PAN – Personal Area Network

1. PAN – Personal Area Network Salla Brunou, tite 5 010626000 Lähiverkot –erikoistyökurssi 23.2.05

2. Sisältö • Panin käsite • Hajaverkkojen optimointi • PANin ja kenttäväyläjärjestelmien yhteen sovittaminen • Ihmiskeho siirtotienä

3. PAN vai WPAN • PAN-termiä käytetty hieman epämääräisesti • Määritelmät vuonna 2000: • ”PAN-verkko muodostuu henkilön tai esineen ympärille n. 10 metrin säteellä, ja verkkoon voi kuulua kaksi tai enemmän muita ihmisiä tai esineitä, jotka voivat olla liikkeessä tai paikallaan.” • ”WPAN-verkko on langaton ad hoc –verkko, joka mahdollistaa itsenäisten laitteiden kommunikoinnin keskenään.”

4. PAN vai WPAN • PAN-termi vakiintunut • Käytännön tausta: mukana kannettavien, henkilökohtaisten elektronisten laitteiden yleistyminen • Kännykkä, kannettava tietokone, PDA, mp3-soittimet… • Kuluttajat haluavat verkkoyhteyteen näillä laitteilla

5. PAN-verkko  PAN-verkossa oleellista alhainen virrankulutus • (Muuten laitteista koko ajan akku lopussa) • PAN-teknologioita Bluetooth (+ HomeRF, IrDA) • Muut mahdollisuudet

6. PANin ja WLANin erot • ”Muodostanko PAN-verkon, jos olen kannettavalla tietokoneella yhteydessä WLAN-verkkoon?” • Et  WLAN-standardi IEEE 802.11 ja WPAN-standardi 802.15 eroavat toisistaan perustuen juuri virrankulutuksen eroihin • WLAN-verkko nähdään enemmän kiinteän verkon täydentäjänä

7. PAN-standardointi • Bluetooth julkaistiin 1994  suosio loi tarvetta IEEE-standardoinnille • WPAN-standardi 802.15.1. julkaistiin kesäkuussa 2002 • Perustuu vahvasti Bluetoothiin • Käsittelee langattoman MAC-kerroksen ja fyysisen kerroksen määrittelyä WPANille

8. PAN-standardointi • Täydentäviä standardeja vuonna 2003 • 802.15.2. käsittelee WPANin ja muiden langattomien laitteiden yhteensopivuutta lisensoimattomilla taajuuksilla • 802.15.3 määrittelee langattoman MAC-kerroksen ja fyysisen kerroksen toimintaa korkeiden nopeuksien WPANeissa (high rate wireless personal area networks, HR-WPANs) • 802.15.4 määrittelee vastaavat asiat hitaiden nopeuksien WPANissa (low-rate wireless personal area networks, LR-WPANs).

9. Standardointi ja tutkimuslähteet • Marraskuussa 2004 Bluetoothista julkaistiin uusin versio (Bluetooth Core Specification Version 2.0 + Enhanced Data Rate) • Seminaarityössä esittelemäni tutkimukset kuitenkin tätä vanhempia •  tieteellinen tutkimus aina himpun verran jälkijunassa tekniseen kehitykseen verrattuna

10. PAN-tutkimus • Esittelyssä kolme erilaista PANiin liittyvää tutkimusta vuosilta 2003 ja 2004 • Voidaan tarkastella myös käytännönläheisyys–utopia –akselilla • Millaisessa vaiheessa PANin kehitys on? • Millaisia käytännön sovelluksia voidaan odottaa tulevaksi?

11. Hajaverkkojen optimointi – SHAPER-algoritmi • “Optimized Scatternet Topologies for Personal Area Networking in Dynamic Environments.” • Rooman yliopisto, kesäkuu 2004 • Bluetooth sopiva metodi kytkemään PAN-verkot kiinteisiin verkkoihin ja muihin laitteisiin • Hajaverkkojen muodostamisessa haasteita

