Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke

Vorlesung III

Gliederung

Ziele der Vorlesung

• Einführung in die Bluetooth-Details

Bluetooth• Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele

Mitglieder

• Anwendungen– Anbindung von Peripheriegeräten (Cable Replacement)

• Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer

– Unterstützung von ad-hoc-Netzwerken (Personal Ad-hoc Network)• kleine, billige Geräte

– Verbindung von Netzwerken• e.g., GSM über Handy - Bluetooth – Laptop

– Übertragung von Sprache und Daten (Voice-Data)

• Einfacher, billiger Ersatz für IrDA, eingeschränkte Reichweite, niedrige Datenraten– 2.4 GHz, FHSS, TDD, CDMA

Bluetooth-Eigenschaften

ModulesModules

SoftwareSoftware

RFRF

BasebandBaseband

AudioAudioLink ManagerLink Manager LMP

L2CAPL2CAP

TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM

ApplicationsApplications

DataDataC

ontr

ol

Con

trol

Bluetooth- Architektur

RFRF

BasebandBaseband

AudioAudioLink ManagerLink Manager LMP

L2CAPL2CAP

TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM

ApplicationsApplications

DataDataC

ontr

ol

Con

trol

Application Framework and Support

Link Manager and L2CAP

Radio and Baseband

Host Controller Interface

Bluetooth- Architektur

Basisband Protokoll

• Frequenzsprung-Verfahren

• Spread spectrum frequency hopping– 79/23 one MHz channels

– Hops every packet• Packets are 1, 3, or 5 slots long

– Frame consists of two packets• Transmit followed by receive

– Nominally hops at 1600 times a second (1 slot packets)

Bluetooth – BitübertragungsschichtBasisband - Protokoll

• 2,4 GHz ISM-Band

• Kombiniertes Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen pro Sekunde FHSS

• 79 Trägerfrequenzen (USA, Europa)

• 23 Trägerfrequenzen (Frankreich, Spanien, Japan)

• Modulationsverfahren GFSK

625µs

80MhzBandbreite

f

t

Basic Baseband Protocol

• Spread spectrum frequency hopping radio (FHSS)– 79/23 1-MHz Kanäle

– Springt mit jedem Paket• Packete sind 1, 3, or 5 Zeitschlitze lang

– Ein Rahmen besteht aus zwei Paketen• Einem Transmit folgt ein Receive

– Springt im Normalfall mit 1600 Hops/s

OneOneSlotSlot

PacketPacket

Three Slot PacketThree Slot Packet

FrameFrame

MasterMaster

SlavSlavee

625 us625 usOne SlotOne Slot

ffkk ffk+1k+1

OneOneSlotSlot

PacketPacket

FrameFrame

MasterMaster

SlaveSlave

625 us625 usOne SlotOne Slot

ffkk ffk+1k+1

OneOneSlotSlot

PacketPacket

Frequenzaufteilung des ISM-Bandes

FHSS

Bluetooth - Bitübertragungsschicht

625µs

80MhzBandbreite

f

t

Zustände eines Bluetooth-Geräts (PHY-Schicht)

STANDBY

inquiry page

connectedtransmit

PARK HOLD SNIFF

unverbunden

verbunden

aktiv

low power

7.48.1

Zustände eines Bluetooth - Gerätes

Standby• Alle Geräte, die sich in einem Pikonetz befinden, sind im

Standby-Mode• Gerät wartet alle 2.048 Zeitschlitze auf Rundnachrichten• Hört mit auf einer Untermenge von Trägerfrequenzen = Wakeup-

Carriers• Eine Verbindung kann von jedem Gerät initiiert werden• Wird dann automatisch Master• Das geschieht mit page-Nachricht, wenn Gerät Empfänger-

Adresse kennt• Wenn Empfänger nicht bekannt: inquiry-Nachricht gefolgt von

page-Nachricht

Zustände eines Bluetooth - Gerätes

HOLD• Höhere Leistungsaufnahme

• Gerät kann sofort wieder mit dem Senden beginnen, wenn es aus diesem Zustand herauskommt

• Behält MAC-Adresse

Zustände eines Bluetooth - Gerätes

PARK• Gerät ist nur selten aktiv

• Gerät hat geringe Leistungsaufnahme

• Gerät bleibt synchronisiert mit PICONETZ

• Ab und zu hört Gerät die aktuellen DÜ vom MASTER (Leitstation) ab Um sich zu synchronisieren

