T2: Redes Inalámbricas Aplicaciones
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Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 T2: Redes Inalámbricas Aplicaciones A. A. Introducción Introducción B. Aplicaciones de posicionamiento y localización C. Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensores E. Aplicaciones de computación ubícua F. Herramientas de desarrollo ¾ El API BlueZ ¾ J2ME ("Java 2 Micro Edition") ¾ The .NET Compact Framework Mobile Devices
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Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T2: Redes InalámbricasAplicaciones
A.A. IntroducciónIntroducciónB. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónC. Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensoresE. Aplicaciones de computación ubícuaF. Herramientas de desarrollo
El API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") The .NET Compact Framework Mobile Devices
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A. Introducción
Redes inalámbricas: The killer application?El éxito o fracaso de las nuevas tecnologías de red, dependen delas aplicaciones que de ellas pueden beneficiarseUna pequeña muestra:
Nuevos escenarios de aplicación …
En la oficinaEn el cocheDe viajeLlegando a casaEn centros comercialesEn operaciones militaresAplicaciones de trabajo en grupoServicios contextuales
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A. Aplicaciones inalámbricas ++
Entornos civilesReuniones y congresosServicios de información contextual (Museos)AeropuertosSincronización transparente entre dispositivos
Entornos domésticosEntornos de oficinaEntre vehículos
Entornos militaresVehículos, soldadosRedes tácticas
Desastres naturalesOperaciones de búsqueda y rescate
Redes de área personal (PANs)
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A. Aplicaciones basadas en servicios
Ubiquitous Computing
Proveedor de servicios
Servicios de información
Servicios de localización
Servicios de aprendizaje
Servicios de saludServicios
domóticos
Servicios contextuales
Servicios de negocio
“We are always very bad at predicting how a given technology will be used and for what reason”
Bran Ferren, chief Disney Imagineer
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Computador ENIAC 2ª guerra mundial
Válvulas de vacío (18000)30m largo por 2,5m alto20 registros de 10 bitsTarjetas perforadas
A. Sistemas computadoresEvolución tecnológica
1. Tamaño de los sistemas“Demasido pequeños para ser vistos”
ENIAC (14 de Febrero, 1946)
ENIAC: Von Neumann, John Mauchly, y J. Presper Eckert
Source: ENIAC, Museum Online: http://www.seas.upenn.edu/~museum/
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SMART DUST (1 mm3)1995 -2005
Capacidad de procesamientoElementos de sensorizaciónComunicación inalámbricaAutonomía (Batería)
Movilidad, espacio reducido, bajo coste, …
A. Sistemas computadoresEvolución tecnológica
1. Tamaño de los sistemas“Demasido pequeños para ser vistos”
Avances tecnológicosTecnología VLSIComunicación inalámbrica
Smart Dust (sensor nodes)
Source: Smart Dust Project,: http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/
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SMART DUSTAutonomous sensing and communication in a cubic millimeter
Componentes:Fuentes de energía
Celda solar
Almacenamientode energía
BateríaPower capacitor
SensoresProcesamientoReceptores ópticosComunicacióninalámbrica
PasivaActiva
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SMART DUSTAutonomous sensing and communication in a cubic millimeter
Aplicaciones:Detección y seguimiento de objetosCaracterización del entornoClasificaciónInventariosEspacios inteligentesDefensa…
¿Estáticos vs dinámicos?
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A. Sistemas computadoresEvolución tecnológica
2. Coste de los sistemas computadores“demasiado bajo para permitir su generalización”
En un futuro no lejano Cualquier objeto cotidiano, dispondrá de capacidad de procesamiento que permitirá el despliegue de ambientes y contextos inteligentes de bajo coste
Procesadores embebidos:– En cualquier objeto– Bajo coste– Sin coste adicional
¿Objetos cotidianos vs Computadores?
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A. Sistemas computadoresEvolución tecnológica
3. Velocidad de los sistemas“Demasido rápidos para imaginarselos”
Ley de Moore (1965)Velocidad de procesamientoy capacidad de almacenamientose duplican cada 18 meses
Se prevé que siga la mismatendencia en los próximos 10 años.
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A. Sistemas computadoresEvolución tecnológica
3. Velocidad de los sistemas“Demasido rápidos para imaginarselos”
Generalización de la ley de MooreLos parámetros tecnológicos más importantesse duplican cada 1 – 3 años
Capacidad de memoriaAncho de bandaCapacidad de proceso
Consecuencia:Scaling down
1+2+3 = + Pequeño + Barato + Rápido1+2+3 = ↓ tamaño y ↑ número
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A. Sistemas de comunicaciónEvolución tecnológica
Ancho de banda (Bandwidth)Ancho de banda de una fibra óptica ~ 10 Gb/s2000: Wavelength Division multiplexing (WDM)
The dream of Terabit transmission a reality
ConexiónMainframesOrdenadores PersonalesRedes localesInternetEVERYTHING CONNECTED
Tecnología inalámbricaWireless WAN
GSM, UMTS
Wireless LANsIEEE 802.11
¿Nostalgia?
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A. Heterogeneidad de los sistemas inalámbricos actuales
“Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges”, Imrich Chlamtac, Marco Conti, Jennifer J.-N. Liu, Ad Hoc Networks, Elsevier, 1 (2003).
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A. Tipos de redes …
Wireless LANs (100 – 500m)Mobile Ad Hoc Networks (MANETs)Wireless PANs (1 -10 m)Spontaneous NetworksWireless BAN (1-5 m)Sensor’s networksRedes de SatélitesRedes celulares (de telefonía)Redes Ubícuas
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A. Redes inalámbricas de Área Local
Wireless LANs (100 – 500m)
Red corporativa de acceso a datos con características similares a las Redes Locales (RALs).Permiten el acceso de estaciones móviles con tecnología inalámbrica utilizando puntos de acceso (base stations)
Mismos requerimientos que las LANCapacidadConectividad
Características especiales:Requiere un punto de acceso por celda (BSS)Acceso inalámbricoSeguridad reducidaMovilidadAncho de banda reducido?
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Red ad hoc
A. Redes inalámbricas sin infraestructura
Mobile Ad Hoc Networks (MANETs)
Sistemas autónomos formados por un conjunto de estaciones móviles que se comunican con tecnología inalámbrica
No utilizan ningún tipo de infraestructura cableada fijaTopología dinámicaComunicación de múltiple saltoRadio de comunicación limitado
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A. Redes inalámbricas de Área Personal
Wireless PANs (1 -10 m)
Red que se establece alrededor de personasy que permite la comunicación entredispositivos de uso personal.
Permite la comunicación de dispositivosen un área reducida
Conexión con dispositivos propiosConexión con otros dispositivos del entorno
Proliferación de dispositivos de uso personal
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A. Redes Espontáneas
Red Espontanea
Spontaneous Networks
Red privada temporal de pequeña escala que se establece alrededor de un grupo de personas que participan en tareas colaborativas
Tareas colaborativasNo utilizan ningún tipo de infraestructura cableada fijaEl encaminamiento no es un requisito fundamentalComunicación de único salto
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A. Body Area Networks (BAN)
Wireless BAN (1-5 m)
Red de soporte a micro dispositivos distribuidos por el cuerpo humano (cámaras, micrófonos, sensores)
Red de bajo consumo (nA) y baja capacidad (kb/s)
AplicacionesReconocimiento automáticodel usuario y configuración del entorno
Home networksCar networksPAN networks
Entornos inteligentesRopa inteligente
Otras Aplicaciones Wearable Computing
Sensores de huellas
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A. Body Area Networks (BAN)
Red de soporte a los Wearable Computers
“By 2009 computer will disappear. Visual information will be written directly onto our retinas by devices in our eyeglasses and contact lenses”
Raymond kurzweil
Wearable computing ? ¿Joyería o Wearable computing?
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A. Redes de sensores
Sensor’s networks
Sistemas autónomosdesplegadas deforma densa y aleatoriaObjetivo:
Entregar la informacióndesde los sensoreshacia una entidadcentral para suprocesamiento
Soluciones similares a MANETs. But …
Muchos Dispositivos debajo costeBaja potencia
… ++ Soluciones
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A. Redes inalámbricas de área amplia
Redes de Satélites
Satélites:Satélites Geostationary Earth Orbit(GEO)
Ejemplo: Inmarsat
Satélites Low-Earth Orbit (LEO)Ejemplo : Iridium (66 satellites)
Global Positioning System, (GPS)26 satélites controlados por el DD delos EEUU. Sistema de localización
GalileoPropuesta de posicionamiento global Europea.Se espera que el 2008 el sistemadisponga de 30 satélites operativosTerminales compatible con GPS
ground stations
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A. Redes inalámbricas de área amplia
Redes celulares
Redes de telefonía:Primera generación, 1985.
Sistemas analógicos. Total Access Communication Systems TACSCelda de radio 30 km. No roaming. Aplicaciones de voz.
Segunda generación, 1992.Sistema digital, GSM.Celda de radio 5 - 10 km. Roaming internacional. Voz y datos.
Segunda generación ++, 1995.SMS, GPRS, EDGE
Tercera generación, 2003.UMTS. Servicios multimedia. 2 Mb/sCelda de radio 2.5 km.Roaming global
Sistemas 4G. (Beyond 3G)Sistema completamente digital 4GRedes IP de commutación de paquete Alta velocidad. Aplicaciones multimedia. QoS…
Red celular
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Tomorrow every object will become smart and they will all be interconnected
Avances tecnológicosProcesadoresSensoresComunicacionesNuevos materialesConsumoPrecioMiniaturización…
A. Redes Ubícuas
Red de casainteligente
Red de la oficina PAN and Body
Network
Redes EVERYWHERE
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A. Tecnologías de soporte
DECT Estándar de telefonía inalámbrica
BluetoothEstándar de comunicación inalámbrica en áreas reducidas (BAN, PAN, LAN)
WLAN (IEEE 802.11b (11 Mbps), IEEE 802.11g (54 Mbps))
Red de comunicación radio en entornos locales sin licencia. Rango de 50 m alrededor de puntos de acceso (Hot Spot)
WiMAX (IEEE 802.16 a, b, d, e, g)
Extensión de WLAN para velocidades de hasta 74 Mbps y cobertura desde cientos de metros hasta varios km.En 2006, los portátiles incorporarán WiMAX chips.
GSM, GPRS y EDGEEstándares de comunicación móvil de Segunda Generación (2G)
UMTSEstándar de comunicación móvil de Tercera Generación (3G)Máxima tasa de transferencia 2 Mbps
HSDPAMejora UMTS hasta 14,4 Mbps
4G (Alta movilidad y alta tasa de transferencia)
Requerimientos de comunicación móvil de Cuarta Generación (4G)
Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T4: Redes InalámbricasAplicaciones
A. IntroducciónB.B. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónAplicaciones de posicionamiento y localizaciónC. Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensoresE. Aplicaciones de computación ubicuaF. Herramientas de desarrollo
El API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") The .NET Compact Framework Mobile Devices
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B. Aplicaciones de Posicionamiento y localización
Location + mobile devices Location-based services and Context-aware applications
Context includes: users locationlocation and the environment.
“Enemigo público (Will Smith).
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B. Sistemas de localización
Sistema de localizaciónSistema que proporciona la posición geográfica, más o menos exacta, de una entidad móvil.
Posición que se ofrece al propio dispositivo móvilEvento que se transmite a un servidor remoto de forma transparente
Una primera clasificación …Sistemas de localización para exteriores
Son sistemas concebidos para localizar entidades móviles en áreas extensasPermiten implementar multitud de aplicaciones dependientes del contextoInconvenientes: ¿QUÉ SUCEDE EN ENTORNOS CERRADOS?¿QUÉ SUCEDE EN ENTORNOS CERRADOS?
Sistemas de localización para interioresSistemas diseñados de forma específica para la localización de entidades en un edificio
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B. Sistemas de localización
Se basan en tratamiento de señales:Retardos de propagación y desfase de señales
Exteriores: Señales de radiofrecuencia o señales digitales vía satélite
Interiores: Señales de radiofrecuencia o infrarrojos.
