Mobilkommunikation. Lehrstuhl für Informatik IV RWTH Aachen. Organisatorisches. Dr. rer. nat. Dirk Thißen Prof. Dr. Otto Spaniol. Mobilkommunikation

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1 Mobilkommunikation Lehrstuhl für Informatik IV RWTH Aachen Dr. rer. nat. Dirk Thißen Prof. Dr. Otto Spaniol Seite 1 Organisatorisches Termine Mittwoch, 13:30-15:00, generell im AH V Wegen Belegung des AH V finden einige Termine im 5052 statt: Unterlagen (Folienkopien und Videoaufzeichnungen) Literatur J. Schiller: Mobile Communications. 2nd Edition, Addison Wesley, 2003 Ansprechpartner Dirk Thißen Lehrstuhl für Informatik IV, Raum 4226 (Gebäude E1) Telefon: 0241 / thissen@informatik.rwth-aachen.de Seite 2 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 Seite 3 Warum drahtlose Netze? Eigenschaften Zumeist Funkübertragung, man benötigt neue Übertragungsprotokolle Vorteile Räumlich flexibel innerhalb eines Empfangsbereichs Ad-hoc-e ohne vorherige Planung machbar Keine Verkabelungsprobleme (z.b. historische Gebäude, Feuerschutz, Ästhetik) Unanfälliger gegenüber Katastrophen wie Erdbeben, Feuer - und auch unachtsamen Benutzern, die Stecker ziehen! Nachteile Im Allgemeinen noch sehr niedrige Übertragungsraten bei größerer Nutzerzahl Oft proprietäre leistungsstärkere Lösungen, Standards sind weniger leistungsfähig Beachtung vieler nationaler Regelungen, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen Begrenztes Frequenzspektrum, Interferenzen der Frequenzen Seite 4

2 Anwendungen I Typische Anwendung: Straßenverkehr Fahrzeuge Empfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DAB (Digital Audio Broadcasting) persönliche Kommunikation über GSM Positionsbestimmung über GPS lokales Netz mit Fahrzeugen in der Umgebung zur Vermeidung von Unfällen, Leitsystem 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 UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA,... ad hoc Personal Travel Assistant, DAB, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... Seite 5 Seite 6 Anwendungen II Ortsabhängige Dienste 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 e für Mehrbenutzerspiele 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 von Unterstützungsdiensten Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. folgen dem mobilen Endgerät durch das Festnetz Aber: Privacy! wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen??? Seite 7 Seite 8

3 Mobile Endgeräte Sensoren, embedded systems Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten PDA einfache Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Textanzeigen L e i s t u n g Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme Laptop voll funktionsfähig Standardanwendungen Seite 9 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV 2 f C: interne Kapazitäten V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.b. zeitweise gesenkt werden Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.b. Defekte) 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 als Alternative Seite 10 Drahtlose e 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 bis 100 Mbit/s, regional derzeit z.b. 9,6kbit/s mit GSM 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 Seite 11 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) Seite 12

4 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 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) Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse viele Feldversuche mit TV (Farb-TV, Nachrichten, Atlantik) Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 rund Teilnehmer B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muss bekannt sein) 1979 rund Teilnehmer NMT, 450 MHz (Skandinavien) Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone Seite 13 Seite 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 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 Start von GSM in Deutschland als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellularer Netzaufbau Roaming in Europa und auch weltweit in über 170 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in Deutscahland (Ende % der Bevölkerung erreichbar) 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) Wireless LAN - IEEE IEEE-Standard, 2,4-2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher verfügbar Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium: 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon Seite 15 Seite 16

