Mobilkommunikation Überblick und technische Grundlagen. Bearbeitet von: Sören Bethge und Jörg Schneider Gliederung

Transkript

1 Mobilkommunikation Überblick und technische Grundlagen Bearbeitet von: Sören Bethge und Jörg Schneider Gliederung 1.Einführung 2.Geschichte der drahtlosen Kommunikation 3.Beispiele für Anwendungen uns Szenarios 4.Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 5.Drahtlose Übertragung 6.Vereinfachtes Referenzmodell 7.Problembereiche und Forschung 8.Ausblicke, Märkte und Chancen

2 1. Einführung 1.1 Unterschied zwischen drahtloser und mobiler Kommunikation Unterschied zwischen drahtloser und mobiler Kommunikation Mobilität bezieht sich auf einen Nutzer eines Kommunikationssystems, der Dienste des Systems an unterschiedlichen Orten nutzen kann Ist ein Teilnehmer mobil, folgen die Kommunikationsdienste nach Als Beispiel die Anrufweiterleitung von Telefonanlagen oder Computersysteme Drahtlose Kommunikation versteht den Zugriff auf ein Kommunikationsnetz bzw. den Austausch von Daten mit einem Kommunikationspartner, ohne das hierfür ein Draht oder eine Glasfaser eingesetzt wird Einsatz von elektromagnetischen Wellen durch den Raum

3 1.1 Unterschied zwischen drahtloser und mobiler Kommunikation Vier Klassen eines Kommunikationsgerätes: Fest und leitungsgebunden: Bsp. Arbeitsplatz PC, keine mobile Unterstützung Mobil und leitungsgebunden: Bsp. Notebook Fest und drahtlos: Bsp. Überbrückung der letzten Meile zu einem Kunden mit Funk Mobil und drahtlos: kein Kabel, Auswahl von drahtlosen Netzen (Bsp. GSM Mobilfunknetz) Geschichte der drahtlosen Kommunikation

4 2.Geschichte der drahtlosen Kommunikation 1833: Gauß und Weber übertragen die ersten Telegraphiesignale zw. der Sternwarte und dem Physikalischen Institut in Göttingen 1861: Philipp Reis gelingt die elektrische Übertragung von Tönen und Worten 1864: James Clerk Maxwell liefert den theoretischen Beweis für die Existenz elektromagnetischer Wellen 1887: Heinrich Hertz erbringt den praktischen Nachweis für die Existenz elektromagnetischer Wellen 1901: Guglielmo Marchese Marconi gelingt die erste Übertragung drahtloser Signale über den Nordatlantik (3600 km) 1915: Die American Telephone & Telegraph (AT&T) Company überträgt eine Sprachnachricht per Funk von den USA nach Frankreich 1926: Auf der Strecke Berlin-Hamburg kann man bereits vom Zug aus während der Fahrt telefonieren Geschichte der drahtlosen Kommunikation 1928: Erste Sprechfunkverbindungen werden von Berlin nach Buenos Aires vermittelt (300 Reichsmark pro Gespräch) 1936: A.H. Reeves entwickelt die Pulsecodemodulation (PCM); Umwandlung von analogen in digitale Signale 1967: Das Fernsehen in Deutschland wird am 25. August zum ersten Mal in Farbe ausgestrahlt 1969: Drahtlose Kommunikation im Weltall, Sprechfunkverbindung mit dem Präsidenten der USA

5 2.Geschichte der drahtlosen Kommunikation 2.1 Geschichte der Mobilfunknetze in Deutschland Geschichte der Mobilfunknetze in Deutschland 1958/59: A-Netz größtes flächendeckende öffentliche Mobilfunknetz der Welt und stellt den Beginn des öffentlichen Mobilfunks in Deutschland dar; `77 abgeschaltet 1972: B-Netz; hohe Kosten; am Abschaltung in Deutschland 1986: Am 01. Mai wird das C-Netz deutschlandweit in voller Flächendeckung eingeführt 1991: Einführung des D-Netz 1992: Die Mannesmann Mobilfunk "D2-Privat" geht an den Start 1994: E-Plus startet das erste GSM MHz Netz (Prepaid-Markt) 2000: Abschaltung des C-Netz

6 2.Geschichte der drahtlosen Kommunikation 2.1 Geschichte der Mobilfunknetze in Deutschland 2.2 Vom analogen zum digitalen Mobilfunk Vom analogen zum digitalen Mobilfunk Übergang vom analogen zum digitalen Mobilfunk im Juli 1991 Probebetrieb des digitalen D-Netz und 1992 start von D2-Privat Basis: weltweiter digitaler GSM-Standard Textbotschaften, SMS (Short Message Services) werden zum Liebling der Massen massive Verdichtung der einzelnen Funkzellen, neue digitale Codierungsmethoden (Half Rate, TDMA, etc.) Mobilfunk-Boom Beide Netze zunächst für jeweils 4 Mio Teilnehmer ausgelegt

7 3. Beispiele für Anwendungen und Szenarios 3.1 Fahrzeuge Fahrzeuge Empfang von Musik, Nachrichten, Wettervorhersagen, u.a. über den digitalen Rundfunk (Digital Audio Broadcasting, DAB) digitaler Rundfunk nach dem DAB Standard immun gegen die meisten Störungen und Effekten der Mehrwegausbreitung Übertragungsraten von bis zu 1,5 Mbit/s bei 900 km/h möglich Fahrzeuge können Daten zum Einhalten eines Sicherheitsabstandes austauschen (über lokales Ad-hoc Netz) ein Auto könnte die Nachfahrenden automatisch vor einer Gefahrensituation warnen, um eine rechtzeitige Abbremsung zu veranlassen

8 Beispiele für Anwendungen und Szenarios 3.1 Fahrzeuge 3.2 Notfälle

9 3.2 Notfälle Übermittlung lebenswichtiger Daten einer Person während der Fahrt ins Krankenhaus Auf diesen Daten basierend können adäquaten Vorbereitungen für eine Operation getroffen werden Funkkommunikationssysteme sind die einzigen Kommunikationssysteme, die Naturkatastrophen wie Orkane, Flutwellen oder Erdbeben überstehen Jedoch können hier oft nur noch Satellitennetze oder dezentralisierte Ad-hoc Netze eingesetzt werden Beispiele für Anwendungen und Szenarios 3.1 Fahrzeuge 3.2 Notfälle 3.3 Mobile Büros

10 3.3 Mobile Büros Mit einem drahtlosen Zugang kann ein tragbarer Rechner zu einem vollständigen mobilen Büro werden eine Firma kann aktuelle Geschäfte aller Mitarbeiter verfolgen Mitarbeiter können ständig auf Firmeninterne Datenbanken zugreifen, sie aktualisieren und mit ihnen arbeiten Beispiele für Anwendungen und Szenarios 3.1 Fahrzeuge 3.2 Notfälle 3.3 Mobile Büros 3.4 Ersatz leitungsgebundener Netze

11 3.4 Ersatz leitungsgebundener Netze Technische und ökonomische Gründe bei bestimmten Einsatzgebieten Bsp. abgelegene Wetterstation; kostengünstiger Oder in historischen Gebäuden, eine Antenne versteckt hinter einer dünnen Wand Beispiele für Anwendungen und Szenarios 3.1 Fahrzeuge 3.2 Notfälle 3.3 Mobile Büros 3.4 Ersatz leitungsgebundener Netze 3.5 Infotainment

12 3.5 Infotainment Bsp. elektronischer Reiseführer; Lieferung aktueller Infos über das drahtlose Netz Daten zu einem historischen Gebäude, wobei der aktuelle Ort entweder über GPS oder Funkpeilung bekannt ist Reservieren von Konzertplätzen Per E-Cash bezahlen und alle Daten an einen Anbieter dieses Mehrwertdienstes über Funk zurück senden Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 4.1 Sensoren

13 4.1 Sensoren Body Area Network (BAN) Mit dieser Übertragungstechnologie ist eine Anbindung von am Körper getragenen medizinischen Sensoren und Aktoren und die Übertragung der Daten über das Internet zum med. Fachpersonal möglich. Daten können EKG-, Blutdruck- oder Temperatur-Messungen sein. Erster Prototyp wurde auf der Medica 2001, Medtec 2002 und Cebit 2002 präsentiert. Mehr Infos unter Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 4.1 Sensoren 4.2 Integrierte Steuerungen

14 4.2 Integrierte Steuerungen Einfache Steuerungen bereits in kleinen und großen Geräten des Alltags enthalten Bsp. Tastaturen, Kopfhörer, Waschmaschinen, Kaffeemaschinen und Fernseher Haartrockner geht aus, wenn Handy klingelt Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 4.1 Sensoren 4.2 Integrierte Steuerungen 4.3 Mobiltelefone

15 4.3 Mobiltelefone Herkömmliche Mobiltelefone besaßen lediglich einfache Textanzeige Konnten Sprache und kurze Textmitteilungen senden bzw. empfangen Entwicklung hin zu PDAs Farbanzeige, Terminplaner, Internetbrowser, MMS (Multimedia Messaging System), usw Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 4.1 Sensoren 4.2 Integrierte Steuerungen 4.3 Mobiltelefone 4.4 PDAs (Persönliche digitale Assistenten)

