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Computação Móvel:Bluetooth e outros WPANs – Visão Geral

Mauro Nacif RochaDPI/UFV

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Padrões IEEE p/ CM

Local wireless networksWLAN 802.11

802.11a

802.11b802.11i/e/…/w

802.11g

WiFi 802.11h

Personal wireless nwWPAN 802.15

802.15.4

802.15.1 802.15.2Bluetooth

802.15.4a/bZigBee

802.15.3

Wireless distribution networksWMAN 802.16 (Broadband Wireless Access)

802.20 (Mobile Broadband Wireless Access)+ Mobility

WiMAX

802.15.3a/b

802.15.5

UWB

Mesh

802.11n

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Bluetooth Histórico

1994: Ericsson (Mattison/Haartsen), “MC-link” project Projeto renomeado “Bluetooth” em homenagem a Harald “Blåtand”

Gormsen (filho de Gorm), Rei de Dinamarca do Séc. 10 1998: fundação do Bluetooth SIG, www.bluetooth.org (veja

também www.bluetooth.com) 1999: ereção da pedra em Ericsson/Lund 2001: primeiro produto comercial de massa, spec. version 1.1 2005: 5 milhões chips/semana

Special Interest Group Membros fundadores: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba Em seguida: 3Com, Agere (was: Lucent), Microsoft, Motorola 13.000+ membros Common specification and certification of products

(antes: )

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Histórico hi-tech…

1999:Ericsson mobilecommunications ABreste denna sten tillminne av HaraldBlåtand, som fick gesitt namn åt en nyteknologi för trådlös,mobil kommunikation.

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…e a verdadeiro pedraLocalizado em Jelling, Dinamarca,erigido pelo Rei Harald “Blåtand”em memória de seus pais.A pedra possui 3 lados – um delesmostrando uma figura de Jesus.

Estas poderiam ser as coresoriginais da pedra.

Inscrição:“Rei Harald executa esses monumentossepucrais por Gorm, seu pai, e Thyra, suamãe. O Harald que conquistou toda aDinamarca e a Noruega e Cristianizou osDinamarqueses"

Obs.: Blåtand significa “de compleição escura” (não necessariamente “tendo umdente azul”). Harald tinha cabelos muito escuros, fato raro para um Viking.

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Objetivos do padrão Bluetooth Prover comunicação sem fio entre pequenos

dispositivos móveis Mercado alvo: laptop, PDA, telefone e

outros dispositivos Não compete com as WLANs existentes

WLAN: projetada para conectar eficientementegrupos de usuários

Bluetooth: projetado para conectar dispositivosportáteis usando uma conexão pessoal privativa

Substitui cabos usados na comunicação entreperiféricos

4

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Objetivos do padrão Bluetooth Tecnologia deve ser “segura” (suporta

autorização, autenticação e criptografia) Custo baixo Conectar diferentes dispositivos, num total

de 8 simultâneos, a uma taxa de 1 Mbps porpiconet (até 3 Mbps com Bluetooth 2)

Permitir a existência de centenas de piconetsvizinhas

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Objetivos do padrão Bluetooth Suportar voz e dados Consumir pouca energia Implementado da forma compacta para suportar os

dispositivos portáteis nos quais serão integrados Tecnologia projetada para ser global Empresas se comprometem a não cobrar royalties

no desenvolvimento da tecnologia 2004: média de 3 milhões de dispositivos/semana 2005: média de 5 milhões de dispositivos/semana 1 bi dispositivos em Nov/2006

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Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Transferência de objetos:

Capacidade de transferir objetos como arquivos,diretórios etc. entre dispositivos

Pontos de acesso a dados: Permitem acesso à Internet, e-mail, fax etc.,

através de uma conexão sem fio com umainterface PSTN Telefone celular LAN

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Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Sincronização:

Envolve a sincronização de cartões deapresentação pessoal, calendários e trocas deinformações entre dispositivos Bluetooth

Ultimate Headset: Um headset pode ser conectado através de um

enlace sem fio a um PC e parecer como se fosseum áudio playback ou um dispositivo degravação

6

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Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Modelo genérico:

Conectar dispositivos Modelo mais específico:

Pontos de acesso de voz e dados Interconexão de periféricos Personal Area Networking (PAN)

