Drahtlose Kommunikation

Drahtlose Kommunikation

Einführung

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung

 Inhalt und Relevanz der Vorlesung

 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

 Ortsabhängige Dienste

 Offene Forschungsthemen

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

Topic of “Wireless Communication”

Ever wondered what really happened after, for example:

 Using a cellular phone to make a call while sitting in a train?

 Using the wireless local area network at Uni Koblenz-Landau?

How does data get from one mobile device to another, using wireless communication?

What communication systems and protocols are necessary to enable this functionality?

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 3

Topic of “Wireless Communication”

This lecture is about basic architecture and protocol mechanisms

 Attempts to give an overview of all important components

 For both local data communication and telecommunication

It is partially about specific technical solutions

 But tries to focus more on principles, as specific technical solutions come and go quite quickly

It is NOT (or very little) about the electrical engineering aspects of wireless communication

 Though some fundamentals are introduced were necessary; the course is in this sense self-contained

Drahtlose Kommunikation aus Informatik-Sicht

Informatik als Bindeglied zwischen Elektrotechnik/Physik und den Endanwendungen

 Dazwischen liegt der „Protokollstapel“ mit einer großen Facette an Informatik-Problemen

Systemnahes Verständnis

 Verwendete Hardware

 Physikalische Eigenschaften (der drahtlose Kanal)

 Etwas Vokabular der E- und Nachrichtentechniker

 Wenn man in die Verlegenheit kommt in ein Engineering-Buch zu schauen

 (z.B. Blick in den Rappaport zur Wahl geeigneter Simulationsmodelle)

Algorithmisches Verständnis

 Siehe geplante Vorlesung „Lokale Netzstrukturen“

 Vorlesung befasst sich mit algorithmischen und graphtheoretischen Fragen zu lokal organisierten Netzen

 Ein großer Teil davon sind algorithmischen Fragen zu drahtlosen (multihop) Netzen

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 5

The world gets wireless: Moore’s Law

7

The world gets wireless: Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale

one mainframe for many desktop PC for one many devices for one

Size Number

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 …

Are we facing an important problem? Yes: today already …

Largest networked system Largest number of subscribers

Mobile devices dominate the Internet Mobile applications dominate Internet

usage

Technology fully integrated into everybody's life almost 24/7, almost anywhere

And the future?

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 9

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung

 Inhalt und Relevanz der Vorlesung

 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

 Ortsabhängige Dienste

 Offene Forschungsthemen

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

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

 

 

 

 

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

WS 12/13 11

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Motivation und Begriffsbildung

 Inhalt und Relevanz der Vorlesung

 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

 Ortsabhängige Dienste

 Offene Forschungsthemen

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

Drahtlose Netztypen

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Infrastrukturbasiert

Infrastrukturlos (ad-hoc)

Infrastrukturknoten (Basisstation)

mobiles/drahtloses Gerät

Singlehop

Multihop

WS 12/13 13

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

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 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

 Ortsabhängige Dienste

 Offene Forschungsthemen

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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 15

Mobile Endgeräte

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

www.scatterweb.net

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Auswirkungen der Endgeräteportabilität

Leistungsaufnahme

 begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung

 CPU: Leistungsaufnahme ~ V²f

 V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt (Grenzen aufgrund von Leckströmen)

 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 als Alternative

WS 12/13 17

Weitere Gerätetypen

Mobile Geräte umfassen eine Teilmenge der Geräte mit Drahtlosschnittstelle

Des Weiteren werden häufig Infrastrukturknoten mit Drahtlosschnittstelle vorausgesetzt

 WLAN Access-Points

 Basisstationen bei der Mobiltelefonie

 Satelliten für Satellitenkommunikationssysteme

 Rundfunkstationen für Broadcast-Dienste (z.B. TV, Radio)

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Motivation und Begriffsbildung

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 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 19

Anwendungen I

Offensichtliche Anwendungen

 Stetige Verbindung mit dem Internet (und den üblichen Diensten)

 Mobiltelefonie

Verkehrstelematik (siehe Bild auf der nächsten Folie)

 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

Ersatz der drahtgebundenen Infrastruktur

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Typische Anwendung: Straßenverkehr

UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM,

Cdma2000, TETRA, ...

Personal Travel Assistant, PDA, Laptop,

GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...

WS 12/13 21

Anwendungen II

Ersatz eines Festnetzes

 abgeschiedene Messstationen, z.B. Wetter, Flusspegel

 Vernetzung historischer Gebäude

Freizeit, Unterhaltung, Information

 tragbarer Reiseführer mit

aktuellen Informationen vor Ort

 Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele

Wireless sensor networks

Small embedded devices; no specific owner Equipped with sensors

With wireless communication capabilities

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

WS 12/13 23

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 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

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WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

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

WS 12/13 25

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung

 Inhalt und Relevanz der Vorlesung

 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

 Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive

 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

 Ortsabhängige Dienste

 Offene Forschungsthemen

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation

Drahtlose Kommunikation

 Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung)

 Modulation, Codierung

 Medienzugriff

 ...

Mobilität

 Ortsabhängige Dienste

 Transparenz des Aufenthaltsorts

 ...

Portabilität

 Leistungsaufnahme

 eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ...

 Handhabbarkeit

 ...

Drahtlose Netze ohne Infrastruktur

 Netzorganisation

 Datenkommunikation

 …

WS 12/13 27

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Einführung

Erfindungen und Entdeckungen

Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt

 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

(1888 in Karlsruhe)

WS 12/13 29