Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 02/03

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 02/03 Michael Beigl Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office

2 Aufbau der Vorlesung Grundlagen Geräte mobil, persönlich, eingebettet Wearable Vernetzung Kontext Anwendungen reale Welt 6 Interaktion Geräte Kontext Information Interaktion Anwendungen 2 4 (vorverarbeitete) Information 5 3 Vernetzung digitale Welt Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-2

3 Wearable Computing Prinzipien Abgrenzung zum PC alte MIT Definition: Always on Always accessible Always with the user auch komfortabel, unauffällig, einfache zu handhaben Derzeitige MIT Definition Mobile (Where you go, it goes. ) Persistent (Always on and always working. ) Secondary or Tertiary task (Hands free, Eyes free, Brain free. ) Proactive (Agent and Interrupt ) Context Aware Quelle:wearcam.org Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-3

4 Problembereiche1 Energie Probleme Energie und Wärmeableitung Anbringung Unauffälligkeit Energie und Leistung (in Einheiten) kg m Energie: J = 2 sec = V A sec (U. I. t) = Wsec J kg m Leistung: W= = 2 = V A (U. I) sec sec 2 Quelle AA Batterie Knopfzelle Camcorder Akku 1 Liter Benzin Energie = 3Wh =10800 J 2000 J 10 5 J 10 7 J Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-4

5 Problembereich 2: Anbringung und Ergonomie Gemperle (1998): Designing for Wearability Mehr Infos unter Design-Überlegungen placement: Wo wird das Gerät angebracht form language: Geräteform human movement: Beweglichkeit für Gerät proxemics: Anbringung als Teil des Körpers sizing: Größenkompatibel mit versch. Personen attachment: Befestigungspunkte Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-5

6 Anwendung1: CamNet Studie Studie von British Telecom, 1992 (Video) Wearable Teleconferencing? Audio, Video, Daten? WYSIWIS what you see is what I see? Bezugnahme auf lokalen Kontext Asymmetrie? in den Rollen: mobiler Arbeiter vor Ort konsultiert entfernten Experten? in der Kommunikation: breitbandig zum Experten, schmalbandig zum Wearable Unterstützung mobiler Aktivität? freihändige Kommunikation Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-6

7 Anwendung2: Anwendungen Remembrance Agent ( Gedächtnis-Prothese ) Rhodes, MIT MediaLab 1997 menschliche Schwäche: vergessen / nicht erinnern Computer-Stärken: alles speichern, schnelle Suche Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-7

8 Aufbau der Vorlesung Grundlagen Geräte Vernetzung Netzwerke Information Interaktion Anwendungen 4 Middleware Kontext 7 Anwendungen 6 Interaktion reale Welt Geräte 2 Kontext 4 (vorverarbeitete) Information 5 3 Vernetzung digitale Welt Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-8

9 Netzwerke Einleitung Kabelgebundene Netzwerke Peripheriebusse für Multimedia Hausbussysteme zu Steuerung PowerLinie für Datenübertragung Kabellose Netzwerke IrDA Bluetooth Aktuelle Forschung Kontextnetze Body-Netzwerke Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-9

10 Netzwerke für Ubicomp Anforderungen Anwendungsbezug Information Applicances? Einfachheit? Vielseitigkeit? Vergnüglichkeit -> Bedienbarkeit, Energieverbrauch, Administration Usability-Bezug Mache nutzbare Eigenschaften sichtbar Benutze natürliche Assoziationen zur Verdeutlichung Gib Feedback Affordances! Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-10

11 Netzwerke für Ubicomp Charakteristika ggüber WLAN, Ethernet etc. Netzwerktypen: oft verschiedene durch breiten Anwendungsbereich? Multimedia / Information, Echtzeit, Kontext Ad-Hoc Ausprägung: Spontanes Hinzukommen/Verlassen, keine/einmalige Administration, auf allen Schichten Kommunikationsmodel: Anwendungsorientert (Peer-to-Peer) Dienstorientert (Master-Slave) Medien: oft mobil und kabellos, für Haustechnik und Multimedia auch kabelgebunden Durchsatz, Latenz-, Einbuchzeiten: Multimedia: hoher Durchsatz, längeres Einbuchen, Kontext: niedriger Durchsatz, kurzes Einb. Energie und Preis: Oft Energiesparend und preiswert Routingfähgkeiten: Netzwerk-Routing oder Application Layer Bridges Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-11

