UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA APLICAÇÃO PORTÁTIL COM COMUNICAÇÃO BLUETOOTH Área de Engenharia Elétrica por Bruno Rocha de Medeiros Débora Meyhofer Ferreira, Mestre Orientadora Campinas (SP), Dezembro de 2011

2 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA APLICAÇÃO PORTÁTIL COM COMUNICAÇÃO BLUETOOTH Área de Engenharia Elétrica por Bruno Rocha de Medeiros Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientadora: Débora Meyhofer Ferreira, Mestre Campinas (SP), Dezembro de 2011 ii

3 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho aos meus pais, meu irmão, meus avós e a minha namorada, que sempre estiveram presentes em todas as dificuldades transcorridas durante o período de graduação, sempre me apoiando e ajudando a enfrentar as tarefas do dia-a-dia. iii

4 AGRADECIMENTOS Aos meus pais Mauro e Silvia, sem os quais não chegaria até aqui. Ao meu irmão Mauro e minha namorada Fernanda que estiveram sempre ao meu lado. A minha família, que sempre esteve do meu lado e acreditou no meu sucesso. A todos os professores que tive contato e em especial a professora Débora pelos favores prestados durante a orientação deste trabalho. Aos meus amigos, colegas de trabalho e amigos que enfrentaram as mesmas dificuldades durante o período de graduação e que muito contribuíram para minha formação pessoal e cultural, são eles: Adriano, Everton, Luiz Fernando e Thiago que juntos dividimos momentos de felicidades e tristezas nesses seis anos que se passaram. Para finalizar, não posso me esquecer de agradecer especialmente a Deus, o responsável por me manter firme, me prover inteligência e saúde, para que juntamente com meus esforços, fosse capaz de alcançar meus objetivos. iv

5 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS... vii LISTA DE FIGURAS... ix LISTA DE TABELAS... x RESUMO... xi ABSTRACT... xii 1 INTRODUÇÃO Objetivo geral Objetivo específico Metodologia Estrutura do trabalho FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Dispositivos Móveis Bluetooth História Especificações técnicas do padrão Protocolo Sistema de rádio Pacote de dados Funcionamento Correção de erros FEC CODE: RATE 1/ FEC CODE: RATE 2/ ARQ Estabelecimento de conexões Scan Page Inquiry Estabelecimento de comunicação Segurança Imunidade à Interferência do Bluetooth ANALISE DE DESEMPENHO v

6 3.1 Desenvolvimento Procedimento prático Comparativos de resultados MARKETING PORTÁTIL Marketing com Bluetooth CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusão Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS vi

7 LISTA DE ABREVIATURAS 8PSK ACK ARQ AT Commands CDMA CRC DH DM EDR FEC FH FHS GFSK GHz GPS HV IBM IEEE IP IrDA ISM L2CAP LFSR LMP MAC Mbps MMS OBEX OSI PDAs PIN Phase Shift Keying com 8 níveis acknowledgement Automatic Repeat Request Áudio and Telephony Commands Code Division Multiple Access Cyclic Redundancy Check Data High rate Data Medium rate Enhanced Data Rate Forward Error Correction Frequency Hopping Frequency Hopping-Synchronization Gaussian Frequency Shift Keying Gigahertz Global Positioning System High-quality Voice International Business Machines Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Infrared Data Association Industrial, Scientific, Medical Logical Link Control and Adaptation Protocol Linear Feedback Shift Registers Link Manager Protocol Controle de Acesso ao Meio Megabit por segundo Multimedia Messaging Service Object Exchange protocol Open Systems Interconnection Personal Digital Assistants Personal Identification Number vii

8 PPP RF RFCOMM SDP SIG SMS TCP TCS-BIN UDP WAE WAP Wi-Fi Point-to-Point protocol Rádio Frequência Radio frequency communications Service Discovery Protocol Special Interest Group Short Message Service Transmission Control Protocol Telephony Control Specification Binary User Datagram Protocol Wireless Application Environment protocol Wireless Aplication protocol Wireless Fidelity viii

9 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Aparelho celular Dispositivo móvel... 5 Figura 2.2 Aparelho PDA Dispositivo móvel... 6 Figura 2.3 Demonstração de um cenário de computação móvel... 6 Figura 2.4 Simbologia Bluetooth... 8 Figura 2.5 Junção de dois símbolos nórdicos... 8 Figura 2.6 Pilha completa de protocolos Bluetooth Figura 2.7 Interação entre protocolos na arquitetura Bluetooth Figura 2.8 Bluetooth Frame Figura 2.9 Multi-slot Packets Figura 2.10 Sequencia de comandos de reconhecimento Figura 2.11 Representação de uma rede piconet Figura 2.12 Representação de uma rede scatternet Figura 2.13 FEC 1/ Figura 2.14 LFSR gerador de FEC 2/ Figura 3.1 Aparelho transmissor Bluetooth Figura 3.2 Pasta de arquivos Figura 3.3 Rede Bluetooth Figura 3.4 Menu de arquivos para envio Figura 3.5 Autorização para transferência de arquivo Figura 3.6 Transferência de arquivo Figura 3.7 Propriedade do arquivo de tamanho médio Figura 3.8 Propriedade do arquivo de tamanho pequeno Figura 3.9 Propriedade do arquivo de tamanho grande Figura 3.10 Bits por segundo em relação a distância Figura 3.11 Tempo em relação à distância Figura 4.1 Sistema de transmissão do marketing com Bluetooth ix

10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Características principais dos canais físicos Bluetooth... 9 Tabela 2.2 Descrição dos protocolos usados pelo Bluetooth Tabela 2.3 Relação entre o Modelo OSI da ISO, o IEEE 802 e o Bluetooth Tabela 3.1 Distância x Tempo x Taxa Tabela 3.2 Distância x Tempo x Taxa Tabela 3.3 Distância x Tempo x Taxa x

