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 Kabellos IrDA

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! Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-5

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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-6

7 IrDA für die Werbung Quelle in Deutschland, Service von T-Mobile, Technologie von Accinity: Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-7

8 IrDA für Erinnerung Dsolution/Accinity Idee: Automatische Eintrag eines Addresseintrags in das Telefonbuch Ausführung Infrarotport muss aktiviert sein Mobiltelefon wird in Richtung des Accinity marketeye gehalten Mobiltelefon wird aufgefordert, eigene Telefonnummer zu übermitten Mobiltelefon wird aufgefordert eine von marketeye ermittelte SMS an eine bestimmte Telefonaddresse (Accinity-Server) zu senden. Diese beinhaltet das Datum der Erinnerung Der Accinity-Server sendet dann eine Erinnerung an dem Datum Vorteil Keine Interaktion mit dem Computersystem notwendig: Technologie regelt automatisch den Datenaustausch Eingetragenes Datum ergibt sich aus Kontext Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-8

9 Preis Entnommen aus Dsolution-Slides Systemkosten Einmalige Bereitstellung: Systemeinrichtung inkl. Hardwareversendung Monatliche Benutzergebühr: 150,00 EUR 24,90 EUR Laufzeit 24 Monate Kosten SMS Versand: Kosten pro Versendete SMS 0,12 EUR Aktive Patientenbindung Kosten Registrierung Die Kosten für die Systemregistrierung trägt Ihr Kunde. Preise zuzügl. der gesetzlichen Umsatzsteuer. Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-9

10 IrDA Steuerung: Sicherheit Accinity benutzt AT (Modem) Kommandos Diese werden über die IrComm Schnittstelle übermittelt (Emulation der seriellen Schnittstelle in IrDA) Sicherheit beruht auf marketeye Programmierer/Anbieter ist vertrauenswürdig Das Gerät ist nicht manipuliert IrDA Port wird sofort wieder abgeschaltet (ansonsten ist der AT-Befehlzugriff für jedermann möglich Nutzungsproblem ist die z.t. umständliche Aktivierung des IrDA Ports Macht den Vorteil in der Bedienbarkeit wieder zunichte Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

11 IrDA Infrarot-Datenübertragung Photo 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 Datensynchronisation Tiny-TP: Datensegmentierung, Flusskontrolle PHY (Physical Signaling 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, QoS Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

12 IrLAP Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

13 IrDA Literatur Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

14 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

15 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: DBP 4PPM Code Four Pulse Position Modulation Datenbit-Paare werden zusammengefasst 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

16 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

17 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

18 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

19 Systemaufbau Gerät IrComm Kommunikation z.b. AVGO HSDL , , , , ,66 Nur senden: IR-LED: ab 0.10 Preis MCP2140 (9600) * Preis MCP * * Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

20 Kabellos Bluetooth

21 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

22 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

23 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) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

24 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 Ericssonund Intel-Entwicklern Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

25 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 Insbesondere: Audioübertragung Notfall-ad-hoc Netze Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

26 Bluetooth Anwendungen Landline Anbindung für Peripherie Universeller Zugang zu Daten/Sprache Persönliche Ad-hoc Netze Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

27 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

28 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

29 Hidden Computing 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 Sitzungen) 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... Bluetooth Handset Bluetooth Headset Bluetooth Bluetooth Notebook in Aktentasche UMTS/ Internet Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

30 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

31 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 Class 1: 100 mw(20 dbm), Class 2: 2.5 mw(4 dbm), Class 3: 1 mw(0 dbm) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

32 Frequency Shift Key Gaussian FSK: Glättung durch Gaussschen Filter Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

33 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

34 Verbindungsschicht Bluetooth-Verbindungen Baseband Layer: Master-Slave Punkt-zu-Punkt Link Manager: Management von Bluetooth Piconet-Zellen (ein Master, mehrere Slaves) L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Baseband Auffinden anderer Geräte Synchronisation zwischen Sender und Empfänger Paketformat, Verbindungsarten synchron/asynchron Fehlerbehandlung, Sendewiederholung Link Manager Authentisierung und Verschlüsselung Piconet-Management: Signalisierung zwischen Link Managern zum Zustand von Geräten, Power modes usw. Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

35 Bluetooth Inquiry zu Connection Master Inquiry Page Connection General Inquiry Access Code Slave addr paging response FHS: time&id Slave Inquiry Scan Page Scan Connection Master lädt Slaves ein: 2*16 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

