Trabalho realizado por: Tiago Silva
INDICE 1. Bluetooth...3 1.1 Redes Bluetooth...4 1.2 Espectro de Frequência...7 1.3 Controlo de acesso ao meio...8 1.4 Estabelecimento de Conexões...9 1.5 Tipos de Links...10 1.6 Aplicações...10 2. IrDA...11 2.1 Barramento Infravermelho...11 2.2 O padrão IrDA...12 2.3 Protocolos do padrão IrDA DATA...12 2.3.1 Protocolos mínimos requeridos:...13 2.3.2 Protocolos opcionais:...14 2.4 A camada física...15 2.5 Aplicações...16 3. Bibliografia...17 2
1. Bluetooth Bluetooth é o nome dado a um protocolo de rádio, baseado em saltos em frequência de curto alcance, que visa substituir os cabos de conexão existentes por uma conexão universal, sem fio, de maneira robusta, barata, e de baixo consumo. A ideia original surgiu em 1994, quando a empresa Ericsson iniciou um estudo que visava substituir os cabos que ligavam seus aparelhos celulares aos diversos acessórios existentes por meio de uma tecnologia sem fio acessível. Quatro anos depois, Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba uniram-se para desenvolver o padrão que passaria a ser conhecido como Bluetooth. A este grupo original, denominado SIG (de Special Interest Group, ou Grupo de Interesse Especial), foram se juntando novas empresas. Actualmente, o SIG conta com centenas de componentes. O nome Bluetooth é uma homenagem ao Rei Viking Harald Blaatand mais conhecido como Harald Bluetooth ou Harald Dente Azul, Rei da Dinamarca entre os anos 940 e 981. Segundo a lenda, este apelido devia-se ao fato dele possuir na arcada dentária uma incrustação azulada. O facto de um rei, no século X, conseguir controlar dois reinos distantes fez com que ele fosse escolhido como personagem inspirador da nova tecnologia. A arquitectura do Bluetooth e suas características técnicas estão definidos nas especificações denominadas Core (Núcleo) e Profiles (Perfis), definidas pelo SIG. Enquanto a especificação do núcleo define como o sistema funciona (protocolos, camadas, especificações técnicas, etc.), o documento que define os perfis determina como os diversos elementos que compõe o sistema podem ser empregados para a realização das funções desejadas. Ao contrário de outros padrões, a especificação do Bluetooth compreende não apenas as camadas mais baixas da rede, mas também a camada da aplicação. Dentre os tipos de aplicação previstas, pode-se citar transferências de arquivos, walkietalkies digitais, head-fones de ouvido sem fio, acesso a redes locais, entre outros. 3
1.1 Redes Bluetooth Figura 1 Topologias para: a) Sistema de telefonia celular convencional onde os quadrados representam as estações base estacionarias; b) Sistema convencional ad hoc; c) Sistema ad hoc utilizado na especificação Bluetooth. A especificação Bluetooth visa a criação de um sistema de rádio ad hoc. Num sistema ad hoc não há diferença entre as unidades de rádio, ou seja, não há distinção entre estações base e terminais como nas redes convencionais de sistemas de telefonia celular. Também não há infra-estrutura de cabos para suportar a conectividade entre unidades portáveis; não há um controlador central para coordenar as inter conexões e também não há intervenção de operadores. Em ambientes Bluetooth é altamente comum que um grande número de conexões ad hoc coexista na mesma área sem qualquer 4
coordenação mútua entre os dispositivos. Isto é diferente de cenários ad hoc convencionais onde a conectividade ad hoc está focada em prover uma única (ou muito poucas) rede(s) entre as unidades alcançáveis entre si. A diferença entre os ambientes citados aqui são ilustrados na figura 1. Os dispositivos Bluetooth comunicam-se entre si e formam uma rede denominada piconet, na qual podem existir até oito dispositivos interligados, sendo um deles o master (master) e os outros dispositivos slaves (slave). Tipicamente, nas aplicações Bluetooth, várias piconets independentes e não sincronizadas podem-se sobrepor ou existir na mesma área. Neste caso, forma-se um sistema ad hoc disperso denominado scatternet, composto de múltiplas redes, cada uma contendo um número limitado de dispositivos. A figura 2 apresenta essas ideias. Figura 2 Tipos de redes formadas entre dispositivos Bluetooth. É importante citar que as redes Bluetooth suportam conexões ponto-a-ponto e ponto a multiponto entre o dispositivo master e os slaves. 5
