_power _req LMP_max_power LMP_min_power 45

46 Link Manager Sicurezza Il frequency hopping fornisce un primo (tenue) livello di sicurezza Bluetooth definisce procedure di autenticazione e di encription a livello LM Si basano su una chiave privata di 128 bit Il temine di paragone per il livello di sicurezza è il cavo Applicazioni sensibili devono prevedere livelli superiori di sicurezza Disabilitabile in applicazioni che richiedono accesso pubblico 46

47 Link Manager Chiavi Tutte le chiavi sono a 128 bit Combination key KAB, e valida esclusivamente per un link tra 2 unita specifiche Unit key KA, e valida per tutti i link con una particolare unita Temporary key Kmaster, sostituisce temporaneamente le altre chiavi (uso sconsigliato) Initialization key Kinit, chiave di inizializzazione a durata limitata Link key: serve per l autenticazione e l encription Encription key: viene generata a partire dalla link key L algoritmo utilizza anche i BD_address dei dispositivi ed un numero Rand Ad ogni riconnessione si genera una nuova Kc La lunghezza di Kc puo variare da 8 a 128 bit ed è negoziabile 47

48 Link Manager Scambio delle chiavi Due unita che hanno in comune una link key si definiscono paired PIN First time connections PIN Il pairing puo avvenire per via diretta (es. tramite cavo) o piu comunemente tramite radio. E 22 LINK KEY E 3 RAND Authentication EN_RAND E 22 LINK KEY E 3 Il pairing solitamente viene fatto solo al primo utilizzo del dispositivo. ENCRYPTION KEY Encryption ENCRYPTION KEY 48

49 Hosted vs. Host-less E.g. RF Comm L2CAP Bluetooth Host Bluetooth Device HCI HCI Link manager Baseband Radio E.g. RF Comm L2CAP Link manager Baseband Radio Bluetooth Hostless Device 49

50 Architettura Hosted 50

51 HCI (host controller interface) Il protocollo HCI trasporta Comandi Eventi Dati ACL (bidirezionale) Dati SCO (bidirezionale) Tre Physical transports definiti: UART USB PCMCIA/PCI Rappresenta un interfaccia standard, indipendente dal produttore Consente di sviluppare facilmente applicazioni senza conoscere nel dettaglio il protocollo Bluetooth Host Host Drivers and Applications Bluetooth HCI driver Commands Events Data Bluetooth Host Controller Link Manager Baseband & Link Controller Bluetooth Radio Bluetooth Module 51

52 Transport Interfaccia fisica per connettere l host all host controller Tipicamente seriale: Piu semplice da collegare (meno pin) Non occorrono throughput elevati USB: La più diffusa in ambiente PC, sia interna che esterna Autoconfigurante, banda sovradimensionata, supporto flusso isocrono Maggiore complessita UART: La più usata in applicazioni embedded Non autoconfigurante, banda appena sufficiente, no multiplex Semplice da programmare PCMCIA: Definita ma poco utilizzata 52

53 UART transport Usata soprattuto in applicazioni embedded Richiede un protocollo aggiuntivo di multiplexing per distinguere i 4 flussi Viene aggiunto un Byte prima di ogni pacchetto HCI: 0x01= pacchetto comandi 0x02= pacchetto dati ACL 0x03= pacchetto dati SCO 0x04= pacchetto eventi 53

54 USB transport Perfetto in ambiente PC, spesso usato anche internamente su motherboard Sfrutta il meccanismo delle pipes USB per multiplexare i flussi Comandi= endpoint 0x00 (Control) Eventi= endpoint 0x81 (Interrupt) Dati ACL input = endpoint 0x82 (bulk in) Dati ACL output=endpoint 0x02 (bulk out) Dati SCO= endpoints 0x83,0x03 (isoch I/O) 54

55 Comandi HCI Set di comandi con cui l host richiede i servizi del link manager Pacchetti HCI spediti dall host al dispositivo HC 6 gruppi di comandi: Controllo connessione Politiche di connessione Controllo dispositivo Parametri informativi Parametri di stato Comandi di test OpCode costituito da: OGF: Opcode Group field OCF: Opcode Command field 55

56 Eventi HCI Pacchetti spediti dal dispositivo HC all Host Servono al link manager per notificare all host: Che è accaduto un evento significativo a livello locale o remoto. Per ritornate i parametri di risposta ad un comando. 56

57 Connection handle Parola di 12 bit da 0x000 a 0xEFF (0xF00-0xFFF riservati) Identifica univocamente ogni singola connessione nel dialogo tra host e dispositivo. Esiste solo a livello HCI, non ha alcun significato ad altri livelli. Ad es., un master ha un C.H. per ogni slave pacchetto dati HCI PB: paket boundary BC: broadcast pacchetto voce HCI 57

58 Esempio transazione HCI Lettura da parte dell host del BD_address del dispositivo locale L host invia al dispositivo un pacchetto comandi HCI_Read_BD_ADDR OGF=0x04, OCF=0x0009 Parametri di richiesta nessuno L host controller risponde con un pacchetto eventi command_complete EV code=0x0e Parametri: pending= 1 byte,opcode=2 bytes, returnpar=7bytes (stato=1byte,bd_add=6 bytes) 58

59 Esempio transazione HCI Richiesta BD_address Comando OCF=0x OP Code OGF=0x04 8 Length 0 Evento 8 EV Code 0x0E 8 Par Length 0x0A (10) 8 16 Pending Opcode xxx OGF=0x0009 OCF=0x x 6 Status BD_ADD 0x00=OK B_A (1) B_A (2) B_A (3) B_A (4) B_A (5) B_A (6) 59

60 HCI Flow control Transmitter host Receiver host Transmitter host controller Receiver host controller 60

61 HCI Flow control Necessario sia da host a host controller che viceversa Basato si pacchetti dati HCI Dipendente dalle dimensioni dei buffers Soggetto alla latenza del protocollo di trasporto: non sarebbe efficiente uno stop-and-go ad ogni pacchetto Occorre minimizzare le notifiche del controllo di flusso per non intasare il bus di trasporto Evento: Trasmessi N pacchetti B= buffer size Inviato pacchetto HCI B= B+N Wait B= B-1 B=0 Evento: Trasmessi N pacchetti Stop 61

62 Flow control: Host to Host controller L host abilita il controllo di flusso col comando Set_Host_Controller_To_Host_Flow_Control L host valuta la grandezza del buffer dell H.C. (in pacchetti) con il comando Read_Buffer_Size All inizio l host assume il buffer HC vuoto, inizializza una variabile (B) dei buffers disponibii Ad ogni pacchetto inviato all HC, l host decrementa B Se B diventa 0, l host smette di inviare pacchetti. Periodicamente, l HC invia un evento Number Of Completed Packets per notificare i pacchetti correttamente trasmessi L host, somma a B il valore dei pacchetti inviati 62