Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation ...midas1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/Webdaten/Lehre/SS2016/Protokolle...Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2016

Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

KAPITEL 5: BLUETOOTHPROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION

KAPITEL 5: BLUETOOTH 141

1. Einleitung

BLUETOOTH

Standardisierung durch Bluetooth-SIG: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba, … – aktuell knapp 30.000 Mitglieder (laut www.bluetooth.com)

Anwendungen

Anbindung von Peripheriegeräten

Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer, Drucker…

Unterstützung von Ad-hoc-Netzwerken

kleine, billige Geräte

Verbindung von Netzwerken

beispielweise LTE über Handy - Bluetooth - Laptop

Einfacher, billiger Ersatz für IrDA

eingeschränkte Reichweite

relativ niedrige Datenraten

Bluetooth-

Piconetz

Sommersemester 2016



1. Einleitung

WER WAR BLUETOOTH

Harald II, genannt Blätand, (ca. 910 – 986)

König von Dänemark (940—981)

Vereinte im 10. Jahrhundert Dänemark und Norwegen

Synonym für fortschrittliches Denken

auf Basis eines großen Grundgedankens

In diesem Sinne:

Vereinigung führender Technologiefirmen

Verabschiedung eines weltweit anerkannten Standards


Quelle: https://s3.amazonaws.com/photos.geni.com/p6/4401/4063/53444836d0666b2f/350694_large.jpg

Sommersemester 2016

2. Der Bluetooth-Standard

DAS BLUETOOTH-SYSTEM

Transceiver sendet und empfängt Daten im

Bereich von 2,402 – 2,48 GHz (ISM-Band)

Link Controller

Baseband

Link Manager Protocol

Schnittstelle zum Gerät

Host Controller Interface HCI

Link Layer Control and Adaptation

Protocol L2CAP

Darüber beliebige Protokolle


Transceiver

Baseband

LMP

L2CAP

RFCOMMAudio

HCI

PPP

IP

UDP / TCP

WAP

WAE

OBEX

vCard/vCal AT-

Commands

TCS BIN

SDP

Sommersemester 2016




2. Der Bluetooth-Standard

BEGRIFFE

Master

Das Gerät, das eine Verbindung zu einem anderen Gerät aufbaut

Slave

Alle Geräte, die sich mit dem Master einen Kanal teilen

Piconetz

Eine Ansammlung von zwei bis acht Geräten, die sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves)

AM-Adresse (Active Member Address)

3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Piconetz

Sommersemester 2016


3. Bluetooth – Physikalische Schnittstelle

LUFTSCHNITTSTELLE

ISM-Band: 2,402 – 2,48 GHz

Weltweit lizenzfrei verwendbar (Ausnahmen: Frankreich, Japan, Spanien)

Interferenzen mit anderen Nutzern möglich (Garagenöffner, Mikrowelle, etc.)

Frequency Hopping Spread Spectrum

79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz

1600 Sprünge pro Sekunde

GFSK-Modulation (Gaussian-shaped Frequency Shift Keying)

Time Division Duplex

Übertragung von Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zeitlich getrennt

Slot-Länge 625 ms

Für jeden Slot wird eine andere Frequenz verwendet

Datenrate: 1 – 24 Mbit/s (incl. Header), geplant: bis zu 480 Mbit/s mit UWB

Reichweite: 10 cm bis 10 m bei 0 dBm Sendeleistung, erweiterbar auf 100 m

Master

Slave

f1 f2 f3

625ms

Sommersemester 2016





PAKETFORMAT

Access Code: eindeutig für jeden Kanal, da aus der ID des Master gewonnen

AM_Addr: 3 bit lange, temporäre Adresse der aktiven Teilnehmer (Active Member) an einem Piconetz (immer die

des Slaves)

Type: Pakettyp

Flow: Flusskontrolle

ARQN: Automatic Repeat Request zur Übertragungswiederholung

SEQN: Sequenznummer

HEC: Header Error Check (Vorwärtsfehlerkorrektur mit der Rate von 1/3)

Access

Code

Packet

HeaderNutzdaten (0 — 2745 bit)