12 Netzwerke für Ubicomp Ausprägung kleine Zellen, Personal Area Networks Lokalität als Gewinn, Nutzung von Lokationsinformation Preiswert durch preiswerte Gerättechnologie... und durch verringerten Kabelaufwand: z.b. Nutzung vorhandener Infrastruktur: Telephonkabel, Stromkabel... Und durch best-effort Verkabelung: Kabelgebundene Grobverkabelung sowie kabelloser letzter Meter Anwendungs- statt Technikorientiert Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-12

13 Netzwerke für Ubicomp Weitverkehrsnetze GSM, DECT, UMTS,... siehe Vorlesung Mobilkommunikation Kabelgebundene Netzwerke Insbesondere zur Unterstützung von Multimedia-Appliances Peripherie: USB, Firewire Power Line (PLC) / Phone Line Hausbussysteme: EIB, CEBus, BACNet, LONWorks Kabellose Netzwerke (Wireless Personal Area Networks WPAN) Kabelersatz für Zusatz-, Peripheriegeräte: Bluetooth, IrDA Forschung Kontextnetzwerke: SmartDust, SPOT Body-Netzwerke Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-13

15 Multimedia-Busse USB (Universal Serial Bus) Erweiterung des PC um Multimediageräte und Multimodale Eingabe Dynamische Ad-Hoc Erweiterung um (Multimedia) Appliances wie Kamera Einfache Handhabung durch Software und Hardware Plug and Play, einheitliche Steckernorm, klares Bedienkonzept 12 Mbit/s, 1.5 Mbit/s Low Speed für einfache Geräte (USB1.x), 480 MB USB 2.0 Unterschied zwischen Gerätetypen wird von USB beherrscht: sehr einfach und preiswert für simple Geräte (<5$), aber auch hohe Multimedia-Anforderungen möglich hoher Durchsatz, aber durch Software PnP längere Latenz bis zum ersten Datenaustausch Stromversorgung über Kabel Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-15

16 Plug & Play Busse: USB Netztopologie logischer Bus (neu: USB-on-the-go: eingeschränktes Peer-to-Peer) physikalisch Baumstruktur, bis 7 Schichten? Root Hub: Host-PC als Master? Peripheriegeräte sind Blätter im Baum? Hubs: Verzweigung im Baum Upstream Port / Downstream Ports Root-Hub? Initialisierung, Numerierung und Adressierung aller USB-Geräte? periodische Abfrage von Übertragungswünschen Gerät Gerät Singulärer Schwachpunkt, Verkabelung erfordert Verständnis! Host Root Hub Gerät Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-16 Hub Hub Hub Gerät Gerät Gerät... Hub Gerät

17 Plug & Play Busse: USB Übertragungsarten Paketformat: Zeitrahmen von 1ms, darin verschiedene Pakettypen (PID): Token-Paket zur Addressierung, Datenpakete,... NRZI Kodierung, in USB2.0 ist Frame in 1 Microframes a 125µs aufgeteilt) isochron: Reservierung gleichen Zeitschlitzes in aufeinanderfolgenden Rahmen, konstante Datenrate für kontinuierliche Medien, z.b. Audio Interrupt: für spontan auftretende Daten (z.b. Tastatureingabe) zur Garantie einer max. Bedienzeit (aber kein fester Zeitschlitz) Low Speed: max. 1 Paket im Rahmen für Komm. mit langsamen Geräten Control: Bus-Kontrolle (Statusabfragen, ggf. Einfügen neuer Geräte etc) Bulk: Rest des Zeitrahmens wird für Massendaten (z.b. Drucker) genutzt Breite Unterstützung Multimedia, Info, Kontext (Events) und diverser Geräte, Dienstorientiertes Konzept Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-17

18 Plug & Play Busse IEEE 1394/b (Firewire) einfache Erweiterbarkeit, Kabel/Stecker-Norm, Hardware und Software Plug & Play Stromversorgung über Bus hohe Datenraten: 100, 200 oder 400 Mbit/s bei Abständen zwischen Geräten von 4.5 Metern, 1394b: bis zu 3.2 Gbit/s bei 100 Meter bis zu Geräte maximal Typische Home-Entertainment Bus mit weit verstreuten, unabhängigen A/V und Multimedia-Geräten Peer-to-Peer Konzept: kein fester Master-Knoten, Bus funktioniert auch ohne PCs, dadurch einfacher und spontaner nutzbar Vor allem für Multimedia und Information, Preis ca. 10$ Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-18

