Tiedonsiirto puettavassa tietotekniikassa ja läsnä-älyjärjestelmissä TIE370 Kurssin harjoitustyö Tero Saastamoinen ttsaasta@cc.jyu.fi 21.2.2006
1. Esittely Mark Weiserin määritelmissä läsnä-älyjärjestelmissä tietotekniikka on sulautettu ihmisten jokapäiväiseen ympäristöön, niin ettei itse tekniikka nouse esiin vaan sen tarjoamat palvelut ja tiedot. Weiserin kuvauksissa paperin korvaavat kevyet ja halvat kannettavat päätteet pad:t joilla voidaan esittää ja editoida tekstiä. Raskaampaa tiedon ja median esittämistä varten ovat board:it eli rakennuksiin integroitujen tietojärjestelmien näytöt. Tavaroiden ja henkilöiden tunnistamista ja paikantamista varten ovat tab:it eli yksinkertaiset piirit jotka vastaavat esim. pankkikorttien, sim-korttien tai viivakoodien toimintoja. Läsnä-älyjärjestelmien tulisi siis tunnistaa käyttäjä kaikkialla jolloin käyttäjän palvelut eivät olisi tiettyyn laitteeseen tai paikkaan sidottuja. Käyttäjä voisi siis käyttää tiedon hakuun ja hallintaan bordia tai padia kaikkialla [7]. Puettavassa tietotekniikkassa tietoteknisiä toimintoja on lisätty vaatteisiin tai muutoin saatettu helposti kuljetettavaan muotoon. Näin ollen esimerkiksi älyvaatteet kuuluvat määritelmään. Tässä harjoitustyössä puettavalla tietotekniikalla tarkoitetaan kumminkin raskaampia puettavia laitteistoja jotka tarjoavat tavanomaisen PC-laitteiston tasoisia toimintoja. Tämä tarkoittaa näyttölaitetta, verkkoyhteyttä ja syöttölaitteita kuten puheohjausta tai näppäimistöä [8]. Läsnä-älyjärjestelmät ja puettava tietotekniikka eroavat perusajatuksessa toisistaan, mutta osassa niiden sovelluksia tiedonsiirtotarpeet muistuttavat toisiaan. Puettavassa tietotekniikassa ja padeissa, samoin kuin liikennevälineisiin sulautetuissa läsnä-älyjärjestelmissä, tarvitaan langatonta tiedonsiirtoa. Niinpä tässä harjoitustyössä keskitytään lähinnä langattomaan tiedonsiirtoon. Pad:ien tai puettavaan tietotekniikkaan virtalähteet ovat jo koon ja painon takia rajoitettuja joten tiedonsiirtotekniikan täytyy olla vähän virtaa kuluttavaa, mutta pystyttävä suhteellisen suuriin tiedonsiirtonopeuksiin. Puettavassa tietotekniikassa käytännön rajoitusten takia eri komponentit (datalasit, keskusyksikkö ja massamuistit) sijoitetaan erilleen joten tarvitaan lyhyen matkan tiedonsiirtoa eli jossa kantomatka täytyy olla enimmillään kaksi metriä. Vaadittuun verkkoyhteyteen tarvitaan pitkänmatkan tiedonsiirto eli yli 1
kämmenenmetrin kantomatkaa rakennusten sisällä tai lähellä ja kilometrien luokkaa ulkoilmassa. Läsnä-älyjäjestelmissä tarvitaan pad:hin lyhyenmatkan tiedonsiirtoa huoneen sisällä toisiin padihin ja rakennuksen järjestelmiin, jolloin tiedonsiirron kantomatkan täytyy olla kymmenen metrin luokkaa. Ratkaisuja lyhyenmatkan tiedonsiirron voi jakaa infrapuna, johdin ja radio perusteisiin[6]. Johtimiin perustuvat lyhyenmatkan ratkaisut eivät luonnollisesti käy läsnä-älyjärjestelmien määritelmiin. Pitkänmatkan tiedonsiirrossa keskitytään langattomiin ratkaisuihin. Seuraavassa on esitelty eri tapoja näiden vaatimuksien täyttämiseksi [3]. 