Ubicomp-Netze: Einführung Netzwerktechnologien für Ubicomp

Ubiquitous Computing Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im W 00/01 Hans-Werner Gellersen Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office 1 2 3 4 5 6 Vision/Grundlagen mart Devices Vernetzung Netzwerktechnologien Middleware Kontext Interaktion Anwendungen reale Welt Kontext 4 ensoren Aktuatoren Menschen Interaktion User Interface 2 5 mart Device Netzwerk- Interface Kommun. 3 digitale Welt HWG 7-1 HWG 7-2 Ubicomp-Netze: Einführung Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft Gastvortrag: Antonio Krüger, Uni B: Infrarot-Braodcastanwendung IRREAL tandard-rechnernetze Lokale Netze (Ethernet usw) Globale Vernetzung, Internet relativ homogen: Endgerät = General-Purpose Computer statisch, wenig flexibel: Integration von Knoten aufwendig Netze für Ubiquitous Computing Diversifikation von Endgeräten: mobil, eingebettet, spezialisiert Mobilität: mobile Nutzer, mobile Geräte Allgegenwart: überall, insbesondere auch im Heimbereich pontaneität: ad hoc Vernetzung von Geräten Konvergenz: Daten, Audio/Video, teuerung HWG 7-3 HWG 7-4

Ubicomp-Netze: Entwicklungstrends im Weitverkehrsbereich Mobilität: von GM über EDGE zu UMT Konvergenz: vom Daten-Internet über Multimedia-Internet zum Embedded Internet im lokalen Bereich Mobilität: Funk LAN Feinere Granularität: kleinere Zellen, Personal Area Networks z.b. chreibtisch, Raum, Körper-Aura Nutzung von Lokalität: spontane Vernetzung mit Geräten in der Nähe (proximate Networking) Home Networking: Vernetzung von Geräten im Heimbereich, Nutzung vorhandener Infrastruktur, Zugangsnetze nach außen Appliance Networking: Netze für spezielle Geräteklassen z.b. A/V-Geräte HWG 7-5 Übertragungsmedien Kupferkabel (Twisted Pair) Grundlage vieler ysteme: LAN (Ethernet etc), Peripheriebusse, Telefonie (POT), IDN, Hausbusse, xdl-zugangsnetze Punkt-zu-Punkt bis 100 Mbit/s, bei Ubicomp-typischer free topology - Verkabelung 10-100 kbit/s Koaxial (Kabel-TV) bis 30-40 Mbit/s downstream, und 5-10 Mbit/s upstream asynchrone Anwendungen (Multimedia-Verteildienste) Funk niedrigere Datenraten, höhere Fehleranfälligkeit, grundsätzlich geteiltes Medium, stark reguliert (verfügbare Frequenzbereiche) Infrarot niedrige Datenraten, kurze Distanz, gerichtet, freie icht erfor-derlich (positiver Aspekt: Daten verlassen den Raum nicht) HWG 7-6 Übertragungssysteme I Nutzung vorhandener Kabel Phoneline Networking Nutzung von Telefonverkabelung im Haus, v.a. in UA Anschluß in jedem Zimmer HomePNA: offener tandard der Home Phoneline Networking Alliance (über 100 Firmen) Frequency Division Multiplex (FDM) für parallele Nutzung zur Daten-, Telefon- und Inhouse-Kommunikation Powerline Communication (PLC) teckdosen als ubiquitärer Zugang in Gebäuden (aber: Kosten für Endgeräte-Erweiterung relativ hoch) schon seit 80er Jahren Hausbusse über tromnetz (teuerung) Datenraten für prach-/datenkommunikation möglich, aber große technische Probleme (v.a. töreinflüsse) Übertragungssysteme II wider dem Kabelsalat Peripheriebusse Kabel und Anschlüsse standardisiert, Plug & Play z.b. UB (Universal erial Bus) und IEEE 1394 (Firewire) Infrarot IrDA tandard der Infrared Data Association drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung, bis ~1m Distanz ursprünglich für drahtlose Peripherieanbindung (Tastatur, Maus), in Ubicomp auch für Appliance-Kommunikation Funk spezielle ysteme: IEEE 802.11 für Daten, DECT für prache Universalsystem für Daten und prache: Bluetooth pontane Multi-Party Vernetzung, Zellen ~10m Reichweite HWG 7-7 HWG 7-8

Übertragungssysteme III Kabelalternativen der Zukunft Wearable Networks leitfähige Fasern in toffe eingewoben z.b. Electric uspenders: Hosenträger als Daten und Powerbus (Michael Gorlick, Aerospace Corporation, 1999) Intra-Body Networks Daten auf tröme durch den menschlichen Körper aufmodulieren z.b. Personal Area Networks (PAN), 1-4 kbit/s (Tom Zimmerman, MIT Media Lab, 1996) Networked urfaces Oberflächen (z.b. chreibtisch) als Übertragungsmedium für darauf abgestellte Geräte (Andy Hopper, University of Cambridge, 2000) Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft HWG 7-9 HWG 7-10 Plug & Play Busse UB (Universal erial Bus) einfache Erweiterbarkeit von Arbeitsplatzrechnern um unterschiedliche Peripheriegeräte bei einfacher Verkabelung Flexibilität im PC-Umfeld: Peripheriegeräte als Appliances Hot Plug & Play: Hinzufügen und Entfernen von Geräten während des Betriebs Dynamisches Zusammenfügen von Appliances einheitliche tecker/kabel, 12 Mbit/s Full peed, 1.5 Mbit/s Low peed für einfache Geräte Anschluß vieler Geräte aber beherrschbare Verkabelung Plug & Play Busse: UB Netztopologie logischer Bus physikalisch Baumstruktur, bis 7 chichten Root Hub: Host-PC als Master Peripheriegeräte sind Blätter im Baum Hubs: Verzweigung im Baum Gerät Upstream Port / Downstream Ports Root-Hub Initialisierung, Numerierung und Gerät Adressierung aller UB-Geräte periodische Abfrage von Übertragungswünschen Appliance-Integration aber PC-zentriert Host Root Hub Gerät Hub Hub Hub Gerät Gerät Gerät... Hub Gerät HWG 7-11 HWG 7-12

Plug & Play Busse: UB Plug & Play Busse Übertragungsarten Paketformat: Zeitrahmen von 1ms, darin verschiedene Pakettypen: Token- Paket zur Addressierung, Datenpakete,... Aufteilung der Bandbreite für verschiedene Übertragungsarten OF Isochrone Daten Interrupt Low peed Control Bulk max. 8.2 Mbit/s mind. 10% bis 9.7 Mbit/s isochron: Reservierung gleichen Zeitschlitzes in aufeinanderfolgenden Rahmen konstante Datenrate für kontinuierliche Medien, z.b. Audio Interrupt: für spontan auftretende Daten (z.b. Tastatureingabe) zur Garantie einer max. Bedienzeit (aber kein fester Zeitschlitz) Low peed: max. 1 Paket im Rahmen für Komm. mit langsamen Geräten Control: Bus-Kontrolle (tatusabfragen, ggf. Einfügen neuer Geräte etc) Bulk: Rest des Zeitrahmens wird für Massendaten (z.b. Drucker) genutzt EOF IEEE 1394 (Firewire) wie bei UB einfache Erweiterbarkeit, Kabel/tecker-Norm, Hot Plug & Play-Unterstützung höhere Datenraten: 100, 200 oder 400 Mbit/s (in Entw.: 4.8 Gbit/s) besondere Eignung für Multimedia-Geräte größere Busausdehnung, Kommunikation über grössere Distanz größere räumliche Verteilung von Geräten: Haus statt chreibtisch/büro Grenze zw. Peripheriebus und LAN wird undeutlicher kein fester Master-Knoten; Bus funktioniert auch ohne PCs (oder auch mit mehreren) nicht notwendigerweise PC-zentriert Unterstützung von Diversifikation / Gerätevielfalt (insbesondere auch Multimedia-Geräte) HWG 7-13 HWG 7-14 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Plug & Play Busse: IEEE 1394 Netztopologie Baum mit beliebiger Verkettung und Verzweigung; keine chleifen pro Bus bis 63 Geräte Kopplung von bis 1023 Bussen über Brücken Kommunikation über bis zu 16 Kabelsegmente (d.h. bis 72m bei Twisted Pair ) elbstkonfiguration: Boot Node wird dynamisch ermittelt (muss kein PC sein) Übertragungsarten isochron: Reservierung von Bandbreite für A/V-tröme asynchron: Benutzerinteraktion, Kontrollinformation Firewire Anwendungen: Home Audio/Video Integration von Consumer Electronics-Geräten im Heimbereich Hifi, VCR, TV, TB, Radio, Telefon, Digitale Kamera,... tandardisierung aufbauend auf IEEE 1394: HAVi Home Audio Video interoperability Konsortium: Grundig, ony,... Zusammenfassung von A/V-Geräten in Cluster Einzelgeräte können andere kontrollieren Kontrolle kann verteilt sein es muß keinen ausgewählten Master geben vgl. Norman s Modell: vernetzte Appliances HWG 7-15 HWG 7-16

