Wireless Communication Tradeoff

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1 Sommersemester 2002 SEMESTERARBEIT für Didier Matthey Betreuer: Jan Beutel, ETZ G63 Stellvertreter: Paul Lukowicz, ETZ H 93 Ausgabe: 25. März 2002 Abgabe: 1.Juli 2002 Wireless Communication Tradeoff Einleitung Für mobile Geräte stehen in Zukunft immer mehr drahtlose Kommunikationsmedien zur Verfügung. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in der Bandbreite, der Netzstruktur und Übertragungstechnologie aber auch in Systemkomplexität und Stromverbrauch. Bis aber so genannte Multi-Standard Transceiver integriert in einer Komponente zur Verfügung stehen, muss man sich damit behelfen, mehrere solche Systeme vorzusehen und nur bei Bedarf zu betreiben, um einen minimalen Ressourcenverbrauch zu erzielen. Figure 1: In zukünftigen mobilen Systemen spielt der Mensch eine grosse Rolle. Auf seine Tätigkeiten und Fähigkeiten zugeschnittene verteilte Systeme stellen hohe Anforderungen an die Kommunikationsschnittsstellen. In Zusammenarbeit mit dem Polyprojekt Wearable Computing [1] sollen auf einer Strong Arm [10, 11] Linux Platform [7, 29] verschiedene Kommunikationsinterfaces im Betrieb analysiert werden. Dazu ist es notwendig, eine einheitliche Treiberstruktur für z.b. Varianten von IEEE ,, IrDA, GSM, GPRS, HSCSD, EDGE, UMTS etc. zu implementieren und vergleichend einzusetzen [3]. Jeder Treiber muss dazu konfigurierbar

2 sein und detailierte Status- und Betriebsinformationen an das Betriebssystem liefern können, um jeweils optimal ressourcenschonend eingesetzt zu werden. Die verschiedenen Konfigurationen für Access Netzwerke sollen eingehend analysiert und verglichen werden. Die notwendige Hardware (WearARM, Ipaq und Interfaces) und standard Softwaretreiber stehen zur Verfügung. Mit [6] lassen sich die unterschiedlichsten Geräte drahtlos verbinden. Dabei können aber immer nur bis zu acht aktive Geräte in einem sogenannten Piconetz miteinander kommunizieren. In einem Raum können mehrere Piconetze in einem Scatternetz koexistieren. Über einen Backbone (z.b. Ethernet) können Geräte in unterschiedlichen Räumen dann miteinander kommunizieren. IP Network Control/ Serviceapplication Simulator Figure 2: Verteilte s und Piconetze ermöglichen einen lokal sehr beschränkten Zugang zum core IP Netzwerk. Wireless LAN [13, 14, 12] hingegen ermöglicht höhere Datenraten und eine grössere Reichweite sowie ein gemeinsames Zugriffsmedium (MAC) so dass sehr viele Geräte miteinander kommunizieren können. Dabei ist eine Konfiguration mit s oder als Ad-hoc Netzwerk sowie dynamischer handover vorgesehen. Die verwendeten Ressourcen übersteigen dabei die von bei weitem. Mit Mobilfunksystemen lassen sich heute nur beschränkt Datenverbindungen aufbauen, da die Möglichkeiten von HSCSD und GPRS noch nicht flächendeckend verfügbar sind. Trozdem gibt es in Europa eine sehr gute Abdeckung und auch internationales Roaming ist implementiert. Um ein mobiles Gerät eindeutig in einem IP Netzwek zu identifizieren eignet sich IP [23, 27]. Überlegen sie sich eine mögliche implementierung für das Wearable Szenario. Aufgabenstellung 1. Erstellen Sie einen Projektplan und legen Sie Meilensteine fest [30]. Erarbeiten Sie in Absprache mit dem Betreuer ein Pflichtenheft. 2. Führen Sie eine Literaturrecherche zu Themen wie und Ubiquitous Computing, Wireless Networking, Datenlinkprotokolle, und Multihop Netzwerke durch. Ausgangspunkte bilden z.b. die Arbeiten von Rabaey, Estrin, Imielinski und Meng [22, 9, 8, 24, 25, 15, 16]. Suchen Sie auch nach neueren Publikationen. 3. Machen Sie sich mit den am Institut und bei Prof. Mattern (Smart It s) bereits durchgeführten Arbeiten [19, 18, 20, 28, 5, 26, 2, 17, 4] vertraut. Es sollten möglichst viele Synergien aus schon durchgeführten Arbeiten genutzt werden. 4. Arbeiten Sie sich in die Entwicklungsumgebung für Strong Arm Linux ein. Setzen sie die erforderliche Cross-Compile Umgebung (binutils, gcc, glib) auf i-386 Linux auf. Machen Sie sich in ersten Schritten mit der familiar distribution auf handhelds.org vertraut und installieren Sie diese auf einem Ipaq.

