Tecnologia Bluetooth
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Escola Técnica Estadual Aderico Alves de Vasconcelos
Curso Técnico em Redes de Computadores
Ellyn Heber Galdino da Rocha
Fagner Silva de Lima
Magdala Cristina Buarque Dumonte
Tecnologia Bluetooth
Goiana
Maio/2012
Ellyn Heber Galdino da Rocha
Fagner Silva de Lima
Magdala Cristina Buarque Dumonte
Tecnologia Bluetooth
Trabalho apresentado ao Curso Técnico
em Redes de Computadores, da Escola
Técnica Estadual Aderico Alves de
Vasconcelos, como requisito final para
obtenção da nota da disciplina Projeto
Integrador. Orientador: Prof. Rosberg
Rodrigues.
Goiana
Maio/2012
Resumo Este trabalho tem por objetivo expor de uma forma clara e objetiva a
tecnologia Bluetooth. Desde sua história, curiosidades, características e
funcionalidades, das mais técnicas as mais perceptíveis aos usuários comuns.
O assunto Bluetooth é extremamente extenso, e através deste documento
será exposto praticamente um “resumo” do que está por trás desta tecnologia. Algo
que está presente para praticamente todas as pessoas que possuem um simples
telefone celular hoje em dia, carrega uma infinidade de particularidades que o fazem
uma das grandes criações do mundo da tecnologia para uso pessoal.
O Bluetooth mesmo sendo tão “complicado” através de suas características
mais técnicas, é utilizado com muita praticidade no cotidiano de vários usuários ao
longo do dia, com transferências de arquivos como músicas, fotos, vídeos, entre
dispositivos móveis.
O trabalho procura abordar o tema de uma forma clara e sucessiva, tornando
as ligações de cada tópico pontuais. Portanto, boa leitura e compreensão do
assunto.
Abstract This paper aims to explain in a clear and objective Bluetooth technology. From
its history, trivia, features and functionality, the more technical the most perceptible to
ordinary users.
The Bluetooth issue is extremely extensive, and through this document will be
displayed practically a "resume" of what is behind this technology. Something that is
present for almost all people who have a simple cell phone today, carries a plethora
of special features that make it one of the great creations of the world of technology
for personal use.
Bluetooth is the same as "complicated" by its more technical features, is used
in a very convenient in the daily number of users throughout the day, with transfers of
files like music, photos, videos, and mobile devices.
The work seeks to address the issue in a clear and successive connections
making off of each topic. So, good reading and understanding of the subject.
Sumário Introdução ................................................................................................................... 6
Bluetooth ..................................................................................................................... 7
O que é Bluetooth? ........................................................................................... 7
Surgimento do Bluetooth .................................................................................. 7
O símbolo Bluetooth ......................................................................................... 8
Bluetooth Special Interest Group ...................................................................... 8
Utilização .......................................................................................................... 9
Versões do Bluetooth...................................................................................... 10
Perfis Bluetooth .............................................................................................. 11
Aplicações Bluetooth ...................................................................................... 12
Bluetooth x Infravermelho ............................................................................... 13
Características principais ................................................................................ 14
Requerimentos do Sistema ............................................................................. 14
Sistemas Operacionais ................................................................................... 15
Vantagens e Desvantagens ............................................................................ 15
Topologias de Redes ...................................................................................... 16
Restrições de uma Scatternet ......................................................................... 16
Conexões síncronas e assíncronas ................................................................ 17
Arquitetura ...................................................................................................... 17
A Pilha de Protocolos Bluetooth ..................................................................... 19
Hardware Bluetooth ........................................................................................ 22
Estabelecendo uma conexão de rede............................................................. 24
Configurando conexões .................................................................................. 26
Pareando ........................................................................................................ 27
Pacote de Dados ............................................................................................ 27
Bluetooth Security ........................................................................................... 28
Correção de Erros........................................................................................... 28
Bluetooth vs. Wi-Fi .......................................................................................... 30
Considerações Finais ................................................................................................ 31
Referências Bibliográficas ......................................................................................... 32
Lista de Ilustrações
1: Símbolo Bluetooth ...................................................................................................8
2: Topologia de Redes Bluetooth ..............................................................................16
3: Multiplexação no tempo .........................................................................................17
4: Pilha de Protocolos Bluetooth ...............................................................................19
5: Visão de alto nível da Arquitetura de Pilha de Protocolos Bluetooth ....................20
6: Relação entre o Modelo OSI da ISSO, o IEEE 802 e o Bluetooth ........................22
7: Diagramas de blocos de hardware e software de especificação Bluetooth ..........23
8: Abordagem multi-chip de dispositivos Bluetooth ...................................................23
9: Abordagem de único chip ......................................................................................24
10: FEC 1/3 ...............................................................................................................29
11: LFSR gerador de FEC 2/3 ...................................................................................30
6
Introdução Os dispositivos comunicam-se uns com os outros através uma variedade de
fios, cabos, sinais de rádio e feixes de luz infravermelha, além de uma variedade
ainda maior de conectores, plugues e protocolos.
A prática de conectar coisas está se tornando cada vez mais complexa.
Transferências de fotos, vídeos, arquivos de textos e outras informações trafegam
incessantemente todos os dias utilizando diversos tipos de redes e protocolos de
conexão.
Dentre diversos meios de transferência e comunicação, está o Bluetooth.
Quem nunca utilizou o recurso de enviar aquela foto curiosa, aquela música do
momento ou aquele vídeo engraçado para o amigo através desta tecnologia?
O Bluetooth é uma tecnologia que a cada dia que passa se torna cada vez
mais rotineira na vida de muitas pessoas. Até mesmo aquelas que não são
antenadas com a tecnologia chegam a utilizar o Bluetooth para transferência de
algum arquivo por celulares, por exemplo.
Algo tão “simples” no mundo hoje em dia traz consigo uma infinidade de
histórias, características e particularidades. Este é o Bluetooth.
7
Bluetooth
O que é Bluetooth? O Bluetooth é uma tecnologia que permite uma comunicação simples, rápida,
segura e barata entre computadores, smartphones, telefones celulares, mouses,
teclados, fones de ouvido, impressoras e outros dispositivos, utilizando ondas de
rádio no lugar de cabos. Assim, é possível fazer com que dois ou mais dispositivos
comecem a trocar informações com uma simples aproximação entre eles.