Plug & Play Busse: IEEE 1394 HAVi Anwendungsszenarien Intelligentes Plug & Play : neues Gerät erhält Konfigurations-info von vorhandenen z.b. VCR erhält Uhrzeit und Programmeinstellungen von TV Austausch von Kommandos zwischen Geräten z.b. Digitale Kamera wählt TV-Kanal für Videoeingang Austausch von AV-trömen z.b. Umleitung von VCR-Ausgang im Wohnzimmer zum TV im chlafzimmer koordinierte teuerung von Geräten z.b. Internet-Radio: Koordination von RealAudio-Empfang, Ausgabe über Hifi-ystem, Zusatzinfo auf TV-Bildschirm einfache Bedienung von Geräten durch den Anwender z.b. VCR im Wohnzimmer auf TV im chlafzimmer programmieren Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft HWG 7-17 HWG 7-18 IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Infrarot-Datenübertragung Infrarotkommunikation Richtcharakteristik Räume als natürliche Grenzen Bsp: ActiveBadge, ParcTab (ACHTUNG: kein IrDA) aber: Abschattungsprobleme IrDA: Infrared Data Association IrDA DATA: tandard für Punktzu-Punkt Infrarot-Kommunikation kurze Distanz (1m), 30 Kegel für gerichtete Kommunikation Gerät 1 Link-Länge 0-1 m keine exakte Ausrichtung erforderlich Gerät 2 IrDA Anwendung initiale Anwendung: Kommunikation zwischen Host und Peripherie (Drucker, Maus, Tastatur,...) Kabeleliminierung heute tandard in mobilen Rechnern / PDAs / Appliances Point-and-shoot -Anwendungen z.b. von Digitaler Kamera auf den Drucker z.b. von PDA zu PDA: Visitenkarten austauschen Nutzung der Richtcharakteristik zur Auswahl 2000: 170 Mio. Geräte HWG 7-19 HWG 7-20

IrDA Infrarot-Datenübertragung IrDA Physical Layer IrDA Protokollarchitektur IrTran-P LM-IA IrObex IrLAN IrComm IrMC Tiny Transport Protocol Tiny TP Ir Link Management Protocol - MUX - IrLMP Async erial Ir 9600-115.2 Kb/s Ir Link Access Protocol - IrLAP ync erial Ir 0.576 / 1.152 Mb/s ync, 4 PPM 4Mb/s Tiny-TP: Datensegmentierung, Flusskontrolle IrLMP: Multiplexing, mehrere log. Kanäle über eine Verbindung IrLAP: Device Discovery, zuverlässige 1:1-Verbindungen Asynchron mit 2.4-115.2 Kbps basiert auf UART (serielle chnittstelle) RZI-Modulation ( Return-to-Zero Inverted ): Pulskodierung mit Puls für 0 tart Bit tart Bit UART-Rahmen Daten-Bits 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 IR-Rahmen Daten-Bits top Bit top Bit PHY (Physical ignaling Layer): verschiedene Codierungen für Übertragung von 9.6 kbps bis 4 Mbps Pulslänge 3/16 weniger Energie, größerer Pulsabstand tart und top Bits im UART-Rahmen zur ynchronisation HWG 7-21 HWG 7-22 IrDA Physical Layer IrDA Verbindungsaufbau ynchrone Übertragung mit 0.576 / 1.152 Mbps RZI-Pulskodierung, Pulslänge 1/4, d.h. 434ns bzw. 217ns HDLC-ähnlicher Rahmen: 01111110 tart/top-felder, Bit tuffing in den Daten TA TA ADDR DATA FC TO Device Discovery Discovery-Dienste: Request, Indication, Confirm niff-modus: stromsparen, nur alle 2-3 sec. aufwachen und Antwort auf eventuell erfolgten Discovery-Request senden Adresskonflikt: wenn sich Geräte mit gleicher Adresse melden, werden alle aufgefordert, neue Adressen zu wählen ynchrone Übertragung mit 4 Mbps 4PPM-Codierung: Four Pulse Position Modulation Datenbit-Paare werden zusammengefaßt und in 500ms-Periode codiert Aufteilung der Periode in 4 Chips, Codierung durch Pulsposition DBP 4PPM Code 00 1000 01 0100 10 0010 11 0001 HWG 7-23 HWG 7-24

