Computação Móvel: Bluetooth e outros WPANs Visão Geral

Computação Móvel: Bluetooth e outros WPANs Visão Geral Mauro Nacif Rocha DPI/UFV 1 Padrões IEEE p/ CM Wireless distribution networks WMAN 802.16 (Broadband Wireless Access) Local wireless networks WLAN 802.11 + Mobility WiFi WiMAX 802.20 (Mobile Broadband Wireless Access) 802.11a 802.11h 802.11i/e/ /w 802.11b 802.11g 802.11n Personal wireless nw WPAN 802.15 ZigBee 802.15.4 802.15.1 802.15.2 Bluetooth 802.15.4a/b 802.15.5 802.15.3 Mesh 802.15.3a/b UWB 2 1

Bluetooth Histórico (antes: ) 1994: Ericsson (Mattison/Haartsen), MC-link project Projeto renomeado Bluetooth em homenagem a Harald Blåtand Gormsen (filho de Gorm), Rei de Dinamarca do Séc. 10 1998: fundação do Bluetooth SIG, www.bluetooth.org (veja também www.bluetooth.com) 1999: ereção da pedra em Ericsson/Lund 2001: primeiro produto comercial de massa, spec. version 1.1 2005: 5 milhões chips/semana Special Interest Group Membros fundadores: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba Em seguida: 3Com, Agere (was: Lucent), Microsoft, Motorola 13.000+ membros Common specification and certification of products 3 Histórico hi-tech 1999: Ericsson mobile communications AB reste denna sten till minne av Harald Blåtand, som fick ge sitt namn åt en ny teknologi för trådlös, mobil kommunikation. 4 2

e a verdadeiro pedra Localizado em Jelling, Dinamarca, erigido pelo Rei Harald Blåtand em memória de seus pais. A pedra possui 3 lados um deles mostrando uma figura de Jesus. Inscrição: Rei Harald executa esses monumentos sepucrais por Gorm, seu pai, e Thyra, sua mãe. O Harald que conquistou toda a Dinamarca e a Noruega e Cristianizou os Dinamarqueses" Estas poderiam ser as cores originais da pedra. Obs.: Blåtand significa de compleição escura (não necessariamente tendo um dente azul ). Harald tinha cabelos muito escuros, fato raro para um Viking. 5 Objetivos do padrão Bluetooth Prover comunicação sem fio entre pequenos dispositivos móveis Mercado alvo: laptop, PDA, telefone e outros dispositivos Não compete com as WLANs existentes WLAN: projetada para conectar eficientemente grupos de usuários Bluetooth: projetado para conectar dispositivos portáteis usando uma conexão pessoal privativa Substitui cabos usados na comunicação entre periféricos 6 3

Objetivos do padrão Bluetooth Tecnologia deve ser segura (suporta autorização, autenticação e criptografia) Custo baixo Conectar diferentes dispositivos, num total de 8 simultâneos, a uma taxa de 1 Mbps por piconet (até 3 Mbps com Bluetooth 2) Permitir a existência de centenas de piconets vizinhas 7 Objetivos do padrão Bluetooth Suportar voz e dados Consumir pouca energia Implementado da forma compacta para suportar os dispositivos portáteis nos quais serão integrados Tecnologia projetada para ser global Empresas se comprometem a não cobrar royalties no desenvolvimento da tecnologia 2004: média de 3 milhões de dispositivos/semana 2005: média de 5 milhões de dispositivos/semana 1 bi dispositivos em Nov/2006 8 4

Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Transferência de objetos: Capacidade de transferir objetos como arquivos, diretórios etc. entre dispositivos Pontos de acesso a dados: Permitem acesso à Internet, e-mail, fax etc., através de uma conexão sem fio com uma interface PSTN Telefone celular LAN 9 Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Sincronização: Envolve a sincronização de cartões de apresentação pessoal, calendários e trocas de informações entre dispositivos Bluetooth Ultimate Headset: Um headset pode ser conectado através de um enlace sem fio a um PC e parecer como se fosse um áudio playback ou um dispositivo de gravação 10 5

