prof. dr.-ing. jochen schiller, ss051.1 mobilkommunikation sommersemester 2005 fu berlin informatik...

Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.1

MobilkommunikationSommersemester 2005

FU Berlin

Informatik

Technische Informatik & Telematik

Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller

http://www.jochenschiller.de/

[email protected]


Übersicht über die Vorlesung

Einführung Einsatzszenarien Begriffsdefinitionen Herausforderungen

Technische Grundlagen Wellenausbreitung, Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Sender/Empfänger, Modulation

Medienzugriff SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Kollisionsvermeidung, Polling

Drahtlose Telekommunikationssysteme

GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000

Satellitensysteme GEO, LEO, MEO, routing, handover

Broadcast-Systeme DAB, DVB

Drahtlose LANs Techniken, Einsatzgebiete IEEE 802.11a/b/g, .15, Bluetooth

Netzwerkprotokolle Mobile IP Ad-hoc Netze Wegwahl

Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität

Mobilitätsunterstützung Dateisysteme, WWW, WAP, i-

mode, J2ME, … Ausblick


Kapitel 1: Einführung

Mobilität und ihre Auswirkungen – viele Aspekte Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf


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 etc. („Overlaynetzwerke“)


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


Anwendungen I

Fahrzeuge 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, ICE) können vorab in eine

Werkstatt übermittelt werden, dann schnellere Reparatur

Notfälle Übermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung,

aktueller Stand der Behandlung, Diagnose Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten


Typische Anwendung: Straßenverkehr

ad ho

cUMTS, WLAN,DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA, ...

Personal Travel Assistant,PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...


Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected

UMTS2 Mbit/s

UMTS, GSM384 kbit/s

LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s

UMTS, GSM115 kbit/s

GSM 115 kbit/s,WLAN 11 Mbit/s

GSM/GPRS 53 kbit/sBluetooth 500 kbit/s

GSM/EDGE 384 kbit/s,DSL/WLAN 3Mbit/s

DSL/WLAN3 Mbit/s


Anwendungen II

Handelsvertreter direkter Zugriff auf Kundendaten in der Zentrale konsistente Datenhaltung über alle Mitarbeiter mobiles Büro

Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.B. Wetter, Flusspegel Flexibilität bei Messeständen Vernetzung historischer Gebäude

Freizeit, Unterhaltung, Information Internet-Anschluss im Grünen tragbarer Reiseführer mit

aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für

Mehrbenutzerspiele

HistoryInfo


Ortsabhängige Dienste

Umgebungsbewusstsein welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der

lokalen Umgebung

Nachfolgedienste automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten

Arbeitsoberfläche an den aktuellen Aufenthaltsort

Informationsdienste „push“: z.B. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt „pull“: z.B. wo finde ich Pizza mit Thunfisch

Nachfolgen der Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. „folgt“ dem

mobilen Endgerät durch das Festnetz

Privatheit wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen


Mobile Endgeräte

L e i s t u n gL e i s t u n g

Pager• nur Empfang• sehr kleine Anzeigen• einfache Textnachrichten

Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Grafikanzeigen

PDA/Smartphone• Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• vereinfachtes WWW

Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen der Standardprogramme

Laptop/Notebook• voll funktionsfähig• Standardanwendungen

Sensoren,embeddedsystems

www.scatterweb.net


Auswirkungen der Endgeräteportabilität

Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere

Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f

C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden

Datenverlust 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 or ? als Alternative


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 gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können

vorgetäuscht werden

Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig


Erfindungen und Entdeckungen

Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Heliographen, 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)


Geschichte der drahtlosen Kommunikation I

1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen

Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe

Sendeleistungen benötigt (> 200kW)

1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen

(30 100m hohe Antennenmasten)

1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco

1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi Reflexion an der Ionosphäre 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


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


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, ~100-500m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s

Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere 10000 Nutzer/km2, 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, ...


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

Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon


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 (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in

Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan


Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick

Mobiltelefone Satelliten drahtlose LAN

schnurloseTelefone

1992:GSM

1994:DCS 1800

2001:IMT-2000

1987:CT1+

1982:Inmarsat-A

1992:Inmarsat-BInmarsat-M

1998:Iridium

1989:CT 2

1991:DECT 199x:

proprietary

1997:IEEE 802.11

1999:802.11b, Bluetooth

1988:Inmarsat-C

analog

digital

1991:D-AMPS

1991:CDMA

1981:NMT 450

1986:NMT 900

1980:CT0

1984:CT1

1983:AMPS

1993:PDC

4G – Vierte Generation: wann und wie?