IrDA Datenaustausch IrOBEX: IrDA Protokoll für Austausch von Datenobjekten Netzwerktechnologien für Ubicomp Gerät 1 Application Layer ync. File Transfer vcard, vcalendar binary data... OBEX - ession Layer Tiny-TP - Transport Layer IrLMP - Data Link Layer IrLAP - Link Access Layer IrPHY - Physical Layer Gerät 2 Application Layer ync. File Transfer vcard, vcalendar binary data... OBEX - ession Layer Tiny-TP - Transport Layer IrLMP - Data Link Layer IrLAP - Link Access Layer IrPHY - Physical Layer Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft HWG 7-25 HWG 7-26 Drahtlose Kommunikation Drahtlose Kommunikation Infrarot billig (Transceiver für U$ 1) keine Lizenzen nötig einfache Abschirmung gerichtet point & shoot als IrDA in sehr weit verbreitet in Rechnern und Appliances erfordert freie icht (free line of sight) wird leicht abgeschattet relativ niedrige Bandbreiten Mobilfunk Erfahrungen aus WAN/Telefonie Abdeckung größerer Flächen mit Durchdringung von Wänden nicht gerichtet: Multicast enger Frequenzbereich: heute meist Nutzung des 2,4 GHz lizenzfreien Bandes IM Band: Industrial, cientific, Medical schwierige Abschirmung Interferenzen mit Elektrogeräten Infrastruktur- vs. Ad hoc-netzwerk AP Festnetz AP AP Infrastruktur-Netzwerk AP: Access Points Infrarot-Bsp.: ParcTab Funk-Bsp: typisches 802.11- Netz (WaveLAN) Ad hoc Netzwerk Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite keine Basisstationen Infrarot-Bsp.: IrDA (Punkt-zu-Punkt) Mobilfunk: Bluetooth HWG 7-27 HWG 7-28

Bluetooth Mobilkommunikation Bluetooth Mobilkommunikation Bluetooth Technologie Mobilfunktechnik für ad hoc Vernetzung kurze Reichweiten (10m) universell: prache und Daten primär für portable, persönliche Geräte niedrige Kosten: angestrebter Preis 5 U$ Bluetooth-Modul (2000) kleine Baugröße Bluetooth pecial Interest Group (IG) Februar 1998: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba aktuell über 1800 Firmen ( Bluetooth adopter companies ) Entwicklung der Bluetooth pezifikation als de facto tandard erste Version Juli 1999 über 1500 eiten HW & W Protokollspezifikation Interoperabilität mit anderen tandards, v.a. IEEE 802.15 Warum Bluetooth? Harald Blåtand II: Blauzahn König von Dänemark 940-981 AC brachte Christentum nach kandinavien vereinigte Dänemark und Norwegen Bluetooth Technologie Ursprung in kandinavien Vereiningung multinationaler Konzerne HWG 7-29 HWG 7-30 Bluetooth Mobilkommunikation Bluetooth Anwendungen Wesentliche Merkmale IM-Band, 2.4 GHz: lizenzfrei in fast allen Ländern 79 Kanäle im Bereich 2,402 bis 2,480 GHz, je 1 MHz breit frequency hopping : 1600 hops / s (d.h. Frequenzwechsel alle 625 µs) ca. 1 mw Übertragungsleistung 1 Mb/s auf dem Medium Datenrate 432 kbit/s (full duplex) oder 723/57 kbit/s (asymmetrisch) imultan prache ( synchron ) und Daten ( asynchron ) icherheitskonzepte Authentisierung, Verschlüsselung auf Verbindungsebene Flexible Netzwerktopologie ad-hoc Netze ohne vorbestimmten Master HWG 7-31 Landline Universeller Zugang zu Daten/prache Persönliche Ad-hoc Netze Kabelersatz HWG 7-32

