Software ubiquitärer Systeme

Übung 5: Drahtlose Kommunikation

http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2016/SuS/

Ulrich Gabor, Christoph Borchert

http://ess.cs.tu-dortmund.de/~ug

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 2

Inhalt● Drahtlose Kommunikation

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

● Low-Power Listening– Preamble Sampling

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 3

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 4

Stromverbrauch vom CC1101● Sendeleistung: +10dBm = 10mW

– 30 mA

● Empfangsverstärker– 15 mA

● Schlafmodus– 0,1 mA

● Vergleich: MSP430 AOStuBS idle– 200 μA

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 5

Anbindung der Funkhardware● Aufwendig direkt in

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

● Fertige Funkstacks– SimpliciTI– BlueRobin– Weitere in Entwicklung

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 6

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 7

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 8

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.)

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 9

SimpliciTI: Netztopologien (1)● Drahtlose Sensor-Anwendung

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 10

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 11

Beispiel: Rauchmelder

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 12

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 13

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 14

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:

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 15

SimpliciTI: Statische Konfiguriation● Operations-Modus (type)

– Infrastruktur oder P2P ● Powermodi (sleep support)

● Topologie

● Adressierung / Identifikation

● RAM-Allokation

– Paketgröße

– Puffergrößen

– Anz. unterstützt. Links (Verbindungen)● Sicherheits-Tokens

● Messaging (hop count, repeaters)

● Funk

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 16

SimpliciTI: Laufzeit-Konfiguriation● IOCTL Systemaufrufe:

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 17

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)

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 18

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

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

● Option: Schlafmodi

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 19

Inhalt● Drahtlose Kommunikation

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

● Low-Power Listening– Preamble Sampling

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 20

Ursachen für Energieverschwendung● Protokolloverhead

● Paketkollisionen

● Overhearing (Pakete für andere Netzwerkteilnehmer)

● Idle Listening (Empfangsversuche, obwohl niemand sendet)

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 21

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

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 22

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

– Durchschnittliche Paketanzahl in festen Zeitabschnitt:– mit Paketlänge

● Modellierung als Poisson-Prozess

– P{N(a,b]=n} ist die Wahrscheinlichkeit, dass n Pakete im Intervall (a,b] gesendet werden

λ=Ng

P {N (a ,b ]=n }=(λ(b−a))n

n!⋅e−λ(b−a)

T M

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 23

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

Zeitabschnitten keine anderen Pakete versendet werden

– mit Paketlänge

● Eine Station i sendet nicht = kein Versand im vorangegangenen Zeitraum (ohne Nachbarn):

● Energieverbrauch:

P s=P {N (0, 2T M )=0}=e−2 NgT M

T M

e−g T M=1−b1

T M

PRA=b1PTX+(1−b1)PRX

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 24

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.

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 25

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

T M

Software ubiquitärer Systeme: 5. Übung 26

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()– sleep(...)