Systeme der Mobilkommunikation Prof Dr Albrecht Kunz Hochschule

Systeme der Mobilkommunikation Prof. Dr. Albrecht Kunz Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik / Telekommunikationselektronik Raum 8102, Tel. 0681 5867 382 albrecht. kunz@htw-saarland. de 01/98 1

Systeme der Mobilkommunikation Hinweis: Die Vortrags-Folien wurden mit Hilfe der folgenden, im Internet veröffentlichten Kursmaterialien angefertigt: Prof. Dr. -Ing. Jochen Schiller FU Berlin Computer Science Computer Systems & Telematics http: //www. jochenschiller. de/ 01/98 2

Labor Telekommunikationselektronik Versuch WLAN Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 3

Labor Telekommunikationselektronik Versuch FM Versuch AM Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 4

Teil 1: Einführung § Mobilität und ihre Auswirkungen § Geschichte der Mobilkommunikation § Teilnehmerzahlen § Forschungsbedarf 6/4/2021 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 5

Struktur der Vorlesung Teil 8: Kommunikationssysteme der 4. Generation Teil 5: Satelliten Systeme Teil 6: Rundfunk Systeme Teill 7: Drahtlose LANs Teil 4: Mobilfunksysteme Teil 3: Mehrfachzugriffsverfahren Teil 2: Technische Grundlagen Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 6

Computer für die nächsten Jahrzehnte? 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 7

Wozu Mobilkommunikation? The Ultimate Goal If I would have had a mobile multimedia terminal, I could: - look an the e-map where I - send an email for some help - call my wife and kids and send them a picture of this beautiful location - get the latest news from the stockmarket while waiting. It would be great However I don‘t have anything and I‘m lost. I‘m in problems Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 8

Das Milliardengeschäft: die Lizenzversteigerung Netzbetreiber Gepaarte Pakete Preis Mrd. € E-Plus / Hutchinson 2 8, 39 Group 3 G 2 8, 41 Mannesmann Mobilfunk 2 8, 42 Mobilcom 2 8, 36 T-Mobil 2 8, 47 Viag Interkom 2 8, 44 SUMME 12 50, 52

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) Drahtlose Netze – im lokalen Bereich: Standardisierung von IEEE 802. 11, ETSI (HIPERLAN) – im Internet: Mobile IP

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 11

Anwendungen I 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 12

UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA, . . . c ad ho Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, . . . Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 13

GSM 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s LAN, WLAN 780 kbit/s UMTS, DECT 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, WLAN 780 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s UMTS, GSM 384 kbit/s Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 14

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 History Info – Internet-Anschluss im Grünen – tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 15

Multimedia Services Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele Example: Multimedia Peer-to-Peer Games Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 16

Future Mobile Services Require Higher Bandwidth Video Conferencing Video Telephony Teleshopping services Electronic Newspaper Images / Soundfiles Telebanking Financial Services Data Base Access Information Services UMTS will deliver services from narrowband to broadband will support flexible bandwidth on demand up to 2 Mb/s e-mail voice 10 100 1 E 3 1 E 4 kbit/s

Cellular Mobile Communication Systems data rate multimedia 155 Mb/s 2 Mb/s 172 kb/s speech & data 10 kb/s speech & data 2 kb/s speech 1. generation 2. generation 1979 1992 C-Net 2. 5 generation 3. generation 4. generation GSM GPRS 2005 time UMTS Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 18

Motivation for UMTS - Mobile Internet Telecom Industry Mobility Internet UMTS PDA Computer Industry Services Commerce, Information and Entertainment Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 19

Ortsabhängige Dienste (Location based Services) 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 20

Pager • nur Empfang • sehr kleine Anzeigen • einfache Textnachrichten PDA • einfache Grafikanzeigen • Handschrifterkennung • vereinfachtes WWW Laptop • voll funktionsfähig • Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone • Sprache, Daten • einfache Textanzeigen Palmtops • kleine Tastatur • einfache Versionen der Standardprogramme Leistung Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 21

Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme – begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung – CPU: Leistungsaufnahme ~ CV 2 f • C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert • V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt • f: Taktfrequenz, kann z. B. zeitweise gesenkt werden Datenverlust – muss von vornherein mit eingeplant werden (z. B. Defekte) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 22

Auswirkungen der Endgeräteportabilität 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 23