Kabelersatz Mobiltelefone Miniaturisierung, kein Platz für Kabelanschlüsse Verkabelung schränkt Mobilität/Flexibilität ein PC-Umfeld drahtlose Anbindung von Maus und Tastatur ohne Abschattungsprobleme Verbindung mobiler Geräte zum Drucker flexible Verbindung zu PDAs und Modems Drahtloses Headset Zugang zu verschiedenen Geräten: Telefon, PC, MP3 Player, Home Audio,... Erste Produkte: Handy, Headset (Ende 2000?) Persönliche Ad-hoc Netze Drahtloser Transfer von Dokumenten ynchronisation verschiedener persönlicher Geräte (PC, Laptop, Organizer,...) Einfaches haring von Geräten wie Video beamer und Drucker HWG 7-33 HWG 7-34 Persönliche Ad-hoc Netze ynchronisation Abgleich von Information auf verschiedenen persönlichen Geräten (PC, Laptop, PDA, Handy,...) Kalendar, Telefonbuch, Adressen, Emails, To-Do List,... ynchronisation on demand spontane ynchronisation, wenn Geräte in Reichweite kommen Universeller Zugang Lösung für die letzten Meter durchgängiger Zugang zu globalen Daten-/prach- Infrastrukturen Heimbereich: mobile Verlängerung der Zugangsnetze zum Internet unterwegs: über mobile Internet-Appliances weitere Geräte anbinden PTN, IDN, LAN, WAN, xdl HWG 7-35 HWG 7-36

Universeller Zugang Universeller Zugang Internet Bridge Bluetooth-Telefone als ubiquitäre Gateways z.b. Telefon im Hotelzimmer In Kombination mit Mobiltelefon kann jede Appliance zu einer Internet-Appliance werden Beispiel: Internet-Kamera Instant Photo Messaging, Persönliche Postkarte mobile Arbeitswelt: direkte Kommunikation von Bildern vor Ort: Umweltbereich, Journalismus, Notfallmedizin, technische Wartung,... Three-in-One Phone Universeller Zugang zu prachdiensten 1. chnurloses Telefon im Haus Bluetooth-Verbindung zum Telefon-Festnetzzugang 2. Mobiltelefon im Außenbereich, z.b. GM 3. Walkie-talkie Kommunikation mit Telefonen in der Nähe direkte Bluetooth-Verbindung kurze Reichweiten Bluetooth GM UMT 2 3 1 HWG 7-37 HWG 7-38 Hidden Computing Bluetooth Architektur Briefcase Trick Kommunikation mit Geräten in der Nähe, die unsichtbar sind TCP/IP Applications RFCOMM Anwendungsunterstützung z.b. Notebook versteckt in Aktentasche sendet Header eingehender Emails auf persönliches Display (z.b. in itzungen) Mobiltelefon in der Jackentasche als unsichtbares Modem für den PDA viele Anwendungen... automatische Identifizierung und Authentisierung Personalisierung von Geräten in der Umgebung Bluetooth Handset Bluetooth Headset Bluetooth Bluetooth Notebook in Aktentasche UMT/ Internet Data L2CAP Audio Link Manager Baseband RF Control L2CAP: logische Verbindungen, Protokollanpassung Link Management: Verwaltung von Piconetzen Baseband: Auffinden von Geräten, ynchronisation, Fehlerbehandlung RF-chicht: physikalische Übertragung HWG 7-39 HWG 7-40

