Vorwort. Thomas Fuchß. Mobile Computing. Grundlagen und Konzepte für mobile Anwendungen ISBN:

Transkript

1 Vorwort Thomas Fuchß Mobile Computing Grundlagen und Konzepte für mobile Anwendungen ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort Die letzten zehn Jahre waren geprägtvon einer sprunghaften Entwicklung auf dem Gebiet der Informations- und Telekommunikationstechnik. Während in den 96er und 97er Jahren die Computer-Welt von der Mainframe-Philosophie beeinflusst war, begann Anfang der98erjahre dersiegeszug despcs.waren es zu Beginn noch Technik-Freaks,die sich einen PC für zu Hause kauften, so hat sich dies mittlerweile geändert. Mit dem Einzug des Internet in die Wohnzimmer Mitte der 99er Jahre und dem Verkauf von PCs in Discountern verfügen heute mehr als 75 %aller deutschen Haushalte über einen PC und über 6 %der Deutschen nutzen das Internet. Doch längst lassen sich weitere Trends abzeichnen: Nachdem das Mobiltelefon (Handy) sich durchgesetzt hat,werden auch mobile, tragbare Computer und Organizer immer beliebter und in unseren Wohnzimmern wachsen Entertainment und Computing zusammen. So verzeichneten die Gesellschaft für Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik (gfu), der Bundesverband Technik des Einzelhandels e.v. (BVT) und die GfK indeutschland für das Jahr 28 einen Umsatz vonüber 23 MilliardenEuroimBereichConsumerElectronics[GBG9].Diese beginnende Verschmelzung zwischen Computer, Unterhaltung und Haushalt ist vielleicht das erste sichtbare Zeichen des allgemeinen Beginns des Ubiquitous (allgegenwärtigen) Computing. Geprägt wurde der Begriff des Ubiquitous Computing Anfang der 99er Jahre durch Mark Weiser ( Chief Technologist Xerox PARC 2 ). Die Kernvorstellung ist hierbei, dass der Computer alle Dinge und Bereiche des alltäglichen Lebens durchdringt und gleichzeitig sein sichtbares Erscheinungsbild verliert. Kleinste, miteinander drahtlos vernetzte Computer ermöglichen es, von überall und nach Belieben auf Dienste und Informationen zuzugreifen und Daten auszutauschen. In seinem Artikel The Computer for the 2st Century [Wei9] beschreibt er sehr anschaulich, wie diese neue Rolle des Computers zu sehenist und mit welchen Implikationen sie einhergeht:...the idea of a personal computer itselfismisplaced,and that thevisionoflaptopmachines, dynabooks and knowledge navigators isonlyatransitionalsteptowardachievingthe real potential of information technology. Such machines cannot truly make computing an integral,invisible part of the way people live their lives. Thereforeweare trying to conceive a new way of thinkingabout computers in the world,one that takes intoaccount thenatural human environmentand allows the computers themselves tovanishintothe background. Such a disappearance is a fundamental consequence not of technology, but of human psychology.... Bereits 26 kamen auf Deutsche 4 Mobilfunkverträge [BIT7]. 2 Xerox PARC:Xerox PaloAlto ResearchCenter

