Drahtlose Kommunikation Einführung
Übersicht Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe mobil mobil und drahtlos Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 2
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
Topic of Wireless Communication This lecture is about basic architecture and protocol mechanisms Attempts to give an overview of all 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 cat o Though some fundamentals are introduced were necessary; the course is in this sense self-contained 4
Drahtlose Kommunikation aus Informatik-Sicht Informatik als Bindeglied zwischen Elektrotechnik/Physik und den Endanwendungen Dazwischen liegt der Protokollstapel 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 geplante Vorlesung Lokale Netzstrukturen Vorlesung befasst sich mit algorithmischen und graphtheoretischen Fragen zu lokal l organisierten i Netzen Ein großer Teil davon sind algorithmischen Fragen zu drahtlosen (multihop) Netzen 5
The world gets wireless: Moore s Law WS 12/13 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung 6
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
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
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 t into everybody's life almost 24/7, almost anywhere And the future? 9
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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 Personal Digital Assistants (PDA) Der Wunsch nach mobiler Datenkommunikation schafft den Bedarf zur Integration von drahtlosen Netzen in bestehende Festnetze: im lokalen Bereich: Standardisierung von IEEE 802.11, ETSI (HIPERLAN) im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM 11
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Drahtlose Netztypen Infrastrukturbasiert Infrastrukturknoten (Basisstation) mobiles/drahtloses Gerät Infrastrukturlos (ad-hoc) Singlehop Multihop 13
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 derzeit z.b. 53kbit/s mit GSM/GPRS Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit h it gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig 14
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Mobile Endgeräte Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten PDA/Smartphone Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Laptop/Notebook voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems www.scatterweb.net Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Grafikanzeigen L e i s t u n g Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme 16
Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten 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
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 u für Broadcast-Dienste ste (z.b. TV, Radio) 18
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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, i 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
Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA,... Personal Travel Assistant, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... 21
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
Wireless sensor networks Small embedded devices; no specific owner Equipped with sensors With wireless communication capabilities 23
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Ortsabhängige Dienste Umgebungsbewusstsein welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung Nachfolgedienste automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten Arbeitsoberfläche b an den aktuellen Aufenthaltsort t Informationsdienste push : z.b. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt pull : z.b. wo finde ich Pizza mit Thunfisch Nachfolgen der Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, h Zustandsinformation ti etc. folgt dem mobilen Endgerät durch das Festnetz 25
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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
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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 (1831-79): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) H. Hertz (1857-94): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum (1888 in Karlsruhe) 29
Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen ngen 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
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, 1971 11000 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, 1979 13000 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
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, e-mail, 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 1880-1900MHz, 1900MHz ~100-500m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere 10000 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
Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in D (Ende 1997 98% 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 - IEEE802.11 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
Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard 802.11b, 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
History of wireless communication VI 2002 2003 2005 2006 2007 2008 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
Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick 1981: NMT 450 1986: NMT 900 1992: GSM Mobiltelefone 1994: DCS 1800 1991: 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: CT1+ 1989: CT 2 drahtlose LAN 1991: DECT 199x: proprietary p 1997: IEEE 802.11 1999: 802.11b, Bluetooth analog digital 2000: GPRS 2001: IMT-2000 2000: IEEE 802.11a Vierte Generation 36
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Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung g Bitübertragung g Bitübertragung g Bitübertragung g Funk Medium 38
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
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Kapitelübersicht Transportprotokolle Netzwerkprotokolle Telekommunikations- Ad-hoc und Drahtlose systeme Sensornetze LANs Medienzugriffskontrolle Technische Grundlagen 41
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 802.11a/b/g,.15, Bluetooth Netzwerkprotokolle Mobile IP Ad-hoc Netze Wegewahl Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität 42
Zusammenfassung und Literatur Motivation und Begriffsbildung Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell Vorlesungsübersicht 43
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
Literatur [Schiller2003] Jochen Schiller, Mobilkommunikation, 2te überarbeitete Auflage, 2003 1. Einführung 45