Cos'è la tecnologia Bluetooth e come funziona?

Che cos'è il Bluetooth?

Il Bluetooth è una famosa tecnologia wireless a basso consumo. È stato progettato per essere utilizzato come tecnologia Wireless Personal Area Network (WPAN) insieme a tecnologie come il Wi-Fi e il ZigBee. Le applicazioni del Bluetooth variano da quelle basate su telefoni cellulari a quelle basate su sensori veicolari. Tuttavia, a differenza delle sue controparti, il Bluetooth è specificamente progettato per distanze più brevi. Il Bluetooth è stato introdotto per la prima volta nel 1994 da Ericsson. L'unico scopo dell'introduzione del Bluetooth era quello di sostituire l'uso di fili e cavi. Nel 1996, in collaborazione con Nokia e Intel, Ericsson ha formato lo Special Interest Group (SIG), che è l'organo di governo per il rilascio e la definizione delle specifiche Bluetooth. Nel corso degli anni l'alleanza del SIG è aumentata, portando allo sviluppo della tecnologia Bluetooth. Si basa sulla banda di frequenza 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical Applications). Le versioni iniziali del Bluetooth supportavano una velocità di trasmissione fino a 1 Mbps. Il Bluetooth è anche soggetto ad attacchi informatici a causa delle caratteristiche di sicurezza ereditate dal Bluetooth. Grazie a tutte queste caratteristiche, il Bluetooth è un candidato ideale per le moderne soluzioni Internet of Things (IoT).

Come funziona il Bluetooth?

Il Bluetooth funziona principalmente come soluzione tecnologica WPAN per le applicazioni IoT. Esistono due tipi principali di tecnologie wireless. Sono,

1. Velocità di base (BR) / Velocità di trasferimento dati avanzata (EDR) o Bluetooth classico
2. Bassa energia (BLE o LE)

Nonostante le differenze nel livello fisico, vengono gestiti al livello 2.4 GHz Banda di frequenza ISM. Una rete Bluetooth è inizialmente composta dai seguenti nodi:

• Inserzionista: Questo nodo dispositivo trasmette pacchetti pubblicitari.
• Scanner: Un nodo dispositivo che riceve pacchetti senza l'intenzione di stabilire una connessione.

Una volta che il nodo del dispositivo scanner tenta di avviare una connessione, viene definito iniziatore. Questa connessione viene avviata in risposta a un evento pubblicitario di connessione pubblicato dall'inserzionista. Infine, viene stabilita una connessione. A questo punto, l'iniziatore è noto come master, mentre l'inserzionista è noto come slave. Questa connessione tra master e slave è nota come piconet. Nel contesto di Bluetooth BR/EDR, in una piconet possono essere presenti fino a un master e 7 slave. Tuttavia, queste piconet possono essere estese alle cosiddette scatternet. Le scatternet sono costituite da due piconet combinate, in cui è presente un secondo master che gestisce la seconda piconet. Questo master secondario sarebbe common ad entrambe le piconet.

Quando si parla di Bluetooth Tecnologia BLEGrazie all'indirizzamento a 24 bit rispetto a quello a 3 bit di Bluetooth BR/EDR, può supportare milioni di dispositivi. In Bluetooth BLE, invece, una connessione master-slave è di per sé una piconet separata. Pertanto, ogni dispositivo si trova in un canale separato.

Dopo aver stabilito una connessione, viene richiesta una risposta a uno slave dopo l'invio di un messaggio da parte del master. Lo slave viene selezionato e gli viene data una possibilità utilizzando una tecnica di salto di frequenza adattiva. In questo modo si garantisce la sicurezza e l'utilizzo ottimale dell'allocazione del canale.

In una piconet, ogni nodo o dispositivo può trovarsi nei seguenti stati:

• Maestro
• Schiavo
• Standby
• Parcheggiato

Per impostazione predefinita, un nodo si trova in modalità standby. La modalità di parcheggio è stata deprecata da Bluetooth 5.0.

Specifiche Bluetooth

Prima di addentrarci nell'architettura Bluetooth, è utile comprendere le differenze tra le specifiche Bluetooth nel corso degli anni. La seguente tabella summariffa le caratteristiche principali di ciascuna specifica Bluetooth.

Ulteriori dettagli sulle specifiche sono disponibili all'indirizzo https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. La versione attuale del Bluetooth è Bluetooth 5.3, rilasciata nel 2021. Il Bluetooth BLE è una delle tecnologie progettate per soddisfare le esigenze delle applicazioni IoT. Supporto della rete mesh e della capacità di trasmissione con basso consumo energetico lo rende un candidato ideale rispetto al Bluetooth classico. Il Bluetooth classico è in grado di gestire solo la communicazione punto-punto come nelle picnet.

Architettura Bluetooth

Vediamo ora brevemente la struttura di base dell'architettura Bluetooth. Lo stack Bluetooth è composto da tre componenti fondamentali, ovvero:

• Controllore hardware
• Software host
• Profili di applicazione

Questa architettura è composta da protocolli o livelli che gestiscono varie funzionalità. Inoltre, i profili sono le funzioni che utilizzano i protocolli per realizzare le funzionalità. Se si considera lo stack Bluetooth 5.0, i dispositivi si possono trovare in due modalità:

• Doppia modalità: Dispositivi che supportano entrambe le modalità BR/EDR e LE
• Modalità singola: Dispositivi che supportano le modalità BR/EDR o LE

Affidabilità del Bluetooth

Una delle maggiori sfide della comunicazione wireless è la presenza di interferenze. L'interferenza è causata dalla collisione e dalla perdita di pacchetti nel mezzo wireless. Per superare le interferenze, il Bluetooth utilizza le seguenti tecniche:

• I pacchetti Bluetooth sono piccoli e più veloci: In questo modo si riduce la probabilità di collisione con altri pacchetti, poiché questi si muovono più velocemente e sono più piccoli.
• Il Bluetooth utilizza uno speciale spettro diffuso a salto di frequenza (FHSS) noto come adaptive frequency hopping (AFH). In questo caso, la banda di frequenza viene separata in diversi canali e i pacchetti passano da un canale all'altro durante la trasmissione. Inoltre, sono in grado di identificare i canali congestionati e corrotti, evitando così di trasmetterli.
• Bluetooth supporta anche i messaggi di riconoscimento per confermare il corretto recapito dei messaggi in modalità punto-punto e rete mesh.
• Inoltre, nelle reti mesh i pacchetti Bluetooth vengono ritrasmessi in più copie su canali diversi. Questo garantisce una trasmissione corretta anche negli ambienti più rumorosi.

Quanto è sicuro il Bluetooth?

Quando si tratta di abilitare i dispositivi IoT in WPAN, un elemento di interesse è il livello di sicurezza fornito dalla tecnologia di trasmissione selezionata. Il Bluetooth è naturalmente una scelta sicura quando si tratta di tecnologie wireless. Ciò è dovuto all'uso della tecnica AFH, in cui i pacchetti trasmessi vengono rapidamente saltati tra diversi canali. Tuttavia, per migliorare ulteriormente la sicurezza della trasmissione, Bluetooth SIG ha previsto diverse funzioni di sicurezza che devono essere attivate a seconda delle necessità. Ad esempio, la tecnica di accoppiamento Bluetooth Out of Band può essere utilizzata per proteggere la connessione da varie vulnerabilità.

Qual è la portata del Bluetooth?

Il Bluetooth è una tecnologia wireless WPAN che lo rende un candidato ideale per le portate a breve distanza e in spazi chiusi. Nonostante le varie misure adottate per migliorare il raggio d'azione, alcuni fattori determinano il raggio d'azione raggiungibile. Questi fattori includono:

• Perdita di percorso nell'ambiente.
• Il guadagno dell'antenna del ricetrasmettitore.
• Lo spettro radio selezionato. Una banda di frequenza più piccola offrirebbe un raggio d'azione maggiore.
• Il mezzo fisico selezionato. Il Bluetooth è dotato di diverse opzioni con diverse velocità di trasmissione dati, come BR/EDR, HS e BLE.

Pertanto, spetta all'architetto IoT decidere la gamma in base ai fattori sopra citati.

Vantaggi e svantaggi del Bluetooth nell'IoT

I vantaggi del Bluetooth includono:

• Suscettibilità alle interferenze di altre tecnologie wireless
• Basso consumo energetico
• Può essere utilizzato per la trasmissione di dati e voce

Gli svantaggi del Bluetooth sono:

• La sicurezza può essere compromessa
• Larghezza di banda ridotta rispetto al Wi-Fi
• Più lento (ci sono comunque diverse opzioni tra cui scegliere)

Conclusione

Il Bluetooth è un candidato ideale per le applicazioni IoT che richiedono un basso consumo energetico. Idealmente, è più adatto alle aree con maggiori interferenze da parte di altre trasmissioni wireless. Tuttavia, nonostante le sfide e gli svantaggi, il Bluetooth è una scelta famosa quando si tratta di applicazioni WPAN IoT come la domotica.