Lehrstuhl Netzarchitekturen und NetzdiensteInstitut für InformatikTechnische Universität München

Kommunikationsstandards in wireless sensor networks

Hauptseminar Innovative Internet­Technologien

und MobilkommunikationWintersemester 08/09

Lukas Tillmann

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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