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Acesso de Dados e Voz

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Acesso de Dados e Voz Uso inicial previsto para o padrão Exemplo: CM/Bluetooth usa Celular /

Bluetooth para se conectar à Internet Celular age como um ponto de acesso pessoal

Padrão também prevê pontos públicos deacesso de dados para conectar à Internet Exemplo: telefones públicos Bluetooth em

aeroportos e outros lugares ligados a um canalDSL, onde cada ponto de acesso teria umaconexão de 1 Mbps

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Interconexão de Periféricos

8

15

Interconexão de Periféricos Interconexão de dispositivos periféricos

como teclado, mouse, joystick e outrosatravés de um canal sem fio

Diminui custo de periféricos, já que énecessário apenas um ponto de acesso

Permite a reutilização do periférico emdiferentes mercados

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Interconexão de Periféricos Bluetooth define um enlace de pequeno

alcance e uma área de proximidade dedispositivos de segurança

Se um dispositivo D1 não está na área deproximidade de um dispositivo D2, então D1entra em um modo de alta segurança

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17

Personal Area Networking (PAN)

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Personal Area Networking (PAN) Trata da formação e término de uma rede ad-

hoc pessoal Exemplo:

Você encontra uma pessoa e de forma rápida esegura troca documentos através de uma piconetprivativa

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Potência e Alcance

ClassePotência Máx. PermitidamW (dBm)

AlcanceAproximado

Classe 1 100 mW (20 dBm) ~100 mClasse 2 2.5 mW (4 dBm) ~10 mClasse 3 1 mW (0 dBm) ~1 m

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Especificação Bluetooth Dividida em duas partes:

Core (Núcleo) Profile (Perfil)

Núcleo discute como a tecnologia trabalha Perfil trata de como projetar dispositivos

interoperáveis usando o núcleo

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21

Arquitetura Bluetooth

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Arquitetura BluetoothRadio (RF)

Enviar e receber seqüências debits usando um sinal modulado

Alcance de 10cm (0dBm/1mW),10m (4dBm/2.5mW) ou 100m(20dBm/100mW)

Faixa de 2.4 GHz – ISM(Industrial, Scientific andMedical)

Frequency Hopping: 1600hops/s; total de 79 hops (canais)com 1 MHz de largura cada –entre 2.402 e 2.480 GHz

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23

Arquitetura BluetoothBaseband (Bandabase)

Define a temporização(timing), o framing, ospacotes e o controle defluxo.

Quadro Bluetooth consistede um pacote detransmissão seguido por umpacote de recepção (TDD).

Cada pacote pode sercomposto de múltiplos slots(1, 3 ou 5) de 625 s.

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Arquitetura BluetoothBaseband (Bandabase)

Taxa máxima comum único slot: 172kbps.

Quadros com váriosslots permitem taxasmais altas Eliminam o tempo de

turn-around entrepacotes

Menos overhead Máx.: 721 kbps

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Arquitetura BluetoothBaseband (Bandabase)

Access code: usado para sincronização Header (cabeçalho) Payload (dados)

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Arquitetura BluetoothLink Manager (Gerência e Enlace) - LMP

Assume a responsabilidadedos estados de conexão,garantindo o acesso justoentre “escravos”,gerenciamento de energia,autenticação, criptografia,QoS, entre outros.

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Arquitetura BluetoothLogical Link Control – L2CAP

Cuida da multiplexação dosprotocolos das camadassuperiores, segmentação eremontagem de pacotesgrandes, descobrimento dedispositivos e serviços,transferência de informaçãode QoS.

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Arquitetura BluetoothRFCOMM – Comunicação Serial

Provê a emulação de umaporta serial, usando umsubconjunto do padrãoETSI GSM 07.10.

