Especial: así funciona el Bluetooth Low Energy

En la especificación 4.0 encontramos dos formas de transmisión inalámbrica: la "estándar" (denominada "Basic Rate", BR), y la de baja energía (denominada "Low Energy", LE). Ambos sistemas incluyen establecimiento de dispositivo, establecimiento de conexión y mecanismos de conectividad. El sistema BR, además, incluye EDR (Enhanced Data Rate), Alternate Media Access Control (MAC) y extensiones físicas de capas (conocido como PHY). BR ofrece también un sistema sincrónico y asincrónico de conexión con ratios de 721.2 kbps para BR, y de 2.1 Mbps para el sistema mejorado de conexión (Enhanced Data Rate) junto con una operación de alta velocidad (hasta los 24 Mbps) en el modo de 801.11 AMP.

En LE, al igual que en el sistema de BR/EDR, el radio opera en la banda de 2.4 GHz ISM (Industrial Scientific Medical band). El sistema LE emplea además un transceptor de salto de frecuencia para combatir las interferencias y el desvanecimiento de la transmisión, y emplea también una modulación de frecuencia binaria para minimizar la complejidad del transceptor. Su velocidad es de 1 Megasymbol por segundo, soportando una tasa de 1 Mb/s (1 Megabit por segundo). Las bandas en las que opera son de 2400-2483.5 MHz, usando 40 canales RF. El sistema opera con una antena interna, cuya potencia de transmisión (para el transmisor) está limitada a lo siguiente: 0,01 mW (-20 dBm) como mínima potencia de salida, y de 10 mW (+10 dBm) como máxima. Esta potencia puede ser cambiada localmente, por ejemplo, para optimizar el consumo y reducir las interferencias del equipo.



La modulación de LE es GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), con un periodo de ancho de banda igual a BT=0,5.

Existen dos tipos de funcionamiento básico: la transmisión de notificaciones, y el escáner. El sistema que envía las notificaciones puede funcionar como unidireccional (se transmiten datos de dispositivo a dispositivo) o multidireccional (conocido como "broadcasting"). Todo ello se realiza mediante una unión L2CAP (Logical Link Control) sobre un canal de radio con relación en forma de paquetes.


Bluetooth soporta conectividad en red con sistema MAC (AMP MAC), pero no en la especificación LE. AMP MAC es una capa definida en el protocolo IEEE 802 (Wifi) y ofrece mecanismos de acceso de canales. También da soporte a un protocolo de seguridad de conexiones (SMP, Security Manager Protocol), que es un protocolo de tipo peer-to-peer, que se usa para generar encriptación mediante claves de identidad. El bloque SMP genera y maneja almacenes de claves para generar a su vez direcciones aleatorias de comunicación entre los dispositivos conectados. El interfaz SMP se relaciona con el controlador para ofrecer claves de encriptación y autentificación en los procedimientos de emparejamiento. Esto se usa en el sistema LE para reducir el coste de implementación, mientras que en BR la funcionalidad, similar, la ofrece el bloque Link Manager en el controlador.

El Link Manager ("gestor de uniones") es el responsable de la creación, modificación y destrucción de los vínculos lógicos y del transporte de las comunicaciones, y trabaja con los parámetros físicos de los dispositivos. En el sistema BR se usa el LMP (Link Management Protocol), mientras que en los sistemas LE se usa el LL (Link Layer Protocol).


El Link Manager trabaja en unión con el Link Controller, que es el responsable de codificar y decodificar los paquetes cargados en el enlace Bluetooth y los parámetros de conexión.

Aunque en el dispositivo LE sólo se puede usar un canal físico al mismo tiempo, para soportar múltiples concurrencias de operación el sistema lo multiplexa entre dos canales, dividiéndolo así soporta entonces un envío y recepción de paquetes simultáneo entre dos dispositivos. La especificación LE asume que en todo momento el dispositivo se relaciona con otro único dispositivo, y no con varios al mismo tiempo, aunque puede existir en un futuro esta capacidad. No obstante la especificación no la ha contemplado (aunque lo permite).


