Bluetooth-Low-Energy-Netzwerke mit vielen Knoten Matthias Müller

Transkript

1 Bluetooth-Low-Energy-Netzwerke mit vielen Knoten Matthias Müller Slide 1

2 Agenda Einleitung: Bluetooth Low Energy Datenübertragung von vielen Sensoren mittels Broadcast-Verfahren Verbindungs-orientiertem Verfahren Ziel: Schlüssel-Parameter für ein System mit vielen Knoten Limitierungen des Systems Lösungen Slide 2

3 Neratec Solutions AG Firma Schweizer KMU, gegründet 1994 mit Sitz in Bubikon / Zürich ~30 Angestellte, 2 Lehrlinge Zertifizierungen: ISO-9001:2015 IRIS Rev02 (International Railway Industry Standard) Angebot robuste WLAN Produkte für Industrie/Bahn Engineering Services Schwerpunkt Industrial Wireless Technologien (Bluetooth Low Energy, LoRa etc.) Slide 3

4 Einleitung: Bluetooth Low Energy Slide 4

5 Bluetooth Low Energy Zusammenfassung Bluetooth SIG Bluetooth ab Version 4.0 Teil von Bluetooth Core seit 2010 Bluetooth Smart gut integriert in Smartphones, PCs 2.4 GHz ISM Band Ziel: Low Power Sensoranwendungen, Smartwatches etc. Läuft mehrere Jahre mittels Knopfzelle Slide 5

6 BLE Datenübertragungsmöglichkeiten Broadcast (Advertisement): Random-Access Verfahren ohne Bestätigung Nutzdaten bis zu 31 Bytes pro Event Intervall zwischen 20ms bis 10.24s plus Zufallszeit Bruttodatenrate von 1MBit/s 3 Kanäle Verbindung: Verbindungs-orientiertes Verfahren mit Bestätigung Nutzdaten bis zu 23 Bytes pro Übertragung Intervall zwischen 7.5ms und 4s Bruttodatenrate von 1MBit/s Frequency Hopping auf 36 Kanälen Slide 6

7 Viele Knoten mittels Broadcast-Verfahren Slide 7

8 Advertisement Random-Access Verfahren Paketfehler bei gleichzeitigem Senden Paketfehlerrate abhängig von Anzahl Teilnehmer Sende-Intervall Daten / Sendedauer Annahmen: alle Sensoren haben: das gleiche Sende-Intervall dieselbe Paketlänge teilen sich einen einzigen Kanal Pure ALOHA Theorie für die Paketfehlerwahrscheinlichkeit Slide 8

9 Pure ALOHA: Paketfehlerwahrscheinlichkeit Paketfehlerwahrscheinlichkeit: (Poissonverteilung) P loss = 1 e -tλ δ t : Advertisement δ = 2*δ mittlere Anzahl Pakete pro Sekunde: λ = N devices / average_adv_interval Slide 9

10 Pure ALOHA: Zahlenbeispiel Paketfehlerwahrscheinlichkeit: P loss = 1 e -tλ Payload: 31 Bytes δ = δ max = 376μs t = 2* δ = 752μs N devices : 50 average_adv_interval: 100ms + 5ms ergibt eine Paketfehlerwahrscheinlichkeit von: P loss = 1 e -2*376μs * (50 / 0.105s) = = 30.1% Slide 10

11 Pure ALOHA: gerechnet Slide 11

12 Pure ALOHA: Vergleich mit Messungen Slide 12

13 Pure ALOHA mit verschiedenen Intervallen Slide 13

14 Pure ALOHA: Intervall vs. Anzahl Sensoren Slide 14

15 Viele Knoten mittels Verbindungs-orientiertem Verfahren Slide 15

16 Connection Verbindungs-orientiertes Verfahren erneutes Übertragen bei Paketfehler Anzahl Verbindungen begrenzt: COTS BLE USB-Dongles: 8-15 Smartphones: 4-8 IC s mit Bluetooth Stack: 4 8 Round-Robin Verfahren mit Zwischenspeichern auf den Sensorknoten Slide 16

17 BLE Round-Robin Slide 17

18 BLE Round-Robin Implementation und Resultate System: 50 Sensoren (Neratec Sensor mit TI CC2541) 50 Bytes/s Ringbuffer: Platz für 1500 Bytes (30s) 1 Master (Neratec Dev-Kit mit TI CC2540) Resultat: Kein Byte verloren und 50 Bytes/s erreicht Zeit für einen Durchgang: ~8s Challenge: Verbindungsaufbau als Antwort auf ein Advertisement Pure ALOHA Theorie für Verbindungsaufbau Slide 18

19 Pure ALOHA: Verbindungsaufbau-Fehler Verbindungsaufbau-Fehler: P conn = 1 e -tλ δ_adv t : δ_adv S M Advertisement δ_adv M S Conn_Req δ_conn δ_ifs t = δ_adv + δ_ifs + δ_conn + δ_adv t = 128μs + 150μs + 352μs + 128μs = 758μs Aber: Master ist ~1 Sekunde blockiert falls ein Paketfehler auftritt Slide 19

20 Verbindung nach Pure ALOHA Slide 20

21 Lösung Lösungsansatz: Totzeit nach jeder Verbindung bis zum erneuten Advertisement Totzeit hängt ab von Anzahl Teilnehmer Datenrate Verbindungs-Parameter Totzeit einstellbar und abhängig von der jeweiligen Anwendung Slide 21

22 Zusammenfassung Broadcast Pure ALOHA für Advertising-Parameterbestimmung Paketfehlerrate bei vielen Knoten zu hoch für praktische Anwendungen Verbindungs-Orientiert Round-Robin Verfahren mit Ringbuffer Pure ALOHA für Verbindungsaufbau Totzeit für schnelleren Verbindungsaufbau Durchsatz von 50Byte/s bei 50 Knoten wurde demonstriert Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Slide 22

23 Your contact: Matthias Müller Direct: Slide 23