Pode emular os 9 pinos deuma porta RS-232-E

Comporta até 60 conexõessimultâneas entre doisdispositivos Bluetooth

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29

Arquitetura BluetoothTCP/IP

Bridging Address Resolution MTU definition Multicast / Broadcast

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Arquitetura BluetoothAudio

Canais de 64 kbps 2 esquemas de codificação:

Continuous Variable SlopeDelta (CVSD) Modulation –linear de 16 bits com 8000amostragens/s

Logaritmic Pulse CodedModilation (logPCM) –compressão p/ 8 bits usandoA-law ou -law

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31

Perfis de Uso (Profiles) Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) Basic Imaging Profile (BIP) Basic Printing Profile (BPP) Common ISDN Access Profile (CIP) Cordless Telephony Profile (CTP) Device ID Profile (DID) Dial-up Networking Profile (DUN) Fax Profile (FAX) File Transfer Profile (FTP) General Audio/Video Distribution Profile (GAVDP) Generic Access Profile (GAP) Generic Object Exchange Profile (GOEP) Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP)

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Perfis de Uso (Profiles) Hands-Free Profile (HFP) Human Interface Device Profile (HID) Headset Profile (HSP) Intercom Profile (ICP) LAN Access Profile (LAP) Object Push Profile (OPP) Personal Area Networking Profile (PAN) Phone Book Access Profile (PBAP) Serial Port Profile (SPP) Service Discovery Application Profile (SDAP) SIM Access Profile (SAP, SIM) Synchronisation Profile (SYNCH) Video Distribution Profile (VDP) Wireless Application Protocol Bearer (WAPB)

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34

Perfis de Uso (Profiles) - Exemplo

L2CAP

LAN Access Application

SDPPPP

RFCOMM

c) LAN Access

IP

L2CAP

Synchronization Application

SDPOBEX

RFCOMM

IrMC

SDP – Service Discovery Protocol

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Topologia de Rede

Exemplo de uma piconetonde os círculos M, S, P eSb representam um rádioBluetooth

Rádios estão conectadosentre si numa piconet

Piconet formada por umrádio mestre e até 7escravos

Piconet A

Piconet B

S

M

M

S

S S

Sb

Sb

SbP

P

P

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Formação de uma Rede Rádios Bluetooth são simétricos

Qualquer rádio Bluetooth pode ser um mestre ouum escravo

A configuração da piconet é determinada nomomento de sua formação Tipicamente, o rádio que estabelece a conexão é

o mestre A função de troca “mestre/escravo” permite que

os papéis sejam trocados

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Formação de uma Rede Um dispositivo só pode ser o mestre em uma

dada piconet Rádio Bluetooth precisa entender dois

parâmetros para formar uma piconet: “Padrão de pulo” (hopping pattern) do rádio que

se deseja conectar Fase dentro desse padrão

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38

Formação de uma Rede Rádios Bluetooth possuem um identificador

global único de 48 bits que é usado paracriar um padrão de pulo

Ao se formar uma piconet, o rádio mestre Compartilha o identificador global com outros

rádios, que passam a ter o papel de escravos Provê a todos os rádios o padrão correto de pulo

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Formação de uma Rede Uma estação é mestre somente durante uma

conexão Mecanismos de gerenciamento de enlace

permitem a unidades de rádio usar TDM eagir como pontes entre piconets, formandouma scatternet

20

40

Formação de uma Rede Também existem mecanismos que permitem

às estações (mestre e escravo) requisitarem eaceitarem novas conexões

O objetivo é permitir a criação de múltiploscabos virtuais ao invés de uma substituiçãode um único cabo

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Formação de uma Rede Rádios não conectados à piconet ficam no

modo Standby Escutando por outros rádios achá-los (Inquire) Escutando por uma requisição para formar uma

piconet (Page)

21

42

Formação de uma Rede Rádio emite um comando Inquire

Rádios respondem com um pacote FHS(Frequency Hopping Sharing) com a lista derádios Bluetooth na área

Para formar uma piconet, rádio emite umcomando Page Rádio interrogado responde com seu

identificador global

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Formação de uma Rede

Rádio A torna-se orádio mestre para asestações B e C

S

M

S

Sb

PIDa

IDa

IDa

IDaIDb

IDc

IDe

IDd

22

44

Formação de uma Rede Um rádio recebe um endereço de 3 bits ao se

juntar à piconet AMA: Active Member Address Permite que outros rádios na piconet se

comuniquem com ele Estação mestre possui endereço 0 (zero)

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Formação de uma Rede Se uma piconet passa a ter 8 rádios ativos,

então a estação mestre emite um Park napiconet Estação permanece coordenada com a piconet Libera seu AMA por um endereço de 8 bits

