Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 05/06

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 05/06 Michael Beigl Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office

2 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Communication Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Context HCI Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-2

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4 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! Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-4 Keine Ausrichtung erforderlich! Gerät 2

5 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-5

6 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-6

7 IrDA für die Werbung Quelle in Deutschland, Service von T-Mobile, Technologie von Accinity: Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-7

8 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-8

9 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-9

10 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 DBP 00 4PPM Code 1000 und in 500ms-Periode codiert Aufteilung der Periode in 4 Chips, Codierung durch Pulsposition VFIR HHH(1,13) Codierung 3 Chips für 2 Bit 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-10

11 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 Sniff-Open Discovery Connect Informations- Übertragung Disconnect Adresskonfliktauflösung Reset Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-11

12 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-12

13 IrDA Verbindungsaufbau 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-13

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15 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 Bandes schwierige Abschirmung Interferenzen mit Elektrogeräten Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-15

16 Drahtlose Kommunikation Infrastruktur- vs. Ad hoc-netzwerk AP AP Festnetz AP Infrastruktur-Netzwerk AP: Access Points Infrarot-Bsp.: ParcTab Funk-Bsp: b/a/g-Netz (WaveLAN, Wifi) Ad hoc Netzwerk Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite keine Basisstationen Infrarot-Bsp.: IrDA (Punkt-zu-Punkt) Mobilfunk: Bluetooth Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-16

17 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-17

18 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? Vereinigung multinationaler Konzerne? Festlegung des Namens 1997 in einer kanadischen Bar bei einem Treffen von Ericsson- und Intel- Entwicklern Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-18

19 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 Trägerabstand? 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, max 3 Kanäle) und Daten ( asynchron ) Sicherheitskonzepte? Authentisierung, Verschlüsselung auf Verbindungsebene Flexible Netzwerktopologie? ad-hoc Netze ohne vorbestimmten Master Haupzweck Kabelersatz für Anbindung über kurze Reichweite Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-19

20 Bluetooth Anwendungen Landline Anbindung für Peripherie Universeller Zugang zu Daten/Sprache Persönliche Ad-hoc Netze Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-20

21 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 PSTN, ISDN, LAN, WAN, xdsl Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-21

22 Anwendungsbeispiele 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-22

23 Hidden Computing Briefcase Trick Kommunikation mit Geräten in der Nähe, die unsichtbar sind z.b. Notebook versteckt in Aktentasche sendet Header eingehender s auf Bluetooth persönliches Display (z.b. in Sitzungen) Headset 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... Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO UMTS/ Internet Bluetooth Handset Bluetooth Bluetooth Notebook in Aktentasche 6-23

24 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-24

25 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,...) Leistungsklassen 100 mw(20 dbm),2.5 mw(4 dbm),1 mw(0 dbm) Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-25

26 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-26

27 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-27

28 Bluetooth Inquiry zu Connection Master Inquiry Page Connection Slave addr paging response FHS: time&id Slave Inquiry Scan Page Scan Connection Master lädt Slaves ein: 32 hopping Sequenzen, je 10 ms Wechsel der Sequenz alle 1,28 Sekunden Slave Inquiry: hören auf 1 Frequenz Einladung (Inquiry) auf Goodwill von Master Zeiten Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-28

29 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-29

30 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? 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 S P S sb S sb P M M P S Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-30

31 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-31

32 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 05/06 Michael Beigl, TecO 6-32

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34 ZigBee und IEEE Standards Preiswertere Funklösungen als Bluetooth Aber ähnlicher Zielmarkt / Produkte wie Bluetooth: Kabelersatz Aufbau einfacher, preiswerter, energiesparender als Bluetooth Bessere Einsatzmöglichkeiten auch bei kabellosen Sensorknoten & Zigbee: Aufeinander aufbauende Standards Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-34

