Terzo Modulo: Wireless - units.it

Terzo Modulo: Wireless

La tecnologia Bluetooth

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Storia (1)

Harald Blaatand II

– Re vichingo della Danimarca 940 – 981 a.c.

– La storia riporta che abbia unito la Norvegiacon la Danimarca

– Portato in inglese “ Bluetooth ”

– Blaatand = “dalla pelle scura”

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Storia (2)

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 definizionee revisione delle specifiche

Inizio 2001 vengono pubblicate le specifiche 1.1, la versione definitiva su cui sibasano I prodotti attuali

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Informazioni Generali

Lo scopo principale della nascita della tecnologia bluetooth risiede nella capacità di far dialogare e interagire fra loro dispositivi diversi senza la necessità di collegamenti via cavo, ciò che va sotto il nome di wireless.

Questo standard è stato progettato con l'obiettivo primario di ottenere bassiconsumi, un corto raggio di azione e un basso costo di produzione per i dispositivicompatibili

Ogni dispositivo Bluetooth è in grado di gestire simultaneamente la comunicazionecon altri 7 dispositivi.

Il collegamento è di tipo master slave, quindi solo un dispositivo per volta puòcomunicare con il server. ( rete piconet )

Più reti piconet collegate fra loro formano una rete scatternet.

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Sistema Radio (1)

Il protocollo Bluetooth lavora nella banda ISM (Industrial Scientific and Medical), allocata tra 2.4 e 2.5 Ghz.

La versione 1.1 e 1.2 del Bluetooth gestisce velocità di trasferimento fino a 723,1 kbit/s.

La versione 2.0 gestisce una modalità ad alta velocità che consente fino a 2,1 Mbit/s.

Bluetooth non è uno standard comparabile con il Wi-Fi dato che questo è un protocollo nato per fornire elevate velocità di trasmissione con un raggio maggiore, a costo di una maggior potenza dissipata e di un hardware molto più costoso. Infatti il Bluetooth crea una wireless personal area network (PAN) mentre il Wi-FIcrea una wireless local area network.

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Sistema Radio (2)

Spettro RF

100Khz 1 Mhz

1GHz

10Mhz 100Mhz

2GHz

AM Radio

GSM 1800

FM Radio

GSM

Radio OC TV VHF TV VHF

TV UHF GPS UMTS

3GHz

TelepassISMDECT

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Sistema Radio (3)

Il Bluetooth opera nella gamma di frequenza dai 2,4 ai 2,483 Ghz, suddivisa in canali da 1 Mhz impiegando la tecnica FHSS*.( Frequency Hopping SpreadSpectrum )

– tecnologia che consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze, cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al secondo, al fine di una maggiore stabilità di connessione e di una riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione).

– Lo spectrum spreading consiste in una continua variazione di frequenza utilizzando una modulazione di frequency hopping.Gli hops corrispondono ai salti di frequenza all'interno della gamma assegnata ( 2,402 Ghz -2,480 Ghz, con salti di 1 Mhz, complessivamente 79 hops set )

Permette di operare correttamente anche in ambienti molto disturbati

La modulazione usata è una GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)

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Classi di potenza

~ 1 metro0 dBm1 mWClasse 3

~ 10 metri4 dBm2,5 mWClasse 2

~ 100 metri20 dBm100 mWClasse 1

Distanza(Approssimativa)

Potenza(dBm)

Potenza(mW)

Classe

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Standard (1)

Bluetooth 1.0 e 1.0B– Le versione 1.0 e 1.0B sono afflitte da molti problemi e spesso i prodotti di un costruttore

hanno grosse difficoltà nel comunicare con il prodotto di un'altra società.– Tra lo standard 1.0 e 1.0B vi sono state delle modifiche nel processo di verifica

dell'indirizzo fisico associato a ogni dispositivo Bluetooth.Il vecchio metodo rendeva impossibile rimanere anonimi durante la comunicazione e quindi un utente malevole dotato di uno scanner di frequenze poteva intercettare eventuali informazioni confidenziali

– La versione B apportò anche delle modifiche alla gestione dell'ambiente Bluetooth in modo da migliorare l'interoperabilità.

Bluetooth 1.1– La versione 1.1 risolve errori introdotti nella versione 1.0B e permette la comunicazione

su canali cifrati.