PMA (Passive Member Address)

23

46

Formação de uma Rede A combinação de AMA e PMA permite que

mais rádios façam parte de uma piconet Somente rádios com endereço AMA podem

transferir dados

47

Formação de uma Rede Rádios que não estão conectados ativamente

na piconet estão no estado Standby Rádios escutam Enquires ou Pages de outros

rádios A cada 1.28 ou 2.56s, a estação executa um

Page e/ou Inquiry Scan para saber se umarequisição foi feita

24

48

Formação de uma Rede O processo de Inquiry envolve uma função

de Page no Inquiry ID e outros rádiosexecutarem um Inquiry Scan Processo executado num conjunto de 32 canais Estação executando um Inquiry Scan escuta a

cada 1.28 (2.56)s em um desses 32 canais por10ms, e repete o processo no próximo canal.

49

Formação de uma Rede

25

50

Formação de uma Rede

Inquiry

Page

Master Response

Connection

Inquiry Scan

Inquiry Response

Page Scan

Slave Response

Connection

Mestre Escravo

51

Comunicação em uma Rede No estado conectado, um rádio Bluetooth

possui um endereço de 3 bits AMA Usado para enviar dados para outros

dispositivos na piconet Broadcast na piconet:

Estação mestre envia pacote com endereço 0

26

52

Comunicação em uma Rede Estação pode ficar conectada à piconet e

manter uma situação de baixa potência Entra no estado de Park, Hold ou Sniff

Estados Hold e Sniff Estação acorda em intervalos pré-definidos No estado Sniff a estação é permitida transferir

dados No estado Hold a estação não pode transferir

dados

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Comunicação em uma Rede Estado de Park

A estação passa a ter um endereço PMA Passa a escutar em intervalos de beacon para

saber se a estação mestre Solicitou ao dispositivo para se tornar um membro

ativo Perguntou se algum dispositivo deseja se tornar um

membro ativo Enviou um dado de broadcast

27

54

Comunicação em uma Rede No estado conectado, dois tipos de pacotes

podem ser emitidos: Synchronous Connection Oriented (SCO) Asynchronous Connectionless (ACL)

Pacote SCO associado a dado isócrono No momento voz Pacote com 1, 2 ou 3 slots

55

Comunicação em uma Rede Enlace ACL:

Orientado a pacotes Suporta tráfego assimétrico e/ou simétrico Possui um número ímpar de slots:

1/1 1/3 1/5

28

56

Esquemas de Correção de Erro Baseada em:

FEC (Forward Error Correction) Automatic Repeat Request (ARQ)

FEC: Baseado em bits redundantes Sempre aplicada ao cabeçalho do pacote Quando o canal passa a ter mais ruído, aplicada

aos dados

57

Segurança Questão importante para os cenários onde

espera-se que o padrão seja aplicado Presente nas camadas de enlace e de

aplicação

29

58

Segurança

59

Segurança Na camada de enlace, o sistema de rádio

Bluetooth provê: Autenticação Criptografia Gerenciamento de chave

30

60

Segurança Autenticação:

Usuário possui um PIN (Personal IdentificationNumber)

PIN é um ponto central do esquema desegurança

Traduzido em forma de chave de enlace de 128bits (formada por seqüências de 8 bits)

Serve para autenticar as estações de rádio

61

Segurança Criptografia:

Versão modificado do block chipher SAFER+ Enlace pode ser criptografado usando chaves de

comprimentos diferentes Gerenciamento de chaves:

Camada de segurança negocia o tamanho dachave

Define o tamanho mínimo para que diferentesdispositivos possam se comunicar

31

62

Segurança Arquitetura suporta autorização de diferentes

serviços para as camadas superiores Exemplo: pode-se autorizar que uma aplicação

apenas troque informações de identidade comoutra estação

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Bluetooth 1.2 Novembro/2003 Conexão e descobrimento mais rápidos Adaptive frequency-hopping spread

spectrum (AFH) Extended Synchronous Connections (eSCO):

melhoria na conexão de áudio

32

64

Bluetooth 2.0 + EDR Adotado em Novembro / 2004 velocidade triplicada, passando para 3 Mbps

