Mobile Datenkommunikation - Funkwellen für Surfer -

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1 FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH GmbH Zentralinstitut für Angewandte Mathematik Jülich, (02461) Beratung und Betrieb, (02461) Technische Kurzinformation FZJ-ZAM-TKI-0406 W.Anrath, S.Werner Mobile Datenkommunikation - Funkwellen für Surfer - 1. Einleitung Funktechniken WLAN Wireless LAN GSM - Global System for Mobile Communications... 2 CSD - Circuit Switched Data... 3 GPRS - General Packet Radio Service... 3 HSCSD - High Speed Circuit Switched Data UMTS - Universal Mobile Telecommunication System... 4 UMTS Datenkarten... 7 HSDPA - High Speed Downlink Packet Access WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access Bluetooth Zugang zum JuNet Fazit Einleitung Ziel dieser Kurzinformation ist die Beschreibung und Positionierung aktueller Funktechniken, die von Mobilfunk-Betreibern quasi weltweit oder auch regional von Einrichtungen wie Kongresszentren oder Tagungshotels bereitgestellt werden. So kann beispielsweise durch geeignete Auswahl von Technik und den entsprechenden Produkten ein Pocket PC, Windowsoder Mac-Laptop mittels Handy oder Datenkarte über die Mobilfunknetze nach Aufbau einer VPN-Verbindung JuNet-Services nutzen. Wesentliche Unterscheidungsmerkmale sind 1

2 Übertragungsrate, Reichweite und Kosten. Zur Orientierung für den Anwender werden die oft nur als Kürzel beworbenen und bekannten Techniken und Produkte erläutert. Da letztlich der Zugang zu IT-Diensten im JuNet das Einsatzziel ist, erfolgt ein kurzer Abriss von VPN- und Mail-Services. Vorab ist anzumerken, dass sowohl Smartphones, Mobilfunk-PDAs und Laptops in Verbindung mit einer Mobilfunkdatenkarte eine oder mehrere der hier beschriebenen Funktechniken unterstützen. 2. Funktechniken 2.1. WLAN Wireless LAN Wireless LANs haben sich als Zugangslösung für den Nahbereich, d.h. maximal einige hundert Meter im Bereich eines sogenannten Access Points, in großem Umfang durchgesetzt. Neue leistungsfähige Varianten drängen auf dem Markt, trotzdem muss vom Funknetzanbieter die weit verbreitete Variante b, Bruttodatenrate 11 Mbps, bereitgestellt werden. Da neuere Varianten wie g, Bruttodatenrate 54 Mbps, abwärtskompatibel zu b sind, kann eine Verbesserung der Übertragungsrate nahtlos erfolgen. Neben Universitäten, Kongresszentren und Hotels bieten auch die renommierten Mobilfunkprovider an ausgewählten Lokationen WLAN-Zugang über deren Hotspots (Empfangsbereich eines Zugangspunktes/Access Points) an. Im Gegensatz zu den Mobilnetzen GSM und UMTS ist aber kein flächendeckendes Angebot vorhanden. Viele Einflüsse mindern die oben genannten Datenraten: Gebäudebeschaffenheit, andere Techniken im 2.4 Ghz Band wie schnurlose Telefone oder Bluetooth-Geräte. Die Bezeichnung Wi-Fi wird gleichbedeutend mit WLAN verwendet. Im Forschungszentrum wird ebenfall ein WLAN angeboten; Einzelheiten beschreibt die ZAM-TKI (Der im 5 Ghz arbeitende Stand a/h wird selten eingesetzt, bietet aber 19 statt 3 parallel nutzbare Kanäle an; die Reichweite ist allerdings geringer.) 2.2. GSM - Global System for Mobile Communications Das GSM-Netz (Global System for Mobile Communications) hat sich als Massenprodukt für Mobil-Telefone etabliert und die meisten neueren Handy-Geräte schalten automatisch bei Bedarf zwischen den Frequenzen 900 / 1800 / 1900 Mhz um, d.h. diese Geräte haben TriBand-Funktionalität und sind damit sowohl in Europa als auch in USA und Asien einsetzbar. Da Anbieter in den USA zudem das 850 Mhz Band nutzen, existieren Handy-Geräte mit Quadband-Funktion, womit dann im Bedarfsfall alle 4 Frequenzbereiche abgedeckt sind. Die GSM-Mobilfunknetze werden als zweite Generation (kurz 2G) bezeichnet und bieten neben der Sprachkommunikation die Möglichkeit zum Datenaustausch (geringe Bandbreite) an. Die Nutzung der Modem-Funktionen eines Handy-Gerätes ist stark Modell-abhängig. Zur Installation sind also unbedingt die Anleitungen der Hersteller heranzuziehen. Je nach Kombination von Handy-Gerät und Mobilfunkanbieter können dabei die im Folgenden dargestellten Verfahren zur Datenkommunikation konfiguriert und zum Einsatz kommen: CSD, GPRS und HSCSD. 2

