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Cómo funciona Bluetooth

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La programación se trata de software, pero necesitamos saber cómo funciona el hardware para sacarle el máximo partido. El rápido aumento de Bluetooth en los dispositivos móviles significa que es una buena idea entender cómo funciona.


Actualmente sigue siendo bastante estándar el uso de cables para conectar teclados, ratones, impresoras, ordenadores, etc. y necesita tener el cable correcto para el trabajo. Pero Bluetooth, un protocolo inalámbrico, podría reemplazar todos los cables y conexiones con un solo enlace inalámbrico estándar. Hoy tendemos a ver Bluetooth como una forma de usar auriculares y otros dispositivos de audio, pero es un «cable» inalámbrico genérico.

Aunque el trabajo en la tecnología necesaria para lograr esto se inició en 1998, los dispositivos Bluetooth aún tienen un largo camino por recorrer para ser considerados el método de conexión universal que se supone que deben ser, pero el hardware más barato y el mejor software están ahí.

¿Entonces, cómo funciona?

La respuesta le permitirá comprender los conceptos básicos de BlueTooth y cubrir lo que algunos manuales de software suponen que sabe. Ha habido tantas adiciones al estándar, tantas opciones, que es difícil mantenerse al día. Lo que se describe aquí generalmente se llama Bluetooth clásico: debe agregar a este Bluetooth High Speed ​​​​que usa WiFi para aumentar las tasas de datos y Bluetooth Low Energy (BLE), un estándar completamente nuevo diseñado para conexiones simples de baja potencia entre dispositivos similares a el internet de las cosas

¿Por qué «Bluetooth»?

Harald Bluetooth fue un rey vikingo de Dinamarca entre 940 y 981. Cuenta la leyenda que además de tener los dientes manchados, era bueno para que la gente hablara entre sí. Sea cual sea la verdad del asunto, las dos principales empresas involucradas en el desarrollo de Bluetooth, Ericsson y Nokia, han decidido honrar a un héroe nórdico con el nombre que eligieron para su proyecto en 1994. En pocas palabras, no es nada «azul» o «toothy»» en la tecnología inalámbrica que llamamos Bluetooth.

Omitir frecuencia

El enorme crecimiento de los dispositivos inalámbricos comenzó incluso antes de la llegada de Bluetooth.

Casi todos utilizan una pequeña parte del espectro radioeléctrico: la banda industrial, científica y médica. La banda ISM ocupa la banda de frecuencia de 2400-2483,5 MHz y ya es utilizada por enlaces de transmisión externos, identificación por radiofrecuencia, hornos de microondas, redes WiFi y algunos tipos de iluminación.

Como era de esperar, el primer problema que tuvieron que superar los diseñadores de Bluetooth fue encontrar una manera de evitar la interferencia. El problema es aún más difícil porque los dispositivos que operan en la banda ISM deben ser de baja potencia.

Hay tres clases de dispositivos Bluetooth.

Clase 1 transmite utilizando 100 mW de potencia y tiene un alcance de 100 m. La mayoría de los dispositivos Bluetooth móviles son de Clase 3, que solo usan 1 mW para ahorrar batería, pero solo alcanzan un alcance de 10 m. Los dispositivos de clase 2 se encuentran entre estos dos y transmiten a 2,5 mW. La baja potencia y el alcance limitado también son una forma de permitir que muchos dispositivos Bluetooth funcionen sin interferir entre sí.

Para evitar la interferencia de otros dispositivos ISM, Bluetooth utiliza una técnica sofisticada de salto de frecuencia. La banda ISM se divide en 79 canales, cada uno de 1 MHz de ancho. El transmisor en un dispositivo Bluetooth cambia de canal 1600 veces por segundo de forma pseudoaleatoria.

Esto se llama espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) y fue inventado por los militares para hacer que sus comunicaciones fueran menos propensas a interferencias, perturbaciones y escuchas. Usando FHSS, un dispositivo Bluetooth puede crear un enlace de radio bidireccional capaz de operar hasta 720 Kbits por segundo. Los datos se envían en paquetes que contienen hasta 2745 bits. Si un paquete se pierde debido a la interferencia en un canal, se retransmite automáticamente de nuevo en otro canal cuando se produce el salto de frecuencia.

Mantenga

Todo está muy bien, pero ¿cómo se comunican dos dispositivos cuando cambian los canales usados ​​aparentemente al azar?

La respuesta es que cuando un dispositivo Bluetooth no está conectado a otro dispositivo no salta de frecuencia a la velocidad máxima de 1600 saltos por segundo. En su lugar, utiliza un escaneo lento de los canales disponibles en un intento de encontrar otros dispositivos Bluetooth.

Por lo tanto, cuando dos dispositivos Bluetooth se acercan entre sí, eventualmente se notarán y establecerán una conexión. Esto se llama «paginación». Cada dispositivo utiliza uno de los canales de salto para transmitir un mensaje «Estoy aquí» y cambia el canal de transmisión cada 312,5 segundos.

Al mismo tiempo, cada dispositivo escucha en un canal que cambia cada 1,28 segundos. Puede ver que, en principio, los dos dispositivos pueden tardar unos minutos en alcanzar la misma frecuencia de transmisión y recepción. Esta es una de las razones por las que conectar un nuevo dispositivo puede parecer muy lento.

Una vez que se alcanza una frecuencia común, el dispositivo que «encontró» al otro dispositivo se convierte en maestro y el otro en esclavo. Luego, el maestro envía un patrón de salto de frecuencia al dispositivo esclavo y comienzan a cambiar de frecuencia al mismo tiempo a toda velocidad.

Tenga en cuenta que cualquier dispositivo Bluetooth puede ser maestro o esclavo.

El enlace de radio establecido entre un maestro y un esclavo se puede utilizar para hasta tres canales de voz simultáneos, cada uno operando a 64 Kbits por segundo, o un canal de datos asíncrono. El canal de datos puede ser asimétrico a 720 Kbps con canal de retorno de 57 Kbps o simétrico a 433,9 Kbps.

Piconet y Scatternet


Una piconet y una scatternet consisten en dispositivos maestros y esclavos (haga clic para ampliar)

Cuando se detectan dos dispositivos Bluetooth, crean una red, llamada Piconet, compuesta por un maestro y un esclavo. Si se detecta otro dispositivo Bluetooth, se une a la red como otro esclavo. Todos los dispositivos conectados a una piconet utilizan el mismo programa de salto de frecuencia y están controlados por el maestro. El canal se divide en franjas horarias de 625 microsegundos y se comparte entre el maestro y los esclavos según la sencilla regla de que el maestro transmite en franjas horarias pares y los esclavos transmiten en franjas horarias impares.

El software Bluetooth crea dos tipos de transferencia de datos entre dispositivos en modo piconet: síncrona (SCO) y asíncrona (ACL). SCO es una transferencia punto a punto de 64 Kbps entre el maestro y un solo esclavo. Una piconet puede tener tres conexiones SCO activas al mismo tiempo. Para asegurarse de que la capacidad esté disponible para un enlace SCO, el maestro reserva los intervalos de tiempo. Una conexión ACL puede usar cualquier intervalo de tiempo no reservado para un enlace SCO. Puede usarse como una conexión punto a punto, pero el maestro también puede transmitir datos a múltiples esclavos. Otra diferencia es que un esclavo solo puede transmitir datos cuando lo solicita el maestro.

Como puede ver, una piconet es lo suficientemente sofisticada como para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de diferentes tipos de hardware, incluidos teléfonos, PDA, impresoras, etc.

Una piconet puede tener hasta siete esclavos pero, en principio, el número se puede ampliar a 255 esclavos mediante el uso de conexiones “virtuales”. En este caso, todos menos siete esclavos están activos en cualquier momento, pero los siete en particular que están activos se pueden cambiar cada 2 ms.

Otra forma de aumentar el tamaño de una red Bluetooth es crear una «red dispersa».

El maestro en una piconet puede ser un esclavo en otra para unir las dos redes. La red dispersa resultante puede enlazar hasta 10 picoredes que estén dentro del alcance.

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