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Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.1 Mobilkommunikation Sommersemester 2005 FU Berlin Informatik Technische Informatik.

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1 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.1 Mobilkommunikation Sommersemester 2005 FU Berlin Informatik Technische Informatik & Telematik Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller

2 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.2 Übersicht über die Vorlesung Einführung Einsatzszenarien Begriffsdefinitionen Herausforderungen Technische Grundlagen Wellenausbreitung, Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Sender/Empfänger, Modulation Medienzugriff SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Kollisionsvermeidung, Polling Drahtlose Telekommunikationssysteme GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000 Satellitensysteme GEO, LEO, MEO, routing, handover Broadcast-Systeme DAB, DVB Drahtlose LANs Techniken, Einsatzgebiete IEEE a/b/g,.15, Bluetooth Netzwerkprotokolle Mobile IP Ad-hoc Netze Wegwahl Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität Mobilitätsunterstützung Dateisysteme, WWW, WAP, i- mode, J2ME, … Ausblick

3 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.3 Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen – viele Aspekte Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf

4 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.4 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)

5 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.5 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 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 , ETSI (HIPERLAN) im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM

6 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.6 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

7 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.7 Typische Anwendung: Straßenverkehr ad hoc UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA,... Personal Travel Assistant, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,...

8 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.8 Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected UMTS 2 Mbit/s UMTS, GSM 384 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s GSM/GPRS 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, DSL/WLAN 3Mbit/s DSL/WLAN 3 Mbit/s

9 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS051.9 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

10 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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

11 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Mobile Endgeräte L e i s t u n g Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Grafikanzeigen PDA/Smartphone Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme Laptop/Notebook voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems

12 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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, 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

13 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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

14 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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 ( ): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) H. Hertz ( ): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum (1888 in Karlsruhe)

15 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) 1915Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1920Entdeckung 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) 1926Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse

16 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, Teilnehmer 1972B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muss bekannt sein) ebenso in A, NL und LUX, Teilnehmer in D 1979NMT, 450 MHz (Skandinavien) 1982Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming 1983Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) 1984CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone

17 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, , 98% Flächendeckung 1991Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) MHz, ~ m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere Nutzer/km 2, Nutzung in 50 Ländern 1992Start 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,...

18 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in D (Ende % der Bevölkerung erreichbar) 1996HiperLAN (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) 1997Wireless LAN - IEEE IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher 1998Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon

19 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard b, 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 2000GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert) UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. für 6 Lizenzen bezahlt) 2001 Start von 3G-Systemen cdma2000 in Korea (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan

20 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick MobiltelefoneSatelliten drahtlose LAN schnurlose Telefone 1992: GSM 1994: DCS : IMT : CT : Inmarsat-A 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium 1989: CT : DECT 199x: proprietary 1997: IEEE : b, Bluetooth 1988: Inmarsat-C analog digital 1991: D-AMPS 1991: CDMA 1981: NMT : NMT : CT0 1984: CT1 1983: AMPS 1993: PDC 4G – Vierte Generation: wann und wie? 2000: GPRS 2000: IEEE a 200?: Vierte Generation (Internet basiert)

21 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Grundlage: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M IMT-2000 Konzepte und Ziele M Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M Satelliten in IMT-2000 M IMT-2000 für Entwicklungsländer M 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

22 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998) Amerika Europa Japan andere total

23 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Finnland Schweden Norwegen Dänemark Italien Luxemburg Portugal Österreich Irland Schweiz Großbritannien Niederlande Frankreich Belgien Spanien Griechenland Deutschland 2005: 70-90% Durchdringung in Westeuropa

24 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Weltweites Teilnehmerwachstum Ab 2000 flacht die Kurve ab – 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer Teilnehmer [Millionen]

25 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002) Asien/Pazifik; 36,9 Europa; 36,4 Amerika 22 Afrika; 3,1 Mittlerer Osten; 1,6 2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert

26 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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 M Global Phone Sales 2Q M main.htm #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 Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc.

27 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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...

28 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Medium Sicherung Bitübertragung Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Sicherung Bitübertragung Netzwerk Funk

29 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht

30 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS 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: Netzwerkprotokolle Kapitel 9: Transportprotokolle Kapitel 10: Mobilitätsunterstützung

31 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, SS Overlay-Netzwerke – das globale Ziel Regionalnetze Stadtnetze Campusnetze Gebäudenetze Vertikaler Handover Horizontaler Handover Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika


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