Seminarbeitrag Drahtlose Kommunikation für den Einsatz im Ubiquitous Computing Arndt Buschmann WS 2001/2002

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 2 Drahtlose Kommunikation 1. Überblick 2. Drahtlose Telekommunikationssysteme 3. Bluetooth

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 3 Ubiquitous Computing Allgegenwärtigkeit von Informationsverarbeitung jederzeitige Zugriff auf Informationen von beliebiger Stelle Verschwinden bzw. Einbetten von IT-Komponenten in Gebrauchsgegenstände Verwendung des Begriffs Pervasive Computing im ähnlichen Zusammenhang Drahtlose Kommunikation hat bedeutende Stellung mobile vernetzte Systeme möglich keine Kabel nötig

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 4 Drahtlose Kommunikation Mobilfunknetze haben in den vergangenen Jahren einen großen Aufschwung erlebt bereits mehr Mobilfunkanschlüsse als Festnetzanschlüsse vorhanden im Vordergrund steht jedoch weiterhin die mobile Telefonie Ubiquitous Computing findet in rudimentärer Weise bereits heute statt (WAP – Wireless Application Protocol) weitere Nutzung drahtloser Netze: Vernetzung historischer Gebäude schneller Aufbau von Netzen weniger anfällig gegenüber Katastrophen, wie Erdbeben und Feuer

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 5 Eigenschaften und Probleme drahtloser Netze Infrastrukturnetze Ad-hoc-Netzwerke drahtlose Netze festverdrahtete Netze niedrigere Übertragungsrate begrenztes Frequenzspektrum, oftmals nationale Restriktionen mehr Interferenzen, ausgelöst durch Motoren, Mikrowellengeräte, etc. Störungen sind weder ortsfest noch zeitabhängig Sicherheit Endgeräte bieten nur eingeschränkte Rechenleistung aufgrund ihrer Größe und Batterieleistung zum Teil neue Übertragungsprotokolle nötig Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf Mensch und Natur?

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 6 Anforderungen an die Kommunikationstechnologien Anforderungen an die Anwendungen Übertragungsrate, Rechenleistung der Endgeräte, Robustheit und Sicherheit bei z.B. Bankgeschäften steht Sicherheit im Vordergrund Videokonferenzen erfordern hohe Übertragungsrate und geringe bzw. konstante Übertragungsverzögerungen Anforderungen an die Kommunikationskomponenten kleine, leichte und preisgünstige Endgeräte Infrastruktur sollte einfach, günstig, leicht erweiterbar sein und sich in die Umgebung einfügen weltweiter Einsatz erfordert Standardisierung

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 7 Überblick Kommunikationstechnologien Satellitenfunk (große Reichweite) GEO (Geostationery Earth Orbit) in km Höhe MEO (Medium Earth Orbit) in km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in 700 – 2000 km Höhe hohe Signallaufzeiten, jedoch auch hohe Datenraten möglich geplante bzw. existierende Systeme: IRIDIUM GLOBALSTAR ICO Unternehmen konnten nur wenig Kunden gewinnen, stehen teilweise bereits vor dem wirtschaftlichen Bankrott Drahtlose Telekommunikationssysteme (mittlere Reichweite) GSM, GPRS, HSCSD, EDGE, UMTS

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 8 Überblick Kommunikationstechnologien Drahtlose lokale Netze (kleine Reichweite) IEEE (wireless LAN, WLAN) verbreiteter Standard, Datenrate 1–2 Mbit/s spezifiziert Bitübertragungsschicht und Medienzugriff, ähnlich CSMA/CD, Token Ring und Token Bus als phy. Medien werden Infrarot- und Funkübertragung genutzt Erweiterungen a und b bieten höhere Datenraten IrDA (Infrared Data Association) Infrarotstandard, Datenrate bis 4 Mbit/s oft in Mobilrechnern genutzt anfällig gegenüber Interferenzen DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) Standard für das schnurlose Telefon Übertragung von Sprache und Daten in räumlich begrenzten Gebieten IEEE WPAN (Wireless Personal Area Networks) unter IEEE , Bluetooth

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 9 Drahtlose Telekommunikationssysteme

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 10 GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme GSM (Global System for Mobile Communications) ursprünglich paneuropäischer Standard, heute in 135 Länder übernommen unterstützt Roaming, eine europaweite Nutung der mobilen Endgeräte nutzt Funkübertragung mit Frequenzen um 900, 1800 und 1900 MHz Sprach- und Datendienste bis 9600 kbit/s Zugangskontrolle durch Chipkarten verschiedene Verschlüsselungsverfahren auf der Funkstrecke Nutzung einer Zellstruktur, um das Einzugsgebiet eines Anbieters einzuteilen (zwischen 100 m und 35 km Ø je Zelle)

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 11 Die GSM – Systemkomponenten BSS – Base Station Subsystem BSC – Base Station Controller BTS – Base Transceiver Station MS – Mobile Station MSC – Mobile Switching Center HLR – Home Location Register VLR – Visitor Location Register GMSC – Gateway MSC Festnetz BSC MSC GMSC VLR HLR VLR MS BSS

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 12 Das GSM - Protokoll Zugriff auf die Luftschnittstelle Frequenzmultiplexverfahren (FDMA – Frequency Division Multiple Access) senden (uplink) auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen 890 und 915 MHz empfangen (downlink) auf 124 Kanälen zu je 200 kHz zwischen 935 und 960 MHz Zeitmultiplexverfahren (TDMA – Time Division Multiple Access) Rahmen von 5 ms Länge mit 8 Zeitschlitzen

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 13 Erweiterungen HSCSD, GPRS und EDGE ermöglichen höhere Datenraten auch 2,5G-Systeme, GSM UMTS BezeichnungHSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) GPRS (General Packet Radio Service) EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) Technikzusammenfassen mehrerer GSM- Zeitschlitze paketorientierte Datenübertragung QPSK-Modulation mit GSM- Frequenzen ProblemeBlockierung der Kanäle, neue End- geräte neue BTS und Endgeräte enorme Investitionen (Infrastruktur u.a.)

