KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE

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1 KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE PROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION 1. Einführung TREND 386 Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

2 1. Einführung GRUNDIDEE Intelligente Vernetzung aller Dinge des täglichen Lebens Einführung HINTERGRUND Verbindung der realen, physikalischen Welt mit der virtuellen Welt Dinge kommunizieren mit Nutzern sowie untereinander und treffen autonome Entscheidungen Eingabe Dinge Netzwerk Verarbeitung Ausgabe 388 Fachgebiet Kommunikationsnetze 2

3 1. Einführung GRUNDBESTANDTEILE EINER IOT ANWENDUNG Drahtlose Kommunikation Datenerfassung Steuerung & Regelung Drahtlose Sensornetze ÜBERBLICK 390 Fachgebiet Kommunikationsnetze 3

4 2. Drahtlose Sensornetze SENSORKNOTEN Speicher Sensorknoten Funkmodul Mikrokontroller Sensoren & Aktoren Energieversorgung Drahtlose Sensornetze NETZWERKTECHNOLOGIEN 392 Fachgebiet Kommunikationsnetze 4

5 3. RFID ÜBERBLICK RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION Benötigte Komponenten einen Transponder (Tag) ein Lesegerät eine Middleware als Schnittstelle zu anderen Systemen Merkmale kontaktlose Übertragung keine Sicht- / Berührungsverbindung notwendig RFID TRANSPONDER Passive Transponder ohne eigene Energieversorgung kürzere Leseweite (10 cm - 6 m) Aktive Transponder Batterie für Speicher und Logik aktiver Sender große Leseweite (bis 100 m) Mischformen werden durch Leser aktiviert Batterie für Speicher und Logik Energie zum Senden vom Leser mittlere Leseweite (2-12 m) 394 Fachgebiet Kommunikationsnetze 5

6 3. RFID FREQUENZEN 125 KHz Reichweite: bis zu 30 cm niedrige Datenübertragungsraten nur passive Tags langsame Tag-Erkennung kein Anticollision-Mechanismus 13,56MHz (HF) Reichweite: bis zu 3 m mittlere Tag-Erkennung Anticollision für Tags pro Sekunde 868 MHz bzw. 915 MHz (UHF) Reichweite: bis zu 9 m hohe Datenübertragungsrate schnelle Tag-Erkennung Anticollision für 50 Tags pro Sekunde 2,45 GHz (zukünftig auch 5,8 GHz) Reichweite: mehr als 10 m sehr schnelle Tag-Erkennung Anticollision für 50 Tags pro Sekunde RFID ENERGIEÜBERTRAGUNG Induktiv Nahfeldkopplung bei 125 khz und 13,56 MHz Induzierte Spannung durch magnetisches Feld Koppelfaktor von ca. 1 % arbeitet mit Resonanzfrequenz des Schwingkreises Datenübertragung mittels Lastmodulation Elektromagnetisch Fernfeldkopplung bei MHz und 2,45 GHz Hochfrequente Spannungen bzw. Ströme durch elektromagnetische Wellen Datenübertragung mittels Variation des Rückstrahlquerschnittes 396 Fachgebiet Kommunikationsnetze 6

7 3. RFID MEHRFACHZUGRIFF - ANTICOLLISION Ziel: eine größere Anzahl von Objekten gleichzeitig erkennen Prinzipien meist: TDMA Seltener: FDMA bei 865 MHZ 40 je 200-kHz breite Kanäle bei 2,45 GHz FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Verfahren Slotted ALOHA Adaptive Binary Tree Slotted Terminal Adaptive Collection (STAC) RFID ANWENDUNGSBEREICHE 125 khz Zutrittskontrollen Abrechnungssysteme Werkzeugerkennung Tieridentifikation Abfallwirtschaft Wegfahrsperre 2,45 GHz Fahrzeug-Identifizierung Maut-Überwachung 13,56 MHz SmartCards (Zutrittskontrolle, Bezahlsysteme, Thoska+) Gesundheitswesen Ticketing Bibliotheken 868 MHz Logistik Abfallwirtschaft Anlageninventur Behältermanagement 398 Fachgebiet Kommunikationsnetze 7

