Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien ... · Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba aktuell über 1800 Firmen (“Bluetooth adopter companies”)

Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS06/07

Michael BeiglTU BraunschweigInstitute of Operating Systemsand Computer Networkswww.ibr.cs.tu-bs.de/dus

Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-2

ÜbersichtVorlesung Ubicomp

Geräte und UmgebungenCommunication

GrundlagenKabelgebundene KommunikationKabellose KommunikationKommunikation SensorknotenMiddleware

ContextHCI

KabellosIrDA


IrDA Infrarot-Datenübertragung

InfrarotkommunikationRichtcharakteristikRäume als natürliche GrenzenBsp: ActiveBadge, ParcTab(ACHTUNG: kein IrDA)aber: AbschattungsproblemeLsg: diffuses Infrarot, Nutzung vonReflektion Nachteil: niedrige Bandbreite

IrDA: Infrared Data AssociationIrDA DATA: Standard für Punkt-zu-Punkt Infrarot-Kommunikation kurze Distanz (1,5m+), 30°(60) Kegel für gerichtete Kommunikation

Link-Länge0-1.5 m

Ausrichtungerforderlich!

Gerät 2Gerät 1

Keine Ausrichtungerforderlich!



IrDA als Beispiel für typ. Netzwerk in Ubicomp

Rahmenbedingung IrDAgerichtete Kommunikationspezifizierte Ausbreitung: 30 Grad Halbwinkel, 2mGrund: Aufbau eines "Piconetzes" sollte ermöglicht werdenunerwünschte Einflüsse, insbesondere Reflexion, mussten vermieden werden


IrDA Anwendunginitiale Anwendung: Kommunikation zwischen Host und Peripherie (Drucker, Maus, Tastatur,...)

Kabeleliminierungheute Standard in mobilen Rechnern / PDAs / Appliances„Point-and-shoot“-Anwendungen

z.B. von Digitaler Kamera auf den Druckerz.B. von PDA zu PDA: Visitenkarten austauschen

Nutzung der Richt-charakteristik zur Auswahl

2000: 170 Mio. Geräte


120 MioEinheiten

1997 20022000


IrDA für die Werbung

Quelle in Deutschland, Service von T-Mobile, Technologie von Accinity:


IrDA für Erinnerung

Dsolution/AccinityIdee: Automatische Eintrag eines Addresseintrags in das Telefonbuch

AusführungInfrarotport muss aktiviert seinMobiltelefon wird in Richtung des Accinity marketEye gehaltenMobiltelefon wird aufgefordert, eigene Telefonnummer zu übermittenMobiltelefon wird aufgefordert eine von marketEye ermittelte SMS an eine bestimmte Telefonaddresse (Accinity-Server) zu senden. Diese beinhaltet das Datum der ErinnerungDer Accinity-Server sendet dann eine Erinnerung an dem Datum

VorteilKeine Interaktion mit dem Computersystem notwendig: Technologie regelt automatisch den DatenaustauschEingetragenes Datum ergibt sich aus Kontext


Preis

Entnommen aus Dsolution-Slides

Systemkosten

Einmalige Bereitstellung:Systemeinrichtung inkl. Hardwareversendung 150,00 EUR

Monatliche Benutzergebühr: 24,90 EUR

Laufzeit 24 Monate

Kosten SMS Versand:Kosten pro Versendete SMS 0,12 EUR

Kosten RegistrierungDie Kosten für die Systemregistrierung trägt Ihr Kunde.

Preise zuzügl. der gesetzlichen Umsatzsteuer.

Aktive Patientenbindung


IrDA Steuerung: Sicherheit

Accinity benutzt AT (Modem) Kommandos Diese werden über die IrComm Schnittstelle übermittelt (Emulation der seriellen Schnittstelle in IrDA)Sicherheit beruht auf

marketEye Programmierer/Anbieter ist vertrauenswürdigDas Gerät ist nicht manipuliertIrDA Port wird sofort wieder abgeschaltet (ansonsten ist der AT-Befehlzugriff für jedermann möglich

Nutzungsproblem ist die z.T. umständliche Aktivierung des IrDA Ports

Macht den Vorteil in der Bedienbarkeit wieder zunichte



IrTran-P IrLANIrObex IrComm IrMC

LM-IAS Tiny Transport Protocol – Tiny TP

Ir Link Management Protocol - MUX - IrLMP

Ir Link Access Protocol - IrLAP

Async Serial Ir9600-115.2 Kb/s

Sync Serial Ir0.576 / 1.152 Mb/s

Sync, 4 PPM4 Mb/s

IrDA Protokollarchitektur

IrLAP: Device Disco-very, zuverlässige 1:1-Verbindungen, QoS

IrLMP: Multiplexing, mehrere log. Kanäle über eine Verbindung

Tiny-TP: Daten-segmentierung,Flusskontrolle

PHY (Physical Signaling Layer): verschiedene Codierungen für Über-tragung von 9.6 kbps bis 4 Mbps