2. IrDA Infrared Data Association on luonut joukon standardeja, jotka koskevat langatonta optiikkaa infrapunaisella sähkömagneettisen säteilyn kaistalla,. Määrittelyyn kuuluvat lähetin IR-valodiodilla ja IR-vastaanotin. IrDA määrittelee kaksipisteyhteyksiä 2.4 kbit/s 4 Mbit/s tiedonsiirtonopeuksilla. Infrapunasäteilyyn perustuva tiedonsiirto sopii paremmin läsnä-älyjärjestelmiin, kuin puettavaan tietotekniikkaan missä laitteet eivät ole yleensä näköyhteydessä toisiinsa (koska ne on sijoitettu vaatteiden sisään) [6]. 3. Bluetooth Alunperin Ericssonin kehittämä langaton teknologia Bluetooth on kehittynyt lisenssivapaaksi standardiksi yhdistämään mitä erilaisempia laitteita. Johtavien tietoliikenne, tietoverkko ja tietokoneyhtiöiden luoma Bluetooth edunvalvontaryhmä puolustaa ja kehittää standardia, joka toimii 2,4 GHz taajuuskaistalla. Vaikka Bluetooth:ia ei ole suunniteltu läsnä-älyjärjestelmien tai puettavan tietotekniikan käyttöön on se laajalle levinneenä hyvä vaihtoehto tähän käyttöön vaikkakaan suurimmillaan 1 Mbit/s nopeus ei ole aina riittävä. Bluetooth määrittelee tahdistetun ja yhteydellisen (RFCOMM) tai tahdistamattoman ja yhteydettömän (L2CAP) tiedonsiirron. Bluetooth on aikajakoinen kaksisuuntainen tiedonsiirtojärjestelmä joka käyttää hyppivätaajuista hajaspektritekniikkaa. Tällä teknologialla pystytään 1600 taajuusvaihtoon sekunnissa yli 79 kanavalla 1 MHz kaistan laajuisesti. Tiedonsiirrossa voidaan käyttää etenevää virheenkorjausta ja yksi, kolme tai 2
viisiosaisia paketteja. Bluetooth-verkko muodostuu tähtiverkoista, piconeteistä, joissa on seitsemän jäsenlaitetta ja yksi masterlaite. Suurempia verkkoja, scatternettejä, voidaan muodostaa liitämällä yhden piconetin masterlaite toisen piconetin jäsenlaitteeksi. Bluetooth:in suunniteltu kantomatka on noin kymmenen metriä sisätiloissa [6,9]. 4. ZigBee Motorola aloitti 1998 vähän virtaa kuluttavan langattoman verkkotekniikan projektin, jonka perusteella vuonna 2003 luotiin IEEE 802.15.4 standardi. IEEE 802.15.4 kehittämään ja markkinoimaan perustettiin 2002 ZigBee yhdistys johon Motorolan lisäksi kuuluu yli sata jäsenyritystä, joihin lukeutuu niin puolijohdeelektroniikan valmistajia, tutkimukseen ja tuotekehityksen yrityksiä, kuin ZigBee:tä käyttäviä yrityksiä. ZigBee:n suunnittelun lähtökohtina olivat halpahinta, vähäinen virrankulutus ja yksinkertaisuus. ZigBee toimii 868 MHz, 902-928 MHz tai 2.4 GHz taajuuksilla ja se käyttää suorasekvenssihajautukseen perustuvaa hajaspektritekniikkaa (DSSS). Tiedonsiirtonopeus on 250 Kbit/s 2.4 GHz:llä, ~40 Kbit/s 902-928 MHz alueella ja 20Kbit/s 868 MHz taajuudella. ZigBee verkkojen topologiaa ei ole määrätty, kuin Bluetoothissa, vaan ZigBee laitteet voivat muodostaa tähtiverkkojen lisäksi vertaisverkkoja, jolloin yhdellä ZigBee verkolla voidaan kattaa suuriakin alueita. Lisäksi vertaisverkoissa on muitakin hyötyjä kuten itsekorjautuvuus. Yhdessä ZigBee verkossa voi olla teoreettisesti 65 000 laitetta. ZigBee:n suunniteltu kantomatka on 10 100 metriä. ZigBee sopii hyvin läsnä-äly järjestelmien laitteisiin (tap ja pad) halvemman hinan ja virrankulutuksen osalta, mutta sen tiedonsiirron nopeus ei ole riittävä alussa määriteltyihin kannettavan tietotekniikan vaatimuksiin. Lisäksi ZigBee laitteet eivät vielä ole yleisessä käytössä ja koiteltua tekniikkaa kuten esimerkiksi Bluetooth on [9]. 3
