¿Qué es la tecnología Bluetooth y cómo funciona?

¿Qué es Bluetooth?

Bluetooth es una famosa opción de tecnología inalámbrica de bajo consumo. Está diseñada para utilizarse como tecnología de red de área personal inalámbrica (WPAN) junto a tecnologías como Wi-Fi y ZigBee. Las aplicaciones de Bluetooth varían desde aplicaciones basadas en teléfonos móviles hasta aplicaciones basadas en sensores vehiculares. Sin embargo, a diferencia de sus homólogos, Bluetooth está diseñado específicamente para distancias más cortas. Bluetooth fue introducido por primera vez en 1994 por Ericsson. El único propósito de introducir Bluetooth era sustituir el uso de hilos y cables. En colaboración con Nokia e Intel, Ericsson formó en 1996 el Special Interest Group (SIG), que es el órgano rector para la publicación y definición de las especificaciones de Bluetooth. Con el paso de los años, la alianza del SIG fue en aumento, lo que condujo al desarrollo de la tecnología Bluetooth. Se basa en la banda de frecuencia ISM (Aplicaciones Industriales, Científicas y Médicas) de 2,4 GHz. Las versiones iniciales de Bluetooth admitían una velocidad binaria de hasta 1 Mbps. Bluetooth también es propenso a los ciberataques debido a las características de seguridad heredadas de Bluetooth. Con todas estas características, Bluetooth es un candidato ideal para las modernas soluciones de Internet de las Cosas (IoT).

¿Cómo funciona Bluetooth?

Bluetooth funciona principalmente como una solución de tecnología WPAN para aplicaciones IoT. Existen dos tipos principales de tecnologías inalámbricas. Son las siguientes,

1. Ratio básica (BR) / Ratio de datos mejorada (EDR) o Bluetooth clásico
2. Baja energía (BLE o LE)

A pesar de sus diferencias en la capa física, funcionan en la 2.4 GHz Banda de frecuencia ISM. Una red Bluetooth consta inicialmente de los siguientes nodos:

• Anunciante: Este nodo de dispositivo transmite paquetes de anunciante.
• Explorador: Nodo de un dispositivo que recibe paquetes sin intención de establecer una conexión.

Una vez que el nodo del dispositivo escáner intenta iniciar una conexión, se le denomina iniciador. Esta conexión se inicia en respuesta a un evento de publicidad conectable publicado por el anunciante. Finalmente, se establece una conexión. Ahora, el iniciador se conoce como maestro, mientras que el anunciante se conoce como esclavo. Esta conexión entre un maestro y un esclavo se conoce como piconet. En el contexto de Bluetooth BR/EDR, puede haber hasta un maestro con 7 esclavos en una piconet. Sin embargo, estas piconets pueden ampliarse a lo que se conoce como scatternets. Las scatternets tendrían dos piconets combinadas, donde hay un segundo maestro para manejar la segunda piconet. Este maestro secundario sería common a ambos piconets.

Cuando se trata de Bluetooth Tecnología BLEGracias a su direccionamiento de 24 bits, frente al de 3 bits de Bluetooth BR/EDR, puede admitir millones de dispositivos. En Bluetooth BLE, sin embargo, una conexión maestro-esclavo es en sí misma una piconet independiente. Por tanto, cada dispositivo está en un canal independiente.

Tras establecer una conexión, se pide a un esclavo que responda a un mensaje enviado por el maestro. El esclavo se selecciona y se le da una oportunidad mediante una técnica de salto de frecuencia adaptativa. Esto garantiza la seguridad y el mejor uso de la asignación de canales.

En una piconet, cada nodo o dispositivo puede encontrarse en los siguientes estados:

• Maestro
• Esclavo
• En espera
• Aparcado

Por defecto, un nodo estaría en modo de espera. El modo aparcado ha quedado obsoleto a partir de Bluetooth 5.0.

Especificaciones Bluetooth

Antes de profundizar en la arquitectura Bluetooth, es útil comprender las diferencias en las especificaciones Bluetooth a lo largo de los años. La siguiente tabla summariza las características clave de cada especificación Bluetooth.

Encontrará más información en https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. La versión actual de Bluetooth es Bluetooth 5.3, lanzada en 2021. Tenga en cuenta que Bluetooth BLE es una de las tecnologías diseñadas para satisfacer las necesidades de las aplicaciones IoT. Soporta redes de malla y capacidad de difusión con bajo consumo de energía lo convierte en un candidato ideal frente al Bluetooth clásico. El Bluetooth clásico solo es capaz de gestionar communicación punto a punto, como en las piconets.