11 RESUMO MEDEIROS, Bruno Rocha. Aplicação Portátil com Comunicação Bluetooth para o Marketing. Campinas: Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, Com a evolução da tecnologia, cada vez mais aumenta o número de pessoas que buscam as facilidades que os aparelhos móveis podem fornecer no dia-a-dia. Essa facilidade esta ligada aos aplicativos oferecidos nos aparelhos, sendo um dos aplicativos, o Bluetooth, que é utilizado para realizar a comunicação entre celulares e outros dispositivos. Através do Bluetooth é gerada uma nova maneira de se fazer marketing. Com ele os estabelecimentos se interagem junto aos consumidores, enviando conteúdos para interação, entretenimento e relacionamento. Há varias formas para produzir publicidade, neste contexto, o telefone móvel é o canal ou a mídia, enquanto a estratégia fica para o marketing portátil. PALAVRAS-CHAVE: Aparelhos móveis, Bluetooth, Marketing, Consumidores, Publicidade. xi

12 ABSTRACT MEDEIROS, Bruno Rocha. Aplicação Portátil com Comunicação Bluetooth para o Marketing. Campinas: Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, With the evolution of technology, the number of people seeking day-to-day tools that can be provided by mobile devices has increased. These tools are linked to applications offered by such device. One of these applications is Bluetooth, which is used for communication between mobile phones and other devices. Through this application, a new way of marketing has developed. Bluetooth allows for companies to integrate with the consumer, sending content for interaction, entertainment and relationships. There are several ways to advertise in this context. The mobile phone is used as the channel or the media, while the strategy for marketing is portable. Keywords: Mobile devices, Bluetooth, Marketing, Consumer, Advertising. xii

13 1 INTRODUÇÃO Conforme a demanda do mercado, as pessoas cada vez mais se interessam pela área de dispositivos e aplicativos portáteis e com todos os avanços e crescimentos tecnológicos, foi implementado uma ferramenta para viabilizar o uso do Marketing Portátil, a principal vantagem deste tipo de publicidade é a ausência de custos, enviando e recebendo alguns tipos de publicidade como textos, vídeos, fotos e outros tipos de arquivos. Para realização do envio e recebimento desta publicidade, é usada a comunicação por meio de Bluetooth. Segundo a Agência Brasil, o número de aquisições de celulares tem se aumentado cada vez mais, em 2010 a aquisição chegou a 29,6 milhões e no mês de janeiro de 2011, totalizando 205,1 milhões de assinantes de telefonia móvel no Brasil. Percebe-se com isso, que cada vez mais aumenta o número de pessoas que buscam as facilidades que a telefonia móvel pode oferecer no dia-a-dia [1]. Com a evolução da tecnologia de redes e serviços, assim como de novos aplicativos, a possibilidade de trazer para um celular tarefas como conectar-se a internet, controlar contas bancárias ou até mesmo divertir-se, relacionar-se, procurar um bom lugar para jantar, ouvir música, jogar e gravar vídeos e fotos ficou muito mais acessível [2]. O Bluetooth realiza a comunicação entre celulares e outros dispositivos, sendo um meio de comunicação de dados de curta distância, aproximadamente 10 metros, que tem a mesma frequência do Wi-Fi (Wireless Fidelity) e a capacidade de interagir com diferentes dispositivos. Há alguns anos foram feitas as primeiras campanhas de comunicação móvel, através de Bluetooth, utilizando apenas transferência de imagens para propaganda. Essa é uma opção muito viável para ser usada como Marketing Portátil [3]. A capacidade de poder se deslocar facilmente esta denominada mobilidade. Ela está relacionada com qualquer coisa que possa sair do lugar, algo que não seja imóvel. Para a computação móvel, a mobilidade pode ser considerada devido ao uso de dispositivos móveis funcionais e com capacidade de conectar-se, obter dados e fornecêlos a outros usuários, aplicações e sistemas [5]. 1

14 Um dispositivo para ser considerado como móvel deve conter algumas características fundamentais, tais como: portabilidade, usabilidade, funcionalidade e conectividade: Funcionalidade: quando várias aplicações podem ser utilizadas em um dispositivo. Atualmente, os dispositivos têm várias aplicações móveis rodando neles. Essas aplicações se caracterizam em duas categorias: dependentes, quando necessita conectar-se a outros usuários ou aplicações, por exemplo, calendários, notícias ou GPS (Global Positioning System) e independentes, sem a necessidade de conectar-se a outros usuários ou aplicações, por exemplo, relógio, jogos ou calculadora; Portabilidade: quando facilmente um dispositivo pode ser transportado. Com a facilidade e capacidade de transporte na palma da mão, um dispositivo pode ser considerado como portátil; Conectividade: é a capacidade de um dispositivo conectar-se com outros dispositivos ou usuários. Uma conexão não necessariamente se faz com conexões sem fio. Sendo que a conexão é qualquer interatividade com outro usuário ou dispositivo através de qualquer meio; Usabilidade: quando o uso de um dispositivo pode ser em qualquer lugar e independentemente de quem for o usuário. Existem formas de produzir publicidade, relacionamento com clientes, convites para eventos usando a mídia do celular. Neste contexto, o celular é o canal ou a mídia, enquanto as estratégias e a forma ficam para o Marketing Portátil [4]. 1.1 Objetivo Geral A proposta deste trabalho é a apresentação da tecnologia Bluetooth, e diante dos conceitos apresentados, mostrar as formas de se produzir publicidade, sendo mostrado o funcionamento de uma aplicação servidora junto às pessoas com Bluetooth ativo em seus dispositivos, e os mesmos receberão as publicidades do estabelecimento em seus aparelhos móveis. O celular ou qualquer dispositivo móvel é o canal ou a mídia para essa comunicação, simples e eficaz. 2

