Mobilkommunikation Bluetooth

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1 Abteilung Informatik Mobilkommunikation Bluetooth af&e Prof. Dr.Ing. Andreas Rinkel / Sandra Frei [email protected] [email protected]

2 Inhalt Bluetooth Ø Motivation Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Überblick Architektur / Protokolle Kern Protokolle Link Manager (Sicherheit/ Pairing) Profile Piko / Scatternetze PHY / Frequenzen Verbindungsaufbau Datenpakete Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 2

3 Einführung: Motivation Verknüpfung von Computer mit Peripherie: tragbaren Geräten, PDAs, Handys F im Wesentlichen ein leistungsfähigerer InfrarotErsatz bzw. Kabelersatz UAdapter Eingebettet in andere Geräte, Ziel: 5 /Gerät Sprach und Datenübertragung, ca. 1 Mbit/s Bruttodatenrate Ø kleine Reichweite (10 m100m), Ø niedrige Leistungsaufnahme, Ø lizenzfrei im 2,45 GHzISMBand (Industrial Scientific Medical) Universelles Funksystem für drahtlose AdhocVerbindungen Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 3

4 Überblick: Geschichte I 1994: Ericsson (Mattison/Haartsen), MClink Projekt Umbenennung des Projekts: Bluetooth nach Harald Blåtand Gormsen [Sohn des Gorm], König von Dänemark im 10. Jahrhundert 1998: Gründung der Bluetooth Special Interest Group (SIG), : Errichtung eines Runensteins durch Ercisson/Lund :) 2001: Erste Produkte für den Massenmarkt, Verabschiedung des Standards 1.1 (früher: ) heute Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 4

5 Überblick : Geschichte II; Der Mythos : Ericsson mobile communications AB reste denna sten till minne av Harald Blåtand, som fick ge sitt namn åt en ny teknologi för trådlös, mobil kommunikation. Harald beherrschte Dänemark und Norwegen Harald christianisierte die Dänen. Schließlich, und das ist hier der viel wichtigere Punkt Harald denkt, dass Notebooks und Mobiltelefone nahtlos miteinander kommunizieren sollten. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 5

6 der echte Runenstein Standort: Jelling, Dänemark; Errichtet durch König Harald Blåtand in Erinnerung an seine Eltern. Der Stein hat drei Seiten eine davon zeigt ein Bild von Christus. Inschrift: "Harald king executes these sepulchral monuments after Gorm, his father and Thyra, his mother. The Harald who won the whole of Denmark and Norway and turned the Danes to Christianity." Übrigens: Blåtand weißt auf ein dunkleres Aussehen hin (dunkle Haare) und hat nichts mit einem blauen Zahn zu tun! So könnten die Originalfarben des Steines ausgesehen haben. Inschrift: auk tani karthi kristna (und machte die Dänen zu Christen) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 6

7 Überblick : Special Interest Group SIG Promotor Companies Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba: Kern 3Com, Agere (früher: Lucent), Microsoft, Motorola: erweiterter Kreis Die Gründungsmitglieder: Sie treiben die Spezifikation und die Strategie im wesentlichen voran. z.b. Entwicklungsforum zu Zertifizierung von BluetoothProdukten Associate Companies Über 150 Unternehmen Aktive Mitglieder: Sie arbeiten an der Spezifikation aktiv mit und können so den Standard beeinfluusen. Die Mitarbeit ist jedoch kostenpflichtig. Adopter Companies ca Unternehmen Technologie Anwender : Sie erarbeiten auf Basis von Bluetooth Applikationen und Systemlösungen. Sie sind kostenfrei bei der SIG registriert. Achtung: Die Zertifizierung der Bluetooth Produkte ist kostenpflichtig. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 7

