Il Bluetooth è una tecnologia rivoluzionaria per connessioni dati, audio e video senza fili, a corto raggio e in piena sicurezza. È utile per eliminare il cavo USB da tastiere, mouse e controller, far dialogare lo smartphone con lo smartwatch, per la smart home, la localizzazione di oggetti, le chiamate in vivavoce e la musica wireless Hi-Fi. Scopriamo come funziona, perché è diversa dal Wi-Fi, quali sono le prestazioni e le peculiarità delle varie classi di potenza, dei profili e delle versioni.
C’era una volta il re vichingo Harald Blåtand che viveva in Danimarca e che, intorno all’anno 1000, riuscì a portare la cristianità in Scandinavia e ad unificare i regni di Danimarca e Norvegia.
Le gesta di Harald sono state di ispirazione per l’azienda svedese Ericsson nello sviluppo, avvenuto nei primi anni ’90, di una nuova tecnologia di comunicazione senza fili e a corto raggio compatibile con qualsiasi marca, modello e tipologia di dispositivo.
Come sicuramente avrete capito ci riferiamo al Bluetooth, termine anglofono che deriva proprio dallo scandinavo Blåtand (Dente Blu in italiano) e che incarna perfettamente l’idea di unificazione e comunicazione tra mondi, sistemi, marchi e prodotti diversi, in modo semplice, economico e con la massima libertà (cioè senza cavi). Non a caso il logo Bluetooth è composto dalle antiche rune germaniche ᚼ e ᛒ che corrispondono alle iniziali di Harald Blåtand (HB).
L’origine del progetto Bluetooth risale al 1994 quando Ericsson lancia una campagna di ricerca per studiare interfacce radio a basso costo e consumo, destinate a collegare i telefoni cellulari con altri dispositivi del mondo digitale. Nel 1998 il progetto decolla grazie al supporto di vari partner tecnologici come Nokia, IBM, Toshiba e Intel con i quali viene costituito il Bluetooth SIG (Special Interest Group).
Nel corso degli anni il gruppo d’interesse è cresciuto fino a includere oltre 30000 aziende associate che partecipano ai vari gruppi di lavoro, producono i documenti di standardizzazione, sovrintendono al processo di qualificazione per nuovi prodotti e promuovono la tecnologia Bluetooth in tutto il mondo.
Come funziona il Bluetooth
La tecnologia Bluetooth rappresenta per alcuni versi l’evoluzione del protocollo IrDA per la trasmissione di dati senza fili tramite raggi infrarossi (es.: telecomando).
Mentre quest’ultima, però, ha una diffusione limitata a pochi metri e concentrata in un raggio ristretto, il Bluetooth riesce a coprire distanze fino a 100 metri a 360° grazie alla ricetrasmissione radio a 2,45 GHz (più precisamente 2,402-2,480 GHz in banda ISM senza licenza), ovvero la stessa utilizzata dal Wi-Fi.
Il Bluetooth non è una tecnologia alternativa al Wi-Fi ma complementare perché si occupa principalmente delle comunicazioni a corto raggio per lo scambio di quantità limitate di dati (es.: sincronizzazione smartwatch, controllo domotica, localizzazione, comunicazione tra apparecchi elettromedicali smart e smartphone, ecc.), la ricetrasmissione audio (es.: auricolari wireless, vivavoce in auto, ecc.) ed altre necessità.
La rete creata dal Bluetooth è definita come Personal Area Network (PAN) mentre quella del Wi-Fi si chiama Local Area Network (LAN). In un certo senso il Bluetooth può essere paragonato al bus USB mentre il Wi-Fi alla rete Ethernet.
La connessione e lo scambio dati nella PAN avviene solitamente tra due dispositivi (punto-punto – ad esempio tra cuffia wireless e smartphone oppure Smart TV) ma lo standard Bluetooth supporta anche le connessioni multiple fino ad un massimo di 8 dispositivi (multi-punto – es.: smartwatch, vivavoce audio e controller connessi allo stesso smartphone).
La rete Bluetooth (chiamata anche piconet) utilizza protocolli a commutazione di pacchetto con architettura master-slave simile a quella server-client su cui si basa internet. Lo scambio dei dati avviene a intervalli di tempo predeterminati e cadenzati (pari/dispari) dal dispositivo master che crea la rete BT così da evitare collisioni e rallentamenti.
I punti di forza della tecnologia Bluetooth sono i bassi consumi energetici (requisito fondamentale per i dispositivi portatili e indossabili alimentati a batteria), la robustezza dei collegamenti e l’elevata resistenza alle interferenze ottenuta grazie alla suddivisione della banda in 79 canali sui quali si verificano 1600 commutazioni al secondo tramite la tecnica Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) che amplia lo spettro di trasmissione del segnale.
