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Lehrstuhl Netzarchitekturen und NetzdiensteInstitut für InformatikTechnische Universität München
Kommunikationsstandards in wireless sensor networks
Hauptseminar Innovative InternetTechnologien
und MobilkommunikationWintersemester 08/09
Lukas Tillmann
Kommunikationsstandards in wireless sensor networks 2
Ablauf
• Grundlagen und Begriffsklärung
• Standards in wireless sensor networks• Bluetooth• ZigBee• 6LoWPAN
• Vergleich der vorgestellten Standards
• Ausblick
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Grundlagen und Begriffsklärung
• Wireless sensor network: – Rechnernetz – Sensorknoten– Funkkommunikation– Adhoc oder Infrastrukturbasiert
• Personal Area Network (PAN)– Netz von Kleingeräten (Mobiltelefone, Drucker, PDAs)– Geringe Reichweite
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Bluetooth Grundlagen/Übertragung
• Arbeitet auf dem 2,4 GHzISMBand (2402 – 2480 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
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Bluetooth – Frequency Hopping
• 2,4 GHz Band in 79 Kanäle mit je 1 MHz Bandbreite geteilt
• Fast Frequency Hopping:– Sender und Empfänger haben gemeinsame 79stellige Hopping
Sequenz– Wechselt alle 625 µs (1600 mal/Sekunde)
→ Falls Kollision auf einer Frequenz auftritt wird sie mit dem nächsten Kanalwechsel garantiert wieder aufgehoben.
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Bluetooth – Piconet• Motivation: Aufbau eines Adhoc Netzwerks für Unicast und
Multicast Verbindungen
• PiconetMonoSlaveModus– Initiator der Verbindung übernimmt Rolle des Master– Kommunikationspartner ist Slave
• PiconetMultiSlaveModus– 1 Master, bis zu 7 aktive Slaves – Zusätzlich passive Slaves (ParkModus), bis zu 255
Gesamtteilnehmer– Keine direkte Verbindung zwischen Slaves möglich; Verbindung nur
über Master
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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.
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Bluetooth Scatternet
Quelle: T. Olzak, „Secure your Bluetooth wireless networks“, ZDNet Asia, Dezember 2006
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Bluetooth Betriebsmodus
• InquiryModus– IDPaket wird auf 32 Frequenzen gesendet/erwartet– Erster Paketerhalt führt zur Einordnung als Slave
• PageModus– Regelmäßiges IDPaket wird vom Master zu allen Slaves der Reihe
nach gesendet und Antwort erwartet– Ziel: Zeitliche Synchronisation, Erhalt der AM_address (Active
Member Address)
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Bluetooth Verbindungstypen
• Synchronous ConnectionOriented (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 ConnectionLess (ACL)– Multicast zwischen einem Master und allen Slaves – Broadcast möglich– Wiederholte Sendung bei Paketverlust
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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 HammingCode• 1Bit Fehler können korrigiert werden; 2Bit Fehler werden erkannt
• Automatic Repeat Request (ARQ)• Checksummenüberprüfung um Fehler festzustellen• Automatische Anforderung zur wiederholten Sendung bei Fehler
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Bluetooth Stromsparen
• ActiveModus– ACL und SCO Verbindungen finden normal statt
• ParkModus– Aktuell keine Kommunikation notwendig, lediglich IDPakete werden
erwartet– Gerät gibt seine AM_address auf und erhält eine 8Bit PM_address
(Park Member Address)
• SniffModus– Verlängerung der Antwortzeiten auf IDPakete
• HoldModus– Nur SCO Verbindungen finden statt, ACL
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ZigBee
IEEE 802.15.4
• Energiemanagement im Vordergrund → lange Ruhephasen
• Bis zu 254 Knoten bilden ein Netz
• Sendefrequenzen (Bitübertragung)– 868 868.6 Mhz 1 Kanal– 902 928 Mhz 10 Kanäle– 2400 2483.5 Mhz 16 Kanäle
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ZigBee – IEEE 802.15.4 Netztopologien
• Star Topologie– Alle Knoten direkt mit Koordinator verbunden
• PeertoPeer Topologie– Jeder Knoten ist miteinander verbunden– Voraussetzung: Alle Knoten sind FFDs
• Cluster Tree Topologie– Baumstruktur– Blätter RFDs– Knoten FFDs
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ZigBee – IEEE 802.15.4 – Netztopologien
Quelle: P. Kinney, „ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works“, zigbee.org, Oktober 2003
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ZigBee – IEEE 802.15.4 – 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• NonBeacon 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
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ZigBee – IEEE 802.15.4 – MAC Layer
• Wiederholter Datenaustausch– Einsatz bei denen Reaktionszeit wichtig ist– Realisiert mittels Guaranteed Time Slots (GTS) innerhalb eines
Superframes
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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: 802.15.4 definiert noch
kein Routing)
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ZigBee – Verbindungsaufbau
Verbindungsaufbau:– Energy Detect Scan: Messung der Signalstärke durch den
Koordinator – ActiveScan des Koordinators: Jedes Gerät wird mittels
Beacon_Request aufgefordert dem Koordinator zu antworten– ActiveScan der FFD: Koordinator wird aufgefordert sich bei dem
FFD zu melden– PassiveScan: Kanäle werden nach Beacons abgehört
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6LoWPAN
6LoWPAN(IPv6 Low Power Wireless Premise Area Networks
• Motivation– Vorhandenen IPv6 Standard nutzen– Geringe Datenraten– Wenig Energiebedarf– IEEE 802.15.4 mit IPv6 verbinden
• Vorteile– Keine Konfigurationsserver notwendig (DHCP/NAT) durch
IPv6 Techniken Zero Configuration und Neighbor Discovery– Bereits vorhandene Tools und KnowHow für Konfiguration,
Verwaltung und Debugging von IPv6– Unterstützung IP basierter Protokolle wie ICMP, UDP und
TCP
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6LoWPAN
• Verbindung von 802.15.4, Ethernet und WiFi Netzen
• Anpassung der Headergröße von IPv6 (127 byte MTU von IEEE802.15.4)
• Kompression der 40 Byte Header von Ipv6 Paketen in 4 Byte Header
• 64 Bit IEEE Adressen 16 Bit short →Adressen
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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: Adhoc Netze
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Vergleich von ZigBee und 6LoWPAN
Quelle: G. Mulligan, „The 6LoWPAN Architecture“, IETF
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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)
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Danke für die Aufmerksamkeit!
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Quellen
• http://www.allaboutsecurity.de/securityartikel/endpointsicherheit/mobilecomputingundpdas/artikel/282bluetoothdiegrundlagen/
• http://www.tutorialreports.com/wireless/zigbee/tutorial.php
• http://www.cs.berkeley.edu/~jwhui/6lowpan/Arch_Rock_Whitepaper_IP6LoWPAN_Overview.pdf
• G. Mulligan, „The 6LoWPAN Architecture“, IETF