12. Pikoverkot ja hajaverkko

13. Mitä hajaverkon tulee osata? • Multi-hop-verkossa toimiminen • verkon solmut saattavat olla yhteydessä toisiin solmuihin yhden tai useamman linkin välityksellä sen sijaan että ne välttämättä olisivat suorassa yhteydessä toisiinsa. • Verkon itsekorjautuvuuden takaaminen • verkkoon liittyy ja siitä poistuu koko ajan solmuja • Hallinnassa tulee olla uusien solmujen liittyminen verkkoon ja verkon solmujen liikkuvuus, yhteyden katkeaminen ja verkosta poistuminen. • Rajoitettu aika verkon muodostamiseen • Optimaalisen topologian saavuttaminen

14. SHAPER-OPT -proseduuri • SHAPER-algoritmi muodostaa dynaamisesti puumallin hajaverkkoja • DSOA (Distributed Scatternet Optimization Algorithm )-proseduuri käy puun solmuja toistuvasti läpi ja tarkastaa, mihin verkkoon ne haluavat kuulua ja onko niiden rooli master vai slave • Lopuksi verkko muodostetaan uudelleen, mikäli tarpeen

15. SHAPER-OPT -proseduuri

16. SHAPER-OPT -proseduuri • Testattu performanssianalyysillä ja simulaatiolla • Yhdistää mesh- ja puutopologioiden ominaisuuksia • Kaksi topologiaa yhtä aikaa: fyysinen (MT) ja looginen (LT) • Ryhmän väitteenä, että SHAPER-OPT ensimmäinen algoritmi, joka täyttää kaikki alussa mainitut kriteerit

17. PANin ja kenttäväyläjärjestelmien yhdistäminen • "Linking Control Networks and Wireless Personal Area Networks." • Wienin yliopisto, syyskuu 2003 • Kenttäväyläjärjestelmät (fieldbus systems) ovat teollisuusauto-maatiossa ja rakennustekniikassa käytettyjä yksinkertaisia protokollia

18. PANin ja kenttäväyläjärjestelmien yhdistäminen • Tavoitteena käytännön sovelluksia, esim. rakennuksessa liikkuja voi säädellä lämpötilaa henkilökohtaisten mieltymystensä mukaan • PAN-verkon kautta pääsy rakennuksen kontrollijärjestelmään • Tutkimuksessa toteutettiin esim. lukitun oven avaaminen kännykän PIN-koodin perusteella

19. Käytännön haasteita • PAN- ja kenttäväyläjärjestelmät eroavat toisistaan huomattavasti • Edellisessä vain ISO/OSI –kerrosmallin alimmat kerrokset määritelty • Jälkimmäisessä yleensä täysin määritelty protokolla • Ratkaisuna access pointit (saantipisteet)

20. Arkkitehtuuritason yhdistäminen • PANista kenttäväylään • Kenttäväylältä PANiin • PANista PANiin • Kenttäväylältä kenttäväylälle (absurdi ajatus, koska piuha väliin ajaisi saman asian)

21. Access point -arkkitehtuuri • Kolme vastuualuetta: • PANin esittäminen virtuaalisina kenttäväyläobjekteina • Kenttäväylän esittäminen PANille saatavissa olevana datana • Datan tunneloiminen PANilta PANille • Kaksi ensimmäistä tehtävää olisi toteutettavissa sovellustason yhdyskäytävillä. • Kuinka löytää saatavilla olevat palvelut ja solmut ja kuinka abstraktoida data ja palvelut?

22. F-W application Gateway FSDP WSDP WPAN Stack Fieldbus Stack W-F application Gateway W-W Tunneling Access point -arkkitehtuuri • FSDP =fieldbus service discovery protocol , • WSDP = WPAN service discovery protocol

23. Service Registration S = Temp Sensor Ph = Location Info S Service Delivery AP FB (Mobile) phone PAN to Fieldbus services Access point -arkkitehtuuri • Naamioidaan toisen osapuolen palvelut toiselle tunnistettaviksi

24. Haasteita • Kenttäväyläjärjestelmä lähettää tietoa PANille, tutkimusryhmä testasi PDA-laitteen kanssa • Tutkimusryhmän haaste: kuinka PDA ymmärtäisi saamaansa tietoa? • Ratkaisuksi ehdotettiin Javaa tukeva verkkoselain ja Java-appleteja • Päätettiin tehdä jatkotutkimus aiheesta

