Mobilkommunikation: Einführung
MobilkommunikationKapitel 1: Einführung
Mobilität und ihre Auswirkungen Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf
1.0.1
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
Typische Anwendung: Straßenverkehr
ad ho
cUMTS, WLAN,DAB, GSM, TETRA, ...
Personal Travel Assistant,DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
1.22.1
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
Vereinfachtes Referenzmodell
1.24.1
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Medium
Sicherung
Bitübertragung
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk Netzwerk
Funk
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
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
Mobilkommunikation: Einführung
Overlay-Netzwerke
Regionalnetze
Stadtnetze
Campusnetze
Gebäudenetze
VertikalerHandover
HorizontalerHandover
Integration heterogener Fest- undMobilnetze mit stark variierendenÜbertragungscharakteristika
1.3.1