Physikalische chicht Frequency Hopping Bluetooth RF Radio Layer preizspektrumverfahren: Frequency Hopping pread pectrum (FH) 79 Frequenzbänder, 1 MHz breit: 2402 + k MHz (k=0,..,78) 2,480 GHz Pseudozufällige Frequenzfolgen für jede Bluetooth-Zelle wird oberhalb der RF-chicht im Baseband bestimmt törfrequenzen wird automatisch wieder ausgewichen, Kollisionen lösen sich bei nächstem Hop auf frequency spectrum 2.402 2.480 Frequenzmodulation GFK: Gaussian frequency shift keying Frequency Hopping: 1600 Frequenzwechsel pro ekunde Einfluß von törfrequenzen minimieren (Elektrogeräte, andere Bluetooth-Links,...) freq freq 2,402 GHz 625 µs Kollision t Paket-endewiederholung bei Prüfsummenfehler und NAK Beitrag zur icherheit: nur Empfänger kennt richtige Hop-equenz HWG 7-41 HWG 7-42 Verbindungsschicht Bluetooth-Verbindungen L2CAP Baseband Layer: Master-lave Audio Punkt-zu-Punkt Link Manager Link Manager: Management von Bluetooth Piconet-Zellen Baseband (ein Master, mehrere laves) RF Baseband Auffinden anderer Geräte ynchronisation zwischen ender und Empfänger Paketformat, Verbindungsarten synchron/asynchron Fehlerbehandlung, endewiederholung Link Manager Authentisierung und Verschlüsselung Piconet-Management: ignalisierung zwischen Link Managern zum Zustand von Geräten, Power modes usw. HWG 7-43 Netzwerktopologie Piconet: Kommunikationskanal für mehrere Geräte Geräte teilen sich einen Kanal, definiert durch gemeinsame Hop- equenz: all devices in a piconet hop together Ein Master, simultan verbunden mit bis zu 7 laves weitere laves (insgesamt 255) können im Piconet geparkt sein andere Geräte im endebereich im tand-by Zustand: nicht verbunden Master/lave-Rollen sind dynamisch und implizieren keine Privilegien Verbindungsaufbau Master verteilt Takt u. Geräte-ID zur Bestimmung der Hop-equenz Kommunikation Punkt-zu-Punkt Master-lave Multicast vom Master an alle laves nicht direkt slave-to-slave P P piconet proximity sphere M HWG 7-44 sb

Netzwerktopologie ynchronisation und Adressierung catternet: Verbindung von Piconets 2-10 Piconets können ein catternet bilden keine gemeinsame Hop-Frequenz Verbindung über Knoten, die zwischen Piconets hin- und herspringen Optimierung von Bandbreite/Volumen Piconet-Kapazität: 1 Mb/s 10 Piconets im gleichen endebereich: aggregierte Bandbreite bis ~10 Mb/s Datenrate nimmt bei 10 Piconets nur leicht ab (~10%) bis zu 80 aktive Geräte auf engem Raum P sb sb P M P M IDb IDa A B IDe IDc IDd E D C IDa IDb IDa M Adressierung im Piconetz Active Member Address (AMA, 3-bits) für aktive Geräte 1..7 für Adressierung einzelner laves, 0 für Broadcast an alle laves Parked Member Address (PMA, 8-bits) für geparkte laves, d.h. Geräte die synchronisiert sind aber keine Datenpakete verarbeiten IDe IDa IDc sb IDa IDd P ynchronisation Jedes Bluetooth-Gerät hat 48bit Geräte-Adresse/ID (komp. zu IEEE 802 MAC) ynchronisation: Master verteilt ID und Takt Master-ID bestimmt Hop-equenz, Takt bestimmt Hop-Phase HWG 7-45 HWG 7-46 Baseband Verbindungszustände Baseband Kommunikation Unconnected (low power) Connecting states Connected (full or reduced power) Detach Low power connected states Inquiry niff AMA T typical= 2ms Park PMA tandby T typical=2s Active AMA Releases AMA Address tandby: nicht Teil des Piconet, d.h. nicht aufsynchronisiert Page: Master lädt Geräte in sein Piconetz ein; Verteilung von ID/Takt Page auf besonderer Hop-equenz; antwortende laves erhalten AMA T typical=0.6s Active: listening for data packets ; bei niff nicht durchgehend aber periodisch T typical=2 ms Hold AMA Inquiry: Potentieller Master sucht Geräte in der Nähe Hold: noch synchronisiert aber nicht mehr mithörend; bei Park auch Freigabe der AMA HWG 7-47 Paketorientierte Kommunikation Pakete füllen die 625 µs-lots (nach jedem Paket Frequency Hop) Master und laves nutzen lots abwechselnd, laves dürfen nur ungerade lots nutzen Außer Datenpakete auch Kontrollpakete für Inquiry und Page, NULL- Antwort von laves, POLL-Anfrage von Master Verbindungsarten CO: ynchronous connection-oriented leitungsvermittelt : Zuweisung periodischer Paket-lots symmetrisch 64 kb/s Vollduplex prache ACL: Asynchronous connection-less paketvermittelt mit ACK, variable Paketgrößen (1-5 lots) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 CO master slave ACL HWG 7-48

