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Vorlesung Kommunikationsnetze Wintersemester 2017/18

Prof. Jochen Seitz

Kommunikationsnetze

8. Mobilfunknetze

Einführung Funkkommunikation

Zellulare Systeme

Drahtlose Infrastrukturnetze

Klassifikation von Mobilfunknetzen

Ad-hoc-Netze

Kommunikationsnetze -- 9. Mobilkommunikation (WS 2017/18) 273

Einführung Funkkommunikation

Entfernung

Sender

Übertragung

Erkennung

Interferenz

Übertragungsbereich

Kommunikation möglich

niedrige Fehlerrate

Erkennungsbereich

Signalerkennung möglich

keine Kommunikation möglich

Interferenzbereich

Signal kann nicht detektiert werden

Signal trägt zumHintergrundrauschen bei

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Prof. Jochen Seitz


Signalausbreitung

Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)

Abnahme der Empfangsleistung mit 1/d²(d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)

Beeinflussung der Empfangsleistung durch:

Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)

Abschattung durch Hindernisse

Reflektion an großen Flächen

Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen

Beugung (diffraction) an scharfen Kanten

Reflektion Streuung BeugungAbschattung


Mehrwegeausbreitung

Ursache: Reflektion, Streuung und Beugung

Wirkung: gleichzeitiger Empfang direkter und phasenverschobener

Signalanteile je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal

zeitliche Streuung des Signals (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen

Sendesignal

Empfangssignal

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Prof. Jochen Seitz


Technische Randbedingungen in Mobilfunknetzen

Nutzbares Frequenzspektrum = endliche Ressourcen = hohe (Lizenz-)Kosten

Kapazitätsbegrenzung durch festgelegte Frequenzbänder

Effektive Nutzung mittels Modulation und Codierung

Deshalb:

Sparsamer Umgang mit Frequenzen

Wiederverwendung von Frequenzen (Kanäle) in lokal begrenzten Netzabschnitten (Zellen)


Zellulare Systeme (I)

Klassische Funksysteme

eine Basisstation mit hoher Sendeleistung

Abdeckung eines (sehr) großen Bereichs

meist auch Beibehaltung eines zugewiesenen Funkkanals bei Wechsel des Bereiches

ungenaue Definition der Grenzen solcher Bereiche

Probleme klassischer Funksysteme

Keine oder eingeschränkte Möglichkeit der Wiederverwend-barkeit von Funkkanälen

große Teilnehmerzahlen nicht handhabbar

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Prof. Jochen Seitz


Zellulare Systeme (II)

Problemlösung:

Einteilung des Versorgungsbereiches in Zellen

Versorgung innerhalb einer Zelle durch eine Basisstation

Verwendung unterschiedlicher Funkkanäle in benachbarten Zellen (Vermeidung von Interferenzen)

Wiederverwendung von Kanälen in entfernten Zellen (Raum-MUX)


Zellulare Systeme (III)

Klassisches Funksystem Zellulares Funksystem

f1-3

f3f3

f2

f1f1

f3

f2

f1

f2

f1

f2

f1

f2

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Prof. Jochen Seitz


Öffentliche Mobilfunkdienste und -netze

Mobilfunkdienste verwenden „drahtlose“ Übertragungskanäle als „Anschlussleitung“

Funkkanäle (Funksysteme)

Infrarot (Indoorsysteme)

Ziele der Verwendung leitungsloser Anschlussleitungen

Örtliche Beweglichkeit Teilnehmer-Endgerät

Bypass als Netzzugang

Unterscheidung der Mobilfunknetze in

Infrastrukturnetze

Ad-hoc-Netze


Drahtlose Infrastrukturnetze

Mobiles EndgerätBasisstation

(Access Point)Festnetz

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Prof. Jochen Seitz


Drahtlose Infrastrukturnetze– Aufbau –

Infrastruktur ist VoraussetzungKommunikation zwischen Zugangspunkt (Basisstation, Access Point) und drahtlos angebundenen Endgeräten (Mobilstationen) maximal 1 Hop zum Festnetz (=Access Point)

mehr als 1 Hop zum NachbarnZugang zum Festnetz über BasisstationBasisstationen über Festnetz miteinander verbundenMöglichkeit der Bildung logischer NetzeHinweis: keine Vermittlung im FunkzugangBsp.: GSM-, UMTS-Netz


