Bluetooth: circuits, sistemes i aplicacions en l'entorn de les TIC

JORNADA DE PRESENTACIÓ DE RESULTATS DELS PROJECTES DE MILLORA DE LA DOCÈNCIA BLUETOOTH: CIRCUITS, SISTEMES I APLICACIONS EN L’ENTORN DE LES TIC Xavier Aragonès1, José Luis González1, Ana Isabel Pérez2, Ferran Casadevall2, Josep Paradells3 1Departament d'Enginyeria Electrònica 2Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions 3Departament d'Enginyeria Telemàtica [email protected] Tipus d’ajut rebut: DURSI_2002 Resum En el projecte s'han implementat uns mòduls formatius, que inclouen tant una vessant teòrica com una part experimental, que permetin a un estudiant de segon cicle de la ETSETB conèixer i desenvolupar aplicacions sobre un sistema de comunicacions sense fils de baix cost i àmplia acceptació comercial com és l'estàndard Bluetooth. Aquest sistema té la particularitat d'integrar aspectes horitzontals del currículum d'un enginyer de telecomunicacions, ja que comprèn aspectes de protocols de comunicacions, processat i transmissió del senyal, i integració de circuiteria digital, analògica i de radiofreqüència en tecnologia CMOS de baix cost. D'aquesta manera, a través dels mòduls formatius l'estudiant aplica i integra coneixements adquirits en assignatures del seu pla d'estudis corresponents a diverses àrees. En el projecte s'ha elaborat un temari, suportat per un material accessible a través d'una web, alhora que unes pràctiques de laboratori amb material específic. Tots aquests continguts poden ser utilitzats per diverses assignatures troncals i optatives del pla d'estudis d'Enginyeria de Telecomunicació de l'ETSETB. Paraules clau Sistemes de comunicació per RF, Bluetooth, Protocols de comunicacions inalàmbriques. EL PROJECTE 1. Introducció El projecte té com a finalitat la preparació i implementació d’uns mòduls formatius i experimentals que permetin a l’estudiant de 2on cicle d’Enginyeria de Telecomunicacions de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (E.T.S.E.T.B.) de la UPC aplicar els coneixements adquirits en assignatures d’electrònica, telemàtica i comunicacions en un sub-sistema de comunicacions sense fils de baix cost i baix consum, ideal per ser integrat en multitud d’equips electrònics i informàtics per afegir una funcionalitat de comunicacions als mateixos. Aquest sub-sistema està basat en l’estàndard Bluetooth que té com a característica particular la seva implementació en un sol xip (SOC) o en molts pocs components que integren tots els circuits digitals, analògics i de radio freqüència (RF). L’objectiu és que els estudiants treballin amb el sistema a tots els nivells, començant per analitzar els mòduls Bluetooth a nivell de circuit i de blocs, estudiant el protocol de comunicacions i finalment implementant aplicacions reals de xarxes de comunicacions amb mòduls Bluetooth (les aplicacions es programen en ordinadors personals que tenen els mòduls Bluetooth com a perifèrics). Aquest sistema Bluetooth té la interessant característica d’integrar aspectes horitzontals del currículum d’un Enginyer de Telecomunicació. En el nivell més baix integra components digitals de processat de senyal, aspectes d’encriptació i ús de microprocessadors incrustats (embeded processors), juntament amb circuiteria analògica i emissors i receptors de radio freqüència. En un segon nivell l’estàndard permet la formació de xarxes de comunicacions sense fils i transmissió tant asíncrona (dades) com síncronament (veu), doncs està orientat a substituir tant un mòdem com un telèfon. Finalment els equips de desenvolupament Bluetooth existents al mercat permeten crear aplicacions a alt nivell que facin servir els mòduls Bluetooth sense haver d’implementar la seva programació interna, ja que el propi estàndard proporciona interfícies que emulen, per exemple, un port sèrie. Les activitats experimentals estan preparades per a que es realitzin en un laboratori dotat de l’equipament informàtic necessari. Això permetria a tot un grup d’estudiants desenvolupar una aplicació complexa de forma conjunta, i fer servir la possibilitat de formar xarxes de l’estàndard Bluetooth per que cada lloc de treball sigui un node de la xarxa on corri l’aplicació desenvolupada. Les aplicacions que es poden desenvolupar van des de qualsevol aplicació existent en xarxes cablejades (chat, videoconferències, compartició de perifèrics, etc) fins a xarxes de sensors distribuïdes, xarxes de control industrial (simulant els processos de fabricació a cada node), computació distribuïda, sistemes d’identificació personal, etc. Aquest mòduls estan relacionats amb continguts de varies assignatures de la titulació, principalment amb: Disseny de Circuits i Sistemes Electrònics, Comunicacions II, Emissors i Receptors, Comunicacions Mòbils Multimèdia, Transmissió de Dades i Comunicacions Mòbils de 3a Generació. 