16 4.4 PDAs Typischer Wegbegleiter eines mobilen Nutzers Bietet extrem abgespeckte Versionen gängiger Bürosoftware Z.B. Notizbuch, Kalender, Adressbuch, Verbindung zur externen Welt mittels Infrarot-, Bluetooth-, GSM- Schnittstelle Beispiele mobiler und drahtloser Geräte 4.1 Sensoren 4.2 Integrierte Steuerungen 4.3 Mobiltelefone 4.4 PDAs (Persönliche digitale Assistenten) 4.5 Notebooks

17 4.5 Notebooks Einrichten von "Mobile Pools" für jeden Studierenden und zur Verfügungstellung von Notebooks. Anschluß über PCMCIA und FunkLANs an das Universitätsnetz sämtliche Softwareaufgaben während des Studiums werden mit diesen Notebooks erledigt leistungsfähige Server stellen die benötigten Tools zur Verfügung Vortrag Wechsel

18 5. Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung Frequenzen und gesetzliche Regulierung Very-Low-Frequency - (VLF-) Langwellenbereich (Low Frequency, LF), Einsatz bei U-Booten Mittelwellen - (Medium Frequency, MF) Kurzwellenbereiche (High Frequency, HF) Übertragung v. Radiosendungen Mittelwelle AM (Amplitude Modulation) liegt zwischen 520 khz und 1605,5 khz Kurzwelle (auch Short Wave, SW) zwischen 5,9 MHz - 26,1 MHz Ultrakurzwelle (Frequency Modulation, FM) 87,5 MHz MHz Very High Frequency (VHF) MHz Ultra High Frequency (UHF) MHz Gerichtete Mikrowellenverbindungen, Super High Frquency (SHF) 2-40 GHz EHF (Extremely High Frequency) Bereich Infrarot - (IR-) Bereich

19 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung Radiosequenzen sind knappe Ressourcen ITU (International Telecommunications Union) ist für die weltweite Regelung und Vergabe von Frequenzen verantwortlich ITU - R (ITU - Radiocommunication Sector);Untergruppe und speziell für die Standardisierung im Bereich der drahtlosen Kommunikation zuständig Region 1: Europa, der mittlere Osten, die Länder der früheren Sowjetunion und Afrika Region 2: Grönland, Nord und Südamerika Region 3: Länder des Fernen Ostens, Australien und Neuseeland Nationale Org., wie FCC (Federal Communications Commission) in den USA CEPT (European Conference for Posts and Telecommunications) in Europa Zuständig für weitere Regulierungen ETSI (European Telecommunications Standards Institute) entwickelt fast alle Standards auf dem Gebiet der Telekommunikation Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung 5.2 Signale und Antennen

20 5.2 Signale und Antennen physikalische Repräsentation von Daten Austausch von Daten nur durch die Übertragung von Signalen Umsetzung von Daten auf Signale übernimmt die Bitübertragungsschicht im im ISO/OSI Basisreferenzmodell Signale und Antennen Aufgabe einer Antenne: Energie der Wellen muss vom Sender in den Raum gebracht und wieder vom Empfänger aufgenommen werden. Antenne haben eine gewisse Richtwirkung, d.h. Intensität der Abstrahlung ist nicht gleichmäßig verteilt. Einfachste reale Antenne ist ein dünner Draht mit der Energiezuführung in der Mitte. Nachteil: Länge nicht beliebig wählbar Schwaches Signal kann nur durch ein Erhöhen der Sendeleistung ausgeglichen werden. Energie kann vom Gelände absorbiert werden (Täler, Berge) Beispiel gerichteter Antennen sind Satellitenantenne Typisch für Mobilfunksysteme, die ihr Empfangsgebiet in Zellen aufteilen (z.b. GSM)

21 5. Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung 5.2 Signale und Antennen 5.3 Signalausbreitung Signalausbreitung Solange ein Leiter nicht unterbrochen oder beschädigt, Charakteristik des Leiters an jeder Stelle gleich In Abhängigkeit von der Signalform und der Materialeigenschaften kann präzise vorhergesagt werden, wie sich das Signal im Leiter fortpflanzt Vorhersage für drahtlose Übertragung nur im Vakuum möglich