Bluetooth é uma especificação industrial para áreas de redes pessoais sem
fio (Wireless Personal Area Networks – PANs). Suas especificações foram
desenvolvidas e licenciadas pelo "Bluetooth Special Interest Group".
Surgimento do Bluetooth Em 1994, a Ericsson (empresa de tecnologia, fabricante de equipamentos de
telefonia fixa e móvel, hoje Sony-Ericsson Corporation) começou a analisar uma
interface de rádio, que tivesse baixo consumo e baixo custo. O objetivo era
desenvolver uma tecnologia para interligar telefones móveis e os seus acessórios
sem a utilização de fios.
Em 1998, depois de a Ericsson ter chegado à conclusão de que o potencial
para dispositivos que usem ligações de rádio de curto alcance era praticamente
ilimitado, grandes empresas como IBM, Nokia, Toshiba e Intel uniram-se e formaram
o chamado “Bluetooth Special Interest Group” (Bluetooth SIG) com o objetivo de
conduzir e desenvolver a tecnologia sem fios.
O consórcio Bluetooth cresceu incrivelmente em poucos anos e já conta com
a participação de mais de 2000 empresas, dentre elas HP, 3Com, Philips, Motorola,
Samsung, Siemens, Dell, Sony, entre outras. Isso permitiu uma ampla divulgação da
tecnologia em todo o mundo.
O nome Bluetooth foi escolhido em homenagem ao rei da Dinamarca, Harald
Blatand, que era conhecido como Harald Bluetooth. Esse apelido lhe foi dado por ele
possuir uma coloração azulada em seus dentes. O apelido foi usado para esta
tecnologia pelo fato de Harald Bluetooth ter ficado conhecido como unificador da
Dinamarca. Logo o significado de Bluetooth é unificação.
8
O símbolo Bluetooth O símbolo Bluetooth é uma junção das duas ruínas que representavam as
iniciais do rei Harald. Acontece que o primeiro receptor Bluetooth tinha o formato
parecido com o de um dente e, sim, era azul. Mas as brincadeiras simbológicas não
param por aí.
O Bluetooth Special Interest Group lembra que Harald "foi instrumental para a
união de diferentes facções guerreiras em partes do que hoje são a Noruega, Suécia
e Dinamarca – do mesmo modo que a tecnologia Bluetooth é projetada para permitir
colaboração entre diferentes indústrias, como a de computação, telefonia celular e
automotiva".
O famoso logotipo do Bluetooth é uma junção das runas nórdicas (Hagall) e
(Berkanan), que correspondem às letras HB – alusão direta ao nome Harald
Blatand.
Figura 1: Símbolo Bluetooth
Bluetooth Special Interest Group Em 1998, Ericsson, IBM, Toshiba, Nokia e Intel formaram um consórcio e
adotaram o codinome Bluetooth para o seu propósito de especificação aberta. Em
dezembro de 1999, 3Com, Lucent Technologies, Microsoft e Motorola se juntaram
aos fundadores iniciais como os divulgadores do Bluetooth Special Interest
Group (SIG). Desde então, Lucent Technologies transferiu seus direitos no consórcio
para a Agere Systems, e a 3Com saiu do consórcio. Agere Systems mais tarde se
juntou com a LSI Corporation e deixou o grupo de divulgadores do Bluetooth em
agosto de 2007.
O Bluetooth Special Interest Group é uma associação de negócio privada com
quartel-general em Belluevue, Washington. Até setembro de 2007 o SIG era
composto de mais de 9000 companhias membros que são líderes em
telecomunicações, computação, música, automação industrial e indústrias de rede,
com um pequeno grupo de empregados dedicados em Hong Kong,
9
Suécia e Estados Unidos. Os membros do SIG desenvolvem a tecnologia Bluetooth
sem fios, implementam e vendem a tecnologia em seus produtos, variando de
telefones celulares a impressoras. O próprio SIG não cria, produz ou vende produtos
ativados com a tecnologia Bluetooth.
Utilização Bluetooth é um protocolo padrão de comunicação, inicialmente projetado para
baixo consumo de energia e baixo alcance (dependendo da potência: 1 metro, 10
metros, 100 metros), baseado em microchips transmissores de baixo custo em cada
dispositivo.
Ele possibilita a comunicação desses dispositivos uns com os outros quando
estão dentro do raio de alcance. Os dispositivos usam um sistema de comunicação
via rádio, por isso não necessitam estar na linha de visão um do outro, e podem
estar até em outros ambientes, contanto que a transmissão recebida seja
suficientemente potente.
Para que seja possível atender aos mais variados tipos de dispositivos, o
alcance máximo do Bluetooth foi dividido em três classes:
Classe 1: potência máxima de 100 mW, e alcance de até 100 metros;
Classe 2: potência máxima de 2,5 mW, e alcance de até 10 metros;
Classe 3: potência máxima de 1 mW, e alcance de até 1 metro.
Isso significa que um aparelho com Bluetooth classe 3 só conseguirá se
comunicar com outro se a distância entre ambos for inferior a 1 metro, por exemplo.
Neste caso, a distância pode parecer inútil, mas é suficiente para conectar um fone
de ouvido a um telefone celular pendurado na cintura de uma pessoa. É importante
frisar, no entanto, que dispositivos de classes diferentes podem se comunicar sem
qualquer problema, bastando respeitar o limite daquele que possui um alcance
menor.
A velocidade de transmissão de dados no Bluetooth é baixa: até a versão 1.2,
a taxa pode alcançar, no máximo, 1 Mb/s. Na versão 2.0, esse valor passou para até
3 Mb/s. Embora essas taxas sejam curtas, são suficientes para uma conexão
satisfatória entre a maioria dos dispositivos. Todavia, a busca por velocidades
10
maiores é constante. Como exemplo podemos citar sua versão 3.0, que pode atingir
velocidades de até 24 Mb/s.