2. Descripció La sol·licitud original del projecte contemplava una durada de dos anys i es demanaven 18.000 euros al DURSI, preveient un cofinançament amb l’ETSETB fins arribar als 23.127 euros. El DURSI va concedir un ajut de 9.500 euros i va escurçar el projecte de dos a un any. Això implicava una reformulació del mateix per adaptar-se a les condicions de la concessió i a la reducció del Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 2 - pressupost. Malgrat això, es plantejà mantenir els objectius i reduir els costos de bibliografia i fungible. Les despeses s'agruparen bàsicament en dos conceptes. Per una banda dos becaris, finançats respectivament pel DURSI i per la ETSETB, per l'execució de les tasques. Per altra banda, hi ha el hardware i software que s'utilitza en els mòduls formatius i experimentals. El projecte es va realitzar durant el quadrimestre de primavera i el de tardor del 2003 amb les tasques i suports dels becaris que es descriuen a continuació. Tasca 1: (amb el suport del becari ETSETB) Durada: 9 mesos Tasca 1.1 Elaboració d’un temari interdisciplinari que reculli els aspectes de les diferents assignatures aplicades als sistema Bluetooth incloent aspectes de circuits electrònics, emissors i receptors de RF, xarxes de comunicacions i transmissió de veu i dades. Aquesta va ser la tasca inicial del projecte. L’objectiu ha estat preparar un temari multidisciplinar que, fent servir el Bluetooth com a fil conductor, permeti integrar coneixements d’aplicacions de transmissió de dades i veu, xarxes adhoc, sistemes de comunicacions sense fils, processament en bada base (encriptació, codis correctors d’errors, etc.), arquitectures i realització d’emissors i receptors de RF sobre silici i integració de tot el sistema en un sol xip (SoC). Els continguts bàsics del temari es van consensuar entre els professors sol·licitats i es va determinar un índex per el material que caldria elaborar. Aquest temari has estat revisat al llarg de la preparació del material. Cada professor ha facilitat els continguts o les referències bibliogràfiques per a la part del temari més relacionada amb la seva especialitat. El temari elaborat es resumeix a continuació 1 Què és Bluetooth ? 1.1 Historia 1.2 Estandardització 2 Protocol 2.1 Pila de protocols Bluetooth 2.2 Protocol RADIO (RF) 2.3 Protocol BANDA BASE 2.4 Protocol LINK MANAGER PROTOCOL (LMP) 2.5 Protocol Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) 2.6 Protocol de búsqueda de serveis ( SDP) 3 Implementació electrònica 3.1 Introducció 3.2 Partició hardware-software 3.3 Implementació dels mòduls Bluetooth 3.4 Implementació de la ràdio 3.5 Implementació de la banda base Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 3 - Tasca 1.2. Elaboració d’un material docent en format digital que doni suport a la formació en els continguts del temari esmentat en el punt anterior. El temari detallat a l’apartat anterior ha estat elaborat en format html i implementat com un web on es troben els continguts formatius i enllaços a altres materials d’interès que poden complementar la formació sobre aquesta material. L’estructuració del web s’ha fet pensant en l’aproximació al sistema Bluetooth des de dues vessants. La primera es centra en la descripció del protocol i en l’ús del mateix. La segona, detalla la implementació del sistema com a exemple de Sistema integrat en un Xip (SoC). D’aquesta manera es posa de manifest el marcat caràcter multidisciplinari que s’ha volgut donat a aquest projecte. El web ha estat elaborat per l’estudiant Ignacio Carra amb una beca finançada per l’E.T.S.E:T.B. dintre del programa de Projectes Específics de Docència amb una dedicació de 20 hores setmanals des del 15 de març del 2003 al 31 de juliol del 2003. El disseny del web s’ha fet de manera que sigui fàcil de fer servir. Tot el material proporcionat per els professors i trobat a la literatura ha estat reelaborat de forma gràfica per fer-ho més fàcil de visualitzar en una pantalla d’ordinador. La navegació es fa mitjançant botons i menús desplegables, podent anar en tot moment d’un lloc a l’altre i relacionant els aspectes funcionals del protocol amb la seva implementació. Les figures de la plana següent mostren la pantalla principal i la que dona accés als diferents nivells del protocol de forma gràfica. Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 4 - Figura 1: Plana principal del material docent en format digital sobre Bluetooth Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 5 - Figura 2: Plana d’accés a la descripció del protocol Bluetooth Tasca 2: (amb el suport del becari DURSI) Durada: 9 mesos Tasca 2.1. Incorporació a un laboratori docent existent dels recursos necessaris (mòduls Bluetooth i software de desenvolupament) per a que els estudiants puguin dissenyar aplicacions fent servir aquest sistema. Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 6 - El projecte elaborat té un marcat contingut experimental. S'ha volgut vol que els estudiants puguin treballar al laboratori aplicant els coneixements que han obtingut en les assignatures de la seva titulació (Telecomunicacions) particularitzades a l’estàndard Bluetooth. Per tal d’assolir aquest objectiu en el marc d’aquest projecte s’han adquirit els elements necessaris per complementar un laboratori ja existent (equipat amb equips informàtics, oscil·loscopis i altra instrumentació) amb el hardware i el software que permetin l’estudi i l’elaboració d’aplicacions amb l'estàndard Bluetooth formant xarxes sense fils, i també que permeti als professors de les diferents assignatures sol·licitants (i d’altres que vulguin fer servir el laboratori en el futur) la realització de demostracions o sessions pràctiques tipus tutorial. El gruix d’aquest equipament són una sèrie de mòduls Bluetooth que contenen els components físics (radio, banda base i control de l’enllaç) de l’estàndard. El laboratori s’ha dotat d’un total de 10 d’aquests mòduls adquirits a l’empresa Teleca que distribueix aquests anomenats kits de desenvolupament d’aplicacions Bluetooth fabricats per Ericsson. Els mòduls venen acompanyats d’una sèrie de llibreries on estan tots els nivells superiors de la pila de protocols Bluetooth i que ens prement desenvolupar aplicacions mitjançant els mòduls hardware. El software corre als PCs del laboratori i els mòduls es connecten a aquest fent servir un port RS232 o un port USB. La figura 3 mostra un d’aquest mòduls Bluetooth. Figura 3 Mòdul Bluetooth d’Ericsson Els mòduls anteriors permeten el desenvolupament d’aplicacions però no ens donen accés al hardware. Per tal de complementar el laboratori en aquest sentit, també s’ha adquirit un kit de desenvolupament de hardware. Aquest kit, mostrat a la figura 4, està composat per una sèrie de plaques i accessoris. A les plaques tenim una ràdio Bluetooth i els components (FPGA, microcontrolador, ASIC banda base) que ens permeten personalitzar la part més física del sistema. Figura 4 Kit de desenvolupament hardware Bluetooth Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 7 - Un altre complement al laboratori molt útil és una eina que ens permeti detectar els tràfic de la xarxa i descodificar els paquets, tot indicant a quin nivell del protocol pertanyen i quines dades o control s’està enviant en cada moment entre els nodes de la xarxa. Aquesta utilitat, anomenada sniffer (que podríem traduir per ‘rastrejador’) pot captar el tràfic a diferents llocs de la xarxa: pot capturar tràfic a l’aire (amb un receptor Bluetooth dedicat); també ho pot fer al cable que va del PC al mòdul Bluetooth, interceptant instruccions que les aplicacions del PC envien al mòduls però que no es tradueixen en cap transmissió a l’aire; i fins i tot pot capturar els missatges que, a dins del PC, els diferents mòduls de l’aplicació es passen entre si, és a dir, el tràfic intern de l’aplicació que passa d’un nivell del protocol a l’altre (veure Figura 5). Tota aquesta informació és presentada de forma gràfica per aquesta eina i és molt útil per a que els professors puguin il·lustrar amb exemples els processos més bàsics de les comunicacions, la formació de la xarxa, la configuració dels nodes i situacions específiques a les quals es pot trobar una xarxa Bluetooth (veure Figura 6). Aquesta eina ha estat adquirida a la companyia Frontline i s’anomena FTS-Bluetooth. Figura 5 Diferents possibilitats de capturar tràfic Bluetooth de l’sniffer FTSBluetooth Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 8 - Figura 6 Una de les pantalles de visualització de l’sniffer FTS-Bluetooth El material del laboratori s’ha completat amb una sèrie de perifèrics (càmeres, micròfons i altaveus, codecs de veu) que permetin desenvolupar aplicacions sobre Bluetooth amb transmissió de veu i imatges. La posada a punt, instal·lació i verificació de tots els elements del laboratori han estat dutes a terme per l’estudiant Iker Bilbao, amb una beca de nou mesos (de març del 2003 a desembre del 2003) amb una dedicació de 20 hores a la setmana finançada amb l’ajut concedit pel DURSI. Aquest becari ha estat també el responsable de l’elaboració del material de suport i els tutorials que es presenten a l’apartat següent. El material hardware i software s’ha adquirit amb la subvenció concedida pel DURSI i amb un ajut per a Projectes Específics de Docència de l’E.T.S.E.T.B. En tots els casos s’ha negociat amb els proveïdors i s’han aconseguit descomptes educatius, ja que en molts casos els preus d’aquestes eines quedaven fora de l’abast del finançament disponible en el projecte. Institut de Ciències de l’Educació – Universitat Politècnica de Catalunya – febrer 2005 - 9 -