Receptores:Cada vez mas pequeños y baratos
Precisión receptores satélite ~ 20 metros (SE PUEDE MEJORARSE PUEDE MEJORAR)Precisión protocolos de telefonía ~ 100 metros (SE PUEDE MEJORARSE PUEDE MEJORAR)
Tendencias …Utilización de tecnologías inalámbricas StandardIntegración de varios sistemas de localización (Robustez de localización)
Tecnología WirelessLAN Potencia de la señalTecnología Bluetooth InquiryTecnología etiquetas inteligentes Detección de RFID
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B. Sistemas de localización para exteriores
1. Global Positioning System (GPS)Sistema compuesto por 26 satélites (Se prevén nuevos lanzamientos 2009)Facilita información de localización, velocidad y horaBasado en el concepto de triangularización
Satélites y señales digitales vs antenas terrestres y niveles de potencia
Usuario Receptor GPS, calcula la posición a partir de desfases de señalesSistema lineal (mínimos cuadrados nétodo iterativo hasta reducir el error)
Cobertura global y gran precisión (< m)Controlados por la Fuerza Aérea EEUU
Sources: GPS,: http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
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B. Sistemas de localización para exteriores
2. GalileoPropuesta europea de posicionamiento global por satélite30 satélites2008 Pleno funcionamiento y administrado por personal civilVOCACIÓN COMERCIAL:
Servicio gratuito de posición (error < 5 metros)Servicios de pago de mayor precisión
Compatibilidad GPS y GALILEOPENDIENTES DE ACUERDOS
“C. López and M. Cano, Galileo: The European satellite radio navigation system. IEEE Global Communication Newsletter, IEEE Communication Magazine, 2002.
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B. Sistemas de localización para exteriores
3. Sistemas de localización de telefonía móvilServicio LCS (Location Service)
Define la funcionalidad, interfaces y mensajes necesarios para localizar terminales en una red de telefonía móvil (GSM, UMTS, etc)
CATEGORÍAS LCS:CATEGORÍAS LCS:LCS COMERCIALLCS COMERCIAL– Proporciona servicios de valor añadido a los usuarios.
LCS INTERNOLCS INTERNO– Utilizados por la propia operadora de acceso. Medidas de tráfico,
información de cobertura, servicios suplementariosLCS DE EMERGENCIALCS DE EMERGENCIA– Permiten dar asistencia a llamadas de emergencia. Obligatorio en algunos
países. Ofrecen la posición del llamante a los servicios que responden a la llamada.
LCS LEGALLCS LEGAL– Utilizados para combatir delitos
NEXT … Mecanismos de posicionamiento para LCS
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B. Sistemas de localización para exteriores
Mecanismos de posicionamiento para LCS. (Se han estandarizado los siguientes tres mecanismos.)
TimingTiming AdvanceAdvance (TA)(TA)La posición la calcula el SMLC (Service Mobile Location Centre)Utiliza dos parámetros:
– La celda receptora– Estimación del desfase debido al retardo de propagación de una señal TA.
TimingTiming ofof ArrivalArrival (TOA)(TOA)Se utilizan LMU (Location Measurement Units)El terminal envía ráfagas de acceso a varias LMUsLocalización en función de la estimación de varias LMUsSistema no escalable
EnhancedEnhanced ObserverObserver Time Time DifferenceDifference (E(E--OTD)OTD)Las medidas las realiza el propio Terminal móvilSe calcula la posición a partir del tiempo de llegada de una señal enviada por varias estaciones base
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B. Sistemas de localización para exteriores
Ejemplos de aplicación
Pathfinder (Casio) Características técnicas:
Precisión 30m66x66x30 mm140 gramosAutonomía ~ 1000 medidas
Localizador de mascotaPosición vía GPS ¿ Gadget o herramienta útil ?
Receptor GPSReceptor GPS
Futuro: Integración GPS en RFID y tarjetas PCMCIA
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B. Sistemas de localización para interiores
1. Triangulación de radiofrecuencia“ Se miden las distancias a varios puntos a partir de las señales recibidas y la intersección determina la posición”Se suele utilizar la potencia de la señal recibida
A menor potenciaA menor potencia más lejano se encuentra el objeto que emitió la señal
Sistemas que lo utilizan:3D3D--iDiD..
Producto de la compañía PinPoint– Dispositivos móviles con etiquetas de radiofrecuencia – Infraestructura fija (emisores, receptores, centro de procesamiento)
RADAR.RADAR.Propuesta de Microsoft Research–– Utiliza tecnología comercial Utiliza tecnología comercial WaveLANWaveLAN que permite obtener medidas de
potencia de señales
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B. Sistemas de localización para interiores
2. Balizas de infrarrojos y de radiofrecuencia“La localización depende de la asociación de objetos con zonas o balizas. Se han utilizado tecnologías diversas: de infrarrojos, y de radiofrecuencia”
Sistemas que lo utilizan:Bat Bat y su predecesor Active Active badgebadge SystemSystem.
Sistema propuesto por AT&T– Utiliza tecnología de radiofrecuencia e infrarojos– Infraestructura de elementos receptores– Transmisores inalámbricos móviles – Estación base– Servidor central
CoolTownCoolTown..Sistema propuesto por Hewlett-Packard– Utiliza tecnología de infrarojos– La posición se determina mediante la asociación terminal – baliza– La localización de los objetos se distribuye hacia un servidor web a traves de
la red de datosCricketCricket..
Propuesta del MIT– Parecido al sistema CoolTown. Sin embargo, éste funciona de forma
transparente al usuario.
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B. Sistemas de localización para interiores
Food for thoughts
Sistemas de localización basados en el standard BluetoothEstudio del arte Análisis de las arquitectura propuestas… Implementación de un primer prototipo… Adaptación a otros entornos
“Contribución al desarrollo de aplicaciones alternativas de bluetooth: localización de usuarios y telemando”, Jaime García, Tesis Doctoral, 2003.
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Objetivo inicial del proyecto:Ofrecer servicios eficientes de localización y coordinación en grandes y medianas organizaciones
Localización de profesores y estudiantes en la ETSIALocalización de doctores y pacientes en un hospital. EMERGENCIASEMERGENCIAS
Soluciones existentes:Recepcionista PBXs son de utilidad!
Solamente útil si el usuario se involucra.
Buscas (Beeper) ¿Usuario no contesta?
Active BadgeAsociados a personas y objetosUtilizar el badge para:
Control de accesoServicios de localizaciónServicios de localización
B. The Active Badge Location Project
R. Want, A. Hopper, V. Falcao, and J. Gibbons, "The Active Badge Location System", ACM Trans. on Information Systems, Vol. 10, No. 1, Jan. 1992.
Sources: http://www.uk.research.att.com/ab.html
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B. Arquitectura de Active Badge
Active BadgesAsociados con objetos y personas. Pueden emitir de forma periódica (~10s) un código identificativo (BEACON)
Red de sensoresDistribuidos por la corporación para comunicarse con los Badges
Servidor centralConectado con la red de sensores. Recoge la información y la hace disponible
Active Badge
Active Badge
...Active Badge
Sensor
Sensor
Servidor central /Aplicación
Red cableada
Red inalámbrica de infrarrojos
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B. Active Badge
CaracterísticasTamaño: 5cm x 5cm x 0.7cm Tecnología infrarrojos (Alcance 6 metros)
Consumo energía Periodo de señalización (15 sec ~ batería 1 año)WearableLínea de visión
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B. Arquitectura de red
Badge Sensor Computer Servidor Central
2 líneas dealimentación,1 línea de control1 línea de datos
2 líneas de2 líneas dealimentación,alimentación,1 línea de control1 línea de control1 línea de datos1 línea de datos
Ethernet
Infrarrojos
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B. Aplicación inicial
Asistente de recepcionistaMonitoriza la localización de los empleados de una organización Permite los siguientes comandos
FIND, WITH, LOOK, NOTIFY , HISTORYFIND, WITH, LOOK, NOTIFY , HISTORY
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A. Beneficios de la aplicación
BeneficiosLocalización de personalGestión de reuniones Identificación de visitas…
Mejoras Redirección automática de llamadasAceptación de llamadas condicionales a la localización¿Privacidad?…
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B. The Active Badge. DEMO.
Prototipo Olivetti Research LaboratoryCambridge, England
DEMO
The Active Badgeolivetti research laboratory
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Active Bat vs Active BadgeLocalización 3D Proporciona localización “de grano fino” Permite implementar nemeerosas aplicaciones
PosicionamientoRealidad virtualSeguimiento de objetos
B. The Bat Ultrasonic Location System
M.Addlesee, R.Curwen, S.Hodges, J.Newman, P.Steggles, A.Ward and A.Hopper, "Implementing a Sentient Computing System", IEEE Computer, 2001.
Sources: http://www.uk.research.att.com/bat/
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B. Principios de funcionamiento
Arquitectura de red:1. Transmisores radio. (Circuitería de transmisión rádio)2. Bat. (Circuitería de transmisión rádio y de ultrasonidos)3. Receptores de Ultrasonido. (Posicionamiento Posicionamiento 3D)
Teoría Triangulación de ondas de ultrasonido:
Los receptores de ultrasonido calculan el tiempo de vuelo de la señal de ultrasonido.Conocida la velocidad del sonido y a partir de tres distancias– Localización 3D
Seguimiento de posición 3DPosicionamiento Posicionamiento 3D
Andy Ward. Sensor-driven Computing. PhD thesis, University of Cambridge, 1998.
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B. Receptores de ultrasonido
Matriz de receptores de ultrasonidoConectados en cadena (daisy-chain)Un DSP recoge las medidas de los receptores y calcula la posición 3D
Conector serie Daisy Chain
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B. Implementación del sistema
R. Harle, A. Beresford, “The bat system in action”, Ubiquitous ComputingWorkshop, 2002.
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B. Aplicaciones
1. Modelando el entorno
Generador de mapas de entorno(Localización)
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B. Aplicaciones
2. información dependiente del entorno
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B. Aplicaciones
3. Otras …
Posters inteligentes
Información del entorno
Aplicaciones “sígueme”
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B. The Bat Ultrasonic Location System. DEMO.
Prototipo AT&T Laboratories CambridgeCambridge, England
DEMO
The Bat LocationSystem
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Objetivo global del proyecto:Explorar aplicaciones contextuales en los espacios ¿futuros? de computación ubicua
Demostrar como los dispositivos móviles pueden ser utilizados en aplicaciones contextuales
Objetivo a corto plazoDesarrollar la infraestructura necesarias para proporcionar servicios de visitas guiadas inteligentes
Implementar una aplicación de visita guiada para PDAAplicación CONTEXT AWAREAplicación CONTEXT AWARE
–– LocalizaciónLocalización–– PrediccionesPredicciones–– InteraciónInteración
APLICACIÓNAPLICACIÓNTURISMOTURISMO
B. Cyberguide Project
Gregory D. Abowd, Christopher G. Atkeson, Jason Hong, Sue Long, Rob Kooper and Mike Pinkerton. Cyberguide: A Mobile Context-Aware Tour Guide. Baltzer/ACM Wireless Networks, Vol. 3. 1997.
Sources: http://www.cc.gatech.edu/fce/cyberguide/
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B. Características de Cyberguide
HardwarePDAInterfaz entrada/salidaWearable
ServiciosLocalización
Indoor Infrarrojos (BEACON)Outdoor GPS
Mapas y direccionesInformación del entornoMúltiples diccionarios…
Más …Interacción entre usuariosAlmacenamiento de informaciónRealidad virtual …
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B. Arquitectura de Cyberguide
Cartographer (map component):Tiene información detallada del entorno
Localización de laboratorios, edificios etc
Librarian (information component)Proporciona información acerca de objetos y señales que el usuario encuentra durante su visita
¿Que artista pinto esta obra?¿Quién trabaja en este laboratorio?
Navigator (positioning componet)Refleja en el “mapa” la posición exacta del usuario
¿Que estoy viendo?¿Donde me encuentro?
Messenger (communications component)Permite comunicaciones inalámbricas
Enviar mensajes de aviso. “El Bus sale dentro de 15 minutos!!”
Sistema modular e independiente de la tecnología !!
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B. Prototipo Cyberguide
InterioresTecnología inalámbrica: InfrarrojosSistema de guiado en el laboratorio de investigación:
Graphic, Visualization & Usability (Georgia Institude of Technology)
CartographerMapa descriptivo de los laboratorios
LibrarianBase de datos con información de los laboratorios
NavigatorInterfaz entre el sistema de localización y el Cartographer
MessengerEnvío y recepción de e-mail, HTML y TCP/IP
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B. Sistema de posicionamiento interiores
InfrarrojosDistribución de mandos a distancia en el techo del laboratorio crewandoceldas que identifican localización
Emiten BEACON periódicos (40 Khz)
Receptores controlados por motorola 68332Inconveniente: POSICIÓN SOLAMENTE LA CONOCE EL RECEPTOR!!
Plataforma Apple
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B. Cyberguide en exteriores
TestbedGeorgia Tech campus
Tecnología de posicionamientoGPS
PlataformaPDA + Windows CE
Cyberguide
Receptores GPS
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B. Cyberguide. Extensiones
1. Interacción con el entorno2. Mecanismos de comunicación mejorados
Comunicación por raadiofrecuenciaMensajeríaBroadcastAvisos personales
1. CyBARguide
2. mailing
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Objetivo global del proyecto:Promover la investigación en espacios inteligentes
smart spaces or intelligent environment
COOLTOWN =COOLTOWN =Pervasive computing + smart spaces + location awareness + augmented reality
WebsignProyecto de computación ubícua basado en la integración de tecnologías web y espacios inteligentesObjetivo:
Ofrecer servicios de computación ubícua relacionados con el entorno utilizando componentes virtuales denominados WEBSIGN WEBSIGN
Los Websign se integran con el entorno real utilizando para elloServicios de localizaciónServicios de comunicación inalámbrica
B. Cooltown Project
S. Pradhan, C. Brignone, Jun-Hong Cui,A. McReynolds, M. Smith, “Websign: hyperlinks from a physical location to the web,” HP Laboratories, 2002.
Sources: http://www.cooltown.hp.com/
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B. Websign: Arquitectura general
TecnologíasPDA o teléfono móvilSistema de posicionamiento (GPS)Software cliente y servidor:
Recibe los Websign de su entornoFiltradoSelección (URL)
Websign:LocalizaciónURLInformación de control
– Categoría» Restaurantes,
teatros, …
Enlace entre el entorno real y servicios
ofrecidos vía web
Sistema de locacización:¿Diferencias con Active Badge?
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B. Servidor Websign
Funciones1. Crear y distribuir Websign
en el entorno2. Entregar a los clientes la lista
de Websign disponibles
Interfaz gráfica de creación de Websign
Websign Markup Language~ similar a WAP y XML
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Funciones1. Localizar servidores Websign
Manualmente vs automáticamente (BEACON)2. Recibir Websign desde el servidor3. Filtrar los Websign utilizando para ello la localización4. Mostrar la información al usuario
B. Cliente WebSign
Arquitectura del cliente
Fases del cliente:Fases del cliente:1) Llegada a espacio inteligente2) Recibe lista de Websign3) Selecciona el Websign a mostrar
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B. Otros proyectos de localización
Trabajos relacionados
Xerox PARCTABW4 - The Wireless Web (Web-Browser for the Newton)Mobile Browser for the Newton (MIT)The InfoPad Project at BerkelyA Prototype User Interface for a Mobile Multimedia TerminalWearable Computing at GTRIGUIDE from Univ. of Lancaster
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B. Tecnología RFID
Sources: USATODAY, http://www.usatoday.com
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B. Tecnología RFID: Identificación inteligente
ObjetivoIdentificar objetos (cortas distancias)
¿Qué son?Pequeños circuitos integrados con RF RF transpondertransponder
TransponderTransponder = = transtransmitter + + responderponderCaracterísticas
Fuente de energía externaInducción Campos electromagneticos
Alcanzabilidad ~ 1mCapacidad de memoria ~ 100 bytes
ROM, EEPROM
Coste ~ 0.1 € … 1 €Material Etiquetas flexibles
Papel adhesivo
K. Finkenzeller, RFID Handbook: Radio-Frequency Identification Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons, 2000.
¿Ventajas respecto a los códigos de barras?
Source: http://www.hitachi.co.jp/Prod/mu-chip/
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B. RFID Aplicaciones clásicas
Vigilancia electrónica
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ElementosEtiquetas RFIDLectoresAntenas RFSoftware
B. Componentes de un sistema RFID
Etiquetas RFID activos vsEtiquetas RFID pasivos
Chip
Antena
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B. Etiquetas y lectores RFID
EtiquetasSencillas (sin circuito integrado real), para vigilanciaSofisticadas: incluyen circuitos que implementan “protocolos anti-colisión”
Lector RF
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B. RFID. Principios de funcionamiento
Distancias cortasEnergía por inducción
El campo magnético generado por el lector induce un voltaje en la bobina del transponder (10mW – 1 cm, 100 microW – 10 cm)
Distancias largas (> 3 m)El campo magnético es sustituido por campos electromagnético (ondas)Diferentes productos han utilizado diferentes frecuencias
Ejemplos comunes: 134,2 kHz, 13,56Mhz
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B. Frecuencias utilizadas
Banda libre ISM (Industrial-Scientific-Medical)100 -155 KHz (LF)13,56 MHz (HF)868/915 MHz (UHF)2,45 GHz microondas
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B. RFID ¿Problemas de acceso al medio?
El lector envía una señal que activa a todos lectoresProblema:
Todos los transponders podrían reaccionar en el mismo instante de tiempoInterferencia en el canal
¿CSMA/CD?No es posible utilizar este método debido a que los transponder no reciben las señales procedentes de otros transponders
Se hace necesario un método de control de acceso para evitar colisiones
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B. Protocolos de acceso al medio
Protocolo del PhilipsI*CodeTDMA
Aloha Ranurado Aloha ranurado por tramas
Protocolo ISO18000-3-MODE1TDMA
Protocolo determinista basado en consultas circularesAloha puroAloha ranuradoAloha ranurado por tramas
ISO18000-3"MODE2“FDMA+TDMA
8 canales + Aloha ranurado
Frame slotted aloha
RFID Multiple Access Methods, Internal Report, ETH Zürich, 2004.
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B. Tecnología: Hitachi mu-chip
µ-chip Frecuencia 2.45GHzROM de 128-bitÁrea 0.4mm cuadradosAplicaciones
IndustriaIdentificación Seguimiento
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B. Aplicaciones con mu-chip
Seguimiento en industria (ciclo de vida)
Identificación y seguridad
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B. Aplicaciones RFID
Identificación y seguimiento
Seguimiento de correo
Identificación de equipaje
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B. Aplicaciones RFID
Control de acceso
Etiquetas identificativas
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B. Aplicaciones RFID
Logística
Inventario en tiempo real
Seguimiento y control de productos
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B. Aplicaciones RFID
Identificación
Identificación de vehículos
Identificación y medidas en tiempo real
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B. Proyecto ejemplo 1: The Smart Medicine Cabinet
Application space plus …
Interfaz de usuario
Prototipo de la aplicación
C. Floerkemeier, M.Lampe, and T. Schoch, “The smart box concept for ubiquitous computing environments. In Proceedings of SOC’2003 (Smart Objects Conference), Grenoble, May 2003.
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B. The Smart Medicine Cabinet
Research spaceTratamiento de colisionesErrores de lecturas (false positive and false negative reads)
Errores operacionales
Colisiones
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B. Proyecto ejemplo 2. The intelligent Cookbook
CookbookDetección automática de ingredientesPropuesta del menú
CaracterísticasControl de la compraPreferencias de menú
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B. Proyecto ejemplo 3. ExxonMobils RFID payment
Tarifación automáticaLectores situados en puntos de salidaIdentificación y transacción en segundosLa cuenta se carga de forma automática en la cuenta del cliente
AplicacionesSistemas de peajeParkingCentros comerciales
Tarifación automática
Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T4: Redes InalámbricasAplicaciones
A. IntroducciónB. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónC.C. Aplicaciones para redes MANET Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensoresE. Aplicaciones de computación ubícuaF. Herramientas de desarrollo
El API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") The .NET Compact Framework Mobile Devices
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C. Redes MANET
Sistemas autónomos formados por un conjunto de estaciones móviles que se comunican con tecnología inalámbrica
Características 1)2)3) …
Open issues1)2)3) ...
Excesivo trabajo vía simulación, muy pocos datos en escenarios reales. ¿Validación?
David Cavin, Yoav Sasson, Andre Schiper, On the accuracy of MANET Simulators, in: Proceedings of ACM POMC 02, Toulouse, France, October 2002.
Red Ad Hoc
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C. Extensiones de una red MANET
Conjunto de estaciones bajo el área de cobertura de uno o varios radios
Transporte inteligenteEjemplos:
…
Integración completa MANET InternetCapacidad de negocioFuturo no lejanoEjemplos:Ejemplos:
…
Our desires will be met !
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C. Aplicaciones potenciales
Aplicaciones militaresAplicaciones militares
Desastres naturales
Tráfico aéreo, terrestre y marítimoTelcordia: Intelligent Transportation System
Visitas guiadas
Fiestas populares
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C. The DARPA Packet Radio Network
Situational Awareness (SA) and Command and Control (C2) for military.
Control On-the-Move Network Digital Over-the-Horizon Relay (CONDOR)Military Information Technology Online Archives
Utilizado en la operación militar Iraqi FreedomMarines develop interim tactical solution for mobile and over-the-horizon communications networking.
Source: http://www.military-information-technology.com/article.cfm?DocID=640
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B. Example of a battlefield network
Red Ah hoc
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C. Ad hoc technology in the battlefield
Aplicaciones militares
Comunicación inalámbrica ad hoc tierra aire
Unmanned Combat Air
Vehicle (UCAV) DARPA
Operational USAF/Boeing
UCAV
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C. Ad hoc technology in the battlefield
Aplicaciones militares
Self-Healing Minefield Project
Hopping Mines
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C. Redes MANET. The Killer Application
Identificar escenarios de negocio que permitan mover las redes Ad hoc de la academia al mundo real …More than just Battlefield and disaster scenarios.
RETOS:RETOS:
1. Herramientas de desarrollo y soluciones comercialesSPANworks. establecimiento de redes independientes (self-organizingnetworks) entre PDA’s y laptopsMeshNetworks.
2. Desarrollar TestBeds a gran escala con usuarios realesPermitan evaluar protocolos y aplicaciones
3. Infraestructura de red (Oportunidades de nuevos operadores)Liberalización del espectroInversión reducidaNecesidad de identificar oportunidades de negocio
Ejemplo: Extensión de Wi-Fi Hot Spots
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C. Herramientas de desarrollo
SPANworks (Multipeer networking for team computing)Actualización dinámica PDA, portatil, estación de trabajoEnvío de mensajes durante presentacionesActualización automática de información de contactoDistribución automática de documentosNO MAS CABLES
SolucionesMultiPeer Aplicaciones para redes Ad hocIntegración de tecnologías inalámbricas
802.11/WIFI– …
Bluetooth– …
ProductosSPANworks 2000SPANworks IISDK's
Source: http://www.spanworks.com/
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C. SPANworks
SPANworks 2000 ProfessionalServicios de conectividad (Projectores, PDA, …)
Utilidades (Ficheros, contactos, presentaciones, chat y servicios de voz)
SPANworks II Integración aplicaciones comunes: (Word, Power Point, Outlook)
SDK’sSoftware Development Kit:
Documentación, guía de programador, entorno de desarrollo y depuración, etc.
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C. MeshNetworks
BackgroundCurrently of the more than 50 million ISP customers in the US, fewer than 10 percent have broadband service.
Serving all these subscribers with fiber or copper would be time-consuming and expensive.
Wireless broadband technology may be used as the “last-mile” solution.Residential area, markets, etc.
CharacteristicsHigh-speed wireless data License-free spectrum bands
Eliminate the need for an operating license and the high fees of bidding for spectrum.
Wireless mesh networksSimplify line-of-sight requirements, and optimize spectrum efficiency.
