Cómo la tecnología Bluetooth crea confiabilidad a partir de bases poco confiables

Dirección de acceso

Cuando el Bluetooth^® el controlador está escuchando datos en un canal, recibirá todas las señales de radio dentro del rango de frecuencia definido por ese canal. Las señales recibidas pueden ser:

• • Paquetes de Bluetooth enviados a este dispositivo
  • Paquetes de Bluetooth no diseñados para este dispositivo
  • Paquetes relacionados con otras tecnologías de comunicación inalámbrica que operan en la misma banda ISM y usan frecuencias en el canal de radio Bluetooth actualmente escaneado
  • Ruido de fondo

El controlador Bluetooth debe poder distinguir entre estas señales y ubicar con precisión las que codifican los paquetes Bluetooth enviados a este dispositivo. Cualquier otra cosa debe ignorarse.

Todos los paquetes de Bluetooth contienen un 32 bits dirección de inicio de sesión que le permite localizar rápidamente señales que son casi con certeza Bluetooth en la primera oportunidad y descartar inmediatamente otras señales.

Hay dos tipos de direcciones de inicio de sesión. los dirección de acceso a publicidad es un valor fijo de 0x8E89BED6 utilizado por la mayoría de los paquetes publicitarios. Este valor fue elegido porque es bueno propiedad de correlación. La correlación es el procedimiento matemático utilizado para reconocer patrones específicos en una señal.

Los paquetes intercambiados durante la comunicación entre dos dispositivos conectados contienen un archivo dirección de inicio de sesión con un valor asignado por la capa de enlace que identifica de forma única todos los paquetes relacionados con esa conexión. Estos valores de direcciones de acceso generados son en gran parte aleatorios, pero están sujetos a reglas adicionales diseñadas para aumentar la confiabilidad de reconocer correctamente las direcciones de acceso.

Paquetes relacionados distintos cadenas publicitarias periódicas y a la B separadaStreams isócronos de roadcast (BIS) cada uno tiene una dirección de inicio de sesión única. La dirección de acceso permite señales que son pertinente al dispositivo receptor para seleccionar. Es responsabilidad de la pila de Bluetooth Capa de enlace para comprobar las direcciones de inicio de sesión.

La probabilidad de confundir un ruido electromagnético de fondo aleatorio con una señal de Bluetooth es extremadamente pequeña, gracias a la longitud de 32 bits de la dirección de acceso. En el caso improbable de que el patrón de ruido de fondo aleatorio coincida con una dirección de acceso relevante para el receptor, el procesamiento posterior del flujo de bits determinará rápidamente que no es un paquete Bluetooth válido.

Seleccionar rápidamente solo señales relevantes y descartar otras es otro paso clave en el funcionamiento del receptor Bluetooth que contribuye a una comunicación confiable.

La verificación de redundancia cíclica (CRC)

Todos los paquetes de Bluetooth contienen un Verificación de redundancia cíclica (CRC) campo que aparece al final o cerca del final del paquete. Los CRC son un mecanismo de uso común para detectar casos en los que los datos transmitidos se han modificado involuntariamente debido a problemas como colisiones.

Cuando la capa de enlace formula un nuevo paquete, se calcula un valor CRC aplicando el algoritmo CRC a los otros bits del paquete. Luego, el valor de 24 bits resultante se agrega al paquete. Al recibir un paquete, la capa de enlace en el dispositivo de recepción recalcula el CRC y compara el resultado con el valor CRC incluido en el paquete recibido. Si los dos valores no son iguales, se concluye que se han cambiado uno o más bits en el paquete transmitido y el paquete se descarta.

Cabe señalar que la CRC no es un mecanismo de seguridad, ya que un paquete podría modificarse deliberadamente y la CRC podría recalcularse fácilmente.

El código de integridad del mensaje (MIC)

Bluetooth^® Los paquetes LE se pueden cifrar. Todos los paquetes cifrados incluyen un campo con nombre Verificación de integridad de mensajes (MIC). El MIC es, de hecho, un autenticación de mensajes código, pero dado que el acrónimo MAC tiene otros usos en el campo de las comunicaciones, en la especificación Bluetooth, MIC es usado.

El MIC no es una característica de confiabilidad per se. Esta es una característica de seguridad cuyo propósito es permitir la detección de intentos de manipulación deliberada del contenido de un paquete. Pero como parte de nuestra definición informal de confiabilidad es que los datos transmitidos deben ser datos recibidos y reconocemos que los cambios pueden ser involuntarios o intencionales, los incluimos aquí para completarlos.

Después de todo, ¿se puede pensar realmente que la comunicación insegura es confiable?

Espectro ensanchado

Bluetooth^® la tecnología usa la banda de radio ISM de 2.4 GHz. ISM de 2.4 GHz no define una sola frecuencia, sino que define un rango de frecuencias, en este caso comenzando en 2400 MHz y terminando en 2483.5 MHz. Cuando se usa con Bluetooth LE, este rango de frecuencia se divide en 40 canales, cada uno de 2 MHz de ancho. Bluetooth BR / EDR lo divide en 80 canales de 1 MHz de ancho.

Cada canal está numerado, comenzando con el canal cero. El canal cero tiene una frecuencia central de 2402 MHz, dejando un espacio de 1 MHz entre el canal cero delimitador de frecuencia más baja y el inicio de la banda ISM de 2,4 GHz. El canal 39 tiene una frecuencia central de 2480 MHz, lo que deja un espacio de 2,5 MHz al final de la banda ISM de 2,4 GHz.