Drahtlose Infrastrukturnetze– Eigenschaften –

vorausgehende Planung

Bereitstellung von Diensten durch Infrastruktur (z.B. Namensauflösung, Weiterleitung von Daten, Authentifizierung)

keine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten

Komplexität im Zugangspunkt

Endgeräte relativ einfach (bzgl. Netzwerkfunktionen)

Dienstgütegarantien möglich

zentralisierte Verwaltung/Administration

anfällig bei Katastrophenfällen wie Erdbeben, Bränden

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Prof. Jochen Seitz

LTE(Long Term Evolution)


MobilerSatellitenfunk

Übersicht über Mobilfunksysteme

Reichweite

Datenrate

WLAN(Wireless Local Area Network)

indoor regional national kontinental interkontinental

SchnurloseTK-Systeme

Funkrufsysteme

Bündelfunksysteme

2G-Mobilfunksysteme

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)

WPAN(Wireless Personal Area Network)


Klassifikation von Mobilfunknetzen

Öffentliche Mobilfunknetze

1. Generation: A-Netz, B-Netz, C-Netz

2. Generation: GSM

3. Generation: UMTS

4. Generation: LTE-Advanced

5. Generation: ??? (ca. im Jahr 2020)

Wireless Local Area Networks WLAN

IEEE 802.11

Wireless Personal Area Networks WPAN

Bluetooth

IrDA

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Prof. Jochen Seitz


1. Generation I

A-Netz (1958 – 1977):

vorerst als „öffentlich beweglicher Landfunkdienst“

analog

manuelle Vermittlung

max. ca. 11000 Teilnehmer

B-Netz (1972 – 1994):

analog

Selbstwählverbindungen (Vorwahl standortabhängig)

Kein Handover

Begrenztes Roaming

max. ca. 27000 Teilnehmer


1. Generation II

C-Netz (1985 – 2000):

Trennung von Teilnehmeridentität (Magnetkarte, TeleKarte) und Endgerät

Vorwahl ortsunabhängig

Handover

Zusatzdienste wie Rufumleitung, Anrufbeantworter

kein Roaming

(Standard nur in Deutschland, Portugal und Südafrika eingesetzt)

leicht abzuhören (lediglich Sprachverschleierung)

bis zu 850.000 Teilnehmer

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Prof. Jochen Seitz


2. Generation – GSM (seit 1992 in Deutschland)

GSM: Groupe Speciale Mobile

Arbeitsgruppe der CEPT (Conference Europeénedes Administrations des Postes et des Telecommunications)

GSM: Global System for Mobile Communication


GSM-Empfehlung

Ausgangssituation Anfang der 80er Jahre:

Trend zu nationalen und inkompatiblen Funknetzen

hohe Gebühren und Gerätepreise

Beschluss der CEPT zur Entwicklung eines paneuropäischen zellularen Mobilfunknetzes (1982)

noch keine Festlegung digitale Übertragung der Sprache, erst im Verlauf der Entwicklung

festnetzseitig Nutzung von Kenntnissen und Techniken des ISDN

1987: Memorandum of Understanding

Bereitschaftserklärung von 13 Staaten zur Einführung Mobilfunk nach GSM-Standard

Hohe Komplexität des Digitalnetzes

8000 Seiten Standard

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Prof. Jochen Seitz


Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung I

Frequenzband

GSM 900

935-960 MHz Downlink

890-915 MHz Uplink DCS 1800

1805-1880 MHz Downlink 1710-1785 MHz Uplink

PCS 1900 1930-1990 MHz Downlink 1850-1910 MHz Uplink

Multiplexverfahren Kanalabstand 200 kHz ermöglicht 124 Kanäle

(Funkschnittstelle: FDM)

Je FDM-Kanal TDM von 8 Nutzkanälen


Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung II

Handover incl. Aufrechterhaltung Verbindung(squalität) bei Wechsel der

Feststation (Zelle)

Lenkung der Verkehrsverteilung

Recovery-Prozeduren bei Fehlschlag

Leistungsregelung 30 dB in 2-dB-Schritten Stromeinsparung am Endgerät

Verminderung von Interferenzen

Diskontinuierliche Übertragung Erkennung der Sprachaktivität

Einsparung von Energie

geringere Störungen durch Interferenz

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Prof. Jochen Seitz


GSM: Überblick

Festnetz

BSC

BSC

MSC MSC

GMSC

OMC,EIR, AUC

VLR

HLR

NSSmit OSS

RSS

VLR

BTS

BTS

BTS

BTS

BTS

AUC Authentication CentreBSC Base Station ControllerBTS Base Transceiver StationEIR Equipment Identity RegisterGMSC Gateway MSCHLR Home Location RegisterMSC Mobile (services) Switching CentreNSS Network Switching SubsystemOMC Operation and Maintenance CentreOSS Operation Support SubsystemRSS Radio SubsystemVLR Visitor Location Register


Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)

Zeitbereich

GSM-TDMA-Rahmen

GSM-Zeitschlitz

4,615 ms

546,5 µs577 µs

3

935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung

890-915 MHz

Höhere GSM-Rahmenstrukturen

124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung

1 2 3 4 5 6 7 8

Schutz-zeit

Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten TailSchutz-

zeit

3 bit57 1 26 1 57

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Prof. Jochen Seitz


GPRS

General Packet Radio Service

basiert auf existierenden GSM-Netzen

zu Grunde liegendes Netz ist leitungsvermittelt

skalierbare Bitraten durch Bündelung von bis zu 8 Zeitschlitzen(ein gesamter Funkkanal) Paketvermittlung

erreichbare Bitraten bis ca. 170 kbit/s

Erweiterung des GSM-Netzes um

Gateway GPRS Support Node (GGSN)

Gateway zu anderen Paketnetzen

Umsetzung Paketnetzadressen in IMSI-Adressen

(IMSI = International Mobile Subscriber Identity)

Serving GPRS Support Node (SGSN)

funktionelle Unterstützung der Mobilstationen

Abfrage der Adressen von Gruppenrufen

GPRS Register (GR)

GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR


GPRS – Architektur und Schnittstellen

MS BSS GGSNSGSN

MSC

Um

EIR

HLR/GR

VLR

PDN

Gb Gn Gi

SGSN

Gn

BSS Base Station SubsystemMS Mobile StationPDN Public Data Network

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Prof. Jochen Seitz


3. Generation – UMTS (seit 2004 in Deutschland)

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System

Zielstellung: Dienste des ISDN

GSM-Dienste

standortbezogene Dienste, E-Commerce, Internet, …

Datenkommunikation leitungsvermittelt und paketvermittelt (max. 384 kbit/s)

Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren (TDMA, FDMA, CDMA, hybrid)

Weltweites Roaming in den Frequenzbändern 850, 900, 1900 und 2100 MHz


UMTS - Architektur

BTS

Node B

BSC

Abis

BTS

BSS

MSC

NodeB

Node B

RNC

Iub

NodeBRNS

NodeBSGSN GGSN

GMSC

HLR

VLR

IuPS

IuCS

Iu

CN

EIR

GnGp

C

PSTN

GcGr

Gf

D

B

F

Node B BasisstationCN Core NetworkPSTN Public Switched Telephone NetworkRNC Radio Network ControllerRNS Radio Network Subsystem

PDN

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Prof. Jochen Seitz

HSPA/HSPA+


HSPA: High Speed Packet Access

Erweiterung des UMTS-Standards

Datenraten Download

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) max. 337,5 Mbit/s

am Markt typischerweise max. 42 Mbit/s

Datenraten Upload

HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) max. 23 Mbit/s

am Markt typischerweise max. 5,76 Mbit/s

LTE (seit 2010 in Deutschland)


LTE: Long Term Evolution

Generation 3.9

Nutzung unterschiedlicher Frequenzbänder weltweit (Westeuropa, Mittlerer Osten, Afrika: 800, 1800 und 2600 MHz)

Unterstützung verschiedener Bandbreiten (1,4; 3; 5; 15 und 20 MHZ)

Nutzung der Mehrantennentechnik (MIMO – Multiple Input Multiple Output)

Downloadrate max. 300Mbit/s

Uploadrate max. 75 Mbit/s

Einsatz von SON-Techniken (SON = SelbstOrganisierendesNetzwerk)

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Prof. Jochen Seitz

4. Generation – LTE-Advanced(seit 2010 in Deutschland)


abwärtskombatibel zu LTE

verbessertes MIMO

Unterstützung von Relay Nodes

Unterstützung verschiedener Bandbreiten (20 – 100 MHZ)

