Aufbau der Vorlesung. Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 01/02. Netzwerktechnologien für Ubicomp

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1 Aufbau der Vorlesung 1 Grundlagen 4 Kontext Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im W 01/ Geräte Vernetzung Netzwerktechnologien höhre Ebenen ensoren/aktuatoren Interaktion Anwendungen Prof. Lars Wolf Michael Beigl Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office 7 Anwendungen ensoren Aktuatoren reale Welt Geräte Kontext Interaktion (vorverarbeitete) Information Vernetzung digitale Welt Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO ( ) Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-3 Ubicomp-Netze: Einführung tandard-rechnernetze Lokale Netze (Ethernet usw.) Globale Vernetzung, Internet relativ homogen: Endgerät = General-Purpose Computer statisch, wenig flexibel: Integration von Knoten aufwendig Netze für Ubiquitous Computing Diversifikation von Endgeräten: mobil, eingebettet, spezialisiert Mobilität: mobile Nutzer, mobile Geräte Allgegenwart: überall, insbesondere auch im Heimbereich pontaneität: ad hoc Vernetzung von Geräten Konvergenz: Daten, Audio/Video, teuerung Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-4

2 Ubicomp-Netze: Entwicklungstrends im Weitverkehrsbereich Mobilität: von GM über EDGE zu UMT Konvergenz: vom Daten-Internet über Multimedia-Internet zum Embedded Internet im lokalen Bereich Mobilität: Funk LAN Feinere Granularität: kleinere Zellen, Personal Area Networks z.b. chreibtisch, Raum, Körper-Aura Nutzung von Lokalität: spontane Vernetzung mit Geräten in der Nähe (proximate Networking) Home Networking: Vernetzung von Geräten im Heimbereich, Nutzung vorhandener Infrastruktur, Zugangsnetze nach außen Appliance Networking: Netze für spezielle Geräteklassen z.b. A/V-Geräte Übertragungsmedien Kupferkabel (Twisted Pair) Grundlage vieler ysteme: LAN (Ethernet etc), Peripheriebusse, Telefonie (POT), IDN, Hausbusse, xdl-zugangsnetze Punkt-zu-Punkt bis 100 Mbit/s, bei Ubicomp-typischer free topology -Verkabelung kbit/s Koaxial (Kabel-TV) bis Mbit/s downstream, und 5-10 Mbit/s upstream asynchrone Anwendungen (Multimedia-Verteildienste) Funk niedrigere Datenraten, höhere Fehleranfälligkeit, grundsätzlich geteiltes Medium, stark reguliert (verfügbare Frequenzbereiche) Infrarot niedrige Datenraten, kurze Distanz, gerichtet, freie icht erforderlich (positiver Aspekt: Daten verlassen den Raum nicht) Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-5 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-6 Übertragungssysteme I Nutzung vorhandener Kabel Phoneline Networking Nutzung von Telefonverkabelung im Haus, v.a. in UA Anschluß in jedem Zimmer HomePNA: offener tandard der Home Phoneline Networking Alliance (über 100 Firmen) Frequency Division Multiplex (FDM) für parallele Nutzung zur Daten-, Telefon- und Inhouse-Kommunikation Powerline Communication (PLC) teckdosen als ubiquitärer Zugang in Gebäuden (aber: Kosten für Endgeräte-Erweiterung relativ hoch) schon seit 80er Jahren Hausbusse über tromnetz (teuerung) Datenraten für prach-/datenkommunikation möglich, aber große technische Probleme (v.a. töreinflüsse) Übertragungssysteme II wider dem Kabelsalat Peripheriebusse Kabel und Anschlüsse standardisiert, Plug & Play z.b. UB (Universal erial Bus) und IEEE 1394 (Firewire) Infrarot IrDA tandard der Infrared Data Association drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung, bis ~1m Distanz ursprünglich für drahtlose Peripherieanbindung (Tastatur, Maus), in Ubicomp auch für Appliance-Kommunikation Funk spezielle ysteme: IEEE für Daten, DECT für prache Universalsystem für Daten und prache: Bluetooth pontane Multi-Party Vernetzung, Zellen ~10m Reichweite Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-7 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-8

3 Übertragungssysteme III Kabelalternativen der Zukunft Wearable Networks leitfähige Fasern in toffe eingewoben z.b. Electric uspenders: Hosenträger als Daten und Powerbus (Michael Gorlick, Aerospace Corporation, 1999) Intra-Body Networks Daten auf tröme durch den menschlichen Körper aufmodulieren z.b. Personal Area Networks (PAN), 1-4 kbit/s (Tom Zimmerman, MIT Media Lab, 1996) Networked urfaces Oberflächen (z.b. chreibtisch) als Übertragungsmedium für darauf abgestellte Geräte (Andy Hopper, University of Cambridge, 2000) Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-9 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-10 Plug & Play Busse UB (Universal erial Bus) einfache Erweiterbarkeit von Arbeitsplatzrechnern um unterschiedliche Peripheriegeräte bei einfacher Verkabelung Flexibilität im PC-Umfeld: Peripheriegeräte als Appliances Hot Plug & Play: Hinzufügen und Entfernen von Geräten während des Betriebs Dynamisches Zusammenfügen von Appliances einheitliche tecker, 12 Mbit/s Full peed, 1.5 Mbit/s Low peed für einfache Geräte (UB1.x), 480 MB UB 2.0 Anschluß vieler Geräte aber beherrschbare Verkabelung tromversorgung über Kabel Plug & Play Busse: UB Netztopologie logischer Bus physikalisch Baumstruktur, bis 7 chichten Root Hub: Host-PC als Master Peripheriegeräte sind Blätter im Baum Hubs: Verzweigung im Baum Gerät Upstream Port / Downstream Ports Root-Hub Gerät Initialisierung, Numerierung und Adressierung aller UB-Geräte periodische Abfrage von Übertragungswünschen Appliance-Integration aber PC-zentriert Host Root Hub Gerät Hub Hub Hub Gerät Gerät Gerät... Hub Gerät Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-11 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-12

4 Plug & Play Busse: UB Plug & Play Busse Übertragungsarten Paketformat: Zeitrahmen von 1ms, darin verschiedene Pakettypen: Token-Paket zur Addressierung, Datenpakete,... NRZI Kodierung 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 peed: max. 1 Paket im Rahmen für Komm. mit langsamen Geräten Control: Bus-Kontrolle (tatusabfragen, ggf. Einfügen neuer Geräte etc) Bulk: Rest des Zeitrahmens wird für Massendaten (z.b. Drucker) genutzt Unterstützung von Diversifikation / Gerätevielfalt (insbesondere auch Multimedia-Geräte) Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-13 IEEE 1394 (Firewire) wie bei UB einfache Erweiterbarkeit, Kabel/tecker-Norm, Hot Plug & Play-Unterstützung, Data-trobe Encoding höhere Datenraten: 100, 200 oder 400 Mbit/s (bis zu 4.8 Gbit/s) besondere Eignung für A/V-Geräte größere Busausdehnung, Kommunikation über grössere Distanz größere räumliche Verteilung von Geräten: Haus statt chreibtisch/büro Grenze zw. Peripheriebus und LAN wird undeutlicher kein fester Master-Knoten; Bus funktioniert auch ohne PCs (oder auch mit mehreren) nicht notwendigerweise PC-zentriert Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-14 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Netztopologie Baum mit beliebiger Verkettung und Verzweigung; keine chleifen 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 ) elbstkonfiguration: Boot Node wird dynamisch ermittelt (muss kein PC sein) Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-15 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Übertragungsarten isochron: Reservierung von Bandbreite für A/V-tröme asynchron: Benutzerinteraktion, Kontrollinformation Firewire Anwendungen: Home Audio/Video Integration von Consumer Electronics-Geräten im Heimbereich Hifi, VCR, TV, TB, Radio, Telefon, Digitale Kamera,... tandardisierung aufbauend auf IEEE 1394: HAVi Home Audio Video interoperability Konsortium: Grundig, ony,... Zusammenfassung von A/V-Geräten in Cluster Einzelgeräte können andere kontrollieren vgl. Norman s Modell: Kontrolle kann verteilt sein vernetzte Appliances es muß keinen ausgewählten Master geben Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-16

5 Plug & Play Busse: IEEE 1394 HAVi Anwendungsszenarien Intelligentes Plug & Play : neues Gerät erhält Konfigurations-info von vorhandenen z.b. VCR erhält Uhrzeit und Programmeinstellungen von TV Austausch von Kommandos zwischen Geräten z.b. Digitale Kamera wählt TV-Kanal für Videoeingang Austausch von AV-trömen z.b. Umleitung von VCR-Ausgang im Wohnzimmer zum TV im chlafzimmer koordinierte teuerung von Geräten z.b. Internet-Radio: Koordination von RealAudio-Empfang, Ausgabe über Hifi-ystem, Zusatzinfo auf TV-Bildschirm einfache Bedienung von Geräten durch den Anwender z.b. VCR im Wohnzimmer auf TV im chlafzimmer programmieren Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-17 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-18 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Infrarot-Datenübertragung Infrarotkommunikation Richtcharakteristik Räume als natürliche Grenzen Bsp: ActiveBadge, ParcTab (ACHTUNG: kein IrDA) aber: Abschattungsprobleme Lsg: diffuses Infrarot, Nachteil: niedrige Bandbreite IrDA: Infrared Data Association IrDA DATA: tandard für Punktzu-Punkt Infrarot-Kommunikation kurze Distanz (1,5m), 30 Kegel für gerichtete Kommunikation Gerät 1 Link-Länge 0-1 m Ausrichtung erforderlich! Keine Ausrichtung erforderlich! Gerät 2 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-19 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 W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-20

6 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Anwendung initiale Anwendung: Kommunikation zwischen Host und Peripherie (Drucker, Maus, Tastatur,...) Kabeleliminierung heute tandard 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 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Protokollarchitektur IrTran-P LM-IA IrObex IrLAN IrComm IrMC Tiny Transport Protocol Tiny TP Ir Link Management Protocol - MUX - IrLMP Async erial Ir Kb/s Ir Link Access Protocol - IrLAP ync erial Ir / Mb/s ync, 4 PPM 4Mb/s Tiny-TP: Datensegmentierung, Flusskontrolle PHY (Physical ignaling Layer): verschiedene Codierungen für Übertragung von 9.6 kbps bis 4 Mbps IrLMP: Multiplexing, mehrere log. Kanäle über eine Verbindung IrLAP: Device Discovery, zuverlässige 1:1-Verbindungen Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-21 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-22 IrDA Physical Layer IrDA Physical Layer Asynchron mit Kbps basiert auf UART (serielle chnittstelle) RZI-Modulation ( Return-to-Zero Inverted ): Pulskodierung mit Puls für 0 tart Bit tart Bit UART-Rahmen Daten-Bits top Bit IR-Rahmen Daten-Bits top Bit Pulslänge 3/16 weniger Energie, größerer Pulsabstand tart und top Bits im UART-Rahmen zur ynchronisation Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-23 ynchrone Übertragung mit / Mbps RZI-Pulskodierung, Pulslänge 1/4, d.h. 434ns bzw. 217ns HDLC-ähnlicher Rahmen: tart/top-felder, Bit tuffing in den Daten TA TA ADDR DATA FC TO ynchrone Übertragung mit 4 Mbps 4PPM-Codierung: DBP 4PPM Code Four Pulse Position Modulation Datenbit-Paare werden zusammen-0gefaßt 1000 und in 500ms-Periode codiert Aufteilung der Periode in 4 Chips, Codierung durch Pulsposition Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-24

7 IrDA Verbindungsaufbau IrDA Verbindungsaufbau II Device Discovery Discovery-Dienste: Request, Indication, Confirm niff-modus: tromsparen, 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 Umsetzung der Merkmale in IrDA 2 Optionen: ehr niedrige endeleistung Entsprechend unempfindliche Empfänger Gewählt wurde unempfindlicher Empfänger -> Pulse von A üblich Pulskodierung AIR 1,63 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)! Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-25 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-26 IrDA Verbindungsauf III Folgeprobleme des Designs Ausrichtung, da keine Nutzung der Reflektion Teilnehmer können sich z.t. nicht sehen Lösung in IrDA Master lave Verfahren. Bestehendes Problem Bei 4 Teilnehmern Abstimmung über Teilnetze nötig -> IrDA fast immer Punkt zu Punkt Verbindung IrDA Datenaustausch IrOBEX: IrDA Protokoll für Austausch von Datenobjekten Gerät 1 Application Layer ync. File Transfer vcard, vcalendar binary data... OBEX - ession Layer Tiny-TP - Transport Layer Gerät 2 Application Layer ync. File Transfer vcard, vcalendar binary data... OBEX - ession Layer Tiny-TP - Transport Layer IrLMP - Data Link Layer IrLAP - Link Access Layer IrPHY - Physical Layer IrLMP - Data Link Layer IrLAP - Link Access Layer IrPHY - Physical Layer Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-27 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-28

8 Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft Drahtlose Kommunikation Infrarot billig (Transceiver für U$ 1) keine Lizenzen nötig einfache Abschirmung Gerichtet, point & shoot als IrDA in sehr weit verbreitet in Rechnern und Appliances erfordert freie icht (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 IM Band: Industrial, cientific, Medical schwierige Abschirmung Interferenzen mit Elektrogeräten Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-29 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-30 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 Bluetooth Mobilkommunikation Bluetooth Technologie Mobilfunktechnik für ad hoc Vernetzung kurze Reichweiten (10m) universell: prache und Daten primär für portable, persönliche Geräte niedrige Kosten: angestrebter Preis 5 U$ kleine Baugröße Bluetooth-Modul Bluetooth pecial Interest Group (IG) Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba aktuell über 1800 Firmen ( Bluetooth adopter companies ) Entwicklung der Bluetooth pezifikation als de facto tandard erste Version Juli 1999 über 1500 eiten HW & W Protokollspezifikation Interoperabilität mit anderen tandards, v.a. IEEE (Personal Area Networks) Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-31 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-32

9 Bluetooth Mobilkommunikation Warum Bluetooth? Harald Blåtand II: Blauzahn König von Dänemark AC brachte Christentum nach kandinavien vereinigte Dänemark und Norwegen Bluetooth Technologie Ursprung in kandinavien Vereiningung multinationaler Konzerne Bluetooth Mobilkommunikation Wesentliche Merkmale IM-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) imultan prache ( synchron ) und Daten ( asynchron ) icherheitskonzepte Authentisierung, Verschlüsselung auf Verbindungsebene Flexible Netzwerktopologie ad-hoc Netze ohne vorbestimmten Master Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-33 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-34 Bluetooth Anwendungen Kabelersatz Mobiltelefone Miniaturisierung, kein Platz für Kabelanschlüsse Verkabelung schränkt Mobilität/Flexibilität ein Landline Universeller Zugang zu Daten/prache Persönliche Ad-hoc Netze Kabelersatz Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-35 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,... Erste Produkte: Handy, Headset, PC Cards... Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-36

10 Persönliche Ad-hoc Netze Persönliche Ad-hoc Netze Drahtloser Transfer von Dokumenten ynchronisation verschiedener persönlicher Geräte (PC, Laptop, Organizer,...) Einfaches haring von Geräten wie Video beamer und Drucker ynchronisation Abgleich von Information auf verschiedenen persönlichen Geräten (PC, Laptop, PDA, Handy,...) Kalendar, Telefonbuch, Adressen, s, To-Do List,... ynchronisation on demand spontane ynchronisation, wenn Geräte in Reichweite kommen Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-37 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-38 Universeller Zugang Lösung für die letzten Meter durchgängiger Zugang zu globalen Daten- /prach-infrastrukturen Heimbereich: mobile Verlängerung der Zugangsnetze zum Internet unterwegs: über mobile Internet-Appliances weitere Geräte anbinden Universeller Zugang Internet Bridge Bluetooth-Telefone als ubiquitäre Gateways z.b. Telefon im Hotelzimmer In Kombination mit Mobiltelefon kann jede Appliance zu einer Internet-Appliance werden Beispiel: Internet-Kamera Instant Photo Messaging, Persönliche Postkarte mobile Arbeitswelt: direkte Kommunikation von Bildern vor Ort: Umweltbereich, Journalismus, Notfallmedizin, technische Wartung,... Bluetooth PTN, IDN, LAN, WAN, xdl Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-39 GM UMT Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-40

11 Universeller Zugang Hidden Computing Three-in-One Phone Universeller Zugang zu prachdiensten 1. chnurloses Telefon im Haus Bluetooth-Verbindung zum Telefon-Festnetzzugang 2. Mobiltelefon im Außenbereich, z.b. GM 3. Walkie-talkie Kommunikation mit Telefonen in der Nähe direkte Bluetooth-Verbindung kurze Reichweiten Briefcase Trick Kommunikation mit Geräten in der Nähe, die unsichtbar sind z.b. Notebook versteckt in Aktentasche sendet Header eingehender s auf persönliches Display (z.b. in itzungen) 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... Bluetooth Headset Bluetooth Bluetooth Notebook in Aktentasche UMT/ Internet Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-41 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-42 Bluetooth Architektur Physikalische chicht TCP/IP Audio Applications Data RFCOMM L2CAP Link Manager Baseband RF Control Anwendungsunterstützung L2CAP: logische Verbindungen, Protokollanpassung Link Management: Verwaltung von Piconetzen Baseband: Auffinden von Geräten, ynchronisation, Fehlerbehandlung RF-chicht: physikalische Übertragung Bluetooth RF Radio Layer preizspektrumverfahren: Frequency Hopping pread pectrum (FH) 79 Frequenzbänder, 1 MHz breit: x MHz (x=0,..,78) frequency spectrum Frequenzmodulation GFK: Gaussian frequency shift keying Frequency Hopping: 1600 Frequenzwechsel pro ekunde Einfluß von törfrequenzen minimieren (Elektrogeräte, andere Bluetooth-Links,...) freq Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-43 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-44

12 Frequency Hopping Verbindungsschicht 2,480 GHz freq 2,402 GHz 625 µs Pseudozufällige Frequenzfolgen für jede Bluetooth-Zelle wird oberhalb der RF-chicht im Baseband bestimmt Kollision t törfrequenzen wird automatisch wieder ausgewichen, Kollisionen lösen sich bei nächstem Hop auf Paket-endewiederholung bei Prüfsummenfehler und NAK Beitrag zur icherheit: nur Empfänger kennt richtige Hop-equenz Bluetooth-Verbindungen Baseband Layer: Master-lave Punkt-zu-Punkt Link Manager: Management von Bluetooth Piconet-Zellen (ein Master, mehrere laves) L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Baseband Auffinden anderer Geräte ynchronisation zwischen ender und Empfänger Paketformat, Verbindungsarten synchron/asynchron Fehlerbehandlung, endewiederholung Link Manager Authentisierung und Verschlüsselung Piconet-Management: ignalisierung zwischen Link Managern zum Zustand von Geräten, Power modes usw. Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-45 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-46 Netzwerktopologie Netzwerktopologie Piconet: Kommunikationskanal für mehrere Geräte Geräte teilen sich einen Kanal, definiert durch gemeinsame Hop-equenz, alle Geräte ändern gemeinsam Kanal Ein Master, simultan verbunden mit bis zu 7 laves weitere laves (insgesamt 255) können im Piconet geparkt sein andere Geräte im endebereich im tand-by Zustand: nicht verbunden Master/lave-Rollen sind dynamisch Verbindungsaufbau Master verteilt Takt u. Geräte-ID zur Bestimmung der Hop-equenz P Kommunikation P Punkt-zu-Punkt Master-lave Multicast vom Master an alle laves nicht direkt slave-to-slave piconet proximity sphere M sb catternet: Verbindung von Piconets 2-10 Piconets können ein catternet 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 endebereich: 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! P sb sb P M P M Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-47 Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-48

13 IDb ynchronisation und Adressierung IDa A B IDe IDc IDd E D C IDa IDb IDa M Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-49 IDe Master-ID bestimmt Hop-equenz, Takt bestimmt Hop-Phase Adressierung im Piconetz Active Member Address (AMA, 3-bits) für aktive Geräte 1..7 für Adressierung einzelner laves, 0 für Broadcast an alle laves Parked Member Address (PMA, 8-bits) für geparkte laves, d.h. Geräte die synchronisiert sind aber keine Datenpakete verarbeiten IDa IDc sb IDa IDd P ynchronisation Jedes Bluetooth-Gerät hat 48bit Geräte-Adresse/ID (komp. zu IEEE 802 MAC) ynchronisation: Master verteilt ID und Takt Baseband Verbindungszustände Unconnected (low power) Connecting states Connected (full or reduced power) Detach Low power connected states Inquiry niff AMA T typical= 2 ms Park PMA tandby T typical=2s Active AMA Releases AMA Address tandby: nicht Teil des Piconet, d.h. nicht aufsynchronisiert Page T typical=0.6s T typical=2 ms Hold AMA Inquiry: Potentieller Master sucht Geräte in der Nähe Page: Master lädt Geräte in sein Piconetz ein; Verteilung von ID/Takt auf besonderer Hop-equenz; antwortende laves erhalten AMA Active: listening for data packets ; bei niff nicht durchgehend aber periodisch Hold: noch synchronisiert aber nicht mehr mithörend; bei Park auch Freigabe der AMA Ubiquitous Computing W 01/02 Michael Beigl, TecO 7-50