• Gerät gibt 3-Bit-MAC-Adresse frei – AMA Active Member Address

• Gerät erhält 8-Bit PMA– PMA Parked Member address

Zustände eines Bluetooth - Gerätes

SNIFF• HöchsteLeistungsaufnahme

• Slave hört MASTER noch ab, aber in größeren Abständen

• Intervalle, in denen mitgehört wird, sind frei programmierbar und anwendungsabhängig

Funktionsweise

• Standby– Wartet einem Piconetz beizutreten

• Inquire– Suche nach BT-Geräten

• Page– Verbindung mit einem bekannten

BT-Gerät aufnehmen

• Connected– Aktiv in einem Piconetz (Master oder

Slave)

• Park/Hold/Sniff– Low Power

connected states

Inquiry Page

ConnectedAMA

TransmitdataAMA

Ttypical=0.6s

Ttypical=2s

HOLDAMA

PARKPMA

Ttypical=2 ms

ReleasesAMA

Address

Low PowerStates

ActiveStates

Standby

ConnectingStates

UnconnectedStandby

Det

ach

SNIFFAMA

Ttypical=2 ms Ttypical=2 ms

Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-Schicht

• 1 MASTER und max 7 Slaves

• Alle Geräte in einem Piconetz springen gemeinsam

• MASTER bestimmt Frequenzsprungfolge (hopping sequenze)

Einmalige Parameter verhindern, dass zwei Pikonetze gleiche Sprungsequenzen haben

Piconets & Scatternets

• die anderen Knoten müssen auf die hopping sequence synchronisieren

• Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence

• Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen

Pikonetze

Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-SchichtDIENSTE

• Zwei verschiedene Dienste:– Synchrone verbindungsorientierte

– Asynchrone verbindungslose

• Synchronous Connection-Oriented link (SCO)– symmetrisch, leitungsvermittelt, Punkt-zu-Punkt

• Asynchronous Connectionless Link (ACL)– paketvermittelt, Punkt-zu-Mehrpunkt, Master fragt Stationen ab (polling)

• Zugangscode– Synchronisation, abgeleitet vom Master, einzigartig pro Kanal

Vernetzung

• Alle Nutzer eines Pikonetzes verwenden die gleiche Sprungfolge für die Trägerfrequenzen– Sie teilen sich folglich 1 MHz breiten Kanal

• Wenn mehrere Nutzer in einem Pikonetz, dann teilen diese sich die Bandbreite

Bandbreite sinkt

• Folgerung:

• Nutzung nur eines Pikonetze nicht sinnvoll

Scatternetz

Scatternets

• Gruppen von Pikonetzen

• Nur die Geräte, die aktiv Daten austauschen, teilen sich das Pikonetz

• Bis zu 200 passive Teilnehmer können sich in einem Pikonetz befinden

Pikonetze

Beispiel Scatternets

• 3 Pikonetze

• 2 Geräte sind in zwei Pikonetzen

• Alle 3 Pikonetze verwenden verschiedene Sprungfolgen

• Jedes Pikonetz benutzt 1 MHz Bandbreite

• Alle Pikonetze können die max. verfügbare Bandbreite von 80 MHz ausnutzen

Pikonetze

MMMM

SS

SS SS

SS

PP

sbsb

sbsb

PP

PP

Netzwerkverbindungen

• Bezeichnungen– Geräte können Master oder Slave in einem Netzwerk sein– Geräte sind symmetrisch (jedes Gerät kann sowohl Master als auch Slave sein)

• Piconet– Master kann sich mit 7 Slaves aktiv in einem Piconet verbinden.– Über 200+ Slaves sind in einem Piconetz möglich– Jedes Picone hat eine maximale Kapazität (1 MSPS)

• Unique hopping pattern/ID

• Scatternet– Geräte können gleichzeitig in mehreren Piconets teilnehmen– Systeme mit großer Kapazität

• Minimale gegenseitige Beeinflussung bei bis zu 10 Pikonetzen innnerhalb eines Bereiches.