5. WLAN Langattomialähiverkkoja on tarjolla monia erilaisia versioita. Suurin osa käyttää pientehoista suorasekvenssihajautettua hajaspektritekniikka (DSSS) tai hyppivätaajuista hajaspektritekniikka (FHSS) 2,4 GHz taajuusalueella. Verkoissa käytetään kantoaallon havaitsevaa ja törmäyksiä välttäviä CSMA-CA protokollia eli käytännössä langatonta Ethernetiä, joka periytyy IEEE 802.11b:stä. Tavallista DSSS käyttävien verkkojen suurin siirtonopeus on 11Mb/s, mutta käyttämällä koodausta (Packet Binary Convolutional Code,PBCC) nopeus nousee 22Mbit/s. IEEE 802.11 standardi tukee 54Mbit/s nopeutta 5 GHz taajuusalueella ja käyttää monikantoaaltomodulointia (OFDM). IEEE 802.11/g nopeus on sama 54Mbit/s, mutta se toimii 2,4 GHz alueella ja on alaspäin yhteensopiva IEEE 802.11b standardin mukaisten laitteiden kanssa. IEEE 802.11n lupailee puolen gigabittiä sekunnissa nopeuksia [6]. Koska WLAN-laitteet on kehitetty työasemien ja kannettavien tietokoneiden käyttöön, niiden virrankulutus on suurempi kuin esimerkiksi Bluetooth:ssa. Näin ollen WLAN ei ole paras vaihtoehto puettavan tietotekniikan sisäiseen tiedonsiirtoon. Toisaalta pitkänmatkan yhteyksiin WLAN:n kantomatka (~200m) on liian lyhyt. Sen sijaan läsnä-älyjärjestelmiin WLAN soveltuu paremmin, joskaan tuotteiden hinnat eivät taida olla lähellä Weiserin kertakäyttötietokoneen (scrap computer) tasoa. 6. Matkapuhelinverkot UMTS eli 3G-verkko tarjoaa parhaimmillaan 384kbit/s ja GPRS vain 53 kbit/s tiedonsiirtonopeuksia. Matkapuhelinverkot ovat mobiiliin tekniikkaan perustuen ja laajalle levinneenä tuoneet läsnä-äly tai puettavan tietotekniikan kaltaisia sovelluksiin jokapäiväistä käyttöä. Tukiaseman vaihdot ja virrankulutus ovat kohdallaan, mutta jos vaaditaan pöytäkoneiden suorituskykyä, eivät nykyiset matkapuhelinverkkojen tarjoamat siirtonopeudet ole riittäviä. 3.5G ja sitä seuraavat järjestelmät lupaavat suurempia tiedonsiirto nopeuksia, mutta kun otetaan huomioon että nykyinen 3G peittoalue kattaa Suomessa vain joidenkin kaupunkien keskustoja niin joudutaan myös nopeampia verkkoja odottamaan vielä jonkin aikaa [2]. 4
7. Muut ratkaisut Japanissa NTT Docomassa kehitetyssä järjestelmässä tiedonsiirtomediana toimii ihmiskeho. Järjestelmässä lähetin indusoi ihmiseen pienen sähköviran ja vastaanotin havaitsee nämä minimaaliset sähkökentän muutokset. Koko järjestelmän toimivuus perustuu hyvin tarkkaan sähkökentän mittaamiseen, joka on toteutettu sähköoptisella kiteellä (ks. Kuva 1). Sähkökentät vaikuttavat herkästi kiteen hilaan, jolloin sen läpijohdetun valon polaarisuus muuttuu. Vastaanottimessa laserledin säde johdetaan kiteeseen ja säteen polaarisuus vaihtelut muutetaan polarisoivan puolipeilin ja kahden valoanturin avulla sähköisiksi signaaleiksi. Näin toteutettu anturi pystyy havaitsemaan nopeampia ja pienempiä sähkökentän muutoksia kuin aikaisemmat anturit. Indusoitu sähkökenttä (potentiaali) maadoittuu nopeasti esim. jalkojen kautta ja siten ulkopuolisen on mahdotonta kaapata siirrettävää tietoa, muutoin kuin muutaman senttimetrin päästä käyttäjästä. Toisaalta kätellessä kaksi järjestelmän käyttäjää muodostavat yhteisen sähköpotentiaalin, jolloin informaatiota voidaan siirtää heidän laitteidensa välillä. Järjestelmä pystyy 10Mbit/s nopeuksiseen vuorosuuntaiseen tiedonsiirtoon ~150 cm matkalla [1]. Puettavassa tietotekniikassa on mahdollista upottaa tiedon- ja sähkönsiirtoverkko asusteeseen, mutta ongelmina tällöin ovat johdotusten epämukavuus ja vääntökestävyys käytössä. Michael Gorlickin ratkaisussa verkko on sijoitettu henkseleihin [4], kun taas sveitsiläisessä tutkimuksessa on upotettu eristettyjä 5
