Bluetooth de bajo consumo

Los perfiles de malla Bluetooth utilizan Bluetooth de bajo consumo para comunicarse con otros dispositivos Bluetooth de bajo consumo en la red. Cada dispositivo puede reenviar la información a otros dispositivos Bluetooth de bajo consumo, creando un efecto de "malla"; por ejemplo, apagar las luces de todo un edificio desde un solo teléfono inteligente. ^{[ 28 ]}

• MESH ( Perfil de malla ) – para redes de malla básicas.
• MMDL ( Modelos de malla ): para definiciones de capas de aplicación. El término "modelo" se utiliza en las especificaciones de malla en lugar de "perfil" para evitar ambigüedades.

Existen numerosos perfiles para dispositivos Bluetooth de bajo consumo en aplicaciones sanitarias. El consorcio Continua Health Alliance los promueve en colaboración con Bluetooth SIG:

• BLP (Perfil de Presión Arterial) – para la medición de la presión arterial
• HTP (Perfil de Termómetro de Salud) – para dispositivos médicos de medición de temperatura
• GLP (Perfil de Glucosa) – para monitores de glucosa en sangre
• CGMP (Perfil de Monitorización Continua de Glucosa)

Los perfiles de accesorios deportivos y de fitness incluyen:

• BCS (Servicio de Composición Corporal)
• CSCP (Perfil de velocidad y cadencia en ciclismo): para sensores instalados en una bicicleta o bicicleta estática para medir la cadencia y la velocidad de la rueda.
• CPP (Perfil de potencia de ciclismo)
• HRP (Perfil de Frecuencia Cardíaca): para dispositivos que miden la frecuencia cardíaca.
• LNP (Perfil de Localización y Navegación)
• RSCP (Perfil de velocidad y cadencia de carrera)
• WSP (Perfil de escala de peso)

• ESP (Perfil de Detección Ambiental)
• UDS (Servicio de Datos de Usuario)

• HOGP ( HID over GATT Profile) permite que ratones, teclados y otros dispositivos inalámbricos con Bluetooth LE ofrezcan una batería de larga duración.

Las aplicaciones de "correas electrónicas" son muy adecuadas para la larga duración de la batería que permiten los dispositivos "siempre activos". ^{[ 29 ]} Los fabricantes de dispositivos iBeacon implementan las especificaciones adecuadas para que su dispositivo aproveche las capacidades de detección de proximidad compatibles con los dispositivos iOS de Apple . ^{[ 30 ]}

Los perfiles de solicitud relevantes incluyen:

• FMP (el perfil "encuéntrame") permite que un dispositivo emita una alerta sobre un segundo dispositivo extraviado. ^{[ 31 ]}
• El perfil de proximidad (PXP) permite que un monitor de proximidad detecte si un dispositivo de información de proximidad se encuentra dentro del alcance. La proximidad física se puede estimar utilizando el valor RSSI del receptor de radio , aunque esto no proporciona una calibración absoluta de las distancias. Normalmente, se activa una alarma cuando la distancia entre los dispositivos supera un umbral preestablecido.

Un ejemplo de uso de detección de proximidad es WebAuthn Hybrid Transport con Bluetooth Low Energy (cABLE) asistido por la nube, que permite autenticadores itinerantes como los teléfonos inteligentes autenticarse con credenciales WebAuthn (conocidas como clave de acceso). Bluetooth Low Energy se utiliza como comprobación de proximidad entre autenticadores itinerantes y clientes (como ordenadores personales). ^{[ 25 ]}

• El perfil de estado de alerta del teléfono y el perfil de notificación de alerta permiten que un dispositivo cliente reciba notificaciones, como alertas de llamadas entrantes, de otro dispositivo.
• El perfil de tiempo permite configurar la hora actual y la información de la zona horaria en un dispositivo cliente desde un dispositivo servidor, por ejemplo, entre un reloj de pulsera y la hora de red de un teléfono móvil .

• El servicio de batería muestra el estado y el nivel de carga de una batería individual o de un conjunto de baterías en un dispositivo.

