Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 08/09

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 08/09 Christian Decker Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office

2 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Kommunikation Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Kontext HCI Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-2

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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! Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-4

5 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! Steckerdesign Strom/Steckdose LEDs Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-5

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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-6

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!? z.b. unsichere Topologie, erhöhtes Fehlerrisiko, raue Umweltbedingungen Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-7

8 Unterschiedliche Anforderungen Datenquelle Kamera (320x240) 8-bit color Mikrofon (8KHz) Bewegung Temperatur, Luftfeuchte Licht Strommessung Gas Bits/sec (1) 307k 64k 16 ( Zusammengefasst, z.b. Ball- Switch 48k (3-achsen Beschleunigung, kontinuierlich) 0, (wenig Änderung) (Lichtfrequenzmessung, z.b. 50Hz) 0..1 (Zusammengefasst) 1600 (Echtzeit) 0,..1 Besonderheiten Kontinuierlicher Datenstrom Kontinuierlich Eventuell Schnelle Ereignisse Langsame Änderung Ereignis-Verhalten für Warnung! Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-8

9 Anforderungen Datenrate Typ? Ereignisgetrieben? Kontinuierlicher Datenstrom Zeitschranke? Harte Echtzeitfähigkeit? Durchschnittliche Obere Zeitschranke? Commodity = keine Zeitschranke Mobilität (Grad der) Offenheit (Typ, Grad)? Verwendung von Standards, Integration Preis Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-9

10 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: IEEE , IrDA, Bluetooth Forschung Kontextnetzwerke: SmartDust, AwareCon Body-Netzwerke Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-10

11 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 Digitalsignals 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,.. Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-11

12 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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-12

13 Kommunikation für Ubicomp Grundlagen Modulation Frequenzmodulation Frequenz der Welle wird aufgrund Bitwert geändert Phasenmodulation (Phase Shift Keying, PSK, Phasenumtastung) Phaseänderung der Welle: , in Kombination mit ASK Quadraturamplitudenmodulation (QAM) Resistent gegen Rauschen, daher oft Funk, Powerline WLan, DBPSK (Differential binary phase shift key ), DQPSK Daten Modulierte Trägerwelle Referenzsignal Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-13

14 Kommunikation für Ubicomp Grundlagen Multiplex, Signal Multiplex Mehrere Komm.teilnehmer Ressourcenteilung Zeit (TDMA), Frequenz (FDMA), Raum (SDMA), Code (CDMA) Shannon-Hartley MaximumBitRate = Bandwidth*log 2 (1+SNR) SNR ist der Signal zu Rauschen (Signal to Noise) Abstand (Ratio), hier: lineares Verhältnis SNR = Durchschnittliche Signalstärke Durchschnittliche Rauschstärke Selbst schlechte Leitungen (analoges Telefon) haben SNR von 10,000 (40dB) Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-14

15 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen Kommunikation Grundlagen Kabelgebundene Kommunikation Kabellose Kommunikation Kommunikation Sensorknoten Middleware Kontext HCI Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-15

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17 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 Mbit/s 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, oder Port (max. 100 ma) Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-17

18 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 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 Host Root Hub Gerät Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-18 Hub Hub Hub Gerät Gerät Gerät... Hub Gerät

19 Plug & Play Busse: USB Übertragung Bitseriell, 5V Pegel. Eine Datenleitung überträgt das Signal, die andere das invertierte Signal (z.b. +5V, 0V). Dadurch Störungsunempfindlich Datenraten: Low Speed 1.5MBit/s, Full Speed 12MBit/s, High Speed 480MBit/s Flexibilität durch Variation der Endpoint Types? Control Paket: Zum (Erst)Konfigurieren/Geräteeinfügen, oder andere Kontrollfunktion? Bulk: oft große Datenmengen ohne Zeitanforderungen. Werden zum Auffüllen des Datentransfers verwendet. Bsp. Druckerdaten? Interrupt: Daten, die oft auf Benutzerinteraktion zurückgehen. Garantierte, maximal Bedienzeit. Z.B. Maus? Isochrone oder Echtzeit-Datenströme: Reservierung gleichen Zeitschlitzes in aufeinanderfolgenden Rahmen, konstante Datenrate für kontinuierliche Medien, Keine Fehlererkennung/Behandlung. Z.B. Kamera-Daten Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-19

20 P&P Busse USB Übertragung Alle Kommunikation geht vom Host aus: Initiiert Kommunikation, sendet Sync-Signal (asychroner Datenverkehr, da keine Clock- Leitung -> Sync wird benötigt) Paketformat: Zeitrahmen von 1ms, darin verschiedene Pakettypen (PID): Token-Paket zur Addressierung, Datenpakete,... NRZI Kodierung (sehr einfach, robust), in USB2.0 high speed ist Frame in 8 Microframes a 125µs aufgeteilt) Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-20

21 Plug & Play Busse IEEE 1394/b (Firewire) einfache Erweiterbarkeit, Kabel/Stecker-Norm, Hardware und Software Plug & Play Stromversorgung über Bus (optional) 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$ Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-21

22 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 08/09 Christian Decker, TecO 6-22

23 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), Clock-Revovery, für höhere Störungstoleranz (low jitter) 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 08/09 Christian Decker, TecO 6-23

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25 CAN, EIB Ausführlich behandelt in: T. Ungerer, VL: Techniken des Ubiquitous Computing, WS06/07 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-25

26 EIB (European Installation Bus) Charakteristik Für Gebäudesteuerung, verbindet für Sensorik 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 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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-26

27 EIB Medien (Varianten) 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: Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO Quelle: 6-27

28 Sonstige Hausnetzwerke BACnet: building automation and control network Ereignisse, Alarm, Steuerung, Datenaustausch Netzwerk & Appl. Layer Dienste: Who-Is, I-Am, Who-Has, I-Have, für Geräte und Objekt discovery Standard-Objekte: Ein-/Ausgabeobjekte (Binär, Analog...), Werteobjekte, Kalender, Kommando, File, Programm, Schedule, Gruppe, Event, Gerät Objektbeschreibung: Name, Type, Wert, Status,... LonWorks /...Talk von Echelon Corp LonTalk Protokoll implementiert Schicht 1-7, mehrere PHYs möglich 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 08/09 Christian Decker, TecO 6-28

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30 Powerline Communication Nutzung vorhandener Infrastruktur vorhandene Verkabelung als Leiter, Steckdosen als Zugangspunkte Vereinfachung der Handhabung durch bekannte Steckernorm/benutzung Im Haus: Integration praktisch 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 1 2 Leitungseigenschaften: Signale werden mit zunehmender Entfernung Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO

31 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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-31

32 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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-32

33 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 Quelle: Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-33

34 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 Ubiquitous Computing WS 08/09 Christian Decker, TecO 6-34