3 CSD - Circuit Switched Data CSD (Circuit Switched Data) stellt durch ein geeignetes Handy (z.b. Siemens S45/Me45 oder M35i) mit Modem-Funktion im GSM-Netz eine Datenverbindung über das Handy her. Die Datenrate ist dabei allerdings auf 9,6kbps oder 14.4 kbps beschränkt zudem mindern hohe Latenzen den Arbeitskomfort. Da es sich - wie beim Telefongespräch auch um ein leitungsvermittelndes Verfahren handelt, erfolgt die Abrechung zeitbasiert! Beispiel: Handy (z.b. Siemens S45 oder M35i) CSD fähig, Datenkabel, Laptop, VPN-Client Nachfolgend eine CSD-Verbindung - wie bei einer Telefonverbindung ist die Rufnummer der Gegenseite konfiguriert: CSD / GRPS Modem GPRS - General Packet Radio Service Die GPRS-Technik (2.5G) arbeitet paketorientiert und kann Datenraten bis zu 53,6 kbps liefern da der Zugriff auf die Übertragungskanäle nur bei Bedarf erfolgt, wird üblicherweise eine Abrechung nach dem übertragenen Datenvolumen (Volumentarif) favorisiert. Die wirklich erzielbaren Datenraten können in Abhängigkeit von der Auslastung je nach Funkzelle stark variieren. Die erforderliche Modem-Software stellen die Handy-Hersteller in der Regel nur für Windows und Mac zur Verfügung. Die Arbeitsgeschwindigkeit ist fast vergleichbar mit einem kabelgebundenen V.90 Modem (57,6kbps). Die zur Zeit sehr populären Blackberry-Geräte (Telefon und Mail-Client) nutzen meistens diese Übertragungstechnik. Beispiel: Handy (z.b. Siemens S45) GPRS fähig, Datenkabel, Laptop, VPN-Client Die folgende Grafik zeigt die fertige Definition einer GPRS-Verbindung (Siemens S45 Handy T-D1 Netz) die Angabe im Feld Rufnummer ist eine feste Vorgabe des Mobilfunkanbieters: 3

4 Wichtig: Viele UMTS-Datenkarten bzw. Handy-Geräte nutzen als Fallback GPRS, wenn keine UMTS-Netzabdeckung gegeben ist. HSCSD - High Speed Circuit Switched Data Das HSCSD-Übertragungsverfahren nutzt mehrere leitungsvermittelte Sprachkanäle im GSM-Netz und erreicht durch diese Bündelung und einer geänderten Kanalcodierung Datenraten bis zu 38,4 kbps. Man benötigt ein HSCSD-fähiges Handy, einen oftmals je nach Provider optionalen Datentarif sowie die Software für den Laptop in der Regel ist diese nur für Windows lieferbar. Wichtig: Die Abrechnung erfolgt nach Verbindungszeit UMTS - Universal Mobile Telecommunication System Dem GSM-Netz folgt als Neuerung der Mobilfunkstandard UMTS (ein europäisches Konzept); dies ein Mobilfunknetz der dritten Generation, kurz 3G Netz. Zwei Frequenzbereiche werden benutzt: Uplink im 1900 Mhz-Bereich, Downlink im 2100 Mhz- Bereich. Manche UMTS-Datenkarten oder Handy-Geräte führen das Kürzel 3G als Teil der Produktbezeichnung. Ein Vorteil gegenüber GSM/GPRS liegt für den Anwender in der Möglichkeit, Telefonverbindung und Datenkommunikation gleichzeitig nutzen zu können. Theoretisch sind Datenraten bis zu 384kbps möglich die Abrechung erfolgt typischerweise nach einem gewählten Volumentarif (von eventuell angebotenen Zeittarifen ist abzuraten). Werden die Datenmengen aus dem Volumentarif überschritten, explodieren die Kosten: bis zu 2,60 Euro pro MB sind möglich! 4

5 Die Netzabdeckung in ländlichen Bereichen ist nach wie vor unzureichend und somit muss GPRS als Fallback, insbesondere außerhalb Europas, für die Datenkommunikation verwendet werden. Jedoch ist insgesamt die Konnektivität gut, die Zellen bilden ein übergreifendes Netz, und der erreichbare Durchsatz hat nur eine geringe Streuung. Höhere Latenzen (insbesondere im Vergleich zum leitungsgebundenen DSL) müssen allerdings in Kauf genommen werden. Beispiel: UMTS-Datenkarte, Windows-Laptop, Cisco-VPN-Client oder L2TP-over-IPSEC Die nachfolgende Grafik zeigt das Vodafone-Dashboard zur Steuerung einer UMTS PC-Card. Verbindungsaufbau/-abbau sowie Kontrolle der Nutzung sind möglich: Die bestehende UMTS/GRPS-Verbindung kann wie üblich mit Windows XP Bordmitteln angezeigt werden: 5