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Standard (2)

Bluetooth 1.2– Questa versione è compatibile con la precedente 1.1 e aggiunge le seguenti novità:

Adaptive Frequency Hopping (AFH), questa tecnica fornisce maggior resistenza alle interferenze elettromagnetiche, provvedendo a evitare di utilizzare i canali soggetti a forti interferenze. Fornisce una modalità di trasmissione a alta velocità. extended Synchronous Connections (eSCO), fornisce una modalità di trasmissione audio a alta qualità, in caso di perdita dei dati questi vengono ritrasmessi per migliorare la qualità audio. Rilevatore della qualità del segnale Fornisce un interfaccia per gestire fino a tre UART (Universal AsynchronousReceiver-Transmitter)Accesso alle informazioni di sincronizzazione per le applicazioni Bluetooth

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Standard (3)

Bluetooth 2.0– La nuova versione è retrocompatibile con tutte le precedenti versioni e offre i seguenti

miglioramenti:Evita di saltare tra i canali per ragioni di sicurezza. Commutare tra i canali per aumentare la sicurezza non è una buona strategia, risulta relativamente semplice controllare tutte le frequenze simultaneamente, la nuova versione del Bluetooth utilizza la crittografia per garantire l'anonimato. Supporta le trasmissioni multicast/broadcast, consente la trasmissione di elevati flussi di dati senza controllo degli errori a più dispositivi simultaneamente. Enhanced Data Rate (EDR) porta la velocità di trasmissione a 2,1 Mbit/s. Include una gestione della qualità del servizio. Protocollo per l'accesso a dispositivi condivisi. Tempi di risposta notevolmente ridotti Dimezzamento della potenza utilizzata grazie all'utilizzo di segnali radio di minore potenza.

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La Tecnologia (1)

I dispositivi comunicano tra loro in modo dinamico, la piconet si configura automaticamente quando si inserisce o si elimina un dispositivo.

active slavemaster

parked slavestandby

Piconet

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La Tecnologia (2)

Master– Stabilisce la sequenza pseudocasuale di hopping– Diventa master il primo dispositivo che chiede la connessione– 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

Park– Il dispositivo è sincronizzato ma disattivato, ad intervalli predefiniti ascolta il master per

controllare se deve riattivarsi

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Lo stack di Protocollo

Per garantire la comunicabilità fra dispositivi differenti è stato definito un protocollo di comunicazione stratificato, diviso in Layer.

Ogni layer sfrutta i servizi offerti dagli strati sotto di lui per offrire i suoi a quelli superiori

Audio

RFBaseband

Link ManagerL2CAP

TCS SDP RFCOMMApplications

Data Cont

rol

HCI

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Lo stack di Protocollo

Audio

RFBaseband

Link ManagerL2CAP

TCS SDP RFCOMMApplications

Data Cont

rol

HCI

Baseband and RF (radio frequency)– Gestisce la connessione fisica tra dispositivi implementando la correzione di errore, la

criptatura, la formazione dei pacchetti.Link Manager

– Responsabile della creazione dei link asincroni e sincroni , (modalità di collegamento tramaster e slave)

– Responsabile della gestione delle modalità in basso consumoHCI (Host controller interface)

– Serve per l’interfacciamento tra host e hostcontroller (in un sistema basato da unchispet bluetooth ( host controller )affiancato da unprocessore esterno (host) )

L2CAP (Link Layer control and adaption protocol)– Consente ai Layers superiori di vedere

in modo semplificato quelli inferiori (gestiscela suddivisione dei file in pacchetti e illoro assemblaggio)

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Connessione ACL

Asynchronous connection-less (ACL) link

– Banda asimmetrica

– Banda simmetrica

– Dimensione del pacchetto varibile (da 1 a 5 slot)

Max 721 kbits ( 57,6 kbits upload)434 kbits

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Protocolli (1)

LMP ( Link Manager Protocol )SDP ( Servive Discovery Protocol )RFCOMM ( protocollo sostituzione cavo, emula segnali RS-232 )TCS-BIN ( Telephony Control Specification-Binary, controllo della chiamata)Baseband ( connessione fisica RF, sincronizzazzione frequenze )AT-Commands ( Audio/Telephony Commands) PPP ( Point to Point Protocol )TCP/IP/UDP ( Transport Control Protocol / Internet Protocol / Datagram Protocol )Legacy Protocol Reuse (riutilizzo di protocolli esistenti)

– IrMC ( Infrared Mobile Communication )– WAP ( Wireless Application Protocol )– OBEX ( Object Exchange Protocol )

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Protocolli (2) - Service Discovery Protocol (SDP)

Service Discovery Protocol (SDP) è un semplice protocollo che permette ad una applicazione di scoprire quali servizi sono disponibili (e con quali caratteristiche) sui dispositivi presenti nell'ambiente circostante. Questo protocollo utilizza un modello domanda/risposate dove ogni transazione consiste di un request protocoldata unit (PDU) ed una risposta PDU. In particolare, il Service Discovery Protocolpuò utilizzare (nei livelli sottostanti) sia un protocollo di trasporto affidabile sia uno non affidabile: in quest'ultimo caso, il client deve implementare un meccanismo di gestione dei timeout e ripetere l'invio della richiesta PDU, quando necessario.