DatensynchronisationPhoto


IrLAP


IrDA

Literaturhttp://www.hpl.hp.com/techreports/95/HPL-95-29.pdf


IrDA Physical Layer: Slow IR (SIR)Asynchron (oder Synchron) mit 2.4-115.2 Kbps: SIR

basiert auf UART (serielle Schnittstelle), ersetzt KabelRZI-Modulation („Return-to-Zero Inverted“): Pulskodierung mit Puls für ‚0‘

Pulslänge 3/16 weniger Energie, größerer PulsabstandStart und Stop Bits im UART-Rahmen zur Synchronisation

0 1 0 1 0 0 1 1 0 1

StartBit

StopBitDaten-Bits

UART-Rahmen

StartBit

StopBitDaten-Bits

IR-Rahmen


IrDA Physical Layer: Fast IR (FIR)

Synchrone Übertragung mit 0.576 / 1.152 MbpsRZI-Pulskodierung, Pulslänge 1/4, d.h. 434ns bzw. 217ns

Synchrone Übertragung mit 4 Mbps4PPM-Codierung: Four Pulse Position ModulationDatenbit-Paare werden zusammen-gefasst und in 500ms-Periode codiertAufteilung der Periode in 4 Chips,Codierung durch Pulsposition

VFIRHHH(1,13) Codierung 3 Chips für 2 Bit

HDLC-ähnlicher Rahmen im Link Control Layer(IrLAP+IrPhy Standard!)

01111110 Start/Stop-Felder, Bit Stuffing in den Daten

STA STA ADDR DATA FCS STO

DBP 4PPM Code 00 100001 010010 001011 0001


IrDA Verbindungsaufbau

Device Discovery Ir Link Access Protocoll (IrLAP)Discovery-Dienste: Request, Indication, ConfirmAd-hoc Übergang und Verbindungsaufbau, keine Admin., Einstellung etc.Sniff-Modus: Stromsparen, nur alle 2-3 sec. aufwachen und Antwort auf eventuell erfolgten Discovery-Request sendenAdresskonflikt: wenn sich Geräte mit gleicher Adresse melden, werden alle aufgefordert, neue Adressen zu wählen

Sniff-Open

Discovery Connect Informations-Übertragung

Disconnect

ResetAdress-konflikt-auflösung


IrDA Verbindungsaufbau II

Umsetzung der Merkmale in IrDA2 Optionen:

Sehr niedrige SendeleistungEntsprechend unempfindliche Empfänger

Gewählt wurde unempfindlicher Empfänger Pulse von 0.5-2 A üblich

Pulskodierung ASIR: Energiesparen beim Codieren1,41 µs oder 3/16 Kodierung beide Kodierungen müssen von jedem Empfänger verstanden werden3/16 sind: 9,75µs bei 19200

2,4µs bei 576001,2µs bei 115200

bei Pulscodierung analoges Filtern unabhängig von der Baudrate möglich (613,5kHz)Kürzere Pulse werden von aller gängigen Hardware akzeptiert


IrDA Verbindungsaufbau III

Folgeprobleme des DesignsAusrichtung, da keine Nutzung der ReflektionTeilnehmer können sich z.T. nicht sehen

Lösung in IrDAMaster Slave Verfahren.

Bestehendes Problem: Hidden TerminalBei 4 Teilnehmern Abstimmung über Teilnetze nötigIrDA fast immer Punkt zu Punkt Verbindung


Systemaufbau GerätIrComm Kommunikation

Preis MCP2140 (9600)1-25 1.17 26-99 1.17 100-999 1.17 1000-4999 1.14 *5000-9999 1.12

Preis MCP21501-25 3.69 26-99 3.69 100-999 3.69 1000-4999 3.56 *5000-9999 3.52 *

z.B. AVGO HSDL-3005 1 - 9 2,61 € 10 - 99 2,28 € 100 - 249 2,03 € 250 - 499 1,83 € 500 + 1,66 €

Nur senden: IR-LED: ab 0.10

KabellosBluetooth


Drahtlose Kommunikation

Infrarot

☺billig (Transceiver für US$ 1)☺keine Lizenzen nötig☺einfache Abschirmung☺gerichtet, point & shoot☺als IrDA sehr weit verbreitet

in Rechnern und Appliances

erfordert freie Sicht (free line of sight)wird leicht abgeschattet

Mobilfunk

☺Erfahrungen aus WAN/Telefonie☺Abdeckung größerer Flächen mit

Durchdringung von Wänden☺nicht gerichtet: Multicast

enger Frequenzbereich: heute meist Nutzung des 2,4 GHz lizenzfreien Bandesschwierige AbschirmungInterferenzen mit Elektrogeräten


