Kommunikationsstandards in wireless sensor networks

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1 Lehrstuhl Netzarchitekturen und Netzdienste Institut für Informatik Technische Universität München Kommunikationsstandards in wireless sensor networks Hauptseminar Innovative Internet Technologien und Mobilkommunikation Wintersemester 08/09 Lukas Tillmann

2 Ablauf Grundlagen und Begriffsklärung Standards in wireless sensor networks Bluetooth ZigBee 6LoWPAN Vergleich der vorgestellten Standards Ausblick Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 2

3 Grundlagen und Begriffsklärung Wireless sensor network: Rechnernetz Sensorknoten Funkkommunikation Ad hoc oder Infrastrukturbasiert Personal Area Network (PAN) Netz von Kleingeräten (Mobiltelefone, Drucker, PDAs) Geringe Reichweite Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 3

4 Bluetooth Grundlagen/Übertragung Arbeitet auf dem 2,4 GHz ISM Band ( MHz) Reichweite je nach Klasse (Leistungsstärke) Klasse 1: 100 mw 100 Meter Klasse 2: 2,5 mw 20 Meter Klasse 3: 1 mw 10 Meter Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 4

5 Bluetooth Frequency Hopping 2,4 GHz Band in 79 Kanäle mit je 1 MHz Bandbreite geteilt Fast Frequency Hopping: Sender und Empfänger haben gemeinsame 79 stellige Hopping Sequenz Wechselt alle 625 µs (1600 mal/sekunde) Falls Kollision auf einer Frequenz auftritt wird sie mit dem nächsten Kanalwechsel garantiert wieder aufgehoben. Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 5

6 Bluetooth Piconet Motivation: Aufbau eines Ad hoc Netzwerks für Unicast und Multicast Verbindungen Piconet Mono Slave Modus Initiator der Verbindung übernimmt Rolle des Master Kommunikationspartner ist Slave Piconet Multi Slave Modus 1 Master, bis zu 7 aktive Slaves Zusätzlich passive Slaves (Park Modus), bis zu 255 Gesamtteilnehmer Keine direkte Verbindung zwischen Slaves möglich; Verbindung nur über Master Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 6

7 Bluetooth Scatternet Scatternet: Zusammenschluss mehrerer Piconets in überlappender Reichweite Voraussetzungen: Nur ein Master pro Piconet Slaves können zu mehreren Piconets gehören Unter Umständen muss ein Gerät als Master in einem Netz und als Slave in einem anderen dienen. Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 7

8 Bluetooth Scatternet Quelle: T. Olzak, Secure your Bluetooth wireless networks, ZDNet Asia, Dezember 2006 Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 8

9 Bluetooth Betriebsmodus Inquiry Modus ID Paket wird auf 32 Frequenzen gesendet/erwartet Erster Paketerhalt führt zur Einordnung als Slave Page Modus Regelmäßiges ID Paket wird vom Master zu allen Slaves der Reihe nach gesendet und Antwort erwartet Ziel: Zeitliche Synchronisation, Erhalt der AM_address (Active Member Address) Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 9

10 Bluetooth Verbindungstypen Synchronous Connection Oriented (SCO) Unicast zwischen einem Master und einem Slave Feste Belegung eines Zeitintervalls beim Master zum Empfang/Senden Pro Master bis zu drei solcher Verbindungen möglich Keine wiederholte Sendung der Pakete Anwendungsbeispiel: Sprachübertragung Asynchronous Connection Less (ACL) Multicast zwischen einem Master und allen Slaves Broadcast möglich Wiederholte Sendung bei Paketverlust Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 10

11 Bluetooth Fehlerkorrektur Forward Error Correction (FEC) 1/3 FEC: Fehlerkorrektur durch Redundanz Header wird immer gesichert Payload je nach auftretender Fehlerrate gesichert Einzelne Bits können korrigiert werden 2/3 FEC: Konvertierung des Codes von 10 auf 15 Bit mittels Hamming Code 1 Bit Fehler können korrigiert werden; 2 Bit Fehler werden erkannt Automatic Repeat Request (ARQ) Checksummenüberprüfung um Fehler festzustellen Automatische Anforderung zur wiederholten Sendung bei Fehler Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 11

12 Bluetooth Stromsparen Active Modus ACL und SCO Verbindungen finden normal statt Park Modus Aktuell keine Kommunikation notwendig, lediglich ID Pakete werden erwartet Gerät gibt seine AM_address auf und erhält eine 8 Bit PM_address (Park Member Address) Sniff Modus Verlängerung der Antwortzeiten auf ID Pakete Hold Modus Nur SCO Verbindungen finden statt, ACL Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 12

13 ZigBee IEEE Energiemanagement im Vordergrund lange Ruhephasen Bis zu 254 Knoten bilden ein Netz Sendefrequenzen (Bitübertragung) Mhz 1 Kanal Mhz 10 Kanäle Mhz 16 Kanäle Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 13

