Einführung. Motivation und Begriffsbildung. Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

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1 Zusammenfassung

2 Einführung Motivation und Begriffsbildung Die Begriffe mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 2

3 Einführung 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 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 3

4 Technische Grundlagen Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Statische Knoten Mobile Knoten Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung Rauschen und Übertragungsfehler Fehlerdetektion Block Codes Faltungs Codes WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 4

5 Technische Grundlagen Was lernen wir als Informatiker daraus? Wir können nicht erwarten, dass die E und Nachrichtentechniker uns Kanäle zaubern, die so gut wie die drahtgebundenen sind Insbesondere: je größer die Mobilität (Geräte selber, aber auch die Umgebung) desto Fehleranfälliger wird der Kanal Wir müssen auf allen darauf aufbauenden Schichten für solche Störfälle gewappnet sein Gute Kenntnis der unteren Schichten ist auch notwendig, um für das betrachtete Einsatzgebiet die richtigen Systemannahmen für höhere Schichten treffen zu können Einflussnahme von Algorithmen auf die untersten Schichten: Leistungseinstellung, Gerätepositionierung Die hier vorgestellten Modelle eignen sich auch gut für die analytische Bewertung und Computer Simulation von Protokollen, die in den Schichten darüber liegen WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 5

6 Medienzugriffskontrolle Motivation für spezielle MAC Verfahren Mehrfachzugriff durch Raummultiplex (SDMA) Mehrfachzugriff durch Frequenzmultiplex (FDMA) Mehrfachzugriff durch Zeitmultiplex (TDMA) Clock Sync und IFS Statisches TDMA Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Clear Channel Assessment (CCA) bei CSMA Klassisches und Slotted Aloha Demand Assigned Multiple Access (DAMA) Polling Inhibit Sense Multiple Access (ISMA) Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) Backoff am Beispiel MACA MACA Durchsatzanalyse Code Division Multiple Access (CDMA) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 6

7 Medienzugriffskontrolle Funkmedium erfordert neue MAC Verfahren Hidden/Exposed Terminal Nahe/Ferne Geräte Kollision am Empfänger!= Kollision am Sender Es gibt nicht Das MAC Verfahren Ressource lässt sich im Wesentlichen teilen durch Raum Frequenz Zeit Code WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 7

8 Sensornetze Beispielanwendungen Sensor Hardware und Netzarchitektur Herausforderungen und Methoden Limitierender Faktor Batterie Schlafzyklen In Network Processing Multihop Kommunikation MAC Layer Fallstudie IEEE Energieeffiziente MAC Layer S MAC und T MAC B MAC X MAC und Wise MAC WSN Programmierung Laufzeitumgebungen Fallstudie TinyOS WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 8

9 Sensornetze Herausforderungen Energieeffizienz Geringe Rechen und Speicherkapazität Geringe Kommunikationsbandbreite Erfordert neue Ansätze auf den einzelnen Protokollschichten: z.b. energieeffiziente MAC Layer Aufweichen von striktem Protokoll Layering: Cross Layer Optimierungen Geräte sind in der Regel keiner Person direkt zugeordnet Neue Sichtweise auf Kommunikation ID Zentrisch versus Datenzentrisch Maschine zu Maschine Kommunikation WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 9

10 Zellulare Netze Zellgeometrie Frequency Reuse Übliche Systemfunktionen Ausbreitungsmodelle Traffic Engineering Beispiel GSM Beispiel UMTS 3G Systeme Diskussion von CDMA Systemen Übersicht über das UMTS System Power Control Handover Control WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 10

11 Zellulare Netze Generelle Idee zellularer Netze: räumlich verteilte Basisstationen wegen beschränkter Bandbreite und limitierter Übertragungsreichweite Erfordert: Leistungskontrolle, Handover Mechanismen, aufwendige drahtgebundene Infrastruktur (drahtlos nur auf der letzten Meile ) Bemerkung: das Thema schnurlose Telefone (z.b. DECT) wurde hier nicht betrachtet Vereinfachte Darstellung von Zellen mittels Hexagonen Zwei Varianten zur Aufteilung der Bandbreite: Zuweisung von Frequenzen, CDMA Alte Mobilefunkgenerationen: der Schwerpunkt ist hier die Sprachübertragung. (Eine Verbindung pro aktivem Nutzer) In der Mobiltelefonie spricht man von Evolution von alten Generationen hin zu neuen Generationen Neue Generationen: Datendienste werden immer wichtiger Evolution von leitungsvermittelnden zu paketorientiertem Netz (näher am Internet Modell) Beispiele: GSM und UMTS WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 11

12 Infrastrukturlose Vernetzung Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie basierte Routingprotokolle Destination Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) Optimized Link State Routing (OLSR) Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV) Dynamic Source Routing (DSR) Geographische Routingprotokolle Greedy Routing und Planar Graph Routing Konstruktion von planaren Graphen Lokales Multicasting Beispiel MSTEAM WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 12

13 Infrastrukturlose Vernetzung Wir betrachteten hier: drahtlose Vernetzung ohne aufwendige (und kostenpflichtige) Infrastruktur Abdeckung größerer Gebiete trotz limitierter Kommunikationsreichweite Multihop Kommunikation Wir haben es hier somit hauptsächlich mit einem Netzwerkproblem zu tun Wesentliche Probleme: Routing und Topologiekontrolle Anpassung traditioneller Routing Verfahren: Topologie basiertes Routing Neuer Routing Ansatz auf der Basis von Knotenkoordinaten Dieser Ansatz erlaubt ganz neue Formen der Datenkommunikation und generell ganz neue Formen von Netzorganisation Generelles Paradigma, um mit der Dynamik solcher infrastrukturlosen Multihop Netze umzugehen: lokale Algorithmen/Verfahren Dieses Paradigma ist auch zur Beherrschung von komplexen und dynamischen Internet Overlay Topologien anwendbar Mit den hier behandelten lokalen Verfahren wurde nur ein kleiner Ausschnitt eines interessanten Forschungsfeldes betrachtet Mehr dazu in der Vorlesung Lokale Netzstrukturen im Wintersemester 2013/2014 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 13

14 TCP und Drahtlose/Mobile Kommunikation Classical TCP Indirect TCP Snooping TCP Mobile TCP Freezing Selective retransmission WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 14

15 TCP und Drahtlose/Mobile Kommunikation TCP wurde im Hinblick auf Staukontrolle entwickelt Fundamentale Annahme: Segmente gehen in der Regel aufgrund überlasteter Router verloren Ergo ist es sinnvoll die erzeugte Last über die Sendefenstergröße zu regulieren TCP Strategie ist suboptimal für drahtlose Kommunikation Drahtlosübertragung: Segmenten gehen aufgrund eines kurzzeitigen Übertragungsfehlers verloren (Überlast liegt nicht notwendigerweise vor) TCP Fenster sind somit in der Regel zu kleine schlechte Performance Generelle TCP Verbesserungen (dafür sorge tragen, dass Sendefenstergröße der bedienbaren Last entsprechend erhalten bleiben) TCP unverändert beibehalten (z.b. Indirect TCP) TCP erweitern (Cross Layering) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation 15