8 4. NEAR FIELD COMMUNICATION ÜBERBLICK 2002 von NXP und Sony entwickelt Standardisierung ISO ECMA 340 ETSI TS Weiterentwicklung durch im NFC-Forum organisierten Firmen Anwendungen Bargeld- und kontaktlose Zahlung Fahrplaninformationen abrufen Informationen zu Sehenswürdigkeiten abrufen Digitale Eintrittskarte NEAR FIELD COMMUNICATION EIGENSCHAFTEN Eigenschaften Frequenzband:13,56 MHz Übertragungsraten: 106 kbit/s, 212 kbit/s oder 424 kbit/s Reichweite: max.10 cm Abhören erschwert Unbeabsichtigte Verbindungen ausgeschlossen Betriebsarten: Lese-Schreib-Modus Peer-to-Peer-Modus Kartenemulationsmodus Protokolle NDEF (NFC Data Exchange Format) Plattformübergreifender Datenaustausch SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) direkter Datenaustausch zwischen zwei NFC-Geräten SWP (Single Wire Protocol) Schnittstelle SIM - NFC 400 Fachgebiet Kommunikationsnetze 8

9 5. IEEE ÜBERBLICK Definiert PHY- und MAC-Schicht in Low-Rate Wireless Personal Networks (LR-WPANs) Ziel: energieeffiziente, zuverlässige Übertragung Geräteklassen: Full Function Device (FFD) Reduced Function Device (RFD) Achtung: ZigBee 6LoWPAN IEEE BITÜBERTRAGUNGSSCHICHT Aufgaben: Energy Detection (ED) Clear Channel Assessment (CCA) Datenraten: bis zu 20 kbit/s, 40 kbit/s oder 250 kbit/s je nach Frequenzband 3 mögliche ISM-Bänder I Kanal bei 868,0-868,6 MHz (nur Europa) 10 Kanäle bei MHz (nur USA) 16 Kanäle bei 2,4-2,485 GHz (weltweit) 402 Fachgebiet Kommunikationsnetze 9

10 5. IEEE TOPOLOGIE Stern mit FFD als PAN-Koordinator restliche Knoten können RFDs sein Peer-to-Peer Mesh-ähnliche Topologie aus FFDs RFDs über FFD-Nachbarn anbindbar Cluster-Tree Verbindung mehrerer Peer-to-Peer-Teilnetze über FFDs als ClusterHead IEEE MEDIENZUGRIFF I Basis: CSMA/CA mit Acknowledgements Mehrere Modi ohne Beacons unslotted CSMA/CA mit Beacons slotted CSMA/CA Zeitsynchronisation durch Beacon vom Koordinator zusätzlich mit garantierten Zeitslots GTS slotted CSMA/CA für einen Teil der Übertragungen fest vom Koordinator vergebene Zeitslots für Rest 404 Fachgebiet Kommunikationsnetze 10

11 5. IEEE MEDIENZUGRIFF II In der Forschung / Umsetzung (Liste unvollständig) RMAC B-MAC S-MAC LMAC PMAC T-MAC SCP-MAC X-MAC Z-MAC RI-MAC I-MAC IEEE HERAUSFORDERUNGEN S - scalable & robust Unterstützung sehr vieler Geräten für Bereitstellung der Informationen zum gewünschten Zeitpunkt im passenden Format M - monitored & managed Erkennung, Verwaltung und (Remote-)Konfiguration der Dinge A - adaptiv Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen und Anforderungen Automatische Kommunikation untereinander R - reliable zuverlässige Datenübertragung und -speicherung T - trustworthy Sicherheitsmechanismen gegen Verfälschung von Daten und unberechtigtem Zugriff 406 Fachgebiet Kommunikationsnetze 11

12 LITERATUR Andersson, Mats (2014): Short-Range Low Power Wireless Devices and Internet of Things (IoT) DigiKey IEEE (2003):Standard for Information Technology Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Wireless Personal Area Networks (WPAN). Karimi, Kaivan und Atkinson,Gary (2013): What the Internet of Things (IoT) needs to become a reality. White Paper, FreeScale and ARM. Kern, Christian (2007): Anwendung von RFID-systemen. Berlin: Springer, Lampe, Matthias, Flörkemeier, Christian und Haller, Stephan (2005): Einführung in die RFID-Technologie. Das Internet der Dinge. Springer Berlin Heidelberg, S Langendoen, Koen und Meier, Andreas (2010): Analyzing MAC protocols for low data-rate applications. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN) 7.2 Pretz, Kathy (2014): Smarter Sensors - Making the Internet ofthings soar. In: IEEE The Institute. 407 Fachgebiet Kommunikationsnetze 12