Figura 3 Conexão ponto-a-ponto (a); conexão ponto-a-multiponto (b); scatternet (c). A unidade master só pode transmitir seus dados nos slots de tempo pares, enquanto que as demais só podem transmitir nos slots ímpares. A numeração dos slots é dada de acordo com o relógio da master. O início de transmissão de um pacote deve estar alinhado com o início do slot de tempo associado. A transmissão e a recepção de pacotes de forma alternada no tempo é conhecida como TDD (Time Division Duplex), resultando em uma comunicação full-duplex entre as entidades. As figuras 4 e 5, abaixo, apresentam exemplos de transmissão de pacotes através de TDD. Figura 4 -TDD e temporização. 6
Figura 5 Pacotes ocupando vários slots. Quando duas ou mais piconets presentes numa mesma área de actuação possuem unidades Bluetooth em comum, elas formam uma chamada scatternet (figura 2.c). As piconets de uma scatternet devem possuir sequências de salto em frequências distintas. Uma mesma unidade Bluetooth pode actuar como slave em mais de uma piconet, mas poderá ser master de apenas uma delas. 1.2 Espectro de Frequência O BlueTooth opera na faixa de frequência ISM, acrônimo de Industrial, Scientific and Medical (Industrial, Científica e Médica). Esta faixa de frequência não é regulamentada pelos órgãos competentes, podendo ser utilizada livremente por qualquer entidade que assim que o desejar. Devido à grande quantidade de ruído na faixa ISM, a transmissão de dados é realizada utilizando-se a técnica de espalhamento de espectro (spread 7
spectrum ) por saltos em frequência (frequency hopping). Esta técnica consiste em dividir a banda existente em canais independentes e ir chaveando a frequência de transmissão dos dados ao longo do tempo. Desta forma, consegue-se minimizar os efeitos causados por sinais externos, bem como eliminar o problema de desvanecimento do sinal por múltiplos caminhos (multipath-fading), tornando a transmissão de dados mais robusta. O padrão BlueTooth define 79 canais de RF com faixa de 1 MHz cada, abrangendo a faixa de frequência que vai de 2.042 khz a 2.080 khz. Na maioria dos países, a faixa ISM compreende as frequências de 2.400 khz a 2.483,5 khz. Os primeiros 2 MHz e os 3,5 MHz finais actuam como guarda de banda. A transmissão de dados ocorre a uma taxa de 1Mbps. No caso de países que possuem uma faixa ISM menor, como, por exemplo, a França, o meio é dividido em um número menor de canais de RF, mais especificamente em 23 canais. Sistemas deste tipo não são compatíveis com o padrão original. A especificação do Bluetooth define 3 classes de transmissores, a saber: Classe 1: potência máxima de transmissão de 100 mw, obtendo um alcance de até 100 metros. Classe 2: potência máxima de transmissão de 2.5 mw, para alcances de 10 metros. Classe 3: potência máxima de transmissão de 1 mw, para alcances de 10 metros. A transmissão dos dados é realizada utilizando-se modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), sendo o bit 1 representado por uma variação positiva da frequência, e o bit 0 por uma variação negativa da mesma. 1.3 Controlo de acesso ao meio O Bluetooth foi optimizado para permitir que um número elevado de comunicações não coordenadas ocorra dentro da mesma área. De modo diferente de outras soluções ad hoc onde todos os dispositivos compartilham o mesmo canal, no Bluetooth existe um grande número de canais independentes, cada qual servindo somente um número limitado de participantes. 8