Drahtlose Kommunikation

Infrastruktur- vs. Ad hoc-Netzwerk

AP

AP AP

Infrastruktur-NetzwerkAP: Access PointsInfrarot-Bsp.: ParcTabFunk-Bsp: 802.11b/a/g-Netz (WaveLAN, Wifi)

Ad hoc NetzwerkDirekte Kommunikation mit begrenzter Reichweitekeine BasisstationenInfrarot-Bsp.: IrDA (Punkt-zu-Punkt)Mobilfunk: Bluetooth

Festnetz


Bluetooth Mobilkommunikation

Bluetooth TechnologieMobilfunktechnik für ad hoc Vernetzungkurze Reichweiten (10m)universell: Sprache und Datenprimär für portable, persönliche Geräteniedrige Kosten: angestrebter Preis 5 US$kleine Baugröße

Bluetooth Special Interest Group (SIG)Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshibaaktuell über 1800 Firmen (“Bluetooth adopter companies”)Entwicklung der Bluetooth Spezifikation als de facto Standard

erste Version Juli 1999über 1500 Seiten HW & SW ProtokollspezifikationInteroperabilität mit anderen Standards, v.a. IEEE 802.15 (Personal Area Networks)

Bluetooth-Modul



Warum “Bluetooth” ?

Harald Blåtand II: “Blauzahn”König von Dänemark 940-981 ACbrachte Christentum nach Skandinavienvereinigte Dänemark und Norwegen

Bluetooth TechnologieUrsprung in SkandinavienVereinigung multinationaler KonzerneFestlegung des Namens 1997 in einer kanadischen Bar bei einem Treffen von Ericsson-und Intel-Entwicklern


Wesentliche Merkmale

ISM-Band, 2.4 GHz: lizenzfrei in fast allen Ländern79 Kanäle im Bereich 2,402 bis 2,480 GHz, je 1 MHz Trägerabstand“frequency hopping”: 1600 hops / s (d.h. Frequenzwechsel alle 625 µs)

ca. 1 mW Übertragungsleistung

1 Mb/s auf dem MediumDatenrate 432 kbit/s (full duplex) oder 723/57 kbit/s (asymmetrisch)

Simultan Sprache (“synchron”, max 3 Kanäle) und Daten (“asynchron”)

Sicherheitskonzepte

Authentisierung, Verschlüsselung auf Verbindungsebene

Flexible Netzwerktopologiead-hoc Netze ohne vorbestimmten Master

HaupzweckKabelersatz für Anbindung über kurze ReichweiteInsbesondere: AudioübertragungNotfall-ad-hoc Netze



Universeller Zugang zu Daten/Sprache

Landline

Bluetooth Anwendungen

Anbindungfür Peripherie

Persönliche Ad-hoc Netze


PSTN, ISDN,PSTN, ISDN,LAN, WAN, xDSLLAN, WAN, xDSL

Anwendungsbeispiele

Lösung für die letzten Meter• durchgängiger Zugang zu globalen Daten-/Sprach-Infrastrukturen• Heimbereich: “mobile Verlängerung” der Zugangsnetze zum Internet• unterwegs: über mobile Internet-Appliances weitere Geräte anbinden

Bluetooth


„Three-in-One Phone“Universeller Zugang zu Sprachdiensten1. Schnurloses Telefon im Haus

Bluetooth-Verbindung zum Telefon-Festnetzzugang2. Mobiltelefon im Außenbereich, z.B. GSM 3. Walkie-talkie Kommunikation mit Telefonen in der Nähe

direkte Bluetooth-Verbindung kurze Reichweiten

2

13

Anwendungsbeispiele


Hidden Computing

„Briefcase Trick“• Kommunikation mit Geräten in der Nähe, die unsichtbar sind• z.B. Notebook „versteckt“ in Aktentasche

sendet Header eingehender Emails auf persönliches Display (z.B. in Sitzungen)

• Mobiltelefon in der Jackentasche als unsichtbares Modem für den PDA

viele Anwendungen ...• automatische Identifizierung

und Authentisierung• Personalisierung von Geräten

in der Umgebung• Telefonieren mit fremdem Mobiltelefon...