5 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 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) Start von 3G-Systemen cdma2000 in Korea, UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan Seite 17 Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick 1981: NMT : NMT : GSM analog digital Mobiltelefone 1994: DCS : CDMA 2000: GPRS 1983: AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC 4G Vierte Generation: wann und wie? 2001: IMT-2000 Satelliten 1982: Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium schnurlose Telefone 1980: CT0 1984: CT1 200?: Vierte Generation (Internet basiert) drahtlose Netze 1987: CT : CT : DECT 199x: proprietary 1997: IEEE : b, Bluetooth 2000: IEEE a Seite 18 Drahtlose Netze Personal Area Networks Übermittlungsrate MBit/s verdrahtete Endgeräte WMAN WLAN CORDLESS (CT, DECT) Büro Gebäude stationär gehen fahren Indoor HIPERLAN UMTS CELLULAR (GSM) Outdoor Mobilität CT - Cordless Telephony (analoger Vorgänger von DECT) DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications (Standard für schnurlose Telefone im lokalen Bereich) GSM - Global System for Mobile Communication (zellularer Mobilfunkstandard) UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (universelles (Mobilfunk-)System, welches viele unterschiedliche Zugangssysteme vereint) WLAN - Wireless Local Area Network (Standard zur drahtlosen Vernetzung (tragbarer) Computer) HIPERLAN alternatives LAN zu WLAN, drahtlose ATM-Erweiterung WMAN - WirelessMAN (Technik zur Überbrückung der letzten Meile zwischen Festnetz und Nutzer) darüber hinaus: Satellitensysteme, Bluetooth/IrDA im 'Kurzstreckenbereich' Personal Area Networks (sehr kleine Reichweite) IrDA (Infrared Data Association) Infrarotstandard zum Anschluss von Peripheriegeräten Datenrate bis 4 Mb/s Brutto, Datenrate im Gebrauch aber nur 115 Kb/s Wenige Meter Reichweite, nur in Sichtweite Anfällig gegenüber Störungen IEEE (WPAN, Bluetooth): Datenrate bis zu 723 Kb/s Reichweite bis ca. 10/15 Meter (mit höherer Sendeleistung: bis zu 100 Meter), Bildung kleiner Funkzellen Ad-hoc Networking: spontaner (automatischer) Zusammenschluss mehrerer mobiler Geräte (maximal 8) zu einem eigenen kleinen Netz Einsatz bei Handys, Personal Digital Assistents (PDAs),... Seite 19 Seite 20

6 Wireless Local Area Networks Drahtlose lokale Netze (kleine Reichweite) IEEE (Wireless LAN, WLAN) Verbreiteter Standard zur Unterstützung mobiler Rechner Hohe Datenraten: momentan 11 Mb/s Bitübertragungsschicht und Medienzugriff: kann als 'drahtlose Variante von Ethernet' angesehen werden Basisstationen (Access Point, AP) verbinden WLAN direkt mit Ethernet, zusätzlich sind Ad-hoc-Netze möglich als physikalische Medien werden Infrarot- und Funkübertragung genutzt IEEE (WirelessMAN) fokussiert auf Mobilität, auf drahtlose Gebäudeabdeckung Höhere Datenrate ( Mb/s), größere Reichweite HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) Verschiedene Varianten, von Typ 1 mit 23,5 Mb/s bis Typ 4 mit 155 Mb/s Reichweite ca. 50 Meter bis 5 Kilometer Keine Produkte Seite 21 Mobilfunknetze Cordless Systems DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) Standard für das schnurlose Telefon Übertragung von Sprache und Daten in räumlich begrenzten Gebieten (Heimbereich) Cellular Systems (mittlere Reichweite) GSM (Global System for Mobile Communications) Hauptsächlich konzipiert für Sprachübertragung, aber auch nutzbar für Datenübertragung (Wide Area Network) Niedrige Datenraten (9,6 Kb/s) Zusatzprotokolle für die Datenübertragung (EDGE, GPRS, HSCSD) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Auch: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) Integration vielfältigster Daten, Datenraten bis 2 Mb/s und schließlich: Satelliten zur weltweiten Abdeckung. Seite 22 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... Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Transport Bitübertragung Funk Bitübertragung Bitübertragung Medium Anwendung Transport Bitübertragung Seite 23 Seite 24

7 Overlay-e Einordnung in das OSI-Referenzmodell Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Anwendungsschicht Dienstelokation Adaptive Anwendungen Neue Anwendungen Vertikaler Handover Stadtnetze Regionalnetze Transportschicht schicht Flusskontrolle, Staukontrolle Dienstqualität Adressierung, Routing Endgerätelokalisierung Handover Gebäudenetze Campusnetze Horizontaler Handover Seite 25 sschicht Bitübertragungsschicht Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Frequenzen, Modulation Interferenzen, Dämpfung Verschlüsselung Seite 26 Struktur der Vorlesung Kapitel 2 Technische Grundlagen: Schicht 1 Verfahren zum Medienzugriff: Schicht 2 Kapitel 3 Drahtlose Netze: WLAN, Bluetooth, WirelessMAN, WirelessWAN Mobilfunknetze: GSM, GPRS, UMTS Satellitensysteme und Broadcastnetze Kapitel 4 Mobilität in der schicht: Mobile IP, Routing, Ad-Hoc-Netze Mobilität in der Transportschicht: Zuverlässige Übertragung, Flusskontrolle, QoS Mobilitätsunterstützung Seite 27