Um canal (FH Bluetooth Channel) está associado a uma piconet e é identificado pela sequência de frequências e pelo relógio do dispositivo master. Esse dispositivo controla o tráfego na piconet e também cuida do controle de acesso. Para evitar a colisão devido a múltiplas transmissões de dispositivos slaves, o dispositivo master utiliza a técnica de polling. Deste modo, somente o dispositivo indicado no slot master para slave pode transmitir no slot slave para master seguinte. 1.4 Estabelecimento de Conexões Para se criar uma rede Bluetooth ou para se adicionar componentes a uma piconet, os dispositivos devem ser identificados. Dispositivos podem ser dinamicamente conectados e desconectados de uma piconet a qualquer hora. Quando um dispositivo deseja estabelecer uma conexão e não sabe quais são os outros dispositivos que estão em sua área de alcance e suas características, ele difunde mensagens do tipo INQUIRY. Ao receber uma mensagem desse tipo, um dispositivo deve retornar um pacote do tipo FHS (Frequency Hoppingsynchronization) contendo além de seu identificador, informações para o sincronismo entre os dispositivos. Os dispositivos que respondem a uma mensagem de inquiry utilizam uma temporização aleatória para enviar a resposta. O objectivo é evitar possíveis colisões, quando mais de um dispositivo responder ao pedido. Depois de recolher informações sobre os outros dispositivos, o dispositivo que deseja estabelecer a conexão pode utilizar uma mensagem do tipo PAGE para realmente estabelecer uma conexão, isto é, uma mensagem do tipo page é somente utilizada por um dispositivo que deseja estabelecer uma conexão com algum outro dispositivo cujo identificador e informações de sincronismo são conhecidas. Os dispositivos que estão ociosos podem permanecer num estado de STANDBY para economizar energia. Contudo, periodicamente eles devem "acordar" para verificar se existe algum outro dispositivo tentando se 9
comunicar. Neste momento podemos dizer que a unidade está em estado de SCAN. 1.5 Tipos de Links Uma vez conectado a uma piconet, um dispositivo pode se comunicar através de dois tipos de links : Sinchronous Connection Oriented (SCO) link; Asynchronous Connectionless (ACL) link. É importante colocar que diferentes tipos de link podem ser aplicados entre diferentes pares de master slave numa mesma piconet e o tipo de link pode mudar arbitrariamente durante uma seção. O tipo do link define quais os tipos de pacotes podem ser usados. Um SCO é um link ponto-a-ponto entre o master e o slave. Esse link é tipicamente usado para a transmissão de voz. Um link ACL faz uma conexão momentânea entre o master e qualquer slave de uma piconet. Esse link é tipicamente utilizado para a transmissão de dados. 1.6 Aplicações A ideia inicial do Bluetooth era basicamente eliminar a necessidade de cabos para estabelecer comunicação entre dispositivos. Contudo, com o andamento do projecto, ficou claro que as aplicações de uma tecnologia desse tipo eram ilimitadas. Alguns exemplos da aplicabilidade do Bluetooth são apresentados a seguir: Conexão sem fio entre o PC ou portátil à impressoras, scanners e até mesmo à rede local. Conexão, também sem fio, para o rato e teclado; O telemóvel de uma pessoa pode saber automaticamente quando se encontra perto do portátil do mesmo dono, podendo assim enviar-lhe as mensagens de correio electrónico recebidas da Internet sem que o ser humano precise se preocupar com isso; 10
