Mobilkommunikation: Einführung Mobilkommunikation Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre...

Mobilkommunikation: Einführung

MobilkommunikationKapitel 1: Einführung

Mobilität und ihre Auswirkungen Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf

1.0.1


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

1.2.2


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

1.4.1


Typische Anwendung: Straßenverkehr

ad ho

cUMTS, WLAN,DAB, GSM, TETRA, ...

Personal Travel Assistant,DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...

1.22.1


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

Erbaut

1645

1.5.2


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

1.6.2


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 Textanzeigen

PDA• einfache Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• vereinfachtes WWW

Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen der Standardprogramme

Laptop• voll funktionsfähig• Standardanwendungen

1.7.2

Sensoren,embeddedsystems


Auswirkungen der Endgeräteportabilität

Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen,

kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung

Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte)

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

1.8.2


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. 9,6kbit/s mit GSM bis zu

2MBit/s UMTS (pro Basisstation)

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

1.9.1


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

1.11.2


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

1.12.3


Geschichte der drahtlosen Kommunikation II

1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik)

1932 Erstes Lehrfernsehen: CBS W2XAB1933 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

1.13.2


Geschichte der drahtlosen Kommunikation III

1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale

Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation abgeschaltet in 2000

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 40 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 über 150 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...

1.14.3


Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV

1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen, derzeit 11 Länder 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 für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als

europäischer Vorschlag für IMT-2000

Iridium – abgeschaltet in 2000: Pleite! Inzwischen wieder eingeschaltet! 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon

1.15.2


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 115,2kbit/s

2002? Start von UMTS als Test

1.26.1


Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick

1.16.3

Mobiltelefone Satelliten drahtloses LAN

schnurloseTelefone

1992:GSM

1994:DCS 1800

2005?:UMTS/IMT-2000

1987:CT1+

1982:Inmarsat-A

1992:Inmarsat-BInmarsat-M

1998:Iridium

1989:CT 2

1991:DECT

199x:proprietär

1995/96/97:IEEE 802.11,HIPERLAN

2005?:MBS, WATM

1988:Inmarsat-C

analog

digital

1991:D-AMPS

1991:CDMA

1981:NMT 450

1986:NMT 900

1980:CT0

1984:CT11983:

AMPS

1993:PDC


Zukunft: 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

1.17.1


Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie

0

100

200

300

400

500

600

700

1996 1997 1998 1999 2000 2001

Amerika

Europa

Japan

andere

total

1.23.1


Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999

1.19.2

0 10 20 30 40 50 60

Finnland

Schweden

Norwegen

Dänemark

Italien

Luxemburg

Portugal

Österreich

Irland

Schweiz

Großbritannien

Niederlande

Frankreich

Belgien

Spanien

Griechenland

Deutschland


Mobilfunkmarkt in Deutschland

0

5

10

15

20

25

30

35

1996 1997 1998 1999 2000

Mobilfunkteilnehmer

Endgeräteabsatz

(Angaben in Millionen)

Prognose

1.20.2


Vereinfachtes Referenzmodell

1.24.1

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

Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen

Anwendungsschicht

Transportschicht

Netzwerkschicht

Sicherungsschicht

Bitübertragungsschicht

1.10.3


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: Drahtloses

ATM

Kapitel 9: Netzwerkprotokolle

Kapitel 10: Transportprotokolle

Kapitel 11: Mobilitätsunterstützung

1.25.1


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 ...

1.21.1


Computer für das nächste Jahrhundert?

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“)

1.1.1


Overlay-Netzwerke

Regionalnetze

Stadtnetze

Campusnetze

Gebäudenetze

VertikalerHandover

HorizontalerHandover

Integration heterogener Fest- undMobilnetze mit stark variierendenÜbertragungscharakteristika

1.3.1

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