3 6 Vorwort Mag dem einen oder anderen die Vorstellung befremdlich erscheinen,dass Computer auf dereinen Seiteinihrerbekannten Erscheinungsform immermehrinden Hintergrundtreten und auf der anderen Seite immer mehr die Gegenstände des täglichen Lebens durchdringen, so wird diesedurchdringung und Vernetzung für die kommenden Generationen wohl der Normalzustand sein. Doch bis dieser Zustand erreicht ist, liegt noch ein langer Wegvor uns. Viele Aufgaben und Problemegilt es zu bewältigen und zu lösen, und viele werden sicherstzeigen,wennwir weiter aufdiesem Wegvorangeschrittensind. Mitdem vorliegenden Buch möchte ich einen kleinen Beitrag dazu leisten, die aktuellen Probleme zu lösenodervielleicht auch nur zu verstehen Problemediedadurchentstehen,dassimmer mehr Anwender mit immer kleineren Geräten den Wunsch haben, von immer mehr Punkten desglobus ausauf (ihre)datenzuzugreifen,diese zu ver- und zubearbeiten. Das Buch selbst richtet sich vor allem an Studenten der Informatik und der ihr verwandtenfachgebieteund ist gedachtals Basisfür einen fortgeschrittenenkursinmobilecomputing, oder zur Ergänzung eines Kurses über verteilte Informationssysteme. Aber auch dem erfahrenenentwickler bietet diesesbuch eine Reihe von Anregungenund Lösungen, wie Anwendungen in einem heterogenen Umfeld mit sich permanent ändernden Netzanbindungen zurechtkommen, wie Anwendungen für Geräte mit beschränkten Ressourcen zugeschnitten werdenkönnen und welche Kommunikations- und Übertragungsmittel jenseits von IP zurverfügungstehenund wiediese eingesetzt werden können. Gegliedertist das Buch inzwei große Teile und ein einführendes Kapitel. Das einführende Kapitel präzisiert unter dem Schlagwort Mobilität als Herausforderung den Begriff Mobile Computing,damit unter den Lesern eine einheitliche Vorstellung entsteht, was Mobile Computing ist und was es ausmacht. Hierzu werden nicht nur artverwandte Begriffe wie Ubiquitous Computing, Wearable Computing oder auch Nomadic Computing miteinander verglichen, sondern auch die unterschiedlichen Geräteklassen. Den Abschlussdes Kapitels bildet diebeschreibungeiner Zukunftsvision, um demleser ein Gefühldafür zu vermitteln, wie Applikationen der Zukunft aussehen könnten, und welche Anforderungen diesestellen. Der darauf folgende ersteteil desbuchs ist demthe- ma Mobilkommunikation gewidmet. Besprochen werden indrei großen Abschnitten die GrundlagenderdrahtlosenKommunikation,Infrastrukturnetze und Ad-hoc-Netze.Während im Kapitel 2 Grundlagen der drahtlosen Kommunikation auf deren Besonderheit undinsbesondereauf dieverschiedenen Formen desmedienzugriffseingegangen wird, werden im Kapitel3 Mobilfunknetze die MobilfunkverfahrenGSM undumtsbeleuchtet. Im Vordergrundstehendabei, nebendem Aufbau dernetze undden Unterschieden in den verwendeten Techniken, auch diemöglichkeiten,diediesenetze für dieerstellung undentwicklung vonapplikationen bieten.kapitel 4 Bluetooth ein Ad-hoc-Netz widmet sich dann abschließend den Ad-hoc-Netzen, diedadurch entstehen, dassunterschied- liche Rechner, die hinreichend nah zusammenliegen, ein Netzwerk aufbauen, das ohne zusätzliche Infrastrukturauskommt.Hierbeiwerdenwir unseraugenmerk aufbluetooth legen,als einen dererfolgreichstenvertreter dieses Gedankens. Im zweiten TeildesBuchessteht nicht mehr diekommunikationim Vordergrund, sondern die Konzepte, die esapplikationen ermöglichen, mit diesen Gegebenheiten adäquat umzugehen. In Kapitel5 DasmobileDilemma werden die Randbedingungenskizziert, mit deneneinemobileanwendung zurechtkommenmussund diewidersprüchlicherkaum sein könnten. Auf der einen Seite steht der Wunsch, alles an einen Server zu deligieren, und auf der anderen Seite das Bedürfnis, alles in die mobileanwendung zu integrieren. In den beiden folgendenkapiteln wird versucht, hierfür eine Lösung zufinden. InKapi-

4 Vorwort 7 tel 6 Systemunterstützung werden allgemeine Methoden beschrieben, die es ermöglichen das Verbindungsproblem zu kompensieren. Caching und Transaktionsmodelle stehenhier im Vordergrund. MitanschaulichenProgrammbeispielen werden Lösungsgedanken und -ansätze praxisnah verdeutlicht. InKapitel 7 Architekturen liegt der Schwerpunkt auf Client-Server-und Client-Agent-Server-Architekturen.Diskutiertwerdenderen Vor- und Nachteile im Umfeld einer mobilen Middleware mit Aufgabenverteilung und -verlagerung. Einabschließendes Kapitel mitaufgaben, die sooderauch soähnlich Studenten in Klausuren gestellt wurden, rundet das Buch ab. Zum Teil beziehen sie sich auf einzelne Kapitel, zum Teil sind sie aber auch kapitelübergreifend. VorgefertigteLösungen gibt esnicht und dies mit Absicht. Für all die, die sich intensiv mit den einzelnen Kapiteln beschäftigt haben, sollten die Fragen einfach sein und man wird feststellen, dass es zum Teil unterschiedlichelösungengibt, abhängigvon noch nicht präzisierten Umgebungsparametern. Und für alldie, diedie Fragenals schwierig oder garunverständlich einstufen,sollte dies ein Anreiz sein, sich noch intensiver mit den jeweiligen Kapiteln zu beschäftigen. Auch unter Einbeziehung weiterführender Literatur. Abschließend noch etwas zum Sprachgebrauch: Um Dinge nicht komplizierter zu machen als sie sind, verzichte ich auf Formulierungen wie der (die) Leser(in),auch liebe Lesende erschienmirnicht angebracht. Vielmehrbesinne ichmichderwortemeinesehemaligen Mathematikprofessors Dr.Harro Heuser: Der Leser ist ebenso geschlechtsneutral wie die Geisel und jeder weibliche Leser dieses Buches sei aufs herzlichste begr üßt. HarroHeuser, Gewöhnliche Differentialgleichungen Karlsruhe 29 Thomas Fuchß