Il protocollo SDP permette ad un dispositivo Bluetooth di scoprire i servizi offerti dagli altri dispositivi Bluetooth, attraverso due modalità:

– Searching: permette la ricerca di uno specifico servizio – Browsing: permette di conoscere tutti i servizi offerti

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Protocolli (3) - Service Discovery Protocol (SDP)

Il protocollo consente di determinare le tipologie di servizi presenti e disponibili nella picorete sia in una modalità server sia client.Nella modalità server consentiràad un dispositivo di interrogarlo sui servizi e protocolli supportati, quindi renderli disponibili, nella modalità client consentirà l'interrogazione dei dispositivi connessi alla picorete per avere informazioni.

Clientapplication

SDPclient

SDPserver

ServerApplication

Richiesta SDP

Risposta SDP

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Protocolli (4) - RFCOMM

Emula una porta seriale in modo da suportare un elevato numero di applicazioni

Permette piu’ collegamenti seriali in un singolo canale tra due periferiche

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Connessione SCO

Synchronous connection-oriented (SCO) link

– Assegnato periodicamente un singolo slot– Simmetrico 64 kbps full duplex– I pacchetti non vengono mai ritrasmessi

Segnali audio viaggiano su canali privilegiati

Supporta audio di qualità telefonica 4KHz

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Connessioni (1)

In un collegamento tutti gli apparecchi Bluetooth connessi sono generalmente in modalità standby,

Seguono un ciclo di scansione ad intervalli di tempo di 1,28 secondi al fine di verificare la presenza di eventuali altri dispositivi;

– modalità tutti i dispositivi bluetooth basso consumo energetico.

La scansione effettuata può essere di due tipi :– PS ( Page Scan )– IS ( Inquiry Scan ).

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Connessione (2)

La scansione PS:– consente la la ricerca di un collegamento con un altro apparecchio Blueutooth, che può

risultare in modalità connectable mode o non-connectable mode

La scansione IS:– permette di identificare la tipologia di apparecchi disponibili nella picorete, discoverable

mode o non-discoverade mode, e di approntare i necessari protocolli per il collegamento.

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Flow Chart di connessione

Un comando inquiry viene emesso quando l'indirizzo o il numero di identificazione di un dispositivo non èconosciuto, successivamente al riconoscimento seguirà un comando page che servirà per risvegliare l'altra unità e stabilire così una connessione completa tra i dispositvi.

INQUIRY

PAGE

RispostaMASTER

Connessione

Connessione

RispostaSLAVE

ScansionePAGE

RispostaINQUIRY

ScansioneINQUIRY

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Sicurezza

Veloce cambio delle frequenze ( 79 )

Bassa potenza di trasmissione (10 – 100m)

Autenticazione dei dispositivi remoti– Basato su una chiave a 128 bit

Crittografazione del flusso dati– Algoritmo di cifratura del flusso ( <= 128 bit )

Inizializzazione– PIN inserito dall’utente

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Sicurezza

E2

Link key

E3

Encryption Key

E2

Link key

E3

Encryption Key

PIN PIN

Authentication

Encryption

User input( inizialization )

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Profili (1)

Per facilitare l'utilizzo dei dispositivi Bluetooth sono stati definiti una serie di profili, questi profili identificano una serie di possibili applicazioni. Sono stati definiti i seguenti profili.

– Generic Access Profile (GAP)Service Discovery Application Profile (SDAP) Serial Port Profile (SPP)

– Dial-up Networking Profile (DUNP) – Fax Profile– LAN Access Profile (LAP) – Generic Object Exchange Profile (GOEP)

File Transfer ProfileObject Push ProfileSynchronization Profile

– TCS_BIN-based profilesCordless Telephony Profile (CTP) Intercom Profile (IP)

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Profili (2)

Questi profili sono utilizzati per sincronizzare i Personal Information Manager (PIM). Originariamente erano previsti per le reti a infrarossi IrDA ma in seguito il Bluetooth SIG ha deciso di includerli nelle sue specifiche per facilitare la sincronizzazione tra i vari dispositivi dell'utente. Vengono usualmente definiti IrMCSynchronization.

– Hands-Free Profile (HFP) – Human Interface Device Profile (HID) – Hard Copy Replacement Profile (HCRP) – Basic Imaging Profile (BIP) – Personal Area Networking Profile (PAN) – Basic Printing Profile (BPP) – Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) – Audio Video Remote Control Profile (AVRCP) – SIM Access Profile (SAP)

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Es. di utilizzo - Sincronizzazione

Benefici– Sincronizzazione con le periferiche vicine– Facile aggiornamento dei database– Database con informazioni comuni

RFCOMM

ACL SCOBluetooth Baseband

LMP

L2CAP

IrOBEX

IrMC

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Es. di utilizzo - Headset

Benefici– Accessi multipli ai dispositivi– Benefici dovuti al sistema cordless– Hand’s free

RFCOMM


LMP

L2CAPAudioStream

AT Commands

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Es. di utilizzo – Data access Point

Benefici– Condivisione di un’unica connessione alla rete– Facile accesso alla rete

RFCOMM


LMP

L2CAP

PPP

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