Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien ... · Grundlagen Modulation Digitale...

Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS06/07

Michael BeiglTU BraunschweigInstitute of Operating Systemsand Computer Networkswww.ibr.cs.tu-bs.de/dus

Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 1-2

ÜbersichtVorlesung Ubicomp

Geräte und UmgebungenCommunication

GrundlagenKabelgebundene KommunikationKabellose KommunikationKommunikation SensorknotenMiddleware

ContextHCI

Grundlagen


Kommunikation für UbicompAnforderungen

AnwendungsbezugInformation Appliances

EinfachheitVielseitigkeitVergnüglichkeit

Bedienbarkeit, Energieverbrauch, AdministrationUsability-Bezug

Mache nutzbare Eigenschaften sichtbarBenutze natürliche Assoziationen zur VerdeutlichungGib FeedbackAffordances!


Kommunikation für UbicompAnforderungen

AnwendungsbezugInformation Appliances

EinfachheitVielseitigkeitVergnüglichkeit

Bedienbarkeit, Energieverbrauch, AdministrationUsability-Bezug

Mache nutzbare Eigenschaften sichtbarBenutze natürliche Assoziationen zur VerdeutlichungGib FeedbackAffordances!

SteckerdesignStrom/Steckdose

LEDs


Kommunikation für Ubicomp

Charakteristika gegenüber WLAN, Ethernet etc.Netzwerktypen: oft verschiedene durch breiten Anwendungsbereich

Multimedia / Information, Echtzeit, KontextAd-Hoc Ausprägung: Spontanes Hinzukommen/Verlassen, keine/einmalige Administration, auf allen SchichtenKommunikationsmodel: anwendungsorientiert (Peer-to-Peer) dienstorientiert (Client-Server)Medien: oft mobil und kabellos, für Haustechnik und Multimedia auch kabelgebundenDurchsatz, Latenz-, Einbuchzeiten: Multimedia: hoher Durchsatz, längeres Einbuchen, Kontext: niedriger Durchsatz, kurzes Einb.Energie und Preis: Oft energiesparend und preiswertRouting-Fähigkeiten: Netzwerk-Routing oder Application LayerBridges



Ausprägungkleine Zellen, Personal Area NetworksLokalität als Gewinn, Nutzung von LokationsinformationPreiswert durch preiswerte Gerättechnologie... und durch verringerten Kabelaufwand:z.B. Nutzung vorhandener Infrastruktur: Telephonkabel, Stromkabel... Und durch best-effort Verkabelung: Kabelgebundene Grobverkabelung sowie kabelloser letzter MeterAnwendungs- statt technikorientiertAber oft rauere Umgebung!



WeitverkehrsnetzeGSM, DECT, UMTS, ... siehe Vorlesung Mobilkommunikation

Kabelgebundene NetzwerkeInsbesondere zur Unterstützung von Multimedia-AppliancesPeripherie: USB, FirewirePower Line (PLC) / Phone LineHausbussysteme: EIB, CEBus, BACNet, LONWorks

Kabellose Netzwerke (Wireless Personal Area NetworksWPAN)Kabelersatz für Zusatz-, Peripheriegeräte: Bluetooth, IrDA

Forschung

Kontextnetzwerke: SmartDust, SPOTBody-Netzwerke


Kommunikation für UbicompEin paar GrundlagenCodierung

wichtig, hier insbesondere von digitalen Signalen, weilviel Energie für Kodierung verwendet wirdKodierung für Übertragungseigenschaften mitverantwortlich▫ Geschwindigkeit▫ Fehlerrate▫ Eignung für Echtzeitübertragung / QoS

CodierungsmöglichkeitAnalog, z.B. Transfer eines Audiosignals auf einen anderen FrequenzbereichDigital: Codierung des Signals in eine Wellenform in einem Frequenzbereich

Simpler Ansatz Digital: Lege Spannung an für 1, keine Spannung für 0Problem: Signalverlauf wird von Umgebung beeinflusst:

In Leitungen Widerstand, Kapazität, Induktivität, Einstreuung von anderen Signalen, ReflektionIn Funk durch Reflektion, Störungen (natürliche, artifizielle), Antenne..Bei Licht durch Reflektion, Störungen, Sichtbereich, ..


