E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
1
EE 586 Communication andSwitching Networks
Lecture 25
Slides based on 6LoWPAN: The Wireless EmbeddedInternet, Shelby & Bormann
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Outline
Introduction
The Internet of Things
Applications of 6LoWPAN
The Internet Architecture and Protocols
Introduction to 6LoWPAN
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
fig-intro-iot
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Benefits of 6LoWPAN Technology
Low-power RF + IPv6 =
The Wireless Embedded Internet
6LoWPAN makes this possible
The benefits of 6LoWPANinclude:
Open, long-lived, reliable standards
Easy learning-curve
Transparent Internet integration
Network maintainability
Global scalability
End-to-end data flows
images-2
ietflogo2f
IPSO-logo
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Evolution of Wireless SensorNetworks
Scalability
Price
Cabling
Cables
Proprietary
radio + network
2000
1980s
2006
Vendor
 lock-in
Increased
Productivity
ZigBee
Complex
middleware
6lowpan
Internet
Open development
 and portability
Z-Wave, prop.
ISM etc.
ZigBee and
 WHART
Any vendor
6lowpan
ISA100
2008 ->
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Relationship of Standards
fig-intro-standards
IPv6 over Low power Wireless PersonalArea Networks (2005 - …)
Routing over Low-power and Lossynetworks (2008 - …)
CoRE
Constrained RESTfulEnvironments (2010 - …)
ZigBee Alliance (2003 - …)
low-cost, low-speedubiquitous communicationbetween devices 
European TelecommunicationStandard Institute: machine tomachine working group
(2009 - …)
Open GeospatialConsortium
IP for Smart Objects Alliance(2008)
Sub 1-GHz 802.15.4 forbuilding automation
Wireless system in theautomation and controlenvironment
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
6LoWPAN Applications
Facility, Building and Home Automation
Personal Sports & Entertainment
Healthcare and Wellbeing
Asset Management
Advanced Metering Infrastructures
Environmental Monitoring
Security and Safety
Industrial Automation
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Facility Management
facilitymanagement
RFID Door AccessControl
Asset Tracking
Building Automation
Energy Reduction
Maintenance
AMI = AutomaticMetering infrastructure
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Fitness
fig-intro-fitness
Physical Activities
Calorie Intake
Continuous Vital Signmeasurement
Sleep monitoring
Coaching, Motivation,Adherence
http://photos.prnewswire.com/prn/20130521/SF17618
http://img.sxsw.com/2011/events/FutureFitnessThePowerOfPersonal.jpg
http://cdn.xlcgamingnetwork.com/news/images/2012/07/13/Kinect_PlayFit-screens/Playfit_Welcome.jpg
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Industrial Automation and Asset Management
Diapositive4
fig-intro-industrial
Tracking inventory
Remote sensing incontrolling doors,automating transfer
Safety practicemonitoring
Energy efficiency
Vehicular automation
Security system
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Microcontroller
LandingPageTIMS430MCU
Main processing units of embedded devices
Special purpose and highly integrated
Integrated RAM, ROM, I/O, peripherals
Extremely good power to performance ratio
Cheap, typically 0.25 - 10.00 USD
Executes programs including embedded systemcontrol, measurement & communications
Usually time-critical requiring guarantees
Real-time performance a common requirement
Pre-emptive scheduled tasks
Queues and semaphores
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Embedded Meets Wireless
Microcontrollers are everywhere in embedded systems
appliances, watches, toys, cameras, industrial control, mobile phones,sensors, cars, automation
Microcontroller vs. microprocessor market
15 x more microcontroller units sold yearly (8 billion)
20 billion vs 43 billion USD market by 2009
Possibilities of wireless are endless
802.15.4 chips to 150 million unit sales by 2009
Embedded systems have special characteristics
Academic community very computer science and protocol driven,often ignoring
Physical layer realities
Embedded system operation
Real-time capabilities
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Example: MSP430
Texas Instruments mixed-signal uC
16-bit RISC
ROM: 1-60 kB
RAM: Up to 10 kB
Ultra low power
<100uA/MHz
> 20 years @ 4MHz
Analogue
12 bit ADC & DAC
LCD driver
Digital
USART x 2
DMA controller
Timers
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Sensors & Actuators
Sensors measure real-world phenomena andconvert them to electrical form
Analogue sensors require an ADC
Digital sensors use e.g. I2C or SPI interfaces
Human interface can also be a sensor (button)
IEEE 1451 standard becoming important
Defines standard interfaces and auto-configuration
Also some protocol specifications
Actuators convert an electrical signal to someaction
Analogue and digital interfaces both common
A motor servo is a good example
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Transceivers
Modern embedded communications chips are transceivers: theycombine half-duplex transmission and reception.
Transceivers integrate varying functionality, from a bare analogueinterface to the whole digital baseband and key MAC functions.
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Example: CC2420
IEEE 802.15.4 compliant radio
2.4 GHz band using DSSS at 250 kbps
Integrated voltage regulator
Integrated digital baseband and MAC functions
Clear channel assessment
Energy detection (RSSI)
Synchronization
Framing
Encryption/authentication
Retransmission (CSMA)
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Power Consumption
Radio power consumptioncritical to consider
Power output level
Limited savings effect
Optimal power difficult
Must be considered globally
Transition times
Each transition costs
Power equal to RX mode
Should be accounted for
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Power Consumption
A simple approximation for power consumption:
 
= Time that takes to go from sleep state to awake state
= Transmitter setup time, i.e. time it takes for the transmitter to be ready
= Time in the Tx state
= Receiver setup time, i.e. time it takes for the receiver to be ready
= Time in the Rx state
= Time in the idle state
= Time in the sleep state
= Average number of times per frame that the transmitter is used
= Average number of times per frame that the receiver is used
= Duration of the time frame
= Power used in the Tx state
= Power used in the Rx state
= Power used in the idle state
= Power used in the sleep state
= Average power used by the transceiver
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is 6LoWPAN?
IPv6 over Low-Power wireless Area Networks
Defined by IETF standards
RFC 4919, 4944
draft-ietf-6lowpan-hc and -nd
draft-ietf-roll-rpl
Stateless header compression
Enables a standard socket API
Minimal use of code and memory
Direct end-to-end Internet integration
Multiple topology options
fig-ipv6-wide
IPv6
fig-intro-device
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Protocol Stack
fig-intro-stack
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Features
Support for e.g. 64-bit and 16-bit 802.15.4 addressing
Low-power link layers such as IEEE 802.15.4,narrowband ISM and power-line communications
Efficient header compression
Network autoconfiguration using neighbour discovery
Unicast, multicast and broadcast support
Multicast is compressed and mapped to broadcast
Fragmentation
1280 byte IPv6 MTU -> 127 byte 802.15.4 frames
Support for IP routing (e.g. IETF RPL)
Support for use of link-layer mesh (e.g. 802.15.5)
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Architecture
LoWPANs are stub networks
Simple LoWPAN
Single Edge Router
Extended LoWPAN
Multiple Edge Routers with common backbone link
Ad-hoc LoWPAN
No route outside the LoWPAN
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
fig-intro-arch
Architecture
Internet Integration issues
Maximum transmission unit
Application protocols
IPv4 interconnectivity
Firewalls and NATs
Security
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
6LoWPAN Headers
Orthogonal header format for efficiency
Stateless header compression
fig-intro-header