Self-configuring and self-healing networks
MeshNetworks:• Is it really filling a need in the market? Or• Is it a highly advanced solution looking for a problem?
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C. MeshNetworks
Wireless Mesh networks (WMN ó Wireless Ad Hoc Peer-to-peer networks)
Red dinámica de dispositivos inalámbricosNo requieren infraestructura fija
Bajo coste
Dispositivos pueden conectar con puntos de acceso mediante comunicación de múltiple salto
Acceso Internet o PSTN
Combinación Modo Ad Hoc y Modo infraestructura
Source: http://www.meshnetworks.com/
Ian F. Akyildiz, Xudong Wang, Weilin Wang, “Wireless mesh networks: a survey,” Computer Networks, 2004.
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C. MeshNetworks
CaracterísticasRed de múltiple salto
Ampliar cobertura de la red
Soporte de red ad hocOrganización y mantenimiento automático
Soporte de movilidad (clientes)
Integración de tecnologías de accesoRestricciones de consumo energético (clientes)
Múltiples radios
Aplicaciones potencialesBroadband home networkingCommunity networksEnterprise networkingMetropolitan area networksTransportation networks
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C. Mesh Networking Scenario
Figuras. http://www.meshnetworks.com
Los miembros de una red peer to peer pueden alcanzar Internet o la red telefónica a través de los routers mesh
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C. MeshNetworks. Topología
Topología dinámica Mesh routers
Establecen la red dorsal o backboneMovilidad reducidaFuncionalidad bridge and gateway (varios interfaces) Integración
– Internet, Redes celulares, IEEE 802.15, Redes de sensores, etcSimilares a routers inalámbricos,
– Menor potencia de transmisión (multisalto) y MAC adaptados a meshnetworks
Mesh clientsMovilidadConexión con otros clientes o con routers
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C. Arquitecturas de red
Infraestructure/backbone WMNIntegración de tecnologíasRedes comunitarias Mesh routers en terrazasComunicación backbone vs comunicación entre usuarios
Conexión alámbrica
Conexión inalámbrica
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C. Arquitecturas de red
Client WMNsPeer to peer networkFuncionalidad de estación final y routingUna única tecnología radio
WMN HibridaInfraestructura similar a Internet (Wireless ISPs vs DSL)Proporciona mayor funcionalidad
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TecnologíasMesh Scalable Routing Protocol (MSR®)
Adaptive Transmisión Protocol (ATP®) (Condiciones enlaces, Power control)
Quadrature Division Multiple Access Radio Platform (QDMA®) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), ISM II 2.4 GHz bands
– MAC inalámbrico área amplia: 3 canales de datos + 1 control
Mesh4G Positioning System (MPS®) No utiliza GPS (Interiores y exteriores)
C. Mesh Enabled Arquitecture (MEA)
Source: http://www.nowwireless.com/mesh4g/technology.htm
Soluciónpropietaria
(September 11, 2001)Éxito potencial en aplicaciones de seguridad
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C. MEA. Aplicaciones potenciales
Aplicaciones de Emergencia
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C. MEA. Aplicaciones potenciales
Seguridad y vigilancia
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C. MEA. Aplicaciones potenciales
Transporte inteligente
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C. MEA. Otras aplicaciones++
Mobile Wi-FiWiFi + Movilidad + Cobertura WANAplicaciones:
Acceso a Internet móvilServicios de información a pasajerosMonitorización remota…
Comunicación peer-to-peer (vehículo-to-vehículo)Ad hoc network + Mesh NetworkAplicaciones:
Servicios de información en viajeInformación de accidentes y congestionesServicios de actuación ante accidentes…
Wireless BroadbandAccess (WISP)
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C. The Nokia’s Rooftop Mesh Network
RooftopNokia adquiere RoofTop
Rooftop Communication of Mountain View, California (Silicon Valley)
Wireless Router:Sistema radio propietario: banda de frecuencia 2.4 GHz (No utiliza 802.11)
– Frequency Hopping, Spread Spectrum– 1M/2M bps– Potencia (16 mW – 500 mW)
» Máximo 802.11 1 W, Tarjetas reales 30 mW, Cisco Aironet 100mWProtocolo encaminamiento propietario
– Nodos y Supernodos– Supernodos Encaminan tráfico entre
Internet y la red Mesh– Como máximo 2 saltos entre un nodo
y un supernodo
Nokia Rooftop. http://www.nwr.nokia.com/
C.L. Fullmer, Personal communication, Rooftop Communications Corp., Mountain View, CA 94041 (April 1998). (http://www.cse.ucsc.edu/~chane/)
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C. Nokia’s RoofTop: Detalles del protocolo
Nokia AIR Operating SystemWireless multihop routing and multicast protocols with two-hop neighborsAutomatically select the highest quality, least congested paths,Automatically select the highest quality, least congested paths,maximizing overall network throughput.maximizing overall network throughput.Control eficiente de entrega de paquetes salto-a-salto
Evitar paquetes duplicados (like TCP over adhoc networks)
Protolo de acceso al medioMultiples canales RF simultaneous: Mayor capacidadMonitorización del estado de la red (potencia de recpción, calidad de enlaces …)Control de potencia para evitar interferencias
Interfaces:Interfaces:Ethernet RJ-45.Teléfono RJ-11,RF-N-Female
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C. Nokia’s RoofTop: Monitorización
Sistema de Monitorización y AdministraciónDesarrolado con C++ Protocol Toolkit (CPT)
GestónGestón de de usuariosusuarios
MonitorizaciónMonitorización deldelestadoestado de de loslos enlacesenlaces
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C. Proyecto WINGs
Wireless Internet GatewayProyecto DARPA Global Mobile (GloMo)Participantes
UCSC University of California, Santa Cruz Rooftop Communications Corporation
ObjetivosIntegración MeshNetworks & Acceso a Internet
Propuesta:Protocolo MAC FAMA similar a 802.11Protocolo Wireless Internet Routing Protocolsimilar al algoritmo de camino mínimoRadio 900 Mhz (no compatible con 802.11)
Propuestas utilizadas por:NOKIA Wireless Routersafter NOKIA acquired Rooftop in 1999.
Source: http://www.soe.ucsc.edu/research/ccrg/publications.html
From left to right: J.J. Garcia-Luna, Chane Fullmer,
Dave Beyer, and Thane Frivold,showing the WING 1 Prototype
during the GloMo PI 96 Conference.
J.J. García-Luna-Aceves, “Wireless Internet Gateways (WINGs) for The Internet,” Final Technical Report Grant No: DAAB07-95-C-D157, 2001.
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C. Otros proyectos: Rooftop Networking
MIT Roofnet (Mesh networking)Acceso inalámbrico en el campus del MIT Computer Science Lab
1,25 millas1,25 millas22
43 estaciones Antenas omni y direccionalesCompatible 802.11Estación:
2 interfaces de red– Cisco Aironet 350 (100 mW)– 100 BaseT Ethernet
Antena omnidireccional conectada con cable a la tarjeta 802.11
Proyecto investigaciónEncaminamiento:
Camino mínimo Problemas
Enlaces variables y no simétricosProblemas con BSS de 802.11
MIT Roofnet: Distribución de los nodosy calidad de los enlaces
Aguayo, Bicket, Biswas, De Couto, Morris. “MIT Roofnet Implementation,” August 2003. Available online at: http://pdos.lcs.mit.edu/roofnet/design/.
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C. Otros proyectos: Rooftop Networking
San Francisco Local Area Network (Comunity Network)Proporcionar acceso a Internet en el área de San Francisco (9 millas(9 millas22))
Encaminamiento:Dijkstra’s Shortest Path algorithm
Proyecto socialUna de las primera implementacionesde redes comunitarias
It starts in 1997 and openedto users in March of 1998.
Red dorsal alámbrica formada por19 estaciones con antenasdireccionales y conexión Internetcompartida
SFLAN Forums posting by Brewster Kahle. Available online at http://www.archive.org/iathreads/post-view.php?id=6591.
WirelessAnarchy project: http://wirelessanarchy.com/
A list of non-profit community wireless projects
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Warchalking – the Poor Man’s Rooftop Networking
Warchalking – the Poor Man’s Rooftop Networking )(Warchalkers En busca de redes abiertas.Practicas ilegalesGuerra de guerrillas inalámbrica
Utilización de símbolos )( )( en lugares donde es posible accederde forma inalámbrica y gratuita y a Internet a través de redes abiertasEquipos de coste reducido
CantennaNetstumber
Acceso a redes 802.112.4 GHz ISM band
– (802.11 b + g)
RetosSeguridadIncompatibilidad HwCapacidad
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C. Drawbacks of the meshnetworks Architecture
Technical issuesLatency
Multi-hopping technology is a major concern for time-sensitive applicationsNo proof of technologyProprietary technology
Market issuesLittle market for the Mesh productsFailure of solution from companies such as Nokia
Nokia’s RoofTop FailureWait and see mentality
Customer issuesTarget market
Not fixed wireless market but public safety, security and ITSIs it the right decision?
Research vs Practical Applications Skeptical users
End-user issuesUser’s cooperation
Selfish usersHealth risks of RF radiation
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C. Wireless ISP
Ricochet MicroCellular Data Network (MCDN)A high-speed, high-bandwidth wireless network covering major metropolitan areas in the USA that delivers high-speed mobile access and remote access.
availability: Atlanta, Baltimore, Dallas,Houston, Minneapolis St. Paul, New York City, Phoenix, Philadelphia, San Diego,San Francisco Bay Area, Seattle, Washington DC and 15 Airports.
San Francisco
Los Angeles
Seattle
Houston
Chicago
AtlantaSan Diego
Phoenix
Dallas
Miami
Denver
Minneapolis
Kansas City
Philadelphia
Washington
New York City
Baltimore
Boston
Philadelphia
Washington
New York City
Baltimore
BostonDetroit
Salt Lake City
St. Louis
Available NowMarkets Under DeploymentMarkets Under ROW Acquisition
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C. Ricochet MicroCellular Data Network
CaracterísticasSistema comercial
Fuerte infraestructura
Proporciona servicios de acceso a velocidades elevadas (70 MPH)Cobertura en sistemas de trasporte Metro
VelocidadDownload speed: 128KbpsUpload speed: 64Kbps
Sistema fiableAlways ON
Radios Combinación 900 Mhz y 2.4 GHzFrequency Hopping Spread SpectrumNo compatible con 802.11
Sistema de pagoTarifa plana
M. Ritter, R.J. Friday, R.Garces, W.Filippo, C.Nguyen, and A. Srivastava,“ Mobile connectivity protocols and through-put measurements in the Ricochet microcellular data network (MCDN) system,“ In SIGCOMM 2001, July 2001.
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C. Ricochet MCDN. Modelo de Red
Usuarios finalesComunicación radio 900 MHzDispositivos de bajo consumo (< 1 Watt)Se comunican con microceldas
MicroceldasRadio 2,4 GHzEncaminamientopropietarioSe comunicancon el Backboonepara acceder a Internet 2.3 GHz
900 MHz
ModemModem
Wired Access Point
Wired Access Point
PoletopRadio
2.4 GHz
High-speed dedicated
wired connections
Internet and Corporate Networks
Network InterfaceFacility
Internet and Corporate Networks
Internet and Corporate Networks
Network InterfaceFacility
Network InterfaceFacility
InstalaciónInstalación de un de un Radio RicochetRadio Ricochet
Se requieren de 5 a 8 radios por milla cuadrada
Estándar IP
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C. SkyPilot NeighborNet
SkyPilot Network, USA Proporcionar acceso inalámbrico de área ampliaProporcionar acceso inalámbrico de área amplia
Compatible 802.11 5.8 GHzTopologías
Point-to-point, Point-to-multipoint Mesh,
Velocidad 3 Mbps
SkyPilot Network: http://www.skypilot.com
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C. SkyPilot NeighborNet
HardwareSkyGateway
Control y planificación de acceso a la red y control de tráfico. Permite la conexión de hasta 1000 SkyExtender y/o SkyConnectors
SkyExtenderProporciona funcionalidad Mesh mayor cobertura y escalabilidad
SkyConnectorPermiten la conexión del usuario final al sistema SkyPilot
CaracterísticasRadio & Antenna
802.11 a (6 – 54 Mbps)
InterfacePower over EthernetGateway y extender
Compatible SNMPAdministración sencilla
SkyPilot Network: http://www.skypilot.com
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C. SkyPilot NeighborNet
Arquitecturas ejemplo
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C. FHP SmartPoint
Objetivo:Extender al máximo la cobertura normal del Wi-FiFHP SmartPoint
Routers wireless IP repetidores que envían la señal de un hot spot a otro hasta llegar a un dispositivo conectado directamente a Internet por banda ancha
– Predicción de la mejor ruta, seguridad, administración, …
FHP Wireless: http://www.fhpwireless.com
Empresa de San Mateo, California: Designada por la revista Fortune como una de las más cool del 2002
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C. FHP SmartPoint
Ejemplo de aplicación.Cobertura de un campus Universitario
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C. MobileMAN project
Mobile Metropolitan Ad hoc Networksthe project aims to define and develop a metropolitan area, self-organizing, and totally wireless networkObjectives:
Development, validation, implementation and testing of the architecture, and related protocols, for configuring and managing a MobileMAN.
