Drahtlose Netze Warum drahtlose Netze? Übermittlungsrate MBit/s 100.0 10.0 1.0 0.1 0.01 verdrahtete Endgeräte WLAN CORDLESS (CT, DECT) Büro Gebäude stationär gehen fahren Indoor HIPERLAN UMTS CELLULAR (GSM) Outdoor Mobilität CT - Cordless Telephony (analoger Vorgänger von DECT) DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications (Standard für schnurlose Telefone im lokalen Bereich) GSM - Global System for Mobile Communication (zellularer Mobilfunkstandard) UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (universelles (Mobilfunk-)System, welches viele unterschiedliche Zugangssysteme vereint) WLAN - Wireless Local Area Network (Standard zur drahtlosen Vernetzung (tragbarer) Computer) HIPERLAN alternatives LAN zu WLAN, drahtlose ATM-Erweiterung WLL - Wireless Local Loop (Technik zur Überbrückung der letzten Meile zwischen Festnetz und Nutzer) darüber hinaus: Satellitensysteme, Bluetooth/IrDA im 'Kurzstreckenbereich' Eigenschaften Funkübertragung, man benötigt neue Übertragungsprotokolle Vorteile Räumlich flexibel innerhalb eines Empfangsbereichs Ad-hoc-Netzwerke ohne vorherige Planung machbar Keine Verkabelungsprobleme (z.b. historische Gebäude, Feuerschutz, Ästhetik) Unanfälliger gegenüber Katastrophen wie Erdbeben, Feuer - und auch unachtsamen Benutzern, die Stecker ziehen! Nachteile Im Allgemeinen noch sehr niedrige Übertragungsraten bei größerer Nutzerzahl Oft proprietäre leistungsstärkere Lösungen, Standards sind weniger leistungsfähig Beachtung vieler nationaler Regelungen, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen Begrenztes Frequenzspektrum, Interferenzen der Frequenzen 88 89 Personal Area Networks Personal Area Networks (sehr kleine Reichweite) IrDA (Infrared Data Association) Infrarotstandard zum Anschluss von Peripheriegeräten Datenrate bis 4 Mb/s Brutto, Datenrate im Gebrauch aber nur 115 Kb/s Wenige Meter Reichweite, nur in Sichtweite Anfällig gegenüber Störungen IEEE 802.15 (WPAN, Bluetooth): Datenrate bis zu 723 Kb/s Reichweite bis ca. 10/15 Meter (mit höherer Sendeleistung: bis zu 100 Meter), Bildung kleiner Funkzellen Ad-hoc Networking: spontaner (automatischer) Zusammenschluss mehrerer mobiler Geräte (maximal 8) zu einem eigenen kleinen Netz Einsatz bei Handys, Personal Digital Assistents (PDAs),... 90 Wireless Local Area Networks Drahtlose lokale Netze (kleine Reichweite) IEEE 802.11 (Wireless LAN, WLAN) Verbreiteter Standard zur Unterstützung mobiler Rechner Hohe Datenraten: 11-100 Mb/s Bitübertragungsschicht und Medienzugriff: kann als 'drahtlose Variante von Ethernet' angesehen werden Basisstationen (Access Point, AP) verbinden WLAN direkt mit Ethernet, zusätzlich sind Ad-hoc-Netze möglich als physikalische Medien werden Infrarot- und Funkübertragung genutzt IEEE 802.16 (Broadband Wireless, Wireless Local Loop) 802.11 fokussiert auf Mobilität, 802.16 auf drahtlose Gebäudeabdeckung Höhere Datenrate (32-134 Mb/s), größere Reichweite HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) Verschiedene Varianten, von Typ 1 mit 23,5 Mb/s bis Typ 4 mit 155 Mb/s Reichweite ca. 50 Meter bis 5 Kilometer Keine Produkte 91
Mobilfunknetze Einordnung in das OSI-Referenzmodell Cordless Systems DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) Standard für das schnurlose Telefon Übertragung von Sprache und Daten in räumlich begrenzten Gebieten (Heimbereich) Cellular Systems (mittlere Reichweite) GSM (Global System for Mobile Communications) Hauptsächlich konzipiert für Sprachübertragung, aber auch nutzbar für Datenübertragung (Wide Area Network) Niedrige Datenraten (9,6 Kb/s) Zusatzprotokolle für die Datenübertragung (EDGE, GPRS, HSCSD) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Auch: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) Integration vielfältigster Daten, Datenraten bis 2 Mb/s und schließlich: Satelliten zur weltweiten Abdeckung. Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Dienstelokation Adaptive Anwendungen Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Routing Endgerätelokalisierung Handover Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Modulation Interferenzen, Dämpfung Frequenzen 92 93 Darstellung von Funksignalen Frequenzen von Funknetzen (MHz) Daten werden physikalisch als elektromagnetische Wellen dargestellt: s(t) = A sin(2 π f t + ϕ) A A: Amplitude f: Frequenz ϕ: Phase ϕ 0 T = 1/f Cellular Phones Cordless Phones Wireless LANs Europe USA Japan GSM 450-457, 479-486/460-467,489-496, 890-915/935-960, 1710-1785/1805-1880 UMTS (FDD) 1920-1980, 2110-2190 UMTS (TDD) 1900-1920, 2020-2025 CT1+ 885-887, 930-932 CT2 864-868 DECT 1880-1900 IEEE 802.11 2400-2483 HIPERLAN 2 5150-5350, 5470-5725 AMPS, TDMA, CDMA 824-849, 869-894 TDMA, CDMA, GSM 1850-1910, 1930-1990 PACS 1850-1910, 1930-1990 PACS-UB 1910-1930 902-928 IEEE 802.11 2400-2483 5150-5350, 5725-5825 PDC 810-826, 940-956, 1429-1465, 1477-1513 PHS 1895-1918 JCT 254-380 IEEE 802.11 2471-2497 5150-5250 94 95
Übertragung digitaler Signale Die digitalen Signale (0 bzw. 1) müssen übertragen werden als elektrische Signale (z.b bei Koax- oder Twisted-Pair-Kabeln) sehr oft eingesetzt bei Ethernet oder anderen LANs optische Signale (z.b. bei Glasfaser) gebräuchlich bei Weitverkehrsnetzen, ab und zu auch bei LANs elektromagnetische Signale (z.b. bei Satelliten oder Mobilfunk) WLAN, GSM,... Werden elektrische Signale zur Übertragung digitaler Informationen verwendet, können die Signale direkt als bestimmte Spannungskombinationen auf das Medium gegeben werden (Leitungscodes: NRZ, Manchester-Code,...). Bei Funksignalen muss das digitale Signal auf ein analoges Trägersignal aufmoduliert werden. X unmoduliertes Signal Trägerfrequenz (sin) moduliertes Signal 96 Modulation digitaler Signale Wert 1 0 1 1 0 Zeit Die Umwandlung der digitalen Signale kann auf verschiedene Arten erfolgen, basierend auf den Parametern einer analogen Welle: s(t) = A sin(2 π f t + ϕ) Amplitude Frequenz Phase Amplitudenmodulation (Amplitude Shift Keying, ASK) Technisch einfach zu realisieren Benötigt wenig Bandbreite Störanfällig wegen Abschwächung des Signals Verwendung bei optischer Übertragung Resultierendes Signal (Frequenzbereich): 97 Modulation digitaler Signale Modulation digitaler Signale Wert 1 0 1 1 0 Wert 1 0 1 1 0 Zeit Die Umwandlung der digitalen Signale kann auf verschiedene Arten erfolgen, basierend auf den Parametern einer analogen Welle: s(t) = A sin(2 π f t + ϕ) Zeit Die Umwandlung dieser digitalen Signale kann auf verschiedene Arten erfolgen, basierend auf den Parametern einer analogen Welle: s(t) = A sin(2 π f t + ϕ) Amplitude Frequenz Phase Frequenzmodulation (Frequency Shift Keying, FSK) Amplitude Frequenz Phase Phasenmodulation (Phase Shift Keying, PSK) Benötigt größere Bandbreite Für Telefonübertragung Resultierendes Signal (Frequenzbereich): 180 Phasenshift Komplexe Demodulation Störungssicher Im der drahtlosen Kommunikation oft bevorzugt Resultierendes Signal (Frequenzbereich): 98 99
Minimum Shift Keying (MSK) Abwandlung des FSK-Verfahren Eingesetzt, um Bandbreiteneffizienz (Übertragungsrate / dafür nötige Bandbreite) zu steigern und gleichzeitig Nachbarkanalstörungen zu vermeiden Bei FSK-Verfahren ist die Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand deutlich verringert werden MSK-Verfahren Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt (gerade, ungerade), die Bitdauer wird dabei verdoppelt Höhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe Schwingung mehr aus Kombinationsregeln der beiden Kanäle für Bildung des Endsignals Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator GMSK (Gaussian MSK), z.b. bei GSM, DECT eingesetzt Minimum Shift Keying (MSK) f 1 f 2 Gerade=0, ungerade=0: invertiere f 2 Gerade=1, ungerade=0: invertiere f 1 Gerade=0, ungerade=1: f 1 Gerade=1, ungerade=1: f 2 100 101 Fortgeschrittene PSK-Verfahren Die Umtastung kann auch mehr als 2 Phasen umfassen: es kann zwischen M verschiedenen Phasen umgetastet werden, wobei M eine Zweierpotenz sein muss. Dadurch können mehr Informationen gleichzeitig übermittelt werden. Beispiel: QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) Umtastung zwischen 4 Phasen 4 Phasen erlauben 4 Zustände: kodiere 2 Bit auf einmal Damit doppelte Übertragungsrate 10 01 00 11 Q = A sinϕ 01 11 11 01 11 Fortgeschrittene PSK-Verfahren Quadraturamplitudenmodulation (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) Kombination aus ASK und QPSK n Bit können gleichzeitig übertragen werden (n=2 ist QPSK) Bitfehlerrate steigt mit zunehmendem n, aber weniger als bei vergleichbaren PSK- Verfahren 010 101 000 111 011 110 001 100 101 100 011 010 000 001 ϕ I = A cosϕ 110 111 00 10 00 10 A = Amplitude des Signals I = In-Phase, Signalkomponente (in Phase mit Trägersignal) Q = Quadratur-Phase, Quadraturkomponente (senkrecht zur Trägerphase) 0010 0001 0011 0000 16-QAM: 4 Bit pro Signal: 0011 und 0001 haben gleiche Phase, aber unterschiedliche Amplitude 0000 und 0010 haben gleiche Amplitude, aber unterschiedliche Phase 102 103
Signalausbreitung Einfluss der Atmosphäre In freiem Raum geradlinige Ausbreitung die Empfangsleistung ist proportional zu 1/d α (d = Abstand zwischen Sender und Empfänger, α = 2 in freiem Raum, 2.7-5 in der Stadt, 4-6 im Gebäude) Werte für α größer als 2 ergeben sich durch Dämpfung, Reflektion, Streuung, Beugung, Basierend auf der Empfangsleistung ergeben sich verschiedene Bereiche: Übertragungsbereich Normale Kommunikation Interferenz Niedrige Fehlerrate Erkennung Erkennungsbereich Übertragung Signalerkennung ist noch möglich Sender Zu hohe Fehlerrate für Identifikation des Signals Interferenzbereich Keine Signalerkennung Störung anderer Übertragungen Entfernung 104 400 km Ionosphäre 50 km Stratosphäre 6-18 km Troposphäre 0 km Erdoberfläche Ionosphäre elektrisch geladene Ionen ermöglichen eine weite Ausbreitung von Radiowellen Stratosphäre konstante Temperaturen und Wasserdampf; kaum Auswirkung auf Radiowellen Troposphäre variable Ausdehnung (6 km an den Polen, 18 km am Äquator) Wetteränderungen wirken sich auf die Ausbreitung aus 105 Ausbreitung von Radiowellen Eine "Oberflächenwelle" breitet sich entlang der Erdoberfläche aus Ausbreitung über den Horizont hinweg (1000 km) an Hindernissen findet eine Beugung statt betrifft Frequenzen bis 2 MHz Brechung der Wellen an der Ionenschicht (abhängig von der Frequenz der Welle, der Ionendichte und dem Einfallwinkel) je höher die Frequenz ist, desto geringer ist die Brechungswirkung Ausbreitung über 100 km, Frequenzen bis ca. 100 MHz Im Mobilfunk und bei Wireless LANs: Die Frequenzen liegen beträchtlich höher Der Empfang ist nur noch in Sichtreichweite möglich, leichte Vergrößerung der Kapitel Reichweite 3: Netzedurch Brechung in der Troposphäre oder Einwirkung der Umgebung 106 Mehrwegausbreitung Faktoren, die die Ausbreitung beeinflussen: natürliche Umgebung: Gebirge, Wasser, Vegetation, Regen, Schnee künstliche Umgebung: Gebäude etc. Dämpfung Ausbreitungsmechanismus: Dämpfung, Abschattung (Regen, Vegetation) Beugung/Ablenkung: scharfe und runde Kanten direkter Weg Reflektion an großen Flächen Beugung Streuung an kleinen Hindernissen Brechung: Brechungsindex wird mit zunehmender Höhe kleiner Wirkung: Streuung Reflektion - der Empfänger erhält ein Signal auf mehreren Wegen zugleich - Abschwächung der Sendeleistung bei Reflektion, Beugung, - dasselbe Signal wird mit verschiedenen Phasenlagen empfangen, Interferenz findet statt - Das Signal wird zeitlich gestreut, Interferenz mit Nachbarsymbolen 107
Effekte des Mobilfunkkanals Ursache Mehrwegausbreitung Bewegung Signaldämpfung Abschattung Wirkung Fast Fading Delay Spread (Zeitdispersion) Doppelverschiebung (Frequenzdispersion) Pfadverlust Slow Fading Bedeutung Stark schwankender Empfangspegel über die Entfernung Empfangssignal setzt sich aus vielen unterschiedlich verzögerten Komponenten zusammen Änderung der Entfernung zwischen Sender und Empfänger führt zu einer Änderung der Phasenlage des Empfangssignals Veränderung der Ausbreitungsbedingungen von Wellen bei Nebel oder Regen in Abhängigkeit der Frequenz langsame Schwankungen des Mittelwertes des Pegelverlaufs 108