Transkript

1 Vorwort Die Entwicklungen im Bereich der drahtlosen Kommunikationstechnik haben seit der zweiten Hälfte der neunziger Jahre eine starke Beschleunigung erfahren. Einhergehend mit der Digitalisierung im Festnetzbereich setzte sich die digitale Datenübertragung auch mehr und mehr im drahtlosen Bereich durch. Während hier zunächst nur schmalbandige leitungsvermittelte Datenübertragungen möglich waren, erfolgte bald ein rascher Übergang zu paketvermittelten Technologien, die heute ein sehr weites Anwendungsspektrum abdecken: Neben energiesparenden Technologien mit sehr geringer Reichweite wie z.b. Bluetooth sind auch Systeme verfügbar, die große Bandbreiten auf mittleren Distanzen anbieten. Hierzu zählen mit Sicherheit die weit verbreiteten "Wireless LAN"-Installationen. Über größere Entfernungen und bei entsprechenden Mobilitätsforderungen kommen Technologien wie GPRS oder UMTS zum Einsatz. Bei der Mehrzahl der Entwicklungen spielte die Idee vom "drahtlosen Internet" die zentrale Rolle, die in jeweils unterschiedlichen Umgebungen und unter verschiedenen Randbedingungen verwirklicht werden sollte. Dieses Buch gibt einen Überblick über die wesentlichen Technologien, jedoch ohne dabei auf zahlreiche Details und Hintergründe zu verzichten. Drahtlose Systeme sind in der Regel sehr komplexe Systeme, die eine Vielzahl von Teilfunktionen zu einem Gesamtsystem vereinen. Um verschiedene Bereiche anzusprechen, die sich in jeder Technologie mehr oder weniger stark ausgeprägt wiederfinden, wiederholt das Kapitel 1 die wichtigsten Grundlagen. Hierzu zählen Betrachtungen des drahtlosen Kanals sowie des Prinzips, die vielfältigen Aufgaben der Datenkommunikation in übereinander geschichteten Protokollen zu organisieren. Die Diskussion der wesentlichen Verfahren aus den Bereichen Modulation, Vielfachzugriff, Signalspreizung, Richtungstrennung (Duplexverfahren) sowie der Kanalcodierung versetzt den Leser in die Lage, die nachfolgenden Kapitel im Detail nachvollziehen zu können. Auch die Adaptivität von Systemen, also die Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Rahmenbedingungen, wird im Rahmen des Grundlagenkapitels betrachtet. Die Kapitel 2 bis 5 befassen sich gezielt mit einzelnen drahtlosen Systemen. Der Aufbau der Kapitel folgt dem generellen Aufbau des nachrichtentechnischen Protokollstapels: Er beginnt bei den Verfahren der physikalischen Schicht und endet bei der jeweils obersten Protokollebene, die durch den zugehörigen Standard festgelegt wird. Im Kapitel 2 steht die Bluetooth-Technologie im Vordergrund. Bluetooth ist ein Vertreter der persönlichen Netze, d.h. jede Person kann ihr eigenes individuelles Netzwerk durch diese energiesparende Nahbereichstechnologie aufbauen. Beispielsweise kann Bluetooth einen Laptop mit einem elektronischen Terminkalender und einem Mobiltelefon verbinden. Das Mobiltelefon seinerseits bedient sich einer drahtlosen Freisprech-