Connessione e pairing con codice di sicurezza
Ogni apparecchio che supporta il Bluetooth possiede un indirizzo univoco, cioè diverso da tutti gli altri, chiamato MAC (Media Access Control) e composto da 6 byte (es.: 0A:93:BC:6B:1E:73), esattamente come Wi-Fi, Ethernet, ecc.
Per connettere tra loro due dispositivi Bluetooth è necessario che quello “master” (es.: smartphone) abiliti la ricerca degli altri dispositivi nelle vicinanze, tramite pulsante fisico/virtuale o menu impostazioni, e che lo “slave” (es.: smartwatch, autoradio, ecc.) accetti la richiesta di accoppiamento (pairing).
Per ragioni di sicurezza la connessione può richiedere un PIN da digitare o semplicemente confrontare sui due display. Il codice e la registrazione rimangono validi anche per le successive connessioni, da effettuare manualmente oppure automaticamente quando i due dispositivi sono già salvati in elenco, si trovano nel raggio di accoppiamento e la rete Bluetooth è attiva.
Codec per collegamenti audio e video senza fili
Come anticipato il Bluetooth supporta anche il trasferimento di flussi digitali audio e video a corto raggio per cuffie e auricolari wireless, speaker portatili, soundbar, sistemi vivavoce per veicoli, telecamere di sorveglianza, ecc.
Per gestire al meglio le comunicazioni multimediali si utilizzano i codec (COdificatori-DECodificatori), ovvero software che codificano il segnale audio/video dal lato “sorgente” (player) e lo decodificano sul dispositivo “destinatario”.
Nel caso del Bluetooth la sorgente è un qualsiasi dispositivo che genera un contenuto audio/video, ad esempio lo smartphone che riproduce un brano di Spotify oppure un video girato con la fotocamera. I dispositivi destinatari sono invece quelli utilizzati per ascoltare e/o vedere il contenuto multimediale (cuffie, altoparlanti, ecc.).
Tra i codec audio più utilizzati nelle comunicazioni Bluetooth troviamo SBC (codec base e universale), LC3/LC3 Plus, aptX e LDAC. Per maggiori informazioni cliccate qui.
In ambito video (Video Distribution Profile – VDP) si utilizzano i codec H.263 baseline, MPEG-4 Visual, H.263 profile 3 e H.263 profile 8.
Profili Bluetooth, vediamoci chiaro
I profili Bluetooth identificano le applicazioni e le funzionalità supportate da ogni dispositivo, ad esempio le comunicazioni vivavoce (es.: auricolare o autoradio), il controllo da remoto del dispositivo master da quello slave (es.: speaker Bluetooth che skippa e mette in pausa i brani in streaming sullo smartphone), ecc.
Per il corretto funzionamento è necessario che l’applicazione venga supportata da entrambi i dispositivi master-slave. Di seguito trovate un breve elenco dei principali profili Bluetooth con la funzione associata. Per maggiori info cliccate qui.
A2DP – Advanced Audio Distribution Profile
Trasmissione audio di alta qualità (anche stereo) da smartphone, tablet e lettori multimediali a auricolari, cuffie, speaker, ecc.;
HSP – Headset Profile
Trasmissione audio di bassa qualità da smartphone, tablet, PC ad auricolari, cuffie, sistemi vivavoce, ecc.;
HFP – Hands-Free Profile
Trasmissione audio di bassa qualità da smartphone e tablet a auricolari, cuffie, speaker, sistemi vivavoce per auto, ecc. A differenza dell’HSP supporta i comandi vocali;
AVRCP – Audio/Video Remote Control Profile
Controllo remoto (play, pausa, skip, ecc.) di smartphone, Smart TV, lettori multimediali e PC da dispositivi audio/video come smart display, cuffie, speaker, ecc.;
PBA – Phonebook Access Profile
Trasferimento dati rubrica contatti tra smartphone e sistemi vivavoce, autoradio, infotainment, ecc.;
OBEX – Object Exchange Profile
Scambio dati generico tra due dispositivi (smartphone, tablet, PC, ecc.);
BIP – Basic Imaging Profile
Trasmissione di immagini da smartphone, fotocamere e altri dispositivi a stampanti, monitor, ecc.;
VDP – Video Distribution Profile
Trasmissione di segnali video tra dispositivi compatibili (videocamere, telecamere sorveglianza, smartphone, PC, ecc.);
HID – Human Interface Device Profile
Collegamento dati tra dispositivi (smartphone, tablet, PC, ecc.) e controller (mouse, tastiere, ecc.);
BPP – Basic Printing Profile
Collegamento wireless Bluetooth tra smartphone, tablet, PC e stampanti compatibili.
Da 1 a 100 metri di copertura radio
Il Bluetooth SIG ha definito tre classi di potenza per i chip BT integrati nei dispositivi caratterizzati da portate (coperture), velocità di trasferimento dati e ambiti applicativi differenti.
