Mobilkommunikation Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf Mobilkommunikation: Einführung 1.0.1

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 802.11, ETSI (HIPERLAN) im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM Mobilkommunikation: Einführung 1.2.2

Anwendungen I Fahrzeuge Notfälle 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 Mobilkommunikation: Einführung 1.4.1

Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA, ... ad hoc Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ... Mobilkommunikation: Einführung 1.22.1

Anwendungen II Handelsvertreter Ersatz eines Festnetzes 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 Erbaut 1645 Mobilkommunikation: Einführung 1.5.2

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 Mobilkommunikation: Einführung 1.6.2

Mobile Endgeräte L e i s t u n g Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten PDA einfache Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Laptop voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Textanzeigen L e i s t u n g Mobilkommunikation: Einführung 1.7.2

Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte) 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 Mobilkommunikation: Einführung 1.8.2

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. 9,6kbit/s mit GSM bis zu 2MBit/s UMTS (pro Basisstation) 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 Mobilkommunikation: Einführung 1.9.1

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 Mobilkommunikation: Einführung 1.11.2

Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1920 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) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Mobilkommunikation: Einführung 1.12.3

Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1932 Erstes Lehrfernsehen: CBS W2XAB 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958 A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer 1972 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 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 Mobilkommunikation: Einführung 1.13.2

Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation abgeschaltet in 2000 1991 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 40 Ländern 1992 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 über 150 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ... Mobilkommunikation: Einführung 1.14.3

Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen, derzeit 11 Länder als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar) 1996 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) 1997 Wireless LAN - IEEE802.11 IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium – abgeschaltet in 2000: Pleite! Inzwischen wieder eingeschaltet! 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon Mobilkommunikation: Einführung 1.15.2

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) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 115,2kbit/s 2002? Start von UMTS als Test Mobilkommunikation: Einführung 1.26.1

Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick schnurlose Telefone drahtloses LAN Mobiltelefone Satelliten 1980: CT0 1981: NMT 450 1982: Inmarsat-A 1984: CT1 1983: AMPS 1986: NMT 900 1987: CT1+ 1988: Inmarsat-C 1991: CDMA 1991: D-AMPS 1989: CT 2 199x: proprietär 1991: DECT 1992: GSM 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1995/96/97: IEEE 802.11, HIPERLAN 1993: PDC 1994: DCS 1800 1998: Iridium analog 2005?: MBS, WATM 2005?: UMTS/IMT-2000 digital Mobilkommunikation: Einführung 1.16.3

Zukunft: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 IMT-2000 Konzepte und Ziele M.816-1 Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M.818-1 Satelliten in IMT-2000 M.819-2 IMT-2000 für Entwicklungsländer M.1034-1 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 http://www.itu.int/imt Mobilkommunikation: Einführung 1.17.1

Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie 700 600 500 Amerika 400 Europa Japan 300 andere total 200 100 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Mobilkommunikation: Einführung 1.23.1

Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 10 20 30 40 50 60 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland Mobilkommunikation: Einführung 1.19.2

Mobilfunkmarkt in Deutschland 35 Mobilfunkteilnehmer Endgeräteabsatz 30 (Angaben in Millionen) 25 20 15 10 5 Prognose 1996 1997 1998 1999 2000 Mobilkommunikation: Einführung 1.20.2

Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Medium Funk Mobilkommunikation: Einführung 1.24.1

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 Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Mobilkommunikation: Einführung 1.10.3

Kapitelübersicht Kapitel 11: Mobilitätsunterstützung Kapitel 10: Transportprotokolle Kapitel 9: Netzwerkprotokolle Kapitel 4: Telekommunikations- systeme Kapitel 5: Satelliten Systeme Kapitel 6: Broadcast Systeme Kapitel 7: Drahtlose LANs Kapitel 8: Drahtloses ATM Kapitel 3: Medienzugriff Kapitel 2: Technische Grundlagen Mobilkommunikation: Einführung 1.25.1

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 Mobilkommunikation: Einführung 1.21.1

Computer für das nächste Jahrhundert? 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“) Mobilkommunikation: Einführung 1.1.1

Overlay-Netzwerke Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze Vertikaler Handover Stadtnetze Campusnetze Horizontaler Handover Gebäudenetze Mobilkommunikation: Einführung 1.3.1