Camada de banda base. É a camada mais próxima de uma subcamada MAC. Incorpora também algumas características da camada física do IEEE 802

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1 Camada de banda base É a camada mais próxima de uma subcamada MAC Incorpora também algumas características da camada física do IEEE 802

2 Camada de banda base Transmissões do mestre e dos escravos são separadas Duplexação por divisão de tempo (TDD) Slots de tempo de 625 µs Mestre de cada piconet começa a transmissão nos slots pares Escravos começam a transmitir nos slots ímpares Quadros podem ter 1, 3 ou 5 slots de duração Dependendo do tipo de quadro Número ímpar para manter a temporização de Tx/Rx

3 Camada de banda base Exemplo de duplexação por divisão de tempo no Bluetooth

4 Camada de banda base Quadros transmitidos em enlaces também chamados canais lógicos entre o mestre e um ou mais escravos Dois tipos de enlaces ACL (Asynchronous Connection-Less) SCO (Synchronous Connection Oriented)

5 Camada de banda base ACL Enlace ponto-a-multiponto entre o mestre e todos os escravos ativos Pode usar os slots não reservados para enlaces SCOs Só há um enlace ACL por piconet Usa varredura (polling) para acesso ao meio Serviço de melhor esforço Usado principalmente para dados assíncronos Taxa máxima de 723,2 kbps (na direção do escravo) e de 57,6 kbps no sentido reverso Taxa máxima de 433,9 kbps (simétricos)

6 Camada de banda base SCO Enlace ponto-a-ponto entre o mestre e um escravo Usa reserva de slots consecutivos a intervalos regulares Usado principalmente para dados de tempo real Não há retransmissão Pode usar correção automática de erros (FEC) Um mestre pode ter até três enlaces SCOs para um escravo ou para escravos diferentes Um escravo pode ter até três enlaces SCOs para o seu mestre ou até dois enlaces SCOs para diferentes mestres Em cada enlace podem ser transmitidos 64 kbps

7 Camada de banda base Exemplo de enlaces SCO e ACL em uma piconet

8 Camada de banda base Diversos tipos de quadros de dados Relacionados ao tipo de enlace no qual são usados Quadros divididos em quatro categorias Quadros de controle Quadros que ocupam um slot Quadros que ocupam três slots Quadros que ocupam cinco slots

9 Camada de banda base - quadros

10 Camada de banda base - quadros ID Sinalização Contém somente o código de acesso FHS Conexão de dispositivos Bluetooth Contém identidade e relógio POLL Mestre não tem dados a transmitir e precisa escalonar um escravo NULL Escravo não tem dados a transmitir mas precisa responder ao mestre

11 Camada de banda base - quadros HV1, HV2 e HV3 DV Carregam informações de voz em enlaces SCOs High-quality Voice Ocupam um slot Diferem-se no uso de FEC Combina informações de voz e dados em um único quadro Data-Voice

12 Camada de banda base - quadros DM1, DM3 e DM5 Carregam dados usando FEC 2/3 em um, três ou cinco slots Data-Medium rate DH1, DH3 e DH5 Carregam dados sem usar FEC em um, três ou cinco slots Data-High rate AUX1 Semelhante ao quadro DH1 sem o CRC

13 Camada de banda base - correção de erros FEC 1/3 Triplica a quantidade de dados Bit repetido três vezes consecutivas Usado para proteger o cabeçalho do quadro Geralmente usado no modo síncrono Campo voz dos quadros HV1

14 Camada de banda base - correção de erros FEC 2/3 Grupo de 10 bits codificado em 15 bits Código de Hamming Pode corrigir erros simples e detectar erros duplos Por usar grupos de 10 bits pode precisar de enchimento Feito após o CRC Geralmente usado no modo assíncrono para transmissão de dados De quadros DM, campo dados dos quadros DV, quadros FHS e quadros HV2

15 Camada de banda base - correção de erros ARQ (Automatic Repeat Request) Retransmissão de quadros não reconhecidos Por estouro de temporizador ou NACK Reconhecimento não numerado positivo ou negativo Enviado no cabeçalho do quadro de retorno Escravo responde no slot escravo-mestre que segue o slot mestre-escravo Mestre responde no próximo slot para o mesmo escravo Uso justificado por gerar menos sobrecarga em ambientes com pequeno ruído Usado em quadros DM e DH e no campo dados dos quadros DV

16 Camada de banda base - correção de erros Exemplo de retransmissão no Bluetooth

17 Quadro de dados Código de acesso (72 bits) Usado para sincronização, compensação de offset, investigação e negociação Três tipos Channel Access Code (CAC) Identifica a piconet Device Access Code (DAC) Inquiry Access Code (IAC) Quadro de dados típico do Bluetooth