2 VI Vorwort anlage ("Headset"), die ebenfalls Bluetooth zur Anbindung einsetzt. Innerhalb des Bluetooth-Standards wird aber nicht nur das Übertragungssystem definiert, sondern es werden auch zahlreiche Anwendungsfälle durch sog. "Profile" spezifiziert, die laufend ergänzt werden, z.b. um die neueren Profile für Audio- und Videoübertragungen. Kapitel 2 stellt die derzeit aktuellen Profile ebenfalls vor. Die in den letzten Jahren stark verbreiteten "Wireless LAN"-Systeme (kurz "WLAN") sind Gegenstand des Kapitels 3. Die vom amerikanischen Standardisierungsgremium IEEE entwickelte Spezifikation IEEE bildet die Basis der WLAN-Systeme und verlängert das drahtgebundene Ethernet in den drahtlosen Bereich. In der Zwischenzeit decken diese Systeme Datenraten von 1 Mbit/s bis 54 Mbit/s ab und bedienen sich ganz unterschiedlicher Übertragungsverfahren, die jeweils separat diskutiert werden. Zahlreiche Erweiterungen des Grundstandards ermöglichen die Unterstützung des Dienstgütegedankens (engl. Quality of Service, QoS) oder auch die Zusammenarbeit verschiedener "Access Points". Ursprünglich als europäische Alternative zum IEEE-Standard konzipiert, verfolgt der HIPERLAN/2-Standard (Kapitel 4) eine etwas veränderte Zielsetzung, die von Anfang an die Bereitstellung einer vereinbarten Dienstgüte durch eine zentrale Steuerungsinstanz (engl. Central Controller, CC) vorsieht. Auch die parallele Unterstützung verschiedener Protokollarchitekturen wird durch HIPERLAN/2 ermöglicht, insbesondere durch die Definition von Konvergenzprotokollen. Auch wenn der kommerzielle Erfolg dieser Technologie ausblieb, besitzen die Besonderheiten von HIPERLAN/2 ein großes Potential, so daß die wesentlichen Punkte zwischenzeitlich vom IEEE-Gremium übernommen und in die WLAN-Standards eingepflegt wurden. Das Kapitel 5 stellt die paketvermittelte Übertragung in GSM-Netzen, die GPRS- Technologie, vor. Als Weitverkehrsnetz unterstützt GPRS eine weitreichende Mobilität und stellt eine flächendeckende drahtlose Internetversorgung sicher. GPRS brachte die Einführung einer parallelen paketvermittelten Infrastruktur mit sich, die aber die bereits bestehende Luftschnittstelle des GSM-Systems wiederverwendet. In diesem Kapitel werden zunächst einige GSM-Grundlagen aufgefrischt und dann die hinzugefügten GPRS-Netzelemente diskutiert. GPRS bedient sich einer Vielzahl von Protokollen mit unterschiedlicher Reichweite, die ebenfalls im Kapitel 5 angesprochen werden. Auch der Dienstgütegedanke wird in der GPRS-Technologie berücksichtigt. Da verschiedene drahtlose Systeme nebeneinander existieren und zum Teil denselben Spektralbereich nutzen, stellt sich die Frage nach der gegenseitigen Beeinflussung der Systeme und dem gegenseitigen Störpotential. Im Kapitel 6 werden geeignete Lösungsansätze vorgestellt, die durch kooperative und nicht-kooperative Maßnahmen eine Minimierung der gegenseitigen Beeinflussung drahtloser Systeme erreichen. Auch die Auswirkungen des Betriebs von Mikrowellenherden werden in diesem Zusammenhang angesprochen. Das Kapitel 7 schließlich befaßt sich mit neueren Entwicklungen im Bereich drahtloser Netze. Hierzu zählen die Adaption der Bluetooth-Technologie durch das IEEE- Gremium als "WPAN"-Technologie, aber auch die Entwicklung von Systemen, die eine sehr hohe Lebensdauer im Bereich mehrerer Jahre und eine sporadische Aktivität

3 Vorwort VII bei niedrigen Datenraten aufweisen. "Zigbee"-Systeme vereinen diese Anforderungen. Auch der HomeRF-Standard wird kurz angesprochen. Er hat die Konvergenz verschiedener bestehender Übertragungstechniken zum Ziel. Abschließend diskutiert Kapitel 7 die "Ultra Wideband"- (UWB) Technologie, die eine Informationsübertragung durch extrem kurze und dadurch sehr breitbandige Impulse erreicht. Der Vorteil der UWB-Technologie liegt in der sehr großen Kanalbandbreite und der damit verbundenen niedrigen Leistungsdichte. UWB-Signale können dadurch andere Systeme nicht stören, umgekehrt aber auch nicht von diesen gestört werden. Das Thema Informationssicherheit ist in allen drahtlosen Systemen ein sehr wichtiger Aspekt, der jeweils bei der Diskussion der einzelnen Systeme berücksichtigt wird. Insbesondere die im WLAN-Standard aufgetretenen Schwächen und die daraufhin eingeführten Gegenmaßnahmen werden beleuchtet. Ebenso zieht sich die Thematik der Adaptivität durch die einzelnen Kapitel. Häufig stehen unterschiedliche Kombinationen von Modulations- und Kanalcodierungsverfahren zur Auswahl, zwischen denen bei einer Veränderung der Ausbreitungsbedingungen dynamisch gewechselt wird. Dies erfolgt zum Teil nach jedem Datenpaket oder sogar innerhalb eines Datenpakets. Verfügt eine Technologie über adaptive Techniken, werden diese im betreffenden Kapitel betrachtet. Dieses Buch wendet sich an praktisch erfahrene Ingenieure, Studierende der höheren Fachsemester sowie alle interessierten Leser, die mehr über die Hintergründe der aktuellen drahtlosen Systeme und zukünftige Weiterentwicklungen erfahren möchten. Allerdings wird vorausgesetzt, daß ein generelles Verständnis nachrichtentechnischer Zusammenhänge vorhanden ist, wie es in etwa durch das Grundstudium der Nachrichtentechnik vermittelt wird. Zum vereinfachten Einstieg und zur besseren Orientierung werden immer wieder Querverbindungen zum Grundlagenkapitel (Kapitel 1) und anderen relevanten Stellen geschlagen. An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die zur Erstellung des Buches direkt oder indirekt durch Diskussionen, Kommentare und Verbesserungsvorschläge beigetragen haben. Ein besonderer Dank gilt meiner Frau Christina, die mich durch große Rücksichtnahme unterstützt, gefördert und immer wieder motiviert hat. Herrn Dr. Jens Schlembach danke ich für die aktive Unterstützung bei der Fertigstellung des Manuskripts und die fortwährend gute Zusammenarbeit. Düsseldorf, im Dezember 2004 Christoph Stepping