5 Leseprobe Thomas Fuchß Mobile Computing Grundlagen und Konzepte für mobile Anwendungen ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

6 2 Grundlagen der drahtlosen Kommunikation Nachdem das vorherige Kapitel der Frage gewidmet war, was Mobile Computing ist und wodurch es sich vom gewöhnlichen Computing unterscheidet, konzentrieren wir uns in diesemkapitelauf diegrundlagen desmobilecomputing. Klar imvordergrundsteht hier diemobilkommunikation. Obwohl dies kein Buch direkt zu diesem Thema ist, ist es dennoch erforderlich,diegrundlegendenfragendermobilenkommunikation aufzuarbeiten. Denn ohne ein Verständnis dieser Materie ist es nur schwer möglich, die besonderen Anforderungen, die das Mobile Computing stellt, zu begreifen, einzuordnen und Lösungen dafür zu finden. Im ersten Abschnitt dieses Kapitels wird das ISO/OSI-Modell für die Kommunikation in offenen Systemen vorgestellt, um eine Basis für die weiteren Betrachtungen zu schaffen. Der zweite Abschnitt beschäftigt sich dann mit der Frage, wie Daten über eine drahtlose Strecke übertragen werden können und welche Probleme der Äther als Übertragungsmedium mit sich bringt. Im dritten Abschnitt werden wir uns dann der zentralen Frage desmedienzugriffszuwenden: Wiekönnenmehrere Teilnehmer dasselbe Übertragungsmediumnutzen? 2. Das ISO/OSI-Modell Um diefolgendenfragen, Konzepte,Problemeund Lösungenaus dembereichder drahtlosen Kommunikation richtig einordnen und verstehen zu können, bedarf es einer systematischen Herangehensweise an dieses Thema. Als Basis hierfür dient uns das ISO/OSI- Modell[ISO94], welches als Referenzmodell für die Kommunikation in offenensystemen durchdie ISO standardisiertwurde.obwohl nicht jedes gebräuchliche Kommunikationsprotokoll dem ISO/OSI-Modell entspricht, können die meisten Protokollstapel auf das ISO/OSI-Modell abgebildet werden. Das Modell selbst besteht aus sieben Schichten, die ihre Diensteder jeweils höheren Schicht zur Verfügungstellen: Anwendungsschicht (Application Layer Schicht 7) Diese Schicht ist die applikationsspezifische Schicht, die der Applikation den Zugang zum Protokollstapel bietet. D.h., sie stellt einer Applikation die eigentlichen Kommunikationsdienste zur Verfügung. Typische Aufgaben dieser Schicht sind die Identifikation der Kommunikationspartner, das Auffinden von Diensten, die Behandlung von Quality-of-Service-Aspekten, wie etwa die Anpassung an Übertragungsraten, aber natürlichauch spezifischefunktionen zur Datenübertragung.

