Mobilkommunikation Kapitel 1 Einfhrung Mobilitt und ihre Auswirkungen
Mobilkommunikation Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen q Geschichte der Mobilkommunikation q Teilnehmerzahlen q Forschungsbedarf q Mobilkommunikation: Einführung 1. 0. 1
Mobilkommunikation Zwei Aspekte der Mobilität: Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) “zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann. ” q Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden. q 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) q im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung q im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM q 1. 2. 2
Anwendungen I Fahrzeuge q q q 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 q Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. q Einsatz in Krisengebieten q Mobilkommunikation: Einführung 1. 4. 1
Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA, . . . c ad ho Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, . . . Mobilkommunikation: Einführung 1. 22. 1
Anwendungen II Handelsvertreter direkter Zugriff auf Kundendaten in der Zentrale q konsistente Datenhaltung über alle Mitarbeiter q mobiles Büro q Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z. B. Wetter, Flusspegel q Flexibilität bei Messeständen q Vernetzung historischer Gebäude q Freizeit, Unterhaltung, Information Internet-Anschluss im Grünen q tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort q Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele q aut Erb 5 164 Mobilkommunikation: Einführung 1. 5. 2
Ortsabhängige Dienste Umgebungsbewusstsein q welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung Nachfolgedienste q automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten Arbeitsoberfläche an den aktuellen Aufenthaltsort Informationsdienste „push“: z. B. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt q „pull“: z. B. wo finde ich Pizza mit Thunfisch q Nachfolgen der Unterstützungsdienste q Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. „folgt“ dem mobilen Endgerät durch das Festnetz Privatheit q wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen Mobilkommunikation: Einführung 1. 6. 2
Mobile Endgeräte Pager • nur Empfang • sehr kleine Anzeigen • einfache Textnachrichten PDA • einfache Grafikanzeigen • Handschrifterkennung • vereinfachtes WWW Sensoren, embedded systems Mobiltelefone • Sprache, Daten • einfache Textanzeigen Laptop • voll funktionsfähig • Standardanwendungen Palmtops • kleine Tastatur • einfache Versionen der Standardprogramme Leistung Mobilkommunikation: Einführung 1. 7. 2
Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme q begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung Datenverlust q muss von vornherein mit eingeplant werden (z. B. Defekte) Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit q evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen q Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar q Flash-Speicher als Alternative q Mobilkommunikation: Einführung 1. 8. 2
Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen q Einstrahlung von z. B. Elektromotoren, Blitzschlag Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche q Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben Niedrigere Übertragungsraten q lokal einige MBit/s, regional derzeit z. B. 9, 6 kbit/s mit GSM bis zu 2 MBit/s UMTS (pro Basisstation) Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen q Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken q Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium q sichere Zugriffsverfahren wichtig Mobilkommunikation: Einführung 1. 9. 1
Erfindungen und Entdeckungen Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Heliographen, Flaggen („Semaphore“), Zeiger q 150 v. Chr. Rauchsignale zur Kommunikation; von Polybius, Griechenland, berichtet q 1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe q Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse: q 1831 Faraday demonstriert elektromagnetische Induktion q J. Maxwell (1831 -79): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) q H. Hertz (1857 -94): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum Mobilkommunikation: Einführung 1. 11. 2
Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) q Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200 k. W) q 1907 q 1915 1920 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100 m hohe Antennenmasten) Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi Reflexion an der Ionosphäre q kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee De. Forest und Robert von Lieben) q 1926 q Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Mobilkommunikation: Einführung 1. 12. 3
Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 1932 1933 1958 q 1972 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) Erstes Lehrfernsehen: CBS W 2 XAB Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) A-Netz in Deutschland analog, 160 MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer B-Netz in Deutschland analog, 160 MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muß bekannt sein) q ebenso in A, NL und LUX, 1979 13000 Teilnehmer in D q 1979 1982 q 1983 1984 NMT, 450 MHz (Skandinavien) Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone Mobilkommunikation: Einführung 1. 13. 2
Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450 MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation q abgeschaltet in 2000 q 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) q 1880 -1900 MHz, ~100 -500 m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1, 2 Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere 10000 Nutzer/km 2, Nutzung in 40 Ländern q 1992 Start von GSM in D als D 1 und D 2, voll digital, 900 MHz, 124 Trägerfrequenzen q automatische Lokalisierung, Handover, zellular, q Roaming in Europa - nun auch weltweit in über 150 Ländern q Dienste: Daten mit 9, 6 kbit/s, FAX, Sprache, . . . q Mobilkommunikation: Einführung 1. 14. 3
Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800 MHz, kleinere Zellen, derzeit 11 Länder q als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar) q 1996 Hiper. LAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, Standardisierung von Typ 1: 5, 15 - 5, 30 GHz, 23, 5 Mbit/s q Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5 GHz) und 4 (17 GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155 Mbit/s) q 1997 Wireless LAN - IEEE 802. 11 IEEE-Standard, 2, 4 - 2, 5 GHz und Infrarot, 2 Mbit/s q viele proprietäre Produkte schon früher q 1998 q Spezifikation von GSM-Nachfolgern für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium – abgeschaltet in 2000: Pleite! q 66 Satelliten (+6 Reserve), 1, 6 GHz zum Mobiltelefon Mobilkommunikation: Einführung 1. 15. 2
Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard 802. 11 b, 2, 4 - 2, 5 GHz, 11 Mbit/s q Bluetooth für Pikonetze, 2, 4 GHz, < 1 Mbit/s q Entscheidung über IMT-2000 q Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma 2000, DECT, . . . Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation q Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy q 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57, 6 kbit/s q Erste GPRS-Installationen mit bis zu 115, 2 kbit/s q 2001? Start von UMTS als Test Mobilkommunikation: Einführung 1. 26. 1
Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick Mobiltelefone Satelliten 1991: CDMA 1982: Inmarsat-A 1983: AMPS 1984: CT 1 1987: CT 1+ 1988: Inmarsat-C 1991: D-AMPS 1989: CT 2 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1992: GSM 1993: PDC 1994: DCS 1800 1998: Iridium analog digital drahtloses LAN 1980: CT 0 1981: NMT 450 1986: NMT 900 schnurlose Telefone 2005? : UMTS/IMT-2000 199 x: proprietär 1991: DECT 1995/96/97: IEEE 802. 11, HIPERLAN 2005? : MBS, WATM 1. 16. 3
Zukunft: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M. 687 -2 q IMT-2000 Konzepte und Ziele M. 816 -1 q Rahmenwerk für Dienste M. 817 q IMT-2000 Netzwerkarchitektur Satelliten in IMT-2000 M. 819 -2 q IMT-2000 für Entwicklungsländer M. 1034 -1 q Anforderungen an die Luftschnittstellen M. 1035 q Sicherheit in IMT-2000 M. 1079 q q Sprache/Daten im Sprachband Rahmenwerk für Satelliten M. 1168 q Rahmenwerk für das Management M. 1223 q Evaluation von Sicherheitsmechanismen M. 1224 q Vokabular für IMT-2000 M. 1225 q Evaluation der Übertragungstechniken Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen M. 1036 q q M. 1167 M. 818 -1 q M. 1078 Frequenzspektrum Mobilkommunikation: Einführung http: //www. itu. int/imt 1. 17. 1
Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie 700 600 500 Amerika Europa Japan andere total 400 300 200 100 0 1996 1997 Mobilkommunikation: Einführung 1998 1999 2000 2001 1. 23. 1
Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland 0 10 Mobilkommunikation: Einführung 20 30 40 50 60 1. 19. 2
Mobilfunkmarkt in Deutschland 35 Mobilfunkteilnehmer Endgeräteabsatz 30 (Angaben in Millionen) 25 20 15 10 5 0 1996 1997 Mobilkommunikation: Einführung 1998 1999 2000 Prognose 1. 20. 2
Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Funk Mobilkommunikation: Einführung Netzwerk Bitübertragung Medium 1. 24. 1
Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht q q q Transportschicht q Netzwerkschicht q q q Sicherungsschicht q q Bitübertragungsschicht q q q Mobilkommunikation: Einführung Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen 1. 10. 3
Kapitelübersicht Kapitel 11: Mobilitätsunterstützung Kapitel 10: Transportprotokolle Kapitel 9: Netzwerkprotokolle Kapitel 4: Telekommunikationssysteme Kapitel 5: Satelliten Systeme Kapitel 6: Broadcast Systeme Kapitel 7: Drahtlose LANs Kapitel 8: Drahtloses ATM Kapitel 3: Medienzugriff Kapitel 2: Technische Grundlagen Mobilkommunikation: Einführung 1. 25. 1
Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) q Modulation, Codierung q Medienzugriff q. . . q Mobilität Ortsabhängige Dienste q Transparenz des Aufenthaltsorts q Dienstgüteunterstützung q. . . q Portabilität Leistungsaufnahme q eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, . . . q Handhabbarkeit q. . . q Mobilkommunikation: Einführung 1. 21. 1
Computer für das nächste Jahrhundert? Computer sind integriert q 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 q Computer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z. B. Weiterleiten von Gesprächen, Fax) q Fortschritte in der Technik q q q 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“) Mobilkommunikation: Einführung 1. 1. 1
Overlay-Netzwerke Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze Vertikaler Handover Stadtnetze Campusnetze Horizontaler Handover Gebäudenetze Mobilkommunikation: Einführung 1. 3. 1
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