Um dispositivo Bluetooth funcionando como um identificador pessoal de uma pessoa pode comunicar-se com outros dispositivos Bluetooth em sua casa. Após chegar em casa, a porta automaticamente se abre para a pessoa e as luzes são acesas; Mais uma vez, um dispositivo Bluetooth contendo informações pessoais de uma pessoa pode funcionar com uma carteira electrónica de dinheiro. Ao se fazer compras, uma registradora desconta o valor da mercadoria adquirida. 2. IrDA IrDA (Infrared Data Association ) - São as siglas de uma organização não lucrativa, que se encarrega de estabelecer o formato IrDA standard, que permite efectuar comunicações, sem fios, por meio de raios infravermelhos. A transmissão de dados sem fio ( Wireless ), está tornando-se possível entre computadores pessoais e periféricos através de IrDA (infra-vermelho). Existe uma oportunidade para a comunicação sem fios de alcance pequena efectiva e barata em sistemas e dispositivos de todos os tipos. Os padrões de IrDA foram desenvolvidos rapidamente (comparados a outros padrões). Porém não tem alcançado todos os cantos do universo em sistemas e periféricos. Este papel deve-se a uma avaliação dos protocolos de IrDA com comentários no uso em sistemas e periféricos. 2.1 Barramento Infravermelho Este canal de comunicação caracteriza-se por não utilizar fios para conectar diferentes dispositivos, sendo classificado como Wireless, ou seja, sem fio é padronizado pela IrDA (Infrared Data Association). Utiliza uma porta serial comum, com taxas de transferência que vão de aproximadamente 9.600 a 115.200b/s (máximo de 14KB/s). É possível elevar este valor utilizando extensões optimizadas às controladoras UART padrão existentes na placas- 11
mãe. Neste caso a taxa máxima de transferência pode chegar a 4Mb/s se não são empregados fios na conexão entre dispositivos, os dados são transmitidos de forma assíncrona por meio de sinais luminosos não visíveis pelos olhos humanos: são os raios infravermelhos, os mesmos utilizados em controles remotos de TVs, aparelhos e som, e outros. 2.2 O padrão IrDA São padrões definidos pelo IrDA Consortium que especificam meios para transferir dados via radiação infra-vermelha. As especificações IrDA incluem padrões tanto para os dispositivos físicos quanto para os protocolos utilizados na sua intercomunicação. Estão divididos basicamente em duas grandes famílias de padrões: IrDA DATA consiste num sistema de transmissão de dados ponto-aponto orientado a arquivos recomendado para curtas distâncias e altas velocidades de transmissão. Opera com alcance máximo de 1 metro e velocidades de 9.600 bps a 16 Mb/s. IrDA CONTROL consiste numa arquitectura orientada a comando e controle para a comunicação de um host device com dispositivos de entrada sem fio como mouses, teclados, gamepads, etc. É um sistema especificamente orientado a control data packets e não a arquivos. Seu propósito é passar pequenos pacotes de controle entre um dispositivo host e um dispositivo de entrada remoto. Opera com alcance máximo de 7 metros e velocidade de transmissão de até 75 kb/s. 2.3 Protocolos do padrão IrDA DATA Abaixo estão representadas as camadas que compõem a pilha do padrão IrDA. Os protocolos estão divididos em dois grupos: requeridos e opcionais. 12
2.3.1 Protocolos mínimos requeridos: Physical Layer: Especifica características ópticas, codificação dos dados e o suporte a várias velocidades. IrLAP (Link Access Protocol) : Estabelece uma conexão básica confiável. (Semelhante ao protocolo IP) IrLMP(Link Management Protocol) : Faz multiplexamento de serviços e aplicações na conexão fornecida pelo LAP. (Semelhante ao conceito de sockets na comunicação TCP/IP) IAS(Information Access Service) : Provém serviços de informações sobre protocolos e serviços (Semelhante ao DNS) Figura 6 Protocolos 13
