Mobile All-IP Netze wie LTE ermöglichen Workflow-integrierte Kommunikation für die Zukunft des ÖPNV

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1 Mobile All-IP Netze wie LTE ermöglichen Workflow-integrierte Kommunikation für die Zukunft des ÖPNV Braunschweiger Verkehrskolloquium, 5. Juni 2014 Prof. Dr.-Ing. Diederich Wermser FG/Ostfalia-IKT/10/13 The best way to predict the future is to invent it. Alan Kay

2 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Überblick Mobile All-IP Netze... Workflow-integrierte Kommunikation... Zukunft des ÖPNV Forschungsgruppe ÖPNV-relevante Entwicklungen der Kommunikationsnetze All-IP-Netze? Die Wertschöpfungskette RTC in All-IP Netzen Mobile All-IP-Netze MVNO... Workflow-Integration im ÖPNV Fazit, Ausblick FG/Ostfalia-IKT/10/13 2

3 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Technologien und Partner OpenStandard Communication Protocols Unified Communications (UC) Voice over IP, Multimedia over IP Session Initiation Protocol (SIP), Presence Service NGN: IMS (IP Multimedia Subsystem) Mobile Networks, LTE SDN Software Defined Networks Soft-PBX: SipXecs, OpenUC, Asterisk, FreeSWITCH RTC, Quality-of-Service-Mechanismen (QoS) IntServ, DiffServ, MPLS, IPv6 Routing, Load Balancing, NAT Analyse von VoIP-Readiness Sicherheit von VoIP-Systemen Tests von IP-basierten Kommunikationssystemen Konformitätstests, TTCN-3 Interoperabilitätstests Stress Tests FG/Ostfalia-IKT/10/13 Entwicklung und Integration von OpenStandard Netzelementen Beiträge zu Open Source Projekten Netzelemente als Embedded-Hardware-Lösungen

4 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Spin-Offs FH Braunschweig/Wolfenbüttel Fakultät Elektrotechnik Labor Kommunikationssysteme Grundlegende F&E Anwendungsorientierte F&E Grundlegende F&E Anwendungsorientierte F&E Architekturen/Protokolle für Machbarkeitsstudien Entwicklung zukünftige von öffentliche Testverfahren NGMN (IMS) Machbarkeitsstudien Vorentwicklung Beiträge Entwicklung zur Standardisierung von Testverfahren Vorentwicklung Mitarbeit an OpenSource Projekten Untersuchung Beiträge zur von Standardisierung QoS Askozia PBX Mechanismen OpenSource Gutachten, Projekt z. B. bei QoS-Problemen Untersuchung v. QoS Mechanismen Architekturen/Protokolle für Gutachten, Konformitäts-, z. B. bei Interoperabilitäts-, zukünftige... öffentliche NGN (IMS) QoS-Problemen Stresstests Analytische Kostenmodelle Konformitätstests, Stresstests Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Consulting OpenStandard UC/VoIP/NGN Schlüsselfertige, kundenspezifische, workflow-integrierte OpenStandard UC-Lösungen, Enterprise Service-Leistungen rund um UC/VoIP/NGN (SLAs, 24/7) für Unternehmen... und mehr Embedded VoIP / UC-Lösungen für kleinere SMB FG/Ostfalia-IKT/10/13 4

5 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme ÖPNV-relevante Entwicklungen der Kommunikationssysteme Workflow-gesteuerte Kommunikationsvorgänge statt Telefon/Funkgerät bedienen Virtualisierung auch in Kommunikationsnetzen vereinfacht kostensparende und verfügbarkeitserhöhende geteilte Nutzung physischer Ressourcen, die neue Funktionen erlauben (Video-Kommunikation etc.) Standard-basierte All-IP Kommunikation vereinfacht Interoperabilität zwischen Netzen verschiedener ÖPNV-Betreiber wie auch zwischen IT-Anwendungen und RTC-Kommunikationsdiensten (Sprache, Video,...) In der Migrationsphase müssen Legacy-Networks integriert werden (analog, digital kanalvermittelt). FG/Ostfalia-IKT/10/13 5

6 Zukünftige Kommunikationsarchitektur ÖPNV 6

7 Modellierung Anwendungs-Business- Logic durch Prozessverantwortliche CEA- Client GUI-Funktionen Anwendungs- Business-Logic Mobile IP-Konnektivität 7

8 ABL in verteilter Kommunikationsarchitektur Anwendungs- Business-Logic Anwendungs- Business-Logic Anwendungs- Business-Logic 8

9 Heterogene Netzstruktur im ÖPNV Haltestelle - Leitstelle Leitstelle - Fahrzeug Haltestelle - Haltestelle Leitstelle - Leitstelle Haltestelle - Leitstelle Leitstelle - Fahrzeug Fahrzeug - Fahrzeug 9

