Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS06/07

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS06/07 Michael Beigl TU Braunschweig Institute of Operating Systems and Computer Networks

2 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Communication Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Context HCI Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-2

3 Grundlagen

4 Kommunikation für Ubicomp Anforderungen Anwendungsbezug Information Appliances Einfachheit Vielseitigkeit Vergnüglichkeit Bedienbarkeit, Energieverbrauch, Administration Usability-Bezug Mache nutzbare Eigenschaften sichtbar Benutze natürliche Assoziationen zur Verdeutlichung Gib Feedback Affordances! Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-4

5 Kommunikation für Ubicomp Anforderungen Anwendungsbezug Information Appliances Einfachheit Vielseitigkeit Vergnüglichkeit Bedienbarkeit, Energieverbrauch, Administration Usability-Bezug Mache nutzbare Eigenschaften sichtbar Benutze natürliche Assoziationen Steckerdesign zur Verdeutlichung Strom/Steckdose Gib Feedback LEDs Affordances! Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-5

6 Kommunikation für Ubicomp Charakteristika gegenüber 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: anwendungsorientiert (Peer-to-Peer) dienstorientiert (Client-Server) 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 Routing-Fähigkeiten: Netzwerk-Routing oder Application Layer Bridges Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-6

7 Kommunikation 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 Aber oft rauere Umgebung! Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-7

8 Kommunikation 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-8

9 Kommunikation für Ubicomp Ein paar Grundlagen Codierung wichtig, hier insbesondere von digitalen Signalen, weil viel Energie für Kodierung verwendet wird Kodierung für Übertragungseigenschaften mitverantwortlich Geschwindigkeit Fehlerrate Eignung für Echtzeitübertragung / QoS Codierungsmöglichkeit Analog, z.b. Transfer eines Audiosignals auf einen anderen Frequenzbereich Digital: Codierung des Signals in eine Wellenform in einem Frequenzbereich Simpler Ansatz Digital: Lege Spannung an für 1, keine Spannung für 0 Problem: Signalverlauf wird von Umgebung beeinflusst: In Leitungen Widerstand, Kapazität, Induktivität, Einstreuung von anderen Signalen, Reflektion In Funk durch Reflektion, Störungen (natürliche, artifizielle), Antenne.. Bei Licht durch Reflektion, Störungen, Sichtbereich,.. Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-9

10 Kommunikation für Ubicomp Grundlagen Modulation Digitale gegen Analoge Signalübertragung Die Wirklichkeit ist analog, Medien übertragen digitale Signale schlecht Kurze Kabel noch halbwegs gut, andere Medien so gut wie nicht Kodieren des Digitalen auf analoge Signale: MODEM (Modulator, Demodulator) Beispiel: Amplitudenmoduladion Amplitude der Welle repräsentiert Bit Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

11 Kommunikation für Ubicomp Grundlagen Modulation Frequenzmodulation Frequenz der Welle wird aufgrund Bitwert geändert Phasenmodulation (Phase Shift Key, PSK) Phase der Welle Oft auch Kombination mit ASK Resistent gegen Rauschen, daher oft Funk, Powerline Wavelan, DBPSK (Differential binary phase shift key ), DQPSK Daten Modulierte Trägerwelle Referenzsignal Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

12 Kommunikation für Ubicomp Grundlagen Multiplex, Signal Multiplex Zeit (TDMA), Frequenz (FDMA), Raum (SDMA), Code (CDMA) Shannon MaximumBitRate = Bandwidth*log2(1+SNR) SNR ist der Signal zu Rauschen (Signal to Noise) Abstand (Ratio) SNR = Durchschnittliche Signalstärke Durchschnittliche Rauschstärke Selbst schlechte Leitungen (analoges Telefon) haben SNR von 10,000 (40dB) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

13 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Communication Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Context HCI Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

14 Kabelgebunden Multimedia- Kommunikation

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 (<1$), aber auch hohe Multimedia-Anforderungen möglich hoher Durchsatz, aber durch Software PnP längere Latenz bis zum ersten Datenaustausch Stromversorgung über Kabel Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

16 Plug & Play Busse: USB Netztopologie logischer Bus (neu: USB-on-the-go: eingeschränktes Peer-to-Peer) physikalisch Baumstruktur, bis 7 Schichten, 127 Geräte Root Hub: Host-PC als Master Peripheriegeräte sind Blätter im BaumGerät Hubs: Verzweigung im Baum Upstream Port / Downstream Ports Gerät Root-Hub Initialisierung, Numerierung und Adressierung aller USB-Geräte periodische Abfrage von Übertragungswünschen Singulärer Schwachpunkt, Verkabelung erfordert Verständnis! Host Root Hub Gerät Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ 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 (sehr einfach!), in USB2.0 ist Frame in 8 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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, 400, 800Mbit/s bei Abständen zwischen Geräten von 4.5 Metern, 1394b: bis zu 3.2 Gbit/s bei 100 Meter bis zu Geräte maximal Typischer 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. 2$ Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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 Data Strobe 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Result. Clock

21 Kabelgebunden Hausbus

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 notwendig: Linie, Stern, Baum, Schleife oder Kombination möglich, möglich durch hohe Impulsspannungen elektrisch ad-hoc hinzufügen möglich, aber die 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 Multicast-Adressen (Gruppenadressierung) logische bzw. physikalische Gruppierung von Geräten analog Gebäudelayout Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

23 EIB Medien Zweidrahtleitung bit/s (CSMA/CA), robuste aber langsame Codierung: 1=Power, 0=Änderung in Power Powerline bit/s Funk bit/s 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: Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 Quelle: 1-23

24 Sonstige Hausnetzwerke BACnet: building automation and control 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

25 Kabelgebunden Powerline

26 Powerline Communication Nutzung vorhandener Infrastruktur vorhandene Verkabelung als Leiter, Steckdosen als 3 Zugangspunkte Vereinfachung der Handhabung durch bekannte Steckernorm/benutzung 1 2 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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. LON: dual-carrier 132 und 115 khz, ~5.4 kb/s Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

28 Powerline Communication 1980: X-10 Standard für Übertragung von Steuerungsinformation im Heimbereich einfache Steuerung von Beleuchtung und Verbrauchern, sehr fehleranfällig 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 (100+), aber keine garantierte Bandbreite Datenübertragung im Haus stark von Umgebung abhängig Aufteilung der Phasen Verteilung / Anzahl Verbraucher Verkabelung Geräte Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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 Übertragungsprobleme 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Quelle:

30 Powerline Communication Probleme Tests ergaben signifikante Interferenz mit Funkfrequenzen, die für andere Zwecke verwendet werden (Anhebung Störung bis 25 db). Stromkabel eignen sich gut als HF Antennen 100 Meter Ausbreitung: senkrecht parallel Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/