Drahtlose KommunikationEinführung

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“ Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen

Geschichte der drahtlosen KommunikationVereinfachtes ReferenzmodellVorlesungsübersicht

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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?

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Topic of “Wireless Communication”

This lecture is about basic architecture and protocol mechanisms Attempts to give an overview of many 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 quicklyIt is NOT (or very little) about the electrical engineering aspects of wireless

communication Though some fundamentals are introduced were necessary; the course is

in this sense self-contained

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Drahtlose Kommunikation aus Informatik-Sicht

Informatik als Bindeglied zwischen Elektrotechnik/Physik und den Endanwendungen Dazwischen liegt der „Protokollstapel“ mit einer großen Facette an

Informatik-ProblemenSystemnahes 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 Vorlesung „Lokale Netzstrukturen“ Die Vorlesung „Lokale Netzstrukturen“ befasst sich mit algorithmischen

und graphtheoretischen Fragen zu lokal organisierten Netzen Ein großer Teil davon sind algorithmischen Fragen zu drahtlosen

(multihop) Netzen

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The world gets wireless: Moore’s Law

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The world gets wireless: Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale

one mainframe for many desktop PC for one many devices for one

Size Number

WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Computer für die nächsten Jahrzehnte?

Computer sind integriert klein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit

erkennbarTechnik 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 …

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Are we facing an important problem? Yes: today already …

Largest networked systemLargest number of subscribersMobile devices dominate the InternetMobile applications dominate Internet

usageTechnology fully integrated into everybody's life almost 24/7, almost anywhere

And the future?

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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 Smart-Phone

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 und weiteres

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Drahtlose Netztypen

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Infrastrukturbasiert

Infrastrukturlos(ad-hoc)

Infrastrukturknoten(Basisstation)

mobiles/drahtloses Gerät

Singlehop

Multihop

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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 vergebenNiedrigere Übertragungsraten

lokal einige Mbit/s, regional z.B. 53kbit/s mit GSM/GPRSHöhere 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 werdenStets geteiltes Medium

sichere Zugriffsverfahren wichtig

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Mobile Endgeräte

L e i s t u n g

Pager• nur Empfang• sehr kleine Anzeigen

• einfache Textnachrichten

Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Grafikanzeigen

PDA/Smartphone• Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• WWW

Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen

der Standardprogramme

Laptop/Notebook• voll funktionsfähig• Standardanwendungen

Sensoren,embeddedsystems

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Auswirkungen der Endgeräteportabilität

Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere

sekundäre Speicher durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ V2f

V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt (Grenzen aufgrund von Leckströmen)

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 als Alternative

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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 für Broadcast-Dienste (z.B. TV, Radio)

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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, 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

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Typische Anwendung: Straßenverkehr

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

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

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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

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Wireless sensor networks

Small embedded devices; no specific owner

Equipped with sensors

With wireless communication capabilities

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Ortsabhängige Dienste

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

lokalen UmgebungNachfolgedienste

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

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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 …

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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)

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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 Francisco1920 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

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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 Roaming1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone

System, analog)1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone

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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%

Flächendeckung1991 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, ...

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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

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

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

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

History of wireless communication VI

2002 WLAN hot-spots start to spread

2003 UMTS starts in Germany Start of DVB-T in Germany replacing analog TV

2005 WiMax starts as DSL alternative (not mobile) first ZigBee products

2006 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

2007 over 3.3 billion subscribers for mobile phones (NOT 3 bn people!)

2008 “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

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Mobilfunksysteme: Entwicklung im ÜberblickMobiltelefone Satelliten drahtlose

LANschnurloseTelefone

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

2000:GPRS

2000:IEEE 802.11a

Heutzutage:Vierte Generation(Internet basiert)

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Vereinfachtes Referenzmodell

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Medium

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

Funk

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

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

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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Kapitelübersicht

Technische Grundlagen

Medienzugriffskontrolle

Telekommunikations-systeme

Ad-hoc undSensornetze

DrahtloseLANs

Netzwerkprotokolle

Transportprotokolle

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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

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Zusammenfassung und Literatur

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Zusammenfassung

Drahtlose Kommunikation ist ein äußerst wichtiger Bausteinin 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

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Literatur

[Schiller2003] Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 20031. Einführung

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