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 many 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 Vorlesung Lokale Netzstrukturen Die Vorlesung Lokale Netzstrukturen 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 15/16 WS 15/16 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 Smart-Phone 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 und weiteres 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 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 WWW Laptop/Notebook voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Grafikanzeigen Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme L e i s t u n g 16

17 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere sekundäre Speicher 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

30 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 Kurzwellenübertagung durch Marconi 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 30

31 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 31

32 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,... 32

33 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 (IMT-2000: einheitliches Rahmenwerk der ITU für zukünftige Kommunikationssysteme) Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon 33

34 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, UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan 34

35 History of wireless communication VI WLAN hot-spots start to spread UMTS starts in Germany Start of DVB-T in Germany replacing analog TV WiMax starts as DSL alternative (not mobile) first ZigBee products HSDPA starts in Germany as fast UMTS download version offering > 3 Mbit/s WLAN draft for 250 Mbit/s (802.11n) using MIMO WPA2 mandatory for Wi-Fi WLAN devices over 3.3 billion subscribers for mobile phones (NOT 3 bn people!) real Internet widely available on mobile phones (standard browsers, decent data rates) 7.2 Mbit/s HSDPA, 1.4 Mbit/s HSUPA available in Germany, more than 100 operators support HSPA worldwide, first LTE tests (>100 Mbit/s) 2009 the story continues with netbooks, iphones, VoIPoWLAN 2010 LTE available in some cities, new frequencies allocated Reuse of old analog TV bands, LTE as DSL replacement for rural areas 35

36 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 digital 2000: GPRS 2001: IMT-2000 Heutzutage: Vierte Generation (Internet basiert) 2000: IEEE a 36

37 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 37

38 Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Funk Medium 38

39 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 39

40 Übersicht Motivation und Begriffsbildung Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 40

41 Kapitelübersicht Transportprotokolle Netzwerkprotokolle Telekommunikationssysteme Ad-hoc und Sensornetze Drahtlose LANs Medienzugriffskontrolle Technische Grundlagen 41

42 Übersicht über die Vorlesung Einführung Einsatzszenarien Begriffsdefinitionen Herausforderungen Technische Grundlagen Wellenausbreitung, Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Modulation Medienzugriff SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Kollisionsvermeidung, Polling Sensornetze Einsatzgebiete Herausforderungen Programmierung Energieeffiziente MAC-Layer Bestimmung von Ort und Zeit Drahtlose Telekommunikationssysteme GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000 Drahtlose LANs Techniken, Einsatzgebiete IEEE a/b/g,.15, Bluetooth Netzwerkprotokolle Mobile IP Ad-hoc Netze Wegewahl Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität 42

43 Zusammenfassung und Literatur Motivation und Begriffsbildung Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 43

44 Zusammenfassung Drahtlose Kommunikation ist ein äußerst wichtiger Baustein in der modernen IT Hardwaretrends Nutzererwartungen Drahtlose Kommunikation wird nicht durch kleine Anpassungen von drahtgebundener Kommunikation gelöst Es gibt nicht das eine Szenario für drahtlose Kommunikation Eingesetzte Gerätetypen Anwendungsfälle Netzformen Zwei wesentliche Herausforderungen aus technischer Sicht Integration in bestehende Netze Entwicklung neuer Netzorganisationsformen Wesentliche Herausforderungen aus Anwendungssicht: nahtlose Integration 44

45 Literatur [Schiller2003] Jochen Schiller, Mobilkommunikation, 2te überarbeitete Auflage, Einführung 45