36 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

37 Netzwerktopologie Scatternet: Verbindung von Piconets 2-10 Piconets können ein Scatternet bilden keine gemeinsame Hop-Frequenz S M Verbindung über Knoten, die zwischen Piconets hin- und herspringen P Optimierung von Bandbreite/Volumen Piconet-Kapazität: 1 Mb/s S sb 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 sb S P M P Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

38 Synchronisation und Adressierung IDb IDa A B IDe IDc IDd E D C IDa IDb IDa M S 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ 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

39 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 (event. SCO-Message Teilnahme); bei Park auch Freigabe der AMA Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

40 Kabellos ZigBee

41 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

42 Einordnung ZigBee / Bluetooth Slower Peak Data Rate Faster IrDA Wireless Sensors UWB Bluetooth ZigBee Wireless Video Applications a b g Wi-Fi Wireless Networking Wireless Data Applications 2.5G/3G Closer Sources: WRH + Co Range Farther Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

43 Marktstatement Freescale: Strong growth in areas such as wireless sensors will help fuel the growth of and ZigBee Harbor Research reports that by 2008, 100 million wireless sensors will be in use On World reports that by 2010, more then 500 million nodes will ship for wireless sensor applications ABI Research forecasts shipments of ZigBee devices in 2005 at about 1 million, growing to 80 million units by the end of 2006 In-Stat 2004 report has an aggressive forecast of over 150 million annual units of and ZigBee chipsets by 2008 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

44 Freescale Radio Beispiel (2006) Key Features IEEE Compliant 2.4GHz 16 selectable channels 250Kbps Data Rate 250Kbps 0-QPSK DSSS Multiple Power Saving Modes Hibernate 2.3uA Doze 35uA Idle 500uA RF Data Modem Up to 7 GPIO SPI Interface to Micro Internal Timer comparators (reduce MCU resources) -16.6dBm to +3.6dBm output power Software selectable On-chip regulator Up to -92 Rx sensitivity at 1% PER Analog Receiver Frequency Generator Analog Transmitter IRQ Arbiter Power Management MC13191/2/3 HCS08 CPU Flash Memory COP Internal Clock Generator 2V to 3.4 operating voltage -40 C to +85 C operating temperature Low external component count Requires single 16Mhz Xtal (Auto Trim) 5mmx5mm QFN-32 Lead-Free Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Digital Transceiver Buffer RAM GPIO SPI Timers Control Logic RAM Arbiter Voltage Regulators MC9S08GT Family RAM SPI LVI BDM 8-ch 10-Bit ADC 2xSCI IIC 4-ch 16-bit Timer Up to 36 GPIO Sensors MMA Series Accelerometers MPX Series Pressure Sensors MC Series Ion and Smoke Photo Sensors

45 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 IEEE GHZ Physical layer Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Data Link Layer Zigbee spec

46 IEEE Physikalische Schicht kein Frequency-Hopping, sondern nur Auswahl trotz mehrerer Kanäle MAC: Scan mehrerer Frequenzen auf der Suche nach Partner (Beacon) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

47 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

48 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

49 IEEE Topology Master Koordinator nur für Beaconverwaltung zuständig Koordinator NICHT für Medienzugriff zuständig Star-Topologie Point-to-Point Cluster-Topologie: Mix aus Star und P2P FFD RFD Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

50 IEEE MAC Packet Structure Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

51 IEEE PHY Packet Structure Frame Control Feld: MAC-Typ, Address-Typ 4 MAC-Typen: Data, Beacon, ACK, Command DATA FRAME Guaranteed time slot BEACON FRAME Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

52 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) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

53 IEEE MAC Packet Structure ACK FRAME MAC COMMAND FRAME Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

54 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

55 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!) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

56 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

57 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

58 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

59 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

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

61 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) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

62 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

63 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

64 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? Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

65 Lösungen MAC Wireless medium access Centralized Distributed Contentionbased Schedulebased Schedulebased Contentionbased Fixed assignment Demand assignment Fixed assignment Demand assignment Quelle:H.Karl Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

66 Lösungen MAC Wireless medium access Centralized Distributed Contentionbased Schedulebased Schedulebased Contentionbased Fixed assignment Demand assignment Fixed assignment Demand assignment Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

67 MAC: ALOHA Einzige Möglichkeit, wenn nur Transmitter Bei niedriger Update-Geschwindigkeit auch bei hoher Knotendichte möglich Minimalster Energieverbrauch im Sender Unslotted ALOHA Performance 1 Probability of No Collision 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Transmitting interval [s]

68 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Time

69 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

70 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! Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

71 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester Quelle: 06/07 Polastre et al. 1-71

72 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 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

73 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,... Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/