8 Überblick : Merkmale I 2.4 GHz ISM Band, 79 (23) RF Kanäle, 1 MHz Trägerabstand Ø Kanal 0: 2402 MHz Kanal 78: 2480 MHz Ø GFSK Modulation, 1100 mw Sendeleistung Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Time Division Duplex (TDD) Ø Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen/s Ø Sprungfolge pseudozufällig, vorgegeben durch einen Master Ø Time division duplex zur Richtungstrennung Sprachverbindung SCO (Synchronous Connection Oriented) Ø FEC (forward error correction), keine Übertragungswiederholung, 64 kbit/s duplex, PunktzuPunkt, leitungsvermittelt Datenverbindung ACL (Asynchronous Connection Less) Ø Asynchron, schnelle Bestätigung, PunktzuMehrpunkt, bis zu 433,9 kbit/s symmetrisch oder 723,1/57,6 kbit/s asymmetrisch, paketvermittelt Topologie Ø Überlappende Pikonetze (Sterne) bilden ein Scatternet (Streunetz) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 8

9 Überblick: Merkmale II Topologie Flexibilität Datenrate Energieverbrauch Kosten Bereich Universal Security Unterstützt bis zu 7 gleichzeitigen Verbindungen Geht durch Wände, Körper, Kleidungen 12 Mbps (ISM), 720 Kbps bis 16 MBitps (Infrarot VFIR) 0.1 Watt im aktiven Zustand 12 pro Endpunkt Von 10 Meter oder weniger bis zu 100 Metern (leistungsabhängig, 1mW, 2,5mW, Leistungsregelung optional, bei 100mW Leistungsregelung zwingend) Weltweit einsetzbar Link layer Sicherheit Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 9

10 Überblick: Architektur Applications TCP/IP HID RFCOMM Application Framework Data Supportanwendungen Applikationsrahmen Schnittstellendefinition Audio L2CAP Link Manager LMP Host Controller Interface Link Manager and L2CAP Baseband RF Basisband und Funktechnik Hardwarebeschreibung Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 10

11 Kernprotokolle: Übersicht TCP/IP HID RFCOMM TCP/IP HID RFCOMM Audio Audio Applications Data Data L2CAP L2CAP HCI Controller Link Manager Baseband RF Host Computer Bluetooth Controller Basisband stellt Ø synchronen oder Ø asynchronen Kanal bereit Linkmanagement ist zweigeteilt Ø L2CAP: Logical Link Control and Adaption logisches Kanalkonzept residiert auf dem Hostsystem Ø LinkManager HCI Controller Verbindungsmanagement Ø definiert den Dienstschnitt zwischen Controllerseitigen LinkProtokoll und Hostseitigen LinkProtokoll über z.b: U, PCCard PCMCIA, UART Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 11

12 Kernprotokolle: Der LinkManager Die wesentlichen LinkManagerProzeduren Generelle AntwortMessages Authentifikation Finden von Partnern Wechsel des LinkKey Datenverschlüsselung Anfrage des ClockOffsets SlotOffset Informationen Timing Informationen LMPVersion Unterstützte Features Wechsel der MasterSlave Rolle Trennen vom Netz HoldMode SniffMode ParkMode Power Control Quality of Service (QoS) SCOLinks Kontrolle von MultiSlotPaketen PagingSchema LinkÜberwachung Pairing LMDatenpakete werden über den ACLLink transferiert haben eine höhere Priorität als Benutzerdaten LMTelegramme können dadurch normale Nutzdatennachrichten verzögern LMTelegramm ziehen in der Regel eine Antwort nach sich die maximale Antwortzeit für die LinkManager Instanz auf die Antwort seines Kommunikationspartners liegt typischerweise bei 30 sec. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 12

13 Kernprotokolle: Der LinkManager LMP Beispiel: Pairing Bluetooth version <= 2.0 Schlüsselerzeugungs Algorithmus RAND1 ADDR A PIN Station A Station B E 22 LMP_IN_RAND RAND1 LMP_ACCEPTED E 22 K int ADDR A PIN RAND2A ADDR A Algorithmus ½ Combination Key A K int Algorithmus RAND2B ADDR A ½ Combination Key B K int XOR LMP_COMP_KEY LMP_COMP_KEY XOR K int LinkKey= ½ CombinationKeyA + ½ CombinationKeyB LinkKey= ½ CombinationKeyA + ½ CombinationKeyB Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 13