Arquitectura Bluetooth

Veamos ahora brevemente la estructura básica de la arquitectura Bluetooth. Hay tres componentes básicos en la pila Bluetooth, a saber:

• Controlador de hardware
• Software anfitrión
• Perfiles de aplicación

Esta arquitectura consta de protocolos o capas que gestionan diversas funcionalidades. Además, los perfiles son las funciones que utilizan los protocolos para realizar la funcionalidad. Si consideramos la pila Bluetooth 5.0, los dispositivos pueden encontrarse en dos modos:

• Modo dual: Dispositivos compatibles con los modos BR/EDR y LE.
• Modo único: Dispositivos compatibles con los modos BR/EDR o LE.

Fiabilidad Bluetooth

Uno de los mayores retos de la communicación inalámbrica es la presencia de interferencias. Las interferencias se deben a la colisión y pérdida de paquetes en el medio inalámbrico. Para superar las interferencias, Bluetooth utiliza las siguientes técnicas:

• Los paquetes Bluetooth son pequeños y más rápidos: Esto reducirá la probabilidad de colisión con otros paquetes, ya que se mueven más rápido y son más pequeños.
• Bluetooth utiliza un espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) especial conocido como salto de frecuencia adaptativo (AFH). En este caso, la banda de frecuencias se divide en distintos canales y los paquetes saltan de uno a otro durante la transmisión. Además, pueden identificar canales congestionados y corruptos, evitándolos.
• Bluetooth también admite mensajes de acuse de recibo para confirmar la correcta entrega de mensajes en comunicaciones punto a punto y redes malladas.
• Además, en las redes malladas los paquetes Bluetooth se retransmiten como copias múltiples en canales diferentes. Así se garantiza una transmisión correcta incluso en los entornos más ruidosos.

¿Es seguro el Bluetooth?

Cuando se trata de habilitar dispositivos IoT en WPAN, un common de interés es el nivel de seguridad que proporciona la tecnología de transmisión seleccionada. Bluetooth es naturalmente una opción segura cuando se trata de tecnologías inalámbricas. Esto se debe al uso de la técnica AFH, en la que los paquetes transmitidos saltan rápidamente entre diferentes canales. Sin embargo, para mejorar aún más la seguridad de la transmisión, Bluetooth SIG ha proporcionado distintas funciones de seguridad que deben activarse en función de las necesidades. Por ejemplo, puede utilizarse la técnica de emparejamiento Bluetooth fuera de banda para proteger la conexión frente a diversas vulnerabilidades.

¿Cuál es el alcance del Bluetooth?

Bluetooth es una tecnología inalámbrica WPAN, lo que la convierte en una candidata ideal para los alcances a corta distancia y en espacios cerrados. A pesar de las diversas medidas adoptadas para mejorar el alcance de funcionamiento, ciertos factores deciden el alcance alcanzable. Estos factores incluyen:

• Pérdida de trayectoria en el entorno.
• La ganancia de la antena del transceptor.
• El espectro radioeléctrico seleccionado. Una banda de frecuencia pequeña proporcionaría un alcance mayor.
• El medio físico seleccionado. Bluetooth dispone de distintas opciones con diferentes velocidades de datos, como BR/EDR, HS y BLE.

Por lo tanto, es elección del arquitecto de IoT decidir la gama en función de los factores mencionados.

Ventajas e inconvenientes de Bluetooth en IoT

Entre las ventajas de Bluetooth se incluyen:

• Susceptibilidad a las interferencias de otras tecnologías inalámbricas
• Bajo consumo de energía
• Puede utilizarse tanto para transmisión de datos como de voz

Las desventajas de Bluetooth son:

• La seguridad puede verse comprometida
• Bajo ancho de banda en comparación con Wi-Fi
• Más lento (aún así hay diferentes opciones para elegir)

Conclusión

Bluetooth es un candidato ideal para aplicaciones IoT que requieran un bajo consumo de energía. Idealmente, es más adecuado para zonas con más interferencias de otras transmisiones inalámbricas. Sin embargo, a pesar de los retos e inconvenientes, Bluetooth es una opción famosa cuando se trata de aplicaciones IoT WPAN como la domótica.