15 1.2 Objetivos Específicos O objetivo específico deste trabalho é apresentar como a tecnologia Bluetooth pode ser utilizada para realização do marketing portátil, sendo uma conexão de dispositivos a curta distância, elementos utilizados para estabelecimento de conexões e também, a segurança dessas conexões. Os estudos apresentados seguem: Localização de dispositivos móveis na rede; Permitir a comunicação entre uma aplicação servidora e um dispositivo móvel através de Bluetooth; Visualizar em uma aplicação servidora os clientes com Bluetooth ativo em seu dispositivo e com permissão de receber publicidade; Transferência de arquivos; Relação tempo x distância. 1.3 Metodologia A metodologia deste trabalho está baseada nas seguintes etapas: Pesquisa bibliográfica sobre a tecnologia do Bluetooth; Pesquisa bibliográfica sobre os tipos de bibliotecas envolvidas para a comunicação via Bluetooth; Pesquisa bibliográfica sobre os tipos de dispositivos móveis; Pesquisa bibliográfica sobre a evolução do marketing portátil; Levantamento de dados; Análise de resultados. 1.4 Estrutura do trabalho Este trabalho se inicia com a apresentação de três capítulos intitulados respectivamente como: fundamentação teórica, desenvolvimento e conclusões. No primeiro capítulo é feita a introdução do trabalho, apresentados os objetivos geral e específico e a metodologia utilizada. No segundo capítulo são apresentados os aspectos teóricos estudados para o desenvolvimento do trabalho. São abordados temas como dispositivos móveis, Bluetooth, protocolo, estabelecimento de conexões e segurança. 3

16 No terceiro e quarto capítulos são mostrados como foi realizado o desenvolvimento deste trabalho, detalhando a especificação e a implementação do marketing com Bluetooth. Por fim, o quinto capítulo é apresentado à conclusão do trabalho, bem como alguns aspectos que ficaram em aberto, servindo de sugestões para trabalhos futuros. 4

17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Dispositivos Móveis Um dispositivo móvel designado popularmente em inglês por handheld é um computador de bolso habitualmente equipado por um pequeno ecrã (output) e um teclado em miniatura (input). No caso dos PDAs (Personal Digital Assistants), o output e o input combinam-se em um ecrã táctil. Em primeiro lugar temos o celular, que é um aparelho de comunicação por ondas eletromagnéticas que permitem a transmissão bidirecional de voz e dados utilizáveis em uma área geográfica que se encontra divididas em células, cada uma delas servida por um transmissor/ receptor. A invenção do telefone celular ocorreu em 1947 pelo laboratório Bell, nos EUA. Os primeiro celulares tinham telas pequenas, pouca memória e baixo poder de processamento. Com a evolução vieram aparelhos com poderosos recursos funcionais e mais robustos. Essa evolução apareceu os Smartphones, que provém de um alto poder de processamento, funcionalidades e memória, pois são celulares, mas contém recursos dos PDAs. Figura 2.1 Aparelho celular, dispositivo móvel. Em seguida vêm os PDAs, é um computador de dimensões reduzidas, dotado de grande capacidade computacional, comprimindo as funções de agenda e sistema informático, com possibilidade de interconexão com um computador pessoal e uma rede informática sem fios wi-fi para acesso a correio eletrônico e internet [6]. 5

18 Figura 2.2 Aparelho PDA, dispositivo móvel. Os dispositivos citados acima têm suas características em comum, podendo compartilhar as mesmas aplicações. O cenário a seguir mostra onde dispositivos se conectam sem fio a diversos serviços. Por uma torre de telefonia, o dispositivo acessa os serviços da operadora, ou uma torre de internet, onde o dispositivo acessa os serviços da Web [6]. Figura 2.3 Demonstração de um cenário de computação móvel. 2.2 Bluetooth Conforme Alecrim, Bluetooth é uma tecnologia que permite a comunicação barata, rápida e segura entre dispositivos distintos como smartphones, telefones celulares, mouses, teclados, fones de ouvido, impressoras e outros dispositivos, utilizando ondas de rádio no lugar de cabos. Isso possibilita a troca de informações entre dois dispositivos ou mais, estando apenas um perto do outro [7]. 6

19 Segundo Rufino, Bluetooth é a tecnologia que mais se aproxima da Wi-Fi (usa a mesma frequência: 2,4GHz) e está disponível em vários equipamentos. Esta tecnologia ainda permite recursos comparáveis aos de redes convencionais. Foi criada para ser uma rede de baixo custo, baixa complexidade e pouca potência para cobrir curtas distâncias. A proposta deste protocolo (definido pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE )) foi de uso para aplicativos móveis e transmissão de dados e voz (celular, palm, etc.), mas também para outros dispositivos como fone de ouvido ou até mesmo impressoras [8]. Conforme relato por Santana, o IEEE é um conjunto de especificações que define o protocolo e seu comportamento em uma transmissão entre rádios. Estas especificações tornam possíveis aos dispositivos de monitoração ou controle, características como links confiáveis, tempo de latência da mensagem e a possibilidade de implementação em dispositivos dotados de poucos recursos computacionais. E também define o comportamento das camadas Física, e de Controle de Acesso ao Meio (MAC) [9] História Para conectar um dispositivo ao outro, o maior inconveniente nesta hora é a grande quantidade de fios que é gerada em consequência dessas ligações. Eles são sem dúvida o meio mais barato de conectar dispositivos, mas nem sempre o meio mais prático, afinal, além de incomodarem, eles limitam a distância máxima. Com vista para solução a essa inconveniência, varias empresas laçaram inúmeros tipos de dispositivos sem fio, desde mouses até placas de rede, mas até o momento vimos apenas tecnologias proprietárias, incompatíveis em si. Para acelerar o desenvolvimento da tecnologia, em 1994 a Ericsson resolveu se juntar a outras empresas (IBM (International Business Machines), Intel, Nokia e Toshiba). Assim, em 1998 foi anunciada uma nova tecnologia de comunicação chamada Bluetooth, e também o grupo Special Interest Group (SIG). O SIG foi encarregado de monitorar o desenvolvimento das tecnologias de rádio de curta distância e criar um padrão global aberto à comunicação Bluetooth [10]. Segundo Alecrim, a nomenclatura Bluetooth foi definida em memória a um rei dinamarquês chamado Harald Bluetooth. O vínculo com a tecnologia foi o fato de Harald ter unificado a Dinamarca, da mesma forma com que a tecnologia propõe a 7