BluetoothHeadset

BluetoothHandset

Bluetooth

UMTS/Internet

Bluetooth Notebook in Aktentasche


RFBaseband

AudioLink Manager

L2CAP

TCP/IP RFCOMM

Applications

DataCo

ntro

l

Bluetooth Architektur

RF-Schicht: physikalische Übertragung

Baseband: Auffinden von Geräten, Synchronisation, Fehlerbehandlung

Link Management: Verwaltung von Piconetzen

L2CAP: logische Verbindungen, Protokollanpassung

Anwendungsunterstützung


2.402 2.480freq

frequency spectrum

Bluetooth RF „Radio“ LayerSpreizspektrumverfahren: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)79 Frequenzbänder, 1 MHz breit: 2402 + x MHz (x=0,..,78)

Physikalische Schicht

FrequenzmodulationGFSK: „Gaussian frequency shift keying“

Frequency Hopping1600 Frequenzwechsel pro SekundeEinfluss von Störfrequenzen minimieren(Elektrogeräte, andere Bluetooth-Links, ...)

LeistungsklassenClass 1: 100 mW(20 dBm) , Class 2: 2.5 mW(4 dBm) , Class 3: 1 mW(0 dBm)


Frequency Shift Key

Gaussian FSK:Glättung durch Gaussschen Filter


Frequency Hopping

2,402 GHz

2,480 GHz

t625 µs

Kollisionfreq

Pseudozufällige Frequenzfolgen für jede Bluetooth-Zelle wird oberhalb der RF-Schicht im Baseband bestimmt

Störfrequenzen wird „automatisch“ wieder ausgewichen, Kollisionen lösen sich bei nächstem Hop auf

Paket-Sendewiederholung bei Prüfsummenfehler und NAK

Beitrag zur Sicherheit: nur Empfänger kennt richtige Hop-Sequenz


Verbindungsschicht

Bluetooth-VerbindungenBaseband Layer: Master-Slave Punkt-zu-PunktLink Manager: Management von Bluetooth Piconet-Zellen (ein Master, mehrere Slaves)

BasebandAuffinden anderer GeräteSynchronisation zwischen Sender und EmpfängerPaketformat, Verbindungsarten synchron/asynchronFehlerbehandlung, Sendewiederholung

Link ManagerAuthentisierung und VerschlüsselungPiconet-Management: Signalisierung zwischen Link Managern zum Zustand von Geräten, Power modes usw.

RFBaseband

AudioLink Manager

L2CAP


BluetoothInquiry zu Connection

Master lädt Slaves ein: 2*16 hoppingSequenzen, je 10 msWechsel der Sequenz alle 1,28 SekundenSlave Inquiry: hören auf 1 FrequenzEinladung (Inquiry) auf „Goodwill“ von Master

Inquiry Inquiry Scan

Page

Connection

Page Scan

Connection

Master Slave

Slave addr

response

FHS: time&ID

paging

Zeiten

General Inquiry Access Code


Netzwerktopologie

Piconet: Kommunikationskanal für mehrere GeräteGeräte teilen sich einen Kanal, definiert durch gemeinsame Hop-Sequenz, alle Geräte ändern gemeinsam KanalEin Master, simultan verbunden mit bis zu 7 Slaves

weitere Slaves (insgesamt 255) können im Piconet “geparkt” seinandere Geräte im Sendebereich im Stand-byZustand: nicht verbunden

Master/Slave-Rollen sind dynamisch Verbindungsaufbau

Master verteilt Takt u. Geräte-IDzur Bestimmung der Hop-Sequenz

KommunikationPunkt-zu-Punkt Master-SlaveMulticast vom Master an alle Slavesnicht direkt slave-to-slave

M

S S

P

sbP

S

piconet

proximitysphere


Scatternet: Verbindung von Piconets2-10 Piconets können ein Scatternet bilden

keine gemeinsame Hop-FrequenzVerbindung über Knoten, die zwischenPiconets hin- und herspringen

Optimierung von Bandbreite/VolumenPiconet-Kapazität: 1 Mb/s10 Piconets im gleichen Sendebereich: aggregierte Bandbreite bis ~10 Mb/sDatenrate nimmt bei 10 Piconets nur leicht ab (~10%)

bis zu 80 aktive Geräte auf engem RaumABER: keine Broadcast, deshalb nur

eingeschränkt für Kontext-Netzwerke geeignet

M

M

SS

S

S

P

sb

sb

P

P

Netzwerktopologie


Synchronisation und Adressierung

A

D

C

B

E

IDb

IDa

IDc

IDd

IDe

M

P

S

S

sb

IDa

IDc

IDd

IDa

IDa

IDa

IDe

IDb

Adressierung im PiconetzActive Member Address (AMA, 3-bits) für aktive Geräte

1..7 für Adressierung einzelner Slaves, 0 für Broadcast an alle Slaves

Parked Member Address (PMA, 8-bits)für geparkte Slaves, d.h. Geräte, die synchronisiert sind, aber keine Datenpakete verarbeiten