I chip con potenza massima di trasmissione pari a 100 mW (milliwatt) rientrano nella Classe 1 e assicurano una portata massima di 100 metri in aree interne (es.: appartamento) e 200 metri all’esterno. Si trovano in PC (desktop, notebook, ecc.) e altri dispositivi per la creazione di reti PAN ad ampia copertura (praticamente LAN).
Alla Classe 2 (2,5 mW) fanno parte numerosi dispositivi come smartphone, tablet, PC, adattatori USB e molti altri con copertura massima di 10 metri in interno e 50 metri in esterno mentre la Classe 3 (1 mW con portata di fino a 10 metri) è la più diffusa (insieme alla 2) tra i dispositivi indossabili come auricolari, cuffie, smartwatch, ecc.
La portata massima può essere estesa anche nelle classi più alte (come 2 e 3) grazie alle tecnologie e alle funzionalità presenti nelle versioni Bluetooth più recenti (vedi sotto), all’utilizzo di antenne ad alta efficienza, ecc.
Versioni Bluetooth: funzionalità e prestazioni a confronto
Nel corso degli anni il Bluetooth ha ricevuto importanti migliorie e nuove funzionalità che gli hanno permesso di estendere la sua presenza a quasi tutti i dispositivi informatici, audio, video ed anche domotici (IoT).
Le versioni 1.0 e 1.0B apparse agli albori della roadmap (1999) avevano capacità limitate (solo 1 Mbps di trasferimento dati), problemi di incompatibilità tra brand differenti e di sicurezza.
Dalla versione 1.1 di inizio 2001 ma soprattutto dalla 1.2 di fine 2003 sono state introdotte diverse novità come l’Adaptive Frequency Hopping (AFH) per una maggior resistenza alle interferenze, la modalità di trasmissione ad alta velocità, il rilevatore della qualità del segnale e l’accesso alle informazioni di sincronizzazione per le applicazioni BT.
Con le versioni 2.0/2.1 + EDR del 2004/2007 sono state introdotte tante altre novità come la crittografia, la trasmissione multicast/broadcast, la tecnologia Enhanced Data Rate (velocità fino a 3 Mbps) e il Secure Simple Pairing (SSP) per accoppiamenti più rapidi (senza obbligo di PIN) e ad alta sicurezza.
Il vero salto di qualità e prestazioni è però avvenuto a fine 2009 con la versione 4.0 dotata di funzionalità opzionali di risparmio energetico (LE – Low Energy) che ha permesso lo sviluppo di nuovi dispositivi smart portatili e indossabili alimentati con batteria a bassa capacità (auricolari, smartwatch, sensori ambientali e sicurezza, apparecchi elettromedicali, ecc.).
La velocità è cresciuta fino a 24/25 Mbps (1 Mbps in modalità LE) mentre i meccanismi di correzione dell’errore e di cifratura sono stati potenziati (AES-128).
La versione 5.0, lanciata nel 2016 e ormai presente su quasi tutti i dispositivi Bluetooth attualmente in commercio, ha ampliato di 4 volte l’area di trasmissione a parità di consumi energetici (portata fino a 200 metri) spianando la strada alla smart home e ai dispositivi IoT, di 8 volte la capacità di trasmissione, raddoppiato la velocità (50 Mbps massimi, 2 Mbps in LE) e introdotto una nuova tecnica di individuazione ed eliminazione delle interferenze.
La versione 5.1 ha nettamente migliorato le prestazioni dei localizzatori Bluetooth stand-alone (Tile, Filo, ecc.) e integrati in altri dispositivi (come gli auricolari AirPods) grazie alla maggior precisione (alcuni metri) e al nuovo algoritmo capace di calcolare la distanza e la direzione tra due dispositivi compatibili.
Da segnalare anche la funzione Dual Audio per collegare e gestire due auricolari o speaker dalla stessa sorgente (condivisione tra amici o riproduzione stereo).
La versione 5.2 del 2020 si focalizza sui miglioramenti audio introducendo, ad esempio, il profilo LE Audio (Low Energy Audio) con codec LC3 per una riproduzione di alta qualità con bassi consumi energetici e la gestione audio multi-flusso sincronizzata per auricolari e cuffie TWA (True Wireless Audio – canale sx/dx collegati direttamente alla sorgente).
Nella versione 5.3 del 2021 sono stati perfezionati i controlli delle chiavi di crittografia (soprattutto nei dispositivi IoT), aggiunte la funzione Periodic Advertising per ignorare i pacchetti dati ridondanti e la classificazione dei canali di trasmissione a tutto vantaggio della velocità e del consumo energetico.
Con la versione 5.4 presentata lo scorso febbraio e in arrivo sul mercato nel 2024 sono previsti ulteriori e significativi miglioramenti in termini di velocità, qualità audio (latenza a meno di 20 ms), portata, risparmio energetico, versatilità e sicurezza anche in ambito commerciale (etichette elettroniche da scaffale, pagamenti, ecc.).