2.3.2 Protocolos opcionais: Tiny TP - é um protocolo que fornece o controle de fluxo em conexões de IrLMP com um serviço opcional da segmentação e da remontagem. IrCOMM - Quando os padrões de IrDA foram desenvolvidos, havia um desejo de permitir aplicações existentes nos PC que usam portas seriais e paralelas de serem operadas através do infravermelho. Entretanto as comunicações infravermelhas de IrDA diferem significativamente das comunicações de série e paralela. Este padrão foi desenvolvido para resolver estes problemas e para permitir as aplicações do legacy. OBEX - É um protocolo de camada opcional da aplicação projectando permitir sistemas de todos os tamanhos e tipos de troca, uma variedade larga dos dados e dos comandos em uma forma estandardizada. Dirigese a uma das aplicações a mais comum em PC s ou em sistemas encaixados. É um protocolo semelhante ao http. IrDA Lite - Possivelmente o tamanho da pilha dependerá das ferramentas usadas pelo software disponível. A especificação de IrDA Lite composta de um número de estratégias. Algumas das estratégias limitam severamente o espaço da pilha, o tamanho do pacote. Quando os dispositivos são confinados podem necessitar e tolerar estes confinamentos. Muitos desses dispositivos, como por exemplo, câmeras digitais, necessitam o desempenho elevado. Algumas estratégias não afetam o desempenho. IrTran-P - fornece o protocolo da troca da imagem usado na captação drives/câmeras da imagem digital. IrMC - especificações em como os dispositivos móveis do telefone e da comunicação podem trocar a informação. Isto inclui o phonebook, o calendário, e os dados da mensagem. Também como o controle da chamada e a voz real-time são o calendário (RTCON) segurado. 14
IrLAN - descreve um protocolo usado suportar o acesso wireless IR às redes de área local. 2.4 A camada física Existem basicamente três especificações no padrão para métodos de transmissão a nível físico de acordo com o modo de transmissão e a velocidade requeridas: SIR(Serial Infrared) Assíncrono : Para velocidades de 9600 bps até 115.200 kbps. Utiliza o mesmo formato de dados da porta serial transmissão assíncrona de dados com um start bit, stop bit 8 bits para os dados. Utiliza o chip padrão de comunicação serial UART para transmitir os dados. A figura abaixo ilustra o formato dos dados : Figura 7 Transmissão assíncrona SIR Síncrono: Para velocidades entre 0.576 Mbps e 1.152 Mbps e comunicação síncrona. É necessário um chip IrDA compatível para a transmissão de dados. Os dados são organizados em pacotes conforme figura abaixo : 15
Figura 8 Organização de Pacotes FIR e VFIR (Fast IR e Very Fast IR) : Para velocidades acima de 1.152 Mbps podendo chegar até 16 Mbps comunicação síncrona. É necessário um chip IrDA compatível para a transmissão de dados. O formato de dados é parecido com o SIR síncrono mas utiliza um CRC de 32 bits. 2.5 Aplicações Como são invisíveis, os raios infravermelhos são um grande método de transmitir informação de um ponto para outro. Exigem que o percurso dos raios entre o emissor e o receptor esteja desimpedido, mas pelo menos não perturbam a visão. Os diodos do comando à distância emitem raios luminosos nas frequências entre os 30 e os 40 MHz, e os comandos -como "mudar de canal" ou "iniciar gravação" são enviados sob a forma de impulsos de energia, comparáveis ao código Morse. Ainda mais prático, os cientistas compreenderam no fim da última década que poderiam usar o mesmo método para transmitir mensagens mais longas, como os dados electrónicos. Actualmente, muitos dispositivos para casa ou para o escritório têm uma versão a infravermelhos concebida especialmente para aliviar a acumulação de cabos sobre o tapete. Por exemplo, ratos, teclados e joysticks são um dos dispositivos que já usam esta tecnologia. 16
3. Bibliografia Instituto Superior Politécnico Gaya www.retailplus.co.uk Em 13 Janeiro 2004 www.a4tech.com Em 13 Janeiro 2004 www.bluetooth.com Em 18 Janeiro 2004 http://www.pcmais.com/hard/buseriais.html Em 19 Janeiro 2004 http://nasahp.hpg.ig.com.br/vocabulario.ij.htm Em 11 Janeiro 2004 http://www.clubedohardawe.com.br/ca810html Em 12 Janeiro 2004 http://www.microsoft.com/brasil/windows2000/server/usuarios_moveis.stm Em 15 Janeiro de 2004 17