Análisis Matemático de una red inalámbrica (Bluetooth).

Gerardo Alexis Escorza Ibarra

Tabla de contenido

Introducción..........................................................................................................................2

Objetivos del Bluetooth.........................................................................................................3

Bluetooth...............................................................................................................................3

Historia..............................................................................................................................3

Arquitectura......................................................................................................................4

Funcionamiento.....................................................................................................................4

Especificaciones.................................................................................................................5

Nivel RF..............................................................................................................................7

Características del transmisor...........................................................................................8

Características de modulación...........................................................................................9

Introducción.

Las redes WPAN (Wireless Personal Area Networks) son redes de área personal

inalámbricas de corto o muy corto alcance (desde unos pocos centímetros hasta unos 10 metros)

concebidas para intercambiar información entre los dispositivos existentes al alcance de una

persona.

Las redes WPAN pueden utilizarse tanto para sustituir los cables entre

equiposyperiféricosporconexionesdecortoalcancetemporalesopermanentes, como para posibilitar

la computación ubicua (pervasive computing) o el despliegue de redes ad hoc.

Concretamente, se definieron tres clases de WPAN, diferenciadas por la tasa de

transferencia, el consumo de batería y la calidad de servicio (QoS, Quality of Service): (a) WPAN

802.15.3 (High Rate WPAN) [IEEE 802 03a] adecuadas para aplicaciones multimedia con requisitos

de QoS muy restrictivos, (b) WPAN 802.15.1 (Medium Rate WPAN) [IEEE 802 02] orientadas a la

gestión de una amplia variedad de tareas desde teléfonos móviles o dispositivos de tipo PDA

(Personal Digital Assistant) y con provisión de calidad de servicio para aplicaciones de voz, y (c)

WPAN 802.15.4 (Low Rate WPAN) [IEEE 802 03b, IEEE 802 06] concebidas para aplicaciones

médicas e industriales de muy bajo consumo, sin requisitos estrictos de tasa de transferencia y de

QoS.

En la actualidad, la tecnología más utilizada en las WPAN es Bluetooth. La característica

clave que ha propiciado la viabilidad de las WPAN basadas en tecnologías Bluetooth ha sido el bajo

coste de los módulos Bluetooth, integrado y a en una alta variedad de dispositivos comerciales.

Objetivos del Bluetooth.

Permitir la comunicación sencilla entre dispositivos fijos y móviles.

Evitar la dependencia de cables que permitan la comunicación.

Permitir la creación de pequeñas redes de forma inalámbrica.

Proveer un camino fácil para el intercambio de información.

Bluetooth.

Historia.

El grupo Bluetooth SIG (Special Interest Group), fundado en el año 1998 por cinco

compañías, desarrolló la especificación de la tecnología Bluetooth, cuya versión 1.0, que se publicó

en el año 1999, fue actualizada a la versión 1.1 en el año 2001. Esta versión, en el año 2002, fue

parcialmente adoptada por el IEEE (Institute of Electronic and Electrical Engineering) bajo el

estándar IEEE 802.15.12002.

Desde un punto de vista de tecnología de transmisión, Bluetooth está basado en la

tecnología clásica del escenario inalámbrico conocida como spread spectrum (espectro esparcido),

en concreto en frequency hopping (salto de frecuencia): estos sistemas de frequency hopping

dividen la banda de frecuencia en varios canales de salto (hopping); en el transcurso de la

conexión se produce una transición brusca (salto o hopping) de un canal a otro de forma seudo

aleatoria. Desde un punto de vista de arquitectura, Bluetooth se basa en el concepto de picored,

un concepto genérico en las redes de área personal que se refiere a la capacidad de varios equipos

para configurarse como una red; de una forma más estricta, la picored se puede definir como la

red de corto alcance formada por dos o más unidades o equipos que comparten un canal, es decir,

que funcionan de forma síncrona y siguiendo a la misma frecuencia de hopping.

Arquitectura.

El estándar IEEE 802.15.1 presenta una WPAN que utiliza tecnología inalámbrica

Bluetooth. En este trabajo el término Bluetooth WPAN o simplemente el término IEEE 802.15.1

WPAN se refiere a una WPAN que utiliza tecnología Bluetooth inalámbrica.

Funcionamiento.

El sistema Bluetooth proporciona conexiones punto a punto (entre dos unidades

Bluetooth) o punto-multipunto. Cuando dos o más unidades comparten el mismo canal se

constituye una piconet, en la que un dispositivo actúa como maestro y los restantes como

esclavos.

En una piconet puede haber hasta siete esclavos activos. No obstante, el llamado modo

PARK permite que haya muchos más esclavos participando en la piconet que, aunque no están

activos, sí están sincronizados con la misma.

Bluetooth está integrado en un pequeño transmisor de radiofrecuencia que permite

conectar entre sí todo tipo de dispositivos electrónicos (teléfonos, ordenadores, impresoras, faxes,

etc.) situados dentro de un radio limitado de 10 metros (ampliable a 100, aunque con mayor

distorsión).

El transmisor está integrado en un pequeño microchip de 9x9 milímetros y opera en una

frecuencia de banda global (2,4 GHz, utilizada en muchos países para usos médicos y científicos)

que asegura la compatibilidad universal. Los dispositivos que incorporan Bluetooth se reconocen y

se hablan de la misma forma que lo hace una computadora con su impresora. El canal permanece

abierto y no requiere la intervención directa y constante del usuario cada vez que se quiere enviar

algo.