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, 6 kbit/s mit GSM Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 24

Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 25

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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 26

Erfindungen und Entdeckungen Einsatz von Funk: – 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 (1888 in Karlsruhe) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 27

Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi – erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) – Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200 k. W) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen – sehr große Basisstationen (30 100 m hohe Antennenmasten) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 28

Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi – Reflexion an der Ionosphäre – kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee De. Forest und Robert von Lieben) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg Berlin – Drähte parallel zur Bahntrasse Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 29

Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958 A-Netz in Deutschland – analog, 160 MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer 1972 B-Netz in Deutschland – analog, 160 MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muss bekannt sein) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 30

Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 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 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 31

Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland – analoge Sprachübertragung, 450 MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation – bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards – Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) – 1880 -1900 MHz, ~100 -500 m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1, 2 Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere 10000 Nutzer/km 2, Nutzung in 50 Ländern Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 32

Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1992 Start von GSM – in D als D 1 und D 2, voll digital, 900 MHz, 124 Trägerfrequenzen – automatische Lokalisierung, Handover, zellular, – Roaming in Europa - nun auch weltweit in über 170 Ländern – Dienste: Daten mit 9, 6 kbit/s, FAX, Sprache, . . . Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 33

Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland – GSM mit 1800 MHz, kleinere Zellen – als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar) 1996 Hiper. LAN (High Performance Radio Local Area Network) – ETSI, Standardisierung von Typ 1: 5, 15 - 5, 30 GHz, 23, 5 Mbit/s – Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5 GHz) und 4 (17 GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155 Mbit/s) Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 34

Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1997 Wireless LAN - IEEE 802. 11 – IEEE-Standard, 2, 4 - 2, 5 GHz und Infrarot, 2 Mbit/s – viele proprietäre Produkte schon früher 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern – UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium – 66 Satelliten (+6 Reserve), 1, 6 GHz zum Mobiltelefon Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 35

Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs – IEEE-Standard 802. 11 b, 2, 4 - 2, 5 GHz, 11 Mbit/s – Bluetooth für Pikonetze, 2, 4 GHz, < 1 Mbit/s Entscheidung über IMT-2000 – Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma 2000, DECT, . . . Start von WAP (Wireless Application Protocol) – Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation – Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 36

Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten – HSCSD bietet bis zu 57, 6 kbit/s – Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50 kbit/s (paketorientiert) UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe – Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. € für 6 Lizenzen bezahlt) 2001 Start von 3 G-Systemen – cdma 2000 in Korea, UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 37

Mobiltelefone 1981: NMT 450 Satelliten 1983: AMPS 1986: NMT 900 1992: GSM 1994: DCS 1800 analog 1982: Inmarsat-A 1991: D-AMPS 1984: CT 1 1987: CT 1+ 1989: CT 2 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1993: PDC 1991: DECT 1998: Iridium 2000: GPRS 199 x: proprietary 1997: IEEE 802. 11 1999: 802. 11 b, Bluetooth 2000: IEEE 802. 11 a 2001: IMT-2000 digital 4 G – Vierte Generation: wann und wie? drahtlose LAN 1980: CT 0 1988: Inmarsat-C 1991: CDMA schnurlose Telefone 200? : Vierte Generation (Internet basiert)

Market Trends Computer • mobility - internet access • high speed services - electronic mail - multimedia document transfer - mobile computing Telecommunication - ISDN services - video telephony - wideband data services Audio – Video - Data - video on demand - interactive video - services • mobility • personal services • mobility • wideband services Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 39

Mobile Cellular Market World Mobile Subscribers in Millions

Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland 0 10 20 30 40 50 60 2002: 50 -70% Durchdringung in Westeuropa Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 41

Weltweites Teilnehmerwachstum Teilnehmer [Millionen] 1200 1000 800 600 400 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 42

Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002) Mittlerer Osten; 1, 6 Afrika; 3, 1 Amerika 22 Asien/Pazifik; 36, 9 Europa; 36, 4 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 43

Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation Drahtlose Kommunikation – Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) – Modulation, Codierung Mobilität – Ortsabhängige Dienste – Transparenz des Aufenthaltsorts – Dienstgüteunterstützung Portabilität – Leistungsaufnahme – eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, . . . – Handhabbarkeit Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 44

Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Funk Netzwerk Bitübertragung Medium Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 45

Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht – – – – neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes 46