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Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Kommunikationssysteme 3 Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler.

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Präsentation zum Thema: "Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Kommunikationssysteme 3 Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler."—  Präsentation transkript:

1 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Kommunikationssysteme 3 Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler

2 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Gliederung der Lehrveranstaltung 1. Einleitung 2. Anwendungen 3. Lokale drahtlose Netzwerke 4. Satellitensysteme 5. Erdnahe Kommunikationssysteme 6. Internet via Satellit

3 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anwendungen und Anforderungen Anwendungen mobile Terminals in Westentaschenformat Videos unterwegs (Fußball) mobiles Büro: – , Termine, File-Server Anforderungen 1.Abdeckung 2.hohe Bandbreite / Robustheit 3.niedrige Kosten

4 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Einleitung Wunsch bezüglich drahtloser Kommunikation: winzige Terminals im Handy oder Westentaschenformat Überall Abruf von Informationen Videos auf Abruf Tele-Gesundheit Bildungsdienste globale Arbeitsteilung

5 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anwendungen Mobil-Telephonie (Handy) Navigationssysteme (GPS,Touristenleitsystem) Internet-Zugang am Notebook, Palm-Top Unterstüzungssystem für den technischen Außendienst Ad-Hoc-Netzwerke TV on Demand

6 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Vorhersagen Negroponte-Flip: (Nicholas Negroponte, MIT) "Schmalbandige Dienste wie Telophonie verlagern sich auf das Mobilnetz,neue, breitbandige Dienste entstehen zunächst im Festnetz" Pelton Eintopf: (Joseph N. Pelton) "Ein Mix aus drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerken decken den Bedarf für moderne breitbandige Netzwerkanwendungen"

7 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Ziele in der Entwicklung niedrigere Kosten (z.Z. auf See 9 Euro/Minute ) höhere Bandbreite höhere Standzeiten / geringere zum Verbindungsaufbau notwendige Leistung kleinere Antennen

8 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Probleme Zur Übertragung von Daten: Nutzung des elektromagnetischen Frequenzspektrums Hauptproblem: Das nutzbare Funkband ist eine sehr begrenzte Ressource USA: Versteigerung von Frequenzen Deutschland: Deregulierungsbehörde

9 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Das Elektromagnetische Spektrum James Clerk Maxwell, 1865, Theorie Heinrich Hertz, 1887, Entwicklungen Frequenz: Schwingungen pro Sekunde Wellenlänge: Weg pro Welle ƒ=c/l UKW-Radio: 3 Meter Band = 100 MHz

10 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Verfügbare Frequenzspektrum

11 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Einordnung UMTS IrDa GSM/GPRS Wireless LAN IEEE802.11b Gebäude Stadt Reichweite 10 K 1 M 2 M Gebiet Weltweit Raum 11 M Wireless Bridging IEEE802.11b 4 M Blue- tooth Datenrate [Bit/s] DECT Bündelfunk Schmalband 56 M WLAN-5 IEEE802.11a WLAN-5 Bridging IEEE802.11a

12 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Klassifikation Lokale drahtlose Netzwerke –RC5, IRDA –IEEE b –IEEE a –DECT –BlueTooth Erdnahe Systeme Satellitenbasierte Systeme

13 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Lokale drahtlose Netzwerke Ziele drahtloser lokaler Netzwerke (WLAN): alte Gebäude ohne geeignete Verkabelung Büros mit flexibler Konfiguration Industriebereiche, Baubereiche nicht permanente Einrichtungen (Meetings) lokale mobile Einrichtungen (Krankenhäuser)

14 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Befehle im Licht, RC5 Geräte der Unterhaltungselektronik Zunehmend Steuertechnik Infrarotlicht mit moduliertem Code Entwickelt ursprünglich von Philips Zentrale Vergabe der Codes Andere: RECS-80, NEC-Code

15 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 RC5, Physikalische Codierung 36 kHz Modulation, Pulslänge 1,778 ms Aufsteigende Flanke: logische 1 Abfallende Flanke: logische 0

16 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Aufbau eines RC5-Wortes Startbit: Synchronisierung Togglebit: kennzeichnet neuen Befehl

17 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 RC5, Adressen

18 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 RC5, Daten

19 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Vereinfachtes Referenzmodell für Telekommunikation Bitübertragung Sicherung Netzwerk Transport Anwendung Bitübertragung Sicherung Netzwerk Bitübertragung Sicherung Netzwerk Bitübertragung Sicherung Netzwerk Transport Anwendung Bitübertragung Sicherung Netzwerk Transport Anwendung Funk Festnetz

20 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anforderungen Anforderung 1: Mobilfunkdienste werden flächendeckend benötigt

21 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Integrierte Antennen ca. 25m reguläre Antennen ca. 40m gerichtete Antennen ca. 100m Verbesserung durch Antennen

22 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Flächendeckende Systeme: Celluläre Systeme kleinere Funkzellen: + geringere Sendeleistung –aufwendigere Infrastruktur + bessere Nutzung der Frequenzen –häufige Übergabe

23 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Funkzellengröße TypeAbdeckungVerwendungLeistung kontinentalSatellitFernsehen, Telefon 200 W + Richtgewinn FunktürmeRegionRadio, Fernsehen Mega-Watt cellulärBezirk, 30 kmC-, D-Netz Telefon 20 W Mini-CellenBezirk, 20 kmE-Netz Telefon20 W Mikro-CellenGebäudeWLAN200 mW Nano-CellenRaumBlueTooth20 mW

24 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anordnung von Basisstationen und Zuteilung von Frequenzen Vermeidung von Gleichkanal-Störungen: –Nachbarzellen: verschiedene Frequenzen –Außerhalb der Reichweite: Wiederverwendung f1 f2 f3 3-Freq. Cluster f1 f3 f4 f6 f5 f7 f2 7-Freq. Cluster

25 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Funkzellen in der Praxis Die Praxis ist nicht sechseckig! statische Anforderungen –Geländebedingungen (Berge), Gebäude –mehrere Frequenzen je Zelle –Frequenzen pro Etage in Gebäuden dynamische Anforderungen –Wettereinflüsse –Änderungen der Last DCA (Dynamic Channel Allocation) –dynamische Zuordnung der Frequenzen nach Bedarf regelmäßiges Berechnen einer Landkarten-Färbung!

26 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anforderungen Anforderung 2: Mobile Systeme benötigen hohe Bandbreiten und Robustheit gegenüber Störungen

27 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 mögliche Störungen für Funkausbreitung Freiraumdämpfung (Luft, Feuchtigkeit) Abschattung Reflexion Mehrwegausbreitung Streuung Beugung Brechung Dopplereffekt Vorherberechnung eines Signals sehr schwer!

28 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Mehrwegausbreitung Sender Empfänger Line-Of-Sight-Pfad Non-Line-Of Sight-Pfad

29 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Anforderungen Anforderung 3: niedrige Kosten erfordern eine Funk-Technik, die Frequenzen effizient nutzt

30 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Protokolle für den Mehrfachzugriff (OSI Schicht 2) Varianten: Exklusive Zuweisung von Kanälen –garantierte Bandbreite –ungenutzte Bandbreite –Verwaltungsaufwand Gemeinsame Nutzung verfügbarer Bandbreite –gerechte Verteilung der Bandbreite –keine garantierte Bandbreite

31 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Mehrfachzugriffsprotokoll CSMA-CD Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detect –Multiple Access:alle können sprechen –Carrier Sense:sprich nur, wenn der Kanal frei ist –Collision Detect:abbrechen, wenn jemand gleichzeitig spricht Verwendet bei Ethernet IEEE 802.3

32 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Probleme bei CSMA-CD und Funk Ursache: begrenzte Radio-Reichweite Hidden Station Problem Exposed Station Problem

33 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Modifikation für Funk: (CS) MA-CA A B C CTS-ReichweiteRTS-Reichweite Station A Station B RTS CTS Data Ack A und C hören sich nicht Multiple Access with Collision Avoidance Verwendung bei IEEE WLAN

34 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Zustandsautomaten für MACA Ruhe Warte auf Quittung Warte auf Senderecht ACK RTS RxBusy SenderEmpfänger Ruhe Warte auf Daten Daten; ACK RTS; CTS CTS; Daten Time-out v NAK; RTS Fehler; NAK Time-out; RTS RTS; RxBusy

35 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Zusammenfassung Mobilfunkdienste werden flächendeckend benötigt: Celluläre Systeme Mobile Systeme benötigen hohe Bandbreiten und Robustheit gegenüber Störungen Multi Carrier Modulation niedrige Kosten erfordern eine Funk-Technik, die Frequenzen effizient nutzt MACA-Verfahren

36 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Spektrum-Effizienz Celluläre Systeme Multi Carrier Modulation MACA Verfahren Spektrum-Effizienz: Verhältniszahl für die Ausnutzung eins Frequenzspektrums

37 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Funktechnik TechnikCellengrößeModulationZugriff GSM20KmGMSKZuweisung HSCSD20KmGMSKZuweisung + Kanalbündelung GPRS20KmGMSKTDMA UMTS10KmCDMACDMA + Zuweisung WLAN b 30mDSSS + Chipping MACA WLAN b 30mMCMMACA

38 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Ausblick HF-Technik: Softradio –Modulation und Protokolle in Software –Bei Roaming: spezifisch geladene Software Mobiles Internet der 4. Generation –Mobile Basisstationen –Verändernde Netzwerk-Topologie –Veränderte Version des Routing-Algorithmus (Dijkstra)

39 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim UMTS / 580 MHz Bandbreiten-Entwicklung im Mobilfunk UMTS WAP:Wireless Access Protocol HSCSD:High-speed Circuit Switched Data GPRS:General Packet Radio Services EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution UMTS:Universal Mobile Telecommunication System 100 kbit/s WAP Internet- Zugang GPRS 115,2 kbit/s pro Zelle 400 kbit/s EDGE 384 kbit/s pro Zelle HSCSD kbit/s pro user 2 Mbit/s Quelle: Dataquest /Gartner Group 1999 nDie Übertragungsraten steigen und nähern sich den heute im Festnetz verfügbaren Raten nDie Anwendungen werden vielseitiger und multimedialer

40 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Strahlen schutz

41 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Grenzwerte

42 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Der Standard DECT Bisher: "Schnurlose Telefone" (CT 0, CT 1) existiert seit den 80erJahren geringe Reichweite (50 m) Nur 40 Kanäle Aufgrund geringer Bandbreite nicht für Datenübertragung geeignet InBand Signaling, d.H. alle Minute kurze Unterbrechung (Kennung- Übermittlung) keine Funktion für Nebenstellen abhörbar (885 MHz und 932 MHz)

43 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Der Standard DECT Daher CT 2 und DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) Standardisiert 1992 und 1995 durch ETSI (ETS , European Telecommunication Standards Institute) DECT setzte sich gegenüber CT2 / CT3 und dem japanischen PHS durch

44 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Eigenschaften des Standards DECT 32 kbit / sec, ADPCM, 120 Kanäle 10 mW bis 250 mW maximal (Handys = 800 mW, 2W) OutBand Signaling GFSK Modulation (Gausian Frequency Shift Keying) pro Transciver gleichzeitig 12 Verbindungen DC S/A (Dynamic Channel Selection / Allocation) TDMA (Time Division Multiple Access) TDD (Time Division Duplex)

45 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Der Standard DECT

46 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Weitere Eigenschaften ein- und mehrzellige Systeme (Firmengelände) 24 KBit / sec, durch Bündelung bis zu 552 Kbit / sec DECT-Access Profiles Definieren Auf und Abbau von Sprachkanälen, Roaming Dualmode-Geräte für DECT und E+ mit gleicher Nummer Integration von ISDN: IAP (ISDN Access Interworking Profile)

47 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Satellitensysteme

48 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Globale Kommunikationssysteme

49 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Frequenzen BandFrequenzAnwendungAnmerkung C4-6 GHzUSA Fernsehen>3 Meter Schüsseln Ku GHzFernsehenWeit verbreitet Ka20-30 GHzFernsehenWetter V40-50 GHzzukünftigWetter

50 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Flächendeckende Systeme

51 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Erdnahe Kommunikationssysteme HALE: high-altitude, long endurance plattforms HAPS: High Altitude Stratospheric Platforms –Helium-gefüllte Trägersysteme oder solargetriebene Leichtflugzeuge –erdnahe Platzierung in der Stratosphäre (20 Km Höhe) –oberhalb des Flugzeug-Linienverkehres –High-Speed Datensysteme –trägt Repeater, Router, Antennensysteme HEO: Highly elliptical Earth Orbit AWACS

52 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Internet via Satellit Schnellere Internet-Anbindung als Telefon oder ISDN Internet in entlegenen Gebieten

53 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Was gibt es? spezielle Satellitensysteme für Datenaustausch Satellitenempfangssysteme für Fernsehen Digitales Satellitenfernsehen DVB: Digital Video Broadcasting Auf einem analogen Kanal 8 digitale Kanäle 27 Mbit/sec Highspeed-Modem

54 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Möglichkeiten, Internet Internet Push Dienst Asymetrische Verbindung: Richtung Provider: ISDN Richtung Nutzer Satellit Bidirektionale Satellitenverbindung

55 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Internet Push Dienst vom Provider aufbereitete Menge an Web-Seiten und Daten Übertragung in einem Proxy-Format via Satellite Laden auf den lokalen Massenspeicher bei geeigneter Proxy-Konfiguration schneller Zugriff auf Seiten Diskos NetSat Skycom Luxemburg

56 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Zukünftige Entwicklung Phasenantennen (Elektronisch änderbare Richtwirkung) Höhere Frequenzen, Übertragung im optischen Bereich

57 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Literatur Jochen Schiller: Mobilkommunikation, Addison Wesley, 2000 Jerry D. Gibson (Editor): Mobile Communications, Springer 2000 A.L.Intini, Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Networks, 2000, University of California in Santa Barbara Anne Wiesler: Parametergesteuertes Software-Radio für Mobilfunksysteme, 2002, Dissertation Universität Karlsruhe Proxim, a: a very High Speed, Highly Scalable Wireless LAN Standard, White Paper


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