Kommunikation für UbicompGrundlagen Modulation

Digitale gegen Analoge SignalübertragungDie Wirklichkeit ist analog, Medien übertragen digitale Signale schlechtKurze Kabel noch halbwegs gut, andere Medien so gut wie nichtKodieren des Digitalen auf analoge Signale:MODEM (Modulator, Demodulator)

Beispiel: AmplitudenmoduladionAmplitude der Welle repräsentiertBit


Kommunikation für UbicompGrundlagen Modulation

FrequenzmodulationFrequenz der Welle wird aufgrund Bitwert geändert

Phasenmodulation (Phase Shift Key, PSK) Phase der WelleOft auch Kombination mit ASKResistent gegen Rauschen, daher oft Funk, PowerlineWavelan, DBPSK (Differential binary phase shift key ), DQPSK

Modulierte Trägerwelle

Daten

Referenzsignal


Kommunikation für UbicompGrundlagen Multiplex, Signal

MultiplexZeit (TDMA), Frequenz (FDMA), Raum (SDMA), Code (CDMA)

ShannonMaximumBitRate = Bandwidth*log2(1+SNR)

SNR ist der Signal zu Rauschen (Signal to Noise) Abstand(Ratio)SNR = Durchschnittliche Signalstärke

Durchschnittliche RauschstärkeSelbst schlechte Leitungen (analoges Telefon) haben SNR von 10,000 (40dB)


ÜbersichtVorlesung Ubicomp

Geräte und UmgebungenCommunication

GrundlagenKabelgebundene KommunikationKabellose KommunikationKommunikation SensorknotenMiddleware

ContextHCI

KabelgebundenMultimedia-Kommunikation


Multimedia-Busse

USB (Universal Serial Bus)Erweiterung des PC um Multimediageräte und Multimodale EingabeDynamische Ad-Hoc Erweiterung um (Multimedia) Appliances wie KameraEinfache Handhabung durch Software und Hardware Plugand Play, einheitliche Steckernorm, klares Bedienkonzept12 Mbit/s, 1.5 Mbit/s Low Speed für einfache Geräte (USB1.x), 480 MB USB 2.0Unterschied zwischen Gerätetypen wird von USB beherrscht: sehr einfach und preiswert für simple Geräte (<1$), aber auch hohe Multimedia-Anforderungen möglichhoher Durchsatz, aber durch Software PnP längere Latenz bis zum ersten DatenaustauschStromversorgung über Kabel


Plug & Play Busse: USB

Netztopologielogischer Bus (neu: USB-on-the-go: eingeschränktes Peer-to-Peer)physikalisch Baumstruktur, bis 7 Schichten,127 Geräte

Root Hub: Host-PC als MasterPeripheriegeräte sind Blätter im BaumHubs: Verzweigung im Baum Upstream Port / Downstream Ports

Root-HubInitialisierung, Numerierung und Adressierung aller USB-Geräteperiodische Abfrage von Übertragungswünschen

Singulärer Schwachpunkt, Verkabelung erfordert Verständnis!

HostRoot Hub

Gerät

Gerät

HubGerät

Gerät

Hub

Hub Hub

Gerät Gerät Gerät ...


Plug & Play Busse: USB

ÜbertragungsartenPaketformat: Zeitrahmen von 1ms, darin verschiedene Pakettypen (PID): Token-Paket zur Addressierung, Datenpakete,...NRZI Kodierung (sehr einfach!), in USB2.0 ist Frame in 8 Microframes a 125µs aufgeteilt)

• 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 Speed: max. 1 Paket im Rahmen für Komm. mit langsamen Geräten• Control: Bus-Kontrolle (Statusabfragen, ggf. Einfügen neuer Geräte etc)• Bulk: Rest des Zeitrahmens wird für Massendaten (z.B. Drucker) genutzt

Breite Unterstützung Multimedia, Info, Kontext (Events) und diverser Geräte, Dienstorientiertes Konzept