6 Abschließend zur Illustration die T-Mobil-Lösung (TMCC) zur Steuerung einer UMTS-Karte: 6

7 UMTS Datenkarten Bei einem UMTS-Handy kann Bluetooth als Schnittstelle genutz werden die Bluetooth- Datenrate von 75 KByte/s (600 Kbps) reicht für UMTS aus. Im Fall der Datenkarten ist ein freier PC-Card-Slot (nach PCMCIA-Norm) nötig. Die Anbieter liefern Software (Treiber) für Windows- und Mac-Rechner. Neu zu beschaffende Karten sollten QuadBand Funktionalität haben (GSM/GPRS Fallback!). Für Latops/Notebooks mit einem reinen ExpressCard/34-Schacht existiert derzeit keine Möglichkeit der Aufrüstung in Richtung UMTS; Ausnahme: Notebooks die bereits mit einem UMTS-Module ausgestattet sind. HSDPA - High Speed Downlink Packet Access Durch den HSDA-Ausbau der Mobilfunknetze sind Datenraten bis zu 1,8 Mbps möglich. Weitere Steigerungen sind angekündigt, aber der Zeitpunkt einer möglichen Nutzung sowie regionale Einschränkungen- noch nicht absehbar WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access Die WiMax Funktechnik ist zur Datenübertragung auf der sogenannten letzten Meile gedacht und wird somit als Funk-DSL beworben. Ähnlich WLAN erfolgt eine Punkt-zu- Multipunkt Kommunikation, wobei aber die Datenrate und Reichweite deutlich über den WLAN-Standards liegen. Die Datenraten sollen bei bis zu 134 Mbps liegen ob sich WiMax als UMTS-Konkurrent etablieren kann und welche Angebote bereitgestellt werden, bleibt abzuwarten. Zudem steht der Abschluss der Lizenzvergabe durch die Bundesnetzagentur noch aus. Verschiedene Übertragungsarten sind zu unterscheiden: IEEE Frequenzen >10 Ghz (Sichtverbindung der Antennen) IEEE Frequenzen 2-11 Ghz (keine Sichtverbindung nötig) IEEE e-2005 Frequenzen 2-6 Ghz (mobile Endgeräte, Handover) 2.5. Bluetooth Mit Bluetooth können verschiedenste Geräte kabellos miteinander verbunden werden, beispielsweise Handy und Laptop. Benutzt wird das 2.4 Ghz-Band die Übertragungsrate und die Sendeleitung sind allerdings wesentlich geringer als wie bei WLAN nach den Standards. Die Reichweite hängt von der implementierten Klasse ab: 10 m Klasse 3, 40m Klasse 2, 100 m Klasse 1. Die Datenrate liegt bei 732,2 Kbps (Version 1) oder 2.1 Mbps (V2.0 Enhanced Data Rate). Die Verbindung von Endgeräten wie z.b. Handy oder Laptop setzt gegenseitig die Implementierung spezifischer Profile voraus zwischen Handy-Modem und Laptop kann beispielsweise der Datenaustausch über das Dialup Networking Profile erfolgen. Bluetooth ist kein Netzwerk. 7

8 3. Zugang zum JuNet Nachdem die Internet-Konnektivität über eine der oben beschriebenen Funktechniken besteht, kann eine kryptografisch gesicherte Verbindung zum JuNet mittels VPN - Virtual Private Networking aufgebaut werden. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau können dann JuNetinterne Dienste genutzt werden. Zwei unterschiedliche VPN-Varianten werden angeboten; Einzelheiten zur Konfiguration enthalten ZAM-TKI-0371 Virtual Private Network -Cisco VPN Client ZAM-TKI-0387 L2TP-over-IPSEC -Builtin VPN für Windows XP / Mobile 4. Fazit Im ZAM sind CSD-, GPRS-, UMTS- und WLAN basierte Zugänge und deren Interoperabiltät mit den angegebenen VPN-Lösungen verifiziert worden. Oft enthalten die von Mobilfunkanbietern mitgelieferten Installations-CDs die Cisco VPN Client Software als zusätzliche Komponente. Da die vom ZAM bereitgestellte VPN-Distribution in der Regel aktueller ist, sollte stets hier die vom ZAM angebotene Version installiert werden. 8

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