Netzwerkverbindungen

• Befinden sich mehrer Pikonetze in einem Scatternetz sinkt die Leistungsfähigkeit eines vorhandenen Pikonetzes ab.– Zahl der Kollisionen steigt– Liegt daran, wenn 2 oder mehrere Pikonetze dieselbe Trägerfrequenz in

einem Zeitschlitz wählen

• Ein Gerät kann nur in einem Pikonetz aktiv sein• Wenn es an mehr als nur einem Pikonetz teilnehmen will, muss es

sich auf das Pikonetz synchronisieren an dem es teilnehmen will.• Wenn Gerät SLAVE in einem Pikonetz, dann muss es sich auf die

Folgefrequenz des Pikonetzes synchronisieren• Nach Synchronisierung ist SLAVE im Netz

– Im alten Netz im PARK oder HOLD bei ACL-Diensten bzw.– Periodisches Hin- und Herspringen der SCL-Dienste

HP

Netzwerkverbindungen

• Wenn das Gerät ein MASTER ist, kann dieses das Pikonetz ebenfalls verlassen

• Gerät kann nicht in mehreren Pikonetzen gleichzeitig Master sein– Würde gleiche Sprungfolge bedeuten

– Gleiches Verhalten würde beide Pikonetze zu einem machen

• Wenn Master sein Pikonetz verlässt, dann wird der Datenverkehr solange unterbrochen, bis er wieder zurückkehrt

• Kommunikation zwischen zwei Pikonetzen wird durch Geräte realisiert, die immer zwischen den Netzen hin- und herspringen

• Erfolgt das periodisch, dann können isochrone Datenströme weitergeleitet werden

Batterielebenszeit

• Stromverbrauch*– Standby Strom < 0.3 mA

• 3 Monate

– Voice mode 8-30 mA• 75 Stunden

– Data mode average 5 mA – (0.3-30mA, 20 kbit/s, 25%)

• Þ 120 hours

• Low Power Architecture– Programmable data length (else radio

sleeps)– Hold and Park modes 60 µA

• Devices connected but not participating• Hold retains AMA address, Park

releases AMA, gets PMA address• Device can participate within 2 ms

– *Estimates calculated with 600 mAh battery and internal amplifier, power will vary with implementation

Bluetooth Sicherheit

• Schnelles Frequenzspringen (79 Kanäle)

• Niedrige Übertragungsenergie (Bereich <= 10m)

• Authentication von Remote Geräten– Basiert auf einem Verbindungsschlüssel (128 Bit)

– Kann in beide Richtungen durchgeführt werden

• Verschlüsselung von Nutzdaten (Encryption of payload data)– Stream cipher algorithm ( 128 Bit)

– Beeinflusst den Gesamtverkehr einer Verbindung

• Initialisierung– PIN Eintrag durch Nutzer

Sicherheit auf Anwendungsebene

• Wird oberhalb der Sicherheit auf Verbindungsebene gebildet – Erzeugen von sich vertrauenden Gerätegruppen (trusted device groups)

• Sicherheitsebenen für Dienste– Autorisierung (Authorization) erforderlich

– Authentifizierung (Authentication) erforderlich

– Verschlüsselung (Encryption) erforderlich

• Hinzufügen anderer oder höhere Sicherheitsanforderungen können möglich:– Persönliche Authentifizierung

– Höhere Sicherheitsebenen

– Public key

Bluetooth Sicherheit

• Um sich mit einem Bluetooth Gerät zu verbinden ist eine PIN notwendig

• PIN ist pro Gerät und nicht pro Service– Das ist sehr gut und ausreichend für persönliche Geräte mit Einzelaufgaben– z.B. Schutz eines Telephones von Fremden genutzt zu werden.

• Problem für adhoc Geräte/Anwendungen– PIN für jedes Gerät erforderlich– Um Zugriff auf alle Dienste auf den Geräten zu erhalten

• Sicherheit auf höhere Ebene erforderlich und keine PIN– Adhoc FTP Nutzereingriff erforderlich. Wozu PIN?– Adhoc PAN möchten keine PIN, sonst können keine Roaming PANs

installiert werden– Austausch von Visitenkarten in eine spezielle Richtung.

Current 802.15 Project Activity

Project Data Rate Range Configuration Other Features

802.15.1(Bluetooth)

1 Mbps 10M (class 3)100M (class 1)

8 active devicePiconet/Scatternet

Authentication,Encryption, Voice

802.15.3High Rate

22, 33, 44,55 Mbps

10M 256 active devicePiconet/Scatternet

QoS, Fast JoinMulti-Media

802.15.4Low Rate

up to250Kbps

10M nominal1M-100Mbased onsettings

Master/Slave(256 Devices ormore)Peer to Peer

Battery Life:multi-month toinfinite

802.15.SG3aAlternate15.3 PHY

>100Mbps 10M nominal 256 active devicePiconet/Scatternet

802.15.2Coexistence

Develop a Coexistence Model and MechanismsDocument as a Recommended Practice