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 Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) [2] destinada a aplicaciones novedosas en las industrias de atención médica, fitness , balizas , [3] seguridad y entretenimiento en el hogar. [4] En comparación con el Bluetooth clásico , Bluetooth Low Energy está destinado a proporcionar un consumo de energía y un costo considerablemente reducidos al tiempo que mantiene un rango de comunicación similar.
Es independiente del Bluetooth clásico y no tiene compatibilidad, pero Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) y LE pueden coexistir. La especificación original fue desarrollada por Nokia en 2006 bajo el nombre de Wibree, [5] que se integró en Bluetooth 4.0 en diciembre de 2009 como Bluetooth Low Energy.
Los sistemas operativos móviles, incluidos iOS , Android , Windows Phone y BlackBerry , así como macOS , Linux , Windows 8 , Windows 10 y Windows 11 , admiten de forma nativa Bluetooth Low Energy.
Bluetooth Low Energy es distinto del protocolo Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) anterior (a menudo llamado "clásico"), pero ambos protocolos pueden ser compatibles con un dispositivo: la especificación Bluetooth 4.0 permite que los dispositivos implementen uno 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 Bluetooth Smart para aclarar la compatibilidad entre los nuevos dispositivos de bajo consumo y otros dispositivos Bluetooth. [6]
Con la información de marca de 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 SIG de Bluetooth identifica una serie de mercados para la tecnología de bajo consumo energético, en particular en los sectores de hogares inteligentes, salud, deporte y fitness. [9] Las ventajas citadas incluyen:
En 2001, los 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, al tiempo que 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 promovido y apoyado 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 del SIG de Bluetooth, se llegó a un acuerdo en junio de 2007 para incluir a Wibree en una futura especificación de Bluetooth como una tecnología de consumo ultra bajo de Bluetooth. [15] [16]
La tecnología se comercializó como Bluetooth Smart y la integración en la versión 4.0 de la Especificación básica se completó a principios de 2010. [17] El primer teléfono inteligente en implementar la especificación 4.0 fue el iPhone 4S , lanzado en octubre de 2011. [18] Varios otros fabricantes lanzaron dispositivos Bluetooth Low Energy Ready en 2012.
El 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 punto, por lo que ahora se llama simplemente Bluetooth 5 (y no Bluetooth 5.0 o 5.0 LE como para Bluetooth 4.0). Esta decisión se tomó para "simplificar el marketing y comunicar los beneficios para el usuario de manera más efectiva". [19] En el aspecto técnico, Bluetooth 5 cuadriplicará 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 de ocho veces en la capacidad de transmisión de datos al aumentar la longitud de los datos publicitarios [ aclaración necesaria ] 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 la jerga de Bluetooth es la información que se intercambia entre dos dispositivos antes del emparejamiento, es decir, cuando no están conectados. Por ejemplo, los paquetes de publicidad 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 datos de este paquete de publicidad. La longitud de este paquete en Bluetooth 4.x era de 31 bytes (para la topología de difusión).
El SIG de Bluetooth publicó oficialmente las especificaciones del Perfil de malla y del Modelo de malla el 18 de julio de 2017. La especificación de malla 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]
El SIG de Bluetooth, que se inspira en la especificación original de Bluetooth, define varios perfiles (especificaciones sobre cómo funciona un dispositivo en una aplicación particular) para dispositivos de bajo consumo. Se espera que los fabricantes implementen las especificaciones adecuadas para sus dispositivos a fin de garantizar la compatibilidad. Un dispositivo puede contener implementaciones de varios perfiles.
La mayoría de los perfiles de aplicaciones de bajo consumo actuales se basan en el Perfil de Atributo Genérico (GATT), una especificación general para enviar y recibir fragmentos cortos de datos, conocidos como atributos, a través de un enlace de bajo consumo. [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 de la red. Cada dispositivo puede transmitir 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 numerosos perfiles de dispositivos Bluetooth Low Energy para aplicaciones sanitarias. El consorcio Continua Health Alliance los promueve en colaboración con el SIG Bluetooth.