14 Kernprotokolle: Der LinkManager LMP Beispiel: Authentisierung Verschlüsselungs Algorithmus Station A Station B AU_RAND BD_ADDR A LinkKey Verbindungs Code E 1 SRES_A AU_RAND AU_RAND E 1 BD_ADDR A LinkKey? SRES_A = = SRES_B SRES_B Ein vorgängiges Pairing ist erforderlich, damit die Authentisierung durchgeführt werden kann SRES_B Geräteadresse: BD ADDRx, Es wird die Adresse der Station verwendet, welche die Authentisierung einleitet Zufallszahl: AU_RAND Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 14

15 Kernprotokolle: Der LinkManager SCOKanäle SCOKanäle können erst aufgebaut werden, wenn ein ACLKanal bereits existiert sowohl der Master als auch der Slave kann einen Verbindungsaufbau Ø anfordern und Ø wieder freigeben Parameter für das Einrichten eines SCOKanals Ø KanalHandle zur Verwaltung von bis zu drei SCOKanälen Ø Parameter für die Kanalsteuerung die Intervall und Startzeit den Pakettyp Ø Parameteränderung auch während einer Verbindung veranlasst durch Master oder Slave nicht alle BluetoothGeräte müssen Sprachkanäle unterstützen! Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 15

16 Physikalische Verbindungen leitungsvermittelte synchrone Kommunikation, SCOVerbindung (Synchronous Connection Oriented) Ø ausschließlich für die Übertragung von Sprachdiensten Ø Master und Slave erstellen eine exklusive, bidirektionale PunktzuPunkt Verbindung Ø ein Master ist in der Lage, mehrere SCOLinks gleichzeitig aufzubauen bzw. zu verwalten paketvermittelte asynchronen Kommunikation, ACL Verbindung (Asynchronous Connectionless Link) Ø Ein ACL in einem Piconetz, definiert durch den Master Ø ACL speichert die Daten zwischen und liefert sie in den SCOLücken aus Ø verschiede Verbindungsoptionen: symmetrischen Verbindung asymmetrischen Verbindung jedes Pikonetz besitzt genau einen asynchronen Datenkanal Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 16

17 Beispiel b d ACL SCO a c M e f(k) f(k+2) f(k+4) f(k+6) f(k+8) f(k+10) f(k+12) f(k+14) f(k+16) f(k+18) f(k+20) f(k+22) f(k+24) a b c d Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 17 t e

18 Bluetooth Protokolle Audio NWAnw. vcal/vcard TelefonieAnwendungen Verwaltung TCP/UDP BNEP IP PPP OBEX AT modem commands RFCOMM (serial line interface) TCS BIN SDP Control Host Computer Audio Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) Link Manager HCI Baseband Radio Bluetooth Controller AT: attention sequence OBEX: object exchange TCS BIN: telephony control protocol specification binary BNEP: Bluetooth network encapsulation protocol SDP: service discovery protocol RFCOMM: radio frequency comm. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 18