2000:GPRS

2000:IEEE 802.11a

200?:Vierte Generation(Internet basiert)


Grundlage: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000

M.687-2 IMT-2000 Konzepte und Ziele

M.816-1 Rahmenwerk für Dienste

M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur

M.818-1 Satelliten in IMT-2000

M.819-2 IMT-2000 für Entwicklungsländer

M.1034-1 Anforderungen an die

Luftschnittstellen

M.1035 Rahmenwerk für Luftschnittstellen

und Funktionen

M.1036 Frequenzspektrum

M.1078 Sicherheit in IMT-2000

M.1079 Sprache/Daten im Sprachband

M.1167 Rahmenwerk für Satelliten

M.1168 Rahmenwerk für das Management

M.1223 Evaluation von Sicherheitsmechanismen

M.1224 Vokabular für IMT-2000

M.1225 Evaluation der Übertragungstechniken

http://www.itu.int/imt


Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998)

0

100

200

300

400

500

600

700

1996 1997 1998 1999 2000 2001

Amerika

Europa

Japan

andere

total


Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999

0 10 20 30 40 50 60

Finnland

Schweden

Norwegen

Dänemark

Italien

Luxemburg

Portugal

Österreich

Irland

Schweiz

Großbritannien

Niederlande

Frankreich

Belgien

Spanien

Griechenland

Deutschland

2005: 70-90% Durchdringung in Westeuropa


Weltweites Teilnehmerwachstum

Ab 2000 flacht die Kurve ab – 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer

0

200

400

600

800

1000

1200

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Te

iln

eh

me

r [M

illi

on

en

]


Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002)

Asien/Pazifik; 36,9

Europa; 36,4

Amerika22

Afrika; 3,1

Mittlerer Osten; 1,6

2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert


Einige Statistikwerte (09/2002 / 12/2004)

Total Global Mobile Users 869M / 1.52TTotal Analogue Users 71M / 34MTotal US Mobile users 145M / 140M Total Global GSM users 680M / 1.25T Total Global CDMA Users 127M / 202M Total TDMA users 84M / 120M Total European users 283M / 343M Total African users 18.5M / 53M Total 3G users 130M / 130M(?) Total South African users 13.2M / 19M European Prepaid Penetration 63% European Mobile Penetration 70.2% Global Phone Shipments 2001 393M Global Phone Sales 2Q02 96.7M

http://www.cellular.co.za/stats/stats-main.htm

#1 Mobile Country China (139M / 300M) #1 GSM Country China (99M) #1 SMS Country Philipines #1 Handset Vendor 2Q02 Nokia (37.2%) #1 Network In Africa Vodacom (6.6M) #1 Network In Asia Unicom (153M)#1 Network In Japan DoCoMo #1 Network In Europe T-Mobile (22M / 28M) #1 In Infrastructure Ericsson SMS Sent Globally 1Q02 60T / 135TSMS sent in UK 6/02 1.3T / 2.1TSMS sent Germany 1Q02 5.7T GSM Countries on Air 171 / 210GSM Association members 574 / 839Total Cost of 3G Licenses in Europe 110T€ SMS/month/user 36

Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc.


Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation

Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) Modulation, Codierung Medienzugriff ...

Mobilität Ortsabhängige Dienste Transparenz des Aufenthaltsorts Dienstgüteunterstützung ...

Portabilität Leistungsaufnahme eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ... Handhabbarkeit ...


Vereinfachtes Referenzmodell

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Medium

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

Funk


Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell

Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl,

Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen

Anwendungsschicht

Transportschicht

Netzwerkschicht

Sicherungsschicht

Bitübertragungsschicht


Kapitelübersicht

Kapitel 2: Technische Grundlagen

Kapitel 3: Medienzugriff

Kapitel 4: Telekommunikations-

systeme

Kapitel 5: Satelliten Systeme

Kapitel 6: Broadcast Systeme

Kapitel 7: Drahtlose

LANs

Kapitel 8: Netzwerkprotokolle

Kapitel 9: Transportprotokolle

Kapitel 10: Mobilitätsunterstützung


Overlay-Netzwerke – das globale Ziel

Regionalnetze

Stadtnetze

Campusnetze

Gebäudenetze

VertikalerHandover

HorizontalerHandover

Integration heterogener Fest- undMobilnetze mit stark variierendenÜbertragungscharakteristika

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