Mobilkommunikation

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Mobilkommunikation

Mobilkommunikation
Sommersemester 2005
FU Berlin
Informatik
Technische Informatik & Telematik
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller
http://www.jochenschiller.de/
schiller@computer.org
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
MC SS05
1.1
Übersicht über die Vorlesung

Einführung
z
z
z

z
z
z
z
SDMA, TDMA, CDMA, FDMA
CSMA/CA, Aloha mit Varianten
Kollisionsvermeidung, Polling
Drahtlose
Telekommunikationssysteme
z

z

z
z
z
zuverlässiger Datentransport
Flusssteuerung
Dienstqualität
Mobilitätsunterstützung
z

Mobile IP
Ad-hoc Netze
Wegwahl
Transportprotokolle/Mobile TCP
z
GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA,
UMTS, IMT-2000
Satellitensysteme
z
z

Techniken, Einsatzgebiete
IEEE 802.11a/b/g, .15, Bluetooth
Netzwerkprotokolle
z

DAB, DVB
Drahtlose LANs
z
Medienzugriff
z

Wellenausbreitung, Frequenzen
Signale, Dämpfung, Antennen
Sender/Empfänger, Modulation
Broadcast-Systeme
z
Technische Grundlagen
z

Einsatzszenarien
Begriffsdefinitionen
Herausforderungen

Dateisysteme, WWW, WAP, imode, J2ME, …
Ausblick
GEO, LEO, MEO, routing, handover
MC SS05
1.2
Kapitel 1: Einführung

Mobilität und ihre Auswirkungen – viele Aspekte
Geschichte der Mobilkommunikation
Teilnehmerzahlen
Forschungsbedarf
MC SS05
1.3
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
vielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale
Netze, regionale Telekommunikationsnetze etc. („Overlaynetzwerke“)
MC SS05
1.4
Begriffe der 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
8
8
9
9
8
9
8
9
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
MC SS05
1.5
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
MC SS05
1.6
Typische Anwendung: Straßenverkehr
UMTS, WLAN,
DAB, DVB, GSM,
Cdma2000, TETRA, ...
ad
ho
c
Personal Travel Assistant,
PDA, Laptop,
GSM, UMTS, WLAN,
Bluetooth, ...
MC SS05
1.7
Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected
DSL/WLAN
3 Mbit/s
GSM/GPRS 53 kbit/s
Bluetooth 500 kbit/s
UMTS, GSM
115 kbit/s
LAN
100 Mbit/s,
WLAN
54 Mbit/s
UMTS
2 Mbit/s
GSM/EDGE 384 kbit/s,
DSL/WLAN 3Mbit/s
UMTS, GSM
384 kbit/s
GSM 115 kbit/s,
WLAN 11 Mbit/s
MC SS05
1.8
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
History
Info
MC SS05
1.9
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
MC SS05
1.10
Mobile Endgeräte
Pager
• nur Empfang
• sehr kleine
Anzeigen
• einfache
Textnachrichten
PDA/Smartphone
• Grafikanzeigen
• Handschrifterkennung
• vereinfachtes WWW
Laptop/Notebook
• voll funktionsfähig
• Standardanwendungen
Sensoren,
embedded
systems
Mobiltelefone
• Sprache, Daten
• einfache Grafikanzeigen
Palmtops
• kleine Tastatur
• einfache Versionen
der Standardprogramme
www.scatterweb.net
Leistung
MC SS05
1.11
Auswirkungen der Endgeräteportabilität
Leistungsaufnahme

begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere
Festplatten durch begrenzte Batterieleistung
CPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f
z
C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert
z V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt
z f: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden
Datenverlust

muss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte, Diebstahl)
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 or ? als Alternative
MC SS05
1.12
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. 53kbit/s mit GSM/GPRS
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
MC SS05
1.13
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
(1888 in Karlsruhe)
MC SS05
1.14
Geschichte der drahtlosen Kommunikation I
1896

1907

1915
1920

1926

Guglielmo Marconi
erste Demonstration der drahtlosen
Telegraphie (digital!)
Langwellenübertragung, hohe
Sendeleistungen benötigt (> 200kW)
Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen
sehr große Basisstationen
(30 100m hohe Antennenmasten)
Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco
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)
Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin
Drähte parallel zur Bahntrasse
MC SS05
1.15
Geschichte der drahtlosen Kommunikation II
1928
1933
1958

1972

1979
1982

1983
1984
viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik)
Frequenzmodulation (E. H. Armstrong)
A-Netz in Deutschland
analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein
Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer
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
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
MC SS05
1.16
Geschichte der drahtlosen Kommunikation III
1986

1991

1992

C-Netz in Deutschland
analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale
Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation
bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98%
Flächendeckung
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 50 Ländern
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 weit über 200 Ländern
Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...
MC SS05
1.17
Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV
1994

1996

1997

1998

E-Netz in Deutschland
GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen
als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar)
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)
Wireless LAN - IEEE802.11
IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s
viele proprietäre Produkte schon früher
Spezifikation von GSM-Nachfolgern
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer
Vorschlag für IMT-2000
Iridium

66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon
MC SS05
1.18
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)

2000

Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation
Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy
GSM mit höheren Übertragungsraten
HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s
Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert)
UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe

2001

Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. € für 6 Lizenzen bezahlt)
Start von 3G-Systemen
cdma2000 in Korea (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in
Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan
MC SS05
1.19
Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick
Mobiltelefone
Satelliten
1983:
AMPS
1982:
Inmarsat-A
1984:
CT1
1986:
NMT 900
1987:
CT1+
1988:
Inmarsat-C
1991:
CDMA
1991:
D-AMPS
1989:
CT 2
1992:
Inmarsat-B
Inmarsat-M
1993:
PDC
1994:
DCS 1800
analog
drahtlose
LAN
1980:
CT0
1981:
NMT 450
1992:
GSM
schnurlose
Telefone
1991:
DECT
1998:
Iridium
2000:
GPRS
199x:
proprietary
1997:
IEEE 802.11
1999:
802.11b, Bluetooth
2000:
IEEE 802.11a
2001:
IMT-2000
digital
4G – Vierte Generation: wann und wie?
200?:
Vierte Generation
(Internet basiert)
MC SS05
1.20
Grundlage: 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

Anforderungen an die
Luftschnittstellen

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
Rahmenwerk für Luftschnittstellen
und Funktionen
M.1036

Sprache/Daten im Sprachband
M.1167
M.1035

Sicherheit in IMT-2000
M.1079
IMT-2000 für Entwicklungsländer
M.1034-1

Satelliten in IMT-2000
M.819-2

M.1078
http://www.itu.int/imt
Frequenzspektrum
MC SS05
1.21
Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998)
700
600
500
Amerika
Europa
Japan
andere
total
400
300
200
100
0
1996
1997
1998
1999
2000
MC SS05
2001
1.22
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
2005: 70-90% Durchdringung in Westeuropa
MC SS05
1.23
Weltweites Teilnehmerwachstum
1200
Teilnehmer [Millionen]
1000
800
600
400
200
0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Ab 2000 flacht die Kurve ab – 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer
MC SS05
1.24
Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002)
Mittlerer Osten; 1,6
Afrika; 3,1
Amerika
22
Asien/Pazifik;
36,9
Europa; 36,4
2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert
MC SS05
1.25
Einige Statistikwerte (09/2002 / 12/2004)
Total Global Mobile Users
869M / 1.52T
Total Analogue Users 71M / 34M
Total US Mobile users 145M / 140M
Total Global GSM users 680M / 1.25T
Total Global CDMA Users 127M / 202M
Total TDMA users 84M / 120M
Total European users 283M / 343M
Total African users 18.5M / 53M
Total 3G users 130M / 130M(?)
Total South African users 13.2M / 19M
European Prepaid Penetration 63%
European Mobile Penetration 70.2%
Global Phone Shipments 2001 393M
Global Phone Sales 2Q02 96.7M
#1 Mobile Country China (139M / 300M)
#1 GSM Country China (99M)
#1 SMS Country Philipines
#1 Handset Vendor 2Q02 Nokia (37.2%)
#1 Network In Africa Vodacom (6.6M)
#1 Network In Asia Unicom (153M)
#1 Network In Japan DoCoMo
#1 Network In Europe T-Mobile (22M / 28M)
#1 In Infrastructure Ericsson
SMS Sent Globally 1Q02 60T / 135T
SMS sent in UK 6/02 1.3T / 2.1T
SMS sent Germany 1Q02 5.7T
GSM Countries on Air 171 / 210
GSM Association members 574 / 839
Total Cost of 3G Licenses in Europe 110T€
SMS/month/user 36
http://www.cellular.co.za/stats/statsmain.htm
Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc.
MC SS05
1.26
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
...
MC SS05
1.27
Vereinfachtes Referenzmodell
Anwendung
Anwendung
Transport
Transport
Netzwerk
Netzwerk
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk
Netzwerk
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung Bitübertragung
Funk
Bitübertragung
Medium
MC SS05
1.28
Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell
Anwendungsschicht

Transportschicht
Netzwerkschicht

Sicherungsschicht

Bitübertragungsschicht

Dienstelokation
neue Anwendungen, Multimedia
adaptive Anwendungen
Staukontrolle, Flusskontrolle
Dienstqualität
Adressierung, Wegewahl,
Endgerätelokalisierung
Handover
Authentifizierung
Medienzugriff
Multiplexing
Medienzugangskontrolle
Verschlüsselung
Modulation
Interferenzen
Dämpfung
Frequenzen
MC SS05
1.29
Kapitelübersicht
Kapitel 10:
Mobilitätsunterstützung
Kapitel 9:
Transportprotokolle
Kapitel 8:
Netzwerkprotokolle
Kapitel 4:
Telekommunikationssysteme
Kapitel 5:
Satelliten
Systeme
Kapitel 6:
Broadcast
Systeme
Kapitel 7:
Drahtlose
LANs
Kapitel 3:
Medienzugriff
Kapitel 2:
Technische Grundlagen
MC SS05
1.30
Overlay-Netzwerke – das globale Ziel
Integration heterogener Fest- und
Mobilnetze mit stark variierenden
Übertragungscharakteristika
Regionalnetze
Vertikaler
Handover
Stadtnetze
Campusnetze
Horizontaler
Handover
Gebäudenetze
MC SS05
1.31