Tecnologia Bluetooth: o que é e como funciona?

Introdução

O Bluetooth é uma tecnologia de comunicação sem fio que permite que computadores, smartphones, tablets e afins troquem dados entre si e se conectem a mouses, teclados, fones de ouvido, impressoras e outros acessórios a partir de ondas de rádio. A ideia consiste em possibilitar que dispositivos se interligem de maneira rápida, descomplicada e sem uso de cabos, bastando que um esteja próximo do outro.

Sendo assim, que tal entender como o Bluetooth funciona, conhecer as suas principais características e saber as diferenças entre as suas versões? É o que você verá nas próximas linhas.


Definição: o que é Bluetooth?

Bluetooth é um padrão global de comunicação sem fio e de baixo consumo de energia que permite a transmissão de dados entre dispositivos, desde que um esteja próximo do outro. Uma combinação de hardware e software é utilizada para permitir que este procedimento ocorra entre os mais variados tipos de aparelhos. A transmissão de dados é feita por meio de radiofrequência, permitindo que um dispositivo detecte o outro independente de suas posições, sendo necessário apenas que ambos estejam dentro do limite de proximidade (a princípio, quanto mais perto um do outro, melhor).

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 (miliwatt), alcance de até 100 metros;
  • Classe 2: potência máxima de 2,5 mW, alcance de até 10 metros;
  • Classe 3: potência máxima de 1 mW, alcance de até 1 metro.

Este índice sugere que um aparelho com Bluetooth classe 3 somente conseguirá se comunicar com outro se a distância entre ambos for inferior a 1 metro, por exemplo. Esta distância pode até parecer inutilizável, mas é suficiente para conectar um fone de ouvido a um telefone celular guardado no bolso 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 relativamente baixa: até a versão 1.2, a taxa pode alcançar, no máximo, 1 Mb/s (megabit por segundo). 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 maiores é constante, como prova a versão 3.0, capaz de atingir taxas de até 24 Mb/s.

Você terá outros detalhes sobre as versões mais à frente.


Breve história do Bluetooth

Logotipo BluetoothA história do Bluetooth começa em meados de 1994. Na época, a companhia Ericsson passou a estudar a viabilidade de desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo, em vez dos tradicionais cabos. O estudo foi feito com base em um projeto que investigava o uso de mecanismos de comunicação em redes de telefones celulares, que resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MC-Link. Com a evolução do projeto, a Ericsson percebeu que o MC-Link poderia ser bem sucedido, já que o seu principal atrativo era a implementação relativamente fácil e barata.

Em 1997, o projeto começou a despertar o interesse de outras empresas que, logo, passaram a fornecer apoio. Por conta disso, em 1998, foi criado o consórcio Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), formado pelas companhias Ericsson, Intel, IBM, Toshiba e Nokia (dezenas de outras companhias aderiram ao consórcio com o passar do tempo). Repare que este grupo envolve duas "gigantes" das telecomunicações (Ericsson e Nokia), dois nomes de peso na fabricação de PCs (IBM e Toshiba) e a líder no desenvolvimento de chips e processadores (Intel). Esta diversidade foi importante para permitir o desenvolvimento de padrões que garantissem o uso e a interoperabilidade da tecnologia nos mais variados dispositivos.

A partir daí, o Bluetooth começou a virar realidade, inclusive pela adoção deste nome. A denominação Bluetooth é uma homenagem a um rei dinamarquês chamado Harald Blåtand, mais conhecido como Harald Bluetooth (Haroldo Dente-Azul). Um de seus grandes feitos foi a unificação da Dinamarca e da Noruega, e é em alusão a este fato que o nome Bluetooth foi escolhido, como que para dizer que a tecnologia proporciona a unificação de variados dispositivos. Não por acaso, o logotipo da tecnologia Bluetooth consiste na junção de dois símbolos nórdicos que correspondem às iniciais do monarca.


Funcionamento do Bluetooth

Frequência e comunicação

O Bluetooth é uma tecnologia criada para funcionar no mundo todo, razão pela qual se fez necessária a adoção de uma frequência de rádio aberta e aceita em praticamente qualquer lugar do planeta. A faixa ISM (Industrial, Scientific, Medical), que opera à frequência de 2,45 GHz, é a que me mais se aproxima desta necessidade, sendo utilizada em vários países, com variações que vão de 2,4 GHz a 2,5 GHz.

Como a faixa ISM é aberta, isto é, pode ser utilizada por qualquer sistema de comunicação, é necessário garantir que o sinal do Bluetooth não sofra interferência, assimo como não a gere. O esquema de comunicação FH-CDMA (Frequency Hopping - Code-Division Multiple Access), utilizado pelo Bluetooth, permite tal proteção, já que faz com que a frequência seja dividida em vários canais. O dispositivo que estabelece a conexão muda de um canal para outro de maneira bastante rápida. Este procedimento é chamado "salto de frequência" (frequency hopping) e permite que a largura de banda da frequência seja muito pequena, diminuindo sensivelmente as chances de interferência. No Bluetooth, pode-se utilizar até 79 frequências (ou 23, dependendo do país) dentro da faixa ISM, cada uma "espaçada" da outra por intervalos de 1 MHz.