Downloadrate max. 1000 Mbit/s

Uploadrate max. 500 Mbit/s

Die Architektur von LTE


eNodeB

MME(HSS)

eNodeB

EUTRAN

eNodeB

UE

UE

UE

UE

PCRF

S-GW PDN-GW

EPC

eNode B BasisstationEPC Evolved Packet CoreEUTRAN Evolved UMTS Terrestrial

Radio Access NetworkMME Management Mobility EntityPCRF Policy and Charging Rules

FunctionPDN-GW Packet Data Network GatewayS-GW Serving GatewayUE User Equipment

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Prof. Jochen Seitz


Ad-hoc-Netze

Aufbau:

„ ... a collection of wireless nodes, all of whichmay be mobile, dynamically create a wirelessnetwork among themselves without using anysuch infrastructure or administrative support.“

IEEE Feb. 2001 S.142


Ad-hoc-Netze– Funktionsweise –

A

FE

D

CB

G H

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Prof. Jochen Seitz


Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (I)

keine Infrastruktur nötig

keine vorausgehende Planung nötig

dezentrales Netzmanagement

self-creating

self-organizing self-administering

Unterstützung der dynamischen Änderung der Topologie

Unterstützung von Multihop-Verbindungen

selbständige Aufnahme/Abmeldung von Stationen

Endgeräte ggf. auch als Router

Möglichkeit der direkten Kommunikation zwischen Endgeräten

selbständige Routenwahl

hohe Komplexität der Endgeräte

unanfällig gegenüber Katastrophen

immer und überall


Eigenschaften vonAd-hoc-Netzen (II)

Einsatzgebiete: spontanen Treffen Kommunikation fernab jeglicher Infrastruktur (z.B.

Militäreinsätze) schneller Ersatz bei zerstörter Infrastruktur ...

offene Fragen: Zugang zu anderen Netzen Zugang zu Diensten (Authentifizierung, Verwaltung etc.) Dienstgütebereitstellung

durch folgende Spezifikationen unterstützt: WLAN (Wireless Local Area Network) (IEEE 802.11) HIPERLAN 1, 2 (ETSI-Standard) Bluetooth

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Prof. Jochen Seitz


Infrastruktur- vs. Ad-hoc-Netze

Ad-hoc-Netze(bzw. infrastrukturlose Netze)

IEEE 802.11(WLAN) Bluetooth

Infrastrukturnetze

GSM

UMTS

GPRS

LTE/LTE-Advanced

...

Drahtlose Netze


IEEE-Standard 802.11 für Wireless Local Area Networks

Mobiles Endgerät(Mobile terminal)

Zugangspunkt (Access point)

Server

Festes Endgerät(Fixed terminal)

Anwendung

TCP

802.11 PHY

802.11 MAC

IP

802.3 MAC

802.3 PHY

Anwendung

TCP

802.3 PHY

802.3 MAC

IP

802.11 MAC

802.11 PHY

Infrastrukturnetz

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Prof. Jochen Seitz


WLAN-Standards im Vergleich

IEEE-Standard 802.11

Frequenz-band

Kanalbandbreite in MHz

Antennenmax. Datenrate

(brutto)

max. Datenrate (netto; nur für

nicht proprietäre)

- 2,4 GHz Single 2 Mbit/s

a 5 GHz 20

40*

Single 54 Mbit/s

108 Mbit/s*

20-22 Mbit/s

b 2,4 GHz 22

40*, 80*

Single 11 Mbit/s

44 Mbit/s*

5-6 Mbit/s

g 2,4 GHz 20

40*

Single 54 Mbit/s

125 Mbit/s*

20-22 Mbit/s

n 2,4 GHz, 5 GHZ

20, 40 Single, MIMO 600 Mbit/s 240 Mbit/s

ac 5 GHz 80, 160 MIMO 6,9 Gbit/s 3,5 Gbit/s

ad 60 GHz 2000 Single 6,7 Gbit/s ?

* proprietäre Variante


Distribution System

Portal

802.x LAN

AccessPoint

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

AccessPoint

Drahtloses Infrastrukturnetz –Beispiel WLAN

Station (STA) Netzwerkknoten mit Zugriffsfunktion

auf das drahtlose Medium und Funk-kontakt zum Access Point

Basic Service Set (BSS) Gruppe von Stations, die dieselbe

Funkfrequenz nutzen

Access Point Station, die sowohl in das Funk-LAN

als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist

Portal Übergang in ein anderes Festnetz

Distribution System Verbindung verschiedener BSS, um

ein Netz (ESS: Extended Service Set) zu bilden

STA1

STA2 STA3

ESS

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Prof. Jochen Seitz


Ad-hoc-Netzwerk – Beispiel WLAN

Direkte Kommunikation begrenzt durch Funkreichweite

Station (STA): Netzwerkknoten mit

Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium

Basic Service Set(BSS): Gruppe von Stations,

die dieselbe Funk-frequenz nutzen

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3


Zugriffsverfahren für WLAN

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)

Konkurrierender Medienzugriff

RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)

Koordinierung zwischen zwei Kommunikations-partnern zur Vermeidung des Hidden-Node-Problems

PCF (Point Coordination Function)

Möglichkeit der Zuweisung von Übertragungs-kapazität über einen zentralen Punkt

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Prof. Jochen Seitz


CSMA/CA

Quelle:SEITZ, J.; DEBES, M.; HEUBACH, M.; TOSSE, R.: Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle – Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007. – ISBN 3-446-22979-5


Bluetooth

Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba, …- viele Mitglieder

Anwendungen

Anbindung von Peripheriegeräten

Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer usw.

Unterstützung von Ad-hoc-Netzwerken

kleine, billige Geräte

Verbindung von Netzwerken

beispielweise GSM über Handy - Bluetooth - Laptop

einfacher, billiger Ersatz für IrDA

eingeschränkte Reichweite

relativ niedrige Datenraten

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Prof. Jochen Seitz


Bluetooth – Begriffe Master

koordiniert zentral die Kommunikation im PiconetzSlave

alle anderen Geräte im Piconetz, die sich mit dem Master einen Kanal teilen

Piconetz

Ansammlung von zwei bis acht aktiven Geräten, die sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves)

AM-Adresse (active member)

3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Piconetz

Bluetooth –Luftschnittstelle

ISM-Band: 2,402 – 2,48 GHz

Weltweit lizenzfrei verwendbar

Interferenzen mit anderen Nutzern möglich (Garagenöffner, Mikrowelle, etc.)

Frequency Hopping Spread Spectrum

79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz

1600 Sprünge pro Sekunde

GFSK-Modulation

Gaussian-shaped Frequency Shift Keying

Time Division Duplex

Übertragung von Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zeitlich getrennt

Slot-Länge 625 ms

Frequenzwechsel bei jedem neuen Slot

Datenrate: bis 3Mbit/s bzw. 24Mbit/s (mit zusätzlichem Highspeed-Kanal)

Reichweite: 10cm bis 10m bei 0dBm Sendeleistung; erweiterbar auf 100m


Master

Slave

f1 f2 f3

625ms

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Prof. Jochen Seitz

Scatternets

max. ein Master und 7 weitere Knoten in einem Piconetz

Bestimmung der Hopping-Sequenz durch den Master

Synchronisation der Slaves auf die Hopping-Sequenz

Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige Hopping-Sequenz

Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzenhin- und herspringen

(Scatternetz)


Pikonetze


Bluetooth-Versionen im Vergleich

Versionmax. Datenrate

(brutto)Abwärts-

kompatibilität

Verbesserungen

1.0 732,2 kbit/s --- ---

1.1 732,2 kbit/s nein Indikator für Signalstärke

1.2 1 Mbit/s ja1 Adaptive Frequency-Hopping spread spectrum (AFH);

enhanced Quality of Service (eQoS);

enhanced Synchron Connection Oriented (eSCO)

2.0 3 Mbit/s ja1 Enhanced Data Rate (EDR);

geringerer Energieverbrauch;

verbesserte Fehlerkorrektur

2.1 2,1 Mbit/s ja1 Secure Simple Pairing;

Funktionen für Near Field Communication (NFC)

3.0 24 Mbit/s ja1 Enhanced Power Control;

zusätzl. Highspeed-Kanal auf Basis von WLAN (802.11g)

4.0 24 Mbit/s nein(Smart-Geräte)

ja1

(Smart-Ready-Geräte2)

Low Energy;

AES-Verschlüsselung (128 Bit);

Star-Bus-Topologie (höhere Anzahl von Netzknoten, Einsatz in Sensornetzen)

1 bis zu Version 1.12 hybride Geräte

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Prof. Jochen Seitz


Bluetooth vs. WLAN

Standard Bluetooth Wireless LAN

Übertragungsrate (brutto) < 24 Mbit/s < 6900 Mbit/s

Übertragungsdistanz (ca.) 100 m 300 m

Anzahl unterstützter Geräte

8

(ab Version 4 Smart keine Begrenzung)

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Sicherheits-maßnahmen

Hardwareebene Hardwareebene

Energieeffizienz ++ --

Usability ++ --

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