22 5.3 Signalausbreitung Sender Übertragung Erkennung Entfernung Interferenz Signalausbreitung Übertragungsbereich: Empfang von Signalen mit niedriger Fehlerrate Erkennungsbereich: Empfänger erkennt noch, daß Sender Signale aussendet, jedoch ist Signal stark gestört Rekonstruktion der Originaldaten auf Grund der hohen Fehlerrate nicht möglich. Interferenzbereich: -Empfänger kann das Signal eines Senders nicht mehr erkennen -Signal stört immer noch andere Übertragungen, indem es zum allgemeinen Rauschen beiträgt -Ab einer Stärke kann ein Empfänger nicht mehr die Signale von Sendern interpretieren

23 5. Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung 5.2 Signale und Antennen 5.3 Signalausbreitung 5.4 Dämpfung Dämpfung Im freien Raum breiten sich elektromagnetische Wellen unabhängig von ihrer Frequenz geradlinig aus Sichtverbindung (Line Of Sight, LOS) Empfangene Leistung hängt noch zusätzlich von der Wellenlänge und der Richtcharakteristik der Antennen ab. Einflüsse der Atmosphäre bei größeren Entfernungen gravierend Satellitenübertragungen jede Kommunikation mit Mobilfunksystemen wird durch die Atmosphäre beeinflusst (starker Regen) Wasser absorbiert sehr viel Energie Mikrowelle Mobilfunkkommunikationssysteme können bei starken Regenfall zusammenbrechen

24 5. Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung 5.2 Signale und Antennen 5.3 Signalausbreitung 5.4 Dämpfung 5.5 Effekte bei der Signalausbreitung Effekte bei der Signalausbreitung Abschattung eines Signals auf Grund großer Objekte, welche die freie Signalausbreitung definieren (Bsp. ein Auto). Reflexion: Wenn ein Objekt im Verhältnis zur Wellenlänge groß genug ist, wird das Signal reflektiert (Bsp. große Gebäude, Berge). Je öfter das Signal reflektiert wird desto schwächer wird es. Bei beiden Effekten sind die Objekte wesentlich größer als die Wellenlänge des Signals

25 5.5 Effekte bei der Signalausbreitung Streuung: Sie bewirkt, dass ein Signal an dem Objekt in mehrere schwächere Signale aufgespaltet wird. Beugung: Radiowellen werden an Kanten von Hindernissen von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt Drahtlose Übertragung 5.1 Frequenzen und gesetzliche Regulierung 5.2 Signale und Antennen 5.3 Signalausbreitung 5.4 Dämpfung 5.5 Effekte bei der Signalausbreitung 5.6 Mehrwegausbreitung, Fading, Dopplereffekt

26 5.6 Mehrwegausbreitung, Fading, Dopplereffekt Größtes Probleme der drahtlosen Kommunikation: Mehrwegeausbreitung (multi path propagation) Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit erreichen die Signale, die unterschiedliche Wege nehmen, den Empfänger auch zu unterschiedlichen Zeiten Effekt: Laufzeitdispersion (delay spread) Laufzeit eines Signals ist eine Verteilung in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Ausbreitungswegen Störungen durch Mehrwegausbreitung können durch aussenden regelmäßiger Trainingssequenzen ausgeglichen werden. Allen Empfängern ist ursprüngliches Signalmuster bekannt. Empfangenes Signal wird mit eigentlicher Trainingssequenzen verglichen und mit Equalizer programmiert Mehrwegausbreitung, Fading, Dopplereffekt short term fading: rasche und sich über weite Bereiche ändernde Signalstärke Ein Empfänger muss permanent versuchen sich an die sich schnell ändernden Umgebungsbedingungen anzupassen long term fading: Verursacht durch den sich ändernden Abstand zwischen Sender und Empfänger oder durch vom Empfänger weiter weg liegende, größere Hindernisse. Kann durch Erhöhung/Erniedrigung der Sendeleistung kompensiert werden

27 5.6 Mehrwegausbreitung, Fading, Dopplereffekt Verursacht durch Bewegung eines Senders oder Empfängers Bekannt bei Schallwellen durch fahrende Fahrzeuge Bsp. Hupendes Auto Steigen/Sinken der Tonhöhe Gleicher Effekt bei elektromagnetischen Wellen Bsp. Größere Probleme durch zufällige Frequenzverschiebungen bei Intersatellitenkommunikation Das vereinfachte Referenzmodell

28 6. Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Funk Medium Vereinfachtes Referenzmodell Bitübertragungsschicht oder physikalische Schicht: Verantwortlich für Umsetzung eines Bitstroms in Signale,die auf Senderseite mit Hilfe einer Antenne übertragen werden können Zuständig für Wahl der Trägerfrequenz, Erzeugung dieser Frequenz, die Signalerkennung, die Modulation von Daten auf die Trägerfrequenz und die Verschlüsselung der Daten durch geeignete Kodierung in Signale. Sicherungsschicht: Steuerung des Medienzugriffs, des Multiplexens verschiedener Datenströme, der Erkennung und Behebung von Übertragungsfehlern und der Synchronisation mit einem Sender Verantwortlich für zuverlässige Punkt - zu - Punkt und Punkt - zu - Mehrpunkt- Verbindung zw. Sender und mehreren Emfpängern

29 6. Vereinfachtes Referenzmodell Netzwerkschicht oder Vermittlungsschicht: Verantwortlich für Wegwahl von Daten und die Weiterleitung derselben in Kommunikationsnetzen Weitere relevante Themen sind Adressierung, Lokalisierung von Geräten und Übergabe zwischen verschiedenen Netzwerken Transportschicht: Aufbau einer Ende - zu - Ende Verbindung zw. zwei Endsystemen Hier sind Themen wie Dienstgüte, Stau- und Flusssteuerung von Interesse Anwendungsschicht : Themen sind hier die Dienstelokalisierung, Unterstützung multimedialer Anwendungen, adaptive Anwendungen und der drahtlose Zugang zum World Wide Web mit einem mobilen Endgerät Problembereiche und Forschung 7.1 Fehlerrate drahtloser Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen

30 7.1 Fehlerrate drahtloser Netze im Vergleich zu Festnetzen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen auf Grund v. Einstrahlung (Bsp. Elektromotoren, Blitzschlag) weiterer Grund sind 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. 9,6 kbit/s mit GSM stets ein geteiltes Medium Problembereiche und Forschung 7.1 Fehlerrate drahtloser Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen 7.2 Flächenabdeckung

31 7.2 Flächenabdeckung Mobilfunkgeräte bieten eine umfassende, any time any place Erreichbarkeit A-Netz: gewünschter Standort muss bekannt sein B-Netz: grober Aufenthaltsort des gewünschten Teilnehmers muss bekannt sein C-Netz: kann automatisch den genauen Aufenthaltsort des gewünschten Gesprächspartners ermitteln (Handover) D-Netz: Dank digitalem GSM-Standard überwinden Roaming- Abkommen Ländergrenzen Problembereiche und Forschung 7.1 Fehlerrate drahtloser Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen 7.2 Flächenabdeckung 7.3 Geräteportabilität

32 7.3 Geräteportabilität Begrenzte Rechenleistung Niedrigere Qualität der Anzeige Kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung Gefahr des Datenverlustes (Defekt) Stark eingeschränkte Benutzerschnittstelle Eingeschränkter Speicher Problembereiche und Forschung 7.1 Fehlerrate drahtloser Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen 7.2 Flächenabdeckung 7.3 Geräteportabilität 7.4 Sicherheit

33 7.4 Sicherheit Gefahr durch Diebstahl (Flughäfen, Restaurants) Durch Zugriff auf -, Intranet- oder Internet-Systeme setzen Organisation sich dem Risiko einer Vielzahl potenzieller und kostspieliger Gefahren aus Produktivitätsverluste Elektronische Sabotage Verschwendung von Ressourcen Gegenwirken: Hardware, drahtlose/mobile Geräte und die zugehörigen Passwörter sind Eigentum des Unternehmens Unternehmenseigene drahtlose/mobile Geräte sollten nicht zur persönlichen Korrespondenz verwendet werden Das Unternehmen hat das Recht, sämtliche elektronische Korrespondenz zu überwachen Problembereiche und Forschung 7.1 Fehlerrate drahtloser Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen 7.2 Flächenabdeckung 7.3 Geräteportabilität 7.4 Sicherheit 7.5 Mobilität

34 7.5 Mobilität Überall-Verfügbarkeit Einschränkung der Privatsphäre Ortsabhängige Dienste Dienstgütequalität Ausblicke, Märkte und Chancen

35 8. Ausblicke, Märkte und Chancen Computer werden kleiner und billiger Erkennen selbst wo sie sind und passen sich an Höhere Rechenleistung auf kleinerem Raum Mobilgeräte werden immer flacher und leichter Neue, schnellere Schnittstellen (USB 2.0, Firewire) Immer höhere Bandbreiten (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System) Ausblicke, Märkte und Chancen Zusammenwachsen von Telefonie, Daten, Video und Medien Weg zu einem globalen, integrierten und übergreifenden Multimedia- und Multiservicenetz

36 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit