Mobilkommunikation. Sommersemester FU Berlin Informatik Technische Informatik & Telematik. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller

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1 Mobilkommunikation Sommersemester 2005 FU Berlin Informatik Technische Informatik & Telematik Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.1

2 Übersicht über die Vorlesung Einführung Broadcast-Systeme Einsatzszenarien DAB, DVB Begriffsdefinitionen Herausforderungen Drahtlose LANs Techniken, Einsatzgebiete Technische Grundlagen IEEE a/b/g,.15, Bluetooth Wellenausbreitung, Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Sender/Empfänger, Modulation Netzwerkprotokolle Mobile IP Ad-hoc Netze Medienzugriff Wegwahl SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Kollisionsvermeidung, Polling Flusssteuerung Drahtlose Telekommunikationssysteme GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000 Satellitensysteme GEO, LEO, MEO, routing, handover Dienstqualität Mobilitätsunterstützung Dateisysteme, WWW, WAP, i- mode, J2ME, Ausblick Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.2

3 Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen viele Aspekte Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.3

4 Computer für die nächsten Jahrzehnte? Computer sind integriert klein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit erkennbar Technik tritt in den Hintergrund Computer erkennen selbst wo sie sind und passen sich an Computer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z.b. Weiterleiten von Gesprächen, Fax) Fortschritte in der Technik höhere Rechenleistung auf kleinerem Raum flache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahme neue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungen mehr Bandbreite pro Kubikmeter vielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale Netze, regionale Telekommunikationsnetze etc. ( Overlaynetzwerke ) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.4

5 Begriffe der Mobilkommunikation Zwei Aspekte der Mobilität: Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann. Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden. Wireless vs. Mobile Beispiele stationäre Arbeitsplatzrechner Notebook im Hotel Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden Personal Digital Assistants (PDA) Der Wunsch nach mobiler Datenkommunikation schafft den Bedarf zur Integration von drahtlosen Netzen in bestehende Festnetze: im lokalen Bereich: Standardisierung von IEEE , ETSI (HIPERLAN) im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.5

6 Anwendungen I Fahrzeuge Empfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DAB persönliche Kommunikation über GSM Positionsbestimmung über GPS lokales Netz mit Fahrzeugen in der Umgebung zur Vermeidung von Unfällen, Leitsystem, Redundanz Fahrzeugdaten (z.b. bei Linienbussen, ICE) können vorab in eine Werkstatt übermittelt werden, dann schnellere Reparatur Notfälle Übermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung, aktueller Stand der Behandlung, Diagnose Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.6

7 Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA,... ad hoc Personal Travel Assistant, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.7

8 Mobile und drahtlose Dienste Always Best Connected DSL/WLAN 3 Mbit/s GSM/GPRS 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, DSL/WLAN 3Mbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s UMTS, GSM 384 kbit/s Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.8

9 Anwendungen II Handelsvertreter direkter Zugriff auf Kundendaten in der Zentrale konsistente Datenhaltung über alle Mitarbeiter mobiles Büro Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.b. Wetter, Flusspegel Flexibilität bei Messeständen Vernetzung historischer Gebäude Freizeit, Unterhaltung, Information Internet-Anschluss im Grünen tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele History Info Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS05 1.9

10 Ortsabhängige Dienste Umgebungsbewusstsein welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung Nachfolgedienste automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten Arbeitsoberfläche an den aktuellen Aufenthaltsort Informationsdienste push : z.b. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt pull : z.b. wo finde ich Pizza mit Thunfisch Nachfolgen der Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. folgt dem mobilen Endgerät durch das Festnetz Privatheit wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

11 Mobile Endgeräte Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten PDA/Smartphone Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Laptop/Notebook voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Grafikanzeigen L e i s t u n g Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

12 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV 2 f Datenverlust C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.b. zeitweise gesenkt werden muss von vornherein mit eingeplant werden (z.b. Defekte, Diebstahl) Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar Flash-Speicher or? als Alternative Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

13 Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen Einstrahlung von z.b. Elektromotoren, Blitzschlag Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben Niedrigere Übertragungsraten lokal einige Mbit/s, regional derzeit z.b. 53kbit/s mit GSM/GPRS Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

14 Erfindungen und Entdeckungen Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Heliographen, Flaggen ( Semaphore ), Zeiger 150 v.chr. Rauchsignale zur Kommunikation; von Polybius, Griechenland, berichtet 1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse: 1831 Faraday demonstriert elektromagnetische Induktion J. Maxwell ( ): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) H. Hertz ( ): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum (1888 in Karlsruhe) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

15 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi Reflexion an der Ionosphäre kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