– Physical implementation of this architecture for lowers layers (i.e., wireless technologies).
– Integration of applications on top of our self-organized network – Validation of the self-organizing paradigm from the social and economic
standpoint.
European Commission, FET-IST Programme, MobileMAN project (IST-2001-38113). Available from http://cnd.iit.cnr.it/mobileMAN/.
Project Coordinator: Marco Conti, CNR Research, Italy
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C. Enlaces de Interés
Broadband Wireless magazinehttp://www.shorecliffcommunications.com/magazine/The Wireless Reviewhttp://wirelessreview.com/
Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T2: Redes InalámbricasAplicaciones
A. IntroducciónB. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónC. Aplicaciones para redes MANET D.D. Aplicaciones para redes de sensoresAplicaciones para redes de sensoresE. Aplicaciones de computación ubícuaF. Herramientas de desarrollo
El API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") The .NET Compact Framework Mobile Devices
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D. Redes de sensores (Wireless Sensor Network WSN)
Wireless Sensor Network: Red formada por un numero elevado de sensores, distribuidos de forma densa en el entorno o fenómeno que se desea estudiar o monitorizar.
Energía reducidaDistribución aleatoria Trabajo cooperativoSelf-organizing capabilitiesComunicación multi-salto
¿WSN vs MANET?
I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci,”Wireless sensor networks: a survey,” Computer Networks 38 (2002).
Wireless Sensor Network
Sensor networks will provide the end user with intelligence and a better understanding of the environment.
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D. WSN vs MANET
Ad Hoc protocol are often unsuitable because:The number of nodes in a sensor network can be several orders ofmagnitude higher than the nodes in an ad hoc network.Sensor nodes are densely deployed.Sensor nodes are prone to failures.The topology of a sensor network changes very frequently?Sensor nodes mainly use broadcast, ad hoc networks are based on p2p.Sensor nodes are limited in power, computational capacities and memory.Sensor nodes may not have global ID.Need tight integration with sensing tasks
Cross-layer protocols design: The power, mobility, and task management planes monitor the power, movement, andtask distribution among the sensor nodes.
These planes help the sensor nodes coordinate the sensing task and lower overall power consumption.
Sensor networksProtocol Stack
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D. Communication architecture of sensor networks
Sensor network = network of sensors, thatSense specified parameters relating to environment Sensing UnitProcess data locally or in a distributed manner Processing unitCommunicate information to central processing centers Transceiver unitCenter analyzes information, initiates suitable response such ascommunicate with the task manager node via Internet
Factores de diseñoFault tolerantScalabilityProduction costOperating environmentNetwork topologyHardware constraintsTransmision mediaPower consumption
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Componentes básicosSensit unitProcessing unitTransceiver unitPower unit
OtrosPower generatorLocation systemMobilizer
D. Componentes de un sensor
Berkeley Mica Mote
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D. Some Networked Sensor Node Developments
LWIM III, UCLA, 1996Geophone, RFM radio,
PIC, star network
AWAIRS I, UCLA/RSC 1998 Geophone, DS/SS Radio.
UCB Mote, 2000 4 Mhz, 4K Ram 512K EEProm,
128K code, CSMAhalf-duplex RFM radio
WINS NG 2.0 2001 Node development platform;
multi-sensor, GPS
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D. Applications for Sensors Networks
In future, wireless sensor networks will be an integral part of our lives Ensures a wide range of applications
Suggestions…
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D. Aplicaciones para redes de sensores
Tipos de sensores (micro-Sensing)
TemperaturaHumedadMovimiento (vehículos, animales, …)Condiciones ambientales (luz, ruido, …)Composición química (suelo, agua, …)Presencia o ausencia (objetos, …)Posición, velocidad, dirección
+ Conexión inalámbricaRadio (Bluetooth, 2.4 Ghz, 916 MHz, …)Infrarrojos Medio óptico (Smart Dust)
D. Estrin, R. Govindan, J. Heidemann, S. Kumar, “Next century challenges: scalable coordination in sensor networks,”ACM MobiCom’99, Washingtion, USA, 1999.
Many applications envisionedBut …
Habitat monitoringChemical and biological sensorsFire, earthquake emergenciesVehicle tracking, traffic controlSurveillance of city districtsDefense-related networksAlerts to terrorist threatsHome applicactionsEnvironmentAgriculturePublic Health National Security
Few exit today
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D. Aplicaciones militares
Parte integral de C4ISRT (fault-tolerant, self-organizing, re-deployment)
Military Command, Control, Communications, Computing, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, and Targeting (C4ISRT) systems.
AplicacionesMonitorización de tropas, equipos y municionesReconocimiento de fuerzas y terreno enemigo
Corregidor: An island strategically situated in the mouth of Manila Bay in the northern Philippines. It serves as a Japanese garrison during the 2nd World War
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D. + Aplicaciones militares
++ AplicacionesDetección de ataques Nucleares, Biológicos y Químicos (NBQ)
Sensor networks used as a chemical or biological warning systemreconnaissance after an NBC attack is detected.
Seguimiento inteligente
NASA Funds Sci-Fi Technology
NO IDEA TOO WILD FOR NASA'S SCINO IDEA TOO WILD FOR NASA'S SCI--FI ARMFI ARM
Defensa de fronteras
Detección de francotiradores
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D. Shooter Localization Project
Proyecto DARPA, Vanderbilt UniversityDetectar y localizar francotiradores en entornos urbanos y militares
Fundamentos teóricos: Detección de la localización exacta a partir del análisis de la onda expansiva producida por el disparo
MICA2 motes3 acoustic channelsHigh-speed AD convertersFPGA for signal processing
(shockwave and muzzle blast) 2 AA batteries
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D. Aplicaciones de monitorización del entorno
Detección de catástrofes ambientalesIncendios forestalesInundacionesTerremotosTornados
Sensor networks can assist in several ways:Identify early signs of fire in forestsHelp fire fighters predict the direction in which fire expandsPrevent fire fighters from getting trappedAlert people about imminent flood Rescue operations, locating victims, members of the rescue team, …Identify fire, flood and gas leaks in smart buildings, activate reactors, isolate rooms, help people evacuate the building
US ALERT System: US ALERT System: http://http://www.alertsystems.orgwww.alertsystems.org
P. Bonnet, J. Gehrke, P. Seshadri, “Querying the physical world,” IEEE Personal Communications, (October 2000).
ALERTALERT is an acronym for Automated Local Evaluation in Real Time, which is a method of using remote sensors in the field to transmit environmental data to a central computer in real time. This standard was developed in the 1970's by the National Weather Service and has been used by the National Weather Service, U.S. Geological Survey, Army Corps of Engineers, Bureau of Reclamation, numerous state and local agencies, and international organizations.
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D. Seismic sensing and structure response project
Earthquake: The ProblemInjury and loss of lifeFinancial loss (e.g., 1994 Northridge EQ: $20 B)
ObjectiveUnderstant Interaction between ground motion and structure motion not well understood. (Current seismic networks not spatially dense enough)
Develop model to predict structure response for earthquake scenarios.
Southern California TriNet Seismic
NetworkCENS: CENS: http://http://www.cens.ucla.eduwww.cens.ucla.edu//
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D. Seismic sensing project
System Model17-story steel-frame construction (i.e., comparable to urban high rises).Subject to numerous small and moderate-sized earthquakes, wind
Sensors Mote 5 cm.
Data recorder, 20 cm
N. Xu, S. Rangwala, K. Chintalapudi, D. Ganesan, A. Broad, R. Govindan, D. Estrin “A Wireless Sensor Network for Structural Monitoring,” (Sensys04), November 2004.
Objective: Objective: Develop algorithm for network to recognize significant seismic events using real-time monitoring.
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D. Aplicaciones de monitorización del entorno
Monitorización de ecosistemasHow can sensors capture the beauty of Acadia National Park?
Capture micro-climates Monitor animal behaviorCover large areas over large periods of timeAdjust sensing devices to a suitable degree of precisionIdentify changes in the habitatReport unusual or seasonal events, like bird migration Set alarms for contaminated land or water areas Sense approaching visitors and provide online directionsHelp in properly maintaining the park’s infrastructure…
A. Cerpa, J. Elson, M. Hamilton, J. Zhao, “Habitat monitoring: application driver for wireless communications technology, ACM SIGCOMM’2000, Costa Rica, April 2001.
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D. Monitorización de ecosistemas
ProyectosGreat Duck Island Project, ((UniversityUniversity ofof California California atat BerkeleyBerkeley))
Intel Research Lab at Berkeley, – 2003: 150 nodes, 25 weather station nodes, over 1 million readings logged
from 32 Mica motes
James Reserve Extensible Sensing System ((UniversityUniversity ofof California)California)
Animal detection within a 25-hectare area– Mica motes and Compaq iPAQs deployed in over 100 locations
PODS in Hawaii Volcanoes National Park ((UniversityUniversity ofof HawaiiHawaii))
Monitor micro-climates in areas with endangered species
CORIE (Oregon Graduate Institute)(Oregon Graduate Institute)
13 stations located throughout the Columbia river estuary– measure field velocity, salinity, temperature and water level
ORCA (University of Washington)(University of Washington)
An autonomous water quality monitoring system (CISNet)
Floodnet, Secoas, GlacsWeb (University of Southampton and partners)(University of Southampton and partners)
Monitor weather, sea bed movement and sub-glacial movement
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D. Monitorización de ecosistemas: Ejemplo1
Habitat Monitoring on Great Duck IslandMonitorizar el ecosistema de las aves en GDI
http://www.greatduckisland.net
System Architecture
MICA Mote from Berkeley
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D. Monitorización de ecosistemas: Ejemplo2
Princeton ZebraNet projectObjective: track animals
Long-termOver long-distances
Demonstrates promise of large-extent, long-life sensor networks with GPS
Wild life monitoringProtocol design
Harem A
A,B
Harem A
A,B Harem B
B,A
Harem B
B,A
Harem C
C
Harem C
CHarem A
A,B
Harem A
A,B Harem B
B,A
Harem B
B,A
Harem C
C,B,A
Harem C
C,B,A
Harem B
B,C,A
Harem B
B,C,A
NowNow Harem C is within Long Range Radio range of the mobile base station and can transfer its information along with B’s and A’s. The base station has the information from all the animals even though it only came within range of Harem C.
1 2
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Non intrusive GPS necklace design
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D. Aplicaciones de monitorización del entorno
Monitorización en AgriculturaNiveles de pesticidas en agua de riegoNiveles de polución en el aireComposición de la tierra y abonos
Environmental Micro-SensorsSensors capable of recognizing phases in air/water/soil mixtures.
Signal ProcessingReal-time analysis of signals.
Collaborative processing to expend energy only where there is risk.
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D. Applications de Telemedicina
Health applicationsTelemonitoring of human physiological data
Around a 10% of the planet population is disabledIn Spain, 3.528.221 people, a 9% of the population
A. Rodriguez-Ascaso, “Telecare, Design for All & Independent Living,” Human Factors and the Digital Home, October 2004, France.