Versões do Bluetooth O Bluetooth é uma tecnologia em constante evolução, o que faz com que
suas especificações mudem e novas versões surjam com o tempo. Até o momento
as versões disponíveis são:
Bluetooth 1.0: a versão 1.0 (e a versão 1.0B) representa as primeiras
especificações do Bluetooth. Por ser a primeira, os fabricantes encontravam
problemas que dificultavam a implementação e a interoperabilidade entre
dispositivos com Bluetooth;
Bluetooth 1.1: lançada em fevereiro de 2001, a versão 1.1 representa o
estabelecimento do Bluetooth como um padrão IEEE 802.15. Nela, muitos
problemas encontrados na versão 1.0B foram solucionados e o suporte ao
sistema RSSI foi implementado;
Bluetooth 1.2: lançada em novembro de 2003, a versão 1.2 tem como
principais novidades conexões mais rápidas, melhor proteção contra
interferências, suporte aperfeiçoado a scatternets e processamento de voz
mais avançado;
Bluetooth 2.0: lançada em novembro de 2004, a versão 2.0 trouxe
importantes aperfeiçoamentos ao Bluetooth: diminuição do consumo de
energia, aumento na velocidade de transmissão de dados para 3 Mb/s (2.1
Mb/s efetivos), correção às falhas existentes na versão 1.2 e melhor
comunicação entre os dispositivos;
Bluetooth 2.1: lançada em agosto de 2007, a versão 2.1 tem como principais
destaques o acréscimo de mais informações nos sinais Inquiry (permitindo
uma seleção melhorada dos dispositivos antes de estabelecer uma conexão),
melhorias nos procedimentos de segurança (inclusive nos recursos de
criptografia) e melhor gerenciamento do consumo de energia;
Bluetooth 3.0: versão lançada em abril de 2009, tem como principal atrativo
taxas altas de velocidade de transferência de dados. Dispositivos compatíveis
podem atingir a marca de 24 Mb/s de transferência. O "truque" para atingir
taxas tão elevadas está na incorporação de transmissões 802.11. Outra
11
vantagem é o controle mais inteligente do gasto de energia exigido para as
conexões;
Bluetooth 4.0: as especificações desta versão foram anunciadas em meados
de dezembro de 2009 e o seu principal diferencial não é velocidade, mas sim
economia de energia. Esse novo padrão é capaz de exigir muito menos
eletricidade quando o dispositivo está ocioso, recurso especialmente
interessante, por exemplo, para telefones celulares que consomem muita
energia quando o Bluetooth permanece ativado, mas não em uso. A
velocidade padrão de transferência de dados do Bluetooth 4.0 é de 1 Mb/s.
O fato de haver várias versões não significa que um dispositivo com uma
versão atual não funcione com outro com uma versão inferior, embora possa haver
exceções. Entretanto, se um dispositivo 2.0 for conectado a outro de versão 1.2, por
exemplo, a velocidade da transmissão de dados será limitada à taxa suportada por
este último.
Perfis Bluetooth Para utilização da tecnologia Bluetooth, o dispositivo deve ser compatível com
certos perfis Bluetooth. Esses perfis determinam as possíveis aplicações e usos da
tecnologia.
Um Perfil Bluetooth é uma especificação de interface para comunicações
entre dispositivos baseadas em Bluetooth. Para que seja utilizada a tecnologia
Bluetooth, um dispositivo deve ser compatível com a subnet de perfis Bluetooth
necessários para acessar os serviços desejados.
A maneira pela qual um dispositivo usa o Bluetooth vai depender das
capacidades de seus perfis. Os perfis provêm padrões que os fabricantes devem
seguir para permitir dispositivos a usarem o Bluetooth de uma maneira compatível.
Para realizar essa tarefa, cada perfil usa opções particulares e parâmetros em cada
nível do protocolo.
Abaixo, a listagem dos perfis definidos e adotados pela Bluetooth SIG:
Perfis de Controle de Mídia GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile - Perfil geral de distribuição de áudio/vídeo);
A2DP (Advanced Audio Distribution Profile - Perfil avançado de distribuição de áudio);
12
AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile - Perfil de controle remoto de áudio/vídeo);
VDP (Video Distribution Profile - Perfil de distribuição de vídeo);
BIP (Basic Imaging Profile - Perfil de imagem básico);
BPP (Basic Printing Profile - Perfil de impressão básico).
Perfis de Controle de Sistemas de Comunicações
CIP (Common ISDN Access Profile - Perfil de acesso ISDN comum);
DID (Device ID Profile - Perfil de identificação do dispositivo);
CTP (Cordless Telephony Profile - Perfil de telefonia sem fio);
DUN (Dial-up Networking Profile - Perfil de rede discada);
FAX (Fax Profile - Perfil de fax);
HFP (Hands-Free Profile - Perfil de viva-voz);
HSP (Headset Profile - Perfil de fone de ouvido);
ICP (Intercom Profile - Perfil de intercomunicação);
LAP (LAN Access Profile – Perfil de acesso LAN);
PAN (Personal Area Networking Profile - Perfil de rede de área pessoal).
Outros Perfis
GAP (Generic Access Profile - Perfil de acesso genérico);
GOEP (Generic Object Exchange Profile - Perfil genérico de troca de objetos);
FTP (File Transfer Profile - Perfil de transferência de arquivos);
HCRP (Hard Copy Cable Replacement Profile - Perfil de substituição física de cabos);
OPP (Object Push Profile - Perfil de envio de objeto);
HID (Human Interface Device Profile - Perfil de dispositivo de interface humana);
PBAP (Phone Book Access Profile - Perfil de acesso a catálogos telefônicos);
SPP (Serial Port Profile - Perfil de porta serial);
SDAP (Service Discovery Profile - Perfil de detecção de serviço);
SAP, SIM (SIM Access Profile - Perfil de acesso SIM);
SYNCH (Synchronization Profile - Perfil de sincronização);
WAPB (Wireless Application Protocol Bearer - Suporte de protocolo de aplicativos sem fio).
Aplicações Bluetooth As aplicações mais comuns do Bluetooth incluem:
Controle sem fio e comunicação entre celulares e fones de ouvido sem fio ou
sistemas viva voz para carros. Essa foi uma das mais antigas aplicações da
tecnologia a se tornar popular.
13
Comunicação sem fio entre PCs em um espaço pequeno, onde a banda
necessária é pequena.
Comunicação sem fio entre PCs e dispositivos de entrada e saída,
como mouse, teclados e impressoras.
Comunicação sem fio entre telefones celulares e estações de telefonia fixa,
para funcionar como um telefone sem fio dentro da área de cobertura e
economizar em tarifas de serviço telefônico.
Transferência de arquivos entre dispositivos usando OBEX.
Transferência de contatos, anotações e eventos de calendário e lembretes
entre dispositivos com OBEX.
