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Software ubiquitärer Systeme (SuS) Hardware: Kommunikation https://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2017/SuS/ Alexander Lochmann, Michael Engel, Olaf Spinczyk [email protected] https://ess.cs.tu-dortmund.de/~os AG Eingebettete Systemsoftware Informatik 12, TU Dortmund

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Software ubiquitärer Systeme (SuS)

Hardware: Kommunikation

https://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2017/SuS/

Alexander Lochmann, Michael Engel, Olaf Spinczyk

[email protected]://ess.cs.tu-dortmund.de/~os

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

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Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

– Technologieüberblick

● Drahtgebunden– KFZ-Bussysteme im Überblick– CAN-Bus– Energie im CAN-Netz– (Un-)sicherheit

● Drahtlos – Technologie und Geschichte– Bluetooth, RF-Funk, ZigBee– Energiebetrachtung

● Zusammenfassung

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Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

– Technologieüberblick

● Drahtgebunden– KFZ-Bussysteme im Überblick– CAN-Bus– Energie im CAN-Netz– (Un-)sicherheit

● Drahtlos – Technologie und Geschichte– Bluetooth, RF-Funk, ZigBee– Energiebetrachtung

● Zusammenfassung

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Grundlagen der Kommunikation● Datenübertragung mittels em-Wellen in ...

– drahtgebundenen (Kabel, Glasfaser) oder– drahtlosen (Luft) Medien

● Zwei Übertragungsarten unabhängig vom Medium– Übertragung im Basisband:

● Nutzsignal von 0 – fg , Bandbreite fg

● Spektrum erstreckt sich über positiven und negativen Bereich● Bsp.: „Sprachsignal bis 3,1 kHz auch von 0 – 3,1 kHz auf Medium zu finden“

(sinngemäß)● Erlaubt bei z.B. Telefonie nur eine Übertragung gleichzeitig

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Grundlagen der Kommunikation● Zwei Übertragungsarten unabhängig vom Medium

– Übertragung im Trägerband● Mittenfrequenz/Trägerfrequenz bei fTräger Hz

● 1. Schritt: Basisbandsignal wird auf Trägerfrequenz fTräger aufmoduliert

→ „Verschiebung des Signals an die Frequenz fTräger Hz“

● Durch Symmetrie im Frequenzbereich belegt Signal nun 2fg Hz Bandbreite

fTräger

>> 2fg

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Grundlagen der Kommunikation● Zwei Übertragungsarten unabhängig vom Medium

– Übertragung im Trägerband● 2. Schritt: Aufprägung des Nutzsignals

auf das Trägersignal● Bsp.:

– Amplitudenmodulation (Kurzwelle)– Frequenzmodulation (UKW)– Phasenmodulation (PM)

● Bisher:

nur analog und ineffizient bzgl.

Bandbreite

● Geht es auch anders?

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Grundlagen der Kommunikation● Abtastung der Nutzsignals liefert zeit- und wertdiskrete Darstellung →

Digitalisierung● Übertragen der Samples als Bitstrom● Zusammenfassen von n Bits zu einem Symbol● Unterscheidung: baud (Symbolrate) und bit/s (Datenübertragungsrate)

– Baud = Anzahl Symbole pro Sekunde

– Bit/s = Baud * Bit/Symbol

● Einfache Modulationen erlauben:

1 Bit/Symbol * 1 Symbol/Sekunde → 1Bit/Sekunde

● Geht auch mehr?

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Höherwertige Modulation● Höhere Datenrate bei konstanter Bandbreite

– Komplexeres Modulationsverfahren: Quadratur-Amplituden-Modulation

– Zweidimensional: Inphase- und Quadraturkomponente– Einsatz auch bei WLAN, UMTS, LTE …– Oft verwendet bei heutigen– Kommunikationstechniken

● Darstellung der QAM als Konstellationsdiagramm:

16QAM → 4Bit/Symbol

Q

I

0000 0100 1100 1000

0001 0101 1101 1001

0011 0111 1111 1011

0010 0110 1110 1010

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Höherwertige Modulation● Darstellung der QAM als Blockschaltbild:

● Erzeugtes Signal wird auf Trägerfrequenz fTräger aufmoduliert

● Wie wird entschieden, wie groß Trägerfrequenz fTräger ist?