20 unificação de vários dispositivos, como celulares, computadores, impressoras, etc. O logotipo Bluetooth é a junção de dois símbolos nórdicos que correspondem às iniciais de Harald [7]. Figura 2.4 Simbologia Bluetooth. Figura 2.5 Junção de dois símbolos nórdicos Especificações técnicas do padrão A interface de comunicação Bluetooth foi desenvolvida com o objetivo de integrar um dispositivo de rádio a um computador. Bluetooth pode ser uma alternativa à interface de comunicação unidirecional com radiação infravermelha, oferecida pela Infrared Data Association (IrDA). O infravermelho limita a transmissão a um metro de distância e com ausência de qualquer obstrução [11]. As especificações técnicas do padrão são as seguintes: Alcance ideal: 10 metros; Alcance máximo: 100 metros (condições ideais); Em condições ideais, a velocidade máxima de transmissão chega à: 1 Mbps (Megabit por Segundo) (1 Mbps incluem os sinais de modulação, 8

21 sendo que na prática a transmissão de dados é menor, sendo que nem sempre os aparelhos operam em condições ideais); Tabela 2.1 Características principais dos canais físicos Bluetooth. Parâmetros Antena Faixa de frequências Modulação Taxa de símbolos Número de canais 79 Banda do canal Banda de guarda Potencia de transmissão Espalhamento espectral Informações / Valores Omndirecional 2,4 GHz á 2,483 GHz GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) 1 Mega símbolo/segundos (1 MS/s) 1 MHz Inferior 2 MHz, superior 3,5 MHz Classe 1: 1 (0 dbm) á 100 mw (20 dbm) Classe 2: 0,25 (-6 dbm) á 2,5 mw (4 dbm) - nominal = 1 mw Classe 3: <= 1 mw (0 dbm) Salto de frequência (Frequency-hopping) a cada 625 micro segundo (µs) A arquitetura Bluetooth consiste basicamente de dois componentes: um transceiver (hardware) e uma pilha de protocolos (software). Esta arquitetura oferece serviços e funcionalidades básicas que tornam possível a conexão de dispositivos e a troca de uma variedade de tipos de dados entre estes dispositivos. A frequência utilizada por dispositivo Bluetooth opera em uma faixa de rádio não licenciada ISM (industrial, scientific, medical) entre 2.4 GHz e 2.485GHz. O sistema emprega um mecanismo denominado frequency hopping, que salta constantemente de frequência para combater interferência e enfraquecimento do sinal. A cada segundo são realizados 1600 saltos de frequência. A taxa de transmissão pode alcançar 1 Mbps ou, com o mecanismo Enhanced Data Rate, recentemente introduzido na última especificação Bluetooth, a 2 ou 3 Mbps [12] [13] Protocolo O software para gerenciar todas as atividades é a chave para conexões e comunicações. Esse software da especificação Bluetooth adota a forma de protocolos padronizados que são utilizados para implementar vários procedimentos e processos. Alguns deles são exclusivos para a tecnologia Bluetooth, outros são protocolos existentes usados por outras tecnologias e aplicações. 9

22 Um protocolo é simplesmente uma regra predefinida que inicia um modo específico de comunicação entre dois ou mais dispositivos. Na maioria das vezes, os diferentes protocolos utilizados em uma tecnologia específica seguem uma hierarquia predefinida. A camada básica da hierarquia normalmente contém protocolos que são usados em todas as aplicações da tecnologia. Outras camadas são empilhadas em cima dessa camada básica e contêm protocolos que definem cada vez mais funções verticais. Na figura 2.6 são ilustrados todos os protocolos usados pelo Bluetooth bem como suas respectivas camadas [15]. Figura 2.6 Pilha completa de protocolos Bluetooth. A tabela 2.2 mostra um breve resumo sobre qual a função exercida de cada protocolo ilustrado [15]. 10

23 Tabela 2.2 Descrição dos protocolos usados pelo Bluetooth. Protocolo Baseband LMP L2CAP SDP RFCOMM TCS-BIN AT - Commands PPP TCP/IP/UDP OBEX WAP WAE Função Estabelecer conexão de frequências de rádio (RF) físicas entre duas ou mais unidades Bluetooth que forma uma piconet. O Link Manager Protocol é responsável pela configuração e controle do link entre dois ou mais dispositivos Bluetooth. O Logical Control and Adoption transfere dados de nível mais alto para a camada Baseband e vice-versa. O Service Discovery Protocolo é responsável por permitir que dois dispositivos Bluetooth diferentes reconheçam e estabeleçam conexões entre si e forneçam a base de cada perfil individual. Emula uma conexão serial RS-232 entre dois dispositivos --> Protocolo de substituição do cabo. O Telephony Control Specification Binary define a sinalização de controle de chamada necessária para estabelecer chamadas de voz e dados. O Áudio and Telephony Commands permite que um dispositivo Bluetooth seja usado como telefone ou MODEM. O Point-to-Point protocolo define como os dados do protocolo internet são transmitidos pelos links ponto-a-ponto seriais. Protocolos usados para definir as comunicações baseadas na internet e relacionadas à rede. O Object Exchange protocolo permite facilitar a troca de objetos de dados entre dispositivos diferentes. O Wireless Aplication protocolo é utilizado para implementar serviços de internet em telefones celulares digitais e em outros dispositivos pequenos sem fio. O Wireless Application Environment protocolo fornece uma variedade de aplicações de software para a utilização em telefones e PDAs compatíveis com o WAP. É apresentada na tabela 2.3 a relação entre as camadas de protocolo definidas pela especificação core do Bluetooth e as camadas do modelo OSI (Open Systems Interconnection) e do IEEE 802. As camadas definidas pela Core especificação do Bluetooth correspondem às camadas de MAC e física do IEEE

24 Tabela 2.3 Relação entre o Modelo OSI da ISO, o IEEE 802 e o Bluetooth [17]. Camada OSI 7 Aplicação 6 Apresentação 5 Sessão 4 Transporte 3 Rede Camadas IEEE 802 Controle do Enlace Lógico (Logical Link Control - LLC) Camadas Bluetooth Aplicações / Profiles LLC, RFCOM, TCS 2 Enlace de Dados Controle de Acesso ao Meio (MAC) 1 Física Física Bluetooth Core Protocols Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP): Fornece serviços de conexão de dados com e sem conexão para as camadas superiores de protocolo. Executa funções de multiplexação, segmentação, controle de fluxo e de erro e gerenciamento de grupo. O L2CAP é utilizado para multiplexar canais lógicos em um único enlace físico. Gerência de Enlace: É a camada responsável pela codificação e decodificação dos pacotes Bluetooth do pacote de dados e parâmetros relacionados com o canal físico, transporte lógico e enlace lógico. É responsável pelo estabelecimento de enlaces entre os vários dispositivos Bluetooth, controlando a negociação dos tamanhos de pacotes, chaves de segurança, modos de potência e estado de uma unidade na piconet. Banda Básica: Fornece o suporte para o link de RF em funções como sincronização e salto de frequências e controle de acesso ao meio. Rádio: É a parte de Rádio Frequência (RF) propriamente dita. A figura 2.7 mostra a interação entre os diversos protocolos e a pilha de protocolos Bluetooth. 12

25 Figura 2.7 Interação entre protocolos na arquitetura Bluetooth [12] Sistema de rádio O Bluetooth utiliza modulação GSFK (Gaussian Frequency Shift Keying), onde os dados são codificados na forma de variações de frequência em uma portadora, de maneira similar à modulação FSK. Todavia, antes dos pulsos entrarem no modulador, eles passam por um filtro gaussiano, de modo a reduzir a largura espectral dos mesmos, servindo como uma espécie de formatador de pulso suavizando a transição entre os valores dos pulsos. No Bluetooth, o um 1 binário é representado por um desvio positivo de frequência, e um zero binário é representado por um desvio negativo de frequência, com variação nunca menor que 115 KHz [14]. A partir da inclusão do Modo Enhanced Data Rate (EDR) oficialmente a partir da versão 2.0, mas já presente na implementação v1.2 de muitos fabricantes passou-se a utilizar também modulação Phase Shift Keying com 8 níveis (8PSK). O espalhamento espectral é feito através de Frequency Hopping. Neste método, o transmissor envia um sinal sobre uma série randômica de frequências de rádio. Um receptor captura o sinal, através de uma sincronia com o transmissor. A mensagem somente é recebida se o receptor conhecer a série de frequências na qual o transmissor trabalha para enviar o sinal. Em um canal físico básico de piconet do Bluetooth a sua frequência muda de forma pseudoaleatória vezes por segundo (cada 0,625 µseg). A sequência de salto de frequência é definida pelo relógio e endereço Bluetooth do dispositivo mestre. Os dispositivos em uma piconet compartilham este canal físico de comunicação. Quando ocorre um salto de frequência os seus transmissores e receptores são sintonizados ao mesmo tempo na nova frequência. 13

26 Figura 2.8 Bluetooth Frame [14]. O intervalo de tempo de 0,625 µseg que dura à transmissão em uma frequência é chamada de slot. Um pacote de dados é transmitido em cada slot de tempo. É possível também estender o pacote para ocupar 3 ou 5 slots de modo a aumentar a taxa de dados transmitida como apresentado na figura a seguir. Figura 2.9 Multi-slot Packets [14]. O release 1.2 da especificação do Bluetooth definiu também um canal de piconet adaptado que apresenta as seguintes diferenças em relação ao canal básico descrito: As frequências nas quais um escravo transmite são as mesmas que o mestre acabou de transmitir. Ou seja, não há um salto de frequência entre um pacote do mestre e o pacote do escravo que vem logo a seguir. Para evitar a colisão entre as múltiplas transmissões de dispositivos escravos, o dispositivo mestre utiliza uma técnica chamada "polling", que permite somente ao dispositivo indicado no slot mestre-para-escravo transmitir no slot escravo-para-mestre seguinte [7]. 14

27 Como existem muitas tecnologias trabalhando nessa faixa ISM, a maioria não utilizando sistemas Frequency Hopping, é possível excluir algumas frequências entre as 79 disponíveis para a sequência de salto de frequências, que são marcadas como fora de uso. Evita-se desta forma a utilização de frequências com alto grau de interferência [17] Pacote de dados [14]. A estrutura a seguir mostra em geral de um pacote de dados (PDU) do Bluetooth Código de Acesso ao Canal Cabeçalho do Pacote Cabeçalho do Payload Payload CRC Onde: Código de Acesso ao Canal: é o código de acesso do canal físico; Cabeçalho do Pacote: inclui o identificador do transporte lógico e do protocolo de controle do enlace; Cabeçalho do Payload: identificador do enlace lógico; Payload: Dados de usuário, L2CAP mensagens ou frames, mensagens de gerenciamento; CRC: Código de erro. O Cabeçalho do pacote ainda é subdividido em: Endereço 3 bits Tipo de Pacote 4 bits Controle de Fluxo 1 bit Confirmação de Bit 1 bit Controle de Sequência 1 bit Checagem de erro 8 bits Funcionamento O Bluetooth funciona à base de pequenos e baratos transmissores/ receptores de rádio de curto alcance que são embutidos nos aparelhos móveis. O sistema se encarrega em estabelecer conexão mediante sinas de rádio com dispositivos que possua esta mesma tecnologia. Uma vez detectado o outro dispositivo começa a comunicação. A comunicação entre dispositivos Bluetooth é feita através de estabelecimento de um canal FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access). A transmissão de dados é feita através de pacotes, como na internet. 15

28 A Figura abaixo mostra a sequência de mensagens que um mestre envia a um escravo, onde são enviadas as solicitações e páginas pelo mestre e analisadas pelo escravo, para que uma conexão Bluetooth possa ser estabelecida [10]. Mestre Escravo Solicitação Análise de solicitação Resposta de solicitação Página Análise da página Resposta do escravo Resposta do mestre Conexão Conexão Figura 2.10 Sequencia de comandos de reconhecimento. Conforme dito por Miller, a partir do momento em que uma conexão é estabelecida, pode ser considerada uma rede chamada piconet. Cada piconet pode ser composta por no máximo oito dispositivos, sendo que um deles devem ser necessariamente um mestre e os outros escravos. O dispositivo mestre muda sua frequência de transmissão 1600 vezes por segundo, com o intuito de minimizar potenciais interferências. Cada piconet contém uma sequência de salto de frequência distinto, possibilitando assim, cada dispositivo estar em piconet diferente e também haver várias piconets em um mesmo ambiente físico, uma vez que cada piconet tem uma identidade baseada em canais de salto de frequência diferentes. Um exemplo de piconet pode ser verificado abaixo [10]. 16

29 Figura 2.11 Representação de uma rede piconet. Para expandir uma rede Bluetooth, é necessário fazer conexões entre piconets, denominando assim uma scatternet. Como o número máximo do salto de frequência é de 79 saltos e cada rede piconet contem até 8 dispositivos, uma scatternet pode conter no máximo 10 redes piconet interligadas. A seguir é ilustrada uma scatternet [10]. Figura 2.12 Representação de uma rede scatternet Correção de erros Existem três esquemas de correção de erros definidas para o Bluetooth: 1/3 rate FEC 2/3 rate FEC ARQ A técnica denominada FEC (Forward Error Correction), permite, através da inserção de redundância de bits, corrigir erros de transmissão. O propósito do FEC no payload é reduzir o número de retransmissões. Naturalmente em um ambiente com poucas interferências, o FEC introduz um overhead desnecessário, e diminui significativamente o throughput. 17

30 Para tanto foram criados diferentes tipos de pacotes, contendo ou não FEC no payload, resultando assim em pacotes DM (Data Medium rate), com FEC 2/3 e DH (Data High rate), sem nenhum FEC, para os links ACL. Para os links SCO foram criados os pacotes HV (High-quality Voice) que trabalha com FEC de 1/3, ao contrário dos demais, que usam FEC 2/3. O cabeçalho do pacote, por conter dados vitais a comunicação, sempre é protegido com um FEC de 1/3 e pode sustentar muitos erros de bit. O ARQ (Automatic Repeat Request) visa retransmitir pacotes de dados que sabidamente chegaram com erros ao receptor [14] FEC CODE: RATE 1/3 Uma simples repetição tripla é usada no código FEC do cabeçalho. A repetição de três bits é usada no cabeçalho inteiro e também nos pacotes HV. Figura 2.13 FEC 1/3 [14] FEC CODE: RATE 2/3 O outro esquema FEC utilizado é código Hamming simplificado, composto pelo polinômio gerador g(d) = (D + 1)(D4 + D + 1). O LFSR (Linear Feedback Shift Registers) usado é mostrado na figura a seguir. Inicialmente todos os elementos são setados para 0 (zero). Os 10 primeiros bits de informação são sequencialmente inseridos, com as chaves S1 e S2 na posição 1. Então, depois de terminada a palavra, as chaves S1 e S2 são colocadas na posição 2, e os cinco bits de paridade são deslocados para fora. Os bits de paridade são agregados aos bits de informação, formando palavras de 15 bits. Este código corrige todos os erros de 1 bit, e detecta todos os erros de 2 bits em cada palavra de código [14]. 18

31 Figura 2.14 LFSR Gerador de FEC 2/ ARQ Com o método ARQ (Automatic Repeat request), os pacotes DM, DH e campo de dados dos pacotes DV (Data - Voice packet; nesse pacote o payload é dividido em um campo de voz de 80 bits e um campo de dados de 150bits) são retransmitidos até que um ACK (acknowledgement) seja retransmitido pelo destino, ou que ocorra um timeout. O ACK é incluído no cabeçalho do pacote de retorno, também chamado de piggy-backing [14]. Para determinar se o payload está correto ou não, usa-se um método de CRC (Cyclic Redundancy Check). O ARQ somente é aplicado ao payload do pacote de pacotes de dados, não sendo aplicado ao cabeçalho dos pacotes, ou a pacotes de voz Estabelecimento de conexões Para realizar a conexão é importante que os dispositivos não precisem de comandos manuais. As redes Bluetooth devem ser capazes de identificar o endereço de outras unidades nas proximidades sem a necessidade de intervenção do usuário. No Bluetooth três elementos são utilizados para o estabelecimento de conexões entre os dispositivos: scan, page e inquiry [16] Scan Para economizar energia, os dispositivos que estiverem ociosos podem "dormir". Contudo, periodicamente devem acordar para verificar se existe algum outro dispositivo tentando estabelecer uma conexão. Cada vez que o dispositivo acorda, ele verifica uma portadora diferente. A janela de varredura utilizada é de aproximadamente 10 ms. 19