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7 Inhalt 1 Grundlagen Grundlagen der drahtlosen Kommunikation Mobilfunkkanal Mehrwegeausbreitung Mobilität der Teilnehmer Topologien Zellularer Netzaufbau Ad-hoc-Netze Grundlegendes zu Protokollen Schichtenmodell Protokolle und Protokolldaten Digitale Modulationsverfahren Grundlagen Frequenztastverfahren FSK GFSK und 4GFSK Phasensprungverfahren BPSK QPSK PSK DBPSK und DQPSK Kontinuierliche Phasenmodulation CPFSK MSK GMSK Quadratur-Amplituden-Modulation QAM QAM OFDM Prinzip des OFDM-Verfahrens Kenngrößen des OFDM-Verfahrens... 39

8 X Inhalt Detaillierter Ablauf Scrambling Kanalcodierung Interleaving Modulation Betrachtung der IFFT Vielfachzugriffsverfahren FDMA TDMA CDMA Stochastische Zugriffsverfahren ALOHA Slotted ALOHA CSMA CSMA/CD CSMA/CA Bandspreizung FHSS DSSS Richtungstrennungsverfahren FDD TDD Kanalcodierung und Fehlersicherung FEC-Verfahren CRC-Verfahren ARQ-Verfahren Adaptivität in drahtlosen Netzen Bluetooth Grundlagen und Einsatzbereich Organisation Piconetz und Scatternetz Bluetooth-Adressen Bluetooth-Geräteadressen Adressen für aktive Geräte Adressen für geparkte Geräte Adressen für die Verbindungsanfrage Protokollarchitektur Physikalische Schicht Leistungsdaten Frequenzsprungverfahren Modulation Sende- und Empfangsleistungen Link Controller (LC) Physikalische Kanäle Paketformate Zugriffscode-Feld

9 Inhalt XI Header-Feld Nutzdatenfeld Übersicht über die Pakettypen Gemeinsame Steuerpakete für SCO und ACL SCO-Pakete ACL-Pakete Zusammenfassung der Paketformate Fehlerkorrektur-Verfahren FEC-Codierung ARQ-Verfahren Fehlererkennung mit CRC-Verfahren Scrambling Logische Kanäle Sende- und Empfangsroutinen Steuerung des Kanalzugriffs Bedeutung des Masters Bluetooth-Uhr Zustände des Link Controllers Ablauf des Paging Ablauf des Inquiry Besonderheiten des Scatternetzes Kontrolle der Leistungsaufnahme Sprungsequenzauswahl Bluetooth Audio Sicherheit bei Bluetooth Grundlagen Schlüsselverwaltung Schlüsselgenerierung Authentifikation Datenverschlüsselung Link Manager und Link Manager Protocol (LMP) Formate Prozeduren Verbindungsaufbau Sicherungs- und Konvergenzprotokollschicht (L2CAP) Kennzeichnung von Kanälen Dienstprimitive Segmentierung und Reassemblierung Zustandsautomat Paketformate Verbindungsorientierte Kanäle Verbindungslose Kanäle Signalisierung Host Controller Interface Übersicht HCI-Pakete HCI-Befehle