Anunciado en enero de 2020, LE Audio se basa en Bluetooth 5.2/5.3 . Permite que el protocolo Bluetooth LE transmita audio, con un menor consumo de batería en comparación con Bluetooth Audio estándar; ^{[ 32 ]} características como la conexión de un par de auriculares a múltiples fuentes de audio o la conexión de varios auriculares a una sola fuente (conocido como Auracast ); ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} y compatibilidad con audífonos. ^{[ 36 ]} Introduce LC3 como su códec predeterminado. ^{[ 32 ]} El estándar tiene una latencia mínima declarada más baja de 20–30 ms frente a los 100–200 ms de Bluetooth Classic Audio. ^{[ 37 ]}

Las especificaciones sobre la implementación del Perfil de audio básico y la Identificación de conjunto coordinado se publicaron en 2021, ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} y el Perfil de audio común y el Servicio en marzo de 2022. ^{[ 42 ] [ 43 ]} El 12 de julio de 2022, el Bluetooth SIG anunció la finalización de Bluetooth LE Audio. ^{[ 44 ]}

Desarrollada por el Grupo de Trabajo de la Asociación de Fabricantes MIDI (MMA, ahora The MIDI Association), existe una especificación formalizada de Bluetooth LE MIDI (BLE-MIDI), ^{[ 53 ]} un protocolo inalámbrico diseñado para transmitir datos MIDI a través de Bluetooth Low Energy. Se centra en la comunicación MIDI inalámbrica de bajo consumo para dispositivos como controladores MIDI, teclados, pedales, etc., que no transmiten datos de forma continua, y sin latencia significativa. Los sistemas operativos que lo admiten incluyen Windows 10 versión 1607, macOS y Android.

En diciembre de 2020, el Bluetooth SIG publicó un borrador de especificación para un servicio de notificación de exposición para 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. ^{[ 54 ]}

A partir de finales de 2009, varios fabricantes anunciaron circuitos integrados Bluetooth de bajo consumo . Estos circuitos integrados suelen utilizar radio definida por software , por lo que las actualizaciones de la especificación se pueden 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 de bajo consumo.

• iOS 5 y posteriores ^{[ 55 ]}
• Windows Phone 8.1 ^{[ 56 ]}
• Windows 8 y versiones posteriores ^{[ 57 ]} (Windows 7 y versiones anteriores requieren controladores del fabricante de la radio Bluetooth que admitan la pila BLE, ya que no tienen controladores BLE genéricos integrados. ^{[ 58 ]} )
• Android 4.3 y posterior. ^{[ 59 ]} Android 6 o posterior requiere permiso de ubicación para conectarse a BLE.
• BlackBerry OS 10 ^{[ 60 ]}
• Linux 3.4 y versiones posteriores hasta BlueZ 5.0 ^{[ 61 ]}
• Unison OS 5.2 ^{[ 62 ]}
• macOS 10.10
• Sistema operativo Zephyr

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 de Bluetooth clásico, 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 tasa 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). Encontrará más detalles en el Volumen 6, Parte A (Especificación de la capa física) de la Especificación principal de Bluetooth V4.0 .    

Bluetooth Low Energy utiliza salto de frecuencia para contrarrestar los problemas de interferencia de banda estrecha. El Bluetooth clásico también utiliza salto de frecuencia, pero los detalles son diferentes; como resultado, mientras que tanto la FCC como la 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 . ^{[ 63 ]}

Para obtener más detalles técnicos, consulte la especificación oficial publicada por Bluetooth SIG. Tenga en cuenta que el consumo de energía no forma parte de la especificación Bluetooth.

Los dispositivos BLE se detectan mediante un procedimiento basado en la transmisión de paquetes publicitarios. Esto se realiza utilizando tres canales (frecuencias) distintos para minimizar las interferencias. El dispositivo emisor envía un paquete en al menos uno de estos tres canales, con un intervalo de repetición denominado intervalo publicitario. Para reducir la probabilidad de colisiones consecutivas, se añade un retardo aleatorio de hasta 10 milisegundos a cada intervalo publicitario. El escáner escucha el canal durante un periodo denominado 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 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 ^{[ 67 ]} para protocolos puramente basados ​​en intervalos periódicos, el retardo aleatorio añadido a cada intervalo de publicidad y el descubrimiento de tres canales pueden causar desviaciones de estas predicciones, o potencialmente conducir a latencias no acotadas para ciertas parametrizaciones. ^{[ 68 ]}

Bluetooth Low Energy cuenta con medidas de seguridad como la función de Datos de Publicidad Cifrados (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 emisor y los receptores que recibirán estos datos, de modo que estos puedan descifrarse al recibirlos. ^{[ 69 ]}

Todas las PDU Bluetooth LE transmitidas incluyen una comprobación de redundancia cíclica (CRC) que el dispositivo receptor recalcula y verifica para detectar la posibilidad de que la PDU haya cambiado durante la transmisión. ^{[ 69 ]}

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 de bajo consumo se basará normalmente en conceptos GATT. ^{[ 70 ]} GATT tiene la siguiente terminología:

Cliente

Un dispositivo que inicia comandos y solicitudes GATT y acepta respuestas, por ejemplo, un ordenador o un teléfono inteligente.