Where do elderly people want to live?
Independent Living + Assistance network
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D. Confident Project
Arquitectura
Independent living: Independent living: http://http://www.independentliving.orgwww.independentliving.org//
Personal AssistanceCo-ordination
Rest of thenetwork
Personal AssistanceCo-ordination
Rest of thenetwork
Rest of thenetwork
Assistance network
Technical Assistant
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D. Confident Project
Implementación
Environmentsensors
DLA
RF
X10 DLM
PATS
CoordinationCentre
Service Provider
ADSL/ISDN
TA for theProfessional
Assistant
TA for thePSD
GPRS
GPRS
Outdoors
ADSL/ISDN
Input/Output interface
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D. Applications de Telemedicina
Health applicationsDrug administration in hospitals
Sensor nodes can be attached to medicationsPatients will have sensor nodes that identify their allergies and required medications
Health Care
The chance of getting and prescribing the wrong medication to patients can be minimized.
B. Sibbald, “Use computerized systems to cut adverse drug events,”, Canadian Medical Association Journal 164 (13) (2001).
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D. Home applications
Smart HomeHome automationSmart environment
E.M. Petriu, N.D. Georganas, D.C. Petriu, D. Makrakis, V.Z. Groza, Sensor-based information appliances, IEEE Instrumentation and Measurement Magazine, December 2000.
HumanHuman operators and sensor-based appliances work together as symbionts, each contributing the best of their specific abilities. Human Computer Interaction (HCI) interfaces provide a telepresence capability, allowing the human operator to experience the feeling of virtual immersion in the working environment.
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D. Home applications
Smart Kindergarten Project
SensorsModules
High-speed Wireless LAN (WLAN)WLAN-Piconet
Bridge
Piconet
WLAN-PiconetBridge
WLAN AccessPoint
Piconet
SensorManagement
SensorFusion
SpeechRecognizer
Database& Data Miner
Middleware Framework
Wired Network
NetworkManagement
Networked Toys
Sensor Badge
SensorsModules
High-speed Wireless LAN (WLAN)WLAN-Piconet
Bridge
Piconet
WLAN-PiconetBridge
WLAN AccessPoint
Piconet
SensorManagement
SensorFusion
SpeechRecognizer
Database& Data Miner
Middleware Framework
Wired Network
NetworkManagement
Networked Toys
Sensor Badge
SensorSensor--based Wireless Networks of Toys based Wireless Networks of Toys for Smart Developmental Problemfor Smart Developmental Problem--solving solving Environments Environments ((SrivastavaSrivastava et al)et al)
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D. Others applications
Interactive museums UbiqMuseum GRC !!
The San The San FrancisoFranciso Exploratorium:Exploratorium: Acombination of data measurements and cause-and-effect experiments.
Sensor Network +Context Aware Application
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D. Others applications
Environmental control in office buildingsAir conditioning and heat centrally controlledThe temperature inside room can vary by few degrees
One side might be warmer than the other
A distributed wireless sensor network system Can reduce energy consumption~ Saving $55 billion per year ~ Reducing 35 million metric tons of carbon emissions
J.M. Rabaey, M.J. Ammer, J.L. da Silva Jr., D. Patel, S. Roundy, “PicoRadio supports ad hoc ultra-low power wireless networking, IEEE Computer Magazine (2000).
Dummy node
Sensor Node
0 1
2
3
4
5
6
WSN GATEWAY
Dummy node
Sensor Node
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2
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WSN GATEWAY
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D. Technical Challenges
Application layerProtocols must allows the system to interact with the sensors
Moving the sensor nodesTurning sensors on and offQuerying the status of nodes and re-configuring them if needed Managing the authentication, key distribution and security in data communicationsTime-synchronizing the nodesExchanging data related to the location finding algorithms Introducing the rules related to data aggregation, attribute-based naming and clustering to the sensor nodes
Physical
MAC
LLC
Network
Transport
Application
Physical
MAC
LLC
Network
Transport
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D. Technical Challenges
Transport layerProtocols must provide an end-to-end reliablecommunication by controlling the data flows
Avoiding duplicate or out-of-order packets Error recoveringResolving the network congestion in a proactive/reactiveway since the goodput decreases drastically when networkcapacity is exceeded
Are Wireless TCP variants suitable for WSN?Reduced traffic Reduced Contention
Fusion and aggregation
Physical
MAC
LLC
Network
Transport
Application
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D. Technical Challenges
Network layerProtocols must discovering the best path betweena couple of nodes
Sensor networks are mostly data centric An ideal sensor network has attribute based addressingand location awareness Data aggregation may be joined with a collaborative effortPower efficiency is always a key factor
– Energy aware Routing Protocols
Flooding protocols vs Gossiping protocolsQuality of Service oriented routing protocolsData-Driven Routing
Route based on contents of data– Send me all sensor readings with Temp > 40 C
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D. Technical Challenges
LLC layerProtocols must perform the error control of transmission data
Forward Error Correction (FEC) Automatic Repeat reQuest (ARQ)
MAC layerProtocols must:
Establishing a communication links for data transfer among thousands of sensor nodesFairly and efficiently share communication resources among sensor nodes.
– TDMA/FDMA based protocols – CSMA-based protocols
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D. Technical Challenges
Physical LayerProtocols must Bit-by-bit signal delivering and processingon a link-to-link basis
Modulation and detection schemes (simple and low power)Distribute and accurate synchronization protocolsPower management by exploiting the sleeping mode
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D. Other Related Challenges
Securityintegrity, authentication, confidentiality
Data compression and aggregationData fusion, Data aggregation
Network deployment and configurationSensor node localization
Network longevity and robustnessExtending the lifetime of the networkResilience to node/link failures and packet drops
Route data through multiple paths
Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T2: Redes InalámbricasAplicaciones
A. IntroducciónB. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónC. Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensoresE.E. Aplicaciones de computación ubicuaAplicaciones de computación ubicuaF. Herramientas de desarrollo
El API PICAEl API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") PythonThe .NET Compact Framework Mobile Devices
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E. Ubiquitous Computing
Mark Weiser– The father of “Ubiquitous Computing” (1988)
DefinitionsUbiquitous computing is the method of enhancing computer use by making many computers available throughout the physical environment, but making them effectively invisible to the user
– Mark Weiser
Mark Weiser (1952-1999) was the chief technology officer at Xerox’s Palo Alto Research Center (Parc). He is often referred to as the father of ubiquitous computing. He coined the term in 1988 to describe a future in which invisible computers, embedded in everyday objects, replace PCs. Other research interests included garbage collection, operating systems, and user interface design. He received his MA and PhD in computer and communication science at the University of Michigan, Ann Arbor. After completing his PhD, he joined the computer science department at the University of Maryland, College Park, where he taught for 12 years. He wrote or cowrote over 75 technical publications on such subjects as the psychology of programming, program slicing, operating systems, programming environments, garbage collection, and technological ethics. He was a member of the ACM, IEEE Computer Society, and American Association for the Advancement of Science. Weiserpassed away in 1999. Visit www.parc.xerox.com/csl/members/weiser or contact [email protected] for more information about him.
Mark Mark WeiserWeiser (1952(1952--1999)1999)http://wwwhttp://www--sul.stanford.edu/weisersul.stanford.edu/weiser//
M. Weiser, The Computer for the 21st Century Scientific American, 1991
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What Ubiquitous Computing is!Information technology everywhere
Is a paradigm shift where technology becomes virtuallyinvisible in our lives ““Calm TechnologyCalm Technology””
It needsIt needs1. Smart Objects embedded processors2. Wireless Technology to interconnect them
What Ubiquitous Computing is not!MobilityMobility itself doesn’t lead to UbiCompMultimediaMultimedia itself doesn’t lead to UbiComp eitherVirtual Virtual realityreality neither
E. Ubiquitous Computing
Ubiquitous Computing: And old vision
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E. Virtual reality vs ubiquitous computing
Virtual RealityWorld in the computer
Ubiquitous ComputingComputers in the world
(paradigm inversion)
drawing computers out of theirelectronic shells
Ubiquitous computingUbiquitous computing or calm technology, is a paradigm shift where technology becomes virtually invisible in our lives. Invisible computers will become an integral part of the natural human environment:
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E. Major trends in computing
1.1. One computer (mainframe) for many peopleOne computer (mainframe) for many people2.2. One computer (PC) for everyoneOne computer (PC) for everyone3.3. Many computers for everyoneMany computers for everyone
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E. Reasons for Ubiquitous Computing
TecnologicalMoore‘s LawNew materialsProgress in communication technologyBetters sensors
New conceptsExpontaneousExpontaneous networkingnetworking
The digital revolutionThe digital revolution …what was once hard to copy is now trivial to duplicate.
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E. The new paradigm
Environment-centric instead of computer-centric or Context-centric instead of desktop-centric
Generic Features1.1. Transparent interfacesTransparent interfaces
Invisible interfaces that Provideinteraction between user and application
• Ubiquitous Computing— Human - environment
• Context-Aware Applications.— Flexible and adaptable services
TransparentInterfaces
Awareness ofContext(s)
Capture Experience
Smart Home. A realistic scenario?
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E. The new paradigm
Generic Features2.2. Awareness of contextAwareness of context
Context information about the environment with which theapplication is associated.– LOCATION and TIME are simple examples of context !–– Computing context Computing context vsvs User context User context vsvs physical context ?physical context ?
TransparentInterfaces
Awareness ofContext(s)
Capture ExperienceGeneric Context Model
Environment Preferences
AutoDiary CAApp
Context Data LayerContext Data Layer
Sour
ces
Sink
sSp
aces
Sensor
PublicDisplay
ManualInput
ContextBrowser
Why is context needed?
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E. The new paradigm
Generic Features3.3. Capture experienceCapture experience
To capture our day-to-day experience and make it available for future use.To acquires knowledge from places visited to server future visitorsResearch challengesResearch challenges– Multiple streams of information– Their time synchronization– Their correlation and integration
Smart carpets (Infineon)
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E. Smart Devices
MediaCup (Teco, MediaCup)Sensing, processing, and communication capabilitiesPeriodically broadcasting state of cupApplications:
Visualizing state of cupInfering and indicating meetings through aggregation of cups
…
MIT Media Lab – ShoesBroadcast ID every 3 to 5 stepsApplications …
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E. Applications
InfostationsUsed in many modern museumsInfostation near an exhibit providesdetailed information
Visitors approach infostationOffer of informationUser preferences– Language– Level of detail– …
Oceanis, Wilhelmshaven
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E. Applications
GuideDeployed system to support tourist information at LancasterContext
Information relevant for tourists– (Tour planning, historical information, interesting areas, …)
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E. Applications
Visiting a fair
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E. Applications
Extremes ☺
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E. Others research projects
Ubiquitous Computing projectsAmbient DevicesEU IST Disappearing ComputerProject Aura, CMU user attentionUNC “office of real soon now”Augmented surfaces Microsoft Easy LivingOxygen, MITPortolano, Univ. of WashingtonEndeavour, BerkeleyCoolTown, HP Labs
Augmented reality
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E. Research applications at GRC, UPV
UBIQMUSEUM
Central Data Server
MIP(Venus)
MIP(Meninas)
MIP(Monalisa)
ClientClientClient
ClientClient
Ethernet based Network
Bluetoothbased Network
Architecture
PDA’s client main screen
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E. Research purposes
Testing the possibilities of the Bluetooth wireless technology under the Java language to provide network support for context-aware
Mark Weiser (1952-1999)http://www-sul.stanford.edu/weiser/
• Ubiquitous Computing— Human - environment
• Context-Aware App.— Flexible and adaptable
services
• Ubiquitous Computing— Human - environment
• Context-Aware App.— Flexible and adaptable
services
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E. About context-aware applications
Context-aware applications try to offer a flexible, adaptable service being totally conscious of the client, what surrounds him, of its environment, or anything that might be useful in order to make a better experience for the end user.
The applications change or adapt their functions, information and user interface depending on the context (by inferring or sensing it) and client of that precise moment
Much progress has gone on context aware applicationStill remains an unexplored area
Museum information application
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E. Why Bluetooth?