10 XII Inhalt 2.9 Service Discovery Protocol Organisation der Dienstinformationen Protokollbeschreibung RFCOMM IrDA-Interoperabilität Telephony Control Protocol Bluetooth als WAP-Trägerdienst Anwendungen und Profile Grundlegende Profile Weitere Profile Neuere Entwicklungen Ausblick Wireless LAN nach IEEE Übersicht über die Standard-Familie IEEE Übersicht über den Standard Topologien Authentifikation und Assoziierung Übersicht über die physikalische Schicht Dienstprimitive der physikalischen Schicht Frequency Hopping Spread Spectrum Spektrum PLCP-Teilschicht PMD-Teilschicht PMD-Teilschicht mit 1 Mbit/s PMD-Teilschicht mit 2 Mbit/s Direct Sequence Spread Spectrum Spektrum und Leistungsdaten PLCP-Teilschicht PMD-Teilschicht Dienstprimitive der PMD-Teilschicht Modulationsverfahren bei DSSS Direct Sequence Spread Spectrum nach IEEE b CCK-Modulation für 5,5 Mbit/s und 11 Mbit/s Optionales PBCC-Verfahren OFDM-Verfahren nach IEEE a Infrarot-Übertragung PLCP-Teilschicht PMD-Teilschicht MAC-Ebene DCF und PCF Genereller Ablauf von CSMA/CA CSMA/CA mit Reservierung CSMA/CA bei Fragmentierung Funktionsweise der PCF Periodische Aussendung von Beacons Rahmen der MAC-Ebene

11 Inhalt XIII Steuerungsrahmen Datenrahmen Managementrahmen Multiraten-Unterstützung Leistungseinsparung durch Intervalle Kombination aus DSSS und OFDM nach IEEE g Übertragungsverfahren Schutzmechanismen Aufbau der physikalischen Schicht Sicherheit bei IEEE WEP-Algorithmus Authentifikation Schwachstellen des WEP-Algorithmus Maßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit WEPPlus Fast Packet Keying Temporary Key Integrity Protocol Wi-Fi Protected Access Weitere Maßnahmen Sicherheit in IEEE 802-Standards IEEE i IEEE 802.1x Erweiterte Authentifikationsmechanismen EAP-TLS PEAP EAP-TTLS LEAP Roaming zwischen Funkzellen HIPERLAN/ Übersicht und Einsatzbereich Übersicht über die BRAN-Familie Übersicht über HIPERLAN/ Anwendungsprofile Protokollarchitektur Adressierung Kanäle bei HIPERLAN/ Übersicht Logische Kanäle Transportkanäle PDU-Trains Physikalische Kanäle Physikalische Schicht Leistungsdaten Verarbeitung in der physikalischen Schicht Kanalcodierung Modulation durch Mapping

12 XIV Inhalt Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Burstbildung Sendeleistungsregelung Dynamische Frequenzauswahl Vielfachzugriff MAC-Rahmen PDU-Typen Funktionsweise des MAC-Protokolls Sicherungsschicht Fehlerschutz für Nutzdaten Acknowledged Mode Unacknowledged Mode Repetition Mode Signalisierungsinformation Assoziationssteuerung Verwaltung der Funkressourcen Steuerung der DLC-Verbindungen Konvergenzprotokolle Paketbasierte Konvergenzprotokolle Common Part Ethernet Service Specific Convergence Sublayer Zellbasiertes Konvergenzprotokoll Common Part Convergence Sublayer UNI Service Specific Convergence Sublayer Konvergenzprotokolle für FireWire Adaptivität Sicherheit bei HIPERLAN/ Unterschiede zu IEEE a GPRS Übersicht und Architektur GSM-Grundlagen GPRS-Grundlagen Betriebszustände bei GPRS Dienstgüte in GPRS Adressierung in GPRS Adaptivität in GPRS Prinzip der Adaptivität Erweiterung EDGE Codierungsschemata bei GPRS Modulations- und Codierungsschemata bei EGPRS Protokollarchitektur Übersicht SNDCP LLC RLC/MAC RLC-Protokoll

13 Inhalt XV MAC-Protokoll Struktur der Funkblöcke BSSGP NS GTP Anbindung eines Terminals an GPRS Logische Kanäle bei GPRS Physikalische Schicht Sicherheit bei GPRS Ausblick Zusammenwirken drahtloser Netze Koexistenz und Interoperabilität Kollaborative Verfahren AWMA PTA Deterministische Interferenzunterdrückung Nicht-kollaborative Verfahren Adaptive Interferenzunterdrückung Adaptive Paketauswahl Adaptives Frequenzsprungverfahren Einfluß von Mikrowellenherden Weitere Systeme Wireless PAN nach IEEE Zigbee Leistungsdaten Protokollstapel HomeRF Ultra Wideband (UWB) Prinzip von UWB Codierung der Information im Sender Empfangsprinzipien Ausblick Literaturverzeichnis 501 Index 511

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