Substituição de dispositivos seriais tradicionais com fio em equipamentos de
teste, receptores GPS, equipamentos médicos, leitores de código de barras e
dispositivos de controle de tráfego.
Para controles onde o infravermelho era tradicionalmente utilizado.
Enviar pequenas propagandas para dispositivos ativados por Bluetooth.
Consoles de videogames da nova geração (Wii e PlayStation 3) usam
Bluetooth para seus respectivos controles sem fio.
Acesso dial-up à internet em um computador pessoal ou PDA usando um
celular compatível com dados como modem.
Receber conteúdo comercial (Spam) via um quiosque, como em um cinema
ou lobby.
Bluetooth x Infravermelho A grande sacada do Bluetooth é o fato de ser sem fio, de baixo custo e
automático. Há outras maneiras de contornar o uso de fios, incluindo a comunicação
infravermelha. Infravermelho (IrDA) se refere a ondas de luz de uma frequência mais
baixa do que os olhos humanos podem receber e interpretar. O infravermelho é
usado na maioria dos sistemas de controle remoto de televisão.
As comunicações infravermelhas são bastante confiáveis e não encarecem
muito os dispositivos, mas apresentam alguns inconvenientes. Primeiro, o
infravermelho é uma tecnologia de "linha de visada". Por exemplo, você precisa
apontar o controle remoto para a televisão ou DVD player para que as coisas
aconteçam. O segundo inconveniente é que o infravermelho é quase sempre uma
14
tecnologia "um para um". Você pode enviar dados entre seu computador de mesa e
seu computador laptop, mas não entre seu laptop e seu celular ao mesmo tempo.
Essas duas qualidades do infravermelho são realmente vantajosas em alguns
aspectos. Como os transmissores e os receptores de infravermelho precisam ficar
alinhados um com o outro, é raro ocorrer interferência entre os dispositivos. A
natureza "um para um" das comunicações com infravermelho é útil para assegurar
que a mensagem chegue somente ao destinatário pretendido, mesmo em uma sala
repleta de receptores de infravermelho.
Características principais De forma resumida, aqui apresentadas as principais características da
tecnologia Bluetooth:
Frequências de 2400 a 2483,5 GHz - ISM (Industrial, Scientific and Medical);
79 Canais;
Antena Omnidirecional;
Taxas de dados de 1 Mbit/s e taxas de transferência de até 723 Kbps, e até
2,1 Mbps para o Bluetooth EDR (Enhanced Data Rate);
Alcance de até 100 metros;
Técnica de modulação: GFSK (Graussian Frequency Shift Keying) e PSK
(Phase Shift Keying) com 8 níveis;
TDMA – TDD – Frequency hopping (Salto de Frequência);
Espalhamento Espectral;
Frequency-Hopping - Salto de frequência a cada 625 microssegundos;
Canal de voz e dados;
Criptografia de 128 bit;
Baixos consumo e custo;
Potência de transmissão de 1 a 100 mW, para Classe 1; 0,25 a 2,5 mW para
a Classe 2 (típica) e menor ou igual a 1 mW para a Classe 3.
Requerimentos do Sistema Um computador pessoal deve ter um adaptador Bluetooth instalado para
poder se comunicar com outros dispositivos Bluetooth. Enquanto alguns
computadores desktop já contêm um adaptador instalado internamente, a maioria
15
requer um “dongle” Bluetooth (conhecido como "Chaveiro Bluetooth"). Vários
computadores portáteis vêm de fábrica com um chip interno instalado.
Ao contrário do seu antecessor, infravermelho (IrDA), que requer um
adaptador separado para cada dispositivo, Bluetooth permite a comunicação com
vários dispositivos ao mesmo tempo com um computador apenas com um único
adaptador.
Sistemas Operacionais Os SOs da Apple suportam a tecnologia Bluetooth em sua plataforma desde
o Mac OS X versão 10.2 (Jaguar), lançada em 2002.
O Linux tem suporte nativo a Bluetooth desde a versão 2.4.6. O NetBSD tem
suporte desde a versão 4.0, tendo sido seu código de suporte ao protocolo portado
para o FreeBSD e o OpenBSD.
Nas plataformas Microsoft, o Windows XP Service Pack 2 e versões
posteriores possuem suporte para Bluetooth. Versões anteriores necessitam que o
usuário instale seus próprios drivers Bluetooth, que não são diretamente suportados
pela Microsoft. O Windows Vista também inclui um suporte para Bluetooth que é
uma expansão do módulo encontrado no Windows XP. Esse módulo suporta mais
perfis Bluetooth, assim como drivers de terceiros que permitem que terceiros
adicionem suporte para novos serviços e perfis.
A Microsoft não lançou nenhum módulo Bluetooth para versões antigas do
Windows, como o Windows 2000 ou Windows Me.
Vantagens e Desvantagens Como vantagens do uso desta tecnologia, podemos citar:
Com Bluetooth não é necessário usar conexões por cabo;
Baixo custo para redes de curto alcance;
Grande quantidade de dispositivos com chips Bluetooth;
O Bluetooth suporta comunicação tanto por voz quanto por dados, sendo útil
nas mais diversas aplicações;
A tecnologia pode ser facilmente integrada aos protocolos de comunicação,
como o TCP/IP, por exemplo.
16
Como todas as tecnologias existentes, o Bluetooth também traz inúmeras
desvantagens, dentre elas, podemos citar:
O número máximo de dispositivos que podem se conectar ao mesmo tempo é
limitado, principalmente se compararmos com a rede cabeada;
O alcance é bastante curto, por isso uma rede pode ser apenas local;
A taxa de transferência de dados inviabiliza muitas das aplicações multimídia
atuais.
Topologias de Redes O sistema Bluetooth provê conexões ponto-a-ponto (apenas dois dispositivos
Bluetooth envolvidos), ou conexões ponto-multiponto. Nas conexões ponto-
multiponto, o canal é compartilhado entre alguns dispositivos Bluetooth, formando
uma “piconet”. Em uma piconet, um dos dispositivos Bluetooth funciona como
master (mestre), enquanto os demais funcionam como slaves (escravos). Um
dispositivo mestre Bluetooth pode se comunicar com até mais sete dispositivos,
fazendo com que a piconet tenha até oito dispositivos.
O master controla o acesso dos dispositivos slaves, determina o clock
responsável pela sincronização, dentre outras funções. Múltiplas piconets com áreas
sobrepostas formam uma “scatternets”.