Modelo de Uso do Bluetooth 1.1 Modelo genérico: Conectar dispositivos Modelo mais específico: Pontos de acesso de voz e dados Interconexão de periféricos Personal Area Networking (PAN) 11 Acesso de Dados e Voz 12 6

Acesso de Dados e Voz Uso inicial previsto para o padrão Exemplo: CM/Bluetooth usa Celular / Bluetooth para se conectar à Internet Celular age como um ponto de acesso pessoal Padrão também prevê pontos públicos de acesso de dados para conectar à Internet Exemplo: telefones públicos Bluetooth em aeroportos e outros lugares ligados a um canal DSL, onde cada ponto de acesso teria uma conexão de 1 Mbps 13 Interconexão de Periféricos 14 7

Interconexão de Periféricos Interconexão de dispositivos periféricos como teclado, mouse, joystick e outros através de um canal sem fio Diminui custo de periféricos, já que é necessário apenas um ponto de acesso Permite a reutilização do periférico em diferentes mercados 15 Interconexão de Periféricos Bluetooth define um enlace de pequeno alcance e uma área de proximidade de dispositivos de segurança Se um dispositivo D1 não está na área de proximidade de um dispositivo D2, então D1 entra em um modo de alta segurança 16 8

Personal Area Networking (PAN) 17 Personal Area Networking (PAN) Trata da formação e término de uma rede adhoc pessoal Exemplo: Você encontra uma pessoa e de forma rápida e segura troca documentos através de uma piconet privativa 18 9

Potência e Alcance Classe Potência Máx. Permitida mw (dbm) Alcance Aproximado Classe 1 100 mw (20 dbm) ~100 m Classe 2 2.5 mw (4 dbm) ~10 m Classe 3 1 mw (0 dbm) ~1 m 19 Especificação Bluetooth Dividida em duas partes: Core (Núcleo) Profile (Perfil) Núcleo discute como a tecnologia trabalha Perfil trata de como projetar dispositivos interoperáveis usando o núcleo 20 10

Arquitetura Bluetooth 21 Arquitetura Bluetooth Radio (RF) Enviar e receber seqüências de bits usando um sinal modulado Alcance de 10cm (0dBm/1mW), 10m (4dBm/2.5mW) ou 100m (20dBm/100mW) Faixa de 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) Frequency Hopping: 1600 hops/s; total de 79 hops (canais) com 1 MHz de largura cada entre 2.402 e 2.480 GHz 22 11

Arquitetura Bluetooth Baseband (Bandabase) Define a temporização (timing), o framing, os pacotes e o controle de fluxo. Quadro Bluetooth consiste de um pacote de transmissão seguido por um pacote de recepção (TDD). Cada pacote pode ser composto de múltiplos slots (1, 3 ou 5) de 625 s. 23 Arquitetura Bluetooth Baseband (Bandabase) Taxa máxima com um único slot: 172 kbps. Quadros com vários slots permitem taxas mais altas Eliminam o tempo de turn-around entre pacotes Menos overhead Máx.: 721 kbps 24 12

Arquitetura Bluetooth Baseband (Bandabase) Access code: usado para sincronização Header (cabeçalho) Payload (dados) 25 Arquitetura Bluetooth Link Manager (Gerência e Enlace) - LMP Assume a responsabilidade dos estados de conexão, garantindo o acesso justo entre escravos, gerenciamento de energia, autenticação, criptografia, QoS, entre outros. 26 13

Arquitetura Bluetooth Logical Link Control L2CAP Cuida da multiplexação dos protocolos das camadas superiores, segmentação e remontagem de pacotes grandes, descobrimento de dispositivos e serviços, transferência de informação de QoS. 27 Arquitetura Bluetooth RFCOMM Comunicação Serial Provê a emulação de uma porta serial, usando um subconjunto do padrão ETSI GSM 07.10. Pode emular os 9 pinos de uma porta RS-232-E Comporta até 60 conexões simultâneas entre dois dispositivos Bluetooth 28 14

