Drahtlose Kommunikation. Einführung

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1 Drahtlose Kommunikation Einführung

2 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 2

3 Topic of Wireless Communication Ever wondered what really happened after, for example: Using a cellular phone to make a call while sitting in a train? Using the wireless local area network at Uni Koblenz-Landau? How does data get from one mobile device to another, using wireless communication? What communication systems and protocols are necessary to enable this functionality? 3

4 Topic of Wireless Communication This lecture is about basic architecture and protocol mechanisms Attempts to give an overview of all important components For both local data communication and telecommunication It is partially about specific technical solutions But tries to focus more on principles, as specific technical solutions come and go quite quickly It is NOT (or very little) about the electrical engineering aspects of wireless communication Though some fundamentals are introduced were necessary; the course is in this sense self-contained 4

5 Drahtlose Kommunikation aus Informatik-Sicht Informatik als Bindeglied zwischen Elektrotechnik/Physik und den Endanwendungen Dazwischen liegt der Protokollstapel mit einer großen Facette an Informatik-Problemen Systemnahes Verständnis Verwendete Hardware Physikalische Eigenschaften (der drahtlose Kanal) Etwas Vokabular der E- und Nachrichtentechniker Wenn man in die Verlegenheit kommt in ein Engineering-Buch zu schauen (z.b. Blick in den Rappaport zur Wahl geeigneter Simulationsmodelle) Algorithmisches Verständnis Siehe geplante Vorlesung Lokale Netzstrukturen Vorlesung befasst sich mit algorithmischen und graphtheoretischen Fragen zu lokal organisierten Netzen Ein großer Teil davon sind algorithmischen Fragen zu drahtlosen (multihop) Netzen 5

6 The world gets wireless: Moore s Law WS 12/13 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung 6

7 The world gets wireless: Exploiting Moore s Law wrt. Scale Size Number one mainframe for many desktop PC for one many devices for one 7

8 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 8

9 Are we facing an important problem? Yes: today already Largest networked system Largest number of subscribers Mobile devices dominate the Internet Mobile applications dominate Internet usage Technology fully integrated into everybody's life almost 24/7, almost anywhere And the future? 9

10 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 10

11 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 11

12 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 12

13 Drahtlose Netztypen Infrastrukturbasiert Infrastrukturknoten (Basisstation) mobiles/drahtloses Gerät Infrastrukturlos (ad-hoc) Singlehop Multihop 13

14 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 14

15 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 15

16 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 16

17 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ V 2 f Datenverlust V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt (Grenzen aufgrund von Leckströmen) 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 als Alternative 17

18 Weitere Gerätetypen Mobile Geräte umfassen eine Teilmenge der Geräte mit Drahtlosschnittstelle Des Weiteren werden häufig Infrastrukturknoten mit Drahtlosschnittstelle vorausgesetzt WLAN Access-Points Basisstationen bei der Mobiltelefonie Satelliten für Satellitenkommunikationssysteme Rundfunkstationen für Broadcast-Dienste (z.b. TV, Radio) 18

19 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 19

20 Anwendungen I Offensichtliche Anwendungen Stetige Verbindung mit dem Internet (und den üblichen Diensten) Mobiltelefonie Verkehrstelematik (siehe Bild auf der nächsten Folie) 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 Ersatz der drahtgebundenen Infrastruktur Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten 20

21 Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA,... Personal Travel Assistant, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... 21

22 Anwendungen II Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.b. Wetter, Flusspegel Vernetzung historischer Gebäude Freizeit, Unterhaltung, Information tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele 22

23 Wireless sensor networks Small embedded devices; no specific owner Equipped with sensors With wireless communication capabilities 23

24 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 24

25 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 25

26 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 26

27 Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) Modulation, Codierung Medienzugriff... Mobilität Ortsabhängige Dienste Transparenz des Aufenthaltsorts... Portabilität Leistungsaufnahme eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße,... Handhabbarkeit... Drahtlose Netze ohne Infrastruktur Netzorganisation Datenkommunikation 27

28 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 28

29 Erfindungen und Entdeckungen Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt 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) 29