El transmisor permite enviar voz y datos a una velocidad máxima de 700 Kbps. y consume

un 97% menos que un teléfono móvil. Además, es inteligente: cuando el tráfico de datos

disminuye el transmisor adopta el modo bajo de consumo de energía.

Las diferentes partes del sistema Bluetooth son:

Una unidad de radio.

Una unidad de control del enlace.

Gestión del enlace.

Funciones software.

Especificaciones.

La especificación de Bluetooth define un canal de comunicación de máximo 720Kbps con

rango óptimo de 10m (opcionalmente 100m).

La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2.4 a 2.48Ghz con amplio

espectro y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en full dúplex con un máximo de 1600

saltos/seg.

Los saltos de frecuencia se dan entre un total de 79 frecuencias con intervalos de 1Mhz;

esto permite brindar seguridad y robustez. La potencia de salida para transmitir a una distancia

máxima de 10m es de 0dBm (1 mW), mientras que la versión de largo alcance transmite entre -30

y 20dBM (100 mW).

Bluetooth se denomina al protocolo de comunicaciones diseñado especialmente para

dispositivos de bajo consumo, con una cobertura baja, y basados en chips de bajo costo.

Gracias a este protocolo, los dispositivos que lo implementan pueden comunicarse entre

ellos cuando se encuentran dentro de su alcance. Las comunicaciones se realizan por

radiofrecuencia de forma que los dispositivos no tienen por qué estar alineados, pueden incluso

estar en habitaciones separadas si la potencia de transmisión lo permite.

La clasificación de los dispositivos Bluetooth como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3" es

únicamente una referencia de la potencia de trasmisión del dispositivo, siendo totalmente

compatibles los dispositivos de una clase con los de la otra.

Nivel RF.

Opera en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) a 2,4 GHz, concretamente en la

banda 2,4000–2,4835 GHz para la que se definen 79 canales espaciados 1 MHz a las frecuencias f =

2402 + k MHz con k = 0,...,78 y en la banda 2,4465–2,4835 GHz en la que se sitúan 23 canales RF

en las frecuencias f = 2454+kMHz con k = 0,...,22.

Mediante la utilización de una banda u otra, la especificación Bluetooth1.1 contempló el

hecho de que la banda de operación elegida, ISM a 2,4 GHz, delibre uso a nivel mundial,

inicialmente no dispusiera en todos los países del mismo rango de frecuencias.

Transmisión a 1 Mbit/s.

Empleo de modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), para minimizar la

complejidad del transceptor.

Cambio de la frecuencia de operación a una velocidad de 1600 saltos/s (frequency

hopping).

Consumo de potencia que, dependiendo de la clase del dispositivo Bluetooth.

Características del transmisor.

Los requerimientos en esta cláusula especifican los niveles de energía en el conector de la

antena del equipo. Si el equipo no tiene un conector, se asume una antena de referencia con una

ganancia de 0 dB.

Debido a que es complicado obtener una medida precisa en las mediciones en medidas de

radiación, se prefiere que los sistemas con una antena integrada tengan un conector temporal de

antena durante las pruebas.

Los equipos se dividen en tres clases de grupos dependiendo su nivel de potencia.

Se requiere de control de energía para equipos que se encuentran en la clase 1. El control

de energía se utiliza para limitar la transmisión de energía sobre los 0 dBm. Los controles de

energía bajo los 0 dBm son opcionales y se pueden utilizar para optimizar el consumo de energía y

reducir el total de interferencia. Los niveles de energía deben formar una secuencia monótona con

un nivel máximo de 8 dB y un mínimo de 2 dB. Los equipos que pertenecen a la clase 1que

transmiten un máximo de energía de +20 dB deben de ser capaces de mantener la energía de

transmisión por debajo de los 4 dBm.

Equipos con capacidades de control de energía optimizan la salida de energía en un link

con comandos LMP. Esto se hace al medir el RSSI (receiver signal strength indication) y reportar si

se debe incrementar o disminuir el nivel de energía.

Características de modulación.

La modulación es del tipo GFSK (Gaussian frequency shift keying) con un tiempo de ancho

de banda (BT) = 0.5. El índice de modulación debe ser de entre 0.28 y 0.35. Un 1 binario se

representa con una desviación positiva de frecuencia, y un 0 binario se representa con una

desviación negativa de frecuencia. La sincronización de símbolo deber mejor que ±20 ppm.

Para cada canal de transmisión, la desviación mínima de frecuencia (Fmin = la menor de

⎨Fmin+,Fmin-⎬) que corresponde a la secuencia 1010 debe de ser menor a ±80% de la desviación

de frecuencia (fd) que corresponde a la secuencia 00001111.

Adicionalmente, la desviación mínima nunca debe de ser menor a 115 kHz. La transmisión

de datos tiene una tasa de 1 Msímbolos/s.

El error de cruce por cero es la diferencia de tiempo entre el periodo ideal del símbolo y el

tiempo de cruce real. Este debe de ser menor a ± 0.125 del periodo de un símbolo. La desviación

máxima de frecuencia debe de ser entre 140 kHz y 175 kHz.