Modelado del retardo de transmisión en Bluetooth 2.0 + EDR - Luque-Giráldez, José Rafael (Universidad de Málaga, Servicio de Publicaciones, 2010)
El objetivo principal de la presente tesis ha sido modelar el retardo de transmisión para el perfil de puerto serie SPP (Serial Port Profile) en Bluetooth 2.0 + EDR, tanto para el modo básico, compatible con Bluetooth 1.1, como para el modo EDR (Enhanced Data Rate). El estudio desarrollado ha consistido en formular expresiones matemáticas para calcular el retardo de transmisión, en los sentidos maestro-esclavo y esclavo-maestro. La estimación teórica del retardo de transmisión se ha llevado a cabo, en primer lugar, asumiendo condiciones ideales, es decir, considerando que no se producen retransmisiones a nivel Baseband, para a continuación extender el modelo considerando el efecto de las posibles pérdidas en las transmisiones. Posteriormente, la validación empírica del modelo desarrollado se ha llevado a cabo en una piconet Bluetooth utilizando la pila de protocolos BlueZ. En el caso de la evaluación del modelo sin considerar la ocurrencia de retransmisiones, se han empleado dispositivos reales con interfaz USB (Universal Serial Bus) de distintos fabricantes de gran implantación en productos Bluetooth comerciales: CSR (Cambridge Silicon Radio), ISS (Integrated System Solution Corp.) y Broadcom Corporation. Para los dispositivos CSR se ha realizado un análisis exhaustivo, comparando el retardo previsto teóricamente con el obtenido empíricamente e introduciendo las correcciones necesarias para contemplar dos fenómenos que distorsionan el retardo medido, y enmascaran la validez del modelo formulado: el efecto de la capa de transporte y de la fragmentación según el tamaño de los buffers del dispositivo. En este sentido, a partir del estudio empírico de estos dos efectos, se ha podido concluir que: 1. El retardo asociado a la capa de transporte HCTL (Host Controller Transport Layer) USB resulta ser independiente del sentido de transmisión, y está presente tanto en dispositivos Bluetooth 2.0+ EDR con versión de firmware 0x7a6 y 0xc5c, como en dispositivos Bluetooth 2.1 + EDR. 2. El retardo introducido por la fragmentación realizada de acuerdo con el tamaño de los buffers del dispositivo es un efecto que tiene lugar tanto en el modo básico como en el modo EDR, para el sentido de transmisión maestro-esclavo, y en dispositivos Bluetooth 2.0 + EDR, a partir de la versión de firmware 0xc5c. Así, para evaluar el efecto sobre el retardo de la transferencia USB y, por ende, constatar la validez del modelo, ha sido necesario caracterizar la capa de transporte HCTL. Como resultado de este análisis se ha obtenido empíricamente una expresión matemática que aproxima el retardo registrado introducido por la capa de transporte, que ha sido integrada en el modelo original con resultados satisfactorios. Sin embargo, para los dispositivos ISS y Broadcom Corporation, el análisis no ha podido ser tan detallado, debido a que no se disponen de las mismas herramientas que en el caso de CSR y a que se ha comprobado que los propios dispositivos no funcionan correctamente en todos los casos. Una vez ratificada la utilidad del modelo asumiendo condiciones ideales (sin retransmisiones), teniendo en cuenta el hecho de que Bluetooth opera en la banda ISM, compartida con otras tecnologías inalámbricas (tales como ZigBee o Wi-Fi), se ha considerado que los escenarios sin pérdidas resultan ser poco realistas para la mayoría de las aplicaciones. Por consiguiente, se ha completado el modelo con el fin de contemplar el efecto de las retransmisiones en el cálculo del retardo asociado al perfil SPP. La extensión se ha llevado a cabo para el modo de operación básico (modo por defecto) del protocolo L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), en el que no se realizan retransmisiones a nivel L2CAP y que es el que generalmente se utiliza en las aplicaciones de Bluetooth, debido a que garantiza la interoperatividad con versiones anteriores a Bluetooth 2.0 + EDR. Así pues, el objetivo perseguido ha sido incorporar el efecto de las retransmisiones a nivel Baseband en el cálculo del retardo. Tanto la formulación del modelo como su validación, realizada empíricamente, se han llevado a cabo determinando el retardo de transmisión a partir de la tasa de error de bit (BER, Bit Error Rate), para cada una de las modulaciones Bluetooth, en función de la relación señal/ruido, SNR (Signal-to-Noise Ratio), asumiendo para ello que el canal de transmisión Bluetooth se puede modelar como un canal de ruido blanco gaussiano (AWGN, Additive White Gaussian Noise), es decir, considerando que el efecto del ruido es equivalente a la adición de ruido gaussiano de potencia constante en la banda considerada. Para la validación del modelo considerando el efecto de las retransmisiones, se han empleado dispositivos del fabricante CSR y se ha diseñado un escenario que permite reproducir empíricamente el modelo de canal gaussiano propuesto teóricamente, utilizando un generador de ruido y atenuadores. De esta forma se consigue que las transmisiones entre dos dispositivos Bluetooth se vean afectadas por un factor de atenuación y la adición de un nivel de ruido blanco gaussiano. En las condiciones indicadas, para diferentes valores de relación SNR se ha medido la tasa BER, comparándola con la prevista teóricamente a partir de la relación SNR impuesta. La comparación del retardo medido con el retardo calculado analíticamente a partir de la tasa BER medida en distintos casos, ha permitido demostrar el buen ajuste del modelo propuesto a la hora de predecir el retardo de las transmisiones a partir de la relación SNR existente.
Keywords: Datos - Transmisión - Tesis doctorales; Tecnología Bluetooth - Tesis doctorales