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 14 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) weltweit einheitliches Mobilfunknetz mit Bezeichnung IMT-2000 Funkübertragungsverfahren kann an zwei unterschiedliche Netzinfrastrukturen angeschlossen werden (GSM und Ansi41er-Netze) Frequenzspektrum zwischen MHz und MHz Lizenzvergabe ist den Nationalstaaten überlassen Versteigerung der Lizenzen in Deutschland für knapp 100 Milliarden DM T-Mobil, Viag Interkom, Mannesmann Mobilfunk, Group 3G, E-Plus je ca. 17 Milliarden DM Versorgungspflicht der Anbieter: bis % und bis % der Bevölkerung

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 15 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Datenübertragung und Sicherheit Verwendung von WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) alle Teilnehmer verwenden gleichen breitbandigen Kanal individuell zugeteilter Code trennt die Daten auf dem Medium hohe Bandbreitenbeanspruchungen gleichen sich mit niedrigeren aus; Zellatmung Handover in klassische GSM-Netz möglich Datendurchsätze von bis zu 2 MBit/s abhängig von Geschwindigkeit des Empfängers hohe Geschwindigkeit (<500 km/h) 144 kbit/s mittlere Geschwindigkeit (<120 km/h) 384 kbit/s niedrige Geschwindigkeit (<10 m/s) 2 Mbit/s

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 16 Fazit: Drahtlose Telekommunikationssysteme neue drahtlose Telekommunikationssysteme verwenden Paketvermittlung anstatt der traditionellen Leitungsvermittlung bessere Ausnutzung der Kapazitäten durch Datendienste verbesserte Abhörsicherheit, flexible Dienstauswahl, weltweite Verfügbarkeit und höherer Datendurchsatz erfüllt Anforderungen des Ubiquitous Computing mit neuen Anwendungen Videokonferenzen, Surfen im Internet, Spiele usw. werden möglich Endgeräte noch nicht verfügbar, mit ersten Systemen ist Ende 2002 zu rechnen

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 17 Bluetooth

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 18 Bluetooth nicht lizenzpflichtiges Funkverfahren drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten (Drucker, Notebooks, PDAs) an stationäre Rechner Entwicklung durch die Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) Gründung 1998 durch Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba späterer Beitritt von Microsoft, Motorola, Lucent Technologies und 3Com Ziele des Konsortiums: möglichst preisgünstiger Chip Ablösung des Infrarotstandards keine optische Verbindung nötig höhere Übertragungsreichweiten Punkt-zu-Mehrpunkt Verbindungen soll in den IEEE Standard übernommen werden

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 19 Technik und Datenübertragung Nutzung des Industrial-, Scientific- und Medical- Frequenzband (zwischen 2,402 – 2,48 GHz) Zeitmultiplexverfahren mit Frequency Hopping Verwendung von 32 der 79 1 MHz Kanäle (bis 1600 Hops/s) Reduzierung der Auswirkungen von Interferenzen durch b LANs, Babyfon, schnurlose Telefone Reichweite bei einer Leistung von 100mW bis zu 10m Datenübertragung: Asymmetrische und symmetrische Daten- und Sprachübertragung möglich Downlink 57,6 kbit/s und Uplink 721 kbit/s

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 20 Netzwerkstruktur Ad-hoc-Netzwerk (2-8 Geräte bilden ein Piconetz) Master steuert das Frequenzhopping, Slaves synchronisieren sich auf den Master jedes Gerät besitzt 3-bit Adresse mehrere Piconetze können zu einem Scatternet verbunden werden Pikonetze

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 21 Stromsparmodi und Sicherheit verschiedene Energiesparmodi um möglichst lang von ext. Stromzufuhr unabhängig zu sein: Sleep/Park Modus mit einem Verbrauch von 30 µA Hold Modus mit einem Verbrauch von 60 µA Sniff/Bereitschaftsmodus mit einem Verbrauch von 300 µA Sende/Empfangsmodus mit einem Verbrauch von 3-30 mA Sicherheit auf MAC-Schicht Authentifizierungs- und Verschlüsselungs- routinen Authentifizierung durch Public-Key-Verfahren Stromchiffre zur Verschlüsselung weitere Verschlüsselungsmaßnahmen auf höheren Schichten möglich

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 22 Fazit: Bluetooth viel versprechende Technik ermöglicht Anbindung an andere Netze u.a. UMTS- Geräte keine Sichtverbindung nötig transparente Datenübertragung im Hintergrund bessere Verschlüsselungsmethoden als IEEE preiswerte Chips, niedriger Energieverbrauch und breite Unterstützung der Hersteller erste Geräte sind bereits verfügbar

Seminarbeitrag Drahtlose KommunikationFolie: 23 Quellen M. Satyanarayanan, Pervasive Computing: Vision and Challenge, IEEE Personal Communications, August 2001 Jürgen Göbel, Kommunikationstechnik, Hüthig 1999 UMTS-Forum, Bluetooth SIG, Specification of the Bluetooth System, 22. Februar 2001 Jochen Schiller, Mobilkommunikation – Techniken für das allgegenwärtige Internet, Addison Wesley 2000