Arquitetura Bluetooth TCP/IP Bridging Address Resolution MTU definition Multicast / Broadcast 29 Arquitetura Bluetooth Audio Canais de 64 kbps 2 esquemas de codificação: Continuous Variable Slope Delta (CVSD) Modulation linear de 16 bits com 8000 amostragens/s Logaritmic Pulse Coded Modilation (logpcm) compressão p/ 8 bits usando A-law ou -law 30 15

Perfis de Uso (Profiles) Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) Basic Imaging Profile (BIP) Basic Printing Profile (BPP) Common ISDN Access Profile (CIP) Cordless Telephony Profile (CTP) Device ID Profile (DID) Dial-up Networking Profile (DUN) Fax Profile (FAX) File Transfer Profile (FTP) General Audio/Video Distribution Profile (GAVDP) Generic Access Profile (GAP) Generic Object Exchange Profile (GOEP) Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP) 31 Perfis de Uso (Profiles) Hands-Free Profile (HFP) Human Interface Device Profile (HID) Headset Profile (HSP) Intercom Profile (ICP) LAN Access Profile (LAP) Object Push Profile (OPP) Personal Area Networking Profile (PAN) Phone Book Access Profile (PBAP) Serial Port Profile (SPP) Service Discovery Application Profile (SDAP) SIM Access Profile (SAP, SIM) Synchronisation Profile (SYNCH) Video Distribution Profile (VDP) Wireless Application Protocol Bearer (WAPB) 32 16

Perfis de Uso (Profiles) - Exemplo LAN Access Application IP Synchronization Application IrMC PPP SDP OBEX SDP RFCOMM RFCOMM L2CAP L2CAP c) LAN Access SDP Service Discovery Protocol 34 Topologia de Rede Exemplo de uma piconet onde os círculos M, S, P e Sb representam um rádio Bluetooth Rádios estão conectados entre si numa piconet Piconet formada por um rádio mestre e até 7 escravos Piconet A S S M Sb P S Sb P M S P Sb Piconet B 35 17

Formação de uma Rede Rádios Bluetooth são simétricos Qualquer rádio Bluetooth pode ser um mestre ou um escravo A configuração da piconet é determinada no momento de sua formação Tipicamente, o rádio que estabelece a conexão é o mestre A função de troca mestre/escravo permite que os papéis sejam trocados 36 Formação de uma Rede Um dispositivo só pode ser o mestre em uma dada piconet Rádio Bluetooth precisa entender dois parâmetros para formar uma piconet: Padrão de pulo (hopping pattern) do rádio que se deseja conectar Fase dentro desse padrão 37 18

Formação de uma Rede Rádios Bluetooth possuem um identificador global único de 48 bits que é usado para criar um padrão de pulo Ao se formar uma piconet, o rádio mestre Compartilha o identificador global com outros rádios, que passam a ter o papel de escravos Provê a todos os rádios o padrão correto de pulo 38 Formação de uma Rede Uma estação é mestre somente durante uma conexão Mecanismos de gerenciamento de enlace permitem a unidades de rádio usar TDM e agir como pontes entre piconets, formando uma scatternet 39 19

Formação de uma Rede Também existem mecanismos que permitem às estações (mestre e escravo) requisitarem e aceitarem novas conexões O objetivo é permitir a criação de múltiplos cabos virtuais ao invés de uma substituição de um único cabo 40 Formação de uma Rede Rádios não conectados à piconet ficam no modo Standby Escutando por outros rádios achá-los (Inquire) Escutando por uma requisição para formar uma piconet (Page) 41 20

Formação de uma Rede Rádio emite um comando Inquire Rádios respondem com um pacote FHS (Frequency Hopping Sharing) com a lista de rádios Bluetooth na área Para formar uma piconet, rádio emite um comando Page Rádio interrogado responde com seu identificador global 42 Formação de uma Rede Rádio A torna-se o rádio mestre para as estações B e C IDa M IDa IDd P IDe Sb IDa IDb S IDa IDc S 43 21

Formação de uma Rede Um rádio recebe um endereço de 3 bits ao se juntar à piconet AMA: Active Member Address Permite que outros rádios na piconet se comuniquem com ele Estação mestre possui endereço 0 (zero) 44 Formação de uma Rede Se uma piconet passa a ter 8 rádios ativos, então a estação mestre emite um Park na piconet Estação permanece coordenada com a piconet Libera seu AMA por um endereço de 8 bits PMA (Passive Member Address) 45 22

