Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Übung 5: Drahtlose Kommunikation Christoph Borchert und Michael Engel Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Drahtlose Kommunikation Funkhardware der EZ430 Chronos SimpliciTI: Ein Funkstack für die EZ430 Chronos Low-Power Listening Preamble Sampling 2

3 Funkhardware der EZ430 Chronos Je nach Modell: 433, 868 oder 915 MHz RF-Funk Integrierter CC1101 <1 GHz wireless transceiver Blockschaltbild: 3

4 Stromverbrauch vom CC1101 Sendeleistung: +10dBm = 1mW Empfangsverstärker 15 ma Schlafmodus 30 ma 0,1 ma Vergleich: MSP430 AOStuBS idle 200 μa 4

5 Anbindung der Funkhardware Aufwendig direkt in Hardware zu programmieren Datenbuch Kap Seiten Doku! Fertige Funkstacks SimpliciTI BlueRobin Weitere in Entwicklung 5

6 SimpliciTI-Netzwerkstack Proprietäres, energiesparendes Funknetzwerk-Protokoll von TI Für EZ430-Chronos und andere RF-basierte Chips 433/868/933 MHz und 2.4 GHz-Band (je nach Hardware) Effizient: verwendet < 8 kib Flash und 1 kib RAM Abhängig von jeweiliger Konfiguration Flexibel Einfache Stern-Netztopologie mit Bereichserweiterung und/oder Peer-to-Peer-Kommunication Einfach: Verwendet sehr simples API Unterstützung für viele Geräte MSP430+CC110x/2500, CC1110/2510, CC1111/CC2511, CC2430, CC2520 6

7 Eigenschaften von SimpliciTI Minimale Hardware-Abstraktion Kein Heap notwendig Kein Netzwerkkontext zur Laufzeit notwendig Pakete werden in statischen Puffern verwaltet stateless Single thread-applikation Keine Tasks oder Scheduling notwendig...aber in AOStuBS für andere Dinge nutzbar Netzwerk-API ist synchron Kein return aus Funktionen bis die jew. Operation abgeschlossen ist Übertragungswiederholungen (retries) und Bestätigungen (ACKs) müssen von der Anwendung implementiert werden 7

8 SimpliciTI-Anwendungen Alarm & Sicherheit Belegungs-Sensoren Lichtsensoren Kohlenmonoxid-Sensoren Glasbruch-Detektoren Rauchmelder Fernbedienungen AMR (automatisierte Messung über RF) Gas-, Wasser-, Stromzähler Hausautomatisierung: Garagentoröffner Appliances environmental -Geräte (Lichtsensor, Temperatur, etc.) 8

9 SimpliciTI: Netztopologien (1) Drahtlose Sensor-Anwendung Bereich kann durch Repeater erweitert werden. Kreise: Reichweite v. Gateway/erweiterte Reichweite der Repeater 9

10 SimpliciTI: Netztopologien (2) Aktive RF-Tags Netzwerk wird ad-hoc betreten und verlassen Tags müssen sich schnell mit Netzwerk verbinden können - Und gleichzeitig wenig Energie verbrauchen 10

11 Beispiel: Rauchmelder 11

12 SimpliciTI: Architektur Layer: MRFI ( minimal RF interface ) NWK nwk applications (Module) customer applications Netzwerk-Support: init ping link / linklisten nwk mgmt send / receive I/O 12

13 SimpliciTI: Paketformat Preamble: hw sync Synchronisation Sender/Empfänger Sync: hw sync Synchronisation Sender/Empfänger Length: bytes non-phy Länge Nutzdaten Dstaddr Zieladresse Srcaddr Quelladresse Port: app port number Unterscheidung mehrerer Anwendungen Devinfo: capabilities Eigenschaften des Geräts Tractid: transaction or seq num Paketfolgen App Payload: 0<=n<=52 Byte Nutzdaten FCS: valid CRC Checksumme 13