Los perfiles para accesorios deportivos y de fitness incluyen:
Las aplicaciones de "correa electrónica" se adaptan bien a la larga duración de la batería posible para los dispositivos "siempre activos". [26] Los fabricantes de dispositivos iBeacon implementan las especificaciones apropiadas para que sus dispositivos utilicen 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 juego de auriculares que se conectan a múltiples fuentes de audio o múltiples 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 Conjunto Coordinado 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, el SIG de Bluetooth publicó un borrador de especificación para un servicio de notificación de exposición en dispositivos portátiles. Este servicio permite que los servicios de notificación de exposición en dispositivos portátiles se comuniquen con dispositivos cliente, como teléfonos inteligentes, y sean controlados por ellos. [38]
A finales de 2009, varios fabricantes lanzaron circuitos integrados Bluetooth Low Energy. Estos circuitos integrados suelen utilizar radio por software , por lo que las actualizaciones de las especificaciones se pueden realizar mediante una actualización del firmware .
Los dispositivos móviles actuales suelen lanzarse al mercado con soporte de hardware y software tanto para Bluetooth clásico como para Bluetooth Low Energy.
La tecnología Bluetooth Low Energy opera en el mismo rango de espectro (la banda ISM de 2,400–2,4835 GHz ) que la tecnología Bluetooth clásica, pero utiliza un conjunto diferente de canales. En lugar de los 79 canales de 1 MHz clásicos de Bluetooth, Bluetooth Low Energy tiene 40 canales de 2 MHz. Dentro de un canal, los datos se transmiten utilizando modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana , similar al esquema de velocidad básica del 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 la capa física) de la Especificación básica 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 en las especificaciones oficiales publicadas por Bluetooth SIG. Tenga en cuenta que el consumo de energía no forma parte de las especificaciones de Bluetooth.
Los dispositivos BLE se detectan mediante un procedimiento basado en la difusión de paquetes publicitarios. Esto se hace utilizando 3 canales separados (frecuencias), con el fin de reducir la interferencia. El dispositivo publicitario envía un paquete en al menos uno de estos tres canales, con un período de repetición llamado intervalo publicitario. Para reducir la posibilidad de múltiples colisiones consecutivas, se agrega un retraso aleatorio de hasta 10 milisegundos a cada intervalo publicitario. 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 (a saber, el intervalo de publicidad, el intervalo de escaneo y la ventana de escaneo). El esquema de descubrimiento de BLE adopta una técnica basada en intervalos periódicos, para la cual se pueden inferir límites superiores en la latencia de descubrimiento para la mayoría de las parametrizaciones. Si bien las latencias de descubrimiento de BLE se pueden aproximar mediante modelos [50] para protocolos puramente basados en intervalos periódicos, el retraso aleatorio agregado a cada intervalo de publicidad y el descubrimiento de tres canales pueden causar desviaciones de estas predicciones o potencialmente conducir a latencias ilimitadas para ciertas parametrizaciones. [51]
Bluetooth Low Energy cuenta con instancias de seguridad como la función Encrypted Advertising Data (EAD) que permite cifrar parte o la totalidad de la carga útil de datos de la aplicación que se transmite en los paquetes de publicidad. También se define un mecanismo estándar para compartir material clave entre un dispositivo de transmisión y los observadores que están destinados a recibir estos datos, de modo que los datos puedan descifrarse al recibirse. [52]
Todas las PDU Bluetooth LE 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 modificada durante el vuelo. [52]
Todos los dispositivos Bluetooth Low Energy 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 GATT. [53] GATT tiene 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 pueden leerse como características estándar dentro del servicio de acceso genérico . Los servicios también pueden incluir otros servicios como subfunciones; las funciones principales del dispositivo se denominan servicios primarios y las funciones auxiliares a las que hacen referencia se denominan 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 exclusivos , pero el SIG de Bluetooth ha reservado un rango de UUID (con el formato 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 de información del dispositivo tiene el código corto 0x180A, en lugar de 0000180A-0000-1000-... . La lista completa se mantiene en el documento de números asignados de Bluetooth en línea.