Servidor

Un dispositivo que recibe comandos y solicitudes GATT y devuelve respuestas, por ejemplo, un sensor de temperatura.

Característica

Un valor de datos que se transfiere entre el cliente y el servidor, por ejemplo, el voltaje actual de la batería.

Servicio

Conjunto de características relacionadas que funcionan conjuntamente para realizar una función específica. Por ejemplo, el servicio Termómetro de Salud incluye características para la medición de la temperatura y el intervalo de tiempo entre mediciones.

Descriptor

Un descriptor proporciona información adicional sobre una característica. Por ejemplo, una característica de valor de temperatura puede incluir una indicación de sus unidades (p. ej., grados Celsius) y los valores máximo y mínimo que el sensor puede medir. Los descriptores son opcionales: cada característica puede tener cualquier número de descriptores.

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 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 son servicios secundarios .

Impacto de la batería

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 para 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 botón de  1000 mAh . ^{[ 73 ]} Esto es posible debido a la eficiencia de energía 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 rol central puede consumir 1000 mAh en unas pocas horas. Los dispositivos Android e iOS también tienen un impacto de batería muy diferente dependiendo del tipo de escaneos y la cantidad de dispositivos Bluetooth Low Energy en las cercanías. ^{[ 74 ]} Con los nuevos conjuntos de chips y los avances en el software, para 2014 tanto los teléfonos Android como los iOS tenían un consumo de energía insignificante en el uso real de Bluetooth Low Energy. ^{[ 75 ]}

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 hace 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. ^{[ 76 ]} Esta es una diferencia esencial con respecto a Bluetooth 2 EDR, que también duplicó la tasa 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 modulación por desplazamiento de frecuencia.

La transmisión tradicional de 1  Mbit/s en la tasa básica de Bluetooth pasó a llamarse 1M PHY en Bluetooth 5. El nuevo modo, con una velocidad de símbolos duplicada, se introdujo como 2M PHY. En Bluetooth Low Energy, cada transmisión comienza en 1M PHY, y es la aplicación la que debe iniciar el cambio a 2M PHY. En ese caso, tanto el emisor como el receptor cambiarán a 2M PHY para las transmisiones. Esto está diseñado para facilitar las actualizaciones de firmware, permitiendo que la aplicación vuelva a un 1M PHY tradicional en caso de errores. En la práctica, el dispositivo de destino debería estar cerca de la estación de programación (a pocos metros).

Bluetooth 5 ha introducido dos nuevos modos con menor velocidad de datos. La velocidad de símbolos del nuevo "Coded PHY" es la misma que la del Base Rate 1M PHY, pero en el modo S=2 se transmiten dos símbolos por bit de datos. En el modo S=2 solo se utiliza un mapeo de patrones 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 binario 0011 y un bit 1 se codifica como binario 1100. ^{[ 77 ]} En el modo S=2 usando P=1 el alcance se duplica aproximadamente, mientras que en el modo S=8 usando P=4 se cuadruplica. ^{[ 78 ]}

Las transmisiones "LE Coded" no solo han cambiado el esquema de corrección de errores, sino que 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 PHY LE 1M, pero solo consta de 10 veces un patrón binario '00111100'. Estos 80 bits no se codifican mediante FEC como de costumbre, sino que se envían directamente al canal de radio. Le sigue un bloque de cabecera ("Bloque FEC 1") que siempre se transmite en modo S=8. El bloque de cabecera 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. ^{[ 79 ]}

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 en 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 costa de una menor velocidad de datos, que es una octava parte de la anterior, con 125  kbit/s. El antiguo formato de paquete de transmisión, que 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/s en la carga útil, lo que resulta beneficioso tanto para reducir la latencia como para disminuir el consumo de energía, ya que el tiempo de ráfaga es menor.