14 Adressierung und Kommunikation Netzadresse = Hardware-Adresse (4 Byte) + Anwendungs-Port Statisch zugewiesene Hardware-Adresse - In Software pro Uhr konfigurierbar Broadcast-Adresse: Byte 1: 0x00 oder 0xFF Kommunikationstopologien: 14

15 SimpliciTI: Statische Konfiguriation Operations-Modus (type) Infrastruktur oder P2P Powermodi (sleep support) Topologie Adressierung / Identifikation RAM-Allokation Paketgröße Puffergrößen # unterstützt. Links (Verbindungen) Sicherheits-Tokens Messaging (hop ct, repeaters) Funk Frequenz, Krypto-Schlüssel, Modulation, CCA-Parameter 15

16 SimpliciTI: Laufzeit-Konfiguriation IOCTL Systemaufrufe: 16

17 Access-Point-Programmierung Stern-Hub im Netzwerk (einer pro Netz) Immer aktiv (auch als Bereichserweiterung/Repeater) Store-and-forward-Funktion für schlafende Geräte Verbindungs- und Token (link and join)-verwaltung Kann auch Endgeräte-Funktionen haben (link listen, receive) 17

18 Endgeräte-Programmierung API-Sequenz (Beisp.): Initialisierung (und Join) Link (setzt listen voraus) Temperatur lesen Senden Option: Schlafmodi 18

19 Inhalt Drahtlose Kommunikation Funkhardware der EZ430 Chronos SimpliciTI: Ein Funkstack für die EZ430 Chronos Low-Power Listening Preamble Sampling 19

20 Ursachen für Energieverschwendung Protokolloverhead Paketkollisionen Overhearing (Pakete für andere Netzwerkteilnehmer) Idle Listening (Empfangsversuche, obwohl niemand sendet) 20

21 Regular Aloha ( Pure Aloha ) Erstes Funknetzwerk: ALOHAnet auf Hawaii (1970) Kommunikation zwischen einzelnen Standorten der Univ. Hawaii Simples Protokoll: Eine Station, die Daten senden will, sendet diese direkt Wenn Nachricht mit anderer Übertragung kollidiert, später die Sendung wiederholen Vorraussetzung: Jede Station ist immer empfangsbereit 21

22 Aloha - Verkehrsmodell Jede Station hat N Nachbarstationen Jede Station sendet mit der Wahrscheinlichkeit g Durchschnittliche Paketanzahl in festen Zeitabschnitt: λ= Ng Modellierung als Poisson-Prozess λ k e λ P (k )= k! P(k) ist die Wahrscheinlichkeit, dass k Pakete im gegebenen Zeitabschnitt gesendet werden 22

23 Aloha - Analyse Ein Paket wird erfolgreich versendet, wenn in zwei Zeitabschnitten keine anderen Pakete versendet werden λ 2 e 2 λ 2NgT P s =P (0) P (0)=P (0) =(λ ) =e =e 0! 2 0 M mit festem Zeitabschnitt T M (Paketlänge) g T M Eine Station i sendet nicht: P i (0)=e Energieverbrauch: P RA =b1 P TX +(1 b1 ) P RX =1 b 1 23

24 Aloha mit Preamble Sampling ( LPL ) Präambel Präambel ist ist so so lang lang wie wie die die Testperiode. Testperiode. Test Test auf auf Sendeenergie Sendeenergie in in der der Umgebung. Umgebung. Kein Kein vollständiges vollständiges Empfangen. Empfangen. Wenn Wenn der der Test Test positiv positiv war, war, können können Daten Daten empfangen empfangen werden. werden. 24

25 Aloha mit Preamble Sampling Paketlänge wird effektiv erhöht (in den Formeln: T M ) Preamble-Länge bestimmt Energieverbrauch 25

26 Alternativen? Lässt sich ein ähnliches Verfahren in Software nachbauen? Ohne Preamble? Ohne Test auf Sendeenergie? Zur Verfügung steht folgende Funktionalität send(...) enable_rx() disable_rx() receive() sleep(...) 26