Plug & Play Busse

IEEE 1394/b (Firewire)einfache Erweiterbarkeit, Kabel/Stecker-Norm, Hardware und Software Plug & PlayStromversorgung über Bushohe Datenraten: 100, 200, 400, 800Mbit/s bei Abständen zwischen Geräten von 4.5 Metern, 1394b: bis zu 3.2 Gbit/s bei 100 Meterbis zu 60000 Geräte maximalTypischer Home-Entertainment-Bus mit weit verstreuten, unabhängigen A/V und Multimedia-GerätenPeer-to-Peer Konzept: kein fester Master-Knoten, Bus funktioniert auch ohne PCs, dadurch einfacher und spontaner nutzbarVor allem für Multimedia und Information, Preis ca. 2$


Plug & Play Busse: IEEE 1394

NetztopologieBaum mit beliebiger Verkettung und Verzweigung; keine Schleifenpro Bus bis 63 GeräteKopplung von bis 1023 Bussen über BrückenKommunikation über bis zu 16 Kabelsegmente (d.h. bis 72m bei Twisted Pair )Fehlerunanfällig, da Topologie bei jedem Bus-Reset neu ermittelt wird, aber Verkabelung erfordert Verständnis


Plug & Play Busse: IEEE 1394

Übertragungsartenisochron: Reservierung von Bandbreite für A/V-Ströme, 125 µs Zeitschlitze erlauben Echtzeitverhaltenasynchron: gesicherte Übertragung von InformationData-Strobe Encoding (XOR Clock) für höhere Störungstoleranz

Firewire Anwendungen: Home Audio/VideoIntegration von Consumer Electronics-Geräten im Heimbereich

Hifi, VCR, TV, STB, Radio, Telefon, Digitale Kamera, ...Standardisierung aufbauend auf IEEE 1394: HAVi

Home Audio Video InteroperabilityKonsortium: Apple, Sony, ...

Zusammenfassung von A/V-Geräten in ClusterEinzelgeräte können andere kontrollierenKontrolle kann verteilt sein es muss keinen ausgewählten Master geben

Data

Strobe

Result. Clock

KabelgebundenHausbus


EIB

CharakteristikOptimiert für Gebäudesensorik und AktuatorenDefiniert vor allem Schicht 1,2 und Anwendung, auch 3+4Bis zu ca. 60k Geräte adressierbarAusdehnung von 1000 Metern ohne Gateway/RouterKein Bus notwendig: Linie, Stern, Baum, Schleife oder Kombination möglich, möglich durch hohe Impulsspannungenelektrisch ad-hoc hinzufügen möglich, aber die Zuordnung zu Adresse, Gruppe muss per Hand vorgenommen werdengeringe Bandbreite, aber auch nur kleine PaketePeer-to-Peer Ansatz praktisch wartungsfrei, keine Zentrale notwendigAnpassung des Netzwerks auf die Anwendung

Multicast-Adressen (Gruppenadressierung)logische bzw. physikalische Gruppierung von Geräten analog Gebäudelayout


EIB

MedienZweidrahtleitung - 9’600 bit/s (CSMA/CA), robuste aber langsame Codierung:1=Power, 0=Änderung in PowerPowerline - 1’200-2’400 bit/sFunk - 19’200 bit/sInternet-Schnittstellen und Gateway-Lösungen (Anubis)

NutzungErgänzung durch z.B. BACNet als Interoperabilitätslösung und für Anwendungen

EIB Tool Software ETS zur Installation und Administration

Relativ teuer: ca. 90 Euro für Schalter

Quelle:www.merten.de

Quelle:www.eiba.com


Sonstige Hausnetzwerke

BACnet: building automation and control networkEreignisse, Alarm, Steuerung, DatenaustauschNetzwerk & Appl. LayerStandard-Objekte: Ein-/Ausgabeobjekte (Binär, Analog...), Werteobjekte, Kalender, Kommando, File, Programm, Schedule, Gruppe, Event, GerätObjektbeschreibung: Name, Type, Wert, Status,...