Bildquelle: Lehrstuhl für Kommunikationstechnik

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Frequenzbereiche● Nutzung von Funkfrequenzen ist Regulation unterworfen

– Durch die Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen

● Unregulierte Frequenzbänder verfügbar– Ursprünglich: nicht nutzbar wegen Interferenzen von elektrischen und

elektronischen Geräten (z.B. Mikrowelle: 2,4 Ghz)– ISM-Bänder (Industry, Science, Medicine)– Kommunikation muss Störungen durch andere Geräte tolerieren

können– Lizenz- und anmeldefrei nutzbar– Verschiedene Frequenzbereiche:

● 868.60–869.70 MHz (z.B. RF-Funkchips, ZigBee)● 2.400–2.500 GHz (z.B. Bluetooth, WLAN 802.11b/g/n, ZigBee...)

– ...und überlastet? Bluetooth, WLAN, ZigBee, ...

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Wieso ist Regulierung erforderlich?

Quelle: http://www1.wdr.de/nachrichten/ruhrgebiet/radiowecker-100.html (25.04.2016, 17 Uhr)

● Funkverkehr mit dem Tower gestört

● Bundesnetzagentur ermittelte und fand die Ursache in Witten

● Ursache: Defektes Netzteil eines Radioweckers

● Defekte Abschirmung sorgte für Funkwellen im Megahertz-Bereich

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Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

– Technologieüberblick

● Drahtgebunden– KFZ-Bussysteme im Überblick– CAN-Bus– Energie im CAN-Netz– (Un-)sicherheit

● Drahtlos – Technologie und Geschichte– Bluetooth, RF-Funk, ZigBee– Energiebetrachtung

● Zusammenfassung

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KFZ-Bussysteme: Überblick

Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ SonderheftSeptember 2002, Seite 125

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KFZ-Bussysteme: Überblick

Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ SonderheftSeptember 2002, Seite 125

Typische Netzwerkstruktur in modernen KraftfahrzeugenTypische Netzwerkstruktur in modernen Kraftfahrzeugen

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KFZ-Bussysteme: Klassifikation● Geräte haben unterschiedliche Anforderungen

– Einteilung nach SAE (Society of Automotive Engineers):

● Verschiedene Bussysteme erfüllen die Anforderungen– LIN: Klasse A– CAN: Klasse A, B und C– FlexRay: Klasse C– MOST: Klasse D

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KFZ-Bussysteme: Klassifikation● Verschiedene Bussysteme im KFZ

– abhängig von der Aufgabe– Auch: Varianten eines Bussystems (CAN Low/High Speed)

Diagnose ISO 9141 K-LineA LIN, SAE J1587/1707B CAN (Low Speed) — “ —C CAN (High Speed)C+Infotainment MOST Multimedia (Audio, Video)

Klasse Bitrate Typischer Vertreter Anwendung< 10 kBit/s Werkstatt- und Abgastester< 25 kBit/s Karosserieelektronik25...125 kBit/s125...1000 kBit/s Antriebsstrang, Fahrwerk, Diagnose> 1 Mbit/s FlexRay, TTP Steer und Brake by Wire> 10 Mbit/s

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● Seit 1983 von Bosch entwickelt– Ziel: Reduktion der vorhandenen Kabelbäume im KFZ

● Datendurchsatz bis zu 1 MBit/s● Entwurfsziele

– kleine Controller– kostengünstig– robust– leicht zu konfigurieren und erweitern– automatische Fehlererkennung

● Inzwischen sehr verbreitet– Medizintechnik, nautische Instrumente,

Kontrollsysteme für Fahrstühle,Textilproduzierende Maschinen,Industrieroboter, ...