19 Bluetooth Protokolle: Profile Bluetooth ist eigentlich ein sehr einfaches System für die spontane Kommunikation besteht jedoch (mittlerweile) aus vielen Protokollen, Komponenten, Erweiterungen Ø Anwendungsentwickler und Gerätehersteller können ähnliche oder sogar identische Dienste auf vielfältige Weise implementieren Ø Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller scheint beinahe unmöglich F Abhilfe durch spezifizierte Profile Ø zusätzlich zu den Protokollen Ø Ein Profil stellt eine Standardlösung für ein bestimmtes Nutzungsszenario dar nutzt eine gewisse Auswahl an Protokollen setzt gewisse Parameter, um eine Basis für die Interoperabilität zu bilden stellen vertikale Scheiben durch die Protokollarchitektur hindurch dar die folgenden Basisprofile wurden zunächst festgelegt: generic access, Service discovery, cordless telephony, intercom, serial port, headset, dialup networking, fax, LAN access, generic object exchange, object push, file transfer md synchronization. zusätzliche Profile sind: advanced audio distribution, PAN, audio remote control, basic printing, basic imaging, extended service discovery, generic audio video distribution, hands free und hardcopy cable replacement. jedes dieser Profile wählt eine gewisse Untermenge an Protokollen z.b. die Emulation einer seriellen Schnittstelle (serial port)» RFCOMM, SDP, LMP und L2CAP Protokolle Anwendungen Profile Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 19

20 Überblick: Pikonetze Eine Ansammlung von Geräten welche spontan (adhoc) vernetzt wird P S Ein Gerät wird zum Master, die anderen verhalten sich als Slaves während der Lebensdauer des Pikonetzes S M P Der Master bestimmt die Sprungfolge des Frequency Hoppings, die Slaves müssen sich darauf synchronisieren P S Jedes Pikonetz hat eine eindeutige Sprungfolge Teilnahme an einem Pikonetz = Synchronisation auf die Sprungfolge M S = Master = Slave P = Parked = Standby Jedes Pikonetz hat einen Master und gleichzeitig bis zu 7 Slaves (> 200 können geparkt werden) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 20

21 Überblick : Scatternet Verbindung mehrerer räumlich naher Pikonetze durch gemeinsame Master oder SlaveGeräte Ø Geräte können Slaves in einem Pikonetz sein, Master in einem anderen Kommunikation zwischen Pikonetzen Ø Geräte, welche zwischen den Pikonetzen hin und her springen P S S Pikonets (jedes mit max. Kapazität von 720 kbit/s) S M S P M P P Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 21 S

22 PHY: Frequenzaufteilung des ISMBandes 2 MHz Guard Band 3.5 MHz f/[ghz] 1 MHz 1 79 Kanäle 2 3 Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 22

23 PHY: Basisband 2,4 GHz ISMBand Kombiniertes Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen pro Sekunde FHSS 79 Trägerfrequenzen (USA, Europa mit Einschränkungen in Frankreich, Spanien, Japan) f Modulationsverfahren GFSK (GaussianFrequencyShiftKeying) f 625µs Länge bzw. Dauer eines Timeslot 80 Mhz Bandbreite t Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 23

24 PHY Basisband Frequenzsprungverfahren FrequenzsprungVerfahren Bandspreizung durch Frequency Hopping Spread Spectrum Ø 79/23 EinMHzKanäle Ø Nach jedem Paket wird gesprungen Pakete sind 1, 3, or 5 Timeslots lang Ø Frame oder Rahmen besteht aus zwei Paketen Nach einem Transmit Paket folgt ein Receive Paket Ø Normalerweise 1600 hops pro Sekunde ( bei EinSlotPaketen) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 24

25 Frames und Pakete Frame Frame f k f k+1 f k f k+3 Master One Slot Packet Master Three Slot Packet Slave One Slot Packet Slave One Slot Packet 625 us One Slot 625 us One Slot Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Ø 79/23 1MHz Kanäle Ø Springt mit jedem Paket Pakete sind 1, 3, or 5 Zeitschlitze lang Ø Ø Ø Ø Ein Rahmen besteht aus zwei Paketen Einem Transmit folgt ein Receive Springt im Normalfall mit 1600 Hops/s Bei ausschließlich 1 Slot Datenpaketen, sendet der Master in geraden Slots, der Slave antwortet in dem folgenden ungeraden Slot Bei 3 bzw. 5. Slot Datenpaketen, werden Frequenzen weggelassen, um das Hoppingschema nicht zu stören. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 25