LonWorks / ...Talkvon EchelonLonTalk Protokoll implementiert Schicht 1-7Shared Variablen / Verteiltes Betriebssystem

CEBus (Consumer Electronic Bus)v.a. USA, „Konkurrenz“ und ähnlich EIBfür Power-Line Netze entwickelt, definiert Schicht 1&2

KabelgebundenPowerline


Powerline Communication

Nutzung vorhandener Infrastrukturvorhandene Verkabelung als Leiter, Steckdosen als ZugangspunkteVereinfachung der Handhabung durch bekannte Steckernorm/benutzungIm Haus: Integration praktische aller nicht-mobilen GeräteDrei Anwendungsbereiche: 1=Backbone-Provider2=Hausanbindung, 3=In-HouseHeimautomatisierung, Fernwartung, Daten-/Sprachdienste

FrequenzmodulationDaten als hochfrequentes Signal auf 50/60 Hz-Wechselstrombegrenztes Spektrum: in Europa 4 Bänder zwischen 10-150 kHz, teilweise reserviert für Energieversorgungsunternehmen, keine neue RegTP, aber Änderungsbestrebung in Europastöranfällig: Elektrogeräte, Babyphones, Intercomms erzeugen hochfrequente Störungen auf der StromleitungLeitungseigenschaften: Signale werden mit zunehmender Entfernung schwächer

1 2

3



ÜbertragungsverfahrenSingle Carrier Narrow Band: nur eine Trägerfrequenz

einfach, aber besonders störanfälligBsp. X-10: nutzt 120 kHz-Band für Übertragung von Steuerungsinformation (Datenraten ~100 bit/s !)

Spread Spectrum (vgl. Mobilfunk)resistenter gegen Störungen, aber erfordert mehr Bandbreite (insbesondere in Europe wenig Spielraum!)Bsp. CEBus-Signale in USA 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 StörungBsp. LON: dual-carrier 132 und 115 kHz, ~5.4 kb/s



1980: X-10 Standardfür Übertragung von Steuerungsinformation im Heimbereicheinfache Steuerung von Beleuchtung und Verbrauchern, sehr fehleranfälligsehr einfache Frequenzmodulation: 120 kHz wird jeweils nach Nulldurchgang im Wechselstrom für 1ms aufmoduliertX-10 Geräte werden über System-ID (3bit) und Geräte-ID (4bit) adressiert; Übertragung von Codes für einfache Funktionen (4bit): AN, AUS, DIM,...

Aktuelle Entwicklungen„Internet aus der Steckdose“: zahlreiche Feldversuche der EVUsMehrere Mbit/s (100+), aber keine garantierte BandbreiteDatenübertragung im Haus stark von Umgebung abhängig

Aufteilung der PhasenVerteilung / Anzahl VerbraucherVerkabelungGeräte



HomePlug 1.0

HomePlug.org: 3Com, AMD, Cisco, Intel, TI, Motorola....14 Mbit/s, benutzt keine Bänder die auch von X-10, CEBus, LonWorks verwendet werden, sondern 4,3-21 MHzÜbertragungsprobleme behandelt

Impulsstörer Fehlerkorrektur (Forward Error Correction)Frequenzabhängige Störer Adaptionsphase und Auswahl der besten Frequenzen sowie Codierung auf BandGeht immer noch nicht ROBO Modus sendet auf allen Bändern mit DBPSK

Codierung: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)Aufteilung des Datenstroms auf verschiedene 84 schmale FrequenzbänderAuf dem Frequenzband: Differential qudrature phase shift key (DQPSK) oder Differential binary phase shift key(DBPSK), Symbol vom vorherigen Symbol abhängig)

MAC: CSMA/CA

Quelle:www.intellon.com



ProblemeTests ergaben signifikante Interferenz mit Funkfrequenzen, die für andere Zwecke verwendet werden (Anhebung Störung bis 25 dB). Stromkabel eignen sich gut als HF Antennen100 Meter Ausbreitung:

senkrecht parallel

Date post:	01-Aug-2020
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