16 Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958 A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, Teilnehmer 1972 B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muss bekannt sein) ebenso in A, NL und LUX, Teilnehmer in D 1979 NMT, 450 MHz (Skandinavien) 1982 Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming 1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) 1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

17 Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, , 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) MHz, ~ m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere Nutzer/km 2, Nutzung in 50 Ländern 1992 Start von GSM in D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in weit über 200 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache,... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

18 Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in D (Ende % der Bevölkerung erreichbar) 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, Standardisierung von Typ 1: 5,15-5,30GHz, 23,5Mbit/s Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s) 1997 Wireless LAN - IEEE IEEE-Standard, 2,4-2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

19 Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard b, 2,4-2,5GHz, 11Mbit/s Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/s Entscheidung über IMT-2000 Mehrere Familienmitglieder : UMTS, cdma2000, DECT,... Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert) UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. für 6 Lizenzen bezahlt) 2001 Start von 3G-Systemen cdma2000 in Korea (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

20 Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick 1981: NMT : NMT : GSM Mobiltelefone 1994: DCS : CDMA 1983: AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC 1982: Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C Satelliten 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium schnurlose Telefone 1980: CT0 1984: CT1 1987: CT : CT 2 drahtlose LAN 1991: DECT 199x: proprietary 1997: IEEE : b, Bluetooth analog 2000: GPRS 2001: IMT : IEEE a digital 4G Vierte Generation: wann und wie? 200?: Vierte Generation (Internet basiert) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

21 Grundlage: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M IMT-2000 Konzepte und Ziele M Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M Satelliten in IMT-2000 M IMT-2000 für Entwicklungsländer M Anforderungen an die Luftschnittstellen M.1035 Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen M.1036 Frequenzspektrum M.1078 M.1079 M.1167 M.1168 M.1223 M.1224 M.1225 Sicherheit in IMT-2000 Sprache/Daten im Sprachband Rahmenwerk für Satelliten Rahmenwerk für das Management Evaluation von Sicherheitsmechanismen Vokabular für IMT-2000 Evaluation der Übertragungstechniken Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

22 Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998) Amerika Europa Japan andere total Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

23 Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland : 70-90% Durchdringung in Westeuropa Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

24 Weltweites Teilnehmerwachstum Teilnehmer [Millionen] Ab 2000 flacht die Kurve ab 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

25 Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002) Mittlerer Osten; 1,6 Afrika; 3,1 Amerika 22 Asien/Pazifik; 36,9 Europa; 36,4 2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

26 Einige Statistikwerte (09/2002 / 12/2004) Total Global Mobile Users 869M / 1.52T Total Analogue Users 71M / 34M Total US Mobile users 145M / 140M Total Global GSM users 680M / 1.25T Total Global CDMA Users 127M / 202M Total TDMA users 84M / 120M Total European users 283M / 343M Total African users 18.5M / 53M Total 3G users 130M / 130M(?) Total South African users 13.2M / 19M European Prepaid Penetration 63% European Mobile Penetration 70.2% Global Phone Shipments M Global Phone Sales 2Q M #1 Mobile Country China (139M / 300M) #1 GSM Country China (99M) #1 SMS Country Philipines #1 Handset Vendor 2Q02 Nokia (37.2%) #1 Network In Africa Vodacom (6.6M) #1 Network In Asia Unicom (153M) #1 Network In Japan DoCoMo #1 Network In Europe T-Mobile (22M / 28M) #1 In Infrastructure Ericsson SMS Sent Globally 1Q02 60T / 135T SMS sent in UK 6/02 1.3T / 2.1T SMS sent Germany 1Q02 5.7T GSM Countries on Air 171 / 210 GSM Association members 574 / 839 Total Cost of 3G Licenses in Europe 110T SMS/month/user 36 Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

27 Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) Modulation, Codierung Medienzugriff... Mobilität Ortsabhängige Dienste Transparenz des Aufenthaltsorts Dienstgüteunterstützung... Portabilität Leistungsaufnahme eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße,... Handhabbarkeit... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

28 Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Funk Medium Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

29 Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

30 Kapitelübersicht Kapitel 10: Mobilitätsunterstützung Kapitel 9: Transportprotokolle Kapitel 8: Netzwerkprotokolle Kapitel 4: Telekommunikationssysteme Kapitel 5: Satelliten Systeme Kapitel 6: Broadcast Systeme Kapitel 7: Drahtlose LANs Kapitel 3: Medienzugriff Kapitel 2: Technische Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

31 Overlay-Netzwerke das globale Ziel Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze Vertikaler Handover Stadtnetze Campusnetze Horizontaler Handover Gebäudenetze Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS