Bluetooth Low Energy ( Bluetooth LE , coloquialmente BLE , anteriormente comercializado como Bluetooth Smart [1] ) es una tecnología de red de área personal inalámbrica diseñada y comercializada por el Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) [2] destinada a aplicaciones novedosas en el sector sanitario. industrias de fitness , balizas , [3] seguridad y entretenimiento en el hogar. [4] Es independiente del Bluetooth clásico [ se necesita aclaración ] y no tiene compatibilidad, pero la velocidad básica de Bluetooth/velocidad de datos mejorada (BR/EDR) y LE pueden coexistir. La especificación original fue desarrollada por Nokia en 2006 con el nombre de Wibree, [5] que se integró en Bluetooth 4.0 en diciembre de 2009 como Bluetooth Low Energy.
En comparación con el Bluetooth clásico , Bluetooth Low Energy está destinado a proporcionar un consumo y un coste de energía considerablemente reducidos manteniendo al mismo tiempo un alcance de comunicación similar. Los sistemas operativos móviles, incluidos iOS , Android , Windows Phone y BlackBerry , así como macOS , Linux , Windows 8 , Windows 10 y Windows 11 , son compatibles de forma nativa con Bluetooth Low Energy.
Bluetooth Low Energy es distinto del protocolo anterior (a menudo llamado "clásico") Bluetooth de velocidad básica/velocidad de datos mejorada (BR/EDR), pero ambos protocolos pueden ser compatibles con un solo dispositivo: la especificación Bluetooth 4.0 permite que los dispositivos implementen cualquiera de los dos protocolos: o ambos sistemas LE y BR/EDR.
Bluetooth Low Energy utiliza las mismas frecuencias de radio de 2,4 GHz que el Bluetooth clásico, lo que permite que los dispositivos de modo dual compartan una única antena de radio , pero utiliza un sistema de modulación más simple [ aclaración necesaria ] .
En 2011, Bluetooth SIG anunció el logotipo de Bluetooth Smart para aclarar la compatibilidad entre los nuevos dispositivos de bajo consumo de energía y otros dispositivos Bluetooth. [6]
Con la información de marca Bluetooth SIG de mayo de 2016, Bluetooth SIG comenzó a eliminar gradualmente los logotipos y marcas denominativas de Bluetooth Smart y Bluetooth Smart Ready y volvió a utilizar el logotipo y la marca denominativa de Bluetooth [8] en un nuevo color azul.
El Bluetooth SIG identifica una serie de mercados para la tecnología de bajo consumo energético, particularmente en los sectores del hogar inteligente, la salud, el deporte y el fitness. [9] Las ventajas citadas incluyen:
En 2001, investigadores de Nokia determinaron varios escenarios que las tecnologías inalámbricas contemporáneas no abordaban. [10] La empresa comenzó a desarrollar una tecnología inalámbrica adaptada del estándar Bluetooth que proporcionaría un menor consumo de energía y costos y al mismo tiempo minimizaría sus diferencias con la tecnología Bluetooth. Los resultados se publicaron en 2004 con el nombre de Bluetooth Low End Extension. [11]
Después de un mayor desarrollo con socios, en particular Logitech y dentro del proyecto europeo MIMOSA, [a] y promovida y apoyada activamente por STMicroelectronics desde su etapa inicial, [b] la tecnología se lanzó al público en octubre de 2006 con la marca Wibree. [14] Después de negociaciones con los miembros de Bluetooth SIG, se llegó a un acuerdo en junio de 2007 para incluir Wibree en una futura especificación de Bluetooth como tecnología Bluetooth de potencia ultrabaja. [15] [16]
La tecnología se comercializó como Bluetooth Smart y la integración en la versión 4.0 de la especificación principal se completó a principios de 2010. [17] El primer teléfono inteligente que implementó la especificación 4.0 fue el iPhone 4S , lanzado en octubre de 2011. [18] Varios otros Los fabricantes lanzaron dispositivos Bluetooth Low Energy Ready en 2012.