Teclado Logitech para tablets: comunicação via Bluetooth
Teclado Logitech para tablets: comunicação via Bluetooth

Como um dispositivo se comunicando via Bluetooth pode tanto receber quanto transmitir dados (modo full-duplex), a transmissão é alternada entre slots para transmitir e slots para receber, um esquema denominado FH/TDD (Frequency Hopping / Time Division Duplex). Estes slots são canais divididos em períodos de 625 µs (microssegundos). Cada salto de frequência deve ser ocupado por um slot, fazendo com que se tenha, em 1 segundo, 1.600 saltos.

No que se refere ao enlace, isto é, à ligação entre o emissor e receptor, o Bluetooth faz uso, basicamente, de dois padrões: SCO (Synchronous Connection-Oriented) e ACL (Asynchronous Connection-Less).

O primeiro estabelece um link sincronizado entre o dispositivo emissor e o dispositivo receptor, separando slots para cada um. Assim, o SCO acaba sendo utilizado principalmente em aplicações de envio contínuo de dados, como transmissão de voz. Por funcionar desta forma, o SCO não permite a retransmissão de pacotes de dados perdidos. Quando ocorre perda em uma transmissão de áudio, por exemplo, o dispositivo receptor acaba reproduzindo som com ruído.

O padrão ACL, por sua vez, estabelece um link entre o dispositivo que inicia e gerencia a comunicação e os demais que estão em sua rede. Este link é assíncrono, já que utiliza slots previamente livres. Ao contrário do SCO, o ACL permite o reenvio de pacotes de dados perdidos, garantindo a integridade das informações trocadas entre os dispositivos. Assim, este padrão acaba sendo útil para aplicações que envolvam transferência de arquivos, por exemplo.

Redes Bluetooth

Quando dois ou mais dispositivos se comunicam por meio de uma conexão Bluetooth, eles formam uma rede denominada piconet. Nesta comunicação, o dispositivo que iniciou a conexão assume o papel de master (mestre), enquanto que os demais dispositivos se tornam slave (escravos). Cabe ao master a tarefa de regular a transmissão de dados na rede e o sincronismo entre os dispositivos.

Cada piconet pode suportar até 8 dispositivos (um master e 7 slaves), no entanto, é possível elevar este número a partir da sobreposição de piconets. Em poucas palavras, este procedimento consiste em fazer com que uma piconet se comunique com outra que esteja dentro do limite de alcance, esquema este denominado scatternet. Note que um dispositivo slave pode fazer parte de mais de uma piconet ao mesmo tempo, no entanto, um master pode ocupar esta posição somente em uma única piconet.

Ilustração de piconet e scatternet
Ilustração de piconet e scatternet

Para que cada dispositivo saiba quais outros fazem parte de sua piconet, é necessário fazer uso de um método de identificação. Para tanto, um dispositivo que deseja se conectar a uma piconet já existente pode emitir um sinal denominado Inquiry. Os dispositivos que recebem o sinal respondem com um pacote FHS (Frequency Hopping Synchronization), informando a sua identificação e os dados de sincronização da piconet. Com base nestas informações, o dispositivo pode então emitir um sinal chamado Page para estabelecer uma conexão com outro dispositivo.

Como o Bluetooth é uma tecnologia que também oferece economia de energia como vantagem, um terceiro sinal denominado Scan é utilizado para fazer com que os dispositivos que estiverem ociosos entrem em stand-by, isto é, operem em um "modo de descanso", poupando eletricidade. Todavia, dispositivos neste estado são obrigados a "acordar" periodicamente para checar se há outros aparelhos tentando estabelecer conexão.

Protocolos de transporte, middleware e de aplicação

Assim como em qualquer tecnologia de comunicação, o Bluetooth precisa de uma série de protocolos para funcionar, cada um atendendo a um fim específico. Os mais importante são chamados de protocolos núcleo ou protocolos de transporte e são divididos, basicamente, nas seguintes camadas:

- RF (Radio Frequency): como o nome indica, camada que lida com os aspectos relacionados ao uso de radiofrequência;

- Baseband: camada que determina como os dispositivos localizam e se comunicam com outros aparelhos via Bluetooth. É aqui, por exemplo, que se define como dispositivos master e slave se conectam dentro de uma piconet, sendo também onde os padrões SCO e ACL (mencionados anteriormente) atuam;

- LMP (Link Manager Protocol): esta camada responde por aspectos da comunicação em si, lidando com parâmetros de autenticação, taxas de transferência de dados, criptografia, níveis de potência, entre outros;

- HCI (Host Controller Interface): esta camada disponibiliza uma interface de comunicação com hardware Bluetooth, proporcionando interoperabilidade entre dispositivos distintos;

- L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol): esta camada serve de ligação com camadas superiores e inferiores, lida com parâmetros de QoS (Quality of Service - Qualidade de Serviço), entre outros.

Podemos encontrar ainda os chamados protocolos middleware, que possibilitam compatibilidade com aplicações já existentes por meio do uso de protocolos e padrões de outras entidades, entre eles, o IP (Internet Procotol), o WAP (Wireless Application Procotol), o PPP (Point-to-Point Protocol) e o OBEX (Object Exchange).