La Figura 8 muestra la división de la banda ISM en canales de radio para su uso por Bluetooth LE. Tenga en cuenta que numero de canal siempre asciende en una secuencia contigua de 0 a 39 mientras que un índice de canal, que cubriremos en la sección 5.2.2, se asigna al conjunto de canales ISM de una manera ligeramente diferente.

La comunicación de datos a través de la tecnología Bluetooth utiliza más de un canal de radio. El uso de múltiples canales de radio hace que la comunicación Bluetooth sea altamente confiable en entornos de radio ocupados donde es probable que ocurran colisiones e interferencias.

El uso de múltiples frecuencias de esta manera se denomina espectro ensanchado Se puede decir que la tecnología y Bluetooth son una tecnología de comunicación por radio de amplio espectro. Los detalles de cómo se emplean las técnicas de espectro ensanchado varían en una serie de situaciones diferentes y el tema se revisará en las secciones 5.2, 5.3 y 5.4.

Abordar los problemas de convivencia y coubicación

El uso de la misma banda de radio por diferentes tecnologías de radio simultáneamente plantea desafíos potenciales. Es posible que una tecnología interfiera con las transmisiones de otra tecnología, particularmente a través de la ocurrencia de colisiones (ver 3.1). En conjunto, estos problemas se conocen como coexistencia problemas. La tecnología Bluetooth®, Wi-Fi, teléfonos inalámbricos DECT e incluso los hornos microondas funcionan en la banda ISM de 2,4 GHz, por lo que existe la posibilidad de problemas de coexistencia entre estas tecnologías y los tipos de dispositivos.

Los problemas de coexistencia se abordan principalmente en Bluetooth mediante el uso de técnicas de espectro ensanchado. Se logra una confiabilidad aún mayor cuando dos dispositivos están conectado, a través de la forma particular en que se utilizan las técnicas de espectro ensanchado en Bluetooth en ese escenario y esto se explorará en la sección 5.2.

Ubicación es el término utilizado para describir la existencia de más de una radio dentro del mismo dispositivo, cada uno con una tecnología de comunicación o un conjunto de tecnologías diferentes. Hay espacio para interferencias entre diferentes radios en un dispositivo. Una radio de evolución a largo plazo (LTE), utilizada en sistemas de telefonía móvil 4G, puede funcionar en bandas de frecuencia adyacentes a la banda ISM de 2,4 GHz, lo que da lugar a problemas potenciales, como impedir que una radio reciba mientras # 39; otro es la transmisión. La mayoría de los problemas de colocación quedan fuera del alcance de la propia especificación de Bluetooth Core, pero se proporciona asesoramiento a los implementadores. Las medidas de mitigación incluyen el uso de filtros que reducen la interferencia entre radios y las consideraciones de programación de franjas horarias de radio que se recomienda a los implementadores.

La programación de las franjas horarias de la radio es un asunto complejo, relacionado con la determinación de cuándo la radio está o no disponible para su uso. Algunos aspectos de la planificación caen dentro del alcance de la especificación Bluetooth Core. Los problemas de ubicación con otras radios y otras consideraciones y limitaciones, como las que podría imponer un sistema operativo, no lo hacen. Una característica conocida como Máscaras de disponibilidad de ranuras (SAM) Sin embargo, está definido y esto permite que dos dispositivos Bluetooth se den información entre sí sobre qué franjas horarias están disponibles para su uso y, teniendo en cuenta esta información, la programación utilizada por cada dispositivo se puede optimizar para evitar el uso de franjas horarias. momentos en los que la colocación probablemente esté relacionada con la interferencia.

PHY con código LE

Bluetooth^® LE ofrece tres formas diferentes de utilizar la radio. Las tres alternativas son parte del nivel físico y cada una se indica con la abreviatura, PHY. Las tres PHY definidas son:

• • LE 1M – Velocidad de símbolo 1 Msym / s
  • LE 2M – Velocidad de símbolo de 2 Msym / s
  • Codificación LE: velocidad de símbolo de 1 Msym / s con corrección de errores de reenvío (FEC)

La PHY con codificación LE aumenta la sensibilidad del receptor de modo que no se encuentre una BER del 0,1% hasta que el receptor esté más lejos del transmisor de lo que estaría en el caso de LE 1M PHY. LE Coded se usa con un parámetro llamado S establecido en 2 u 8. Cuando S = 2, LE Coded duplica aproximadamente el rango sobre el cual la comunicación es confiable. Cuando S = 8, el intervalo se cuadruplica aproximadamente.

La PHY codificada en LE logra una comunicación confiable en un rango más largo sin aumentar la potencia de transmisión mediante la inclusión de datos adicionales en cada paquete, lo que permite que los errores se detecten y corrijan utilizando una técnica matemática denominada Corrección de errores de reenvío. Sin embargo, el aumento en el rango va acompañado de una reducción consecuente en la velocidad de datos, con S = 2 produciendo 500 Kb / sy S = 8 proporcionando 125 Kb / s.

El propósito principal de la PHY codificada en LE es aumentar el rango, pero lo hace reduciendo la tasa de error de bit a intensidades de señal más bajas para que la comunicación a distancias más largas sea suficientemente confiable.

Obtenga más información sobre la confiabilidad en Bluetooth^® sistemas de comunicación orientados a la conexión y sin conexión, así como cómo lograr confiabilidad en las redes de malla Bluetooth, consulte el artículo detallado de Woolley sobre Comprensión de la confiabilidad en la tecnología Bluetooth.