Bluetooth SIG presentó oficialmente Bluetooth 5 el 16 de junio de 2016 durante un evento para los medios en Londres. Un cambio en el aspecto de marketing es que se eliminó el número de puntos, por lo que ahora se llama simplemente Bluetooth 5 (y no Bluetooth 5.0 o 5.0 LE como Bluetooth 4.0). Esta decisión se tomó para "simplificar el marketing y comunicar los beneficios al usuario de forma más eficaz". [19] En el aspecto técnico, Bluetooth 5 cuadruplicará el alcance mediante el uso de una mayor potencia de transmisión o una capa física codificada, duplicará la velocidad mediante el uso opcional de la mitad del tiempo de símbolo en comparación con Bluetooth 4.x y proporcionará un aumento ocho veces mayor en capacidad de transmisión de datos al aumentar la longitud de los datos publicitarios [ se necesita aclaración ] de las transmisiones Bluetooth de baja energía en comparación con Bluetooth 4.x, lo que podría ser importante para aplicaciones de IoT donde los nodos están conectados en toda una casa. [20] Un 'paquete publicitario' en el lenguaje Bluetooth es la información que se intercambia entre dos dispositivos antes del emparejamiento, es decir, cuando no están conectados. Por ejemplo, los paquetes publicitarios permiten que un dispositivo muestre al usuario el nombre de otro dispositivo Bluetooth antes de emparejarse con él. [21] Bluetooth 5 aumentará la longitud de los datos de este paquete publicitario. La longitud de este paquete en Bluetooth 4.x era de 31 bytes (para topología de transmisión).
Bluetooth SIG publicó oficialmente las especificaciones Mesh Profile y Mesh Model el 18 de julio de 2017. La especificación Mesh permite el uso de Bluetooth Low Energy para comunicaciones de muchos a muchos dispositivos para automatización del hogar , redes de sensores y otras aplicaciones. [22]
Tomando prestado de la especificación Bluetooth original, Bluetooth SIG define varios perfiles (especificaciones sobre cómo funciona un dispositivo en una aplicación particular) para dispositivos de bajo consumo de energía. Se espera que los fabricantes implementen las especificaciones apropiadas para su dispositivo para garantizar la compatibilidad. Un dispositivo puede contener implementaciones de múltiples perfiles.
La mayoría de los perfiles de aplicaciones de baja energía actuales se basan en el perfil de atributos genéricos (GATT), una especificación general para enviar y recibir datos breves, conocidos como atributos, a través de un enlace de baja energía. [23] El perfil de malla Bluetooth es una excepción a esta regla, ya que se basa en el perfil de acceso general (GAP). [24]
Los perfiles de malla de Bluetooth utilizan Bluetooth Low Energy para comunicarse con otros dispositivos Bluetooth Low Energy en la red. Cada dispositivo puede pasar la información a otros dispositivos Bluetooth Low Energy creando un efecto de "malla". Por ejemplo, apagar las luces de un edificio entero desde un solo teléfono inteligente. [25]
Existen muchos perfiles para dispositivos Bluetooth de bajo consumo en aplicaciones sanitarias. El consorcio Continua Health Alliance los promueve en cooperación con Bluetooth SIG.
Los perfiles para accesorios deportivos y de fitness incluyen:
Las aplicaciones de "correa electrónica" se adaptan bien a la larga duración de batería posible de los dispositivos "siempre encendidos". [26] Los fabricantes de dispositivos iBeacon implementan las especificaciones apropiadas para que sus dispositivos hagan uso de las capacidades de detección de proximidad compatibles con los dispositivos iOS de Apple . [27]
Los perfiles de aplicación relevantes incluyen:
Anunciado en enero de 2020, LE Audio permite que el protocolo transmita sonido y agregue funciones como un par de auriculares que se conectan a múltiples fuentes de audio o varios auriculares que se conectan a una fuente [29] [30] y también agrega soporte para audífonos. [31] Introduce LC3 como su códec predeterminado. [32] En comparación con el audio Bluetooth estándar, ofrece una mayor duración de la batería. [32]
Las especificaciones sobre la implementación del perfil de audio básico y la identificación de conjuntos coordinados se publicaron en 2021, [33] [34] [35] y el perfil y servicio de audio común en marzo de 2022. [36] [37]
En diciembre de 2020, Bluetooth SIG publicó un borrador de especificación para un servicio de notificación de exposición portátil. Este servicio permite que los servicios de notificación de exposición en dispositivos portátiles se comuniquen y sean controlados por dispositivos cliente, como teléfonos inteligentes. [38]
A partir de finales de 2009, varios fabricantes anunciaron circuitos integrados Bluetooth de baja energía. Estos circuitos integrados suelen utilizar radio de software para que las actualizaciones de las especificaciones se puedan realizar mediante una actualización de firmware .
Los dispositivos móviles actuales suelen lanzarse con soporte de hardware y software tanto para Bluetooth clásico como para Bluetooth Low Energy.
La tecnología Bluetooth Low Energy funciona en el mismo rango de espectro (la banda ISM de 2,400 a 2,4835 GHz ) que la tecnología Bluetooth clásica, pero utiliza un conjunto diferente de canales. En lugar de los clásicos Bluetooth 79 canales de 1 MHz, Bluetooth Low Energy tiene 40 canales de 2 MHz. Dentro de un canal, los datos se transmiten mediante modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana , similar al esquema de velocidad básica de Bluetooth clásico. La velocidad de bits es de 1 Mbit/s (con una opción de 2 Mbit/s en Bluetooth 5) y la potencia máxima de transmisión es de 10 mW (100 mW en Bluetooth 5). Se proporcionan más detalles en el Volumen 6, Parte A (Especificación de capa física) de la Especificación central de Bluetooth V4.0.
Bluetooth Low Energy utiliza saltos de frecuencia para contrarrestar los problemas de interferencia de banda estrecha. El Bluetooth clásico también utiliza saltos de frecuencia, pero los detalles son diferentes; Como resultado, mientras que tanto la FCC como el ETSI clasifican la tecnología Bluetooth como un esquema FHSS , Bluetooth Low Energy se clasifica como un sistema que utiliza técnicas de modulación digital o un espectro ensanchado de secuencia directa . [47]
Se pueden obtener más detalles técnicos de las especificaciones oficiales publicadas por Bluetooth SIG. Tenga en cuenta que el consumo de energía no forma parte de la especificación de Bluetooth.
Los dispositivos BLE se detectan mediante un procedimiento basado en la difusión de paquetes publicitarios. Esto se hace utilizando 3 canales (frecuencias) separados, para reducir la interferencia. El dispositivo publicitario envía un paquete en al menos uno de estos tres canales, con un período de repetición denominado intervalo publicitario. Para reducir la posibilidad de múltiples colisiones consecutivas, se agrega un retraso aleatorio de hasta 10 milisegundos a cada intervalo de publicidad. El escáner escucha el canal durante un período llamado ventana de escaneo, que se repite periódicamente en cada intervalo de escaneo.
Por lo tanto, la latencia de descubrimiento se determina mediante un proceso probabilístico y depende de tres parámetros (es decir, el intervalo de publicidad, el intervalo de exploración y la ventana de exploración). El esquema de descubrimiento de BLE adopta una técnica basada en intervalos periódicos, para la cual se pueden inferir límites superiores de la latencia de descubrimiento para la mayoría de las parametrizaciones. Si bien las latencias de descubrimiento de BLE pueden aproximarse mediante modelos [50] para protocolos basados en intervalos puramente periódicos, el retraso aleatorio agregado a cada intervalo publicitario y el descubrimiento de tres canales pueden causar desviaciones de estas predicciones o conducir potencialmente a latencias ilimitadas para determinadas parametrizaciones. [51]
Bluetooth Low Energy tiene instancias de seguridad, como la función de datos publicitarios cifrados (EAD), que permite cifrar parte o toda la carga útil de datos de la aplicación que se transmite en paquetes publicitarios. También se define un mecanismo estándar para compartir material clave entre un dispositivo de transmisión y los observadores que deben recibir estos datos, de modo que los datos puedan descifrarse cuando se reciban. [52]
Todas las PDU LE Bluetooth transmitidas incluyen una verificación de redundancia cíclica (CRC) que el dispositivo receptor recalcula y verifica para detectar la posibilidad de que la PDU haya sido cambiada en vuelo. [52]
Todos los dispositivos Bluetooth de bajo consumo utilizan el perfil de atributos genéricos (GATT). La interfaz de programación de aplicaciones que ofrece un sistema operativo compatible con Bluetooth Low Energy normalmente se basará en conceptos del GATT. [53] El GATT utiliza la siguiente terminología:
Algunos valores de servicio y características se utilizan con fines administrativos; por ejemplo, el nombre del modelo y el número de serie se pueden leer como características estándar dentro del servicio Generic Access . Los servicios también pueden incluir otros servicios como subfunciones; las funciones principales del dispositivo son los llamados servicios primarios , y las funciones auxiliares a las que se refieren son servicios secundarios .