Topología de redes
Una red LE tiene diferencias importantes respecto a una red establecida de BR. En la imagen podemos ver una muestra de sus diferentes arquitecturas, donde vemos que el dispositivo A es el master de una piconet, con los dispositivos B y C como esclavos, donde, y a diferencia de una BR, los esclavos no pueden compartir información en común con un canal del maestro, dicho de otro modo: cada esclavo de la red se comunica de forma separada con el maestro (el master A en la imagen), aunque dicho master puede tener varios esclavos.

Otra muestra la vemos en el dispositivo F como master (conocido como piconet F) con el dispositivo G como un esclavo. También podemos encontrar otros grupos de difusión: uno en el dispositivo D que es un notificador del dispositivo A y también un iniciador (conocido como grupo de difusión); el dispositivo E está en modo escaner y el dispositivo C es también un notificador (grupo de difusión C). El dispositivo H es un notificador y los dispositivo I y J están operando como escáners (conocido en la imagen como grupo de difusión H).

Así, vemos que los dispositivos A y B están usando un canal físico Low Energy (LE, representado por el borde azul y con fondo gris oscuro). Los dispositivos B y C están usando un canal físico de la piconet (fondo gris claro). En el grupo de difusión D, el dispositivo D es un notificador usando una conexión de eventos en el canal físico de advertencias (borde verde) con el dispositivo A como iniciador. El dispositivo A forma parte de una conexión con el dispositivo D y es un dispositivo de la piconet de A. En el grupo de difusión E, el dispositive C es también un notificador del canal de notificaciones (borde naranja) usando eventos no-conectivos capturados por el dispositivo E que está operando como escáner. El grupo de difusión D es un dispositivo del grupo E que también está usando diferentes canales de notificación (PHY) en tiempos diferentes para esquivar las colisiones. La piconet F opera como un canal físico de datos. Los dispositivos F y G están usando una piconet física LE (representanda por el borde cyan). El dispositivo F es el master, y el dispositivo G es el esclavo.

En el grupo de difusión H se está usando un canal físico de comunicación, con los dispositivos H, I y J usando un canal de notificación LE. En este grupo, los dispositivos H e I son notificadores del dispositivo J, que está actuando como escáner.


¿Pueden unos relojes relacionarse con otros?
La pregunta está mal formulada. Debería ser: ¿puede una red LE relacionarse entre sus elementos? La respuesta es sí. El procedimiento de escaneo puede ser usado mientras se conectan dispositivos LE en una piconet. En los grupos de difusión se pueden conectar diferentes eventos de notificación teniendo a un dispositivo como iniciador. Los vínculos físicos se conocen como LE-C y LE-U, y son links lógicos, que se usan para cambiar las propiedades del vínculo una vez conectados. Esto es también posible para mantener procedimientos de búsqueda o scan sin necesidad de desconectar el dispositivo del canal original en la piconet.

Links lógicos también son creados usando los protocolos LL (Link Manager) que negocia mensajes remotos desde dispositivos Bluetooth y la creación de configuraciones de estos vínculos. El LE-C transporta el protocolo de control LL y una capa invisible hacia el Link Manager. El LE-U transporta el protocolo de la señal L2CAP y el canal multiplexado.


Seguridad en sistemas LE
Bluetooth LE usa tres tipos de asociaciones de seguridad: Just Works ("sólo trabaja"), Out of Band ("fuera de banda") y Passkey Entry ("clave de entrada"). La conexión LE se realiza encriptada usando criptografía AES-CCM. La encriptación es realizada (como en BR) por el controlador.

Además, LE soporta encriptación en el envío de datos para segurar una comunicación autentificada entre dos dispositivos seguros.

No obstante, LE soporta tres tipos de niveles de seguridad, uno de los cuales (el nivel más bajo) no requiere autentificación.





| Redacción: An Drekke* para Zona Casio (Gracias a Alex por la ayuda)

*An Drekke es desarrollador de software y puedes encontrar su blog aquí.