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

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

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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" 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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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 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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Verfügbare Frequenzspektrum Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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 4 M Blue- tooth Datenrate [Bit/s] DECT Bündelfunk Schmalband 56 M WLAN-5 IEEE802.11a WLAN-5 Bridging Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Klassifikation Lokale drahtlose Netzwerke RC5, IRDA IEEE 805.11b IEEE 805.11a DECT BlueTooth Erdnahe Systeme Satellitenbasierte Systeme 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) Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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

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

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

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

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

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

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

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Funkzellengröße Type Abdeckung Verwendung Leistung kontinental Satellit Fernsehen, Telefon 200 W + Richtgewinn Funktürme Region Radio, Fernsehen Mega-Watt cellulär Bezirk, 30 km C-, D-Netz Telefon 20 W Mini-Cellen Bezirk, 20 km E-Netz Telefon Mikro-Cellen Gebäude WLAN 200 mW Nano-Cellen Raum BlueTooth 20 mW Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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

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

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

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

Modifikation für Funk: (CS) MA-CA Multiple Access with Collision Avoidance Verwendung bei IEEE 802.11 WLAN Station A Station B RTS-Reichweite CTS-Reichweite RTS B CTS C Data Ack A A und C hören sich nicht Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Funktechnik Technik Cellengröße Modulation Zugriff GSM 20Km GMSK Zuweisung HSCSD Zuweisung + Kanalbündelung GPRS TDMA UMTS 10Km CDMA CDMA + Zuweisung WLAN 802.11b 30m DSSS + Chipping MACA MCM Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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) Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Bandbreiten-Entwicklung im Mobilfunk 2 Mbit/s UMTS / 580 MHz UMTS 400 kbit/s EDGE 384 kbit/s pro Zelle GPRS 115,2 kbit/s pro Zelle WAP Internet- Zugang 100 kbit/s 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 HSCSD 14.4-57.6 kbit/s pro user Quelle: Dataquest /Gartner Group 1999 2000 2002 2005 2010 Die Übertragungsraten steigen und nähern sich den heute im Festnetz verfügbaren Raten Die Anwendungen werden vielseitiger und multimedialer Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Strahlen schutz Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Grenzwerte Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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) Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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 300 175, European Telecommunication Standards Institute) DECT setzte sich gegenüber CT2 / CT3 und dem japanischen PHS durch 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) Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Der Standard “DECT” 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) Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Satellitensysteme Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Globale Kommunikationssysteme Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Frequenzen Band Frequenz Anwendung Anmerkung C 4-6 GHz USA Fernsehen >3 Meter Schüsseln Ku 10 -18 GHz Fernsehen Weit verbreitet Ka 20-30 GHz Wetter V 40-50 GHz zukünftig Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Flächendeckende Systeme 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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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 Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

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

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, 802.11a: a very High Speed, Highly Scalable Wireless LAN Standard, White Paper Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006