Mobilkommunikation - inf.fu-berlin.de · 8 9 Notebook im Hotel 9 8 Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden 99Personal Digital Assistants (PDA) Der Wunsch nach mobiler Datenkommunikation

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

MobilkommunikationSommersemester 2005

FU BerlinInformatik

Technische Informatik & Telematik

Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller

http://www.jochenschiller.de/[email protected]


Übersicht über die Vorlesung

EinführungEinsatzszenarienBegriffsdefinitionenHerausforderungen

Technische GrundlagenWellenausbreitung, FrequenzenSignale, Dämpfung, AntennenSender/Empfänger, Modulation

MedienzugriffSDMA, TDMA, CDMA, FDMACSMA/CA, Aloha mit VariantenKollisionsvermeidung, Polling

Drahtlose Telekommunikationssysteme

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

SatellitensystemeGEO, LEO, MEO, routing, handover

Broadcast-SystemeDAB, DVB

Drahtlose LANsTechniken, EinsatzgebieteIEEE 802.11a/b/g, .15, Bluetooth

NetzwerkprotokolleMobile IPAd-hoc NetzeWegwahl

Transportprotokolle/Mobile TCPzuverlässiger DatentransportFlusssteuerungDienstqualität

MobilitätsunterstützungDateisysteme, WWW, WAP, i-mode, J2ME, …

Ausblick


Kapitel 1: Einführung

Mobilität und ihre Auswirkungen – viele AspekteGeschichte der MobilkommunikationTeilnehmerzahlenForschungsbedarf


Computer für die nächsten Jahrzehnte?

Computer sind integriertklein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit erkennbar

Technik tritt in den HintergrundComputer erkennen selbst wo sie sind und passen sich anComputer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z.B. Weiterleiten von Gesprächen, Fax)

Fortschritte in der Technikhöhere Rechenleistung auf kleinerem Raumflache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahmeneue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungenmehr Bandbreite pro Kubikmetervielfältige 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 Beispielestationäre ArbeitsplatzrechnerNotebook im HotelFunk LANs in nicht verkabelten GebäudenPersonal 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-Erweiterungim Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM


Anwendungen I

FahrzeugeEmpfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DABpersönliche Kommunikation über GSMPositionsbestimmung über GPSlokales 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

NotfälleÜbermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung, aktueller Stand der Behandlung, DiagnoseErsatz 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

LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s

UMTS, GSM115 kbit/sGSM/GPRS 53 kbit/s

Bluetooth 500 kbit/s

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

DSL/WLAN3 Mbit/s

UMTS, GSM384 kbit/sGSM 115 kbit/s,

WLAN 11 Mbit/s


Anwendungen II

Handelsvertreterdirekter Zugriff auf Kundendaten in der Zentralekonsistente Datenhaltung über alle Mitarbeitermobiles Büro

Ersatz eines Festnetzesabgeschiedene Messstationen, z.B. Wetter, FlusspegelFlexibilität bei MesseständenVernetzung historischer Gebäude

Freizeit, Unterhaltung, InformationInternet-Anschluss im Grünentragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor OrtAd-hoc Netzwerke fürMehrbenutzerspiele

HistoryInfo


Ortsabhängige Dienste

Umgebungsbewusstseinwelche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung

Nachfolgediensteautomatische 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 UnterstützungsdiensteCaches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. „folgt“ dem mobilen Endgerät durch das Festnetz

Privatheitwer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen


Mobile Endgeräte

PDA/Smartphone• Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• vereinfachtes WWW

Laptop/Notebook• voll funktionsfähig• Standardanwendungen

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

Pager• nur Empfang• sehr kleine

Anzeigen• einfache

Textnachrichten

Sensoren,embeddedsystems

Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Grafikanzeigen

Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen

der Standardprogrammewww.scatterweb.net


Auswirkungen der Endgeräteportabilität

Leistungsaufnahmebegrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte BatterieleistungCPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f

C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringertV: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenktf: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden

Datenverlustmuss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte, Diebstahl)

Stark eingeschränkte BenutzungsschnittstelleKompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeitevtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen

Eingeschränkter SpeicherMassenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbarFlash-Speicher or ? als Alternative


Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen

Höhere Fehlerraten durch InterferenzenEinstrahlung von z.B. Elektromotoren, Blitzschlag

Restriktivere Regulierungen der FrequenzbereicheFrequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben

Niedrigere Übertragungsratenlokal einige Mbit/s, regional derzeit z.B. 53kbit/s mit GSM/GPRS

Höhere Verzögerungen, größere SchwankungenVerbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden

Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive AttackenLuftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden

Stets geteiltes Mediumsichere Zugriffsverfahren wichtig


Erfindungen und Entdeckungen

Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetztHeliographen, Flaggen („Semaphore“), Zeiger150 v.Chr. Rauchsignale zur Kommunikation;von Polybius, Griechenland, berichtet1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe

Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse:

1831 Faraday demonstriert elektromagnetische InduktionJ. 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 Marconierste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!)Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW)

1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungensehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten)

1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi

Reflexion an der Ionosphärekleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben)

1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - BerlinDrähte 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, keinHandover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer

1972 B-Netz in Deutschlandanalog, 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


Geschichte der drahtlosen Kommunikation III

1986 C-Netz in Deutschlandanaloge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstationbis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98% Flächendeckung

1991 Spezifikation des DECT-StandardsDigital European Cordless Telephone (heute: Digital EnhancedCordless 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 GSMin D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzenautomatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in weit über 200 LändernDienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...


Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV

1994 E-Netz in DeutschlandGSM mit 1800MHz, kleinere Zellenals 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/sVorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s)

1997 Wireless LAN - IEEE802.11IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/sviele proprietäre Produkte schon früher

1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000

Iridium66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon


Geschichte der drahtlosen Kommunikation V

1999 Weitere drahtlose LANsIEEE-Standard 802.11b, 2,4 - 2,5GHz, 11Mbit/sBluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/sEntscheidung über IMT-2000

Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma2000, DECT, ...Start von WAP (Wireless Application Protocol)

Erster Anfang der Verschmelzung Internet/MobilkommunikationZugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy

2000 GSM mit höheren ÜbertragungsratenHSCSD bietet bis zu 57,6kbit/sErste 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 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

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.687-2IMT-2000 Konzepte und Ziele

M.816-1Rahmenwerk für Dienste

M.817IMT-2000 Netzwerkarchitektur

M.818-1Satelliten in IMT-2000

M.819-2IMT-2000 für Entwicklungsländer

M.1034-1 Anforderungen an die Luftschnittstellen

M.1035Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen

M.1036Frequenzspektrum

M.1078Sicherheit in IMT-2000

M.1079Sprache/Daten im Sprachband

M.1167Rahmenwerk für Satelliten

M.1168Rahmenwerk für das Management

M.1223Evaluation von Sicherheitsmechanismen

M.1224Vokabular für IMT-2000

M.1225Evaluation der Übertragungstechniken

http://www.itu.int/imt

http://www.iut.int/imt


Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998)

0

100

200

300

400

500

600

700

1996 1997 1998 1999 2000 2001

AmerikaEuropaJapananderetotal


Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999

0 10 20 30 40 50 60

FinnlandSchwedenNorwegenDänemark

ItalienLuxemburg

PortugalÖsterreich

IrlandSchweiz

GroßbritannienNiederlande

FrankreichBelgien

SpanienGriechenlandDeutschland

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

Teiln

ehm

er [M

illio

nen]


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)

#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

Total Global Mobile Users869M / 1.52T

Total Analogue Users 71M / 34MTotal US Mobile users 145M / 140MTotal Global GSM users 680M / 1.25TTotal Global CDMA Users 127M / 202MTotal TDMA users 84M / 120MTotal European users 283M / 343MTotal African users 18.5M / 53MTotal 3G users 130M / 130M(?)Total South African users 13.2M / 19MEuropean 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

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


Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation

Drahtlose KommunikationÜbertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung)Modulation, CodierungMedienzugriff...

MobilitätOrtsabhängige DiensteTransparenz des AufenthaltsortsDienstgüteunterstützung...

PortabilitätLeistungsaufnahmeeingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ...Handhabbarkeit...


Vereinfachtes Referenzmodell

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

MediumFunk


Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell

Dienstelokationneue Anwendungen, Multimediaadaptive AnwendungenStaukontrolle, FlusskontrolleDienstqualitätAdressierung, Wegewahl, EndgerätelokalisierungHandoverAuthentifizierungMedienzugriffMultiplexingMedienzugangskontrolleVerschlüsselungModulationInterferenzenDämpfungFrequenzen

Anwendungsschicht

Transportschicht

Netzwerkschicht

Sicherungsschicht

Bitübertragungsschicht


Kapitelübersicht

Kapitel 2: Technische Grundlagen

Kapitel 3: Medienzugriff

Kapitel 4: Telekommunikations-

systeme

Kapitel 5: SatellitenSysteme

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

Documents

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