10 Internet = All-IP Multi-Service Netz Smart Meter Server Electronic Brokerage Internet Smartphone B Smartphone A Client Electronic Brokerage Smart Grid Server (Virtuelles Grundlastkraftwerk) Router Übertragungsweg Pakete Electr. Brokerage Pakete Video-Telefonie Pakete Smart Grid 10

11 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Wertschöpfungskette Unternehmens-VPNs inkl. Voice+Video-over-IP IP-Fernsehen (Zattoo,...), Video-on-Demand (Youtube, OTR,...) Musik-Streaming (Napster, Spotify,...) M2M-Kommunikation (Smart Grid, Intelligente Verkehrssysteme,...) Cloud-Dienste (Speicher: DropBox...; SaaS: Office ) Soziale Netzwerke (Twitter, Facebook, Xing, LinkedIn,...)... Übertragung und Lenkung von Internet-Paketen durch das Netz Mobility Management, Authentifikation von Nutzern Betrieb von Routern, Netzmanagement,... Sicherung der Quality of Service Paketverlustraten, Paketlaufzeit, Jitter Dienste-Betreiber Netzbetreiber FG/Ostfalia-IKT/10/13 (Mobil-)funknetze, terrestrische Basisstationen Lehrrohre, Glasfasern, Wellenlängen auf Glasfasern Unterseekabel, Satelliten Kupferleitungen in die Haushalte Physikalische Übertragungswege

12 Open Systems Interconnection Schichtenmodell 12

13 Real Time Communication in All-IP Netzen Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme RTC für Telefonie, Video Telefonie, Tactile Internet Anforderungen an Quality of Service (QoS; u.a. ITU G.114) RTP Packet-Loss: Should be under 1%. Packet-Loss exceeding 5% can decrease Voice-Quality immense. Because RTP-Traffic is time critical even delayed RTP packets become dismissed and are interpreted as lost. Jitter: Most devices can compensate jitter by using a jitter buffer. Depending on the size of the buffer there will be a delay in voice transmission. This delay can be a problem in communication. Jitter should be low to allow small jitter buffers. Latency: The latency should not exceed 150 ms. Latency above 250ms will affect the Voice Quality (MoS Mean Opinion Score). Values above 400ms will cause interrupts. FG/Ostfalia-IKT/10/13 13

14 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Mobilfunknetze... Analoge Funknetze... heute nur noch als nicht-öffentliche Netze in Betrieb Digitale PMR-Netze, z.b. TETRA (Terrestrical Trunked Radio) Digitale kanalvermittelte Sprachkommunikation Niederbitratige Datenkommunikation Öffentliche Mobilfunknetze 2G... GSM mit GPRS 3G... UMTS 4G, LTE als All-IP-Netz mit VoLTE konzipiert 5G... Europäische Vorarbeiten zur Standardisierung FG/Ostfalia-IKT/10/13 14

15 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Mobilfunknetze 2G, 3G, 4G: Kanalvermittlung für Sprache, Paketvermittl. für Daten 15

16 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Entwicklung der Radio Access Networks in Mobilfunknetzen 16

17 Telekom

18 Telekom

19 Telekom

20 Telekom

21 Vodafone

22 Vodafone

23 Lastverteilung auf mehrere Mobilfunknetze IP Load Balancing Layer 3/4, Traffic Control MNO A Core Network MNO A RAN MNO B Core Network MNO B RAN MNO C Core Network MNO C RAN MNO D Core Network MNO D RAN Public Internet IP Load Balancing Layer 3/4, Traffic Control spiegelonline.de Webserver Public Internet 23

24 VoLTE für Unternehmens-interne Kommunikation Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme

25 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Multilevel Precedence und Pre-emption for Critical Communication (emlpp für LTE) ARP = Allocation and Retention Priority GBR = Guaranteed Bitrate

26 MVNO Mobile Virtual Network Operator Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme MNO Access Network Core Network Application Platform Subscriber Management Operator Billing CRM Branding Distribution Sales Reseller Simple MVNO or Service Provider Full MVNO (Mobile Virtual Network Operator) Mobile Network Operator (MNO) MVNE (Mobile Virtual Network Enabler) Scope Source: MVNO white paper, Nokia Siemens Networks, Wikipedia FG/Ostfalia-IKT/10/13 26