CAN-Bus [1]

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CAN-Bus: Topologie● 2 Leitungen (CANL, CANH, verdrillt)● Abschlusswiderstand vermeidet

Reflexionen

● 2 Leitungen (CANL, CANH, verdrillt)● Abschlusswiderstand vermeidet

Reflexionen

Differentielle Signalübertragung(bei „High-Speed CAN“)

Erreichbare Buslängen

Log. „1“ (sonst)Log. „1“ (sonst)Log. „0“ (Diff.>0.9V)Log. „0“ (Diff.>0.9V)

Device 1Device 1

Transceiver

Controller

Device 2Device 2

Transceiver

Controller

Device 3Device 3

Transceiver

Controller

CANL

CANH

CAN-Bus

120 Ω 120 Ω

10 670020 330050 1300

125 530250 270500 130

1000 40

Bitrate[kbit/s]

Länge[m]

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CAN-Bus: Transceiver● Dient der Anbindung des Busses an einen CAN-Controller mit

Standard TTL-Schnittstelle● Realisiert eine „wired-AND“ Semantik

zum CAN-Controllerzum CAN-Controller

2,5V (Pegel der „1“)2,5V (Pegel der „1“)

Mit diesem Transistorkann jeder BusteilnehmerCANH auf VCC-Potenzialbringen.

Mit diesem Transistorkann jeder BusteilnehmerCANH auf VCC-Potenzialbringen.

... und hier CANLauf GND.... und hier CANLauf GND.

Quelle: Philips Semiconductors

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CAN-Bus: Bitcodierung● Non-Return-To-Zero-Kodierung (NRZ)

– Einfachste Leitungskodierung für binäre Signale:„0“ und „1“ werden jeweils durch einen speziellen Signalpegel repräsentiert. Es gibt kein neutrales Symbol („zero symbol“).

– Problem: Nicht jedes Bit besitzt eine Flanke!● Flanken werden für die Synchronisation von Sender und Empfängern

benötigt.

● Verwendung von Bitstuffing– Sorgt für genügend Flanken

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CAN-Bus: Bitstuffing● Nach 5 aufeinanderfolgenden gleichwertigen Bits wird ein

anderswertiges eingefügt.

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CAN-Bus: Sicherungsschicht● Paketformat nach CAN 2.0A/B:

● Start-Bit (SOF): signalisiert den Anfang einer Botschaft ● Arbitration Field: eindeutige Kennung und Priorität

der Botschaft – 11 oder 29 Bit (CAN 2.0A bzw. B)– Keine direkte Adressierung von Stationen: Multicasting

● Control-Field: Aufbau, Art und Länge der Botschaft ● Data Field: 0 – 8 Datenbytes● CRC Field: Prüfsumme ● ACK Field: Bestätigung oder Fehler

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CAN-Bus: Arbitrierung● Buszugriffsmethode CSMA/CA + AMP

(„arbitration on message priority“)– Busteilnehmer „lauschen“ und senden nicht, solange eine Nachricht

übertragen wird.– Starten zwei oder mehr Busknoten zur gleichen Zeit mit einer

Übertragung, wird die Kollision erkannt. Die Nachricht mit niedrigerer Priorität („arbitration field“) wird abgebrochen.

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CAN-Bus: Fehlerbehandlung● Jeder CAN-Controller überprüft beim Empfang Format und

Prüfsumme

– Sendet Bestätigung oder Fehlermeldung

– Acknowledgement & End of Frame

● Bei Fehlermeldung ignorieren alle Controller die Botschaft

– Eigener Fehlerzähler protokolliert Fehlermeldungen

– ggf. wird der Bus ausgeschaltet (reaktiviert sich selbstständig)

● Hohe Zuverlässigkeit und schnelle Fehlermeldung

● Automatische Wiederholung von Nachrichten im Fehlerfall

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CAN-Bus: Praxis (1)● Nachrichten werden periodisch gesendet

– Jeweils Ist- und Sollzustand für das jeweilige Steuergerät– Die Nachrichtenkennung ist gleichzeitig Priorität und Typ

● Für die höchstpriore Nachricht ist diemaximale Latenz vorhersagbar.– Für andere Nachrichten durch die Periode im Prinzip ebenfalls

Ein CAN-basierter Beschleunigungs-sensor von Volkswagen

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CAN-Bus: Praxis (2)Signalverlauf einerBeschleunigungSignalverlauf einerBeschleunigung