Formação de uma Rede A combinação de AMA e PMA permite que mais rádios façam parte de uma piconet Somente rádios com endereço AMA podem transferir dados 46 Formação de uma Rede Rádios que não estão conectados ativamente na piconet estão no estado Standby Rádios escutam Enquires ou Pages de outros rádios A cada 1.28 ou 2.56s, a estação executa um Page e/ou Inquiry Scan para saber se uma requisição foi feita 47 23

Formação de uma Rede O processo de Inquiry envolve uma função de Page no Inquiry ID e outros rádios executarem um Inquiry Scan Processo executado num conjunto de 32 canais Estação executando um Inquiry Scan escuta a cada 1.28 (2.56)s em um desses 32 canais por 10ms, e repete o processo no próximo canal. 48 Formação de uma Rede 49 24

Formação de uma Rede Mestre Inquiry Escravo Inquiry Scan Inquiry Response Page Page Scan Slave Response Master Response Connection Connection 50 Comunicação em uma Rede No estado conectado, um rádio Bluetooth possui um endereço de 3 bits AMA Usado para enviar dados para outros dispositivos na piconet Broadcast na piconet: Estação mestre envia pacote com endereço 0 51 25

Comunicação em uma Rede Estação pode ficar conectada à piconet e manter uma situação de baixa potência Entra no estado de Park, Hold ou Sniff Estados Hold e Sniff Estação acorda em intervalos pré-definidos No estado Sniff a estação é permitida transferir dados No estado Hold a estação não pode transferir dados 52 Comunicação em uma Rede Estado de Park A estação passa a ter um endereço PMA Passa a escutar em intervalos de beacon para saber se a estação mestre Solicitou ao dispositivo para se tornar um membro ativo Perguntou se algum dispositivo deseja se tornar um membro ativo Enviou um dado de broadcast 53 26

Comunicação em uma Rede No estado conectado, dois tipos de pacotes podem ser emitidos: Synchronous Connection Oriented (SCO) Asynchronous Connectionless (ACL) Pacote SCO associado a dado isócrono No momento voz Pacote com 1, 2 ou 3 slots 54 Comunicação em uma Rede Enlace ACL: Orientado a pacotes Suporta tráfego assimétrico e/ou simétrico Possui um número ímpar de slots: 1/1 1/3 1/5 55 27

Esquemas de Correção de Erro Baseada em: FEC (Forward Error Correction) Automatic Repeat Request (ARQ) FEC: Baseado em bits redundantes Sempre aplicada ao cabeçalho do pacote Quando o canal passa a ter mais ruído, aplicada aos dados 56 Segurança Questão importante para os cenários onde espera-se que o padrão seja aplicado Presente nas camadas de enlace e de aplicação 57 28

Segurança 58 Segurança Na camada de enlace, o sistema de rádio Bluetooth provê: Autenticação Criptografia Gerenciamento de chave 59 29

Segurança Autenticação: Usuário possui um PIN (Personal Identification Number) PIN é um ponto central do esquema de segurança Traduzido em forma de chave de enlace de 128 bits (formada por seqüências de 8 bits) Serve para autenticar as estações de rádio 60 Segurança Criptografia: Versão modificado do block chipher SAFER+ Enlace pode ser criptografado usando chaves de comprimentos diferentes Gerenciamento de chaves: Camada de segurança negocia o tamanho da chave Define o tamanho mínimo para que diferentes dispositivos possam se comunicar 61 30

Segurança Arquitetura suporta autorização de diferentes serviços para as camadas superiores Exemplo: pode-se autorizar que uma aplicação apenas troque informações de identidade com outra estação 62 Bluetooth 1.2 Novembro/2003 Conexão e descobrimento mais rápidos Adaptive frequency-hopping spread spectrum (AFH) Extended Synchronous Connections (esco): melhoria na conexão de áudio 63 31