27 MVNO für Unternehmens-interne Kommunikation Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme

28 Detailsicht Architekturschichten 28

29 Leitstelle Gesamtübersicht 29

30 Leitstelle Darstellung Anschlusskonflikt 30

31 Leitstelle Fahrer kontaktieren 31

32 Leitstelle Fahrgäste informieren 32

33 Leitstelle Haltestelle kontaktieren 33

34 Fahrer / Fahrgast Mobiler Service 34

35 Fahrer / Fahrgast Verspätungsmeldung Fahrer 35

36 Fahrer / Fahrgast Verspätungsmeldung Fahrgast 36

37 Fahrer / Fahrgast Wartemeldung Fahrer 37

38 Fahrer / Fahrgast Anschlussinformation Fahrgast 38

39 Detailsicht Kommunikationsschichten 39

40 Anwendungsmodellierung BPMN-Modell Übersicht 40

41 Echtzeitszenarien Audio- / Videokommunikation Audio Audioverbindung zwischen Leitstelle und Fahrer Audioverbindung zwischen Fahrern Direkte Durchsagen der Leitstelle in ein Fahrzeug Direkte Durchsagen der Leitstelle an einer oder mehrerer Haltstellen Video Videoverbindung in ein Fahrzeug in Notsituationen Videoverbindung zu einer Haltestelle in Notsituationen Videoansagen an einer oder mehrerer Haltestellen 41

42 BPMN-Modell Übersicht mit Echtzeitkommunikation RTC-Kommunikation 42

43 BPMN-Modell Ausschnitt I 43

44 BPMN-Modell Ausschnitt II 44

45 BPMN-Modell Ausschnitt III 45

46 Detailsicht Kommunikationsschichten 46

47 Anforderung an die Kommunikationsinfrastruktur Einheitliches Interface aus verschiedenen Anwendungen heraus Kommunikation auf Basis eines kostengünstigen All-IP-Netzes Sicherung der QoS für RTC-Dienste Handhabung räumlich und zeitlich schwankender Konnektivitäten Wenn garantierte Verfügbarkeit in Katastrophen-Szenarien benötigt wird: Precedence und Pre-Emption (emlpp) Sicherstellung der unternehmensübergreifenden Interoperabilität 47

48 Heterogene Netzstruktur im ÖPNV Haltestelle - Leitstelle Leitstelle - Fahrzeug Haltestelle - Haltestelle Leitstelle - Leitstelle Haltestelle - Leitstelle Leitstelle - Fahrzeug Fahrzeug - Fahrzeug 48

49 Einheitliches Kommunikationsnetz All-IP Mobilfunknetze 49

50 Migrationsszenario mit LTE Terminals Ad-hoc WLAN network LTE LTE LTE public public networks MVNO EPS LTE private network EPS Legacy Networks (Public / Private) Circuit Switched RTC IP based RTC IP based data communication IP Network, Load Balancing, SIP controlled RTC 50

51 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Ausblick 5G... EU-geförderte Forschungskonsortien für zukünftige Mobilfunknetze Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society 5G 1 GB/s auf der Funkschnittstelle 1ms Latenz Virtualisierung der Netzelemente Virtualisierung der Netze (SDN = Software Defined Networks) 5grEEn - Towards Green 5G Mobile Networks FG/Ostfalia-IKT/10/13 51

52 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Zusammenfassung & Ausblick I Betrachtung aller am ÖPNV beteiligten Agenten in einem verteilten Prozessmodell Integration von Echtzeitkommunikation in BPMN-Modelle Der ÖPNV profitiert in allen Bereichen von BPMN-modellierten Unterstützungsprozessen. Anwendungsnahe Gestaltung der grafischen Prozessmodellierung wird es Mitarbeitern der ÖPNV-Betreiber ermöglichen, Unternehmensprozesse individuell anzupassen. -> Partizipation Bereitstellung üblicher Teilmodelle als Baukastensystem Entwicklung zielgruppen-orientierter Nutzeroberflächen insbesondere für ÖPNV Nutzer, individuelle Wahlmöglichkeiten z.b. für DFI über Sprach- Ansage, SMS oder Mail FG/Ostfalia-IKT/10/13 52

53 Forschungsgruppe IP-basierte Kommunikationssysteme Zusammenfassung & Ausblick II LTE bietet schon heute eine weitgehend flächendeckende Verfügbarkeit mobiler IP-Kommunikation. WebRTC wird die Integration von Audio und Videokommunikation in Web-GUIs dramatisch vereinfachen. Migration heterogener Netze in Richtung eines All-IP-Netzes Übergang zu IPv6 muss eingeplant werden. FG/Ostfalia-IKT/10/13 53

54 Mobile All-IP Netze wie LTE ermöglichen Workflow-integrierte Kommunikation für die Zukunft des ÖPNV... Diskussion... FG/Ostfalia-IKT/10/13 The best way to predict the future is to invent it. Alan Kay

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