Low-cost, low-power, short range radio a cable replacement technology
Common (File transfer, synchronisation, internet bridge, conference table)Hidden computing (background synchronisation, audio/video player)Future (PC login, remote control)
Why not use Wireless LANs?Favors Higher speed and longer rangesHigher cost and power consumption
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E. Bluetooth: Connection State Machine
Standby
Inquiry Page
Connected
Transmit data
Park Hold Sniff
Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao
• Bluetooth— Ability to locate neighbors— Discover type of service they offer
• Bluetooth— Ability to locate neighbors— Discover type of service they offer
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E. Prototype application
Provides context depended information to the visitors of a museum to enhance their experience.
The system will give to visitors precise information about what they are viewing:
at their level of knowledge in their mother tongue.
It will also give the possibility to have a graphical user interface (GUI) adapted to their device, e.g., mobile phone, PDA, laptop.
The application also aims to help the maintainers of the museum by reducing costs in guiding their visitors, in keeping track of what are the preferred pieces of art, and so on.
Juan-Carlos Cano, Pietro Manzoni, C-K. Toh, “First Experiences with Bluetooth and Java in Ubiquitous Computing,” IEEE ISCC 2005.
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E. Prototype elements
DevelopmentThree components:
A central server Manage museum information
Points of Information Ask server, register service and wait
Clients Profile, discover services, connect, show
Tools and languages:Java APIs for Bluetooth
proposed by the Java Expert Group JSR-82
JABWT provides the socket API to L2CAP3COM PCMCIA cards and USB dongle
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E. Architecture
Central Data Server
MIP(Venus)
MIP(Meninas)
MIP(Monalisa)
ClientClientClient
ClientClient
Ethernet based Network
Bluetoothbased Network
Architecture
PDA’s client main screen
MCDS: Museum Central Data ServerMIP: Museum Information PointsMIC: Museum information clients
The final configurationDepends on the
physicalstructure of the
facilities
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E. Museum Central Data Server
MCDS Operation— It starts and it waits in default
port— It checks the operation Code
— Receive de Configuration file— Send Context information according to a
profile
Server Start
Wait for Connection
Accept Connection
Spawn Process
¿Code?
Receive Code Operation
Create Server-Socket 6666
Receive profilecod =1 Send
Configuration
Close Socket 9999
cod =0
Send Number of Objects ¿Nº obj = 0?
Sí Close Server-Socket 6666
Accept Conection
Send object type & object
Nº of Objects
No
Close Socket 6666
End
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E. Initializing MIP
— The data server has been previously started and it is waiting on its default port— MIP Get configuration info, select the object, register the service and wait
— The data server has been previously started and it is waiting on its default port— MIP Get configuration info, select the object, register the service and wait
This is the configuration file obtained from the
MCDS
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E. User Profile Configuration
— Before connect to the MIP the user has to configure the profile: (Profile screen)— Type of device, educational level, Language of preference— Then Accept, Found Services and connect to them to get the information
…
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E. Searching for services
• Now the client …— Inquiry to find any MIP— SDP to search for services— Select a specific service to
connect to
The client found the “Mona Lisa & Meninas” services
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E. Getting the information
• The client receive info — According to its profile
A client screen capture of the application related to a non expert Spaniard user, with a PDA device while viewing the “Las Meninas” painting in the “Prado” Museum, in Spain.
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E. Performance results
In a small test bed (USB Bluetooth Dongle devices)Goal: To acquire experimental data about how well is Bluetooth suited for context aware information
Parameters evaluated Application transfer timeInquiry delay
We repeated setups varying distance (1 -10 m)
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E. Results: Application Transfer Time
We use Data Medium Rate and Data High Rate packets (1, 3, and 5 slots)
We configured the application point to continuously send a the application data-block (150 kbytes) to the museum client during 100s.
Quite steady behavior below 10 mDH packets are good candidate for efficient transmissions but a little bit more sensitive with distance
0
5
10
15
20
25
0 m 2 m 4 m 6 m 8 m 10 m 12 m 14 m 16 mDistance (m)
App
licat
ion
trans
fer t
ime
(s)
Data High Rate (DH5)
Data High Rate (DH3)
Data High Rate (DH1)
0
5
10
15
20
25
0 m 2 m 4 m 6 m 8 m 10 m 12 m 14 m 16 mDistance (m)
App
licat
ion
trans
fer t
ime
(s)
Data Medium Rate (DM5)
Data Medium Rate (DM3)
Data Medium Rate (DM1)
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E. Results: Inquiry
After 2.455s the MIC discovers the MIP in a 50% of the testsThis percentage increases to 95% only after 5.264s.
This waiting time is normally acceptable to a user without causes annoyance
95% histogram distributionof the inquiry delay and the cumulative results as a function of time over the 100 tests
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E. Other Results: Interferences
We evaluate Bluetooth and 802.11b interferences (FTP over TCP)Bluetooth throughput is reduced around 50%802.11 throughput is reduced 10%802.11 produce errors and loose their configuration a lot of times
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E. Results: about the implementation
TCP/IP use is not feasibleToo high connections time.HCI command are disabled: “Inquiry”, other connections,…No “Hand-over” mechanism.
We used the JABWT socket API to L2CAP layer.Classical socket are available,Protocol Service Multiplexor (PSM) used as ports We could use HCI for “Inquiry”, connections, ...
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E. Conclusions
Bluetooth seems a promising networking technology for context aware application AdvantagesAdvantages
Is getting more and more integrated in PDAs, mobile phones, laptops,...Low power usageCan handle voice and data.Integrated devices discovery mechanismIntegrated services discovery mechanism: SDP
DisadvantagesDisadvantagesRelatively low bandwidth
Up to 723Kbps for data
Too high connections time.Interferences
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E. Future work
Scatternet formation mechanismsWe have already implemented two protocols based on a ring topology and a tree topology based on RIP
Improve the functionality (SQL support to manage the information of the museum)
Integration with other wireless (IEEE802.11) and wired network technologies
Security and privacy
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E. Research applications at GRC, UPV
BLUEPEER
Client
Server
Client
Designed application main screen
Client/Server
Connection
Flow of information
Bluetooth based Network
Shared resources
System Architecture
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E. Personal Area wireless Networks
Personal Area wireless Networks focus on personal devised and their communication with minimal effort
PAwNs brings the concept of Personal Operating Space (POS)Small coverage around persons where devices communicate in an Ad Hoc manner
PAwNsFavors low cost and power consumptionLow speed and ranges
Examples of LAwNBluetooth [Bluetooth]HomeRF [HomeRF]
[Bluetooth] , Promoter Members of Bluetooth SIG, Specification of the Bluetooth System - Core. Version 1.1, Bluetooth SIG, Inc., February 2001.
[HomeRF] , The HiperLAN Technical Committee, HiperLAN web site, http://www.hiperlan2.com/, May 2001.
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E. Spontaneous Networks
Somewhere between PANs and MANETs are Spontaneous Networks.
A small infrastructureless network formed when a group of people come together to participate in some collaborative activity. (Extend the concept of a PAN to a group of PANs)
Routing issue is not a primary concern
Bluetooth technology is one of the most representative candidate solution for the development and deployment of spontaneous networks solutions.
Spontaneous Network
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E. Objective of the research
To test the possibilities of the Bluetooth wireless technology to provide network support for spontaneous networks
We address the design of spontaneous networks using Bluetooth technology under a peer to peer approach using the Python language
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E. Prototype application
We created a simple but representative peer-to-peer application which made use of Bluetooth's features for file exchange in spontaneous netwoks (proof of concept)
The application provides context and transparent services to interchange any kind of resources between Bluetooth peers
The application was designed to offer general-purpose file exchange services between peers belonging to a wireless spontaneous network
Co-workers to synchronize their workIn conferences and meetings.
Organization to share information with the attendeesAttendees to share their resources
It will also give the possibility to have a graphical user interface (GUI) adapted to their device, e.g., mobile phone, PDA, laptop.
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E. Architecture
Spontaneous File Exchange AppSpontaneous File Exchange App
Sever peer & Client peerSever peer & Client peer
Each node or device in the application can assume in any moment server or client roles.
Client
Server
Client
Designed application main screen
Client/Server
Connection
Flow of information
Bluetooth based Network
Shared resources
System Architecture
The overall network architecture is based of a
core wireless network based on the Bluetooth technology
used by mobile devices mobile phones, PDAs.
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E. Tools and languages
BluetoothBluetooth's inquiry, discovery, role-switching and data transferWe used:
Bluetooth HCI, Host Controller Interface to access the Bluetooth device Bluetooth socket API to L2CAP Socket functionality
PythonWe have created a Python to Bluetooth interface or library, which extends Python itself to have Bluetooth support in Linux machinesOur Python Library (Available at http://www.grc.upv.es)
Provide access to the HCI functionalityProvide access to the L2CAP functionality
We used 3COM PCMCIA cards and USB dongle
Our system design combines the productivity offered by Python language with the universal connectivity provided by Bluetooth wireless technology
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E. Why Python?
Portable codePortable codeSimple to understandSimple to understandShorter development timeShorter development timeImproved MaintenanceImproved MaintenanceLow costLow cost
An equivalent program in C can be 20 times longer and extremely more complicated and error prone
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E. Clients and Server flow diagram
Peer (acting as a client) Peer (acting as a server)
Call to Inquiry to discover devices
Send the list of available resources
Register its services and available resources
Register its services and available resources
Accept clients connectionsConnect to a peer
Send the resource request
Reply with the requested PDUs
Maintain a registry of the connected clients
Deal with the received resource
Send the disconnect PDU
Connection disconnected
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E. Application
• Self forming network— Intuitive and simple
application
Inquiry Connect
Jose Cano, Juan-Carlos Cano, Pietro Manzoni, David Ferrández, “On the Design of Spontaneous Networks Using a P2P Approach and Bluetooth,” IEEE ISCC 2005.
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E. Experimental results
In a small test bed (USB Bluetooth Dongle devices)Goal: To acquired experimental data to investigate how well Bluetooth supports our P2P applicationTestbed:
Laptops peers based on Suse Linux 9.1 with a 3Com Bluetooth USB Dongle
Parameters evaluated throughput performance of the Bluetooth channel.Inquiry delay
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Time (ms)
Hist
ogra
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ncy
(# T
ests
)
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20%
40%
60%
80%
100%
Cum
ulat
ive
Histograma Inquiry delayCumulative inquiry time
E. Results: Inquiry
After 3s users can discover desired information of nearby peers in a 50% of the testsThis percentage increases to 95% only after 4.5s.
This waiting time is normally acceptable to a user without causes annoyance
histogram distributionof the inquiry delay and the cumulative results as a function of time over the 100 tests
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E. Results: Throughput, Static Peers
We use the more efficient DH5 data packet and select a variety of share resources characterized by size
Bluetooth offers a decreasing throughput (kB/s) as spatial distance among peers increase.Quite steady behavior below 8 m
0
10
20
30
40
50
1 3 5 10 15Distance (m)
Tran
fer t
ime
(s)
Simulated file size of 100 KB
Simulated file size of 300 KB
Simulated file size of 700 KB
We observed that all the obtained results are below the maximum throughput stated in Bluetooth specification, which provides a reference value of 90.40kB/s for DH5 packets
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E. Results: Throughput, Dynamic Peers
We evaluate the behaviour of the application when peers are in continuous movement (0, 1 and 2 m/s)
We obtain an average throughput that rounds 40kB/s, 36kB/s, and 32kB/s for 0, 1 and 2 m/s respectivelyQuite steady behavior as peer speed increase
We observed that the application offers a relatively stable transfer time as peers speed increases.
0
10
20
30
40
50
0 (static) ~ 1 ~ 2Peers speed (m/s)
Tran
fer t
ime
(s)
Simulated file size of 100 KB
Simulated file size of 300 KB
Simulated file size of 700 KB
Spatial distance ~ 5m
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E. Conclusions
We developed a base library and application work ground to be used for easy commercial application development.
Based on it, We presented our experimental application that provides and transparent services to interchange any kind of resources between Bluetooth peers.
Our system design combines the productivity offered by Python language with the universal connectivity provided by Bluetooth wireless technology.