Baseband Kommunikation Beispiel für Baseband-Verbindungen CO: nutzt reservierte lots ACL: wird in verbleibenden lots abgewickelt Master lave 1 lave 2 CO ACL CO ACL CO CO ACL Baseband Paketformat 72b 54b 0-2745b access code header payload Access code identifiziert alle Pakete eines Piconet Header (3mal wiederholt) 3 bit Active Member Address 4 bit Pakettyp: CO, ACL, Anzahl der lots,... 3 bit für Flußkontrolle (top/go-flag, ACK/NAK-Flag, Odd/Even) 8 bit Header-Prüfsumme HWG 7-49 HWG 7-50 Link Layer Control & Adaptation Host Controller Interface chnittstelle zu Anwendungsprotokollen verbindungsorientierte und verbindungslose Datendienste Protokoll-Multiplexing... Paketsegmentierung Dienstgüte für Verbindungen Protokollanpassung oberhalb vom Baseband Master-lave Rollen werden vor höheren chichten verborgen höhere chichten verwenden bauen stattdessen auf Peer-to- Peer Kommunikation auf Audio TCP/IP RFCOMM... L2CAP Baseband Link Manager HWG 7-51 chnittstelle zwischen Bluetooth-Modul und Host-Gerät tandard-chnittstelle, z.b. UB zwischen höheren Protokollschichten (auf dem Host-Prozessor implementiert) und unteren chichten (auf Bluetooth-Modul) Applications TCP/IP RFCOMM... L2CAP HCI Driver Host Controller Interface Link Manager Baseband RF Higher protocol layers on the host processor of the Bluetooth device Physical interface (i.e., UB, R-232, UART) passes traffic and control signals Lower protocol layers on the Bluetooth module HWG 7-52

Bluetooth Zusammenfassung not just another wireless communication system Erschließung neuer Anwendungsbereiche: kabellos, hohe Gerätedichte, hohe Kapazität/Raum persönliche ad hoc Netze, letzter Meter für universellen Zugang, hidden computing nicht nur RF sondern umfassende Protokollarchitektur viel Hype, aber noch große Realisierungsprobleme sehr komplexe pezifikation Energieeffizienz und Interoperabilität Bluetooth- Module Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft z.b. 3-Chip-Modul CPU + Link-Controller + Baseband Protocol Flash Memory HF Radio Ziel: Integration in einem Chip, 9x9 mm HWG 7-53 HWG 7-54 Powerline Communication Nutzung vorhandener Infrastruktur vorhandene Verkabelung als Leiter, teckdosen als Zugangspunkte Integration praktische aller nicht-mobilen Geräte im Haus Heimautomatisierung, Fernwartung,... Daten-/prachdienste? Frequenzmodulation Daten als hochfrequentes ignal auf 50/60 Hz-Wechselstrom begrenztes pektrum: in Europa 4 Bänder zwischen 10-150 khz, teilweise reserviert für Energieversorgungsunternehmen töranfällig: Elektrogeräte, Babyphones, Intercomms erzeugen hochfrequente törungen auf der tromleitung Leitungseigenschaften: ignale werden mit zunehmender Entfernung schwächer Powerline Communication Übertragungsverfahren ingle Carrier Narrow Band: nur eine Trägerfrequenz einfach, aber besonders störanfällig Bsp. X-10: nutzt 120 khz-band für Übertragung von teuerungsinformation (Datenraten ~100 bit/s!) pread pectrum (vgl. Mobilfunk) resistenter gegen törungen, aber erfordert mehr Bandbreite (insbesondere in Europe wenig pielraum!) Bsp. CEBus-ignale in UA gespreizt über 100-400 khz mit 10 kb/s Datenrate; in Europa über 20-80 khz mit 2kb/s Multiple Carrier Narrow Band: mehrere schmalbandige Träger, Wechsel bei törung Bsp. Echelon: dual-carrier 132 und 115 khz, ~5.4 kb/s HWG 7-55 HWG 7-56