Bluetooth 2.0 + EDR Adotado em Novembro / 2004 velocidade triplicada, passando para 3 Mbps (teórico, e 2,1 Mbps efetivo) Performance do BER (Bit Error Rate) aumentado alcance aumentado para 100 metros diminuição do consumo de energia (metade do 1.2) recurso de multicasting 64 Bluetooth 2.0: produtos/exemplos MSI MP54GBT2 802.11b/g + Bluetooth 2.0 (3 Mbps) IOGEAR USB Bluetooth 2.0 Class 2 Adapter até 2.1 Mbps 65 32

Bluetooth 2.1 + EDR Adotado em Agosto / 2007 Extended inquiry response Sniff subrating Encryption Pause Resume (encryption key refreshing) Secure Simple Pairing Maior cooperação em NFC (Near Field Communication) 66 Programação JSR 82: Java APIs for Bluetooth http://jcp.org/en/jsr/detail?id=82 import javax.microedition.io.*; import javax.bluetooth.*; public class PrintClient implements DiscoveryListener { private Vector devicelist; public PrintClient() throws BluetoothStateException { LocalDevice local = LocalDevice.getLocalDevice(); agent = local.getdiscoveryagent(); try { maxservicesearches = Integer.parseInt( LocalDevice.getProperty("bluetooth.sd.trans.max")); } catch (NumberFormatException e) { System.out.println("General Application Error"); System.out.println("\tNumberFormatException: " + e.getmessage()); } } 67 33

Programação: Jogo de 21 /** * Inicializa a conexão com o bluetooth para o cliente */ public class BTCliente implements DiscoveryListener{ private static final UUID PICTURES_SERVER_UUID = new UUID("F0E0D0C0B0A000908070605040302010", false); private TelaCliente parent; private DiscoveryAgent agent; private Vector devicelist; private Hashtable servicetable; private boolean searchdone; /** * Construtor do BTcliente */ public BTCliente(TelaCliente parent) { this.parent = parent; try { LocalDevice local = LocalDevice.getLocalDevice(); agent = local.getdiscoveryagent(); devicelist = new Vector(); parent.setstatus("searching for Devices..."); System.out.println("Searching for Devices..."); agent.startinquiry(discoveryagent.giac, this); } catch (Exception e) { System.out.println(e); parent.searcherror("search Error"); } } 68 Programação BlueZ (C) http://www.bluez.org/ http://people.csail.mit.edu/albert/bluezintro/c401.html 69 34

BlueZ - Exemplo #include <bluetooth/bluetooth.h> #include <bluetooth/hci.h> #include <bluetooth/hci_lib.h> int main(int argc, char **argv) {... num_rsp = hci_inquiry(dev_id, len, max_rsp, NULL, &ii, flags); if( num_rsp < 0 ) perror("hci_inquiry"); for (i = 0; i < num_rsp; i++) { ba2str(&(ii+i)->bdaddr, addr); memset(name, 0, sizeof(name)); if (hci_read_remote_name(sock, &(ii+i)->bdaddr, sizeof(name), name, 0) < 0) strcpy(name, "[unknown]"); printf("%s %s\n", addr, name); }... } 70 Bluetooth Outra boa fonte de consultas: http://www.palowireless.com/bluetooth/ 71 35

UWB Visão Geral Ultra Wideband (UWB) emergindo como nova tecnologia para PANs. Desenvolvido originalmente nos anos 60 para aplicações militares. Aprovado pelo FCC para uso comercial, com limitações, em Fev./2002. Provê altas taxas de TX (inicialmente cerca de 50 Mbps) a distâncias curtas (10 a 20 metros). Sistema de rádio que usa milhões de pulsos por segundo para comunicação e sensoriamento, por meio de um radar de curto alcance. Envia dados em milhões de pulsos através de uma banda larga. Legalização depende do controle de potência. 72 UWB Visão Geral 73 36

UWB at a Glance FCC regulations Regulated in the US since February 2002 UWB is available spectrum, not a specific technology 7,500MHz of unlicensed spectrum First regulation ever that allows spectrum sharing: low emission limit (-41.3dBm/MHz EIRP) doesn t cause harmful interference Transmitters need to occupy at least 500MHz all the time UWB devices are NOT defined as impulse radios or by any specific modulation Enough spectrum to reach much higher data rates than in the ISM band (83.5MHz at 2.4GHz) or the U-NII bands (300MHz at 5GHz) Optimized for short-distances applications 74 UWB Produtos IOGEAR Wireless USB to VGA Adapter kit 75 37