AM_Addr Type Flow ARQN SEQN HEC

3 4 1 1 1 8

Sommersemester 2016


KANÄLE DER LUFTSCHNITTSTELLE

Zwei Kanaltypen:

Synchronous Connection-Oriented (SCO)

Bis zu drei synchrone Sprachkanäle mit 64 kbit/s bidirektional verfügbar

In festen Intervallen werden zwei Slots reserviert (einer für Vorwärts-, einer für Rückrichtung)

Asynchronous ConnectionLess (ACL)

Symmetrisch oder asymmetrisch

Paketvermittelt

Punkt-zu-Mehrpunkt

Für Datenübertragung

Master kontrolliert den Kanal durch (implizites) Polling

KAPITEL 5: BLUETOOTH 147Sommersemester 2016




DATENRATEN AUF EINEM DCL-LINK

Typ Symmetrisch Asymmetrisch

DM1 108,8 kbit/s 108,8 kbit/s 108,8 kbit/s

DH1 172,8 kbit/s 172,8 kbit/s 172,8 kbit/s






DMx: x-Slots und FEC mit Rate 2/3

DHx: x-Slots ohne Fehlerschutz

Bei x-Slots (x>1) muss Access Code und Header nur

einmal übertragen werden, die Frequenz wird während

des gesamten Pakets beibehaltenSommersemester 2016


FEHLERSCHUTZ

Vorwärtsfehlerkorrektur

Bit Repeat Code mit Rate 1/3

Shortened Hamming Code mit Rate 2/3

Generator-Polynom: g(D) = (D+1)(D4 + D + 1)


b0 b0 b0 b1 b1 b1 b2 b2 b2

+ ++

Daten

D0 D2 D4 D5

Sommersemester 2016




ARQ

Automatic Repeat Request:

Jedes Paket wird im nächsten Slot bestätigt (ARQN=1) oder als fehlerhaft empfangen (ARQN=0)

gekennzeichnet.

Bei einer fehlerhaften Sendung wird das Paket mit der gleichen Sequenznummer wiederholt.


Master

Slave 1

Slave 2

A B B X C

G F H

Z Z

NAK ACKSommersemester 2016


4. Bluetooth –Vernetzung

SCATTERNETS

Jedes Piconetz hat einen Master und bis zu 7 weitere Knoten

Der Master bestimmt die hopping sequence, die anderen Knoten müssen darauf synchronisieren

Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence

Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten,

die zwischen Piconetzen hin- und herspringen

PiconetzeSommersemester 2016




SYNCHRONISIERUNG IN EINEM PICONETZ

Die Sprungfrequenz wird von einer Sprungsequenz der der aktuellen Phase bestimmt.

Die Sprungsequenz berechnet sich ihrerseits aus der ID des Masters


Clock +

Offset

Phase

Sequenz

Master ID

Sprung

Sommersemester 2016



VERBINDUNGSAUFBAU

Von 79 Frequenzen sind 32 als Wake-Up-Frequenzen definiert.

Die Wake-Up-Frequenzen hängen vom Gerät selbst ab.

Im Stand-By hört jedes Gerät diese 32 Frequenzen nach einer PAGE-Message ab, die einen korrekten

Access Code enthalten muss.

Um den Access Code bestimmen zu können, der von der Geräte-ID abhängt, ist ein ”Inquiry”-

Verfahren definiert.

Mit diesem Verfahren kann auch ermittelt werden, wer sich alles in Sendereichweite aufhält.

Für ein Inquiry wird ein spezielle Access Code verwendet, der quasi einem Rundruf entspricht.

Sommersemester 2016





VERBINDUNGSAUFBAU – ABLAUF

Paging Unit Standby Unit

Daten

Inquiry

Paging

Verbindung

aufgebaut

Neue

Sprungsequenz

Sommersemester 2016


DATENSCHUTZ

Zum Abhörschutz einer Verbindung: ”Stream Cipher”-Verfahren

Der Klartext wird bitweise mit einem Schlüsselstrom verknüpft.

Der Schlüsselstrom wird aus der Bluetooth-Geräte-ID, einem privaten Schlüssel und einer Zufallszahl

ermittelt.

Zusätzlich Authentifizierung des Kommunikationspartners mit einem Challenge-Response-Verfahren

möglich


Handy LapTop

Geräte-ID

SchlüsselZuf.zahl

Algorithmus

Ergebnis

Vergleich

Geräte-IDSchlüssel

Algorithmus

Ergebnis

Challenge

Response

Sommersemester 2016



5. Bluetooth – Höhere Schichten

DIE SCHNITTSTELLE ZWISCHEN BLUETOOTH UND HOST

Host Control Interface

Link Layer Control and Adaptation Protocol (L2CAP)

Protokollmultiplex: Adaption höherer Protokolle an das Bluetooth-Baseband

Verbindungsorientiert oder verbindungslos, allerdings keine Unterstützung von SCO-Kanälen

Segmentieren

Reassemblieren

Dienstgüte

Bis zu 64 kbyte lange Datenpakete



PROTOKOLLE

Telephony Control Protocol

Telephony Control Protocol Binary TCS BIN

Bitorientiertes Protokoll zum Aufbau von

Sprach- und Datenverbindungen zwischen

Bluetooth-Geräten

Mobilitätsmanagement für Gerätegruppen

Telephony Control AT Commands

Basis: ITU-T V.250 und ETS 300 916

(GSM 07.07)

Zusätzlich Befehle für Fax-Dienste

Cable Replacement Protocol RFCOMM

Emulation einer seriellen Leitung gemäß

ETSI 07.10

Nachbildung von RS 232

Angepasste Protokolle

PPP zum Ablauf über RFCOMM

TCP/UDP/IP Definition einer Brücke

zwischen Bluetooth und Internet

OBEX zum Austausch von Objekten

WAP





PROFILE

Profile = Schnittstellenspezifikation, also Beschreibung der Funktionalität des Bluetooth-Geräts

Zur Kommunikation zwischen zwei Bluetooth-Geräten müssen die Profile kompatibel sein

Beispiele:

Generic Access Profile (GAP) Grundlegendes Profile zum Entdecken von und Verbinden mit anderen Bluetooth-Geräten

Generic Object Exchange Profile OBEX

File Transfer Profile (FTP) Übertragung von Dateien zwischen Bluetooth-Geräten

Dial-up Networking Profile (DUN) Einwählen in das Internet

Basic Imaging Profile (BIP) Senden und Anpassen von Bildern zwischen Bluetooth-Geräten

Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Streaming von Audio

SIM Access Profile (SAP, SIM, rSAP) Zugriff vom Auto auf die SIM in einem Bluetooth-Handy

…

Sommersemester 2016KAPITEL 5: BLUETOOTH 158


ANWENDUNGSBEISPIEL FILETRANSFER

Übertragung von Datenobjekten (*.xls, *.ppt, *.wav, *.jpg, *.doc, ...) von einem Gerät (PC, Smart-Phone, PDA) zu

einem anderen.

Datenobjekte können auch ganze Ordner oder Streaming Media sein.

Möglich wird dadurch auch das Anzeigen des Inhaltes von Ordnern auf einem entfernten Gerät.

Zusätzlich können Push-Operationen realisiert werden.

Aufbau des Protokollstapels:


Filetransfer-Anwendung

OBEX

RFCOMM

SDP

L2CAP

Service

Discovery

Protocol

Sommersemester 2016




ANWENDUNGSBEISPIEL HEADSET

Drahtlose Anbindung eines Headsets an ein Handy oder an einen Rechner:

Der Audiostrom geht direkt vom Baseband zum Lautsprecher / Mikrofon und umgeht somit L2CAP.

Mit dem Headset können über AT-Commands ankommende Gespräche angenommen oder die Verbindung

terminiert werden, ohne dass manuell am eigentlichen Telefonapparat eingegriffen werden muss.