Há também um grupo chamado protocolos de aplicação que faz referência ao uso do Bluetooth em si pelos dispositivos. Para fins de compatibilidade e interoperabilidade, estes protocolos são divididos em perfis. Cada perfil Bluetooth especifica como um equipamento deve implementar a tecnologia.

Há, por exemplo, um perfil para fones de ouvido sem fio, outro para distribuição de áudio, outro para sincronização de dispositivos e assim por diante.


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 passar do tempo. Não é por menos: necessidades sempre aparecem. A seguir, as versões do Bluetooth disponíveis até o fechamento deste texto no InfoWester.

Bluetooth 1.0

A versão 1.0 (e a versão 1.0B) representa as primeiras especificações do Bluetooth. Justamente por isso, os fabricantes encontravam problemas que dificultavam a sua implementação e a interoperabilidade entre dispositivos via Bluetooth - nesta época, a tecnologia ainda estava "crua", por assim dizer. A velocidade padrão do Bluetooth 1.0 é de 721 Kb/s.

Bluetooth 1.1

Lançada em fevereiro de 2001, a versão 1.1 marca o estabelecimento do Bluetooth como o padrão IEEE 802.15. Nela, muitos problemas encontrados na versão 1.0B foram solucionados e o suporte ao RSSI (Received Signal Strength Indication), sistema que mede a potência de recepção de sinal, foi implementado. A velocidade padrão foi mantida em 721 Kb/s.

Bluetooth 1.2

Lançada em novembro de 2003, a versão 1.2 do Bluetooth tem como principais novidades conexões mais rápidas, melhor proteção contra interferências, suporte aperfeiçoado a scatternets e processamento de voz mais avançado. Nesta versão, também não houve alteração no limite de transferência de dados.

Bluetooth 2.0 + EDR

O bluetooth 2.0 surgiu oficialmente em novembro de 2004 e trouxe importantes aperfeiçoamentos à tecnologia: diminuição do consumo de energia, aumento na velocidade de transmissão de dados para até 3 Mb/s (2.1 Mb/s efetivos), correção das falhas existentes na versão 1.2 e melhor comunicação entre os dispositivos.

A velocidade maior desta versão, na verdade, é "opcional". Isso porque o Bluetooth 2.0 passou a contar com o padrão EDR (Enhanced Data Rate), que consegue praticamente triplicar a taxa de transferência de dados da tecnologia. Um dispositivo Bluetooth 2.0 não necessita obrigatoriamente do EDR para funcionar. Neste caso, todas as características desta versão estão presentes, mas a sua velocidade se mantém em até 721 Kb/s.

Bluetooth 2.1 + EDR

Lançada em agosto de 2007, a versão 2.1 do Bluetooth possui como principais destaques o acréscimo de mais informações nos sinais Inquiry (permitindo um processo de seleção apurado dos dispositivos antes de estabelecer uma conexão), melhorias nos procedimentos de segurança (inclusive nos recursos de criptografia) e melhor gerenciamento do consumo de energia. A sua velocidade é a mesma do Bluetooth 2.1, havendo inclusive compatibilidade com EDR.

Bluetooth 3.0 + HS

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 taxas tão elevadas está na incorporação de transmissões 802.11 (saiba mais sobre o assunto neste texto sobre Wi-Fi). Outra vantagem é o controle mais inteligente do gasto de energia exigido para as conexões. Apesar da expressiva evolução, o Bluetooth 3.0 é compatível com as versões anteriores da tecnologia.

As velocidades mais altas do Bluetooth 3.0 só podem ser alcançadas em dispositivos compatíveis com as instruções HS (High Speed), característica equivalente à relação entre o Bluetooth 2.0 (ou 2.1) e o EDR.

O relógio Sony SmartWatch se comunica com smartphones Android via Bluetooth 3.0
O relógio Sony SmartWatch se comunica com smartphones Android via Bluetooth 3.0

Bluetooth 4.0

As especificações desta versão foram anunciadas em dezembro de 2009 e o seu principal diferencial está no aspecto da economia de energia: este padrão é capaz de exigir muito menos eletricidade quando o dispositivo está ocioso, característica especialmente interessante, por exemplo, para telefones celulares que consomem muita energia quando o Bluetooth não está sendo utilizado, mas permanece ativo. A ideia aqui, na verdade, é fazer com que a tecnologia possa ser incorporada em dispositivos bastante portáteis e que, portanto, realmente lidam com pouca energia.

Apesar do foco em dispositivos do tipo, o Bluetooth 4.0 pode trabalhar com aparelhos mais exigentes, já que também engloba características do Bluetooth 3.0.

* * *

É importante frisar que o fato de haver várias versões não significa que um dispositivo com uma especificação mais recente não funcione com outro com uma versão anterior, embora possam haver exceções. Todavia, 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.


Finalizando

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.

Caso queira obter mais detalhes sobre a tecnologia Bluetooth, consulte os sites que serviram de referência para este texto:

Escrito por - Publicado em 30_01_2008 - Atualizado em 09_03_2013

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