19 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Netztopologie Baum mit beliebiger Verkettung und Verzweigung; keine Schleifen pro Bus bis 63 Geräte Kopplung von bis 1023 Bussen über Brücken Kommunikation über bis zu 16 Kabelsegmente (d.h. bis 72m bei Twisted Pair ) Fehlerunanfällig, da Topologie bei jedem Bus-Reset neu ermittelt wird, aber Verkabelung erfordert Verständnis Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-19

20 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Übertragungsarten isochron: Reservierung von Bandbreite für A/V-Ströme, 125 µs Zeitschlitze erlauben Echtzeitverhalten asynchron: gesicherte Übertragung von Information Data-Strobe Encoding (XOR Clock) für höhere Störungstoleranz Firewire Anwendungen: Home Audio/Video Integration von Consumer Electronics-Geräten im Heimbereich? Hifi, VCR, TV, STB, Radio, Telefon, Digitale Kamera,... Standardisierung aufbauend auf IEEE 1394: HAVi? Home Audio Video interoperability? Konsortium: Apple, Sony,... Zusammenfassung von A/V-Geräten in Cluster? Einzelgeräte können andere kontrollieren? Kontrolle kann verteilt sein? es muß keinen ausgewählten Master geben Data Strobe Result. Clock Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-20

22 EIB Charakteristik Optimiert für Gebäudesensorik und Aktuatoren Definiert vor allem Schicht 1,2 und Anwendung, auch 3+4 Bis zu ca. 60k Geräte adressierbar Ausdehnung von 1000 Metern ohne Gateway/Router Kein Bus notwending: Linie, Stern, Baum, Schleife oder Kombination möglich, möglich durch hohe Impulsspannungen elektrisch Ad-Hoc hinzufügen, aber Zuordnung zu Adresse, Gruppe muß per Hand vorgenommen werden Geringe Bandbreite, aber auch nur kleine Pakete Peer-to-Peer Ansatz praktisch wartungsfrei, keine Zentrale notwendig Anpassung des Netzwerks auf die Anwendung? Multicastadressen (Gruppenadressierung)? logische bzw. physikalische Gruppierung von Geräten analog Gebäudelayout Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-22

23 Medien Zweidrahtleitung kb Powerline kb Funk kb Internet-Schnittstellen und Gateway-Lösungen (Anubis) Nutzung Ergänzung durch z.b. BACNet als Interoperabilitätslösung und für Anwendungen EIB Tool Software ETS zur Installation und Administration Relativ teuer: ca. 90 Euro für Schalter Quelle: Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-23

24 Sonstige Hausnetzwerke BACnet: building automation and controls network Ereignisse, Alarm, Steuerung, Datenaustausch Netzwerk & Appl. Layer Standard-Objekte: Ein-/Ausgabeobjekte (Binär, Analog...), Werteobjekte, Kalender, Kommando, File, Programm, Schedule, Gruppe, Event, Gerät Objektbeschreibung: Name, Type, Wert, Status,... LonWorks /...Talk von Echelon LonTalk Protokoll implementiert Schicht 1-7 Shared Variablen / Verteiltes Betriebssystem CEBus (Consumer Electronic Bus) v.a. USA, Konkurrenz und ähnlich EIB für Power-Line Netze entwickelt, definiert Schicht 1&2 Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-24

26 Powerline Communication Nutzung vorhandener Infrastruktur vorhandene Verkabelung als Leiter, Steckdosen als Zugangspunkte Vereinfachung der Handhabung durch bekannte Steckernorm/benutzung Im Haus: Integration praktische aller nicht-mobilen Geräte Drei Anwendungsbereiche: 1=Backbone-Provider 2=Hausanbindung, 3=In-House Heimautomatisierung, Fernwartung, Daten-/Sprachdienste Frequenzmodulation Daten als hochfrequentes Signal auf 50/60 Hz-Wechselstrom begrenztes Spektrum: in Europa 4 Bänder zwischen khz, teilweise reserviert für Energieversorgungsunternehmen, keine neue RegTP, aber Änderungsbestrebung in Europa Störanfällig: Elektrogeräte, Babyphones, Intercomms erzeugen hochfrequente Störungen auf der Stromleitung Leitungseigenschaften: Signale werden mit zunehmender Entfernung schwächer 1 2 Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO

27 Powerline Communication Übertragungsverfahren Single Carrier Narrow Band: nur eine Trägerfrequenz? einfach, aber besonders störanfällig? Bsp. X-10: nutzt 120 khz-band für Übertragung von Steuerungsinformation (Datenraten ~100 bit/s!) Spread Spectrum (vgl. Mobilfunk)? resistenter gegen Störungen, aber erfordert mehr Bandbreite (insbesondere in Europe wenig Spielraum!)? Bsp. CEBus-Signale in USA gespreizt über khz mit 10 kb/s Datenrate; in Europa über khz mit 2kb/s Multiple Carrier Narrow Band:? mehrere schmalbandige Träger, Wechsel bei Störung? Bsp. Echelon: dual-carrier 132 und 115 khz, ~5.4 kb/s Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-27

28 Powerline Communication 1980: X-10 Standard für Übertragung von Steuerungsinformation im Heimbereich einfache Steuerung von Beleuchtung und Verbrauchern sehr einfache Frequenzmodulation: 120 khz wird jeweils nach Nulldurchgang im Wechselstrom für 1ms aufmoduliert X-10 Geräte werden über System-ID (3bit) und Geräte-ID (4bit) adressiert; Übertragung von Codes für einfache Funktionen (4bit): AN, AUS, DIM,... Aktuelle Entwicklungen Internet aus der Steckdose : zahlreiche Feldversuche der EVUs Mehrere Mbit/s, aber keine garantierte Bandbreite Datenübertragung im Haus stark von Umgebung abhängig? Aufteilung der Phasen? Verteilung / Anzahl Verbraucher? Verkabelung? Geräte Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-28

29 Powerline Communication HomePlug 1.0 HomePlug.org: 3Com, AMD, Cisco, Intel, TI, Motorola Mbit/s, benutzt keine Bänder die auch von X-10, CEBus, LonWorks verwendet werden, sondern 4,3-21 MHz Übertragungsrobleme behandelt? Impulsstörer Fehlerkorrektur (Forward Error Correction)? Frequenzabhängige Störer Adaptionsphase und Auswahl der besten Frequenzen sowie Codierung auf Band? Geht immer noch nicht ROBO Modus sendet auf allen Bändern mit DBPSK Codierung: Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)? Aufteilung des Datenstroms auf verschiedene 84 schmale Frequenzbänder? Auf dem Frequenzband: Differential qudrature phase shift key (DQPSK) oder Differential binary phase shift key (DBPSK), Symbol vom vorherigen Symbol abhängig) MAC: CSMA/CA Produkt in USA verfügbar Quelle: Quelle: Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-29

31 IrDA Infrarot-Datenübertragung Infrarotkommunikation Richtcharakteristik Räume als natürliche Grenzen Bsp: ActiveBadge, ParcTab (ACHTUNG: kein IrDA) aber: Abschattungsprobleme Lsg: diffuses Infrarot, Nutzung von Reflektion Nachteil: niedrige Bandbreite IrDA: Infrared Data Association IrDA DATA: Standard für Punktzu-Punkt Infrarot-Kommunikation kurze Distanz (1,5m+), 30 (60) Kegel für gerichtete Kommunikation Gerät 1 Link-Länge m Ausrichtung erforderlich! Keine Ausrichtung erforderlich! Gerät 2 Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-31

32 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA als Beispiel für typ. Netzwerk in Ubicomp Rahmenbedingung IrDA gerichtete Kommunikation spezifizierte Ausbreitung: 30 Grad Halbwinkel, 2m Grund: Aufbau eines "Piconetzes" sollte ermöglicht werden unerwünschte Einflüsse, insbesondere Reflexion, mußten vermieden werden Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-32

33 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Anwendung initiale Anwendung: Kommunikation zwischen Host und Peripherie (Drucker, Maus, Tastatur,...) Kabeleliminierung heute Standard in mobilen Rechnern / PDAs / Appliances Point-and-shoot -Anwendungen? z.b. von Digitaler Kamera auf den Drucker? z.b. von PDA zu PDA: Visitenkarten austauschen Nutzung der Richtcharakteristik zur Auswahl 2000: 170 Mio. Geräte 120 Mio Einheiten Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-33