32 Page O page é utilizado pelo dispositivo que deseja estabelecer uma conexão. Neste caso, são transmitidos dois pedidos de conexão seguidos em diferentes portadoras, a cada 1,25 ms. O dispositivo paging transmite duas vezes um pedido de conexão e escuta duas vezes para verificar se há alguma resposta Inquiry Mensagens de inquiry são difundidas por um dispositivo que deseja determinar quais outros dispositivos estão em sua área de alcance e suas características. Ao receber uma mensagem desse tipo, um dispositivo deve retornar um pacote do tipo FHS (Frequency Hopping-Synchronization) contendo além de sua identidade, infromações para o sincronismo entre os dispositivos. Os dispositivos que respondem a uma mensagem de inquiry utilizam uma temporização aleatória para enviar a resposta. O objetivo é evitar possíveis colisões quando mais de um dispositivo responder ao pedido [16] Estabelecimento de comunicação Funcionamento de uma aplicação em um dispositivo Bluetooth. 1.a) Escravo - Inquiry: etapa onde o dispositivo procura por outros dispositivos (mestres) para se conectar e é escolhido um entre os que responderem a procura. 1.b) Mestre - Scan: etapa onde o dispositivo procura por outros dispositivos que querem se conectar 2. Paging: etapa de sincronização com o ponto de acesso ou dispositivo mestre ao qual vai se conectar, sincronizando o clock para a o salto de frequências. 3. Estabelecimento de um Link: depois de sincronizado com o ponto de acesso, o dispositivo estabelece um link com o dispositivo mestre, sendo a camada LMP a responsável por estabelecer esse link físico. 4. Procura por serviços: Depois de estabelecido o link físico com o dispositivo mestre, é feita a procura por serviços disponíveis no ponto de acesso, através da camada SDP. 5. L2CAP: baseado nas informações obtidas pelo SDP é criado um canal L2CAP para a comunicação entre os dois dispositivos. 20

33 6. RFCOMM (Radio frequency communications): um canal RFCOMM que emula uma interface serial é criado sobre o canal L2CAP, para simples transmissão de dados. 7. Segurança: nessa etapa pode ser feito uma autenticação, caso o dispositivo mestre restrinja o acesso a um grupo de dispositivos, verificando assim o PIN para liberação do acesso ao serviço Segurança É impossível bloquear a invasão de pessoas más intencionadas na transmissão via Bluetooth no raio da piconet, pois é utilizado um meio de transmissão compartilhado. A iniciativa dos saltos de frequência nas transmissões além de reduzirem a interferência do meio de transmissão ajudam a proteger os pacotes de dados de pessoas com baixo conhecimento desta tecnologia, entretanto uma pessoa mais apta pode facilmente quebrar a sequência dos saltos, assim a única forma para esta tecnologia prover segurança é implementá-la nas camadas de aplicação e camada de link. Modos de segurança: Modo de segurança 1: Sem segurança. Nesse modo, nenhuma medida de segurança é implementada dentro de uma picorrede. Não inicia nenhum modo de segurança e possui link e serviço aberto. Modo de segurança 2: Segurança estabelecida no nível do serviço. Nesse modo, o dispositivo Bluetooth inicia os procedimentos de segurança após estabelecer a conexão. Depois de estabelecido o link, é iniciado os seguintes procedimentos de segurança: autenticação, autorização e criptografia. O dispositivo determina seu compartilhamento com a chave de outro dispositivo durante a autenticação. Se a conexão entre esses dois dispositivos forem novas, é necessária a criação de uma chave de iniciação. O acesso de serviços começa após a autorização necessária de um dispositivo dar permissão a outro dispositivo. O serviço que esta sendo pedido é mostrado para o dispositivo que está provendo-o. Modo de segurança 3: Segurança estabelecida no nível do link (Link-Level Enforced Security) O modo mais seguro, o dispositivo Bluetooth inicia os procedimentos de segurança antes de estabelecer a conexão, pode-se rejeitar um 21

34 dispositivo que requisita a conexão pelas suas configurações, e só comunica-se com dispositivos pré-pareados. Outras características: Invisibilidade: é possível configurar o dispositivo para que ele não seja encontrado na rede pelo modo encontrar dispositivo, e sim apenas pelo endereço. Segurança no nível de aplicação: a aplicação pode incluir sua própria forma de segurança. 128 bits criptografia: protege os dados codificando-os antes da transmissão Imunidade à Interferência do Bluetooth Sendo a banda de frequência utilizada livre para ser acessada por qualquer transmissor de rádio, imunidade à interferência é um tópico muito importante. A extensão e natureza da interferência em 2.45 GHz não pode ser prevista. Forno de micro-ondas, por exemplo, é uma fonte poderosa de interferência nesta frequência, mas além de fontes externas é preciso se preocupar também com interferência causada por outros usuários de dispositivos Bluetooth coexistentes. Imunidade à interferência pode ser obtida através de supressão ou evitando a interferência. Supressão pode ser obtida através de codificação ou espalhamento de espectro, mas para Bluetooth essa não é a alternativa utilizada, pois na prática os ganhos atingidos com a codificação podem não ser o suficiente. Evitar a interferência é uma pratica mais eficiente, na medida em que a banda de 2.45 GHz prove 80 MHz de largura de canal e a maioria dos sistemas de rádio são limitados em banda, onde existe uma grande probabilidade de se encontrar uma parte do espectro onde não exista interferência dominante. Uma filtragem no domínio da frequência causará a supressão da interferência em outras partes da banda de rádio. Além disso, o sistema precisa ser robusto de forma a corrigir erros na medida em que colisões ou algum outro tipo de interferência podem corromper os pacotes em um ambiente sem fio. Isso pede correções em camadas mais altas acima da camada física. Assim, para o Bluetooth foi escolhido um sistema de reconhecimento com pedido automático de reenvio ou ARQ. O Bluetooth implementou um sistema de rápido ARQ onde a unidade que envia o pacote é notificada da recepção do mesmo no intervalo RX logo em seguida ao intervalo TX onde o pacote foi enviado. A informação de cabeçalho 22