Jedes Bluetooth-Gerät hat 48bit Geräte-Adresse/ID(komp. zu IEEE 802 MAC)

Synchronisation: Master verteilt ID und Takt

Master-ID bestimmt Hop-Sequenz, Takt bestimmt Hop-Phase

Synchronisation


Baseband Verbindungszustände

Inquiry Page

Active

AMA

Ttypical=0.6s

Ttypical=2s

HoldAMAPark

PMA

Ttypical=2 ms

Ttypical=2 ms

ReleasesAMA

Address

Low powerconnectedstates

Connected(full or reducedpower)

Standby

Connectingstates

Unconnected(low power)

Deta

ch

Sniff

AMA

Standby: nicht Teil des Piconet, d.h. nicht aufsynchronisiert

Inquiry: Potentieller Master sucht Geräte in der Nähe

Page: Master lädt Geräte in sein Piconetz ein; Verteilung von ID/Takt auf besonderer Hop-Sequenz; antwortende Slaves erhalten AMA

Active: „listening for data packets“; bei Sniff nicht durchgehend aber periodisch

Hold: noch synchronisiert aber nicht mehr mithörend (event. SCO-Message Teilnahme); bei Park auch Freigabe der AMA

KabellosZigBee


ZigBee und IEEE802.15.4

StandardsPreiswertere Funklösungen als BluetoothAber ähnlicher Zielmarkt / Produkte wie Bluetooth: KabelersatzAufbau einfacher, preiswerter, energiesparender als BluetoothBessere Einsatzmöglichkeiten auch bei kabellosen Sensorknoten802.15.4 & Zigbee: Aufeinander aufbauende Standards


Einordnung ZigBee / Bluetooth

Range

Peak

Dat

a R

ate

Closer Farther

Slow

erFa

ster

UWBWireless Data Applications

Sources: WRH + Co

Wireless Video

Applications

IrDA

802.11g

802.11b

802.11a

2.5G/3G

Bluetooth™

ZigBee™

Wireless Sensors

Wireless Networking

Wi-Fi®


Marktstatement Freescale:

Strong growth in areas such as wireless sensors will help fuel the growth of 802.15.4 and ZigBee

Harbor Research reports that by 2008, 100 million wireless sensors will be in useOn World reports that by 2010, more then 500 million nodes will ship for wireless sensor applications

ABI Research forecasts shipments of ZigBee devices in 2005 at about 1 million, growing to 80 million units by the end of 2006In-Stat 2004 report has an aggressive forecast of over 150 million annual units of 802.15.4 and ZigBee chipsets by 2008


Freescale Radio Beispiel (2006)

Key FeaturesIEEE® 802.15.4 Compliant▫ 2.4GHz▫ 16 selectable channels▫ 250Kbps Data Rate▫ 250Kbps 0-QPSK DSSS

Multiple Power Saving Modes▫ Hibernate 2.3uA▫ Doze 35uA▫ Idle 500uA

RF Data ModemUp to 7 GPIOSPI Interface to MicroInternal Timer comparators (reduce MCU resources)-16.6dBm to +3.6dBm output power▫ Software selectable▫ On-chip regulator

Up to -92 Rx sensitivity at 1% PER

2V to 3.4 operating voltage-40˚C to +85˚C operating temperatureLow external component count▫ Requires single 16Mhz Xtal (Auto

Trim)5mmx5mm QFN-32▫ Lead-Free

PowerManagement

MC13191/2/3

Analog Receiver

Internal Clock

Generator

8-ch 10-BitADC

BDMHCS08 CPU

2xSCI

4-ch 16-bitTimer

FlashMemory

RAM

COP

IIC

Up to36 GPIO

SPI

LVI

MC9S08GT Family

Sensors

MMA Series Accelerometers

MPX Series Pressure Sensors

MC Series Ion and

Smoke PhotoSensors

Voltage Regulators

FrequencyGenerator

AnalogTransmitter

Dig

ital T

rans

ceiv

er

GPIO

SPI

Timers

IRQ Arbiter RAM Arbiter

Buffer RAM

ControlLogic


ZIGBEE und IEEE802.15.4

Eigenschaften250 Kbps, zuverlässige Komm.für Peripherie, auch für Sensorknoten geeignet (Einbuchzeiten, Stromverbr.)preiswerte Hardware (aktuell ca. 8 Euro/Chip), einfach, im Vergleich zu Bluetoothenergiesparsam (14 mA@2 V) Empfangen)Reichweite: 30 Meter

Unterschied Zigbee und IEEE802.15.4IEEE802.15.4: Physikalische und MAC SchichtZigbee: obere Schichten, Anwendungsprofile

VerfügbarkeitIEEE802.15.4 teilweise standardisiert (ausser P2P)Chips verfügbar, Produkte nicht verfügbar

IEEE802.15.4868/915 MHZ Physical layer

IEEE802.15.4 2.4 GHZ

Physical layer

Network layer

Upper layers

IEEE802.15.4 MAC layer

SSCS

IEEE802.2LLC type 1 Other

LLC

Zigb

eesp

ec

Dat

a Li

nk L

ayer

mailto:mA@2


IEEE 802.15.4 Physikalische Schicht

kein Frequency-Hopping, sondern nur Auswahl trotz mehrerer KanäleMAC: Scan mehrerer Frequenzen auf der Suche nach Partner (Beacon)


IEEE 802.15.4 Physikalische Schicht: Packetstruktur

EigenschaftenEnergy detection (ED): auch Rauschen kann detektiert werdenLink quality indication (LQI): Aussage über Qualität der DatenClear channel assessment (CCA): für CA der MAC Schicht

PHY PaketfeldPreamble (32 bits) – Synchronisierung, Einschwingen Start of Packet Delimiter (8 bits) – Preamble-EndePHY Header (8 bits) – spezifiziert PSDU LängePSDU (0 to 127 bytes) – PHY payload

PreambleStart ofPacket

Delimiter

PHYHeader

PHY ServiceData Unit (PSDU)

6 Bytes 0-127 Bytes


IEEE 802.15.4 MAC: Features

EigenschaftenKanalzugriffBeacon Management: Zur Festlegung von Sende/Empfangszeitpunkten,

zur EnergieeinsparungGuaranteed Time Slot (GTS) Mgmt. (nur Personal Area Network = PAN)Gesicherte Auslieferung2 Modi: Stern bzw. PAN (Master/Slave), Netzwerk (Peer-to-Peer)+ 1 “Zwischenmodus”: Cluster Tree: Stern+P2P

GerätetypenFull function device (FFD)

Stern oder P2PKann Koordinator (Master) seinHardwareimplementierung verfügbar

Reduced function device (RFD)Nur SternKein Koordinator, spricht nur zu FFDEinfacher als FFD zu implementieren


FFD

RFD

Master

Star-Topologie Point-to-Point Cluster-Topologie:Mix aus Star und P2P

IEEE 802.15.4 Topology

Koordinator nur für Beaconverwaltung zuständigKoordinator NICHT für Medienzugriff zuständig


IEEE 802.15.4 MAC Packet Structure


IEEE 802.15.4 PHY Packet Structure

Frame Control Feld: MAC-Typ, Address-Typ4 MAC-Typen: Data, Beacon, ACK, Command

DATA FRAME

BEACON FRAME

Guaranteed time slot



LegendePPDU: Physical Protocol Data UnitPSDU: Physical Service Data UnitMPDU: MAC Payload Data UnitMSDU: MAC Service Data UnitSHR: Synchronization HeaderPHR: Physical HeaderMHR: MAC HeaderMFR: Mac FooterFCS: Frame Check Sequence (CRC)



ACK FRAME

MAC COMMAND FRAME


IEEE 802.15.4 Adressierung, Beacons

GeräteadressierungVerwendung von IEEE (64 bit) AdressenKann vom PAN-Koordinator (cluster tree, Stern) durch 16bit Adresse ausgetauscht werden

AdressierungsartenNetzwerk + Geräteidentifikator (Stern)Source/destination Identifikator (P2P)Source/destination cluster tree + Geräteidentifikator (cluster tree)

BeaconsLegen Zeit zwischen 2 Paketen fest (kann auch inaktive Zeiten, also Zeiten ohne Senden von Paketen enthalten)Netzbetrieb ohne Beacons

CSMA-CA (Ohne Slots)Kein CSMA-CA für acknowledgementFür Netzwerkassoziation wird weiterhin Beacon benötigt


MAC SuperFrame Structure

Super Frame Structure (optional)Zeit zwischen 2 BeaconsFormat des Superframe durch Koordinator definiertZeit zwischen Beacons wird in 16 gleichlange Slots aufgeteiltSuperframe hat aktive und nicht aktive Teile (Energiesparen!)