(teórico, e 2,1 Mbps efetivo) Performance do BER (Bit Error Rate)

aumentado alcance aumentado para 100 metros diminuição do consumo de energia (metade

do 1.2) recurso de multicasting

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Bluetooth 2.0: produtos/exemplos MSI MP54GBT2

802.11b/g +Bluetooth 2.0 (3 Mbps)

IOGEAR USB Bluetooth 2.0Class 2 Adapter até 2.1 Mbps

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66

Bluetooth 2.1 + EDR Adotado em Agosto / 2007 Extended inquiry response Sniff subrating Encryption Pause Resume (encryption key

refreshing) Secure Simple Pairing Maior cooperação em NFC (Near Field

Communication)

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Programação JSR 82: Java™ APIs for Bluetooth

http://jcp.org/en/jsr/detail?id=82

import javax.microedition.io.*;import javax.bluetooth.*;public class PrintClient implements DiscoveryListener {

private Vector deviceList;public PrintClient() throws BluetoothStateException {

LocalDevice local = LocalDevice.getLocalDevice();agent = local.getDiscoveryAgent();try {

maxServiceSearches = Integer.parseInt(LocalDevice.getProperty("bluetooth.sd.trans.max"));

} catch (NumberFormatException e) {System.out.println("General Application Error");System.out.println("\tNumberFormatException: " + e.getMessage());

}}

34

68

Programação: Jogo de 21/*** Inicializa a conexão com o bluetooth para o cliente*/public class BTCliente implements DiscoveryListener{

private static final UUID PICTURES_SERVER_UUID = new UUID("F0E0D0C0B0A000908070605040302010", false);private TelaCliente parent;private DiscoveryAgent agent;private Vector deviceList;private Hashtable serviceTable;private boolean searchDone;/*** Construtor do BTcliente*/public BTCliente(TelaCliente parent) {this.parent = parent;try {LocalDevice local = LocalDevice.getLocalDevice();agent = local.getDiscoveryAgent();deviceList = new Vector();parent.setStatus("Searching for Devices...");System.out.println("Searching for Devices...");agent.startInquiry(DiscoveryAgent.GIAC, this);

}catch (Exception e) {System.out.println(e);parent.searchError("Search Error");

}}

69

Programação BlueZ (C)

http://www.bluez.org/ http://people.csail.mit.edu/albert/bluez-

intro/c401.html

35

70

BlueZ - Exemplo

#include <bluetooth/bluetooth.h>#include <bluetooth/hci.h>#include <bluetooth/hci_lib.h>int main(int argc, char **argv){

...num_rsp = hci_inquiry(dev_id, len, max_rsp, NULL, &ii, flags);if( num_rsp < 0 ) perror("hci_inquiry");for (i = 0; i < num_rsp; i++) {

ba2str(&(ii+i)->bdaddr, addr);memset(name, 0, sizeof(name));if (hci_read_remote_name(sock, &(ii+i)->bdaddr,

sizeof(name), name, 0) < 0)strcpy(name, "[unknown]");printf("%s %s\n", addr, name);

}...

}

71

Bluetooth Outra boa fonte de consultas:

http://www.palowireless.com/bluetooth/

36

72

UWB – Visão Geral Ultra Wideband (UWB) emergindo como ‘nova’ tecnologia

para PANs. Desenvolvido originalmente nos anos 60 para aplicações

militares. Aprovado pelo FCC para uso comercial, com limitações,

em Fev./2002. Provê altas taxas de TX (inicialmente cerca de 50 Mbps) a

distâncias curtas (10 a 20 metros). Sistema de rádio que usa milhões de pulsos por segundo

para comunicação e sensoriamento, por meio de um radarde curto alcance.

Envia dados em milhões de pulsos através de uma bandalarga.

Legalização depende do controle de potência.

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UWB – Visão Geral

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Regulated in the US since February 2002

UWB is available spectrum, not a specifictechnology

7,500MHz of unlicensed spectrum

First regulation ever that allows spectrumsharing: low emission limit (-41.3dBm/MHzEIRP) doesn’t cause harmful interference

Transmitters need to occupy at least 500MHzall the time

UWB devices are NOT defined as impulseradios or by any specific modulation

Enough spectrum to reach much higher datarates than in the ISM band (83.5MHz at2.4GHz) or the U-NII bands (300MHz at5GHz)

Optimized for short-distances applications

FCC regulationsUWB at a Glance

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UWB – Produtos

IOGEAR Wireless USB toVGA Adapter kit

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76

High Speed Bluetooth (3.0)

Principal concorrente: Wireless USB480Mbps – 3m110Mbps – 10m Agere, HP, Intel, Microsoft,

NEC Philips, Samsung

1º dispositivo regulamentado: 23/10/2006 (WiQuest)(3.1 – 10.5 GHz)

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WUSB – Cenários de Uso

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78

High Speed Bluetooth (3.0) Março 2009 – WiMedia Alliance anuncia

sua saída e posterior transferência detecnologia UWB para outros grupos

Abril 2009 – Bluetooth SIG adota 802.11para transferências em altas taxas noBluetooth Core 3.0 – até 24 Mbps (teórico)

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High Speed Bluetooth (3.0)

Samsung S8500 Wave

Nokia N8

40

80

WiBree: Ultra Low Power Bluetooth

Nokia + Bluetooth SIG (Junho / 2007) Aplicações de monitoramento corporal

(esportes, medicina) 1 Mbps – 6dBm

81

Low Energy Bluetooth (4.0) Julho 2010 Inclui BT tradicional, BT 3.0 (high speed) e WiBree Baixa latência (3 ms) Endereço ativo de 32 bits – topologia 1 p/ 1 ou em

estrela – mesh networking Cryptografia melhor – AES 265 bits

41

82

WPANs – outros competidores

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Bluetooth x ZigBeeTechnology Bluetooth ZigbeeRadio Frequency 2,4 GHz 2,4 GHz, 868 MHz (Europe) or

915MHz (Americas)Distance / Range 10 or - 100 meters 60 metersData Throughput(theoretical) 1-3Mbps 250kbps at 2.4 GHz. Less at the

lower frequencies.Nodes/Master 7-16, 777, 184 ¹ 64000²LatencyNew slave enumeration Up to 3 s About 30 msSleeping state to active About 3 s About 15 msActive slave channelaccess time About 2 ms About 15 ms

Security 64b/128b and applications layer userdefined

128b AES and application layeruser defined

RobustnessAdaptive fast frequency hopping overentire available spectrum, FEC fastACK

Uses only 16 ch. in ISM band,unproven mesh topology with longrecovery time

Total time to send data(determines battery life) 10ms 30ms

Goverment Regulation Worldwide Worldwide for 2.4GHz, limitedterritories for other frequencies.

Certification Body Bluetooth Zigbee Alliance 802.15.4³Cost (presently) <$3 bulk CMOS $7-8;no bulk CMOSPower consumption X (implementation dependant) XAd-Hoc Yes Not reallyService discovery Yes NoProfile concept Yes No (only on app)Voice capable Yes No

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WirelessHD ou WiHD Lançado oficialmente em 2008 802.15.3c 60 GHz – LOS LG, Panasonic, NEC, Samsung, SiBEAM,

Sony, Toshiba... HDTV 2 a 5 Gbps (teoricamente até 20 Gbps)

DVD – 80 Mbps USB 2.0 – 200 Mbps HD SATA – 1.2 Gbps SSD – 3,5 Gbps

85

WirelessHD ou WiHD http://www.engadget.com/tag/802.15.3c/

15 Gbps a 1m 10 Gbps a 2m 5 GBps a 5m

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86

Resumo: PANs, LANs e WANs

Taxa de transmissão Alcance Mobilidade Espectro

Bluetooth 3 ou 54 Mbps 10 m Muito baixa 2.4 GHz

UWB 5 Gbps <10 m Muito baixa 7.5 GHz

IEEE 802.11g Até 54 Mbps 100 m Baixa 2.4 GHz

IEEE 802.11n 100 a 200 Mbps 100 m Baixa 2.4 / 5 GHz

WiMAX (802.16) Até 100 Mbps 2 a 10 km Alta 2 a 11 GHz

GSM 9.6 kbps 10 a 20 km Média a alta 900 MHz

3G Celular Até 2 Mbps 5 a 10 km Alta 1 a 2 GHz