O que é a tecnologia Bluetooth e como funciona?

O que é o Bluetooth?

O Bluetooth é uma famosa opção de tecnologia sem fios de baixo consumo. Foi concebido para ser utilizado como tecnologia de rede de área pessoal sem fios (WPAN) juntamente com tecnologias como Wi-Fi e ZigBee. As aplicações do Bluetooth variam desde aplicações baseadas em telemóveis até aplicações baseadas em sensores veiculares. No entanto, ao contrário das suas congéneres, o Bluetooth foi especificamente concebido para distâncias mais curtas. O Bluetooth foi introduzido pela primeira vez em 1994 pela Ericsson. O único objetivo da introdução do Bluetooth era substituir a utilização de fios e cabos. Em colaboração com a Nokia e a Intel, a Ericsson formou o Grupo de Interesse Especial (SIG) em 1996, que é o organismo que rege o lançamento e a definição das especificações Bluetooth. Ao longo dos anos, a aliança do SIG aumentou, levando assim ao desenvolvimento da tecnologia Bluetooth. Baseia-se na banda de frequência ISM (Industrial, Scientific, and Medical Applications) 2.4 GHz. As versões iniciais do Bluetooth suportavam uma velocidade de transmissão até 1 Mbps. O Bluetooth é também propenso a ciberataques devido às caraterísticas de segurança herdadas do Bluetooth. Com todas estas caraterísticas, o Bluetooth é um candidato ideal para as soluções modernas da Internet das Coisas (IoT).

Como é que o Bluetooth funciona?

O Bluetooth funciona principalmente como uma solução tecnológica WPAN para aplicações IoT. Existem dois tipos principais de tecnologias sem fios. São eles,

1. Taxa básica (BR) / Taxa de dados melhorada (EDR) ou Bluetooth clássico
2. Baixo consumo de energia (BLE ou LE)

Apesar das suas diferenças na camada física, funcionam a 2.4 GHz Banda de frequência ISM. Uma rede Bluetooth é inicialmente constituída pelos seguintes nós:

• Anunciante: Este nó de dispositivo transmite pacotes de anunciantes.
• Scanner: Um nó de dispositivo que recebe pacotes sem a intenção de estabelecer uma ligação.

Quando o nó de dispositivo de scanner tenta iniciar uma ligação, é referido como um iniciador. Esta ligação é iniciada em resposta a um evento de publicidade conectável publicado pelo anunciante. Finalmente, é estabelecida uma ligação. Agora, o iniciador é conhecido como o mestre e o anunciante como o escravo. Esta ligação entre um master e um slave é conhecida como piconet. No contexto do Bluetooth BR/EDR, pode haver até um master com 7 slaves numa piconet. No entanto, estas piconets podem ser alargadas ao que se designa por scatternets. As scatternets teriam duas piconets combinadas, onde há um segundo mestre para lidar com a segunda piconet. Este mestre secundário seria common para ambas as piconets.

Quando se trata de Bluetooth Tecnologia BLEDevido ao seu endereçamento de 24 bits em comparação com o endereçamento de 3 bits no Bluetooth BR/EDR, pode suportar milhões de dispositivos. No entanto, no Bluetooth BLE, uma ligação mestre-escravo é, por si só, uma piconet separada. Por conseguinte, cada dispositivo está num canal separado.

Depois de estabelecer uma ligação, é pedida uma resposta a um escravo após o envio de uma mensagem pelo mestre. O escravo é selecionado e recebe uma oportunidade utilizando uma técnica adaptativa de salto de frequência. Isto garante a segurança e a melhor utilização da atribuição de canais.

Numa piconet, cada nó ou dispositivo pode estar nos seguintes estados:

• Mestre
• Escravo
• Em espera
• Estacionado

Por predefinição, um nó estaria em modo de espera. O modo estacionário foi preterido a partir do Bluetooth 5.0.

Especificações Bluetooth

Antes de se aprofundar na arquitetura Bluetooth, é útil compreender as diferenças nas especificações Bluetooth ao longo dos anos. A tabela seguinte summariza as principais caraterísticas de cada especificação Bluetooth.

Para mais pormenores sobre as especificações, consultar https://www.bluetooth.com/specifications/specs/. A versão atual do Bluetooth é o Bluetooth 5.3, lançado em 2021. Note-se que o Bluetooth BLE é uma das tecnologias concebidas para satisfazer as necessidades das aplicações IoT. Suporte de redes em malha e capacidade de difusão com baixo consumo de energia torna-o um candidato ideal em relação ao Bluetooth clássico. O Bluetooth clássico só é capaz de lidar com a comunicação ponto-a-ponto, como nas piconets.

Arquitetura Bluetooth

Vejamos agora, resumidamente, a estrutura básica da arquitetura Bluetooth. Existem três componentes básicos na pilha Bluetooth, nomeadamente

• Controlador de hardware
• Software anfitrião
• Perfis de aplicação

Esta arquitetura é constituída por protocolos ou camadas que tratam de várias funcionalidades. Além disso, os perfis são as funções que utilizam os protocolos para realizar a funcionalidade. Ao considerar a pilha Bluetooth 5.0, os dispositivos podem ser encontrados em dois modos:

• Modo duplo: Dispositivos que suportam os modos BR/EDR e LE
• Modo único: Dispositivos que suportam os modos BR/EDR ou LE

Fiabilidade do Bluetooth

Um dos maiores desafios da comunicação sem fios é a presença de interferências. A interferência é causada pela colisão e perda de pacotes no meio sem fios. Para superar as interferências, o Bluetooth utiliza as seguintes técnicas:

• Os pacotes Bluetooth são pequenos e mais rápidos: Isto reduzirá a probabilidade de colisão com outros pacotes, uma vez que estes se deslocam mais rapidamente e são mais pequenos.
• O Bluetooth utiliza um espetro de propagação de salto de frequência especial (FHSS) conhecido como salto de frequência adaptativo (AFH). Aqui, a banda de frequência dada é separada em diferentes canais e os pacotes saltam entre canais durante a transmissão. Além disso, podem identificar canais congestionados e corrompidos, evitando-os assim.
• O Bluetooth também suporta mensagens de confirmação para confirmar a entrega correta de mensagens em situações de ponto-a-ponto e rede em malha.
• Além disso, nas redes em malha, os pacotes Bluetooth são retransmitidos como cópias múltiplas em canais diferentes. Isto garante uma transmissão correta mesmo nos ambientes mais ruidosos.

Quão seguro é o Bluetooth?

Quando se trata de ativar dispositivos IoT em WPAN, um interesse comum é o nível de segurança fornecido pela tecnologia de transmissão selecionada. O Bluetooth é naturalmente uma escolha segura quando se trata de tecnologias sem fios. Isto deve-se à utilização da técnica AFH, em que os pacotes transmitidos são rapidamente saltitados entre diferentes canais. No entanto, para aumentar ainda mais a segurança da transmissão, o Bluetooth SIG forneceu diferentes caraterísticas de segurança que devem ser activadas conforme necessário. Por exemplo, o emparelhamento da técnica Bluetooth Out of Band pode ser utilizado para proteger a ligação de várias vulnerabilidades.

Qual é o alcance do Bluetooth?

O Bluetooth é uma tecnologia sem fios WPAN, o que o torna um candidato ideal para alcances de curta distância e em espaços fechados. Apesar das várias medidas tomadas para melhorar a gama de funcionamento, há certos factores que determinam a gama alcançável. Estes factores incluem:

• Perda de trajetória no ambiente.
• O ganho da antena do transmissor-recetor.
• O espetro de rádio selecionado. Uma banda de frequência mais pequena permite um maior alcance.
• O meio físico selecionado. O Bluetooth está equipado com diferentes opções com diferentes taxas de dados, como BR/EDR, HS e BLE.

Assim, cabe ao arquiteto da IdC decidir o intervalo em função dos factores acima mencionados.

Vantagens e desvantagens do Bluetooth na IoT

As vantagens do Bluetooth incluem:

• Suscetibilidade a interferências de outras tecnologias sem fios
• Baixo consumo de energia
• Pode ser utilizado tanto para transmissão de dados como de voz

As desvantagens do Bluetooth são:

• A segurança pode ser comprometida
• Baixa largura de banda em comparação com Wi-Fi
• Mais lento (ainda existem diferentes opções para escolher)

Conclusão

O Bluetooth é um candidato ideal para aplicações IoT que requerem um baixo consumo de energia. Idealmente, é mais adequado para áreas com mais interferências de outras transmissões sem fios. No entanto, apesar dos desafios e dos inconvenientes, o Bluetooth é uma escolha famosa quando se trata de aplicações IoT WPAN, como a domótica.