MAC SuperFrame Structure

IntervalInterval ausgehandelt zwischen 15ms – 245s

Contention access period (CAP)Slotted CSMA-CA (mit Backoff) außer für ACKPacket muss vor Ende von CAP endenIFS time: the amount of time necessary to process received packet by PHY

Contention free period (CFP) Bis zu 7 “Guaranteed Time Slots (GTS)” für zeitlich zugesicherte Übertragung


IEEE 802.15.4PAN

Aufsetzen eines PAN (Personal Area Network)FFD führt aktiven Scan der Kanäle durch, um Beacon zu finden

Um andere Koordinatoren zu findenVorgehen: Für jeden Kanal sende Beacon Request Command, warte auf Beacon

Keine Antwort: Wähle PAN identifier (Wird von Anwendung vergeben)Sende Beacon

Problem: Zwei PANs mit selbem PAN IdentifierErkennung durch BeaconsLösung

Falls durch irgendein PAN Gerät: Sende PAN ID Benachrichtigung zum PAN coordinatorWenn durch PAN Koordinator erkannt▫ Kanal scannen▫ Neuen PAN identifier wählen▫ Broadcast des neuen PAN identifier


Assoziation im PAN Modus

AblaufGerät sucht PAN zum Assoziieren über passiven und aktiven Kanal-Scan

Aktiv: Gerät sendet Beacon Request CommandPassiv: Gerät hört nur auf Kanal

Gerät wählt aus der Menge der PANs ein geeignetes ausGerät sendet eine Assoziationsanforderung and den PAN KoordinatorInnerhalb von aResponseWaitTime wird eine Antwort gesendetPositiver Fall: Assoziations-Antwort vom Koordinator mit

KurzadresseStatus

DisassoziationVon Koordinator und Gerät gleichermaßen durch Senden eines Befehles möglich


GTS Allocation and Management

EigenschaftenGuaranteed Time Slots (GTS) nur bei PAN und BeaconGTS wird vom Koordinator vergeben und verwaltetnur zur Kommunikation zwischen Koordinator und GerätEin GTS kann sich über mehrere Superframe SlotserstreckenBis zu 7 GTS zur selben ZeitGTS request command, GTS descriptor in BeaconPAN coordinator gibt GTS wieder frei

Auf AufforderungBei Inaktivität im GTS


ÜbersichtVorlesung Ubicomp

Geräte und UmgebungenCommunication

GrundlagenKabelgebundene KommunikationKabellose KommunikationKommunikation SensorknotenMiddleware

ContextHCI


Sensornetzwerke

Grundlegende ProblemeVerdecktes Endgerät (Hidden Terminal)Veränderte Empfangsbedingungen: Nichtempfang durch stark schwankende Störungen, dadurch Verlust von InformationKeine Empfangsbereitschaft: Nichtempfang, da nicht bereit zu hören, z.B. da Anwendungsabarbeitung, im Schlafmodus, Protokollaufbau zu lange, dadurch Verlust von InformationÜbermäßiges Empfangen (Overhearing): Hören von Paketen die nicht von Interesse sind kostet EnergieUnnötiges Empfangen (Idle Listening): Empfangsmodus, wenn niemand sendet kostet EnergieKollisionenProtokollkomplexität (Abarbeitung, Speicherverbrauch)


Sensornetzwerke: Anwendungsbsp.

Anwendung: Durchqueren einer ZelleEine sich bewegende Zelle durchquert eine andere (fixe oder stationäre Zelle)Dauer bei 10 Meter Zelldurchmesser ca. 0.4 sec bei LaufgeschwindigkeitInnerhalb dieser Zeit muss Verbindung aufgebaut, Daten gesendet werden


Sensornetzwerke: Anwendungsbsp. /2

Kommunikationsprobleme am BeispielVeränderte Empfangsbedingungen: Durch BewegungKeine Empfangsbereitschaft: Protokollaufbau zu langsam um Daten auszutauschenKollisionen: Durch Nicht-Erkennen der zweiten ZelleUnnötiges Empfangen: Nach Verlassen der Zelle wird weiterhin gehört


Sensornetzwerke

LösungenVerdecktes Endgerät (Hidden Terminal): RTS/CTS, Busy-Tone (normalerweise nicht mgl., da zu aufwändig)Veränderte Empfangsbedingungen: Robuster Kanalzugriff, RauschpegelerkennungKeine Empfangsbereitschaft: Scheduling, Preamble-SamplingÜbermäßiges Empfangen (Overhearing): Scheduling, Fast-Shut-OffUnnötiges Empfangen (Idle Listening): Scheduling, Preamble-SamplingKollisionen: RTS/CTS, CSMA/CA (listen before talk, Carrier Sense Multiple Access, Collision Avoidance)Frage: Wieso wird Collision Detection nicht verwendet? Was ist die Vorraussetzung für Collision Detection?