18 Quadro de dados Código de acesso (cont.) Preâmbulo (4 bits) Palavra de sincronismo (64 bits) Leva em consideração o endereço de 48 bits do dispositivo Trailer (4 bits) Quadro de dados típico do Bluetooth

19 Quadro de dados Cabeçalho (54 bits) Subdividido em 6 campos Seis campos formam 18 bits e são replicados três vezes Endereço (3 bits) Endereço lógico (temporário) do dispositivo ativo que é o destino do quadro Igual a 000 se difusão Quadro de dados típico do Bluetooth

20 Quadro de dados Cabeçalho (54 bits) (cont.) Tipo (4 bits) Tipo do quadro Fluxo (1 bit) Igual a 1 se o buffer do escravo está cheio Confirmação (1 bit) Se igual a 1 é um reconhecimento positivo (ACK) Se igual a 0 é um reconhecimento negativo (NACK) Quadro de dados típico do Bluetooth

21 Quadro de dados Cabeçalho (54 bits) (cont.) Sequência (1 bit) Retransmissão do tipo para-e-espera Bit necessário para filtrar retransmissões no destino Um ACK pode ser perdido e uma retransmissão realizada destino recebe o mesmo quadro duas vezes Controle de erro de cabeçalho (8 bits) CRC do cabeçalho Quadro de dados típico do Bluetooth

22 Quadro de dados Dados Pode ter cabeçalho (8 ou 16 bits) e campo CRC (16 bits) Depende do tipo de quadro Cabeçalho usado nos quadros do ACL e nos dados do quadro DV CRC usado em todos os quadros de dados, exceto o AUX1 Quadro de dados típico do Bluetooth

23 Quadro de dados Dados Não precisa de tamanho mínimo Tamanho máximo de 2744 bits (5 slots) e 240 bits (1 slot) Quadro de dados típico do Bluetooth

24 Quadro de dados

25 Quadro de dados

26 Quadro de dados Exemplos Quadro HV1 80 bits de carga útil a cada 1250 µs taxa máxima em um sentido é de 64 kbps Mestre (escravo) só usa os slots pares (ímpares) de 625 µs Quadro DH5 no caso simétrico 339 octetos de carga útil a cada 6250 µs (cinco slots para o mestre e cinco slots para o escravo) aproximadamente 433,9 kbps

27 Camada de banda base - segurança Autenticação Privacidade Criptografia Gerenciamento de chaves

28 Camada de banda base - privacidade Criptografia usada na carga útil dos dados Carga útil encriptada após a inclusão dos bits de CRC e antes da codificação FEC Mestre A envia um número aleatório (EN_RAND A ) em texto claro para um escravo B Número é trocado toda vez que uma chave de encriptação (K C ) é modificada

29 Camada de banda base - segurança Para cada transmissão de um quadro Nova chave (K cipher ) é utilizada Gerada através de uma combinação complexa de EN_RAND A Endereço do mestre (BD_ADDR A ) Valor do relógio (clock A ) Número do slot Chave K C K cipher é passada para o algoritmo de criptografia E 0 que produz um fluxo contínuo de bits Esse fluxo e a carga útil passam por ou-exclusivo bit-abit e o resultado é transmitido

30 Camada de banda base - segurança Na recepção Com os valores de EN_RAND A Endereço do mestre BD_ADDR A Valor do relógio Chave K C é gerada a chave K cipher K cipher junto com o fluxo recebido passam por um ouexclusivo bit-a-bit texto em claro é obtido

31 Camada de banda base Estabelecimento e manutenção dos enlaces Diversas fases Standby Investigação Negociação Connection

32 Bluetooth - estabelecimento de conexões Standby Estado inicial Somente o relógio nativo está em operação

33 Bluetooth - estabelecimento de conexões Investigação Para descobrir os dispositivos em sua proximidade Usa uma sequência universal de saltos de frequência Quem inicia o procedimento de investigação torna-se o mestre da piconet Dispositivos trocam BD_ADDRs e relógios

34 Bluetooth - estabelecimento de conexões Investigação (cont.) Procedimento Potencial mestre transmite um quadro ID com o código de acesso de investigação (IAC) Isso ocorre no estado inquiry De tempos em tempos, dispositivos passam do standby para o inquiry para ver se foram transmitidos quadros ID Dispositivo recebe o quadro Entra no estado inquiry response Retorna um quadro FHS contendo informação de endereço (BD_ADDR) e temporização (relógio) Passa para o estado page scan

35 Bluetooth - estabelecimento de conexões Negociação Unidade sabe a identidade do dispositivo ao qual quer se conectar Sequência de saltos é estabelecida por cada par de dispositivos Negociação de canal

36 Bluetooth - estabelecimento de conexões Negociação (cont.) Procedimento Mestre usa o endereço do escravo para calcular uma sequência de saltos para negociação Mestre envia um quadro ID com o código de acesso de dispositivo (DAC) do escravo Escravo responde com o mesmo quadro ID com DAC Mestre responde com quadro FHS Contém o endereço e o relógio Escravo confirma a recepção com um quadro ID com DAC Escravo muda para o estado connection Passa a utilizar a sequência de saltos determinada pelo mestre

37 Bluetooth - connection Estado connection possui diversos modos Active Sniff Hold Park

38 Bluetooth - modos do estado connection Active Participa da piconet Ouve, transmite e recebe quadros Sniff Economia de energia Dorme durante um intervalo predefinido e acorda periodicamente Somente escuta em slots específicos

39 Bluetooth - modos do estado connection Hold Maior economia de energia do que o modo sniff Entra em baixo consumo por um intervalo fixo de tempo Duração negociada com o mestre Não tem suporte para o enlace ACL Ainda pode participar de trocas em enlaces SCOs Park Maior economia de energia do que o modo hold Não participa da piconet Libera o endereço temporário Permanece sincronizado à piconet Para uma possível reativação futura

40 Camada física Banda ISM de 2,4 GHz Regulamentações especificam Espalhamento da energia do sinal transmitido Potência máxima permitida de transmissão

41 Camada física Potência de transmissão associada a classes Classe 1 Potência máxima de saída de 100 mw Alcance típico de 100 m Controle de potência obrigatório Classe 2 Potência máxima de saída de 2,4 mw Alcance típico de 10 m Controle de potência opcional Classe 3 Potência máxima de saída de 1 mw Alcance típico de 1 m Controle de potência opcional

42 Camada física Banda dividida em 79 canais de 1 MHz Modulação GFSK Usa FHSS 1 bit de dados 1 símbolo Taxa física de 1 Mbps Taxa de saltos de 1600 saltos/s Provê resistência a interferências e ao efeito de múltiplos caminhos Serve como uma forma de acesso múltiplo entre dispositivos em diferentes piconets

43 Camada física Usa FHSS (cont.) Mestre e escravos de uma piconet saltam periodicamente de um canal para outro Em uma sequência pseudo-aleatória Mestre dita a sequência de saltos Definida pela identidade do mestre Relógio do mestre define a fase dentro da sequência Escravos adicionam as diferenças de tempo (time offsets) a seus relógios para se sincronizarem na sequência Podem haver colisões entre diferentes piconets Caso usem a mesma frequência ao mesmo tempo

44 Bluetooth 1.2 Compatível com a versão 1.1 Introduz algumas alterações Novo tipo de enlace chamado esco (extended SCO) Outras na camada física esco Permite retransmissão dos quadros em slots que seguem os slots reservados Provê suporte a combinações mais flexíveis de Tipos de quadros Conteúdo dos dados dos quadros Número de slots maior diversidade nas taxas binárias síncronas providas

45 Bluetooth 1.2 Camada física FHSS adaptativo Aumenta a resistência a interferências de RF Pela não utilização de determinadas frequências muito usadas por dispositivos interferentes Alterações maiores taxas de transmissão são obtidas na prática IEEE revisou o padrão IEEE em 2005 Considerando essas modificações

46 Bluetooth 2.0 Compatível com as versões 1.x Principal modificação introdução de um mecanismo chamado EDR Enhanced Data Rate Permite que sejam alcançadas taxas de até 3 Mbps Inclui novos tipos de quadros Usam modulações até 8-DPSK na carga útil Aumentam a taxa de transmissão em três vezes

47 Bluetooth 2.1 Modificações em Segurança Economia de energia

48 Bluetooth 3.0 Aumento na taxa de dados para 24 Mbps Uso de rádio IEEE na fase de transmissão de dados Uso de rádio Bluetooth na fase de estabelecimento de enlace

49 Bluetooth 4.0 Voltado para baixo uso de energia Dispositivos consomem uma fração da energia usada por dispositivos Bluetooth clássicos (versão até 2.1) Principais modificações Menor ciclo de operação Canais Técnica de espalhamento Especificação contém três normas em uma Bluetooth clássico Bluetooth de alta velocidade (versão 3.0) Bluetooth de baixa energia

50 Bluetooth 4.0 Normas podem ser usadas juntas ou separadas em diferentes dispositivos

51 Bibliografia Stallings Capítulo 15 Tanenbaum Capítulos 1 e 4 J. C. Haartsen, The Bluetooth Radio System, IEEE Personal Communications, fevereiro de 2000 M. Miller, Descobrindo Bluetooth, Campus, 2001