Jeweils die letzte Nachrichteines bestimmten TypsJeweils die letzte Nachrichteines bestimmten Typs

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CAN-Bus: Energiesparen● Automotive Steuergeräte verfügen i.d.R. über einen

System Basis Chip (SBC)– Regelung und Überwachung der Betriebsspannung– RESET Generator– Watchdog– Bus-Schnittstelle (z.B. CAN oder LIN)– Aufwachlogik (wake-up logic)

● Der Watchdog schaltet das Steuergerät ab,falls es nicht normal funktioniert.– Software muss den Watchdog-Timer regelmäßig neu aufziehen.

● Durch die Aufwachlogik kann das gesamte Steuergeräte komplett abgeschaltet werden, bis z.B. eine bestimmte CAN-Botschaft eintrifft.

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CAN-Bus: (Un-)Sicherheit● CAN-Botschaften in heutigen Fahrzeugen

sind i.d.R. nicht verschlüsselt.– Ausnahme: Neuprogrammierung– Kennung und Inhalt der CAN-Botschaften sind vertraulich

● Zugriff auf den CAN-Bus ist möglich– Vorgeschriebene OBD2/EOBD-Schnittstelle– Mindestens für Bastler

● Nachrichtenformat teils leicht zu erraten● Manipulationen möglich

– Kann fatale Folgen haben

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Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

– Technologieüberblick

● Drahtgebunden– KFZ-Bussysteme im Überblick– CAN-Bus– Energie im CAN-Netz– (Un-)sicherheit

● Drahtlos – Technologie und Geschichte– Bluetooth, RF-Funk, ZigBee– Energiebetrachtung

● Zusammenfassung

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Funknetzwerke● Übertragung von Daten über Funksignale● Erstes Funknetzwerk: ALOHAnet auf Hawaii (1970)

– Kommunikation zwischen einzelnen Standorten der Univ. Hawaii

● Frequenzmodulation, zwei 100 kHz-Kanäle: – broadcast channel (413,475 MHz) – random access channel (407,350 MHz)– Grundlage auch für kabelgebundene Netze wie Ethernet

● Simples Protokoll („Pure Aloha“):– Eine Station, die Daten senden will, sendet

diese direkt– Wenn Nachricht mit anderer Übertragung

kollidiert, „später“ die Sendung wiederholen

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ALOHAnet● „Später“ wird bestimmt durch ein sog. „Backoff-Schema“

– Kritischer Punkt des Protokolls– Qualität des Schemas beeinflußt signifikant die Effizienz des Protokolls, die

Übertragungskapazität und die Vorhersagbarkeit des Verhaltens– „Pure Aloha“ hatte einen maximalen Durchsatz von ca. 18,4%

● Also wurden 81,6% der gesamten verfügbaren Bandbreite verschwendet aufgrund von Paketverlust durch Kollisionen

● Stern-Netzwerktopologie, ein zentraler Computer– Reduziert die Anzahl der möglichen Kollisionen

● Weiterentwicklung: „Slotted Aloha“– Einführung diskreter Zeitschlitze– Eine Station darf nur zu Beginn eines Zeitschlitzes senden

● Reduktion der Anzahl möglicher Kollisionen– Verbesserung des max. Durchsatzes auf 36,8%

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RF-Funk● Senden von Informationen über einfache Funk-Modulatoren

– z.B. via Frequenzmodulation– Oft in ISM-Bändern (z.B. 434 MHz, 868 MHz)

● Niedrige Bitrate, keine Hardware-Unterstützung für höhere Protokolle– Funktionalität wie Medienzugriffskontrolle (MAC, Media Access

Control) und Übertragunssicherung (z.B. CRC) muss in Software realisiert werden

– Übertragungsraten von 9,6...250 kBit/s– Anwendungsgebiete:

● Fernbediente Spielzeuge, drahtloser Alarm, drahtlose Sensoren, Funktastaturen/-mäuse, Hausautomatisierung

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RF-Funk-Module: RFM12● RFM12: Einfacher RF-Chip, preisgünstig (ca. 3 Eur) [5]

– SPI Slave-Gerät, 434, 868 und 915 MHz ISM-Band– Frequenzmodulation

● Verschiedene Bereiche innerhalb des jeweiligen Frequenzbandes

● z.B. 430,2400 - 439,7575MHz in Schritten von 2.5kHz– Frequenzsprung-Anwendungen möglich

● In Hardware unterstützt– Reichweite: 25-30m (915MHz @ 9600 Bit/s indoor), 250m (outdoor)– Datenrate bis 115,2 kBit/s– Befehle über SPI:

● Frequenzeinstellung, Abweichungseinstellung, Sendeenergie und Datenrate

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RF-Funk-Module: CC1000● CC1000 (auf EZ430-Chronos): Komplexerer Chip

– SPI Master– Frequenzmodulation, Frequenz von 300 bis 1000 Mhz

● einstellbar in 250 Hz-Schritten– Datenrate bis 76,8 kBit/s (bei Manchester-Codierung 38,4 kBit/s)

● Fehlererkennung bei Manchester-Codierung in Hardware– „low power“-Anwendungen

● 0.2 µA (powerdown mode)● ~10mA als Empfänger● Bis zu 15mA beim Senden

– Reichweite ● in Gebäude (Stahlbeton)

von 30m bis 60m● in Luft bis zu 100m

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RF-Funk Fazit● Vorteile:

– Günstig– Schnell und einfach zu programmieren/integrieren

● Nachteile:– Kein geregelter Medienzugriff– Keine Fehlerkorrektur– Keine Topologie (alle Teilnehmer sind gleich)– Keinerlei Protokoll vorhanden

● Wie kann man die Interoperabilität verbessern?

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26.04.2016 SuS: 02.3 Hardware: Kommunikation 36

ZigBee● Offener Funknetz-Standard für Personal Area Networks (PANs)

– Physikalischer und MAC-Layer basieren auf IEEE 802.15.4– Verbindung auf Kurzstrecken (10 - 100 m)

– Drei verschiedene Gerätearten („ZigBee Devices“)

● End Device: Einfache Geräte wie zum Beispiel Lichtschalter– implementieren nur einen Teil der ZigBee-Protokolle – daher auch RFD (Reduced Function Devices) genannt– melden sich an Router ihrer Wahl an, bilden Sterntopologie.

● FFD-Geräte (Full Function Devices)– melden sich an existierendem Router an– bilden so ein Netzwerk in Baum-Topologie– können auch als Router agieren

● Coordinator: – Genau ein Router innerhalb eines PAN ist Coordinator– Gibt grundlegende Parameter des PAN vor und verwaltet das Netz

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26.04.2016 SuS: 02.3 Hardware: Kommunikation 37

Bluetooth● Drahtloses PAN

– IEEE Standard 802.15.1– Entwickelt als Kabelersatz (serielle Schnittstellen)– Energiesparend– Kostengünstig (US$5 pro Chip)– Nahbereich (10m), bis 100m erweitert (BT 2.1)– ISM-Frequenzband (2,4 GHz)

● Alle weiteren Schichten in Software definiert und zu Profilen zusammengefasst→ BT-Geräte implementieren nur einzelne Profile→ erlaubt kompakte BT-Geräte wie Headsets oder Pulsuhren

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Bluetooth● Datenrate

– 721 kBit/s, 2,1 Mbit/s, 24 Mbit/s(BT2.0, BT1.1, BT3.0)

● Struktur: „Piconets“ mit bis zu 7 Geräten

– Master-Slave-Paradigma, der Master verwaltet die Verbindungen– Ein Slave-Gerät kann Teil eines oder mehrerer Piconets sein– Ein Master kann auch Slave in einem anderen Piconet sein– Damit ist Routing in sog. „Scatternets“ möglich

● Scatternet = Netzwerk miteinander verbundener Piconets

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Übertragungsraten und Energie● Anforderung: Lange Batterielaufzeit

– Insbesondere bei Sensornetzwerken● Keine Infrastruktur, hohe Kosten für Installation und Ersatz● Aber auch bei sonstigen Mobilgeräten

● Stetige Verbesserungen bei Funktionalität, Größe, Energieverbrauch– z.B. Faktor 1,6/Jahr bei Rechenleistung für Signalverarbeitung bei

gleichbleibender Energie

● Aber: – Effizienz der Funktechniken skaliert nicht im gleichen Maß– Es gibt kein Moore’s Law für Batterietechnologie

● Verbesserung ~ 5%/Jahr

→ Energetische Betrachtung der Funkkommunikation ist sehr wichtig!

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Energieverbrauch Funk vs. Prozessor● Energie/Bit >> Energie/Op auch für kurze Entfernungen

– Beispiel Sensorknoten (Berkeley Mote 2, AVR Mikrocontroller):

Empfangen

Senden

110 nJ/Bit

720 nJ/Bit 4 nJ/Op

~ 200 Operationen/Bit

Prozessor

SendenEmpfangen

CodierenDecodieren

Übertragung von Tonsignalen Übertragung von Bildsignalen

Quelle: [4]

CodierenDecodieren

Senden

Empfangen

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Energieverbrauch: SendeteilTx: Sender Rx: Empfänger

Übertragungs-kanal

Zu sendendeInformation

EmpfangeneInformation

E elecTx E elec

RxE RFSende-

elektronikEmpfangs-elektronik

Ver-stärker

~ 1 km (GSM)

E elecTx E elec

RxE RF E elecTx E elec

RxE RF E elecTx E elec

RxE RF

nJ/bit nJ/bit nJ/bit

~ 50 m (WLAN) ~ 10 m (Mote)Quelle: [4]

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Übertragungsraten und Energie● Verschiedene Netzwerktechnologien für unterschiedliche

Einsatzbereiche– RF: Sensordaten, Sprachübertragung– Bluetooth: Audioübertragung, Synchronisation von Geräten– WLAN 802.11: Audio, Video...

160 mA

22 mA

7 mA

Ruhe-strom

802.11

Bluetooth

RF

Techno-logie

Low430 nJ/bit10 mA76.8 kbps

Medium149 nJ/bit45 mA1 Mbps

90 nJ/bit

Energie pro Bit

300mA

Tx- Strom

High11 Mbps

Startup-zeit

Daten- rate

(nach [2])

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Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

– Technologieüberblick

● Drahtgebunden– KFZ-Bussysteme im Überblick– CAN-Bus– Energie im CAN-Netz– (Un-)sicherheit

● Drahtlos – Technologie und Geschichte– Bluetooth, RF-Funk, ZigBee– Energiebetrachtung

● Zusammenfassung

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Zusammenfassung● Kommunikation ist zentrales Problem ubiquitärer Systeme

– Drahtlose (Funk-)Kommunikation ist die Regel– Drahtgebundene Kommunikation für begrenzte Aufgaben

● Funkübertragung ist wichtigster Energiefaktor bei Mobilgeräten– Verhältnis Funkenergie zu Energie für Rechenleistung verschlechtert

sich weiter

● Verschiedene Funktechnologien im Einsatz– Auswahlkriterien: Datenrate, Reichweite, Energieverbrauch, Kosten– Unterschiedlicher Software-Aufwand für Netzwerkfunktionen

● Stetige Weiterentwicklung– Aktuell: ZigBee (seit 2005), Bluetooth 3.0&4.0 (2009, 2010)

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Literatur[1] W. Zimmermann, R. Schmidgall, Bussysteme in der Fahrzeugtechnik – Protokolle und Standards, ATZ/MTZ-Fachbuch, Vieweg, ISBN 978-3-8348-0235-4, 3. Aufl., 2008

[2] Andreas Savvides, Yale University: Sensing Platforms and Power Consumption Issues, Lecture Slides

[3] Claude Elwood Shannon: Communication in the Presence of Noise; In: Proc. IRE, Vol. 37, No. 1 (Jan. 1949)

[4] Mani Srivastava: Challenges in Energy-aware Networked Sensor Systems, Lecture Slides, UCLA Networked & Embedded Systems Lab

[5] HOPE RF: RF12 Programming Guide

[6] ChipCon CC1000 Data Sheet