7 28 2Grundlagender drahtlosen Kommunikation System Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Vermittlungsknoten Vermittlung Vermittlung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung System2 Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Medium Medium Abbildung 2.:Das ISO/OSI-Modell Darstellungsschicht (Presentation Layer Schicht 6) Diese Schicht stellt der Applikationsschicht eine konkrete Syntax für die Übertragung der Daten und zur Steuerung der Übertragung zur Verfügung. Hier werden die zu verwendenden Datenformate und Komprimierungsverfahrendefiniertund realisiert. Sitzungsschicht (Session Layer Schicht 5) Diese Schicht verwaltet und organisiert die logischen Verbindungen, d.h., der Datenaustausch zwischen den Objekten der beteiligten Darstellungsschichten wird geregelt und synchronisiert und nach Störungen inden darunter liegendenschichten ggf. wiederhergestellt. Transportschicht (Transport Layer Schicht 4) Diese Schicht realisiert eine gesicherte Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen den beiden Kommunikationspunkten. Zu den typischen Aufgaben dieser Schicht gehören u.a. Staukontrolle,Flusskontrolleund Regelung der Dienstqualität. D.h.,dieseSchicht stellt sicher, dass die Datenpakete ihre richtige Reihenfolge beibehalten, keine verloren gehen, verdoppelt werden oder fehlerhaft sind. Hier erfolgtauchdie Abbildungder logischenadressenauf dierealen Adressendes darunterliegendennetzwerks. Vermittlungsschicht (Network Layer Schicht 3) Diese Schicht sorgt für die Vermittlung der Nachrichten auch über Zwischenstationen und ganze dazwischen liegende Netze (Transit Networks) hinweg. Sie kümmert sich um dieadressierung,die Wegewahl, dasauffindender Endgeräte usw. Sicherungsschicht (Data Link Layer Schicht 2) DieseSchicht wird oftmalsweiter unterteiltin: MAC-Schicht (MediumAccess Control), diediecodierungund KoordinierungdesZugriffs auf das gemeinsame Medium regelt und die Abbildung der logischen Kanäle auf die Transportkanälevornimmt LLC-Schicht (Logical Link Control), die die Interpretation der Bit-Folge aus Schicht als Folge von Datenblöcken übernimmt und zum Schutz vor Übertragungsfehlern fehlererkennende und -korrigierende Codes einsetzt. Sie garantiert, dass ein fehlerfreier Bitstrom übertragen wird

8 2.2Wie kommendie Bits in den Äther? 29 Bitübertragungsschicht (Physical Layer Schicht ) DieseSchicht ist zuständigfür dieeigentliche Kommunikation über dasphysische Medium. SiestelltdieTransportkanälezur Verfügung. HierwerdendieBitsinübertragbare Signaleverwandelt, die durchdas physische Mediumtransportiertwerdenkönnen. Abbildung 2. zeigt den schematischen Aufbau des Protokollstapels unter Verwendung eines Vermittlungsknotens, der typischerweise nur die unteren drei Protokollschichten umfasst und somit transparent ist für die Ende-zu-Ende-Verbindung, die Schicht 4 zur Verfügungstellt. Widmen wiruns nun den beiden unterenschichten dieses Stapels. 2.2 Wie kommen die Bits in den Äther? Wenn man sich diese Frage stellt, dann sollte man zuerst klären, was mit dem Begriff gemeint ist. ImSinne des ISO/OSI-Modells ist der Äther offensichtlich ein physisches Medium (vgl. Abbildung 2.) zudem die Bitübertragungsschicht die Schnittstelle Äther bildet.aus physikalischersicht gibt es dieses Ding, dasman nichtsehen,nicht schmecken und nicht riechen kann, dasals Träger für dieelektromagnetischenwellen dient, nicht. D.h., wenn man sich mit derdrahtlosen Übertragungvon Information beschäftigt, dann kann man nicht einfach ein Medium wählen, das feste Grenzen hat, wie ein Draht, sondern manmusssichmit derausbreitungvon Wellen im Raum beschäftigen. Dieser Raum ist dabeiinhohem Maße heterogen, größereund kleinerehindernissebeeinflussendie Ausbreitungder Wellen unddie ausgestrahlten Wellen verschiedenster Sender stören sich gegenseitig. Die Frage, die uns also beschäftigt ist nicht nur, wie die Bits inden Äther kommen, sondernvielleicht noch mehr, wie kommensie wieder aus dem Äther heraus und wie findet ein Empfängerdie, diefür ihnbestimmt sind? 2.2. Signale und ihre Modulation Während man auf den höheren Schichten des ISO/OSI-Modells in der Regel von Daten spricht, die zwischen einem Sender und Empfänger ausgetauscht werden, so gilt dies für dasphysische Mediumnicht mehr. Hier bewegenwir unsauf derebene,auf derdie Physik dasgeschehen bestimmt.insofernsindesnicht mehr Daten, diezwischensenderund Empfänger ausgetauscht werden, sondern Signale. Die Aufgabe des Senders ist es, die elektrischen Signale (Daten), die bei ihm eingehen, in für den Übertragungskanal geeignete Signalezuverwandeln.ImFalle dermobilkommunikation (drahtlosekommunikation) sinddiese SignaleRadiowellen, mathematischgesehen Funktionen, abhängigvon Ort und Zeit. ImIdealfall handelt es sich dabei umperiodische Signale S(t), die als Summe vonsinus- und Kosinusschwingungen dargestellt werden können. S(t) = a 2 + [a n cos(2πnf t)+b nsin(2πnf t)] n= Die Darstellung inform von Sinus- und Kosinusschwingungen ist nur für reelle, periodische Signale S(t) möglich.

