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, caixas de som 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? É o que você verá nas próximas linhas. De quebra, o texto também mostrará quais as principais características das versões da tecnologia, incluindo as mais recentes: Bluetooth 4.1, Bluetooth 4.2 e Bluetooth 5.0.


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 esse 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 (via de regra, 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.

A Classe 2 é a mais usada, logo, a maioria dos dispositivos trabalha com alcance de até 10 metros. Há ainda a Classe 4, que é destinada a dispositivos que consomem muito pouca energia: sua potência é de 0,5 mW; o alcance é de meio metro, aproximadamente.

Esse 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. Essa distância pode até parecer inutilizável, mas é suficiente para conectar um fone de ouvido a um telefone celular guardado no bolso da calça. É importante frisar, no entanto, que dispositivos de classes diferentes podem se comunicar sem nenhum problema, bastando respeitar o limite daquele que possui 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 baixas, são suficientes para uma conexão satisfatória entre a maioria dos dispositivos. Todavia, a busca por velocidades maiores é constante, como prova a versão 5.0, capaz de atingir taxas de até 50 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: 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 o grupo envolvia inicialmente 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). Tamanha 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 desse 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 esse 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 dessa 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, pois faz a frequência ser dividida em vários canais.

O dispositivo que estabelece a conexão muda de um canal para outro de maneira bastante rápida. Esse 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). Esses 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 dessa 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. Esse link é assíncrono, utilizando 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, esse padrão acaba sendo útil para aplicações que envolvem 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. Nessa 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 oito dispositivos (um master e sete slaves), no entanto, é possível elevar esse número a partir da sobreposição de piconets. Esse procedimento consiste em fazer uma piconet se comunicar com outra que está dentro do limite de alcance, esquema este denominado scatternet.

Note que um dispositivo slave consegue fazer parte de mais de uma piconet ao mesmo tempo, no entanto, um master pode ocupar essa 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 nessas 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 energia elétrica. Todavia, dispositivos nesse 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): essa 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): camada que disponibiliza uma interface de comunicação com hardware Bluetooth, proporcionando interoperabilidade entre dispositivos distintos;

- L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol): essa 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, esses 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 permanente evolução, o que faz suas especificações mudarem e novas versões surgirem com o tempo. Não é por menos: necessidades sempre aparecem. A seguir, as versões do Bluetooth disponíveis até a última atualização deste texto.

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. Nessa 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 dessa 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. Nesse caso, todas as características dessa 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 dessa versão foram anunciadas em dezembro de 2009 e o seu principal diferencial está no aspecto da economia: o padrão é capaz de exigir muito menos energia quando o dispositivo está ocioso (ver mais em Bluetooth LE), característica especialmente interessante, por exemplo, para telefones celulares que consomem energia quando o Bluetooth não está sendo utilizado, mas permanece ativo. A ideia aqui, na verdade, foi fazer a tecnologia ser incorporada a 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, pois também engloba características do Bluetooth 3.0. A velocidade, inclusive, se manteve.

Bluetooth 4.1

Especificação que surgiu no final de 2013. O Bluetooth 4.1 é tido como uma revisão do Bluetooth 4.0, incorporando recursos que tornam a tecnologia ainda mais receptiva a dispositivos móveis, especialmente aqueles que se enquadram na chamada internet das coisas.

Aqui, a economia no consumo de energia ganhou mais importância. Por conta disso, o Bluetooth 4.1 traz características que o tornam menos exigente em relação ao uso de recursos, como um modo de trabalho que mantém o módulo de Bluetooth quase inativo quando o dispositivo é afastado de uma conexão, voltando ao estado normal somente quando a conexão é reestabelecida (funcionalidade já existente, mas que foi aperfeiçoada).

A velocidade máxima permanece em 24 Mb/s. Como o Bluetooth 4.1 consiste, basicamente, em melhorias feitas em protocolos e parâmetros, muitos dispositivos com Bluetooth 4.0 ganharam suporte ao Bluetooth 4.1 com uma simples atualização de software.

Bluetooth 4.2

Apresentado no final de 2014, o Bluetooth 4.2 trouxe diferenciais importantes. Entre outros protocolos, a versão tem pleno suporte ao IPv6 para tornar a tecnologia ainda mais relevante para a internet das coisas: câmeras de segurança, lâmpadas inteligentes, termostatos e outros dispositivos domésticos podem usar a tecnologia de modo otimizado para comunicação no mesmo ambiente ou para acesso à internet.

O Bluetooth 4.2 também usa criptografia do tipo FIPS (mais avançado) nas conexões e tem controle mais rigoroso da segurança, assegurando que apenas dispositivos devidamente autorizados se conectem a outros.

A velocidade de transferência de dados permanece padronizada em 24 Mb/s, mas o Bluetooth 4.2 suporta tráfego de dados maior, ou seja, os dispositivos podem enviar e receber mais dados ao mesmo tempo.


Bluetooth 5

O Bluetooth 5 foi apresentado oficialmente no final de 2016. Essa versão permite que dispositivos se comuniquem em distâncias de até 40 metros (relembrando, os padrões anteriores trabalham, em média, com até 10 metros, embora seja possível alcançar distâncias maiores neles). Além disso, aqui, a velocidade passou de 24 Mb/s para 50 Mb/s.

Bluetooth 5
Bluetooth 5

Outros recursos do Bluetooth 5 incluem o uso de técnicas que diminuem o risco de interferências em redes Wi-Fi ou LTE, suporte a mais dispositivos conectados ao mesmo tempo (novamente, para corresponder às necessidades da internet das coisas), funções para facilitar a geolocalização dos equipamentos conectados e mais controle sobre o consumo de energia.

* * *

É importante salientar que o fato de haver várias versões da tecnologia não significa que um dispositivo com uma especificação mais recente não funcionará com outro que possui uma versão mais antiga (embora possa haver exceções). Todavia, se um dispositivo com Bluetooth 5 for conectado a outro de versão 4.1, por exemplo, a velocidade da transmissão de dados será limitada à taxa suportada por este último.


Bluetooth LE — ou Bluetooth Low Energy

Junto com o Bluetooth 4.0 surgiu uma variação da tecnologia chamada Bluetooth Low Energy ou, simplesmente, Bluetooth LE (também há a sigla BLE, mas ela é menos usada). Como o nome diz, trata-se de uma especificação que faz a tecnologia consumir uma quantidade muito pequena de energia elétrica — menos do que as versões "normais".

Acessórios médicos portáteis, smartwatches e pulseiras inteligentes são exemplos de dispositivos que, por serem muito compactos, usam baterias de baixa capacidade. Assim, toda economia de energia é válida. O Bluetooth LE veio para atender justamente a essa necessidade.

Para consumir menos energia, o Bluetooth LE utiliza várias técnicas. Uma delas é a redução na velocidade de transferência de dados, que normalmente não passa de 1 Mb/s: essa taxa costuma ser suficiente, pois o volume de dados é baixo.

Pela mesma razão, um módulo Bluetooth LE também pode ficar a maior parte do tempo em "modo de descanso": como não há muitos dados a serem transmitidos, uma conexão de poucos milissegundos consegue dar conta de enviar ou receber todas as informações necessárias.

Outra técnica é a redução do alcance da comunicação: o Bluetooth LE trabalha bem com distâncias de até 30 metros, mas o gasto de energia cai drasticamente se um dispositivo estiver bem perto do outro.


Para saber mais

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

Publicado em 30_01_2008. Atualizado em 17_01_2017.

Emerson Alecrim Autor: Emerson Alecrim
Graduado em ciência da computação, produz conteúdo sobre tecnologia desde 2001. É aficionado por TI, comunicação, ciência e cultura geek.
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