14 ZigBee IEEE Netztopologien Star Topologie Alle Knoten direkt mit Koordinator verbunden Peer to Peer Topologie Jeder Knoten ist miteinander verbunden Voraussetzung: Alle Knoten sind FFDs Cluster Tree Topologie Baumstruktur Blätter RFDs Knoten FFDs Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 14

15 ZigBee IEEE Netztopologien Quelle: P. Kinney, ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works, zigbee.org, Oktober 2003 Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 15

16 ZigBee IEEE MAC Layer Beacon Mode Gerät warten auf Beacon des Koordinators Gerät empfängt Daten Koordinator gibt Zeitpunkt des nächsten Beacons an Gerät und Koordinator werden in den sleep mode versetzt bis kurz bevor der nächste Beacon fällig wird Einsatz: Periodischer Datenaustausch, Koordinator batteriebetrieben Non Beacon Mode Geräte fast immer im sleep mode Zeitlich zufällige Bestätigung der Anwesenheit gegenüber dem Koordinator Bei notwendiger Datenübertragung beginnt Gerät unmittelbar zu senden Falls der Kanal gerade blockiert ist geht die Nachricht verloren Einsatz: Sporadischer Datenaustausch, Koordinator am Stromnetz Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 16

17 ZigBee IEEE MAC Layer Wiederholter Datenaustausch Einsatz bei denen Reaktionszeit wichtig ist Realisiert mittels Guaranteed Time Slots (GTS) innerhalb eines Superframes Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 17

18 ZigBee Gerätetypen Reduced Function Device (RFD) ZigBee End Device Enthält nur einen Teil der Funktionen Kann nur mit Full Function Devices kommunizieren Einsatz bei geringfügig aktiven Sensoren Full Function Device (FFD) ZigBee Router Voller Funktionsumfang Kommunikation mit allen Gerätetypen möglich Koordinator Muss FFD sein Enhält Informationen über das Netz Agiert als Router zu anderen Netzen (ABER: definiert noch kein Routing) Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 18

19 ZigBee Verbindungsaufbau Verbindungsaufbau: Energy Detect Scan: Messung der Signalstärke durch den Koordinator Active Scan des Koordinators: Jedes Gerät wird mittels Beacon_Request aufgefordert dem Koordinator zu antworten Active Scan der FFD: Koordinator wird aufgefordert sich bei dem FFD zu melden Passive Scan: Kanäle werden nach Beacons abgehört Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 19

20 6LoWPAN 6LoWPAN (IPv6 Low Power Wireless Premise Area Networks Motivation Vorhandenen IPv6 Standard nutzen Geringe Datenraten Wenig Energiebedarf IEEE mit IPv6 verbinden Vorteile Keine Konfigurationsserver notwendig (DHCP/NAT) durch IPv6 Techniken Zero Configuration und Neighbor Discovery Bereits vorhandene Tools und Know How für Konfiguration, Verwaltung und Debugging von IPv6 Unterstützung IP basierter Protokolle wie ICMP, UDP und TCP Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 20

21 6LoWPAN Verbindung von , Ethernet und WiFi Netzen Anpassung der Headergröße von IPv6 (127 byte MTU von IEEE ) Kompression der 40 Byte Header von Ipv6 Paketen in 4 Byte Header 64 Bit IEEE Adressen 16 Bit short Adressen Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 21

22 Vergleich der vorgestellten Standards Bluetooth vs. ZigBee/6LoWPAN Anwendungsgebiete: ZigBee/6LoWPAN: kleine Datenmengen in großen Netzen Sensoren (Temperatur, Alarmanlagen, Feuermelder.) Bluetooth: Auch größere Datenmengen in kleinen Netzen Freisprecheinrichtung, Mobiltelefondaten synchronisieren Motivation ZigBee/6LoWPAN: Energieeffiziente kleine Sensoren Bluetooth: Kabellose Datenübertragung Aufbau ZigBee/6LoWPAN: Statische Netze Bluetooth: Ad hoc Netze Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 22

23 Vergleich von ZigBee und 6LoWPAN Quelle: G. Mulligan, The 6LoWPAN Architecture, IETF Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 23

24 Ausblick Weitere Standards Bluetooth Low Energy (Wibree): Ergänzung to Bluetooth, geringere Datenübertragungsrate bei besserem Energieverbrauch Ultra Wide Band (UWB): Hohe Datenraten über kurze Distanzen (z.b. Videodaten) Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 24

25 Danke für die Aufmerksamkeit! Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 25

26 Quellen about security.de/security artikel/endpoint sicherheit/mobile computing und pdas/artikel/282 bluetooth die grundlagen/ reports.com/wireless/zigbee/tutorial.php G. Mulligan, The 6LoWPAN Architecture, IETF Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 26