9 3 2Grundlagender drahtlosen Kommunikation Oberflächenwellen Navigationsfunk LF Low Frequency Raumwellen Funk, Radio, Fernsehen MF Medium Frequency HF High Frequency VHF Very High Frequency UHF Ultra High Frequency Direktwellen Richtfunk, Satellitenfunk SHF Super High Frequency 3 khz 3 khz 3 MHz 3 MHz 3 MHz 3 GHz 3 GHz EHF Extremely High Frequency Hz Abbildung 2.2:Frequenzbereiche elektromagnetischerwellen Dabei sind: a dergleichstromanteil die Verschiebungder Nulllinie a i, b i dieamplituden der i-ten Sinus- bzw.kosinusfunktion der Faktor,der denanteil derentsprechendenfunktion am Gesamtsignal beschreibt f diegrundfrequenzdes Signals Theoretisch kann auf dieseweisejedes periodischesignal beschrieben werden.inder Realität sinddieübertragbarenfrequenzenabernach obenbegrenzt. D.h.,abeinembestimm- ten n g sind alle a i und b i (i >n g)gleich null. Diese Signalkomponenten liegen oberhalb der Grenzfrequenz(f g)des verwendeten Kanals (n g f f g < n gf). Damit ist offensichtlichnicht jedessignalverzerrungsfrei übertragbar.dies ist für diepraxisjedochnicht weiter schlimm, wie wir in denfolgendenabschnitten sehen werden Analoge Modulation Will man ein beliebiges periodisches Signal übertragen,steht man vor der Frage,wie dies geschehen soll. Zwar wissen wir, dass ein periodisches Signal in Sinus- und Kosinusschwingungen verschiedener Frequenzen zerlegt werden kann. Doch wie soll man diese Schwingungenübertragen?Selbstverständlichwirdjeder aufdem Gebiet derphysik auch nur leicht bewanderte Leser sofort Radiowellen zur Übertragung vorschlagen. Denn hier steht ein Frequenzspektrum von einigen khz bis zu einigen GHz zur Verfügung (siehe Abbildung 2.2). Doch damit gibt es ein Problem. Die Radiowellen verändern über diesen Bereichihre Eigenschaften drastisch. Während Langwellen (LF) in derlage sind, sich bodennah auszubreiten, sie fließen fast schon auf der Erdoberfläche entlang, weisen Super- Hochfrequenzen (SHF) und die Frequenzen darüber fast schon den Charakter von Licht auf. Aus diesemgrund spricht man hierauch von Direktwellen.ZwischendiesenExtrema liegt der Bereich der Raumwellen. Abhängig von ihrer Frequenz werdensie unterschiedlich stark anden oberen Schichten der Atmosphäre gebeugt und reflektiert, wodurch sie eine hohe Reichweite erreichen. Zur Übermittlung eines Signals muss demzufolge zuerst ein geeignetes Frequenzband gewählt werden, dessen Charakteristik den Übertragungsanforderungen entspricht. Im Allgemeinen wird aber dieses Frequenzband nicht in der Lage sein, das Signal, das man übertragen möchten, auch nur annäherungsweise nachzubilden. Wir müssen uns also die Frage stellen, wie man ein Signal an den gewählten Frequenzbereichanpassen kann. DieseAnpassung nennt manmodulation.

