Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

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?

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

The world gets wireless: Moore’s Law

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

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?

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

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Vorlesungsübersicht

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

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 Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“

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 Gerätetypen im Schnelldurchlauf

 Anwendungen

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 Offene Forschungsthemen

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Vorlesungsübersicht

Drahtlose Netztypen

Infrastrukturbasiert

Infrastrukturlos (ad-hoc)

Infrastrukturknoten (Basisstation)

mobiles/drahtloses Gerät

Singlehop

Multihop

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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Vorlesungsübersicht

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

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

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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 Ortsabhängige Dienste

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Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

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

Typische Anwendung: Straßenverkehr

UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM,

Cdma2000, TETRA, ...

Personal Travel Assistant, PDA, Laptop,

GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...

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

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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

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

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

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

 …

Übersicht

Motivation und Begriffsbildung

Geschichte der drahtlosen Kommunikation Vereinfachtes Referenzmodell

Vorlesungsübersicht

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)

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 Kurzwellenübertagung durch Marconi

 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

Geschichte der drahtlosen Kommunikation II

1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 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

Geschichte der drahtlosen Kommunikation III

1986 C-Netz in Deutschland

 analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation

 bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98%

Flächendeckung

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 50 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 weit über 200 Ländern

Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV

1994 E-Netz in Deutschland

 GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen

 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

 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 (IMT-2000: einheitliches Rahmenwerk der ITU für zukünftige Kommunikationssysteme)

Iridium

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 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, UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in

History of wireless communication VI

2002

 WLAN hot-spots start to spread

2003

 UMTS starts in Germany

 Start of DVB-T in Germany replacing analog TV

2005

 WiMax starts as DSL alternative (not mobile)

 first ZigBee products

2006

 HSDPA starts in Germany as fast UMTS download version offering > 3 Mbit/s

 WLAN draft for 250 Mbit/s (802.11n) using MIMO

 WPA2 mandatory for Wi-Fi WLAN devices

2007

 over 3.3 billion subscribers for mobile phones (NOT 3 bn people!)

2008

 “real” Internet widely available on mobile phones (standard browsers, decent data rates)

 7.2 Mbit/s HSDPA, 1.4 Mbit/s HSUPA available in Germany, more than 100 operators support HSPA worldwide, first LTE tests (>100 Mbit/s)

2009 – the story continues with netbooks, iphones, VoIPoWLAN…

2010 – LTE available in some cities, new frequencies allocated

 Reuse of old analog TV bands, LTE as DSL replacement for rural areas