kuparikuituja kangaskudoksen sekaan ja luotu näin kankaanlaajuinen johdotus [5]. 8. Yhteenveto Vaikka Bluetooth ja matkapuhelinverkot ovat tuoneet läsnä-älyjärjestelmien, ja ennen kaikkea puettavan tietotekniikan sovelluksia lähemmäs arkipäivää, eivät niiden tiedonsiirto-ominaisuudet ole vielä riittävällä tasolla. IrDA on halpana kuin luotu Weisserin pad:hin mutta laitteilla täytyy olla toisiinsa näköyhteys joka rajoittaa käyttöä. ZigBee on vähänvirtaa kuluttavana ja halvempana kuin Bluethoot hyvä ratkaisu joihinkin läsnä-älyjärjestelmien osiin, mutta muussa käytössä sen tiedonsiirto nopeus jää liian pieneksi. WLAN on suuren virrankulutuksen takia hankala puettavaan tietotekniikkaan ja lyhyenmatkan tiedonsiirtoon liian massiivinen. Kun tukitaan kuvaa 2. on nähtävissä sama ongelma, kuin tiedonsiirron nopeutta kasvatetaan kasvaa samalla laitteiden monimutkaisuus, hinta ja virran kulutus. Virran kulutus nousee myös luonnollisesti jos halutaan pidempiä kantomatkoja. Ei siis olla vielä siinä että puettavan tietotekniikan ja läsnä-älyjäjärjetelmien tiedonsiirto voitaisiin ratkaista yhdellä tekniikalla. 6
Viitteet [1] Mitsuru Shinagawa, Masaaki Fukumoto, Katsuyuki Ochiai ja Hakaru Kyuragi: A Near-Field-Sensing Transceiver for Intrabody Communication Based on the Electrooptic Effect, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume 53,numero 6, joulukuu 2004 [2] Massimo Bernaschi, Filippo Cacace, Antonio Pescap ja Stefano Za: Analysis and Experimentation over Heterogeneous Wireless Networks, Tridentcom 2004. First International Conference, helmikuu. 2005 [3] Oliver Amft, Michael Lauffer, Stijn Ossevoort, Fabrizio Macaluso, Paul Lukowicz, Gerhard Tröster: Design of the QBIC wearable computing platform, Automated Software Engineering Conference, syyskuu 2004 [4] Michael M. Gorlick: Electric Suspenders: A Fabric Power Bus and Data Network for Wearabl Digital Devices, The Third International Symposium on Wearable Computers, lokakuu 1999 [5] Didier Cottet, Janusz Grzyb, Tünde Kirstein, ja Gerhard Tröster: Electrical Characterization of Textile Transmission Lines, IEEE Transactions on Advanced Packaging, toukokuu 2003 [6] Roy L. Ashok ja Dharma P. Agrawal: Next-Generation Wearable Networks, IEEE Computer -lehti Volume 36, numero 11, marraskuu 2003 [7] Mark Weiser: The computer for the 21st century, ACM SIGMOBILE, Mobile Computing and Communications Review archive, Volume 3, numero 3, heinäkuu 1999. [8] Bradley J. Rhodes, Nelson Minar ja Josh Weaver: Wearable Computing Meets Ubiquitous Computing: Reaping the best of both worlds, The Third International Symposium on Wearable Computers, lokakuu 1999 [9] Nick Baker: ZigBee and Bluetooth. Strengths and Weaknesses for industrial application, Computing & Control Engineering lehti Volume 16, numero 2, kesäkuu 2005 7