26 BluetoothPaketformate Access Code Bit Header 54 Bit Payload Bit Präambel 4 Bit SyncWort 64 Bit Trailer 0 4 Bit Access Code Synchronisation Identifizierung eines Pikonetzes, Geräteabfrage Geräteruf genutzt es gibt drei verschiedene Zugriffscodetypen AMA 3 Bit Typ 4 Bit Flow 1 Bit ARQ 1 Bit SEQN 1 Bit HEC 8 Bit Header 18 bit, 3 * 18 = 54 Bit, d.h. der Header wird drei mal gesendet! Der Empfänger entscheidet im Fehlerfall welche Werte gelten. Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 26

27 BluetoothPaketformate: Access Code Die Synchronisationsbit werden von der Geräte Adresse (LAP) abgeleitet Drei Access Codes Ø Channel Acces Code (CAC) dient zur Synchronisation und Erkennung eines Pikonetzes wird mit jedem Paket geschickt Verwendet zur Synchronisation die Adresse des Masters Ø Device Access Code (DAC) Übertragen bestimmter Kennungen während des Geräterufs genutzt (z.b. beim Paging) Verwendet zur Synchronisation die Adresse des Slaves Ø Inquiry Access Code (IAC) wird zur Geräteabfrage verwendet verwendet zur Synchronisation spezielle Addresse Der Trailer Ø Ist ein definiertes Muster von vier Zeichen und ist 1010, wenn das M eine 0 ist oder 0101, wenn das M eine 1 ist Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 27

28 Zustände eines BluetoothGeräts (PHYSchicht) STANDBY unverbunden inquiry page verbunden Transmit AMA Connected AMA aktiv PARK PMA HOLD AMA SNIFF low power AMA (Active Memeber Address) PMA (Parked Member Address) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 28

29 Verbindungsaufbau I Was ist aber? Ø wenn Geräte neu in den Funkbereich eines Piconets kommen, von dem sie weder Hoppingschema noch Timing kennen? Ø wenn noch gar kein Master da ist und sich beliebige Geräte erst einmal finden müssen Ø Ausgezeichnete FrequenzHoppingMuster, die InquirySequence die InquiryResponseSequence die PageHoppingSequence die PageResponse Sequence S M Channel Hopping Sequence ist bekannt P S Piconet Gebildetes oder Piconet was? P S Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 29

30 Verbindungsaufbau II Timing Master f k f k+1 One Slot Packe t Frame f k f k+1 TX Slot 366 µs Frame RX Slot Slave One Slot Packet 625 µs One Slot 625 µs 1250 µs t Timer: Freilaufender 28BitRingzähler Mit 3200 Hz getriggert alle 312,5 µs wird das L des Zählers verändert (halber timeslot) Zähler läuft ca. alle 23,3 h über alle verwendeten Zeiten werden aus dem Timer abgeleitet Bit 1 ist verantwortlich für das TDDVerfahren (L = Bit 0) Bit 1 = 0, der Master sendet Bit 1 = l, der Master empfängt (hört auf) ein SlavePaket Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 30

31 Verbindungsaufbau III Bildung eines Pikonetzes ½ ¹» Á ¾» S»»» P P M»» Á S» S P Alle Geräte im Pikonetz springen synchron Ø Der Master übergibt den Sklaven seine Uhrzeit und Gerätekennung Sprungfolge: bestimmt durch die Gerätekennung (48 bit, weltweit eindeutig) Die Phase in der Sprungfolge wird durch die Uhrzeit bestimmt Adressierung Ø Active Member Address (AMA, 3 bit) Ø Parked Member Address (PMA, 8 bit) Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 31