35 nos pacotes é protegida primeiramente por redundância cíclica e depois um FEC é aplicado, onde cada bit é repetido três vezes. Para proteção dos dados, vários níveis de redundância são empregados dependendo da aplicação [19]. 23

36 3 ANÁLISE DE DESEMPENHO A ideia é apresentar um sistema de comunicação entre um equipamento de transmissão e um aparelho celular utilizando a tecnologia Bluetooth, inicialmente pela instalação do hardware, localização dos equipamentos na rede, transferência de arquivos e levantamento da velocidade de transmissão de diferentes distâncias. 3.1 Desenvolvimento A figura 3.1 mostra o equipamento de transmissão que será utilizado para desenvolvimento da análise. Figura 3.1 Aparelho transmissor Bluetooth. A instalação do drive é automática, após conectar o hardware Bluetooth na porta USB. Em seguida a instalação do drive, é criado um diretório para que transferências de arquivos sejam gravadas, conforme figura

37 Figura 3.2 Pasta de arquivos. Na figura 3.3 é realizado o mapeamento da rede e listados os dispositivos móveis com Bluetooth ativo. 25

38 Figura 3.3 Rede Bluetooth. Na rede Bluetooth, mostra-se a detecção de apenas um dispositivo móvel, sendo um aparelho telefônico. Para que seja realizado o envio de qualquer arquivo para outro dispositivo, basta localizar o arquivo, clicar com o botão direito acima do mesmo e seguir a instrução da figura

39 Figura 3.4 Menu de arquivos para envio. Ao tentar acessar ao outro dispositivo, aparecera na tela do aparelho telefônico uma solicitação, onde uma autorização é requerida para se poder enviar o arquivo, conforme figura 3.5. Figura 3.5 Ilustração para autorização da transferência de arquivo. Enfim, após autorização o arquivo começa a ser transferido para o aparelho móvel, conforme figura

40 Figura 3.6 Transferência de arquivo. 3.2 Procedimento prático Para verificação da diferença de tempo que existe ao modificar a distância entre os equipamentos que estão se comunicando, foram realizados alguns testes de transferência de arquivo. A transferência do arquivo mostrado na figura 3.7 foram feitas 4 vezes, de diferentes distâncias, para levantamento da taxa de transferência e em seguida são realizados mais duas transferências de arquivos, sendo um de tamanho menor e outro de tamanho maior do disco, para comparação de bps. 28

41 Figura 3.7 Propriedade do arquivo de tamanho médio. A equação 3.1 mostra a transformação de unidades, de bytes para bit bytes * 8 = bits Os resultados práticos são apresentados a seguir: Tabela 3.1 Distância x Tempo x Taxa. Transferência de arquivo (médio) Distância Tempo Taxa 1 metro 89 segundos ,6 bps 5 metros 92 segundos ,6 bps 5 metros com parede 105 segundos ,9 bps 10 metros 112 segundos ,4 bps Para comparação da transferência do arquivo, é mostrado na figura 3.8 o arquivo pequeno e na figura 3.9 o arquivo grande, sendo feitas 4 vezes o envio de cada um e de diferentes distâncias. 29

42 Figura 3.8 Propriedade do arquivo de tamanho pequeno. A equação 3.2 mostra a transformação de unidades, de bytes para bit bytes * 8 = bits Os resultados práticos são apresentados a seguir: Tabela 3.2 Distância x Tempo x Taxa. Transferência de arquivo (menor) Distância Tempo Taxa 1 metro 3 segundos bps 5 metros 3 segundos bps 5 metros com parede 5 segundos ,6 bps 10 metros 3 segundos bps 30

43 Figura 3.9 Propriedade do arquivo de tamanho grande. A equação 3.3 mostra a transformação de unidades, de bytes para bit bytes * 8 = bits Os resultados práticos são apresentados a seguir: Tabela 3.3 Distância x Tempo x Taxa. Transferência de arquivo (maior) Distância Tempo Taxa 1 metro 382 segundos ,1 bps 5 metros 396 segundos ,8 bps 5 metros com parede 425 segundos ,1 bps 10 metros 417 segundos ,6 bps 31

44 3.3 Comparativos dos resultados Com analise dos gráficos abaixo que mostra os três arquivos de diferentes tamanhos, conclui-se que os arquivos tendem ao mesmo foco, sendo que conforme aumenta a distância, a taxa bps gradativamente diminui e o tempo de transferência do arquivo aumenta. Figura 3.10 Bits por segundo em relação à distância. Figura 3.11 Tempo em relação à distância. A tecnologia Bluetooth oferece velocidade máxima de transmissão em condições ideais de 1 Mbps. Na prática a transmissão de dados é bem menor, pois estes 1 Mbps 32

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