10 2.2Wie kommendie Bits in den Äther? a) Trägersignal U(t) b) zu übertragendessignal S(t) U(t) =acos(ωt + ϕ ) S(t) =a scos(ω st + φ ) c) gewöhnliche Amplitudenmodulation d) Doppelseitenbandmodulation U S(t) =(a+a scos(ω st + φ )) cos(ωt + ϕ ) U S(t) =a scos(ω st + φ )cos(ωt + ϕ ) Abbildung 2.3:Varianten deramplitudenmodulation Die erste Formder Modulation, die wir hier näher betrachten wollen, ist die analoge Modulation, d.h. die Anpassung, oder besserverschiebung eines analogen periodischen Signals auf eine Trägerfrequenz. Mathematisch bedeutet dies, die Änderung der Parameter derzugrundeliegendenträgerschwingung U(t) (Kosinusschwingung) U(t) =acos(ωt + ϕ ) mit ω =2πf proportional zum zu übertragenden Signal. Damit ergeben sich drei grundlegende Möglichkeiten dermodulation: Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation Amplitudenmodulation Beidieser Form dermodulation wird die Amplitude a des TrägersignalsinAbhängigkeit vom zuübertragendensignal S(t) S(t) =a scos(2ω st + φ s)

11 32 2Grundlagender drahtlosen Kommunikation ϕ(t) ϕ(t ) Δϕ ϕ(t ) a) Phasenmodulation: ϕ ändert sich b)frequenzmodulation: Δϕ ändert sich Abbildung 2.4:Winkelmodulation geändert. Abbildung 2.3 zeigt hier die typischen Varianten. Zum einen die gewöhnliche Amplitudenmodulation 2.3(a):Hier wird daszu übertragendesignal S(t) miteinem konstanten Faktor c zur Amplitudedes Trägesignals addiert: a(t) =a+cs(t) Zum anderen die Doppelseitenbandmodulation 2.3(b).Hier wird die Amplitude des Trägersignals durchdas zu übertragende Signal ersetzt: a(t) =cs(t) Natürlich kann auch hier eine geeignete Konstante c ergänzt werden.demaufmerksamen Leser wird sicher aufgefallen sein, dass bei der Doppelseitbandmodulation der Vorzeichenwechsel deszu übertragendensignalss(t) einensprung inderphase desresultierenden Signals U S(t) bewirkt. Gerade dies macht die Doppelseitbandmodulation besonders interessant für die Übertragungdigitaler Signale, wie wir noch sehenwerden Frequenz- und Phasenmodulation Bei diesen Formen der Modulation wird die Phase ϕ(t) =ωt + ϕ des Trägersignalsbzw. diefrequenz, d.h. die Änderungsgeschwindigkeit desphasenwinkels f m(t) = dϕ(t) 2π dt im Rhythmus des zu übertragenden Signal S(t) geändert, während die Amplitude gleich bleibt. Da sowohl Frequenzmodulation als auch Phasenmodulation eine Änderung des Phasenwinkels bewirken, werden diese beiden Modulationsarten auch als Winkelmodulationen bezeichnet. D.h.,eine Änderung derphase dessignals führtzu einer Abweichung dermomentanfrequenz vonderträgerfrequenz, und umgekehrtführt eineänderung der Momentanfrequenz stets auch zu einer Änderung der Phase (siehe Abbildung 2.4). Der Unterschied der beiden Verfahren liegt also einzig und allein darin, wie das zu übertragende Signal S(t) die Phase des Trägersignals ϕ(t) verändert. Während bei der Phasenmodulation die Änderung der Phase des Trägersignals direkt proportional zum zu übertragendensignalist, ϕ neu(t) =ϕ(t)+cs(t)

12 2.2Wie kommendie Bits in den Äther? a) Trägersignal U(t) b) zu übertragendessignal S(t) U(t) =acos(ϕ(t)) S(t) =a scos(ϕ s(t)) c) Frequenzmodulation U S(t) =acos(ϕ(t)+csin(ϕ s(t)) d) Phasenmodulation U S(t) =acos(ϕ(t)+ccos(ϕ s(t)) Abbildung 2.5: Unterschied zwischen Frequenz- und Phasenmodulation ändert sich bei der Frequenzmodulation die Frequenz des Trägersignals. D.h., die Differenz zwischen Momentanfrequenz und Trägerfrequenzist proportional zum zuübertra- genden Signal: Δf(t) =f m(t) f t=cs(t) = dϕ(t) f t 2π dt Damitkannder neue Phasenwinkel ϕ neu(t) bestimmt werden zu: ϕ neu(t) =ϕ(t)+2π cs(t)dt Die Änderung des Phasenwinkels ist damit abhängig vom Integral des zu übertragenden Signals. Abbildung 2.5 zeigt die Veränderungen, die sich bei einem kosinusförmigen Trägersignal bei der Modulation mit einem kosinusförmigennutzsignal ergeben Digitale Modulation Nachdem wir nun wissen, wie analoge Signale auf übertragbare Trägersignale moduliert werden können, widmen wiruns demnächsten Schritt, deraufbereitungdigitaler Signale. Letztlich gehtes uns doch um die Übertragung von Bits.Derzentrale Unterschied zwischeneinem analogen undeinem digitalen Signal liegtdarin,dassdas analoge sichkontinuierlich ändert, während das digitale eine endliche Anzahl diskreter Werte aufweist, typischerweise und.damit ändert sich ein idealisiertes digitales Signal sprunghaft (siehe Abbildung 2.6 (a)). Dies bedeutet, ein ideales digitales Signal besitzt eine unendliche