34 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Protokollarchitektur IrTran-P LM-IAS IrObex IrLAN IrComm IrMC Tiny Transport Protocol Tiny TP Ir Link Management Protocol - MUX - IrLMP Async Serial Ir Kb/s Ir Link Access Protocol - IrLAP Sync Serial Ir / Mb/s Sync, 4 PPM 4 Mb/s Tiny-TP: Datensegmentierung, Flusskontrolle IrLMP: Multiplexing, mehrere log. Kanäle über eine Verbindung IrLAP: Device Discovery, zuverlässige 1:1-Verbindungen PHY (Physical Signaling Layer): verschiedene Codierungen für Übertragung von 9.6 kbps bis 4 Mbps Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-34

35 IrDA Physical Layer: Slow IR (SIR) Asynchron (oder Synchron) mit Kbps: SIR basiert auf UART (serielle Schnittstelle), ersetzt Kabel RZI-Modulation ( Return-to-Zero Inverted ): Pulskodierung mit Puls für 0 Start Bit UART-Rahmen Daten-Bits Stop Bit Start Bit IR-Rahmen Daten-Bits Stop Bit Pulslänge 3/16 weniger Energie, größerer Pulsabstand Start und Stop Bits im UART-Rahmen zur Synchronisation Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-35

36 IrDA Physical Layer: Fast IR (FIR) Synchrone Übertragung mit / Mbps RZI-Pulskodierung, Pulslänge 1/4, d.h. 434ns bzw. 217ns Synchrone Übertragung mit 4 Mbps 4PPM-Codierung: Four Pulse Position Modulation Datenbit-Paare werden zusammengefaßt und in 500ms-Periode codiert Aufteilung der Periode in 4 Chips, Codierung durch Pulsposition VFIR HHH(1,13) Codierung 3 Chips für 2 Bit DBP 4PPM Code HDLC-ähnlicher Rahmen im Link Control Layer (IrLAP+IrPhy Standard!)? Start/Stop-Felder, Bit Stuffing in den Daten STA STA ADDR DATA FCS STO Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-36

37 IrDA Verbindungsaufbau Device Discovery Ir Link Access Protocoll (IrLAP) Discovery-Dienste: Request, Indication, Confirm Ad-hoc Übergang und Verbindungsaufbau, keine Admin., Einstellung etc. Sniff-Modus: Stromsparen, nur alle 2-3 sec. aufwachen und Antwort auf eventuell erfolgten Discovery-Request senden Adresskonflikt: wenn sich Geräte mit gleicher Adresse melden, werden alle aufgefordert, neue Adressen zu wählen Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-37

38 IrDA Verbindungsaufbau II Umsetzung der Merkmale in IrDA 2 Optionen:? Sehr niedrige Sendeleistung? Entsprechend unempfindliche Empfänger Gewählt wurde unempfindlicher Empfänger Pulse von A üblich Pulskodierung ASIR: Energiesparen beim Codieren 1,41 µs oder 3/16 Kodierung beide Kodierungen müssen von jedem Empfänger verstanden werden 3/16 sind: 9,75µs bei ,4µs bei ,2µs bei bei Pulscodierung analoges Filtern unabhängig von der Baudrate möglich (613,5kHz) Kürzere Pulse werden von aller gängigen Hardware akzeptiert Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-38

39 IrDA Verbindungsauf III Folgeprobleme des Designs? Ausrichtung, da keine Nutzung der Reflektion? Teilnehmer können sich z.t. nicht sehen Lösung in IrDA? Master Slave Verfahren. Bestehendes Problem: Hidden Terminal? Bei 4 Teilnehmern Abstimmung über Teilnetze nötig? IrDA fast immer Punkt zu Punkt Verbindung Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-39

41 Drahtlose Kommunikation Infrarot billig (Transceiver für US$ 1) keine Lizenzen nötig einfache Abschirmung Gerichtet, point & shoot als IrDA in 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 Bandes schwierige Abschirmung Interferenzen mit Elektrogeräten Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-41

