Bluetooth Low Energy (BLE) - Introducción a la tecnología

Miércoles, 5 Septiembre, 2018

El Bluetooth de baja energía (Bluetooth Low Energy o BLE), es un subconjunto del estándar Bluetooth v4.0. Dispone de una pila de protocolos en referencia a la capa OSI completamente nueva y orientada a conexiones sencillas en aplicaciones de muy baja potencia (dispositivos dependientes de batería o pila).

Dentro de las oportunidades que ofrece esta tecnología, una de sus mayores ventajas reside en el hecho de la aceptación obtenida  por parte de las grandes plataformas a día de hoy como IOs, Android, Microsoft o Linux entre otras y su compatibilidad con éstas. Cabe destacar del mismo modo alguna otra de sus características fundamentales, como su interoperabilidad en el mundo de los fabricantes de chipsets, tamaño reducido, requerimientos de potencia muy bajos y un aceptable rango de alcance en las comunicaciones.

A continuación se recogen alguna de las aplicaciones para las cuales fue concebida esta tecnología y en las cuales las empresas comienzan a apostar por su puesta en marcha:

  • Seguridad y sensores de proximidad
  • Dispositivos para el hogar
  • Dispositivos para salud y bienestar
  • Sector automovilístico
  • Contadores Inteligentes en el sector energético

UN VISTAZO TÉCNICO

La pila de protocolos para Bluetooth Low Energy sigue la estructura definida en la Figura 1.

Figura 1. Pila de protocolos para BLE.

La capa física contiene la circuitería de comunicaciones capaz de realizar los procesos de modulación y demodulación de señales analógicas y posteriormente transformarlas en símbolos digitales. La tecnología BLE es capaz de utilizar hasta 40 canales de 2MHz en la banda ISM de 2.4 GHz. El estándar emplea la técnica “frequency hopping” o “saltos en frecuencia”, siguiendo una secuencia de saltos pseudo-aleatrorios entre los canales frecuenciales mencionados que ofrece un alto grado de robustez frente a interferencias.

La capa de enlace (link layer), se encarga de gestionar características como los requerimientos temporales del estándar, chequeo de mensajes y reenvío de mensajes erróneos recibidos, gestión, filtrado de direcciones etc. Además ofrece la definición de roles (Advertiser, Scanner, Master and Slave) que permiten identificar de forma lógica el rol de cada dispositivo en el proceso de comunicación. El nivel LL es del mismo modo responsable de procesos de control como el cambio de parámetros de la conexión o la encriptación.

HCI es un protocolo estándar que permite que la comunicación entre un host y un controlador se lleve a cabo a través de un interfaz serie. A modo de ejemplo, en la mayoría de smartphones u ordenadores el host y la aplicación corren en la CPU principal mientras que el controlador está situado en hardware específico y separado, conectado mediante UART o USB. El estándar Bluetooth define HCI como el conjunto de comandos y eventos para la interacción de ambas partes (host y controlador).

La capa L2CAP (Logic Link Control and Adaptation Protocol), se responsabiliza de dos tareas fundamentales en un proceso de comunicación. En primer lugar, el proceso de multiplexación, es decir, la capacidad de dar formato a mensajes provenientes de las capas OSI superiores y encapsularlos en paquetes estándar BLE así como el proceso inverso.

Por otro lado, la fragmentación y recombinación. Paquetes que en nivel de aplicación suponen datagramas de gran cantidad de bytes son fragmentados correctamente adecuándose al MTU de BLE (27 bytes de payload máximo).

Para BLE, la capa L2CAP es la encargada de dar acceso y soporte a los dos protocolos fundamentales. Por un lado, ATT (Attribute Protocol), un protocolo basado en atributos presentados por dispositivo, con arquitectura cliente-servidor, que permite el intercambio de información. Por otro lado, SMP (Security Manager Protocol), protocolo que proporciona un framework para generar y distribuir claves de seguridad entre dos dispositivos.

En el nivel más alto de la capa de protocolos, encontraremos de forma paralela las capas GAP y GATT. Esta primera, GAP (Generic Acces Profile), permite que un dispositivo sea visible hacia el resto de dispositivos y además determina como puede interactuar un dispositivo entre otro. Establece distintas normas y conceptos para estandarizar las operaciones de más bajo nivel como:

  • Roles de interacción
  • Modos de operación y transición entre ellos
  • Procedimientos para establecimiento de comunicación
  • Modos de seguridad y procedimientos

Al otro lado, GATT (Generic Attribute Profile), que define como dos dispositivos BLE transfieren información. Este proceso tiene lugar cuando dos dispositivos han superado la fase de establecimiento de comunicación (controlada por GAP) y comienza la transferencia de información pudiendo ser de forma bidireccional.

 

Miguel Sousa
División de Sistemas Inteligentes

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