13 34 2Grundlagender drahtlosen Kommunikation a) Eindigitales Signal (...) b) Amplitudenumtastung derbitfolge c) Frequenzumtastung der Bitfolge... d) Phasenumtastung der Bitfolge... Abbildung 2.6:Beispiele digitaler Modulation Bandbreite. Solch ein Signal ist natürlich nicht übertragbar. Das Signal muss zuerst in ein übertragbares Signal, das Basisbandsignal, gewandelt werden. Diese Wandlung bezeichnet man als digitale Modulation bzw. Umtastung. Wie im Falle der analogen Modulation gibt es auch hier drei prinzipiellevarianten. Diese bezeichnet man als: Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying), Frequenzumtastung (Frequenzy ShiftKeying) und Phasenumtastung (Phase Shift Keying). Der Name Umtastungrührt dabei von dertatsache her, dass digitalesignale diskretesignale sind, deren Werte nur zu bestimmten Zeitpunkten, den Abtastzeitpunkten, betrachtet werden müssen. Diese sind abhängig von der Frequenz des digitalen Signals. Für eine geeignete Umtastung sollte die Frequenz des nicht modulierten Basisbandsignals (einem Vielfachen) der zu übertragenden Bitrate entsprechen ( kbit/s khz). Ändert sich durch die digitale Modulation die Frequenz des Basisbandsignals, so spricht man von einer Frequenzumtastung, ändert sich die Phase, so spricht man von einer Phasenumtastung,und bei eineränderung der Amplitudevon einer Amplitudenumtastung.Die Modulation des Basisbandsignalsgeschieht dabei im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise wie bei der analogen Modulation. Eine Besonderheit stellt in diesem Zusammenhang die Phasenumtastung einer Bitfolge dar, denn sie muss nicht zwangsläufig durch eine Phasenmodulation entstehen. Betrachten wir hierzu Abbildung 2.6 (c), so sehen wir hier ein Signal, das eine ideale Phasenverschiebung von π aufweist, demzufolge müsste unser digitales Signal offensichtlich eine Amplitude von π (oder eines Vielfachen von π) aufweisen, was sicher auch für ein idealisiertes Beispiel recht unglaubwürdig erscheint. Dennoch hat diese Form der Umtastung, die man als Binary Phase Shift Keying oder kurz BPSF bezeichnet, eine hohe praktische Relevanz, da sie sehr unempfindlich gegenüber