El protocolo GATT proporciona una serie de comandos para que el cliente descubra información sobre el servidor. Entre ellos se 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, GATT ofrece notificaciones e indicaciones . El cliente puede solicitar una notificación de una característica particular al servidor. El servidor puede entonces enviar el valor al cliente cuando esté disponible. Por ejemplo, un servidor de sensor de temperatura puede notificar a su cliente cada vez que toma una medición. Esto evita la necesidad de que el cliente sondee al servidor, lo que requeriría que el circuito de radio del servidor esté 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 presentado conjuntos de chips optimizados para Bluetooth Low Energy en 2014. Los dispositivos con funciones periféricas y centrales tienen diferentes requisitos de energía. Un estudio de la empresa de software de balizas Aislelabs informó que los periféricos como las balizas de proximidad generalmente funcionan durante 1 a 2 años alimentados por una batería de celda de moneda de 1000 mAh. [56] Esto es posible debido 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 alto ancho de banda.
En cambio, un escaneo continuo de las mismas balizas en el papel central puede consumir 1000 mAh en unas pocas horas. Los dispositivos Android e iOS también tienen un impacto muy diferente en la batería según el tipo de escaneos y la cantidad de dispositivos Bluetooth Low Energy en las cercanías. [57] Con los nuevos chipsets y los avances en software, en 2014, tanto los teléfonos Android como iOS tenían un consumo de energía insignificante en el uso real de Bluetooth Low Energy. [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 teóricamente la tasa 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 de borde. La partición de la banda de frecuencia 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 tasa de datos, pero lo hacía empleando una modulación de fase π/4-DQPSK o 8-DPSK en un canal de 1 MHz, mientras que Bluetooth 5 continúa utilizando solo modulación por desplazamiento de frecuencia.
La transmisión tradicional de 1 Mbit en la tasa básica de Bluetooth se renombró 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 la PHY de 1M y deja que la aplicación inicie un cambio a la PHY de 2M. En ese caso, tanto el transmisor como el receptor cambiarán a la PHY de 2M para las transmisiones. Esto está diseñado para facilitar las actualizaciones de firmware, donde la aplicación puede volver a una PHY de 1M tradicional en caso de errores. En realidad, el dispositivo de destino debe estar cerca de la estación de programación (a unos pocos metros).
Bluetooth 5 ha introducido dos nuevos modos con una tasa de datos menor. La tasa de símbolos del nuevo "Coded PHY" es la misma que la del Base Rate 1M PHY pero en el modo S=2 hay dos símbolos transmitidos por bit de datos. En el modo S=2 solo se utiliza un Pattern Mapping P=1 simple 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 Pattern Mapping P=4 que produce secuencias de símbolos contrastantes: un bit 0 se codifica como binario 0011 y un bit 1 se codifica como binario 1100. [60] En el modo S=2 usando P=1 el rango se duplica aproximadamente, mientras que en el modo S=8 usando P=4 se cuadruplica. [61]
Las transmisiones "LE Coded" no sólo han cambiado el esquema de corrección de errores, sino que también utilizan un formato de paquete fundamentalmente nuevo. Cada ráfaga "LE Coded" consta de tres bloques. El bloque de conmutación ("preámbulo extendido") se transmite en el LE 1M PHY, pero sólo 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 ("FEC Block 1") que siempre se transmite en modo S=8. El bloque de encabezado sólo contiene la dirección de destino ("Access Address" / 32 bit) y un indicador de codificación ("Coding Indicator" / 2 Bit). El Coding Indicator define el Pattern Mapping utilizado para el siguiente bloque de carga útil ("FEC Block 2") donde S=2 es posible. [62]
El nuevo formato de paquete de Bluetooth 5 permite transmitir de 2 a 256 bytes como carga útil en una sola ráfaga. Esto es mucho más que el máximo de 31 bytes de Bluetooth 4. Junto con las mediciones de alcance, esto debería permitir funciones de localización. En general, el alcance cuadruplicado, con la misma potencia de transmisión, se logra a expensas de que los datos sean menores a 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 Coded" S=2 permite una velocidad de datos de 500 kbit en la carga útil, lo que es beneficioso tanto para latencias más cortas como para 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 Low Energy, los desarrolladores de BlueZ decidieron dejar de brindar soporte para la interfaz anterior una vez que se completó MGMT. Como resultado, debe ejecutar Linux Kernel 3.4 o una versión más reciente para usar BlueZ 5.