25. Profilointi • Kahden järjestelmän välisessä kommunikoinnissa oleellista profiloida tarjolla olevat palvelut kunnolla • Access point rekisteröi lähettyvillä olevat PAN-verkon solmut ja tunnistaa niiden palvelut • Välittää saamansa tiedot kenttäväyläjärjestelmän solmuille • Tunnistamattomille palveluille yleinen standardiprofiili

26. Tutkimuksen tulokset • Tutkimusryhmä keskittyy jatkotutkimuksiin ja arvioi tämänkaltaisille palveluille olevan tilausta • Missä määrin realistista? • Tietoturva heikko kohta: kenttäväyläjärjestelmien tietoturva ollut käytännön syistä alhainen, langaton siirtotie altis hyökkäyksille

27. Ihmiskeho siirtotienä • "Development of wearable intra-body communication devices“ • Tokion yliopisto, kesäkuu 2003 • Signaalin siirtäminen ihmiskehon läpi, eroavaisuus ilmassa siirtämiseen verrattuna

28. Sovellusmahdollisuudet • Lääketieteelliset sovellukset, esimerkiksi kehon rasvan mittaaminen • Musiikkipalvelut • Ei eritelty tarkemmin • Ensimmäiset testit analogisille signaalille

29. Keho aaltojohteena • Päätteeltä syötetään elektromagneettinen aalto

30. Funktiogeneraattorilla 0,5 – 50 MHz siniaaltoja • 2 – 20 MHz taajuuksilla keho ilmaa parempi siirtotie

31. Testaus • Kehon etäisyys maasta ja kehon liikkeet, esimerkiksi käsivarren heilutus, eivät juuri vaikuttaneet tuloksiin • Kokeissa siirrettiin matalataajuuksista analogista dataa • Ääni, sensorien signaalit, sydämen syke • FM-piirit testausvälineinä

32. Sydämen syke -testi • Syke absorboitiin kiihtyvyysmittarilla sydämen päältä • Syöte ja ulostulo identtiset

33. Häiriöiden vaikutus • Ero ilmaan, kun taustalla voimakas häiriöääni

34. Jatkotutkimukset • Ulkoisten olosuhteiden vaikutus • EMG-tutkimus, elektromagneettisen induktion vaikutus • Oletuksena se, että tuloksia voitaisiin soveltaa kulutuselektroniikkaan

35. Yhteenveto • PAN-tutkimuksia tehty monelta eri kantilta – aika näyttää mistä löytyvät käytännön sovellukset • Mukana kannettavien henkilökohtaisten elektronisten laitteiden suosio tuskin laskee • Ihmiset tottuneet verkkopalveluihin ja haluavat niitä lisää  PANin kannalta myönteistä

36. Lähteet •        "Bluetooth: An Enabler for Personal Area Networking."  Per Johansson, Manthos Kazantzidis, Rohit Kapoor, Mario Gerla. IEEE Network, Sept/Oct 2001, Vol. 15, Issue 5. •        "Development of wearable intra-body communication devices." Keisuke Hachisuka,  Azusa Nakata, Teruhito Takeda,  Kenji Shiba, Ken Sasaki, Hiroshi Hosaka, Kiyoshi Itao. Transducers, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 12th International Conference. Vol. 2, June 2003. •       "Linking Control Networks and Wireless Personal Area Networks." Stefan Mahlknecht, Peter Palensky. IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Vol. 1, Sept 2003. • “Optimized Scatternet Topologies for Personal Area Networking in Dynamic Environments.” Francesca Cuomo, Guido Di Bacco, Tommaso Melodia. IEEE International Conference on Communications. Vol. 6, 20-24, June 2004. • “What is Bluetooth?” Patricia McDermott-Wells, IEEE Potentials, Vol. 23, Issue 5, Dec 2004 – Jan 2005. 6.         "WPAN Scheme for Blue-tooth Devices: A review." Ashvini Chaturvedi, M.B.R. Murthy. 4th National Conference on Telecommunication Technology Proceedings, Shah Alam, Malaysia. Jan 2003. 7. ”Wireless Personal Area Networks: An Overview of the IEEE P802.15 Working Group.” Richard C. Braceley, Ian C. Gifford, Robert F. Heile. Mobile Computing and Communications Review, Vol. 4, Number 1, Jan 2000.