35 ZIGBEE und IEEE Eigenschaften 250 Kbps, zuverlässige Komm. für Peripherie, auch für Sensorknoten geeignet (Einbuchzeiten, Stromverbr.) preiswerte Hardware (aktuell ca. 8 Euro/Chip), einfach, im Vergleich zu Bluetooth energiesparsam (14 ma@2 V) Empfangen) Reichweite: 30 Meter Unterschied Zigbee und IEEE IEEE : Physikalische und MAC Schicht Zigbee: obere Schichten, Anwendungsprofile Verfügbarkeit IEEE teilweise standardisiert (ausser P2P) Chips verfügbar, Produkte nicht verfügbar IEEE /915 MHZ Physical layer Upper layers Network layer IEEE802.2 LLC type 1 SSCS Other LLC IEEE MAC layer Data Link Layer IEEE GHZ Physical layer Zigbee spec Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-35

36 IEEE Physikalische Schicht kein Frequency-Hopping, sondern nur Auswahl trotz mehrerer Kanäle MAC: Scan mehrerer Frequenzen auf der Suche nach Partner (Beacon) Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-36

37 IEEE Physikalische Schicht: Packetstruktur Eigenschaften Energy detection (ED): auch Rauschen kann detektiert werden Link quality indication (LQI): Aussage über Qualität der Daten Clear channel assessment (CCA): für CA der MAC Schicht PHY Paketfeld Preamble (32 bits) Synchronisierung, Einschwingen Start of Packet Delimiter (8 bits) Preamble-Ende PHY Header (8 bits) spezifiziert PSDU Länge PSDU (0 to 127 bytes) PHY payload Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header PHY Service Data Unit (PSDU) 6 Bytes Bytes Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-37

38 IEEE MAC: Features Eigenschaften Kanalzugriff Beacon Management: Zur Festlegung von Sende/Empfangszeitpunkten, zur Energieeinsparung Guaranteed Time Slot (GTS) Mgmt. (nur Personal Area Network = PAN) Gesicherte Auslieferung 2 Modi: Stern bzw. PAN (Master/Slave), Netzwerk (Peer-to-Peer) + 1 Zwischenmodus : Cluster Tree: Stern+P2P Gerätetypen Full function device (FFD)? Stern oder P2P? Kann Koordinator (Master) sein? Hardwareimplementierung verfügbar Reduced function device (RFD)? Nur Stern? Kein Koordinator, spricht nur zu FFD? Einfacher als FFD zu implementieren Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-38? Keine Implementierung verfügbar

39 Master IEEE Topology Koordinator nur für Beaconverwaltung zuständig Koordinator NICHT für Medienzugriff zuständig Star-Topologie Point-to-Point Cluster-Topologie: Mix aus Star und P2P FFD RFD Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-39

40 IEEE MAC Packet Structure Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-40

41 IEEE PHY Packet Structure Frame Control Feld: MAC-Typ, Address-Typ 4 MAC-Typen: Data, Beacon, ACK, Command DATA FRAME BEACON FRAME Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-41

42 IEEE MAC Packet Structure Legende PPDU: Physical Protocol Data Unit PSDU: Physical Service Data Unit MPDU: MAC Payload Data Unit MSDU: MAC Service Data Unit SHR: Synchronization Header PHR: Physical Header MHR: MAC Header MFR: Mac Footer FCS: Frame Check Sequence (CRC) Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-42

43 IEEE MAC Packet Structure ACK FRAME MAC COMMAND FRAME Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-43

44 IEEE Adressierung, Beacons Geräteadressierung Verwendung von IEEE (64 bit) Adressen Kann vom PAN-Koordinator (cluster tree, Stern) durch 16bit Adresse ausgetauscht werden Adressierungsarten Netzwerk + Geräteidentifikator (Stern) Source/destination Identifikator (P2P) Source/destination cluster tree + Geräteidentifikator (cluster tree) Beacons Legen 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 acknowledgement? Für Netzwerkassoziation wird weiterhin Beacon benötigt Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-44

45 MAC SuperFrame Structure Super Frame Structure (optional) Zeit zwischen 2 Beacons Format des Superframe durch Koordinator definiert Zeit zwischen Beacons wird in 16 gleichlange Slots aufgeteilt Superframe hat aktive und nicht aktive Teile (Energiesparen!) Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-45

46 MAC SuperFrame Structure Interval Interval ausgehandelt zwischen 15ms 245s Contention access period (CAP) Slotted CSMA-CA (mit Backoff) außer für ACK Packet muss vor Ende von CAP enden IFS 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 Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-46

47 IEEE PAN Aufsetzen eines PAN (Personal Area Network) FFD führt aktiven Scan der Kanäle durch, um Beacon zu finden? Um andere Koordinatoren zu finden? Vorgehen: 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 Identifier Erkennung durch Beacons Lösung? Falls durch irgendein PAN Gerät: Sende PAN ID Benachrichtigung zum PAN coordinator? Wenn durch PAN Koordinator erkannt? Kanal scannen? Neuen PAN identifier wählen? Broadcast des neuen PAN identifier Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-47

48 Assoziation im PAN Modus Ablauf Gerät sucht PAN zum Assoziieren über passiven und aktiven Kanal-Scan? Aktiv: Gerät sendet Beacon Request Command? Passiv: Gerät hört nur auf Kanal Gerät wählt aus der Menge der PANs ein geeignetes aus Gerät sendet eine Assoziationsanforderung and den PAN Koordinator Innerhalb von aresponsewaittime wird eine Antwort gesendet Positiver Fall: Assoziations-Antwort vom Koordinator mit? Kurzadresse? Status Disassoziation Von Koordinator und Gerät gleichermaßen durch Senden eines Befehles möglich Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-48

49 GTS Allocation and Management Eigenschaften Guaranteed Time Slots (GTS) nur bei PAN und Beacon GTS wird vom Koordinator vergeben und verwaltet nur zur Kommunikation zwischen Koordinator und Gerät Ein GTS kann sich über mehrere Superframe Slots erstrecken Bis zu 7 GTS zur selben Zeit GTS request command, GTS descriptor in Beacon PAN coordinator gibt GTS wieder frei? Auf Aufforderung? Bei Inaktivität im GTS Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-49

50 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Communication Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Context HCI Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-50

51 Sensornetzwerke Grundlegende Probleme Verdecktes Endgerät (Hidden Terminal) Veränderte Empfangsbedingungen: Nichtempfang durch stark schwankende Störungen, dadurch Verlust von Information Keine Empfangsbereitschaft: Nichtempfang, da nicht bereit zu hören, z.b. da Anwendungsabarbeitung, im Schlafmodus, Protokollaufbau zu lange, dadurch Verlust von Information Übermäßiges Empfangen (Overhearing): Hören von Paketen die nicht von Interesse sind kostet Energie Unnötiges Empfangen (Idle Listening): Empfangsmodus, wenn niemand sendet kostet Energie Kollisionen Protokollkomplexität (Abarbeitung, Speicherverbrauch) Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-51

52 Sensornetzwerke: Anwendungsbsp. Anwendung: Durchqueren einer Zelle Eine sich bewegende Zelle durchquert eine andere (fixe oder stationäre Zelle) Dauer bei 10 Meter Zelldurchmesser ca. 0.4 sec bei Laufgeschwindigkeit Innerhalb dieser Zeit muss Verbindung aufgebaut, Daten gesendet werden Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-52

53 Sensornetzwerke: Anwendungsbsp. /2 Kommunikationsprobleme am Beispiel Veränderte Empfangsbedingungen: Durch Bewegung Keine Empfangsbereitschaft: Protokollaufbau zu langsam um Daten auszutauschen Kollisionen: Durch Nicht-Erkennen der zweiten Zelle Unnötiges Empfangen: Nach Verlassen der Zelle wird weiterhin gehört Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-53

54 Sensornetzwerke Lösungen Verdecktes Endgerät (Hidden Terminal): RTS/CTS, Busy-Tone (normalerweise nicht mgl, da zu aufwändig) Veränderte Empfangsbedingungen: Robuster Kanalzugriff, Rauschpegelerkennung Keine Empfangsbereitschaft: Scheduling, Preamble-Sampling Übermäßiges Empfangen (Overhearing): Scheduling, Fast-Shut- Off Unnötiges Empfangen (Idle Listening): Scheduling, Preamble- Sampling Kollisionen: 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? Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-54

55 Lösungen MAC Wireless medium access Centralized Distributed Contentionbased Schedulebased Schedulebased Contentionbased Fixed assignment Demand assignment Fixed assignment Demand assignment Quelle:H.Karl Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-55

56 Lösungen MAC Wireless medium access Centralized Distributed Contentionbased Schedulebased Schedulebased Contentionbased Fixed assignment Demand assignment Fixed assignment Demand assignment Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-56

57 MAC: ALOHA Einzige Möglichkeit, wenn nur Transmitter Bei niedriger Update-Geschwindigkeit auch bei hoher Knotendichte möglich Minimalster Energieverbrauch im Sender Unslotted ALOHA Performance 1 0,9 Probability of No Collision 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Increase transmit rate 5 nodes 10 nodes 15 nodes 20 nodes 25 nodes 50 nodes 75 nodes 100 nodes 150 nodes 200 nodes 250 nodes 0,1 0 Ubiquitous 0 Computing10 WS 05/06 Michael 20 Beigl, TecO Transmitting interval [s]

58 Lösung Schedule: Schlafen und Synchronisieren Löst Keine Empfangsbereitschaft, unnötiges Empfangen-Probleme Beispiel: S-MAC, T-MAC (weiteres Bsp: ) S-MAC: Auswahl Zeitplan (Schedule)? Knoten geht zufällig in Schlafmodus? Wenn SYNC-Paket eines anderen Knoten gehört wird, wird diesem gefolgt (SYNC Paket enthält Schedule-Plan und Adresse des Senders), ansonsten eigener Sync? Mehrere Sync-Zugehörigkeiten (Knoten 3!) sind möglich Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-58 Time

59 Lösung: Schlafen und Synchronisieren S-MAC Problem: Overhearing durch fixen Active-State T-MAC: Nach bestimmter Zeit ohne Zugriff auf Kanal Wechsel in Sleep-State: S-MAC T-MAC Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-59

60 Lösungen: Kanalzugriffserkennung durch Preamble-Sampling Lösung für Veränderte Empfangsbedingungen, Keine Empfangsbereitschaft (Overhearing), Kollisionen durch lange Präambel teilweise Übermäßiges Empfangen (Channel-Check, lange Präambel notwendig) Sehr energiesparend, wenn Preamble-Erkennung via Hardware direkt unterstützt Long preamble Actual packet Check channel Check channel Check channel Check channel Quelle:H.Karl Stay awake! Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-60

61 Preamble-Sampling B-MAC Preample-Sampling und Erkennung aktuellen Rauschpegels (noise-levels) bei freiem Kanal Geht das Veränderte Empfangsbedingungen Problem an Clear Channel Assesment (CCA): Kanal wird 5x abgetastet, bevor gesendet wird. Ist Kanal 1x unter Rauschpegel, wird er als besetzt angenommen Nachteil: CCA Abtastung sehr langsam bei preiswerten Receivern, kostet viel Zeit und damit Energie Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO Quelle: Polastre et al. 6-61

62 Routing in Ubicomp Routing in Ad-hoc Netzwerken Allgemeine Problematik? Zwei Stationen können nicht direkt über ihr Medium Nachrichten austauschen da Reichweite zu gering Lösung? Verbindung über Zwischenstationen (Router) Ansatz? Suche kostengünstigste Möglichkeit, Nachrichten zu routen Kostengünstig? Preis, Verbindung mit meister Bandbreite, Verbindung mit aktuell am wenigsten Auslastung,... Probleme und Charakteristika in Ubicomp Problem: keine Basisstation, ständiges Hinzukommen/Verlassen, große Anzahl Knoten, Instabilität, Topologie nicht bekannt Charakteristik: viele, kleine Pakete (<255 byte), lokale Bedeutung der Pakete Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-62

63 Routing in Ubicomp II Kosten Energieaufwand, verfügbare Energie in potentiellen Routern, Störungsfreiheit der Verbindung, zeitliche Stabilität der Verbindung verwendte Routingtypen Typen Weiterentwicklung von Verfahren für Festnetze, auch Flooding! Ad-Hoc Generierung von Routen z.b. Dynamic Source Routing Cluster-bildende Algorithmen: Annahme innerhalb der Gruppe nicht so viel Bewegung Oft Multipfad-Routing Lösungsansätze Verwendung von Domänenwissen: Lokation, Struktur der Umgebung/Einsatzbereich,... Ubiquitous Computing WS 05/06 Michael Beigl, TecO 6-63