14 2.2Wie kommendie Bits in den Äther? Abbildung 2.7: QPSK (Quatanary Phase Shift Keying) bei UMTS Störungen ist und äußersteinfach über eine Doppelseitbandmodulation realisiertwerden kann (vgl.abschnitt ).Hierzu muss lediglich das digitale Signal um eine halbe Amplitudenach unten verschoben werden,was einer Entfernung desgleichstromanteils entsprichtund technisch sehr einfach realisiertwerdenkann. In der Praxis werden die zu übertragenden Basisbandsignale noch durch geeignete Filter aufbereitet, umden Bandbreitenbedarf, der bei Frequenz- oder Phasensprüngen entsteht zu reduzieren,bevor sie letztlich auf das Trägersignal moduliertwerden. Diese Aufbereitung ist aber unkritisch, da für die Rückgewinnung des digitalen Signals wiederum nur fest definierte Abtastzeitpunkte relevantsind. Darüber hinaus finden sich auch sehr oft Verfahren, bei denen das digitale Alphabet erweitert wird. Statt lediglich oder zu übertragen, werden bei den sogenannten mehrstufigen Verfahren Alphabete mit 4, 8 oder auch 6 Werten benutzt. Dies ermöglicht eine höhere Datenübertragungsrate, da es nun möglich ist, mehrere Bits auf einmal zu übertragen. Zu diesen Verfahrenzählt diebei UMTS zumeinsatz kommendevierphasenumtastung, kurz QPSK (Quatanary Phase Shift Keying), deren Alphabet aus 4 diskreten Werten besteht. Abbildung 2.7 zeigt die Verschiebung der Phasenwinkel und die Bitmuster, die ihnen zugeordnet werden. Damitistes geschafft, diebitssind imäther wenigstens theoretisch. Technisch bedarfes noch einer Sendeeinrichtung, die diese Modulationen durchführt und letztlich das Signal über eine Antenne abstrahlt. Nat ürlich wollen wir unsere Bits wieder aus dem Äther entnehmen. Wir benötigen also noch einen geeigneten Empfänger. Auch dieser verfügt selbstverständlich über eine Antenne, mit der er das Signal empfängt und über Demodulatoren, mit denen er die Modulationen wieder umkehrt, um letztlich die Originalbitfolge zu rekonstruieren. Dies ist aber nur möglich, wenn das übertragene Signal möglichst unverfälscht beim Empfänger ankommt und er das verwendete Trägersignal und die eingesetzten Modulationsarten kennt. Dass dies nicht trivial ist, kann jeder selbst ausprobieren. Man benötigt hierzu lediglich ein Radio, eine Radiozeitschrift mit Frequenzbereichsangaben für die einzelnen Stationen und etwas Zeit für das Auffinden der gewünschten Sendung Signalausbreitung Damit stellt sich aber die Frage, wieso es so schwer ist ein Signal sauber zu empfangen. Hierfür gibt es eine Reihe von Gründen, die direkt mit dem Medium, d.h., dem Raum zu tun haben, in dem sich das Signal ausbreitet. Die zentralen Effekte, die hier zum Tragen kommen, sind:

15 36 2Grundlagender drahtlosen Kommunikation Freiraumdämpfung Reflexion Beugung Streuung Abschattung Überlagerung Prinzipiell breiten sich elektromagnetische Wellen geradlinig aus, wie Licht. Jedoch breitensie sichnicht in derebene,sondern im Raum aus. Idealisiert kann mansichvorstellen, dass sich ein Signal in alle Richtungen gleich schnell und gleich stark ausbreitet, d.h., die Ausbreitungdes Signalsentsprichteiner sichaufblähendenkugel mitdem Sender im Zentrum. Damit nimmt aber die Stärke eines ausgesendetensignals durch die Expansion der Kugel proportional mit der Zunahme der Kugeloberfläche ab. Für die LeistungsdichteF in derentfernung r zu einem idealen Sender mitder Sendeleistung P s gilt also: F (r) = Ps 4πr 2 NebendiesenprinzipiellenGegebenheitenkommtdieAtmosphärehinzu,diealsnicht leererraumdie Ausbreitungder Signaleweiter beeinflusst.der Raum, in demsichdie Signale ausbreiten,ist nicht nur nichtleer,sondern gespickt mitgroßenund kleinen Hindernissen: Bäume, Häuser, Berge....Durch sie werden die Signale gebeugt, reflektiert, gestreut, abgeschwächt oder gar ganz abgeschattet. In der Realität bedeutet dies, dass ein Signal nicht nur auf einem, sondern auf vielenwegen unterschiedlichsterlänge denempfänger erreicht. Diese Mehrwegsausbreitung führt zu Überlagerungen oder besser Verzerrungen des Signals beim Empfänger, die zu Laufzeitverzögerung sowie Verstärkung oder Abschwächung (Fading) bis zur vollständigen Auslöschung des Signals reichen können. Da diecharakteristikensolcherstörungen recht ortsstabilsind, könnensiedurchdeneinsatz eines darauf abgestimmten Equalizers behoben werden. Richtig schwierig wird es erst, wenn sichder Empfängerz.B. während einer Autofahrt schnell bewegt,dadanneineanpassung desequalizersimmer schwierigerwird,was direktzu einer Verschlechterung der Übertragungsleistungbis zum vollständigenabbruch der Übertragungführenkann. Wer mehr über dieses spannende Thema wissen möchte, sei verwiesen auf das Buch von Proakis und Salehi, Grundlagen der Kommunikationstechnik [PS2], in dem sehr umfassend das Gebiet deranalogen und digitalen Signalübertragung behandelt wird. 2.3 Medienzugriffsverfahren Nachdem die Frage geklärt ist, wie die Bits in den Äther und wie sie auch wieder herauskommen, wird dem aufmerksamen Leser aufgefallen sein, dass wir noch vor einem weiteren großen Problem stehen: Signalestören sich gegenseitig!