Seminarbeitrag Drahtlose Kommunikation für den Einsatz im Ubiquitous Computing Arndt Buschmann WS...

Seminarbeitrag

Drahtlose Kommunikation

für den Einsatz im Ubiquitous Computing

Arndt Buschmann

WS 2001/2002

Seminarbeitrag „Drahtlose Kommunikation“ Folie: 2


1. Überblick

2. Drahtlose Telekommunikationssysteme

3. Bluetooth


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



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


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?


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


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


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


Drahtlose Telekommunikationssysteme


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)


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


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


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.)


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


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


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


Bluetooth


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


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


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


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


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


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

http://www.umts-forum.org/

Seminarbeitrag Drahtlose Kommunikation für den Einsatz im Ubiquitous Computing Arndt Buschmann WS...

Documents

Transcript of Seminarbeitrag Drahtlose Kommunikation für den Einsatz im Ubiquitous Computing Arndt Buschmann WS...