High Speed Bluetooth (3.0) Principal concorrente: Wireless USB 480Mbps 3m 110Mbps 10m Agere, HP, Intel, Microsoft, NEC Philips, Samsung (3.1 10.5 GHz) 1º dispositivo regulamentado: 23/10/2006 (WiQuest) 76 WUSB Cenários de Uso 77 38

High Speed Bluetooth (3.0) Março 2009 WiMedia Alliance anuncia sua saída e posterior transferência de tecnologia UWB para outros grupos Abril 2009 Bluetooth SIG adota 802.11 para transferências em altas taxas no Bluetooth Core 3.0 até 24 Mbps (teórico) 78 High Speed Bluetooth (3.0) Samsung S8500 Wave Nokia N8 79 39

WiBree: Ultra Low Power Bluetooth Nokia + Bluetooth SIG (Junho / 2007) Aplicações de monitoramento corporal (esportes, medicina) 1 Mbps 6dBm 80 Low Energy Bluetooth (4.0) Julho 2010 Inclui BT tradicional, BT 3.0 (high speed) e WiBree Baixa latência (3 ms) Endereço ativo de 32 bits topologia 1 p/ 1 ou em estrela mesh networking Cryptografia melhor AES 265 bits 81 40

WPANs outros competidores 82 Bluetooth x ZigBee Technology Bluetooth Zigbee Radio Frequency 2,4 GHz 2,4 GHz, 868 MHz (Europe) or 915MHz (Americas) Distance / Range 10 or - 100 meters 60 meters Data Throughput 250kbps at 2.4 GHz. Less at the 1-3Mbps (theoretical) lower frequencies. Nodes/Master 7-16, 777, 184 ¹ 64000² Latency New slave enumeration Up to 3 s About 30 ms Sleeping state to active About 3 s About 15 ms Active slave channel access time About 2 ms About 15 ms Security 64b/128b and applications layer user 128b AES and application layer defined user defined Adaptive fast frequency hopping over Uses only 16 ch. in ISM band, Robustness entire available spectrum, FEC fast ACK unproven mesh topology with long recovery time Total time to send data (determines battery life) 10ms 30ms Goverment Regulation Worldwide Worldwide for 2.4GHz, limited territories for other frequencies. Certification Body Bluetooth Zigbee Alliance 802.15.4³ Cost (presently) <$3 bulk CMOS $7-8;no bulk CMOS Power consumption X (implementation dependant) X Ad-Hoc Yes Not really Service discovery Yes No Profile concept Yes No (only on app) Voice capable Yes No 83 41

WirelessHD ou WiHD Lançado oficialmente em 2008 802.15.3c 60 GHz LOS LG, Panasonic, NEC, Samsung, SiBEAM, Sony, Toshiba... HDTV 2 a 5 Gbps (teoricamente até 20 Gbps) DVD 80 Mbps USB 2.0 200 Mbps HD SATA 1.2 Gbps SSD 3,5 Gbps 84 WirelessHD ou WiHD http://www.engadget.com/tag/802.15.3c/ 15 Gbps a 1m 10 Gbps a 2m 5 GBps a 5m 85 42

Resumo: PANs, LANs e WANs Taxa de transmissão Alcance Mobilidade Espectro Bluetooth 3 ou 54 Mbps 10 m Muito baixa 2.4 GHz UWB 5 Gbps <10 m Muito baixa 7.5 GHz IEEE 802.11g Até 54 Mbps 100 m Baixa 2.4 GHz IEEE 802.11n 100 a 200 Mbps 100 m Baixa 2.4 / 5 GHz WiMAX (802.16) Até 100 Mbps 2 a 10 km Alta 2 a 11 GHz GSM 9.6 kbps 10 a 20 km Média a alta 900 MHz 3G Celular Até 2 Mbps 5 a 10 km Alta 1 a 2 GHz 86 43