Single Acknowledgement System for Bluetooth Multicast

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1 Università degli Studi di Padova Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Single Acknowledgement System for Bluetooth Multicast Relatore: Prof. Erseghe Tomaso Correlatori: Ing. Capretta Pietro, Ing. Gozzi Alberto Laureando: Canzian Luca Il lavoro è stato svolto durante un internship di 6 mesi all interno della STMicroelectronics di Zaventem, in Belgio 10 Luglio 2007

2 Bluetooth Tecnologia wireless Reti ad-hoc a corto raggio (PAN) Utilizzato dalla maggior parte dei cellulari 2/13

3 Comunicazione standard - Il master inizia la connessione e gestisce le risorse nella rete. - In collegamenti asincroni uno slave spedisce un pacchetto solo se precedentemente interrogato dal master. - Time Division Multiplexing (TDM), slot = 625 µs, pacchetti possono durare 1, 3 o 5 slots. 3/13

4 Scopo della tesi Tipi di trasmissione in Bluetooth: Point to point: master slave, affidabile o non affidabile. Broadcast: master tutti gli slaves, non affidabile. Questi meccanismi non soddisfano le applicazioni che hanno bisogno di comunicare simultaneamente con più slaves in modo affidabile e con un alto throughput. Multicast Obiettivo tesi: definire nuove proposte per il multicast, analizzarle e confrontarle con la più recente proposta fatta dal SIG (l organo di standardizzazione del Bluetooth) 4/13

5 Proposta del SIG Master spedisce pck contemporaneamente a tutti gli slaves che rispondono con un ACK/NACK in mezzo slot riservato. Se master non riceve un ACK da tutti gli slaves ritrasmette il pck. Aumento del throughput e diminuzione consumo potenza. Forte calo del throughput all aumento del numero di slave. 5/13

6 Proposta di ST Master spedisce pck contemporaneamente a tutti gli slaves che rispondono con un esplicito NACK durante lo stesso mezzo slot se non hanno ricevuto correttamente il pck. Se il master riceve il NACK ritrasmette il pck. Ulteriore aumento del throughput e diminuzione consumo potenza. Si puó usare l`altro mezzo slave slot come canale di ritorno. No completa affidabilità. 6/13

7 Analisi del throughput Ogni volta che il master trasmette un nuovo pck la situazione, dal punto di vista statistico, si ripete processo di rinnovamento studio del throughput medio in un ciclo Ogni ciclo di rinnovamento si può modellare con una catena di Markov Throughput = b / d b = numero medio bit trasmessi in un ciclo = numero bit trasportati dai pck multicast d = durate temporale media di un ciclo = (durata master slot + durate slave slot) numero medio transizioni 7/13

8 Risultati - BER 1e-05, situazione tipica - Throughput discontinuo nella proposta del SIG - BER 1e-04, situazione limite - Throughput superiore a 500 Kb/s fino a 12 slaves nella proposta di ST 8/13

9 Affidabilità proposta ST 3 tipi di modulazione in Bluetooth: GFSK (1 Mbps), π/4- DPSK (2 Mbps) e 8-DPSK (3 Mbps). Gli slaves rispondono utilizzando la GFSK. Modulazione GFSK: Segnale PAM modula la frequenza della portante. L equivalente in banda base é un vettore a modulo costante che ruota. L informazione è associata rotazione del vettore in un periodo. 9/13

10 Sovrapposizione di NACK Nella proposta di ST più slaves possono trasmettere il NACK al master durante lo stesso mezzo slot. Sovrapposizione di segnali GFSK che trasportano gli stessi bit. Vettori a modulo costante che ruotano della stessa quantità. Anche la loro somma è a modulo costante e ruota della stessa quantità. Il master è in grado di riconoscerla 10/13

11 Risultati considerando 6 slaves PER = N i= 1 i N P L ( i) B = m P L ( i) m N i= 1 BER=1E-5 BER=1E-4 PER B PER B DH1 6.9E E E E-08 DH3 3.0E E E E-07 DH5 9.7E E E E-06 2-DH1 2.7E E E E-08 2-DH3 1.1E E E E-06 2-DH5 3.4E E E E-06 3-DH1 6.4E E E E-07 3-DH3 2.4E E E E-06 3-DH5 6.9E E E E-06 Nel caso limite di BER 1e-04, considerando il pck 3-DH3, nel caso peggiore si perde mediamente un pck ogni: B 11/13

12 Estensione della proposta di ST Per raggiungere una affidabilità completa si può usare la seconda parte dello slave slot. Uno slave manda un esplicito ACK solo se ha ricevuto tutti i pck precedenti a quello attuale. - No ACK seconda parte slave slot ritrasmissione dei pck spediti nei N+1 precedenti master slots. - NACK prima parte slave slot e ACK seconda parte slave slot ritrasmissione del pck attuale Altrimenti trasmissione di un nuovo pacchetto multicast Inconveniente: buffer nel master e estensione del campo SEQN nei pacchetti multicast 12/13

13 Conclusioni The SIG proposal The ST proposal The ST extended proposal Maximum throughput High very high very high Reliability Complete high complete (*) Saving in average power High very high very high Return flow No yes yes Difficulty of implementation Medium medium medium / high Added costs No no buffer (*) (*) dipende dal buffer che é presente nel master, dalle prestazioni che si vogliono ottenere e dai parametri della connessione Lavori Futuri: - Brevetto dei risultati ottenuti nella tesi. - Presentazione delle proposte multicast al SIG - Analisi della PER per l estensione della proposta di ST variando i parametri della connessione e la grandezza del buffer. - Test in laboratorio Se i risultati ottenuti saranno confermati implementazione nei chip Bluetooth di ST. 13/13