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Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2018

Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGEPROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION

1. Einführung

TREND

KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE 387Sommersemester 2018

https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2017/08/Emerging-Technology-Hype-Cycle-for-2017_Infographic_R6A.jpg



1. Einführung

GRUNDIDEE


Intelligente Vernetzung aller Dinge des

täglichen Lebens

KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE 389

1. Einführung

HINTERGRUND

Sommersemester 2018

Verbindung der realen, physikalischen Welt mit der virtuellen Welt

Dinge

kommunizieren mit Nutzern sowie untereinander und

treffen autonome Entscheidungen

Eingabe

Ausgabe

Netzwerk VerarbeitungDinge



1. Einführung

GRUNDBESTANDTEILE EINER IOT ANWENDUNG

Sommersemester 2018KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE 390

Datenerfassung

Drahtlose

Kommunikation

Steuerung &

Regelung

2. Drahtlose Sensornetze

ÜBERBLICK





SENSORKNOTEN


Sensorknoten

MikrokontrollerFunkmodulSensoren &

Aktoren

Energieversorgung

Speicher


NETZWERKTECHNOLOGIEN




3. RFID

ÜBERBLICK RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION

Benötigte Komponenten

einen Transponder (Tag)

ein Lesegerät

eine Middleware als Schnittstelle zu anderen

Systemen

Merkmale

kontaktlose Übertragung

keine Sicht- / Berührungsverbindung notwendig


3. RFID

TRANSPONDER

Passive Transponder

ohne eigene Energieversorgung

kürzere Leseweite (10 cm - 6 m)

Aktive Transponder

Batterie für Speicher und Logik

aktiver Sender

große Leseweite (bis 100 m)

Mischformen

werden durch Leser aktiviert

Batterie für Speicher und Logik

Energie zum Senden vom Leser

mittlere Leseweite (2 - 12 m)




3. RFID

FREQUENZEN

125 KHz

Reichweite: bis zu 30 cm

niedrige Datenübertragungsraten

nur passive Tags

langsame Tag-Erkennung

kein Anticollision-Mechanismus

13,56MHz (HF)

Reichweite: bis zu 3 m

mittlere Tag-Erkennung

Anticollision für 10-40 Tags pro Sekunde

868 MHz bzw. 915 MHz (UHF)

Reichweite: bis zu 9 m

hohe Datenübertragungsrate

schnelle Tag-Erkennung

Anticollision für 50 Tags pro Sekunde

2,45 GHz (zukünftig auch 5,8 GHz)

Reichweite: mehr als 10 m

sehr schnelle Tag-Erkennung

Anticollision für 50 Tags pro Sekunde


3. RFID

ENERGIEÜBERTRAGUNG

Induktiv – Nahfeldkopplung

bei 125 kHz und 13,56 MHz

Induzierte Spannung durch magnetisches Feld

Koppelfaktor von ca. 1 %

arbeitet mit Resonanzfrequenz des Schwingkreises

Datenübertragung mittels Lastmodulation

Elektromagnetisch – Fernfeldkopplung

bei 867-869 MHz und 2,45 GHz

Hochfrequente Spannungen bzw. Ströme durch

elektromagnetische Wellen

Datenübertragung mittels Variation des

Rückstrahlquerschnittes




3. RFID

MEHRFACHZUGRIFF - ANTICOLLISION

Ziel: eine größere Anzahl von Objekten gleichzeitig erkennen

Prinzipien

meist: TDMA

Seltener: FDMA

bei 865 MHZ 40 je 200-kHz breite Kanäle

bei 2,45 GHz FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Verfahren

Slotted ALOHA

Adaptive Binary Tree

Slotted Terminal Adaptive Collection (STAC)


3. RFID

ANWENDUNGSBEREICHE

125 kHz

Zutrittskontrollen

Abrechnungssysteme

Werkzeugerkennung

Tieridentifikation

Abfallwirtschaft

Wegfahrsperre

2,45 GHz

Fahrzeug-Identifizierung

Maut-Überwachung

13,56 MHz

SmartCards (Zutrittskontrolle, Bezahlsysteme,

Thoska+)

Gesundheitswesen

Ticketing

Bibliotheken

868 MHz

Logistik

Abfallwirtschaft

Anlageninventur

Behältermanagement




4. NEAR FIELD COMMUNICATION

ÜBERBLICK

2002 von NXP und Sony entwickelt

Standardisierung

ISO 18092

ECMA 340

ETSI TS 102 190

Weiterentwicklung durch im NFC-Forum

organisierten Firmen

Anwendungen

Bargeld- und kontaktlose Zahlung

Fahrplaninformationen abrufen

Informationen zu Sehenswürdigkeiten abrufen

Digitale Eintrittskarte


4. NEAR FIELD COMMUNICATION

EIGENSCHAFTEN

Eigenschaften

Frequenzband:13,56 MHz

Übertragungsraten: 106 kbit/s, 212 kbit/s oder

424 kbit/s

Reichweite: max.10 cm

Abhören erschwert

Unbeabsichtigte Verbindungen ausgeschlossen

Betriebsarten:

Lese-Schreib-Modus

Peer-to-Peer-Modus

Kartenemulationsmodus

Protokolle

NDEF (NFC Data Exchange Format)

Plattformübergreifender Datenaustausch

SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol)

direkter Datenaustausch zwischen zwei NFC-Geräten

SWP (Single Wire Protocol)

Schnittstelle SIM - NFC




5. IEEE 802.15.4

ÜBERBLICK

Definiert PHY- und MAC-Schicht in Low-Rate Wireless Personal Networks (LR-WPANs)

Ziel: energieeffiziente, zuverlässige Übertragung

Geräteklassen:

Full Function Device (FFD)

Reduced Function Device (RFD)

Achtung: 802.15.4 ≠ ZigBee ≠ 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network)


5. IEEE 802.15.4

BITÜBERTRAGUNGSSCHICHT

Aufgaben:

Energy Detection (ED)

Clear Channel Assessment (CCA)

Datenraten: bis zu 20 kbit/s, 40 kbit/s oder 250 kbit/s je nach Frequenzband

3 mögliche ISM-Bänder

I Kanal bei 868,0-868,6 MHz (nur Europa)

10 Kanäle bei 902-928 MHz (nur USA)

16 Kanäle bei 2,4-2,485 GHz (weltweit)




5. IEEE 802.15.4

TOPOLOGIE

Stern

mit FFD als PAN-Koordinator

restliche Knoten können RFDs sein

Peer-to-Peer

Mesh-ähnliche Topologie aus FFDs

RFDs über FFD-Nachbarn anbindbar

Cluster-Tree

Verbindung mehrerer Peer-to-Peer-Teilnetze über FFDs als ClusterHead


5. IEEE 802.15.4

MEDIENZUGRIFF I

Basis: CSMA/CA mit Acknowledgements

Mehrere Modi

ohne Beacons unslotted CSMA/CA

mit Beacons slotted CSMA/CA

Zeitsynchronisation durch Beacon vom Koordinator

zusätzlich mit garantierten Zeitslots GTS (Guaranteed Time Slot)

slotted CSMA/CA für einen Teil der Übertragungen

fest vom Koordinator vergebene Zeitslots für Rest




5. IEEE 802.15.4

MEDIENZUGRIFF II


T-MAC

B-MAC

S-MAC

X-MAC

RMAC

LMAC

SCP-MACZ-MAC

PMAC

In der Forschung / Umsetzung (Liste unvollständig)

I-MACRI-MAC

KAPITEL 10: DAS INTERNET DER DINGE 407

5. IEEE 802.15.4

HERAUSFORDERUNGEN

S - scalable & robust

Unterstützung sehr vieler Geräten für Bereitstellung der Informationen zum gewünschten Zeitpunkt im

passenden Format

M - monitored & managed

Erkennung, Verwaltung und (Remote-)Konfiguration der Dinge

A - adaptiv

Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen und Anforderungen

Automatische Kommunikation untereinander

R - reliable

zuverlässige Datenübertragung und -speicherung

T - trustworthy

Sicherheitsmechanismen gegen Verfälschung von Daten und unberechtigtem Zugriff

Sommersemester 2018



LITERATUR

Andersson, Mats (2014): Short-Range Low Power Wireless Devices and Internet of Things (IoT)” DigiKey

IEEE (2003):Standard for Information Technology 802.15.4-2003 Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Wireless Personal Area Networks (WPAN).

Karimi, Kaivan und Atkinson, Gary (2013): What the Internet of Things (IoT) needs to become a reality. White Paper, FreeScale and ARM .

Kern, Christian (2007): Anwendung von RFID-systemen. Berlin: Springer, 2007.

Lampe, Matthias, Flörkemeier, Christian und Haller, Stephan (2005): Einführung in die RFID-Technologie. Das Internet der Dinge. Springer Berlin Heidelberg, S. 69-86.

Langendoen, Koen und Meier, Andreas (2010): Analyzing MAC protocols for low data-rate applications. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN) 7.2

Pretz, Kathy (2014): Smarter Sensors - Making the Internet of Things soar. In: IEEE The Institute.


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