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Software ubiquitärer SystemeÜbung 5: Drahtlose Kommunikation

Christoph Borchert und Michael EngelArbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware

Lehrstuhl für Informatik 12TU Dortmund http://ess.cs.uni-dortmund.de/~chb/

http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2013/SuS/

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Inhalt● Drahtlose Kommunikation

● Funkhardware der EZ430 Chronos● SimpliciTI: Ein Funkstack für die EZ430 Chronos

● Low-Power Listening● Preamble Sampling

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Funkhardware der EZ430 Chronos● Je nach Modell: 433, 868 oder 915 MHz RF-Funk● Integrierter CC1101 <1 GHz wireless transceiver● Blockschaltbild:

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Leistung des CC1101 Funkchips● Sendeleistung: +10dBm = 1mW

● 30 mA

● Empfangsverstärker● 15 mA

● Schlafmodus● 0,1 mA

● Vergleich: MSP430 AOStuBS idle● 200 μA

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Anbindung der Funkhardware● Aufwendig direkt in

Hardware zuprogrammieren● Datenbuch Kap. 22● 70 Seiten Doku!

● Fertige Funkstacks● SimpliciTI● BlueRobin● Weitere in Entwicklung

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SimpliciTI-Netzwerkstack● Proprietäres, energiesparendes Funknetzwerk-Protokoll

von TI● Für EZ430-Chronos und andere RF-basierte Chips● 433/868/933 MHz und 2.4 GHz-Band (je nach Hardware)

● Effizient: verwendet < 8 kiB Flash und 1 kiB RAM● Abhängig von jeweiliger Konfiguration

● Flexibel● Einfache Stern-Netztopologie mit Bereichserweiterung● und/oder Peer-to-Peer-Kommunication

● Einfach: Verwendet sehr simples API● Unterstützung für viele Geräte

● MSP430+CC110x/2500, CC1110/2510, CC1111/CC2511, CC2430, CC2520

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Eigenschaften von SimpliciTI ● Minimale Hardware-Abstraktion● Kein Heap notwendig

● Pakete werden in statischen Puffern verwaltet

● Kein Netzwerkkontext zur Laufzeit notwendig● „stateless“

● Single thread-Applikation● Keine Tasks oder Scheduling notwendig● ...aber in AOStuBS für andere Dinge nutzbar

● Netzwerk-API ist synchron● Kein return aus Funktionen bis die jew. Operation abgeschlossen ist● Übertragungswiederholungen (retries) und Bestätigungen (ACKs)

müssen von der Anwendung implementiert werden

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SimpliciTI-Anwendungen● Alarm & Sicherheit

● Belegungs-Sensoren● Lichtsensoren● Kohlenmonoxid-Sensoren● Glasbruch-Detektoren

● Rauchmelder● Fernbedienungen● AMR (automatisierte Messung über RF)

● Gas-, Wasser-, Stromzähler

● Hausautomatisierung: ● Garagentoröffner● Appliances● „environmental“-Geräte (Lichtsensor, Temperatur, etc.)

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SimpliciTI: Netztopologien (1)● Drahtlose Sensor-Anwendung

● Bereich kann durch Repeater erweitert werden.● Kreise: Reichweite v. Gateway/erweiterte Reichweite der Repeater

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SimpliciTI: Netztopologien (2)● Aktive RF-Tags

● Netzwerk wird „ad-hoc“ betreten und verlassen● Tags müssen sich schnell mit Netzwerk verbinden können

- Und gleichzeitig wenig Energie verbrauchen

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Beispiel: Rauchmelder

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SimpliciTI: Architektur● Layer:

● MRFI (“minimal RF interface”) – NWK – nwk applications (Module) – customer applications

● Netzwerk-Support:● – init – ping – link / linklisten – nwk mgmt – send / receive – I/O

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SimpliciTI: Paketformat

● Preamble: hw sync – Synchronisation Sender/Empfänger ● Sync: hw sync – Synchronisation Sender/Empfänger● Length: bytes non-phy – Länge Nutzdaten● Dstaddr – Zieladresse● Srcaddr – Quelladresse● Port: app port number – Unterscheidung mehrerer Anwendungen● Devinfo: capabilities – Eigenschaften des Geräts● Tractid: transaction or seq num – Paketfolgen● App Payload: 0<=n<=52 Byte – Nutzdaten● FCS: valid CRC – Checksumme

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Adressierung und Kommunikation● Netzadresse = Hardware-Adresse (4 Byte) + Anwendungs-Port

● Statisch zugewiesene Hardware-Adresse

- In Software pro Uhr konfigurierbar● Broadcast-Adresse: Byte 1: 0x00 oder 0xFF

● Kommunikationstopologien:

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SimpliciTI: Statische Konfiguriation● Operations-Modus (type)

● Infrastruktur oder P2P

● Powermodi (sleep support) ● Topologie ● Adressierung / Identifikation● RAM-Allokation

● Paketgröße● Puffergrößen● # unterstützt. Links (Verbindungen)

● Sicherheits-Tokens● Messaging (hop ct, repeaters)● Funk

● Frequenz, Krypto-Schlüssel, Modulation, CCA-Parameter

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SimpliciTI: Laufzeit-Konfiguriation● IOCTL Systemaufrufe:

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Access-Point-Programmierung● Stern-Hub im Netzwerk (einer pro Netz)

● Immer aktiv (auch als Bereichserweiterung/Repeater)● Store-and-forward-Funktion für schlafende Geräte● Verbindungs- und Token (link and join)-Verwaltung● Kann auch Endgeräte-Funktionen haben (link listen, receive)

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Endgeräte-Programmierung● API-Sequenz (Beisp.):

● Initialisierung (und Join)● Link (setzt listen voraus)● Temperatur lesen● Senden

● Option: Schlafmodi

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Inhalt● Drahtlose Kommunikation

● Funkhardware der EZ430 Chronos● SimpliciTI: Ein Funkstack für die EZ430 Chronos

● Low-Power Listening● Preamble Sampling

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Ursachen für Energieverschwendung● Protokolloverhead

● Paketkollisionen

● Overhearing (Pakete für andere Netzwerkteilnehmer)

● Idle Listening (Empfangsversuche, obwohl niemand sendet)

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Regular Aloha („Pure Aloha“)● Erstes Funknetzwerk: ALOHAnet auf Hawaii (1970)

● Kommunikation zwischen einzelnen Standorten der Univ. Hawaii

● Simples Protokoll:● Eine Station, die Daten senden will, sendet

diese direkt● Wenn Nachricht mit anderer Übertragung

kollidiert, „später“ die Sendung wiederholen

● Vorraussetzung:● Jede Station ist immer empfangsbereit

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Aloha - Verkehrsmodell● Jede Station hat N Nachbarstationen● Jede Station sendet mit der Wahrscheinlichkeit g

● Durchschnittliche Paketanzahl in festen Zeitabschnitt:

● Modellierung als Poisson-Prozess

● P(k) ist die Wahrscheinlichkeit, dass k Pakete im gegebenen Zeitabschnitt gesendet werden

λ=Ng

P (k )=λk e−λ

k !

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Aloha - Analyse● Ein Paket wird erfolgreich versendet, wenn in zwei

Zeitabschnitten keine anderen Paket versendet werden

● mit festem Zeitabschnitt (Paketlänge)

● Eine Station i sendet nicht:

● Energieverbrauch:

P s=P (0)⋅P (0)=P (0)2=(λ0 e

−λ

0 !)2

=e−2 λ=e−2NgTM

T M

P i (0)=e−g T M=1−b1

PRA=b1PTX+(1−b1)P RX

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Aloha mit Preamble Sampling („LPL“)

Test auf Sendeenergiein der Umgebung. Keinvollständiges Empfangen.

Test auf Sendeenergiein der Umgebung. Keinvollständiges Empfangen.

Präambel ist so langwie die Testperiode.Präambel ist so langwie die Testperiode.

Wenn der Test positiv war,können Daten empfangenwerden.

Wenn der Test positiv war,können Daten empfangenwerden.

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Aloha mit Preamble Sampling● Paketlänge wird effektiv erhöht (in den Formeln: )● Preamble-Länge bestimmt Energieverbrauch

T M

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Alternativen?● Lässt sich ein ähnliches Verfahren in Software

nachbauen?● Ohne Preamble?● Ohne Test auf Sendeenergie?

● Zur Verfügung steht folgende Funktionalität● send()● enable_rx()● disable_rx()● receive()● und ein Timer (AOStuBS Buzzer)