Figura 2: Topologia de Redes Bluetooth
Na primeira topologia temos uma piconet com apenas um escravo. Já na
segunda, uma piconet com múltiplos escravos. E por fim, uma possível configuração
de scatternets.
Restrições de uma Scatternet É condição necessária em um sistema Bluetooth, que cada piconet tenha
apenas um master, porém, escravos podem participar de diferentes piconets
17
(inclusive o master de uma piconet, pode ser slave de outra piconet). O
compartilhamento do canal é possível graças à multiplexação no tempo.
Figura 3: Multiplexação no Tempo
O canal é dividido em slots de tempo. Cada slot tem a duração de 625µs. No
slot f(k) o máster transmite seus pacotes. Em f(k+1), o slave transmite seus pacotes
e assim sucessivamente. Para um piconet com vários slaves, o mesmo raciocínio é
aplicado.
Conexões síncronas e assíncronas Em um sistema Bluetooth, deve ser possível estabelecer links físicos
síncronos e assíncronos.
O link físico síncrono é um link simétrico, ponto-a-ponto entre o dispositivo
master e um slave específico. É ideal para dados contínuos, como por exemplo, a
voz, pois slots são pré-reservados para cada dispositivo Bluetooth envolvido. O link
síncrono é considerado conexão de chaveamento por circuito.
Já link assíncrono, provê uma conexão assimétrica, ponto-multiponto e tira
proveito dos slots não usados pelas conexões síncronas para transmissão dos
dados. É considerada uma conexão de chaveamento por pacotes.
Arquitetura A arquitetura Bluetooth consiste basicamente de dois componentes: um
transceiver (hardware) e uma pilha de protocolos (software). Esta arquitetura oferece
serviços e funcionalidades básicas que tornam possível a conexão de dispositivos e
a troca de uma variedade de tipos de dados entre estes dispositivos.
18
A frequência utilizada por dispositivos Bluetooth opera em uma faixa de rádio
não licenciada ISM (industrial, scientific, medical) entre 2.4 GHz e 2.485 GHz. O
sistema emprega um mecanismo denominado frequency hopping, que “salta”
constantemente de frequência para combater interferência e enfraquecimento do
sinal. A cada segundo são realizados 1600 saltos de frequência. A taxa de
transmissão pode alcançar 1 Megabit por segundo (Mbps) ou, com o mecanismo
Enhanced Data Rate (Taxa de Dados Aprimorada), recentemente introduzido na
última especificação Bluetooth, a 2 ou 3 Mbps.
Durante uma operação típica, um canal físico de rádio é compartilhado por um
grupo de dispositivos que estão sincronizados a um “clock” comum e a um padrão
de saltos de frequência. Um dispositivo que provê a sincronização de referência é
chamado de mestre. Todos os outros dispositivos são conhecidos como escravos.
Um grupo de dispositivos sincronizados desta maneira forma uma piconet. Esta é a
maneira fundamental de comunicação através de Bluetooth.
Dispositivos em uma mesma piconet utilizam um padrão de saltos de
frequência que é algoritmicamente determinado por atributos na especificação
Bluetooth e pelo clock do dispositivo mestre. Este salto de frequência se baseia em
um algoritmo pseudorrandômico ordenando 79 frequências, em intervalos de 1 MHz,
dentro da faixa ISM. O padrão de salto de frequência pode ser adaptado para excluir
a porção de frequências que está sendo utilizada e interferindo os dispositivos. Este
mecanismo de frequency hopping auxilia na coexistência de dispositivos Bluetooth
com outros (non-hopping) sistemas ISM que se encontram na mesma localização.
O canal físico é sub-dividido em unidades de tempos denominados slots.
Dados são transmitidos entre dispositivos Bluetooth em pacotes que são
posicionados nestes slots. Quando as circunstâncias permitem, é possível alocar um
número consecutivo de slots em um único pacote. O mecanismo de frequency
hopping entra em cena tanto na emissão quanto na recepção de pacotes. A
especificação Bluetooth provê o efeito de transmissões full-duplex através do uso de
esquemas de divisão de tempo (time division duplex). Dentro de um canal físico, um
link físico é formado entre quaisquer dois dispositivos, e transmitem pacotes em
ambas as direções. Em um canal físico de uma piconet há restrições sobre qual
dispositivo pode formar um link físico. Existe um link físico entre cada escravo e o
mestre. Em uma piconet, não há formação de links físicos diretamente entre
escravos.
19
A Pilha de Protocolos Bluetooth Para abordar o sistema Bluetooth em mais detalhes, nada melhor do que
entender como o sistema foi especificado. O sistema Bluetooth foi especificado por
meio de uma pilha de protocolos:
Figura 4: Pilha de Protocolos Bluetooth
Esta pilha de protocolos carrega consigo toda a funcionalidade esperada de
um sistema Bluetooth: transmissão via ondas de rádio, estabelecimento de links
síncronos e assíncronos, suporte a criptografia, etc.
A especificação Bluetooth divide a pilha de protocolos em três grupos lógicos:
grupos de protocolos de transporte, grupo de protocolos de middleware e o grupo de
aplicação.
O grupo de protocolos de transporte permite dispositivos Bluetooth localizar
outros dispositivos e gerenciar links físicos e lógicos para as camadas
superiores. Neste contexto, protocolos de transporte não se equivalem aos
protocolos da camada de transporte do modelo OSI (utilizado na
especificação de protocolos de rede). Ao invés disso, estes protocolos
correspondem às camadas físicas e de enlace do modelo OSI. As camadas
de rádio frequência (RF), Baseband, Link Manager, Logical Link Control and
Adaptation (L2CAP) estão incluídas no grupo de protocolos de transporte.
Estes protocolos suportam tanto comunicação síncrona quanto assíncrona e
todos estes são indispensáveis para a comunicação entre dispositivos
Bluetooth.
20
O grupo de protocolos de middleware inclui protocolos de terceiros e padrões
industriais. Estes protocolos permitem que aplicações já existentes e novas
aplicações operem sobre links Bluetooth. Protocolos de padrões industriais
incluem Point-to-Point Protocol (PPP), Internet Protocol (IP), Trasmission
Control Protocol (TCP), Wireless Application Protocol (WAP), etc. Outros
protocolos desenvolvidos pelo próprio SIG também foram incluídos como o
RFComm, que permite aplicações legadas operarem sobre os protocolos de
transporte Bluetooth, o protocolo de sinalização e controle de telefonia
baseada em pacotes (TCS), para o gerenciamento de operações de telefonia
e o Service Discover Protocol (SDP) que permite dispositivos obterem
informações sobre serviços disponíveis de outros dispositivos.
O grupo de aplicação consiste das próprias aplicações que utilizam links
Bluetooth. Estas podem incluir aplicações legadas ou aplicações orientadas a
Bluetooth.
Figura 5: Visão de alto nível da arquitetura da Pilha de Protocolos Bluetooth
As responsabilidades das camadas nesta pilha são as seguintes:
A camada radio é a parte física da conexão sem fio. Para evitar
transferências com outros dispositivos que se comunicam na banda ISM, a
modulação baseia-se em frequency hopping. Bluetooth divide a frequência de
2,4GHz em 79 canais 1MHz distantes (de 2,402 para 2,480 GHz) e usa
esse spread spectrum (espectro espelhado) para pular de um canal para
outro em até 1600 vezes por segundo. O tamanho de onda padrão é
21
de 10cm a 10m e pode ser estendido a 100m aumentando seu poder de
transmissão.
A camada de baseband é responsável por controlar e enviar os pacotes de
dados sobre o link de rádio. Fornece canais de transmissão de dados e voz
simultaneamente. Esta camada suporta dois tipos de link: Synchronous
Connection - Oriented (SCO) e Asynchronous Connectionless (ACL). Links
SCO são caracterizados pela periódica atribuição de um slot de tempo a um
dispositivo e é utilizado basicamente na transmissão de voz, que requer
transmissões de dados rápidas e consistentes. Um dispositivo que
estabeleceu um link SCO possui, em essência, determinados slots de tempo
reservados para seu uso. Seus pacotes são tratados como prioritários e serão
processados antes de pacotes ACL. Já um dispositivo que opera sobre um
link ACL pode enviar pacotes de tamanho variável de 1, 3 ou 5 slots de
tempo. Entretanto, este tipo de link não possui reserva de slots de tempo para
seus pacotes.
O Link Manager Protocol (LMP) utiliza os laços criados pela baseband para
estabelecer conexões e gerenciar piconets. Responsabilidades do LMP
também são incluir a autenticação e serviços de segurança e controle de
qualidade do serviço.
O Host Controller Interface (HCI) é a linha divisória entre software e
hardware. O L2CAP e as camadas acima dele são atualmente implementadas
em software, e os LMP e camadas inferiores estão em hardware. O HCI é
controlador de interface para o meio físico que liga estes dois componentes.
O HCI não pode ser exigido. O L2CAP pode ser acessado diretamente
através da aplicação, ou através de certos protocolos providos para aliviar a
carga de trabalho dos programadores aplicação.
O Logical Link Control e Adaptation Protocol (L2CAP) recebe os dados da
aplicação e adapta para o formato Bluetooth. Qualidade de Serviço (QoS) e
parâmetros são trocados, nesta camada.
22
Figura 6: Relação entre o Modelo OSI da ISO, o IEEE 802 e o Bluetooth
Hardware Bluetooth Todos os dispositivos que implementam a especificação Bluetooth devem
possuir minimamente seis componentes de hardware. São eles:
Host Controller: responsável pelo processamento de código de alto nível,
tanto de aplicações quanto de algumas camadas inferiores da pilha de
protocolos Bluetooth – controle de link lógico, L2CAP, RFComm e outras
funcionalidades;
Link Control Processor: um microprocessador responsável pelo
processamento das camadas mais baixas da pilha de protocolos como Link
Manager e Link Controller. Em algumas aplicações embarcadas, pode estar
combinado com o Host Controller em um único chip;
Baseband Controller: bloco lógico responsável pelo controle do transceiver
de rádio freqüência (RF);
Transceiver RF: contém o sintetizador de rádio freqüência, filtros
Gaussianos, recuperação de clock e detector de dados;
23
RF Front-End: contém o filtro de banda passante da antena, amplificador de
ruídos e amplificador de energia. É responsável pela troca de estados –
emissor x receptor.
Antena: pode ser interna ou externa e pode estar integrada em componentes
de terceiros.
Figura 7: Diagramas de Blocos de Hardware
e Software de especificação Bluetooth
A maioria dos desenvolvedores de dispositivos Bluetooth tem adotado uma
abordagem de projeto de multi-chip, utilizando componentes CMOS para o núcleo
de gerenciamento de banda e microprocessadores para processamento de rádio
frequência (processamento de sinais). Enquanto esta abordagem ajuda a simplificar
o design do chip, algumas desvantagens como o alto número de componentes,
espaço de placa inadequado e outras questões de integração podem aumentar os
custos de implementação de forma significativa. A implementação típica de um
sistema de rádio Bluetooth envolve um número de componentes consideravelmente
caros, como dispositivos de rádio frequência e filtros de interferência.
Figura 8: Abordagem multi-chip de dispositivos Bluetooth
24
Alguns desenvolvedores de dispositivos Bluetooth, entretanto, têm adotado uma
abordagem diferente da anterior: implementar toda a especificação em um único
chip. Nesta abordagem, todos os componentes – microprocessador, baseband e
rádio, são implementados inteiramente em um único componente CMOS. A principal
vantagem desta abordagem é a redução de custos na fabricação dos chips.
Figura 9: Abordagem de um único chip
Estabelecendo uma conexão de rede Quando um dispositivo não esta conectado em uma piconet, ele esta em
modo de espera (stand by mode). Neste modo o dispositivo escuta mensagens a
cada 1,28 segundos sob 32 hop frequencies. Quando um dispositivo deseja
estabelecer uma conexão com outro ele envia 16 páginas de mensagens idênticas
sob 16 hop frequencies. Se o slave não responder, o master retransmite as páginas
de mensagem sob outros 16 hop frenquencies. Se o master não sabe o endereço do
escravo ele deverá preceder a página de mensagem com uma inquiry message, o
que exige uma resposta extra da unidade escravo. Quando o escravo responde a
página de mensagem o master pode começar a transmitir voz e dados.
Para compreender como dispositivos que possuam Bluetooth habilitado
estabelecem conexões de rede, vamos supor que alguém deseja acessar seus
emails a partir de seu dispositivo Bluetooth, ou seja, entrando no correio eletrônico
da mesma forma que ela entraria em um hotel ou em um shopping. Ao clicar no
ícone de email da aplicação, os seguintes procedimentos são realizados
automaticamente:
Scan: É usado para economia de energia. Quando dispositivos estiverem
ociosos, eles entram em modo stand by, e passam a verificar a cada 10ms se
existe algum dispositivo tentando estabelecer uma conexão.
25
Inquire: Em um novo ambiente, o dispositivo automaticamente inicia uma
procura para encontrar um ponto de acesso. Todos os pontos de acesso por
perto respondem com seus respectivos endereços, assim o dispositivo poderá
escolher um.
Page: Paginação é o processo onde o dispositivo se sincroniza com o ponto
de acesso.
Establish a link: O Link Manager Protocol estabelece uma conexão com o
ponto de acesso.
Discover services: O LMP utiliza o Service Discovery Protocol (SDP) para
saber quais serviços estão disponíveis a partir do ponto de acesso. Aqui, nós
assumimos que o serviço que está disponível é o email.
Create an L2CAP Channel: O LMP usa informações obtidas pelo Serviço
Discovery Protocol (SDP) para criar um canal L2CAP para o ponto de acesso.
O pedido pode utilizar este canal diretamente ou usar um protocolo como
RFCOMM (Radio Frequency Communications Protocol) que podem ser
publicados durante L2CAP. RFCOMM emula uma linha periódica.
Create an RFCOMM channel: Dependendo das necessidades da aplicação,
um canal RFCOMM (ou outro canal) é criado durante o canal L2CAP. Criando
um canal RFCOMM com uma aplicação existente permite que as portas
seriais trabalhem com Bluetooth, assim, sem qualquer modificação.
Authenticate: Esta é a única etapa que requer interação com o usuário. Se o
ponto de acesso requer uma autenticação irá enviar um pedido e o usuário
será solicitado a digitar uma senha para acessar o serviço. Por motivos de
segurança, o PIN em si não é enviado através da conexão sem fio, mas sim
uma chave gerada a partir dele.
Log in: Se os dispositivos estiverem conectados ponto-a-ponto (PPP) sobre
RFCOMM, uma porta serial é emulada, e Sally poderá efetuar seu login na
sua conta de email.
Send and receive data: O cliente email e o ponto de acesso agora podem
usar a rede padrão como protocolos TCP / IP para enviar e receber dados.
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Configurando conexões Qualquer dispositivo Bluetooth irá transmitir os seguintes pacotes de
informações por demanda:
Nome do dispositivo
Classe do dispositivo
Lista de serviços disponíveis
Informações técnicas, como por exemplo, características, fabricante,
especificação Bluetooth e configuração de clock.
Qualquer dispositivo pode realizar uma varredura para encontrar outros
dispositivos disponíveis para conexão, e qualquer dispositivo pode ser configurado
para responder ou não a essas requisições. Porém, se o dispositivo que estiver
tentando conectar souber o endereço do outro dispositivo, o mesmo vai sempre
responder a requisições de conexões diretas e transmitir as informações da lista se
requisitado. O uso dos dispositivos, porém, requer pareamento (conhecido também
como "emparelhamento") ou aceitação do proprietário, porém a conexão por si ficará
ativa e aguardando autorização até que seja finalizada ou até que saia do alcance.
Alguns dispositivos podem se conectar apenas com um dispositivo por vez, e a
conexão a esses dispositivos impede que eles possam receber requisições de
outros ou que fiquem visíveis para outros aparelhos que estiverem realizando
varredura.
Cada dispositivo é dotado de um número único de 48 bits que serve de
identificação, no formato 00:00:00:00:00:00. Esse número é denominado "Endereço
de Bluetooth" (Bluetooth Address) e são únicos e exclusivos para cada dispositivo
fabricado, assim como o Endereço MAC das placas de rede. Os endereços
geralmente não são mostrados, e no seu lugar aparecerá o nome corriqueiro
(legível) do dispositivo, que pode ser configurado pelo proprietário. Esse nome
aparecerá na lista de dispositivos disponíveis de qualquer aparelho que efetuar uma
varredura.
Vários telefones têm o nome Bluetooth configurado de fábrica para o modelo
do aparelho. Como o nome é mostrado na lista de resultados quando é efetuada a
varredura, pode ser confuso, por exemplo, se houver vários celulares no alcance
nomeados V3.
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Pareando Parear dispositivos é o ato de estabelecer uma comunicação segura
"aprendendo" (por entrada do usuário) uma senha secreta. (passkey). O dispositivo
que deseja se comunicar com outro dispositivo deve informar uma senha que
também deve ser digitada no outro dispositivo. Assim, depois de emparelhar, os
dispositivos lembram os nomes amigáveis dos outros e conectam-se de forma
transparente todas as vezes, assim como reconhecemos nossos amigos. Como o
endereço Bluetooth é permanente, o pareamento é preservado, mesmo se o nome
de algum dos dispositivos for trocado. Pareamentos podem ser apagados (e assim
ter as autorizações de conexão removidas) a qualquer momento. Muitos dispositivos
exigem pareamento antes de permitir o uso dos seus serviços, com exceção de
telefones Sony Ericsson, que geralmente permitem cartões de visita OBEX ou notas
sem nenhum aviso, e muitas impressoras que permitem que qualquer aparelho use
seus serviços.
Pacote de Dados A seguir, a estrutura geral de um pacote de dados do Bluetooth:
Código de
Acesso ao
Canal
Cabeçalho do
Pacote
Cabeçalho do
Payload Payload CRC
Código de Acesso ao Canal: é o código de acesso do canal físico;
Cabeçalho do Pacote: inclui o identificador do transporte lógico e do
protocolo de controle do enlace;
Cabeçalho do Payload: identificador do enlace lógico;
Payload: Dados de usuário, L2CAP mensagens ou frames, mensagens de
gerenciamento;
CRC: Código de erro.
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O cabeçalho do pacote ainda é subdividido em:
Endereço Tipo de
Pacote
Controle de
Fluxo
Confirmação de
Bit
Controle de
Sequência
Checagem
de Erro
3 bits 4 bits 1 bit 1 bit 1 bit 8 bits
Bluetooth Security A segurança é fornecida em três maneiras: pseudo-random frequency
hopping, authentication e encryption. Frequency hops torna difícil para qualquer um
eavesdrop. A autenticação permite a um usuário limitar a conectividade com
dispositivos especificados. Encryption utiliza chaves secretas para tornar inteligíveis
os dados apenas aos dispositivos autorizados.
Todos os dispositivos Bluetooth devem implementar o Generic Access Profile,
que contém todos os protocolos e possíveis dispositivos Bluetooth. Este perfil define
um modelo de segurança que inclui três modos de segurança:
Mode 1 é um modo de funcionamento sem segurança. Nenhum procedimento
de segurança é iniciado.
Mode 2 é conhecido como serviço de nível de segurança aplicada. Quando
dispositivos operam nesta modalidade, nenhum procedimento de segurança é
iniciado antes do canal ser estabelecido. Este modo permite aplicações para
ter diferentes tipos de políticas de acesso e executá-las em paralelo.
Mode 3 é conhecido como nível de conexão fortemente protegida. Neste
modo, procedimentos de segurança são iniciados antes que a configuração
do link esteja concluída.
Correção de Erros Existem três esquemas de correção de erros definidas para o Bluetooth:
1/3 rate FEC
2/3 rate FEC
ARQ
A técnica denominada FEC (Forward Error Correction), permite, através da
inserção de redundância de bits, corrigir erros de transmissão. O propósito do FEC
no payload é reduzir o número de retransmissões. Naturalmente em um ambiente
29
com poucas interferências, o FEC introduz um overhead desnecessário, e diminui
significativamente o throughput. Para tanto foram criados diferentes tipos de
pacotes, contendo ou não FEC no payload, resultando assim em pacotes DM (Data
Medium rate), com FEC 2/3 e DH (Data High rate), sem nenhum FEC, para
os links ACL. Para os links SCO foi criado os pacotes HV (High-quality Voice) que
trabalha com FEC de 1/3, ao contrário dos demais, que usam FEC 2/3.
O cabeçalho do pacote, por conter dados vitais a comunicação, sempre é
protegido com um FEC de 1/3 e pode sustentar muitos erros de bit.
O ARQ (Automatic Repeat Request) visa retransmitir pacotes de dados que
sabidamente chegaram com erros ao receptor.
FEC CODE: RATE 1/3
Uma simples repetição tripla é usada no código FEC do cabeçalho. A
repetição de três bits é usada no cabeçalho inteiro e também nos pacotes HV.
Figura 10: FEC 1/3
FEC CODE: RATE 2/3
O outro esquema FEC utilizado é código Hamming simplificado (15,10),
composto pelo polinômio gerador g(D) = (D + 1)(D4 + D + 1).
Inicialmente todos os elementos são setados para 0 (zero). Os 10 primeiros
bits de informação são sequencialmente inseridos, com as chaves S1 e S2 na
posição 1. Então, depois de terminada a palavra, as chaves S1 e S2 são colocadas
na posição 2, e os cinco bits de paridade são deslocados para fora. Os bits de
paridade são agregados aos bits de informação, formando palavras de 15 bits.
Este código corrige todos os erros de 1 bit, e detecta todos os erros de 2 bits
em cada palavra de código.
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Figura 11: LFSR Gerador de FEC 2/3
ARQ
Com o método ARQ (Automatic Repeat request), os pacotes DM, DH e
campo de dados dos pacotes DV (Data - Voice packet; nesse pacote o payload é
dividido em um campo de voz de 80 bits e um campo de dados de 150bits) são
retransmitidos até que um ACK (acknowledgement) seja retransmitido pelo destino,
ou que ocorra um timeout. O ACK é incluído no cabeçalho do pacote de retorno,
também chamado de piggy-backing.
Para determinar se o payload está correto ou não, usa-se um método de CRC
(Cyclic Redundancy Check).
O ARQ somente é aplicado ao payload do pacote de pacotes de dados, não
sendo aplicado ao cabeçalho dos pacotes, ou a pacotes de voz.
Bluetooth vs. Wi-Fi Bluetooth e Wi-Fi têm aplicações ligeiramente diferentes nos escritórios e
casas de hoje, e durante movimento: configurando redes, imprimindo, ou até
transferindo apresentações e arquivos de PDAs para computadores. Ambas são
versões da tecnologia não licenciada Spread Spectrum (Tradução livre como
"Espectro espalhado").
Bluetooth difere do Wi-Fi porque a última oferece alta potência de transmissão
e cobre grandes distâncias, porém requer hardware mais caro e robusto com alto
consumo de energia. Elas usam a mesma frequência de transmissão, porém
empregam esquemas de multiplexagem diferentes.
Enquanto o Bluetooth é um substituto para o cabo em uma variedade de
aplicações, o Wi-Fi é um substituto do cabo apenas para acesso à rede local.
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Considerações Finais A tecnologia sem fio Bluetooth aborda vários pontos chaves que facilitam sua
vasta adoção: é uma especificação aberta e que está publicamente disponível; sua
tecnologia sem fio de curto alcance permite dispositivos periféricos se comuniquem
através de uma interface simples, os ares, ao contrário das tecnologias de cabos,
que utilizam conectores de uma grande variedade de formas, tamanhos e números
de pinos; a especificação Bluetooth suporta transferências tanto de voz quanto de
dados, tornando-se uma tecnologia ideal na comunicação de dispositivos
heterogêneos; e o Bluetooth utiliza uma faixa de frequências não regulamentada e
vastamente disponível em qualquer lugar do mundo.
Com a popularização das redes Wi-Fi, o mercado ficou com dúvidas em
relação ao futuro do Bluetooth, mas o aumento expressivo de aparelhos compatíveis
com a tecnologia fez com que todos os temores se dissolvessem. E faz sentido: o
objetivo do Bluetooth é permitir a intercomunicação de dispositivos próximos
utilizando o menor consumo de energia possível (mesmo porque muitos desses
dispositivos são alimentados por baterias) e um custo de implementação baixo. O
Wi-Fi, por sua vez, se mostra mais como um concorrente das tradicionais redes de
computadores com fio (padrão Ethernet, em sua maioria).
No início de 2008, o Bluetooth SIG comemorou os 10 anos da chegada do
Bluetooth ao mercado. E não será surpresa se o aniversário de 20 anos for
comemorado: em 1998, o grupo contava apenas com cinco empresas integrantes.
Hoje, esse número passa de dez mil, o que significa que um futuro ainda mais
promissor pode estar reservado à tecnologia.
32
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