Powerline Communication 1980: X-10 tandard für Übertragung von teuerungsinformation im Heimbereich einfache teuerung von Beleuchtung und Verbrauchern sehr einfache Frequenzmodulation: 120 khz wird jeweils nach Nulldurchgang im Wechselstrom für 1ms aufmoduliert X-10 Geräte werden über ystem-id (3bit) und Geräte-ID (4bit) adressiert; Übertragung von Codes für einfache Funktionen (4bit): AN, AU, DIM,... Aktuelle Forschung Internet aus der teckdose : zahlreiche Feldversuche der EVUs PLC als Zugangstechnologie zwischen Ortsnetztrafo und Netzabschluß im Haus (nicht für Inhouse-Kommunikation) Netzwerktechnologien für Ubicomp Einführung und Übersicht Plug&Play-Busse IrDA Infrarot-Datenübertragung BlueTooth Mobilkommunikation Powerline Communication (PLC) Übertragungssysteme der Zukunft HWG 7-57 HWG 7-58 Intra-Body Kommunikation Intra-Body Kommunikation Zimmerman s Personal Area Network Tom Zimmerman, MIT MediaLab 1996 Übertragung von Daten durch den menschlichen Körper Visitenkarte beim Händeschütteln übertragen - tröme im na-bereich - Datenrate: einige kb/s Vorteile berührungskontrollierte Verbindung energieeffizient Kopplung virtuelle/reale Welt Anwendungen Datenaufnahme durch Berührung Verbindung zwischen Mensch und Werkzeug bei mobiler Arbeit Historie der Interaktion mit Dingen z.b. automatisches lückenloses Protokoll für Laborexperimente: (automatische) Reproduzierbarkeit Personalisierung von Geräten sobald sie in die Hand genommen werden z.b. hared Appliances in Arbeitsgruppen Quelle: Portalano-Projekt University of Washington HWG 7-59 HWG 7-60

Networked urfaces Networked urfaces Oberflächen als Übertragunsgmedium Projekt an der University of Cambridge http://www-lce.eng.cam.ac.uk/ z.b. chreibtischoberfläche zur Vernetzung darauf abgestellter Geräte Kabeleliminierung PC + Peripherie ynchronisation mitgebrachter mobiler Geräte tromversorgung abgestelleter Geräte Physikalische Verbindung Aufbau der Oberfläche aus Kacheln Runde Kontaktfläche als universelle chnittstelle am Gerät Wahl der Geometrie sichert erforderliche Anzahl von Pins urface Manager (keeps track of objects, allocates resources, controls tiles) To other networks F U N C T I O N B U E T I L E C O N T R O L B U Tile Controller Tile Controller Data Traffic Handshaking Object Controller Object e.g. Palm Pilot Computer Keyboard Mobile phone etc Quelle: F. Hoffmann, J. cott LCE Group, U of Cambridge HWG 7-61 HWG 7-62 Networked urfaces urface Pads Power for Tile Controllers Function Busses Tile Control Bus PCI Interface to PC acting as urface Manager Tile Controller Object Pads Object Controller HWG 7-63