Lösungen MAC

Wireless medium access

Centralized

Distributed

Contention-based

Schedule-based

Fixedassignment

Demandassignment

Contention-based

Schedule-based

Fixedassignment

Demandassignment

Quelle:H.Karl


Lösungen MAC

Wireless medium access

Centralized

Distributed

Contention-based

Schedule-based

Fixedassignment

Demandassignment

Contention-based

Schedule-based

Fixedassignment

Demandassignment

802.15.4


MAC: ALOHA

Einzige Möglichkeit, wenn nur TransmitterBei niedriger Update-Geschwindigkeit auch bei hoher Knotendichte möglichMinimalster Energieverbrauch im Sender

Unslotted ALOHA Performance

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 10 20 30 40 50 60

Transmitting interval [s]

Prob

abili

ty o

f No

Col

lisio

n

5 nodes10 nodes15 nodes20 nodes25 nodes50 nodes75 nodes100 nodes150 nodes200 nodes250 nodes

Increase transmit rate


Lösung Schedule: Schlafen und Synchronisieren

Löst Keine Empfangsbereitschaft, unnötiges Empfangen-ProblemeBeispiel: S-MAC, T-MAC (weiteres Bsp: 802.15.4)S-MAC: Auswahl Zeitplan (Schedule)

Knoten geht zufällig in SchlafmodusWenn SYNC-Paket eines anderen Knoten gehört wird, wird diesem gefolgt (SYNC Paket enthält Schedule-Plan und Adresse des Senders), ansonsten eigener SyncMehrere Sync-Zugehörigkeiten (Knoten 3!) sind möglich

1 1 1 1

4 4 4

2 2 2

3 33 3

2

3

4Time


S-MAC

T-MAC

Lösung: Schlafen und Synchronisieren

S-MAC Problem: Overhearing durch fixen Active-StateT-MAC: Nach bestimmter Zeit ohne Zugriff auf Kanal Wechsel in Sleep-State:


Lösungen: Kanalzugriffserkennung durch Preamble-Sampling

Lösung für Veränderte Empfangsbedingungen, Keine Empfangsbereitschaft (Overhearing), Kollisionen durch lange Präambelteilweise Übermäßiges Empfangen (Channel-Check, lange Präambel notwendig)Sehr energiesparend, wenn Preamble-Erkennung via Hardware direkt unterstützt

Check channel

Check channel

Check channel

Check channel

Long preamble Actual packet

Stay awake!

Quelle:H.Karl


Preamble-Sampling

B-MACPreample-Sampling und Erkennung aktuellen Rauschpegels (noise-levels) bei freiem KanalGeht das Veränderte Empfangsbedingungen Problem anClear Channel Assesment (CCA): Kanal wird 5x abgetastet, bevor gesendet wird. Ist Kanal 1x unter Rauschpegel, wird er als besetzt angenommenNachteil: CCA Abtastung sehr langsam bei preiswerten Receivern, kostet viel Zeit und damit Energie

Quelle: Polastre et al.


Routing in Ubicomp

Routing in Ad-hoc NetzwerkenAllgemeine Problematik

Zwei Stationen können nicht direkt über ihr Medium Nachrichten austauschen da Reichweite zu gering

LösungVerbindung über Zwischenstationen (Router)

Ansatz Suche kostengünstigste Möglichkeit, Nachrichten zu routen

KostengünstigPreis, Verbindung mit meister Bandbreite, Verbindung mit aktuell am wenigsten Auslastung, ....

Probleme und Charakteristika in UbicompProblem: keine Basisstation, ständiges Hinzukommen/Verlassen, große Anzahl Knoten, Instabilität, Topologie nicht bekanntCharakteristik: viele, „kleine“ Pakete (<255 byte), lokale Bedeutung der Pakete


Routing in Ubicomp II

KostenEnergieaufwand, verfügbare Energie in potentiellen Routern, Störungsfreiheit der Verbindung, zeitliche Stabilität der Verbindung

verwendte Routingtypen TypenWeiterentwicklung von Verfahren für Festnetze, auch Flooding!Ad-Hoc Generierung von Routen z.B. Dynamic Source RoutingCluster-bildende Algorithmen: Annahme innerhalb der Gruppe nicht so viel BewegungOft Multipfad-Routing

LösungsansätzeVerwendung von Domänenwissen:Lokation, Struktur der Umgebung/Einsatzbereich, ...

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Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien ... · Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba aktuell über 1800 Firmen (“Bluetooth adopter companies”)