Overall, our experiments demonstrate the feasibility of Bluetooth and Python technologies as outstanding contenders for the deployment of applications and communications for spontaneous networks.
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E. Future work
Increase the coverage of our application Providing routing among peers with no direct connectivity
Improve the functionality odf our application (location services, …)
Integration with other wireless (IEEE802.11) and wired network technologies
Security and privacy
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E. More information ...
http://www.grc.upv.es/http://www.grc.upv.es/
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E. The end …
Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007
T2: Redes InalámbricasAplicaciones
A. IntroducciónB. Aplicaciones de posicionamiento y localizaciónC. Aplicaciones para redes MANET D. Aplicaciones para redes de sensoresE. Aplicaciones de computación ubicuaF.F. Herramientas de desarrolloHerramientas de desarrollo
El API BlueZJ2ME ("Java 2 Micro Edition") The .NET Compact Framework Mobile Devices
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F. El API BlueZ
Implementaciones:The Axis OpenBT Bluetooth stackIBM BlueDrekar Bluetooth stackNokia Affix Bluetooth stackBlueZ Bluetooth stack
BlueZ. Implementación Oficial del Kernel de LinuxL2CAP, SCO, RFCOMM y SDP Interfaz Socket a HCI, RFCOMM, L2CAP y SCOMultiplatforma/Multiprocesador: x86, SPARC, ARM/DragonBallBluetooth Profiles:
SPP, LAN/DUN estándar y la que utiliza MicrosoftPAN Head-set. OBEX Object…
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F. BlueZ. Installation and support
BlueZ is distributed in a set of packages, though the main core protocol implementation relies in the kernel distribution
For 2.4.19 kernels it is possible to use the bluez-kernel-2.3 package
Apart from the kernel support, BlueZ distributes a series of packages
bluez-libs-2.17.tar.gz Necessary libraries for Bluetooth user application development
bluez-utils-2.17.tar.gzControl applications for the Bluetooth devices
bluez-sdp-1.0rc3.tar.gzAll the SDP functionality: libraries, tools
bluez-pan-1.1pre4.tar.gzScripts, daemons and programs for the PAN profile
bluez-hcidump-1.20.tar.gzContains the HCI commands sniffer
bluez-hciemu-1.1.tar.gz To try out programs without having to buy Bluetooth devices
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F. Blue Z. The Official Linux Bluetooth protocol stack
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F. BlueZ. Primeros pasos
Control del dispositivo:# hciconfig hci0 <option>
Linux:~ # hciconfig– hci0: Type: USB– BD Address: 00:00:00:00:00:00 ACL MTU: 0:0 SCO MTU: 0:0 DOWN– RX bytes:0 acl:0 sco:0 events:0 errors:0– TX bytes:0 acl:0 sco:0 commands:0 errors:0
<option>:– up/down/reset: Bring up, down and reset the hci0 interface. – auth/noauth: Enables and disables authentication.– encrypt/noencrypt: Enables and disables encryption – piscan/noscan: Enables/disables both, page scan and inquiry scan modes – iscan/pscan: Set inquiry scan/page scan mode only – ptype <type>: Sets packet type: DH1, DH3, DH5, DM1, DM3 and DM5– ...
Ejemplo:Ejemplo:Linux:~ # hciconfig hci0 up
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F. BlueZ. Primeros pasos
herramientas:# hcitool [options] <command> [command parameters]
Linux:~ # hcitool <option>
– dev: Display list of local Bluetooth devices.– inq: Inquire remote devices and return their details: Bluetooth Device
Address, Clock offset and Class of Device.– scan: Scan for remote devices.– name: Get name from remote device.– info: Get information from remote device, its address, name, protocol stack
version, manufacturer, hardware chipset and features.– …
– ...Ejemplo:Ejemplo:Linux:~ # linux:~ # hcitool inq
– Inquiring ...» 00:10:60:A2:83:A9 clock offset: 0x4a0b class: 0x000000
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F. BlueZ. Primeros pasos
Otras herramientas# l2ping
Sends an L2CAP echo request to a peer device.
# l2testIs a tool that allows transmission of data (recv’s and sends) using L2CAP sockets
# hcidumpIt offers a good sniffer for viewing traffic between the local device and remote devices
# sdptool <option># sdptool search <--bdaddr bdaddr> <--tree> <service>
– Search for a service <service> on a device with <bdaddr>.
Otras:linux:~ # pand --listen --role GNlinux:~ # pand --connect 00:37:5C:67:D3:02
linux:~ # ifconfig bnep0 10.0.0.1linux:~ # ifconfig bnep0 10.0.0.2
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F. BlueZ. Programación en Linux
To use Bluetooth functions and data structures, it is necessary to include the Bluetooth and SDP libraries function headers
#include <bluetooth/bluetooth.h>#include <bluetooth/l2cap.h>#include <bluetooth/hci.h>#include <bluetooth/hci_lib.h>#include <bluetooth/sdp.h>#include <bluetooth/sdp_lib.h>
Linker: linker option –L /usr/lib –lbluetooth –lsdp
Compilergcc
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F. BlueZ. Programación en Linux
Using socketsThe socket creation for the L2CAP layer is very similar to TCP/IP sockets. We have Datagram, Stream and SEQSockets to play with.
Instead of ports we have PSM’s,Instead of IP addresses we have Bluetooth device addressesL2CAP socket
– Options: authentication, encryption, role switches …
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F. BlueZ. Ejemplo de aplicación
Bluetooth para aplicaciones sensibles al contextoProyecto desarrollado por David Ferrandez Bell durante el curso 2002-2003Aplicación y código fuente disponible:
http://www.grc.upv.es/software/ca_blue_museum.htm
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F. Bluetooth and Java
Java™ APIs for Bluetooth (JSR 82)SpecificationSpecification::
http://www.jcp.org/en/jsr/detail?id=82
ImplementationsImplementationsImpronto Developer Kit
– http://www.rococosoft.com/blue_dk.htmlAvetana JSR-82
– http://www.avetana-gmbh.de/avetana-gmbh/produkte/jsr82.eng.xml
For Linux you will need a recent version of the BlueZ Stack. For Windows, the Widcomm Stack that comes with most BT-Dongles is required
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F. Programación con el Standard JABWT
JABWTConjunto de APIs de Java que permite el desarrollo de aplicaciones en utilizando Java conforme a la especificación 1.1 de Bluetooth.
Arquitectura de JABWTGestión de los dispositivosDescubrimiento
Dispositivos y servicios
Comunicación
Paquetes del APIjavax.bluetoothjavax.obex
J2ME, Java 2 Platform, Micro Edition, define el conjunto mínimo de librerías de clases de Java características de la máquina virtual soportadas en una particular categoría de dispositivos. J2ME está diseñada especialmente para dispositivos de uso personal
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F. Programación con el Standard JABWT
Acceso al dispositivo localclase javax.bluetooth.Localdevice
método getLocalDevice()
Método getProperty()
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F. Programación con el Standard JABWT
Descubrimiento de dispositivos InquiryObtener un DiscoveryAgent(encapsula toda la funcionalidad necesaria requerida para localizar dispositivos y servicios)
DiscoveryAgent agent = localDev.getDiscoveryAgent();
Implementar la interfaz DiscoveryListenerpublic void deviceDiscovered(RemoteDevice btDevice, DeviceClass cod);public void inquiryCompleted(int discType);
Usar el DiscoveryAgent para iniciar la búsqueda, proporcionándole el listener que recibirá la notificación de eventos
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F. Programación con el Standard JABWT
Descubrimiento de servicios SDPObtener un DiscoveryAgent(Ya se dispondrá de una instancia utilizada en el inquiry)
Implementar la interfaz DiscoveryListenerservicesDiscovered()serviceSearchCompleted()
Usar el DiscoveryAgent para iniciar la búsquedamétodo searchServices() de la clase DiscoveryAgent.
Usar un ServiceRecord que se haya encontrado para conectarse al servicio (obteniendo una URL del ServiceRecord del servicio)
String connectionURL = firstRecordFound.getConnectionURL( ServiceRecord.NOAUTHENTICATE_NOENCRYPT, false);Connection conn;conn = Connector.open(connectionURL);
(Maestro/Esclavo)
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F. Programación con el Standard JABWT
Creación y publicación de serviciosCrear una URL con información del servicio
String url = "btl2cap://localhost:1020304050;ReceiveMTU=512;TransmitMTU=512”
Crear el registro de servicioL2CAPConnectionNotifier notifier;notifier = (L2CAPConnectionNotifier)Connector.open(url);
Publicar el servicioL2CAPConnection conn = notifier.acceptAndOpen();
Utilizar el objeto de la clase L2CAPConnection para comunicarse con el cliente
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F. Programación con el Standard JABWT
Diseño de una aplicación cliente (L2CAP)Realizar una búsqueda de servicios
Construir una URL con la que conectarse con el servidorString url = record.getConnectionURL(record.NOAUTHENTICATE_NOENCRYPT,false);
Abrir una conexión con el servidorL2CAPConnection conn =(L2CAPConnection)Connector.open(url);
Enviar y recibir datos al servidor
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F. Visual Studio 2005and Future Windows Mobile Platform Support
Windows Mobile Roadmap
Richer Platform Capabilities
.NET CF 2.0
MFC 8.0, ATL 8.0Broad managed code support Notifications Broker, Location, Camera, Watson, D3DM
.NET CF SP2
VGA (PPC)QVGA (SP)SquareLandscape
ATL 4.2, .NET CF
Enhanced Emulator Configuration Mgr,Bluetooth, SMS
MFC, ATL
Active SyncConnection MgrMAPIOBEXTelephony
MFC
Win32,POOM
BetterDevelopment
Visual Studio 2005(C#, VB.NET, C++)
eVC 3 (C++)eVC 4 (C++)
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Core OS WinCE 5.0WinCE 4.2WinCE 4.2WinCE 3.0WinCE 3.0
MoreDevice Choices
FutureWindows Mobile
Platform2003Second Edition
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F. Windows Mobile Platform
Software Platform
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WindowsWindows CECE
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Win32Win32
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.NET Compact.NET CompactFramework 2.0Framework 2.0
Server sideServer sideASP .NETASP .NET
Mobile ControlsMobile Controls
** = Managed wrappers= Managed wrappers
Visual Studio 2005Visual Studio 2005
Home ScreenHome ScreenUser Interface/ShellUser Interface/ShellHTML ControlHTML ControlDOMDOM
GAPIGAPICameraCameraD3DMD3DMLocation*Location*
Connection ManagerConnection ManagerTAPI*TAPI*SMS* SMS* MAPI* MAPI* POOM*POOM*
MultimediaMultimediaCommunicationCommunicationDevice ManagementDevice Management PresentationPresentation
SQL MobileSQL MobileADO CEADO CEXMLXMLCE DBCE DBOLE DBOLE DB
Data AccessData Access
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F. The .NET Compact Framework Mobile Devices
Bluetooth programming on Windows MobileDEMO:
Mobile Devices and shows remote control of PowerPoint
http://channel9.msdn.com/ShowPost.aspx?PostID=50525#50525
DEMO
BluetoothprogrammingWindows Mobile group
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F. Resources to work on it
the Bluetooth .NETCF libraryhttp://blog.opennetcf.org/pfoot/CategoryView.aspx?category=Bluetooth
Bluetooth Library (March Edition)Download the Code and do it work! http://www.peterfoot.net/files/OpenNETCF.Net.Bluetooth.1.2.50312.zip
Bluetooth Remote Control Download and do it work!!
OpenNETCF libraryOnline documentationThe OpenNETCF.Net namespace provides additional classes to support
Bluetooth to supplement the functionality in the System.Net namespace
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F. Bluetooth for .NET
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F. More links …
– Bluetooth Remote Control for SmartPhone
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F. Soporte Bluetooth Windows XP
Mis sitios BluetoothInstalación driversConfiguración
Registrar servicios Buscar dispositivos y serviciosConfigurar servicios Play …
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F. Soporte Bluetooth Linux
The KDE Bluetooth Frameworkhttp://kde-bluetooth.sourceforge.net/
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F. The end …