Headset-Anwendung

AT-Commands

RFCOMM

SDP

L2CAP

Audio

Sommersemester 2016

6. Bluetooth –Versionen

VERSIONEN 1 UND 2

Bluetooth 1

Bluetooth 1.0 und 1.0B

maximale Datenübertragungsrate von

723,2 kBit/s.

Bluetooth 1.1

Neu: Radio Signal Strength Indicator (RSSI).

Bluetooth 1.2

Neu: Adaptive Frequency-Hopping Spread

Spectrum (AFH).

neue Pakettypen für synchrone Übertragung

(eSCO).

Bluetooth 2

Bluetooth 2.0 + EDR

etwa dreifache Datenübertragungs-

geschwindigkeit durch Enhanced Data Rate

(EDR) mit maximal 2,1 Mbit/s.

v2.0 + EDR ist abwärtskompatibel.

Spezifikation im November 2004 veröffentlicht.

Bluetooth 2.1 + EDR

neue Features wie Secure Simple Pairing, QoS.

Spezifikation im August 2007 verabschiedet.





VERSIONEN 3 UND 4

Bluetooth 3

Bluetooth 3.0

Übertragungsrate bis zu 24 MBit/s.

Spezifikation im April 2009 verabschiedet.

Ursprüngliche Idee, UWB zu verwenden, wurde

wieder fallen gelassen.

Bluetooth 4

Bluetooth 4.0

im Dezember 2009 verabschiedet.

Verbindungsaufbau innerhalb von weniger als fünf

Millisekunden über eine Entfernung von bis zu

100 Metern

Reduzierung des Stromverbrauchs.

Bluetooth 4.2

Verabschiedet im Dezember 2014

2 Versionen:

Basic Rate (BR) und Low Energy (LE)



BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)

Anderer Name: Bluetooth Smart

Nicht kompatibel zu früheren Bluetooth-Standards (Bluetooth Classic)

Datenrate: 1 Mbit/s brutto, 0,27 Mbit/s für Anwendung

3 ms Zeit zum Senden von Daten

Energieverbrauch 0,01 bis 0,5 W, je nach Nutzungsszenario

Batterielaufzeit mehrere Monate bis Jahre




7. VERGLEICH BLUETOOTH – IRDA – WIRELESS LAN

Bluetooth IrDA Wireless LAN

VerbindungsartPunkt zu Punkt,

Punkt zu Mehrpunkt

Punkt zu Punkt

Punkt zu Mehrpunkt

Punkt zu Punkt,

Punkt zu Mehrpunkt

Übertragungsrate 0,7 Mbit/s … 24 Mbit/s 4 Mbit/s … 1 Gbit/s 2 … 600 Mbit/s

Übertragungsdistanz (ca.) 10 (– 100) m 1 m 300 m

Übertragungsumkreis Omnidirektional 30°Winkel Omnidirektional

Anzahl unterstützter

Geräte8

2

(P2MP optional....)256

Sicherheitsmaßnahmen Hardwareebene Softwareebene Hardwareebene

HW/SW-Unterstützung Breit Abnehmend… Breit



LITERATUR

IEEE (2005): Standard for Information Technology 802.15.1-2005: Wireless Medium Access Control (MAC) and

Physical Layer (PHY) specifications forWireless Personal Area Networks (WPAN).

Lee, Jin-Shyan; Su, Yu-Wei; Shen, Chung-Chou (2007): A Comparative Study of Wireless Protocols:Bluetooth,

UWB, ZigBee andWi-Fi. In: 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON 2007. Taipei,

China, November 5-8. IEEE, S. 46–51.

Roth, Jörg (2005): Mobile Computing. Grundlagen, Technik, Konzepte. 2., aktualisierte Auflage. Heidelberg: dpunkt-

Verlag (dpunkt.Lehrbuch).

Schiller, Jochen (2003): Mobilkommunikation. 2., überarbeitete Auflage. München: Pearson-Studium (Pearson

Studium Informatik).(Vielen Dank für die Überlassung der Folien)

Sommersemester 2016

Documents

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation ...midas1.e-technik.tu-ilmenau.de/~webkn/Webdaten/Lehre/SS2016/Protokolle...Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester