Topologie und Positionsbestimmung in Mobilen Ad-hoc Netzwerken

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1 Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (TIK) Wintersemester 2002/03 DIPLOMARBEIT für Urs Frey Betreuer: Jan Beutel Stellvertreter: Matthias Dyer Ausgabe: 28. Oktober 2002 Abgabe: 12. März 2003 Topologie und Positionsbestimmung in Mobilen Ad-hoc Netzwerken Einleitung Um die Positionen von mobilen Geräten festzustellen kann man z.b. das satellitengestützte GPS [20, 25] oder die Zellinformation von Mobilfunk wie etwa GSM [10] verwenden. Innerhalb von Gebäuden lässt sich GPS heute aber nur mit sehr grossem Aufwand betreiben und die geforderte Auflösung kann nicht erreicht werden. Um Positionen im Innen- und Aussenbereich im Zentimeterbereich aufzulösen, kann man überlagerte Triangulationen mit möglichst hoher Vernetzung benutzen [23, 11, 8]. Figure 1: Ein ad-hoc Netzwerk erstreckt sich über weite Bereiche mit Konzentrationen und Ausdünnungen der Netzwerkknoten. Teile eines Netzwerkes können bei Mobilität auch abgeschirmt oder abgetrennt werden. In ersten Simulationen haben wir festgestellt, das es für eine verteilte Lösung wichtig ist möglichst viele einzelne Verbindungen flexibel einzubinden [28]. In den meisten Szenarien besteht keine oder nur wenige line-ofsight Verbindungen, so das meist sehr grosse Fehler bei den Abstandsschätzungen resultieren. Das limitierte

2 Auflösungsvermögen der Abstandsschätzungen spielt dann nur mehr eine untergeordnete Rolle in Bezug auf den Positionsfehler. Bluetooth [17, 15] ist ein aktueller Kommunikationsstandard, der es ermöglicht auf kurzer Distanz Daten- und Audioverbindungen zwischen mobilen Geräten, PDA s, PC s, Telephonen, Druckern, Kopfhöhrern und vielen anderen Geräten aufzubauen. Solche Ad-hoc Netzwerke können dann aus mehreren Piconetzen mit bis zu 8 Geräten ein Scatternetz aufbauen. Weitere Designziele von Bluetooth sind eine kleine Baugrösse, geringe Implementationskosten, geringer Stromverbrauch sowie Sicherheit, Interoperabilität und Zuverlässigkeit im öffentlichen ISM Band auf 2.4 GHz. Dabei ist Bluetooth so entworfen worden, das Geräte in funktionell in ein Frontend (z.b. Bluetooth Modul) und ein Backend (Host) partitioniert werden können. Das Frontend ist für die physikalische Verbindung und die damit verbundene Signalverarbeitung und das Backend für die logischen Verbindungen, die Verbindungen zu Applikationen, Benutzern und Betriebssystemen in Anlehnung an das OSI Schichtenmodell zuständig. Front- und Backend kommunizieren dabei über das asynchrone Host Controller Interface (HCI) das für verschiedene Transport Schichten spezifiziert ist. Verschiedene Verbindungsmodi werden Profile [16, 14] genannnt und ermöglichen heterogene Netzwerkstrukturen und Dienste. Mini - ipaq Cell Phone Maxi - Laptop Access Point Micro - BTnode Figure 2: Terminodes Mobile Ad-hoc Netzwerk Testbed mit Wireless LAN und Bluetooth. Wir entwickeln für das Projekt NCCR-MICS Terminodes [3] einen Prototypen eines Mobilen Ad-Hoc Netzwerks (MANET) (siehe Abbildung ). Messungen der Topologie und Entfernungen in unserem Netzwerk Prototypen, sollen in dieser Arbeit durchgeführt und ausgewertet werden. Dazu müssen die vorhandenen Softwaretreiber angepasst werden und die vorhandene Software auf den Bluetooth Nodes (siehe Abblidung ) [27] erweitert werden. Figure 3: Der BTnode besteht aus einem RISC Mikrokontroller [6], Bluetooth Module und erforderlicher Peripherie. Er stellt die minimal mögliche programmierbare Hardware Platform für Bluetooth dar. Aufbauend auf dem XHOP/R-DSR Protokoll [24] sollen Service-, Kommunikations- und Positionierungsfunktionen zu implementiert werden. Notwendig sind unter anderem Funktionen zum Abfragen von Status, Neuprogrammierung, modularen verteilten Programmtausch und Ausführung, Remote Debugging und Konfiguration. Ideen 2

3 und Konzepte können sicher von ähnlichen Projekten wie TinyOS [13, 18], PicoRadio [22] und Srivastava [12] entlehnt werden. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine modulare verteilte Softwarelösung zur Positionsbestimmung in MANETs zu erstellen und mit Messungen zu belegen. Da es sich um eine mobile Anwendung handelt, ist auf eine möglichst resourcensparende und effiziente Lösung zu achten. Aufgabenstellung 1. Erstellen Sie einen Projektplan und legen Sie Meilensteine sowohl zeitlich wie auch thematisch fest [29]. Erarbeiten Sie in Absprache mit dem Betreuer ein Pflichtenheft. 2. Machen Sie sich mit den am Institut und bei Prof. Mattern (Smart It s) bereits durchgeführten Arbeiten [21, 7, 24, 9, 5] vertraut. Es sollten möglichst viele Synergien aus schon durchgeführten Arbeiten genutzt werden. Führen Sie eine Literaturrecherche durch. Suchen Sie nach relevanten neuen Publikationen. 3. Arbeiten Sie sich in die Softwareentwicklungsumgebung des BlueZ Bluetooth Protocol Stacks, des Linux Kernels und der BTnodes ein [19, 2, 27]. In der Bluetooth Protokoll Spezifikation sind dazu vor allem Part C, D, F.1 und H relevant [15]. Machen Sie sich mit den Mechanismen und Tools (Gnu Toolchain [4], avr-gcc, AVR Freaks Forum [1]) vertraut. Als erste Applikation um die Möglichkeiten des BTnodes kennenzulernen bietet sich eine Anbindung des GPS SAM Moduls [26] an den BTnode an. Dazu muss ein 57,6 kbit/sec serieller link über Bluetooth (RFCOMM) aufgebaut werden. 4. Verschiedene Funktionen der vorhandenen Softwareinfrastruktur auf den BTnodes werden Anpassungen nötig machen. Achten Sie auf einen guten Know-how Transfer und Abstimmung mit der parallelen Diplomarbeit Mobiler FPGA mit Bluetooth Kommunikation sowie zum NCCR-MICS und Smart It s Projekt die alle die gleiche Hardware einsetzen um Doppelspurigkeiten zu vermeiden. 5. Das XHOP/R-DSR Protokoll soll für die verteilte Topologie- und Positionsbestimmung erweitert werden. Hierzu sind sowohl Service-, Kommunikations- wie auch Positionierungsfunktionen notwendig. Definieren sie die notwendigen Erweiterungen und implementieren sie diese auf den BTnodes. 6. Ein geeigneter verteilter Algorithmus zur Positionsbestimmung ist TERRAIN, der in [23] beschrieben ist. Analysieren Sie wie dieser auf einem ressourcenbeschränkten System wie dem BTnode eingesetzt werden kann. Implementieren Sie ein modulares verteiltes Positionierungskonzept. 7. Dokumentieren Sie Ihre Arbeit sorgfältig mit einem Vortrag, einer kleinen Demonstration, sowie mit einem Schlussbericht. Durchführung der Diplomarbeit Allgemeines Der Verlauf des Projektes Diplomarbeit 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/Windows für Softwareentwicklung und Test. Falls damit Probleme auftauchen wenden Sie sich an Ihren Betreuer. 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 Ihren Betreuern. 3

4 Abgabe Geben Sie zwei unterschriebene Exemplare des Berichtes spätestens am 12. März 2003 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. Der Programmcode sowie die Filestruktur soll ausreichen dokumentiert sein. Eine spätere Anschlussarbeit soll auf dem hinterlassenen Stand aufbauen können. References [1] AVR Freaks Web Forum. [2] Linux Kernel Archive. [3] NCCR-MICS: Mobile Information and Communication Systems, Terminodes. [4] The Gnu Project. [5] The Smart Its Project. [6] Atmel. Atmel ATmega128L - 8-Bit AVR Microcontroller with 128k in-system programmable Flash, January [7] U. Bär.. Master s thesis, ETH Zürich, Distributed Systems Group, [8] N. Bulusu, J. Heidemann, and D. Estrin. Gps-less low-cost outdoor localization for very small devices. IEEE Personal Communications, 7(5):28 34, Oct [9] E. Burgener and P. Fercher. Grenzenlose Piconetze mit Bluetooth. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, February [10] J.J. Caffery and G.L. Stüber. Overview of Radiolocation in CDMA Cellular Systems. IEEE Communications Magazine, 36(4):38 45, April [11] S. Capkun, M. Hamdi, and P. Hubaux-J. Gps-free positioning in mobile ad-hoc networks. In R.H. Sprague, editor, Proceedings of the 34th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, [12] A. Chen, R.R. Muntz, S. Yuen, I. Locher, S.I. Park, and M.B. Srivastava. A support infrastructure for the smart kindergarden. IEEE Pervasive, 1(2):49 57, April-June [13] D. Culler et al. TinyOS: An operating system for Networked Sensors. [14] Bluetooth Special Interest Group. Bluetooth Assigned Numbers, v.1.1, February [15] Bluetooth Special Interest Group. Specification of the Bluetooth System - Core, v.1.1, February [16] Bluetooth Special Interest Group. Specification of the Bluetooth System - Profiles, v.1.1, February [17] J.C. Haartsen. The Bluetooth Radio System. IEEE Personal Communications, February [18] J. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S Hollar, D.E. Culler, and K.S.J. Pister. System architecture directions for networked sensors. In Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, pages , [19] M. Krasnyanskiy. BlueZ, Bluetooth protocol stack for Linux. [20] T. Logsdon. The Navstar Global Positioning System. Van Nostrand Reinhold, [21] T. Moser and L. Karrer. The EventCollector Concept. Master s thesis, ETH Zürich, Distributed Systems Group,

5 [22] J. Rabaey, J. Ammer, J. da Silva Jr., D. Patel, and S. Roundy. PicoRadio Supports Ad Hoc Ultra-Low Power Wireless Networking. IEEE Computer, 33(7):42 48, July [23] C. Savarese, J.M. Rabaey, and J. Beutel. Locationing in distributed ad-hoc wireless sensor networks. In 2001 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, volume 4, pages , [24] R. Semadeni and L. Wernli. Bluetooth Unleashed, Wireless Netzwerke ohne Grenzen. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, July [25] G. Strang and K. Borre. Linear algebra, geodesy and GPS. Wellesley-Cambridge Press, [26] -blox AG. -blox SAM, GPS Smart Antenna Module Datasheet, [27] J. Beutel und O. Kasten. A minimal bluetooth-based computing and communication platform. Technical report, ETH Zürich, May [28] E. Wandeler. Analysis of Quantization-Effects in Distributed Positioning Algorithms for Mobile Ad-hoc Networks. Master s thesis, ETH Zürich, TIK, Mai [29] E. Zitzler. Studien- und Diplomarbeiten, Merkblatt für Studenten und Betreuer. ETH Zürich, TIK, March Date Section Changes Oct. 23, 2002 Initial version Table 1: Revision History 5