32 Verbindungsaufbau IV Inquiry Geräte die eine Verbindung Ø eingehen möchten, hören in einem Zeitintervall (1.28 sec) der InquiryHoppingSequnce auf ein Inquiry (Empfang eines IDPaketes verkürztes Paket (68 bit), das nur den Device Access code und Inquiry Access code enthält) Ø Aufbauen möchten, führen in einem Zeitintervall (1.28 sec) immer wieder einen Scan durch Station A Station B f(k) TX Slot 68 µs RX Slot TX Slot RX Slot Inquiry intervall INQ INQ INQ INQ ID FHS Nirwana Nirwana Master Station A Scan Intervall Slave Station B f(k+1) 625 µs 1250 µs INQ INQ f(k+2) INQ f(k+3) INQ FHS t t Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 32

33 Verbindungsaufbau V Paging Das Paging Ø baut eine feste Verbindung zwischen Master und Slave auf Ø setzt Inquiry voraus, da die Timinginformation erforderlich ist Ø wird analog zum Inquiry auf einer PageHoppingSequence durchgeführt Station A Station B ID Nirwana Inquiry intervall ID ID Scan Intervall ID PicoNetz Bildung ist abgeschlossen FHS ID Timing information liegt vor. Parameter von A werden übernommen A und B bilden ein PicoNetz F charakterisiert durch A, dem Master Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 33

34 Daten Pakete zur LinkSteuerung, die von SCO und ACLLink verwendet werden Ø IDPaket (verkürztes Paket) Aufforderung ein Piconetz aufzubauen Ø NullPaket Werden nicht beantwortet Antwort auf ein Poll Paket, wenn der Slave keine Daten zum Senden hat Ø PollPaket Entspricht NullPaket mit dem Unterschied Müssen vom Empfänger bestätigt werden Werden vom Master verwendet, zur Prüfung,» ob noch Slaves im Piconet vorhanden» Einleiten der Datenübertragung Ø FHSPaket: (Frequence Hopping Synchronisation) Dient zum Verbindungsaufbau, enthält erforderliche Daten Bildung eines Piconetzes Ø DM1: Data Medium Rate 1 Slot Datenpaket, in der Regel zur Übertragung von Steuerinformation Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 34

35 Daten Pakete zur LinkSteuerung, die von SCO verwendet werden HVPakete (High quality Voice) Ø Sprachdaten werden nicht noch einmal gesendet Ø sind bei HV1 und HV2 mit FEC gegen Übertragungsfehler geschützt Ø HV3 enthält keine Redundanzen DV (Data, Voice) Ø Datenpaket für die gemeinsame Übertragung von Sprache und Daten Sprachdatenteil wird nicht gegen Übertragungsfehler gesichert Datenteil wird durch einen FEC 2/3 gesichert Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 35

36 Daten Pakete, die vom ACLLink verwendet werden DMx (Data Medium Rate) Ø X: 1SlotPakete, 3SlotPakete, 5SlotPakete Ø Da mit FEC 2/3 und CRC gesicherte Datenübertragung geringe Restfehlerwahrscheinlichkeit Ø x à Anzahl der Slots, die zur Verfügung stehen, diese bestimmen die Datenrate DHx (Data High Rate) Ø Daten werden nur mit CRC gesichert übertragen, daher höhere Datenrate AUX1 Ø Wie DH1, aber zusätzlich Verzicht auf CRCTest daher auch bei 1Slot Übertagung relativ hohe Datenrate Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth 36

37 Daten Pakete, Überblick Packet Types SEGMENT Segment Paketcode TYPE Slots SCOLink ACLLink Nutzdaten in Bytes ACL Paketorientiert SCO Leitungsorientiert NULL POLL FHS DM1 HV1 HV2 HV3 DV NULL POLL FHS DM1 DH1 AUX1 DM3 DH3 DM5 DH (09)D 029 Mobilkommunikation: Einführung in Bluetooth FEC 2/3 nein 1/3 2/3 + 2/3 nein 2/3 nein 2/3 nein CRC ja ja nein nein nein ja ja ja ja Datenrate Symetrisch kbps , Datenrate Asymetrisch in kbps Hinkanal Rückkanal / /