3 Figure 3: Verschiedene Overlay Netzwerke dienen unterschiedlichen Zwecken. 5. Nehmen die Wireless LAN,, modem, IrDA, GSM Schnittstellen in betrieb und charakterisieren Sie diese. 6. Machen Sie Versuche wie gut die Indikatoren (RSSI, Verbindungsstabilität, Datenrate, Bitfehlerrate, etc..) der verschiedenen Kommunikationsinterfaces sich für eine Abstandsschätzung anwenden lassen. 7. Erarbeiten Sie ein Konzept um verschiedene Netzwerkvarianten und Verhalten zu analysieren. Verifizieren Sie Ihr Konzept und die verwendeten Algorithmen in Simulation und Versuch. 8. Entwickeln Sie ein kontroll Interface das es Applikationen ermöglicht dynamisch zwischen verschiedenen Interfaces zu wählen. Beachten Sie dabei Qos, Routing, Session und Transport Layer. 9. Portieren Sie ihre Implementation und Treiber auf den WearArm [21]. 10. Dokumentieren Sie Ihre Arbeit sorgfältig mit einem Vortrag, einer kleinen Demonstration, sowie mit einem Schlussbericht. Durchführung der Semesterarbeit Allgemeines Der Verlauf des Projektes Semesterarbeit: Wireless Communication Tradeoff soll laufend anhand des Projektplanes und der Meilensteine evaluiert werden. Unvorhergesehene Probleme beim eingeschlagenen Lösungsweg können Änderungen am Projektplan erforderlich machen. Diese sollen dokumentiert werden. Sie verfügen über PC s mit Linux für Softwareentwicklung und Test. wenden Sie sich an Ihren Betreuer. Falls damit Probleme auftauchen Stellen Sie Ihr Projekt zu Beginn der Semesterarbeit in einem Kurzvortrag vor und präsentieren Sie die erarbeiteten Resultate am Schluss im Rahmen des Institutskolloquiums Ende Semester. Besprechen Sie Ihr Vorgehen regelmässig mit Ihrem Betreuer.

4 Abgabe Geben Sie vier unterschriebene Exemplare des Berichtes spätestens am 1. Juli 2002 dem betreuenden Assistenten oder seinen Stellvertreter ab. Diese Aufgabenstellung soll vorne im Bericht eingefügt werden. Räumen Sie Ihre Rechnerkonten soweit auf, dass nur noch die relevanten Source- und Objectfiles, Konfigurationsfiles, benötigten Directorystrukturen usw. bestehen bleiben. Derq Programmcode sowie die Filestruktur soll ausreichen dokumentiert sein. Eine spätere Anschlussarbeit soll auf dem hinterlassenen Stand aufbauen können. References [1] ETH Polyproject: Wearable Computing. [2] The Smart Its Project. [3] Jan Beutel. wireless communication system evaluation. Technical report, TIK, ETH Zurich, March [4] Egon Burgener and Peter Fercher. Grenzenlose Piconetze mit. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, February [5] Damon Fenacci, Marcel Grob, Peter Zberg, and Simon Künzli. Konzept Heim Netzwerk. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, [6] Jaap C. Haartsen. The Radio System. IEEE Personal Communications, February [7] Handhelds.org Working Group. [8] Thomasz Imielinski and Henry Korth. Computing. Kluwer Academic Publishers, [9] Chalermek Intanagonwiwat, Ramesh Govindan, and Deborah Estrin. Directed Diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks. Technical Report , University of Southern California, March [10] Intel. StrongARM SA-1110 Microprocessor Developers Manual, June [11] Intel. StrongARM SA-1111 Microprocessor Companion Chip Developers Manual, July [12] ISO/IEC and ANSI/IEEE. DRAFT International Standard ANSI/IEEE Std b, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band., [13] ISO/IEC and ANSI/IEEE. International Standard ANSI/IEEE Std , Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, [14] ISO/IEC and ANSI/IEEE. International Standard ANSI/IEEE Std , Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band, [15] A. Iwata, Ching-Chuan Chiang, Guangyu Pei, M. Gerla, and Tsu-Wei Chen. Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Special Issue on Ad-Hoc Networks, 17(8): , August [16] Rahul Jain, Anuj Puri, and Raja Sengupta. Geographical routing using partial information for wireless ad hoc networks. Technical Report M99/69, UCB/ERL Memo, December [17] Michael Lerjen and Christian Zbinden. Reconfigurable Ethernet Bridge. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, March [18] H. Mathys. Stack for the Palmpilot. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, 2001.

5 [19] H. Mathys, A. Pellmont, and A. Petralia. Home Networking - Implementation (Übertitel: DMA - Drop a Message Anywhere). Master s thesis, ETH Zürich, TIK, June [20] Thomas Moser and Lukas Karrer. The EventCollector Concept. Master s thesis, ETH Zürich, Distributed Systems Group, [21]G.Tro sters.j.schwartzr.w.devaulp.lukowicz,u.anliker. computing core. IEEE Micro, Theweararmmodular,low-power [22] Danny Patel. Energy in Ad-Hoc Networking for the PicoRadio. Master s thesis, University of California at Berkeley, [23] C. Perkins. Request for comments: 3220 ip mobility support for ipv4. Technical report, Internet Engineering Taskforce, [24] Jan M. Rabaey, Josie Ammer, Julio L. da Silva Jr., Danny Patel, and Shad Roundy. PicoRadio Supports Ad Hoc Ultra-Low Power Wireless Networking. IEEE Computer, 33(7):42 48, July [25] V. Rodoplu and T.H. Meng. Minimum energy mobile wireless networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 17(8): , Aug [26] Riccardo Semadeni and Lars Wernli. Unleashed, Wireless Netzwerke ohne Grenzen. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, July [27] Andrew S. Tanenbaum. Computer Networks. Prentice Hall Internalional, [28] Sascha Wulff and Marco Wirz. Networking - Protocol and Application Development. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, February [29] Working Group. [30] Eckart Zitzler. Studien- und Diplomarbeiten, Merkblatt für Studenten und Betreuer. ETH Zürich, TIK, March Date Section Changes Jan. 28, 2002 Initial Version Mar. 26, 2002 Revised with WearArm and CommIfaces Table 1: Revision History