Los servicios, características y descriptores se denominan colectivamente atributos y se identifican mediante UUID . Cualquier implementador puede elegir un UUID aleatorio o pseudoaleatorio para usos propietarios , pero Bluetooth SIG ha reservado un rango de UUID (de la forma xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB [54] ) para atributos estándar. Para mayor eficiencia, estos identificadores se representan como valores de 16 o 32 bits en el protocolo, en lugar de los 128 bits necesarios para un UUID completo. Por ejemplo, el servicio Información del dispositivo tiene el código corto 0x180A, en lugar de 0000180A-0000-1000-.... La lista completa se mantiene en el documento en línea Números asignados de Bluetooth.
El protocolo GATT proporciona una serie de comandos para que el cliente descubra información sobre el servidor. Éstas incluyen:
También se proporcionan comandos para leer (transferencia de datos del servidor al cliente) y escribir (del cliente al servidor) los valores de las características:
Por último, el GATT ofrece notificaciones e indicaciones . El cliente puede solicitar una notificación sobre una característica particular del servidor. Luego, el servidor puede enviar el valor al cliente cuando esté disponible. Por ejemplo, un servidor de sensores de temperatura puede notificar a su cliente cada vez que realiza una medición. Esto evita la necesidad de que el cliente sondee el servidor, lo que requeriría que el circuito de radio del servidor estuviera constantemente operativo.
Una indicación es similar a una notificación, excepto que requiere una respuesta del cliente, como confirmación de que ha recibido el mensaje.
Bluetooth Low Energy está diseñado para permitir que los dispositivos tengan un consumo de energía muy bajo. Varios fabricantes de chips, incluidos Cambridge Silicon Radio , Dialog Semiconductor , Nordic Semiconductor , STMicroelectronics , Cypress Semiconductor , Silicon Labs y Texas Instruments, habían introducido conjuntos de chips optimizados para Bluetooth de bajo consumo de energía en 2014. Los dispositivos con funciones periféricas y centrales tienen diferentes requisitos de energía. Un estudio realizado por la empresa de software de balizas Aislelabs informó que los periféricos, como las balizas de proximidad, suelen funcionar durante 1 o 2 años con una batería de tipo botón de 1000 mAh. [56] Esto es posible gracias a la eficiencia energética del protocolo Bluetooth Low Energy, que solo transmite paquetes pequeños en comparación con Bluetooth Classic, que también es adecuado para audio y datos de gran ancho de banda.
Por el contrario, un escaneo continuo de las mismas balizas en función central puede consumir 1.000 mAh en unas pocas horas. Los dispositivos Android e iOS también tienen un impacto en la batería muy diferente según el tipo de escaneos y la cantidad de dispositivos Bluetooth de bajo consumo en las cercanías. [57] Con los conjuntos de chips más nuevos y los avances en el software, en 2014, tanto los teléfonos Android como iOS tenían un consumo de energía insignificante en el uso de Bluetooth Low Energy en la vida real. [58]
Bluetooth 5 ha introducido un nuevo modo de transmisión con una tasa de símbolos duplicada . Bluetooth LE ha estado transmitiendo tradicionalmente 1 bit por símbolo, por lo que, en teoría, la velocidad de datos también se duplica. Sin embargo, el nuevo modo duplica el ancho de banda de aproximadamente 1 MHz a aproximadamente 2 MHz, lo que genera más interferencias en las regiones marginales. La partición de la banda de frecuencias ISM no ha cambiado, siendo todavía 40 canales espaciados a una distancia de 2 MHz. [59] Esta es una diferencia esencial con respecto a Bluetooth 2 EDR, que también duplicó la velocidad de datos, pero lo hizo empleando una modulación de fase π/4-DQPSK u 8-DPSK en un canal de 1 MHz, mientras que Bluetooth 5 continúa usando solo cambio de frecuencia. clave.