42 Drahtlose Kommunikation Infrastruktur- vs. Ad hoc-netzwerk AP AP Festnetz AP Infrastruktur-Netzwerk AP: Access Points Infrarot-Bsp.: ParcTab Funk-Bsp: typisches Netz (WaveLAN) Ad hoc Netzwerk Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite keine Basisstationen Infrarot-Bsp.: IrDA (Punkt-zu-Punkt) Mobilfunk: Bluetooth Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-42

43 Bluetooth Mobilkommunikation Bluetooth Technologie Mobilfunktechnik für ad hoc Vernetzung kurze Reichweiten (10m) universell: Sprache und Daten primär für portable, persönliche Geräte niedrige Kosten: angestrebter Preis 5 US$ kleine Baugröße Bluetooth-Modul Bluetooth Special Interest Group (SIG) Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba aktuell über 1800 Firmen ( Bluetooth adopter companies ) Entwicklung der Bluetooth Spezifikation als de facto Standard? erste Version Juli 1999? über 1500 Seiten HW & SW Protokollspezifikation? Interoperabilität mit anderen Standards, v.a. IEEE (Personal Area Networks) Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-43

44 Bluetooth Mobilkommunikation Warum Bluetooth? Harald Blåtand II: Blauzahn? König von Dänemark AC? brachte Christentum nach Skandinavien? vereinigte Dänemark und Norwegen Bluetooth Technologie? Ursprung in Skandinavien? Vereiningung multinationaler Konzerne Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-44

45 Bluetooth Mobilkommunikation Wesentliche Merkmale ISM-Band, 2.4 GHz: lizenzfrei in fast allen Ländern? 79 Kanäle im Bereich 2,402 bis 2,480 GHz, je 1 MHz breit? frequency hopping : 1600 hops / s (d.h. Frequenzwechsel alle 625 µs) ca. 1 mw Übertragungsleistung 1 Mb/s auf dem Medium? Datenrate 432 kbit/s (full duplex) oder 723/57 kbit/s (asymmetrisch) Simultan Sprache ( synchron ) und Daten ( asynchron ) Sicherheitskonzepte? Authentisierung, Verschlüsselung auf Verbindungsebene Flexible Netzwerktopologie? ad-hoc Netze ohne vorbestimmten Master Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-45

46 Bluetooth Anwendungen Landline Kabelersatz Universeller Zugang zu Daten/Sprache Persönliche Ad-hoc Netze Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-46

47 Anwendung: Kabelersatz Mobiltelefone Miniaturisierung, kein Platz für Kabelanschlüsse Verkabelung schränkt Mobilität/Flexibilität ein PC-Umfeld drahtlose Anbindung von Maus und Tastatur ohne Abschattungsprobleme Verbindung mobiler Geräte zum Drucker flexible Verbindung zu PDAs und Modems Drahtloses Headset Zugang zu verschiedenen Geräten:? Telefon, PC, MP3 Player, Home Audio,... Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-47

48 Anwendung: Persönliche Ad-hoc Netze Drahtloser Transfer von Dokumenten Synchronisation verschiedener persönlicher Geräte (PC, Laptop, Organizer,...) Einfaches Sharing von Geräten wie Video beamer und Drucker Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-48

49 Persönliche Ad-hoc Netze Synchronisation Abgleich von Information auf verschiedenen persönlichen Geräten (PC, Laptop, PDA, Handy,...) Kalendar, Telefonbuch, Adressen, s, To-Do List,... Synchronisation on demand spontane Synchronisation, wenn Geräte in Reichweite kommen Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-49

50 Universeller Zugang 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 PSTN, ISDN, LAN, WAN, xdsl Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-50

51 Universeller Zugang Three-in-One Phone Universeller Zugang zu Sprachdiensten 1. Schnurloses Telefon im Haus? Bluetooth-Verbindung zum Telefon-Festnetzzugang 2. Mobiltelefon im Außenbereich, z.b. GSM 3. Walkie-talkie Kommunikation mit Telefonen in der Nähe? direkte Bluetooth-Verbindung kurze Reichweiten Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-51

52 Hidden Computing Briefcase Trick Kommunikation mit Geräten in der Nähe, die unsichtbar sind z.b. Notebook versteckt in Aktentasche Bluetooth sendet Header eingehender s auf Headset persönliches Display (z.b. in Sitzungen) Mobiltelefon in der Jackentasche als unsichtbares Modem für den PDA Bluetooth Handset viele Anwendungen... automatische Identifizierung und Authentisierung Personalisierung von Geräten in der Umgebung Telefonieren mit fremdem Mobiltelefon... Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO UMTS/ Internet Bluetooth Bluetooth Notebook in Aktentasche 6-52

53 Bluetooth Architektur Applications TCP/IP RFCOMM Anwendungsunterstützung Data L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Control L2CAP: logische Verbindungen, Protokollanpassung Link Management: Verwaltung von Piconetzen Baseband: Auffinden von Geräten, Synchronisation, Fehlerbehandlung RF-Schicht: physikalische Übertragung Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-53

54 Physikalische Schicht Bluetooth RF Radio Layer Spreizspektrumverfahren: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) 79 Frequenzbänder, 1 MHz breit: x MHz (x=0,..,78) frequency spectrum freq Frequenzmodulation GFSK: Gaussian frequency shift keying Frequency Hopping 1600 Frequenzwechsel pro Sekunde Einfluß von Störfrequenzen minimieren (Elektrogeräte, andere Bluetooth-Links,...) Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-54

55 Frequency Hopping 2,480 GHz 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 freq Kollision Paket-Sendewiederholung bei Prüfsummenfehler und NAK Beitrag zur Sicherheit: nur Empfänger kennt richtige Hop-Sequenz 2,402 GHz 625 µs t Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-55

56 Verbindungsschicht Bluetooth-Verbindungen Baseband Layer: Master-Slave Punkt-zu-Punkt Link Manager: Management von Bluetooth Piconet-Zellen (ein Master, mehrere Slaves) Baseband Auffinden anderer Geräte Synchronisation zwischen Sender und Empfänger Paketformat, Verbindungsarten synchron/asynchron Fehlerbehandlung, Sendewiederholung L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Link Manager Authentisierung und Verschlüsselung Piconet-Management: Signalisierung zwischen Link Managern zum Zustand von Geräten, Power modes usw. Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-56

57 Netzwerktopologie Piconet: Kommunikationskanal für mehrere Geräte Geräte teilen sich einen Kanal, definiert durch gemeinsame Hop- Sequenz, alle Geräte ändern gemeinsam Kanal Ein Master, simultan verbunden mit bis zu 7 Slaves? weitere Slaves (insgesamt 255) können im Piconet geparkt sein? andere Geräte im Sendebereich im Stand-by Zustand: nicht verbunden Master/Slave-Rollen sind dynamisch Verbindungsaufbau? Master verteilt Takt u. Geräte-ID zur Bestimmung der Hop-Sequenz Kommunikation? Punkt-zu-Punkt Master-Slave? Multicast vom Master an alle Slaves? nicht direkt slave-to-slave S P P S piconet proximity sphere M S sb Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-57

58 Netzwerktopologie Scatternet: Verbindung von Piconets 2-10 Piconets können ein Scatternet bilden? keine gemeinsame Hop-Frequenz? Verbindung über Knoten, die zwischen Piconets hin- und herspringen Optimierung von Bandbreite/Volumen? Piconet-Kapazität: 1 Mb/s P S S sb M S? 10 Piconets im gleichen Sendebereich: aggregierte Bandbreite bis ~10 Mb/s? Datenrate nimmt bei 10 Piconets nur leicht ab (~10%) bis zu 80 aktive Geräte auf engem Raum ABER: keine Broadcast, deshalb nur eingeschränkt für Kontext-Netzwerke geeignet sb S P M P Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-58

59 Synchronisation und Adressierung IDb IDa A B IDe IDc IDd E D C IDa IDb IDa M S IDe IDa IDc sb IDa IDd P S Synchronisation 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 Adressierung im Piconetz Active 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 Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-59

60 Baseband Verbindungszustände Unconnected (low power) Connecting states Detach Inquiry Standby T typical=2s Standby: nicht Teil des Piconet, d.h. nicht aufsynchronisiert Page 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 Connected (full or reduced power) Sniff AMA T typical= 2 ms Active AMA T typical=0.6s T typical=2 ms Active: listening for data packets ; bei Sniff nicht durchgehend aber periodisch Low power connected states Park PMA Releases AMA Address Hold AMA Hold: noch synchronisiert aber nicht mehr mithörend; bei Park auch Freigabe der AMA Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 6-60