Post on 05-Apr-2015
Seminarbeitrag
Drahtlose Kommunikation
für den Einsatz im Ubiquitous Computing
Arndt Buschmann
WS 2001/2002
Seminarbeitrag „Drahtlose Kommunikation“ Folie: 2
Drahtlose Kommunikation
1. Überblick
2. Drahtlose Telekommunikationssysteme
3. Bluetooth
Seminarbeitrag „Drahtlose Kommunikation“ Folie: 3
Ubiquitous Computing
Allgegenwärtigkeit von Informationsverarbeitung
jederzeitige Zugriff auf Informationen von beliebiger Stelle Verschwinden bzw. Einbetten von IT-Komponenten in
Gebrauchsgegenstände Verwendung des Begriffs Pervasive Computing im
ähnlichen Zusammenhang
Drahtlose Kommunikation hat bedeutende Stellung mobile vernetzte Systeme möglich keine Kabel nötig
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Drahtlose Kommunikation
Mobilfunknetze haben in den vergangenen Jahren einen großen Aufschwung erlebt bereits mehr Mobilfunkanschlüsse als Festnetzanschlüsse
vorhanden im Vordergrund steht jedoch weiterhin die mobile Telefonie Ubiquitous Computing findet in rudimentärer Weise bereits
heute statt (WAP – Wireless Application Protocol)
weitere Nutzung drahtloser Netze: Vernetzung historischer Gebäude schneller Aufbau von Netzen weniger anfällig gegenüber Katastrophen, wie Erdbeben
und Feuer
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Eigenschaften und Probleme drahtloser Netze
Infrastrukturnetze Ad-hoc-Netzwerke drahtlose Netze festverdrahtete Netze
niedrigere Übertragungsrate begrenztes Frequenzspektrum, oftmals nationale
Restriktionen mehr Interferenzen, ausgelöst durch Motoren,
Mikrowellengeräte, etc. Störungen sind weder ortsfest noch zeitabhängig Sicherheit Endgeräte bieten nur eingeschränkte Rechenleistung
aufgrund ihrer Größe und Batterieleistung zum Teil neue Übertragungsprotokolle nötig Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf Mensch
und Natur?
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Anforderungen an die Kommunikationstechnologien
Anforderungen an die Anwendungen Übertragungsrate, Rechenleistung der Endgeräte,
Robustheit und Sicherheit bei z.B. Bankgeschäften steht Sicherheit im Vordergrund Videokonferenzen erfordern hohe Übertragungsrate und
geringe bzw. konstante Übertragungsverzögerungen
Anforderungen an die Kommunikationskomponenten kleine, leichte und preisgünstige Endgeräte Infrastruktur sollte einfach, günstig, leicht erweiterbar sein
und sich in die Umgebung einfügen weltweiter Einsatz erfordert Standardisierung
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Überblick Kommunikationstechnologien
Satellitenfunk (große Reichweite) GEO (Geostationery Earth Orbit) in 36000 km Höhe MEO (Medium Earth Orbit) in 6000 - 20000 km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in 700 – 2000 km Höhe
hohe Signallaufzeiten, jedoch auch hohe Datenraten möglich geplante bzw. existierende Systeme:
IRIDIUM GLOBALSTAR ICO
Unternehmen konnten nur wenig Kunden gewinnen, stehen teilweise bereits vor dem wirtschaftlichen Bankrott
Drahtlose Telekommunikationssysteme (mittlere Reichweite) GSM, GPRS, HSCSD, EDGE, UMTS
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Überblick Kommunikationstechnologien
Drahtlose lokale Netze (kleine Reichweite) IEEE 802.11 (wireless LAN, WLAN)
verbreiteter Standard, Datenrate 1–2 Mbit/s spezifiziert Bitübertragungsschicht und Medienzugriff, ähnlich
CSMA/CD, Token Ring und Token Bus als phy. Medien werden Infrarot- und Funkübertragung genutzt Erweiterungen 802.11a und 802.11b bieten höhere Datenraten
IrDA (Infrared Data Association) Infrarotstandard, Datenrate bis 4 Mbit/s oft in Mobilrechnern genutzt anfällig gegenüber Interferenzen
DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) Standard für das schnurlose Telefon Übertragung von Sprache und Daten in räumlich begrenzten
Gebieten IEEE WPAN (Wireless Personal Area Networks) unter IEEE
802.15, Bluetooth
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Drahtlose Telekommunikationssysteme
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GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme
GSM (Global System for Mobile Communications) ursprünglich paneuropäischer Standard, heute in 135
Länder übernommen unterstützt Roaming, eine europaweite Nutung der mobilen
Endgeräte nutzt Funkübertragung mit Frequenzen um 900, 1800 und
1900 MHz Sprach- und Datendienste bis 9600 kbit/s Zugangskontrolle durch Chipkarten verschiedene Verschlüsselungsverfahren auf der
Funkstrecke Nutzung einer Zellstruktur, um das Einzugsgebiet eines
Anbieters einzuteilen (zwischen 100 m und 35 km Ø je Zelle)
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Die GSM – Systemkomponenten
BSS – Base Station SubsystemBSC – Base Station ControllerBTS – Base Transceiver StationMS – Mobile Station
MSC – Mobile Switching CenterHLR – Home Location RegisterVLR – Visitor Location RegisterGMSC – Gateway MSC
Festnetz
BSC
BSC
MSC MSC
GMSC
VLR
HLR
VLR
MSMS
BSS
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Das GSM - Protokoll
Zugriff auf die Luftschnittstelle Frequenzmultiplexverfahren (FDMA – Frequency Division
Multiple Access) senden (uplink) auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen 890
und 915 MHz empfangen (downlink) auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen
935 und 960 MHz Zeitmultiplexverfahren (TDMA – Time Division Multiple
Access) Rahmen von 5 ms Länge mit 8 Zeitschlitzen
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Erweiterungen HSCSD, GPRS und EDGE
ermöglichen höhere Datenraten auch 2,5G-Systeme, GSM UMTS
Bezeichnung HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)
GPRS(General Packet Radio Service)
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)
Technik zusammenfassen mehrerer GSM-Zeitschlitze
paketorientierte Datenübertragung
QPSK-Modulation mit GSM-Frequenzen
Probleme Blockierung der Kanäle, neue End- geräte
neue BTS und Endgeräte
enorme Investitionen (Infrastruktur u.a.)
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UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
weltweit einheitliches Mobilfunknetz mit Bezeichnung IMT-2000
Funkübertragungsverfahren kann an zwei unterschiedliche Netzinfrastrukturen angeschlossen werden (GSM und Ansi41er-Netze)
Frequenzspektrum zwischen 1885-2025 MHz und 2110-2200 MHz
Lizenzvergabe ist den Nationalstaaten überlassen Versteigerung der Lizenzen in Deutschland für knapp 100
Milliarden DM T-Mobil, Viag Interkom, Mannesmann Mobilfunk, Group 3G,
E-Plus je ca. 17 Milliarden DM Versorgungspflicht der Anbieter: bis 2003 25% und bis
2005 50% der Bevölkerung
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UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Datenübertragung und Sicherheit Verwendung von WCDMA (Wideband Code Division Multiple
Access) alle Teilnehmer verwenden gleichen breitbandigen Kanal individuell zugeteilter Code trennt die Daten auf dem
Medium hohe Bandbreitenbeanspruchungen gleichen sich mit
niedrigeren aus; Zellatmung Handover in klassische GSM-Netz möglich Datendurchsätze von bis zu 2 MBit/s
abhängig von Geschwindigkeit des Empfängers hohe Geschwindigkeit (<500 km/h) 144 kbit/s mittlere Geschwindigkeit (<120 km/h) 384 kbit/s niedrige Geschwindigkeit (<10 m/s) 2 Mbit/s
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Fazit: Drahtlose Telekommunikationssysteme
neue drahtlose Telekommunikationssysteme verwenden Paketvermittlung anstatt der traditionellen Leitungsvermittlung bessere Ausnutzung der Kapazitäten durch Datendienste
verbesserte Abhörsicherheit, flexible Dienstauswahl, weltweite Verfügbarkeit und höherer Datendurchsatz erfüllt Anforderungen des Ubiquitous Computing mit neuen Anwendungen
Videokonferenzen, „Surfen“ im Internet, Spiele usw. werden möglich
Endgeräte noch nicht verfügbar, mit ersten Systemen ist Ende 2002 zu rechnen
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Bluetooth
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Bluetooth
nicht lizenzpflichtiges Funkverfahren drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten (Drucker,
Notebooks, PDAs) an stationäre Rechner Entwicklung durch die Bluetooth SIG (Bluetooth Special
Interest Group) Gründung 1998 durch Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba späterer Beitritt von Microsoft, Motorola, Lucent
Technologies und 3Com Ziele des Konsortiums:
möglichst preisgünstiger Chip Ablösung des Infrarotstandards
keine optische Verbindung nötig höhere Übertragungsreichweiten Punkt-zu-Mehrpunkt Verbindungen
soll in den IEEE 802.15 Standard übernommen werden
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Technik und Datenübertragung
Nutzung des Industrial-, Scientific- und Medical-Frequenzband (zwischen 2,402 – 2,48 GHz)
Zeitmultiplexverfahren mit Frequency Hopping Verwendung von 32 der 79 1 MHz Kanäle (bis 1600 Hops/s) Reduzierung der Auswirkungen von Interferenzen durch
802.11b LANs, Babyfon, schnurlose Telefone Reichweite bei einer Leistung von 100mW bis zu 10m Datenübertragung:
Asymmetrische und symmetrische Daten- und Sprachübertragung möglich
Downlink 57,6 kbit/s und Uplink 721 kbit/s
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Netzwerkstruktur
Ad-hoc-Netzwerk (2-8 Geräte bilden ein Piconetz) Master steuert das Frequenzhopping, Slaves
synchronisieren sich auf den Master jedes Gerät besitzt 3-bit Adresse mehrere Piconetze können zu einem Scatternet verbunden
werden
Pikonetze
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Stromsparmodi und Sicherheit
verschiedene Energiesparmodi um möglichst lang von ext. Stromzufuhr unabhängig zu sein: Sleep/Park Modus mit einem Verbrauch von 30 µA Hold Modus mit einem Verbrauch von 60 µA Sniff/Bereitschaftsmodus mit einem Verbrauch von 300 µA Sende/Empfangsmodus mit einem Verbrauch von 3-30 mA
Sicherheit auf MAC-Schicht Authentifizierungs- und Verschlüsselungs-
routinen Authentifizierung durch Public-Key-Verfahren Stromchiffre zur Verschlüsselung weitere Verschlüsselungsmaßnahmen auf höheren
Schichten möglich
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Fazit: Bluetooth
viel versprechende Technik ermöglicht Anbindung an andere Netze u.a. UMTS-Geräte keine Sichtverbindung nötig transparente
Datenübertragung „im Hintergrund“ bessere Verschlüsselungsmethoden als IEEE 802.11 preiswerte Chips, niedriger Energieverbrauch und breite
Unterstützung der Hersteller erste Geräte sind bereits verfügbar
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Quellen
M. Satyanarayanan, Pervasive Computing: Vision and Challenge, IEEE Personal Communications, August 2001
Jürgen Göbel, Kommunikationstechnik, Hüthig 1999
UMTS-Forum, http://www.umts-forum.org
Bluetooth SIG, Specification of the Bluetooth System, 22. Februar 2001
Jochen Schiller, Mobilkommunikation – Techniken für das allgegenwärtige Internet, Addison Wesley 2000