La transmisión tradicional de 1 Mbit en la tarifa básica de Bluetooth pasó a llamarse 1M PHY en Bluetooth 5. El nuevo modo a una velocidad de símbolo duplicada se introdujo como 2M PHY. En Bluetooth Low Energy, cada transmisión comienza en 1M PHY y deja que la aplicación inicie un cambio a 2M PHY. En ese caso, tanto el remitente como el receptor cambiarán al 2M PHY para las transmisiones. Esto está diseñado para facilitar las actualizaciones de firmware donde la aplicación puede volver a un 1M PHY tradicional en caso de errores. En realidad, el dispositivo objetivo debería estar cerca de la estación de programación (a unos pocos metros).
Bluetooth 5 ha introducido dos nuevos modos con menor velocidad de datos. La velocidad de símbolo del nuevo "PHY codificado" es la misma que la velocidad base 1M PHY pero en el modo S=2 hay dos símbolos transmitidos por bit de datos. En el modo S=2 sólo se utiliza un mapeo de patrón simple P=1 que simplemente produce el mismo bit de relleno para cada bit de datos de entrada. En el modo S=8 hay ocho símbolos por bit de datos con un mapeo de patrones P=4 que produce secuencias de símbolos contrastantes: un bit 0 se codifica como 0011 binario y un bit 1 se codifica como 1100 binario. [60] En el modo S=2 usando P=1 el rango se duplica aproximadamente, mientras que en modo S=8 usando P=4 se cuadriplica. [61]
Las transmisiones "LE Coded" no sólo han cambiado el esquema de corrección de errores sino que utilizan un formato de paquete fundamentalmente nuevo. Cada ráfaga "codificada LE" consta de tres bloques. El bloque de conmutación ("preámbulo extendido") se transmite en el LE 1M PHY pero solo consta de 10 veces un patrón binario '00111100'. Estos 80 bits no están codificados FEC como es habitual sino que se envían directamente al canal de radio. Le sigue un bloque de encabezado ("Bloque FEC 1") que siempre se transmite en modo S=8. El bloque de encabezado solo contiene la dirección de destino ("Dirección de acceso" / 32 bits) y un indicador de codificación ("Indicador de codificación" / 2 bits). El indicador de codificación define el mapeo de patrones utilizado para el siguiente bloque de carga útil ("Bloque FEC 2") donde S=2 es posible. [62]
El nuevo formato de paquete de Bluetooth 5 permite transmitir desde 2 hasta 256 bytes como carga útil en una sola ráfaga. Esto es mucho más que el máximo de 31 bytes en Bluetooth 4. Junto con las mediciones de alcance, esto debería permitir funciones de localización. En total, la autonomía se cuadruplica – con la misma potencia de transmisión – se consigue a expensas de una menor cantidad de datos, que se sitúa en un octavo con 125 kBit. El antiguo formato de paquete de transmisión, tal como se sigue utilizando en los modos 1M PHY y 2M PHY, se ha denominado "Sin codificar" en Bluetooth 5. El modo intermedio "LE codificado" S=2 permite una velocidad de datos de 500 kBit en el carga útil, lo cual es beneficioso para latencias más cortas y un menor consumo de energía, ya que el tiempo de ráfaga en sí es más corto.
Como la interfaz MGMT es la única que admite los nuevos dispositivos Bluetooth de bajo consumo, los desarrolladores de BlueZ decidieron dejar de admitir la interfaz anterior una vez que se completó MGMT.
Como resultado, debe ejecutar Linux Kernel 3.4 o posterior para usar BlueZ 5.