Mobilkommunikation
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Mobilkommunikation Universität Potsdam Informatik Lehr- und Lernsequenzen http://www.802.11b.de.ms/lul/ Ronald Nitschke, Alexander Heine Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 1 Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 2 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 etc. („Overlaynetzwerke“) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 3 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 8 8 9 9 8 9 8 9 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 4 Anwendungen Fahrzeuge 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 5 Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA, ... ad ho c Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ... Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 6 Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected LAN, WLAN 780 kbit/s GSM 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS, DECT 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, WLAN 780 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s Alexander Heine, Ronald Nitschke UMTS, GSM 384 kbit/s Stunde 1 – Folie 7 Anwendungen Handelsvertreter 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke History Info Stunde 1 – Folie 8 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 9 Mobile Endgeräte Pager • nur Empfang • sehr kleine Anzeigen • einfache Textnachrichten PDA • einfache Grafikanzeigen • Handschrifterkennung • vereinfachtes WWW Laptop • voll funktionsfähig • Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone • Sprache, Daten • einfache Textanzeigen Palmtops • kleine Tastatur • einfache Versionen der Standardprogramme Leistung Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 10 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f z C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert z V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt z f: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 11 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 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 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 12 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 (1888 in Karlsruhe) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 13 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 1907 1915 1920 1926 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 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) Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 14 Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 1933 1958 1972 1979 1982 1983 1984 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer 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 NMT, 450 MHz (Skandinavien) Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 15 Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 1991 1992 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 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 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 170 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ... Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 16 Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 1996 1997 1998 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar) 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) Wireless LAN - IEEE802.11 IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 17 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) 2000 Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert) UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe 2001 Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. € für 6 Lizenzen bezahlt) Start von 3G-Systemen cdma2000 in Korea (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 18 Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick Mobiltelefone Satelliten 1983: AMPS 1982: Inmarsat-A 1984: CT1 1986: NMT 900 1987: CT1+ 1988: Inmarsat-C 1991: CDMA 1991: D-AMPS 1989: CT 2 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1993: PDC 1994: DCS 1800 analog drahtlose LAN 1980: CT0 1981: NMT 450 1992: GSM schnurlose Telefone 1991: DECT 1998: Iridium 2000: GPRS 199x: proprietary 1997: IEEE 802.11 1999: 802.11b, Bluetooth 2000: IEEE 802.11a 2001: IMT-2000 digital 4G – Vierte Generation: wann und wie? Alexander Heine, Ronald Nitschke 200?: Vierte Generation (Internet basiert) Stunde 1 – Folie 19 Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998) 700 600 500 Amerika Europa Japan andere total 400 300 200 100 0 1996 1997 Alexander Heine, Ronald Nitschke 1998 1999 2000 2001 Stunde 1 – Folie 20 Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland 0 10 20 30 40 50 60 2002: 50-70% Durchdringung in Westeuropa Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 21 Weltweites Teilnehmerwachstum 1200 Teilnehmer [Millionen] 1000 800 600 400 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Ab 2000 flacht die Kurve ab Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 22 Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002) Mittlerer Osten; 1,6 Afrika; 3,1 Amerika 22 Asien/Pazifik; 36,9 Europa; 36,4 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 23 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 ... Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 24 Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Bitübertragung Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Funk Alexander Heine, Ronald Nitschke Bitübertragung Medium Stunde 1 – Folie 25 Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Alexander Heine, Ronald Nitschke Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Stunde 1 – Folie 26 Mobilkommunikation Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung Alexander Heine, Ronald Nitschke Multiplextechniken Spreizspektrumtechnik Modulationstechniken Zellenstrukturen Stunde 2+3 – Folie 1 Frequenzbereiche für die Kommunikation verdrillte Drähte 1 Mm 300 Hz Koaxialkabel 10 km 30 kHz VLF LF 100 m 3 MHz MF HF Hohlleiter 1m 300 MHz VHF UHF VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) VHF = Very High Frequency (UKW-Radio) 10 mm 30 GHz SHF optische Übertragung 100 µm 3 THz EHF 1 µm 300 THz Infrarot Sichtbares UV UHF = Ultra High FrequencyLicht SHF = Super High Frequency EHF = Extra High Frequency UV = Ultraviolettes Licht Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge: λ = c/f mit Wellenlänge λ, Lichtgeschwindigkeit c ≅ 3x108m/s, Frequenz f Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 2 Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation VHF-/UHF-Bereich für Mobilfunk Frequenzen ab SHF-Bereich für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation handhabbare, einfache Fahrzeugantennen Ausbreitungsbedingungen vorhersehbar für zeitlich zuverlässige Verbindungen (wenig Überreichweiten, nicht zu stark reflektierte Wellen) überschaubare Antennenabmessungen mit starker Bündelwirkung größere Bandbreiten verfügbar Für drahtlose LANs Frequenzen ab UHF-Bereich bis SHF-Bereich geplant auch bis in EHF-Bereich Begrenzung durch Resonanz von Molekülen (Wasser, Sauerstoff etc.) z damit starke witterungsbedingte Dämpfungen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 3 Frequenzen und Regulierungen Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche (WRC, World Radio Conferences) Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich: C e llu la r Phones C o r d le s s Phones W ir e le s s LANs O th e r s E u ro p e USA Japan G S M 4 5 0 -4 5 7 , 4 7 9 4 8 6 /4 6 0 -4 6 7 ,4 8 9 4 9 6 , 8 9 0 -9 1 5 /9 3 5 960, 1 7 1 0 -1 7 8 5 /1 8 0 5 1880 U M T S (F D D ) 1 9 2 0 1 9 8 0 , 2 1 1 0 -2 1 9 0 U M T S (T D D ) 1 9 0 0 1 9 2 0 , 2 0 2 0 -2 0 2 5 C T 1 + 8 8 5 -8 8 7 , 9 3 0 932 CT2 8 6 4 -8 6 8 DECT 1 8 8 0 -1 9 0 0 IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3 H IP E R L A N 2 5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 4 7 0 5725 R F -C o n tr o l 27, 128, 418, 433, 868 AM PS, TDM A, CDM A 8 2 4 -8 4 9 , 8 6 9 -8 9 4 TDM A, CDM A, G SM 1 8 5 0 -1 9 1 0 , 1 9 3 0 -1 9 9 0 PDC 8 1 0 -8 2 6 , 9 4 0 -9 5 6 , 1 4 2 9 -1 4 6 5 , 1 4 7 7 -1 5 1 3 P A C S 1 8 5 0 -1 9 1 0 , 1 9 3 0 1990 P A C S -U B 1 9 1 0 -1 9 3 0 PHS 1 8 9 5 -1 9 1 8 JCT 2 5 4 -3 8 0 9 0 2 -9 2 8 IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3 5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 7 2 5 -5 8 2 5 IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 7 1 -2 4 9 7 5 1 5 0 -5 2 5 0 R F -C o n tr o l 315, 915 R F -C o n tr o l 426, 868 Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 4 Signale I Physikalische Darstellung von Daten Zeitabhängig oder ortsabhängig Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren Einteilung in Klassen nach Eigenschaften: zeitkontinuierlich oder zeitdiskret wertkontinuierlich oder wertdiskret Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich Digitalsignal = zeit- und wertdiskret Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/T, Amplitude A, Phasenverschiebung ϕ Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal: s(t) = At sin(2 π ft t + ϕt) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 5 Fourier-Repräsentation periodischer Signale ∞ ∞ 1 g (t ) = c + ∑ an sin( 2πnft ) + ∑ bn cos( 2πnft ) 2 n =1 n =1 1 1 0 0 t ideales periodisches Signal Alexander Heine, Ronald Nitschke t reale Komposition (basierend auf Harmonischen) Stunde 2+3 – Folie 6 Signale II Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel θ werden in Polarkoordinaten aufgetragen) Q = M sin θ (Quadrature) A [V] A [V] t[s] ϕ I = M cos θ (In-phase) ϕ f [Hz] Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 7 Antennen: isotroper Punktstrahler Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Felder Isotroper Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen gleichmäßig ab (nur theoretische Bezugsantenne) Reale Antennen haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder Horizontalebene Veranschaulichung im Richtdiagramm (durch Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt) y z z y x Alexander Heine, Ronald Nitschke x idealer isotroper Punktstrahler Stunde 2+3 – Folie 8 Antennen: einfache Dipole Technische Antennen sind keine isotropen Punktstrahler, aber z.B. Viertelwellenstrahler (auf gut leitendem Grund wie ein Fahrzeigdach) und Halbwellendipole Î Abmessung einer Antenne ist proportional zur Wellenlänge λ/4 Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols y y x Seitenansicht (xy-Ebene) λ/2 z z x einfacher Dipol Seitenansicht (yz-Ebene) von oben (xz-Ebene) Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 9 Antennen: gerichtet und mit Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) y y x z z Seitenansicht (xy-Ebene) x Seitenansicht (yz-Ebene) gerichtete Antenne von oben (xz-Ebene) z z x von oben, 3 Sektoren Alexander Heine, Ronald Nitschke x Sektorenantenne von oben, 6 Sektoren Stunde 2+3 – Folie 10 Antennen: Diversität Gruppierung von 2 oder mehr Antennen Antennenfelder mit mehreren Elementen Antennendiversität Umschaltung/Auswahl z Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Kombination z Kombination der Antennen für einen besseren Empfang z Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden λ/2 λ/4 λ/2 + λ/4 λ/2 λ/2 + Grundfläche Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 11 Signalausbreitungsbereiche Übertragungsbereich Kommunikation möglich niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich Signalerkennung möglich keine Kommunikation möglich Sender Interferenzbereich Signal kann nicht detektiert werden Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei Alexander Heine, Ronald Nitschke Übertragung Entfernung Erkennung Interferenz Stunde 2+3 – Folie 12 Signalausbreitung Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht) Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger) Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflusst durch Freiraumdämpfung (frequenzabhängig) Abschattung durch Hindernisse Reflexion an großen Flächen Refraktion in Abhängigkeit der Dichte eines Mediums Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen Beugung (diffraction) an scharfen Kanten Abschattung Reflexion Alexander Heine, Ronald Nitschke Refraktion Streuung Beugung Stunde 2+3 – Folie 13 Praxisbeispiele Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 14 Mehrwegeausbreitung Signal kommt aufgrund von Reflexion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an Sendesignal Empfangssignal Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion) Î Interferenz mit Nachbarsymbolen Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen Î je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 15 Auswirkungen der Mobilität Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der Zeit Übertragungswege ändern sich unterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignale unterschiedliche Phasenlage der Signalanteile Î kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading) Zusätzlich ändern sich Entfernung von der Basisstation Hindernisse in weiterer Entfernung langsames Fading Î langsame Veränderungen in der (durchschnittlichen) Empfangsleistung (langsames Fading) schnelles Fading Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 16 Multiplexen Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (ri) Zeit (t) Frequenz (f) Code (c) Kanäle ki k1 k2 k3 k4 k5 k6 c c t t Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums r1 f r2 c Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig! t r3 Alexander Heine, Ronald Nitschke f f Stunde 2+3 – Folie 17 Frequenzmultiplex Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum Vorteile: keine dynamische Koordination k1 k2 k3 k4 k5 k6 nötig c auch für analoge Signale f Nachteile: Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung t unflexibel Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 18 Zeitmultiplex Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt Vorteile: in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem Medium Durchsatz bleibt auch bei hoher Teilnehmerzahl hoch k1 k2 k3 k4 k5 c f Nachteile: genaue Synchronisation nötig t Alexander Heine, Ronald Nitschke k6 Stunde 2+3 – Folie 19 Zeit- und Frequenzmultiplex Kombination der oben genannten Verfahren Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt Beispiel: GSM Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich k1 k2 k3 k4 k5 c f aber: genaue Koordination erforderlich t Alexander Heine, Ronald Nitschke k6 Stunde 2+3 – Folie 20 Codemultiplex Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert k1 k2 Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden Vorteile: k3 k4 k5 c Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation notwendig Schutz gegen Störungen f Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung Realisierung: Spreizspektrumtechnik Alexander Heine, Ronald Nitschke k6 t Stunde 2+3 – Folie 21 Modulation Digitale Modulation digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz Motivation kleinere Antennen (z.B. λ/4) Frequenzmultiplex Mediencharakteristika Varianten Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 22 Modulation und Demodulation digitale Daten 101101001 analoges Basisbandsignal digitale Modulation analoge Modulation Sender Trägerfrequenz analoge Demodulation analoges Basisbandsignal Synchronisation Entscheidung digitale Daten 101101001 Empfänger Trägerfrequenz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 23 Digitale Modulationstechniken Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet 1 0 1 Amplitudenmodulation (ASK): t Frequenzmodulation (FSK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig größere Bandbreite für Telefonübertragung t Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung relativ störungssicher Alexander Heine, Ronald Nitschke t Stunde 2+3 – Folie 24 Fortgeschrittene FSK-Verfahren Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand bis auf den halben Wert der Bitrate verringert werden Î MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying) Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt, die Bitdauer wird dabei verdoppelt Anhand der Bitwerte der beiden Kanäle werden die beiden Trägerfrequenzen mit ihrer Ausrichtung zugeordnet Höhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe Schwingung mehr aus Äquivalent zu Offset-QPSK Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator Î GMSK (Gaussian MSK), z.B. bei GSM, DECT eingesetzt Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 25 Beispiel für MSK als Modulationstechnik 1 0 1 1 0 1 0 Bit Daten gerade 0101 gerade Bits ungerade 0 0 1 1 ungerade Bits Signalwert niedere Frequenz h: hohe bzw. n: niedere Frequenz +: positive bzw. -: negative Ausrichtung hohe Frequenz MSKSignal hnnh - - ++ t Keine Phasensprünge! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 26 Fortgeschrittene PSK-Verfahren Q BPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren spektral ineffizient robust, in Satellitensystemen benutzt 1 10 QPSK (Quaternary Phase Shift Keying): 2 Bits werden in ein Symbol kodiert Symbol entspricht phasenverschobenem Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK benötigt komplexer 0 Q I 11 I 00 01 Oft Übertragung der relativen Phasenverschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.B. IS-136, PHS Alexander Heine, Ronald Nitschke 11 10 00 01 Stunde 2+3 – Folie 27 Quadraturamplitudenmodulation Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren Aufteilung von Bits oder Bitgruppen auf zwei Kanäle getrennte Amplitudenmodulation dieser Kanäle auf zwei um 90° phasenverschobene Träger, die dann addiert werden Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren 2n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren PSK-Verfahren Q 0010 0011 Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol) 0001 0000 I 1000 Alexander Heine, Ronald Nitschke Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude. Stunde 2+3 – Folie 28 Hierarchische Modulation DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-TStrom Datenstrom hoher Priorität (HP) eingebettet in einen mit niederer Priorität (LP) Mehrfachträgersystem, etwa 2000 oder 8000 Träger QPSK, 16 QAM, 64QAM Q Beispiel: 64QAM Guter Empfang: Nutzung der 64QAM-Konstellation 10 Schlechter Empfang (z.B. mobil): Nutzung nur des QPSK-Teils 6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertige bestimmen QPSK 00 HP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), 000010 LP nutzt verbleibende 4 bit Alexander Heine, Ronald Nitschke I 010101 Stunde 2+3 – Folie 29 Spreizspektrumtechnik Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen Schutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen Störsignal Nutzsignal gespreiztes Nutzsignal Detektion im Empfänger gespreiztes Störsignal Beseitigung eines Schmalbandstörers Nebeneffekte: Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination Abhörsicherheit Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 30 Auswirkungen von Spreizen und Interferenz dP/df dP/df i) Nutzsignal breitbandige Interferenz schmalbandige Interferenz ii) f f Sender dP/df dP/df dP/df iii) iv) f v) f f Empfänger Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 31 Spreizen und frequenzselektives Fading Kanalqualität 1 2 5 3 6 schmalbandige Kanäle 4 Frequenz schmalbandige Signale Schutzabstand Kanalqualität 1 2 gespreizte Signale Alexander Heine, Ronald Nitschke 2 2 2 2 gespreizte Kanäle Frequenz Stunde 2+3 – Folie 32 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I XOR des Signals mit einer Pseudozufallszahl (chipping sequence) viele chips pro Bit (z.B. 128) resultiert in einer höheren Bandbreite des Signals Vorteile reduziertes frequenzabhängiges Fading in zellularen Netzen z Basisstationen können den gleichen Frequenzbereich nutzen z mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren z weiche handover Nachteile exakte Leistungssteuerung notwendig Alexander Heine, Ronald Nitschke tb Nutzdaten 0 1 XOR tc chipping sequence 01101010110101 = resultierendes Signal 01101011001010 tb: Bitdauer tc: chip Dauer Stunde 2+3 – Folie 33 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II gespreiztes Signal Modulator Nutzdaten X chipping sequence übertragenes Signal Trägerfrequenz Sender Korrelator empfangenes Signal Demodulator Trägerfrequenz TiefpassSummen gefiltertes Produkt Nutzdaten Signal X Integrator Entscheidung chipping sequence Empfänger Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 34 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz Sequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen bestimmt Zwei Versionen schneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz Vorteile frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt Nachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 35 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II tb Nutzdaten 0 1 f 0 1 1 t td f3 slow hopping (3 bit/hop) f2 f1 f t td f3 fast hopping (3 hops/bit) f2 f1 t tb: bit period Alexander Heine, Ronald Nitschke td: dwell time Stunde 2+3 – Folie 36 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III schmalbandiges Signal Nutzdaten Modulator Modulator Frequenzsynthesizer Sender Sprungsequenz schmalbandiges Signal Empfangssignal Nutzdaten Demodulator Sprungsequenz gespreiztes Sendesignal Frequenzsynthesizer Alexander Heine, Ronald Nitschke Demodulator Empfänger Stunde 2+3 – Folie 37 Zellenstruktur Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile der Zellenstruktur: mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbar weniger Sendeleistung notwendig robuster gegen Ausfälle überschaubarere Ausbreitungsbedingungen Probleme: Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig Störungen in andere Zellen Konzentration in bestimmten Bereichen Zellengröße von z.B 300 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 38 Frequenzplanung I Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden Modell mit 7 Frequenzbereichen: k3 k5 k4 k2 k6 k1 k3 k5 k4 k7 k1 k2 Feste Kanalzuordnung: bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnet Problem: Wechsel in Belastung der Zellen Dynamische Kanalzuordnung: Kanäle einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Kanälen der benachbarten Zellen gewählt mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 39 Frequenzplanung II f3 f3 f2 f1 f2 f1 f3 f2 f1 f3 f2 f1 f3 f3 f3 f1 3 Zellen/Cluster f2 f3 f2 f3 f5 7 Zellen/Cluster f4 f2 f6 f1 f3 f2 f2 f2 f1 f f1 f f1 f h h 3 3 3 h 2 h 2 g2 1 h3 g2 1 h3 g2 g1 g1 g1 g3 g3 g3 f5 f4 f7 f2 f6 f7 f5 f3 f1 f2 3 Zellen/Cluster plus 3 Sektoren/Zelle Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 40 Zellatmung CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last ab Zusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere Nutzer aus Wenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 41 Mobilkommunikation Medienzugriff Motivation SDMA, TDMA, FDMA Aloha Reservierungsverfahren Alexander Heine, Ronald Nitschke Kollisionsvermeidung, MACA Polling CDMA im Detail SAMA Vergleich Stunde 4 – Folie 1 Motivation Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden? Beispiel CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Senden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE802.3) Probleme in drahtlosen Netzen Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab CS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision geschieht beim Empfänger Kollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender hörbar, d.h. CD versagt weiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z.B. wenn ein Endgerät „versteckt“ ist Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 2 Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte Verstecktes Endgerät A sendet zu B, C empfängt A nicht mehr C will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt) Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt) A ist „versteckt“ für C „Ausgeliefertes“ Endgerät A B C B sendet zu A, C will zu irgendeinem Gerät senden (nicht A oder B) C muss warten, da CS ein „besetztes“ Medium signalisiert da A aber außerhalb der Reichweite von C ist, ist dies unnötig C ist B „ausgeliefert“ Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 3 Motivation - Nahe und ferne Endgeräte Endgeräte A und B senden, C soll empfangen die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab daher „übertönt“ das Signal von Gerät B das von Gerät A C kann A nicht hören A B C Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakte Leistungskontrolle notwendig! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 4 Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen vgl. Zellenstruktur FDMA (Frequency Division Multiple Access) zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz permanent (z.B. Rundfunk), langsames Springen (z.B. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) TDMA (Time Division Multiple Access) zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz Die bereits vorgestellten Multiplexverfahren werden hier also zur Steuerung des Medienzugriffs eingesetzt! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 5 FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM f 960 MHz 935.2 MHz 124 123 122 200 kHz 1 20 MHz 915 MHz 890.2 MHz 124 123 122 1 t Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 6 TDD/TDMA - am Beispiel DECT 417 µs 1 2 3 11 12 1 2 3 Abwärtsrichtung Alexander Heine, Ronald Nitschke 11 12 Aufwärtsrichtung t Stunde 4 – Folie 7 Aloha/Slotted Aloha Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf. Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Slotted Aloha Kollision Sender A Sender B Sender C t Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 8 DAMA - Demand Assigned Multiple Access Ausnutzung des Kanals bei Aloha (18%) und Slotted Aloha (36%) nur sehr gering (Annahme von Poisson-Verkehr). Mit Hilfe von Vorabreservierung kann dies auf 80% erhöht werden. Sender reserviert einen zukünftigen Zeitschlitz innerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort gesendet werden dadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerung typisch für Satellitenstrecken Beispiele für Reservierungsalgorithmen: Explizite Reservierung nach Roberts Implizite Reservierung (Reservation-ALOHA) Reservation-TDMA Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 9 Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung Explizite Reservierung: Zwei Modi: z ALOHA-Modus für die Reservierung: In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren. z Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich). Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden. Kollision Aloha Reserved Alexander Heine, Ronald Nitschke Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Stunde 4 – Folie 10 Zugriffsverfahren DAMA: PRMA Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA): Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem “Slotted ALOHA”Prinzip. Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt. Reservierung Zeitschlitz: 1 ACDABA-F Rahmen 1 A ACDABA-F Rahmen 2 A AC-ABAFRahmen 3 A A---BAFD Rahmen 4 A ACEEBAFD Rahmen 5 A Alexander Heine, Ronald Nitschke 2 3 4 5 6 7 8 C D A B A F C A B A B A F Kollision bei der Belegung B A F D C E E B A F D t Stunde 4 – Folie 11 Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen. Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k Datenzeitschlitze reservieren (d.h. x= N * k). Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden. N Minischlitze z.B. N=6, k=2 N * k Datenschlitze Rahmen Reservierung für diesen Datenbereich Alexander Heine, Ronald Nitschke freie Zeitschlitze können zusätzlich gemäß Round-Robin mitbenutzt werden. Stunde 4 – Folie 12 MACA - Kollisionsvermeidung MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) setzt kurze Signalisierungspakete zur Kollisionsvermeidung ein RTS (request to send): Anfrage eines Senders an einen Empfänger bevor ein Paket gesendet werden kann CTS (clear to send): Bestätigung des Empfängers sobald er empfangsbereit ist Signalisierungspakete beinhalten: Senderadresse Empfängeradresse Paketgröße Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE802.11 als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 13 MACA - Beispiele Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte A und C wollen zu B senden A sendet zuerst RTS C wartet, da es das CTS von B hört RTS CTS A CTS B C Vermeidung des Problems „ausgelieferter“ Endgeräte B will zu A, C irgendwohin senden C wartet nun nicht mehr unnötig, da es nicht das CTS von A empfängt Alexander Heine, Ronald Nitschke RTS RTS CTS A B C Stunde 4 – Folie 14 MACA-Variante: DFWMAC in IEEE802.11 Sender Empfänger Ruhe Ruhe Paket sendebereit; RTS RxBusy ACK time-out ∨ NAK; RTS Warte auf Senderecht time-out; RTS CTS; Daten Warte auf Quittung Daten; ACK time-out ∨ Daten; NAK RTS; CTS Warte auf Daten RTS; RxBusy ACK: positive Empfangsbestätigung NAK: negative Empfangsbestätigung Alexander Heine, Ronald Nitschke RxBusy: Empfänger beschäftigt Stunde 4 – Folie 15 Pollingverfahren Falls empfangstechnisch möglich können mobile Endgeräte von einer Zentralstation nach einem bestimmten Schema nacheinander abgefragt werden (polling) hier können prinzipiell die gleichen Techniken wie in Festnetzen eingesetzt werden (vgl. Zentralrechner - Terminals). Beispiel: Randomly Addressed Polling Basisstation signalisiert Empfangsbereitschaft an alle mobilen Endgeräte sendebereite Endgeräte übertragen gleichzeitig kollisionsfrei eine Zufallszahl („dynamische Adresse“) mit Hilfe von CDMA oder FDMA Basisstation wählt eine Adresse zur Abfrage der Mobilstation (Kollision möglich bei zufälliger Wahl der gleichen Adresse) Basisstation bestätigt den korrekten bzw. gestörten Empfang und fragt sofort nächste Station ab wurden alle Adressen bedient, so beginnt der Zyklus von neuem Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 16 ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen „Besetztton“ angezeigt auf der Verbindung von der Basisstation zu den mobilen Endgeräten zeigt die Basisstation an, ob das Medium frei ist oder nicht Endgeräte dürfen bei belegtem Medium nicht senden sobald der „Besetztton“ aufhört, können die Endgeräte auf das Medium zugreifen Kollisionen bei diesem unkoordinierten Zugriff werden wiederum von der Basisstation über Bestätigungspakete und das Besetztzeichen an die Endgeräte gemeldet Verfahren wird beim Datendienst CDPD eingesetzt (USA, in AMPS integriert) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 17 Zugriffsverfahren CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so gleichzeitig die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR) Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren Nachteil: höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein Vorteile: alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanung sehr großer Coderaum (z.B. 232) im Vergleich zum Frequenzraum Störungen (weißes Rauschen) nicht kodiert Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 18 CDMA in der Theorie Sender A sendet Ad = 1, Schlüssel Ak = 010011 (setze: „0“= -1, „1“= +1) Sendesignal As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, -1, +1, +1) Sender B sendet Bd = 0, Schlüssel Bk = 110101 (setze: „0“= -1, „1“= +1) Sendesignal Bs = Bd * Bk = (-1, -1, +1, -1, +1, -1) Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc.) As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Empfänger will Sender A hören wendet Schlüssel Ak bitweise an (inneres Produkt) Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Ak = 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6 z Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine „1“ z analog B z Be = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Bk = -2 + 0 + 0 - 2 - 2 + 0 = -6, also „0“ Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 19 CDMA - auf Signalebene I Daten A 1 0 Ad 1 Code A Code-Daten A 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 Daten ⊕ Code 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 As Signal A In der Praxis werden längere Schlüssel eingesetzt, um einen möglichst großen Abstand im Coderaum zu erzielen. Alexander Heine, Ronald Nitschke Ak Stunde 4 – Folie 20 CDMA - auf Signalebene II As Signal A Daten B 1 0 Bd 0 Code B Code-Daten B 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 Daten ⊕ Code 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 Bs Signal B As + Bs Alexander Heine, Ronald Nitschke Bk Stunde 4 – Folie 21 CDMA - auf Signalebene III Daten A 1 0 1 1 0 1 As + Bs Ak (As + Bs) * Ak IntegratorAusgabe KomparatorAusgabe Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 22 Ad CDMA - auf Signalebene IV Daten B 1 0 0 1 0 0 As + Bs Bk (As + Bs) * Bk IntegratorAusgabe KomparatorAusgabe Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 23 Bd CDMA - auf Signalebene V As + Bs Falscher Code K (As + Bs) * K IntegratorAusgabe KomparatorAusgabe (0) Alexander Heine, Ronald Nitschke (0) ? Stunde 4 – Folie 24 SAMA - Spread Aloha Multiple Access Aloha besitzt nur eine sehr geringe Effizienz, CDMA benötigt komplexe Empfänger, die Signale mit verschiedenen Codes gleichzeitig empfangen können. Idee: Anwenden von Spreizspektrumtechnik mit nur einem Code (Chipping-Sequence) für Sender nach dem Aloha-Prinzip Kollision Sender A Sender B 1 0 0 1 1 schmalbandig 1 kürzer senden mit mehr Leistung Spreizen des Signals mit z.B. der Sequenz 110101 („CDMA ohne CD“) t Problem: Finden der richtigen Sequenz! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 4 – Folie 25 Vergleich SDMA/TDMA/FDMA/CDMA Verfahren Idee Teilnehmer Signaltrennung Vorteile Nachteile Bemerkung SDMA Einteilung des Raums in Zellen/Sektoren nur ein Teilnehmer kann in einem Sektor ununterbrochen aktiv sein Zellenstruktur, Richtantennen TDMA FDMA Aufteilen der Sendezeiten in disjunkte Schlitze, anforderungsgesteuert oder fest Teilnehmer sind nacheinander für kurze Zeit aktiv Einteilung des Frequenzbereichs in disjunkte Bänder Bandspreizen durch individuelle Codes jeder Teilnehmer hat sein Frequenzband, ununterbrochen im Frequenzbereich durch Filter alle Teilnehmer können gleichzeitig am gleichen Ort ununterbrochen aktiv sein Code plus spezielle Empfänger einfach, etabliert, robust, planbar flexibel, benöigt weniger Frequenzplanung, weicher handover geringe Flexibilität, Frequenzen Mangelware komplexe Empfänger, benötigt exakte Steuerung der Sendeleistung einige Probleme in der Realität, geringere Erwartungen, integriert in alle neuen Systeme im Zeitbereich durch Synchronisation sehr einfach etabliert, voll hinsichtlich Planung, digital, vielfältig Technik, einsetzbar Kapazitätserhöhung unflexibel, da meist Schutzzeiten baulich festgelegt wegen Mehrwegausbreitung nötig, Synchronisation nur in Kombination Standard in Festmit TDMA, FDMA netzen, im Mooder CDMA sinnvoll bilen oft kombiniert mit FDMA Alexander Heine, Ronald Nitschke heute kombiniert mit TDMA, in z.B. GSM, und SDMA CDMA Stunde 4 – Folie 26 Mobilkommunikation Drahtlose Telekommunikationssysteme Märkte GSM DECT UMTS/IMT-2000 Überblick Dienste Subsysteme Komponenten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 1 Weltweite Mobilfunk-Teilnehmerzahlen 1200 Teilnehmer [Millionen] 1000 GSM gesamt 800 TDMA gesamt CDMA gesamt 600 PDC gesamt Analog gesamt Summe 400 Vorhersage (1998) 200 0 1996 1997 1998 Alexander Heine, Ronald Nitschke 1999 2000 2001 2002 Jahr Stunde 5 – Folie 2 CT0/1 AMPS NMT CT2 IS-136 TDMA D-AMPS GSM PDC TDMA FDMA Entwicklung mobiler Telekommunikationssysteme IMT-FT DECT EDGE GPRS IMT-SC IS-136HS UWC-136 IMT-DS UTRA FDD / W-CDMA CDMA IMT-TC UTRA TDD / TD-CDMA IMT-TC TD-SCDMA 1G IS-95 cdmaOne cdma2000 1X 2G 2.5G Alexander Heine, Ronald Nitschke IMT-MC cdma2000 1X EV-DO 1X EV-DV (3X) 3G Stunde 5 – Folie 3 GSM: Überblick GSM: früher: Groupe Spéciale Mobile (1982 gegründet) heute: Global System for Mobile Communication europäischer Standard - Standardisierung durch ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards (essential Services) in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen (in Deutschland: D1 und D2) Î europaweites Roaming (freizügiges Bewegen) möglich mittlerweile Übernahme durch über 184 Drittländer (z.B. in Asien, Afrika, Amerika) über 747 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzen über 10 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 360 Milliarden weltweit (über 10% der Umsätze von Netzbetreibern) 74% aller digitalen Mobiltelefone, 70% insgesamt! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 4 Leistungsmerkmale des GSM-Systems Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte (im Vergleich zur Analogtechnik): Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen Funkweg; Unterstützung für Sprach- und Datendienste. Totale Mobilität: Internationaler Zugriff; über Chipkarte Nutzung anderer Mobilfunkstationen möglich. Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter der gleichen Rufnummer erreichbar; das Netz übernimmt die Lokalisierungs-Aufgaben. Hohe Kapazität: Bessere Frequenzausnutzung und kleinere Funkzellen können wesentlich mehr Teilnehmer versorgen. Übertragungsqualität: Hohe Qualität und Zuverlässigkeit erlauben drahtlos, kontinuierlich, störungsfrei und in Bewegung Telefonate zu führen. Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 5 Nachteile des GSM-Systems Es gibt kein perfektes System! keine End-to-End Chiffrierung der Nutzkanäle Netzzugriff nur über „reduzierten“ B-Kanal: keine Verlängerung des transparenten 64 kbit/s Trägerdienstes von ISDN eventuelle Beeinträchtigung der Konzentration beim Autofahren elektromagnetische Verträglichkeit Missbrauch persönlicher Daten nicht ganz ausgeschlossen Möglichkeiten der gezielten Kontrolle und Überwachung hohe Komplexität des Systems Kompatibilitätsprobleme innerhalb des GSM-Standards Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 6 GSM: Dienste (Mobile Services) GSM-System bietet: Verschiedene Verbindungstypen z Sprechverbindungen, Datenverbindungen und Kurznachrichten Multiservice-Optionen (Kombination von Basisdiensten) Einteilung der Dienste in drei Bereiche: Trägerdienste (Bearer Services) Teleservices (Telematic Services) Zusatzdienste (Supplementary Services) Trägerdienste MS Um TE MT GSM-PLMN R S TransitNetzwerk (PSTN) Ursprungs-/ Zielnetzwerk z.B. GSM TE R S Teledienste Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 7 Trägerdienste (Bearer Services) Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen BenutzerNetz-Schnittstellen (Access Points) übertragen. Spezifikation der Dienste bis zur Endgeräte-Schnittstelle (entsprechend OSI Schichten 1-3). Für Datendienste werden andere Übertragungsraten als für Sprache verwendet (ursprünglicher Standard) Datendienste (leitungsvermittelt) z synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s z asynchron: zwischen 300 und 1200 Bit/s Datendienste (paketvermittelt) z synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s (über PAD) z asynchron: zwischen 300 und 9600 Bit/s Heute: Datenraten von ca. 50 kbit/s sind verfügbar – wird weiter hinten behandelt! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 8 Teleservices (Telematic Services) I Telekommunikationsdienste, die im Mobilfunk den Benutzern die Möglichkeit bieten, über Telefon-Endgeräte miteinander zu kommunizieren. Alle Basisdienste müssen Aspekte wie zellulare Operationen, Sicherheitsmaßnahmen usw. berücksichtigen. Angebotene Dienste: Mobilfunk-Telefonie Das ganze GSM-Konzept wurde vorrangig auf das mobile Telefonieren ausgelegt. Gespräche werden mit 3,1 kHz Bandbreite übertragen. Notruf Europaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetzbetreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich). Multinumbering mehrere ISDN Telefonnummern pro Teilnehmer. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 9 Teleservices (Telematic Services) II Weitere Dienste: Non-Voice-Teleservices z z z z z z z Facsimile: Fernkopieren (Fax-Gruppe 3) Telefax: Fernkopieren alternierend mit Sprachübertragung Videotex: Datenbankzugriff unter Verwendung eines Videotex-Terminals Teletex: Korrespondenzen nach CCITT F.200 zwischen zwei Terminals Sprachspeicherdienst (Voice Mailbox): über Festnetz realisiert Elektronische Post (MHS, Message Handling System): über Festnetz realisiert Kurznachrichtendienst (SMS): Alphanumerische Nachrichtenübertragung von oder zur Mobilstation. Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt. Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 10 Zusatzdienste (Supplementary Services) Bilden weitere Dienstmerkmale und sind Ergänzungen der Basisdienste, die nicht alleine angeboten werden können. Entsprechen, bis auf die auf dem Funkweg geringeren Übertragungsraten, denjenigen des ISDNs. Können sich je nach Landesnetz und implementierter Protokollversion voneinander unterscheiden. Wichtige Dienste: Identifikation: Rufnummer des anderen Teilnehmers Identifikationsunterdrückung Automatischer Rückruf Anklopfen Konferenzverbindung: Gesprächsrunde mit bis zu 7 Teilnehmern Sperren: Sowohl abgehende wie ankommende Gespräche Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 11 Aufbau des GSM-Systems Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt. Es besteht aus mehreren Komponenten: z MS (Mobilstation) z BS (Basisstation) z MSC (Mobilvermittlungseinrichtung) z LRs (Aufenthaltsregister) Man unterscheidet mehrere Subsysteme: z RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte z NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge z OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 12 GSM: Überblick OMC, EIR AUC HLR NSS mit OSS VLR MSC GMSC VLR Festnetz MSC BSC BSC RSS Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 13 GSM: Prinzip zellularer Netze Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen: technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zelle 1 Zelle 1 systemtechnische Einschränkung der Zellengröße Verwendung mehrerer Funkfrequenzen keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald) hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) Zellwechsel des mobilen Teilnehmers Ð Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 14 Flächendeckung von GSM Funknetzen (www.gsmworld.com) T-Mobile (GSM-900/1800) Berlin Vodafone (GSM-900/1800) e-plus (GSM-1800) O2 (GSM-1800) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 15 Sicherheit in GSM Sicherheitsdienste Zugangskontrolle / Authentifikation Teilnehmer ⇔ SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer PIN z SIM ⇔ Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren z Vertraulichkeit z Sprache und Signalisierungsdaten werden nach erfolgreicher Authentifikation verschlüsselt übertragen. Anonymität z Temporäre Teilnehmerkennung TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) z Bei jedem Location Update (LUP) neu vergeben z Verschlüsselt übertragen 3 Algorithmen in GSM spezifiziert: „geheim“: • A3 und A8 inzwischen im Internet verfügbar • Betreiber können auch stärkere Verfahren einsetzen A3 zur Authentisierung („geheim“, Schnittstelle offengelegt) A5 zur Verschlüsselung (standardisiert) A8 zur Schlüsselberechnung („geheim“, Schnittstelle offengelegt) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 16 Datendienste in GSM I Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9,6 kbit/s möglich fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14,4 kbit/s zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) Hauptsächlich Software-Aktualisierung Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere AIUR (Air Interface User Rate)(z.B. 57,6 kbit/s bei 4 slots zu 14,4) Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacher Nachteil: diese Kanäle sind dann für Sprache blockiert AIUR [kbit/s] 4.8 9.6 14.4 19.2 28.8 38.4 43.2 57.6 TCH/F4.8 1 2 3 4 Alexander Heine, Ronald Nitschke TCH/F9.6 TCH/F14.4 1 1 2 3 4 2 3 4 Stunde 5 – Folie 17 Datendienste in GSM II GPRS (General Packet Radio Service) paketorientierte Vermittlung Belegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden (z.B. 50 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 4 slots) Standardisierung 98, Einführung 2001 Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler Nachteil: mehr Investitionen (neue Hardware) GPRS-Netzelemente GSN (GPRS Support Nodes): GGSN and SGSN GGSN (Gateway GSN) z SGSN (Serving GSN) z Umsetzung zwischen GPRS und PDN (Packet Data Network) Unterstützung der MS (Lokation, Abrechnung, Sicherheit) GR (GPRS Register) z Benutzeradressen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 18 DECT DECT (Digital European Cordless Telephone) ist ein von ETSI entwickelter Standard (ETS 300.175-x), für das schnurlose Telefon. Standard legt die Luftschnittstelle zwischen der Basisstation und dem Mobiltelefon fest. Um DECT international besser vermarkten zu können, wurde es in „Digital Enhanced Cordless Telecommunication“ umgetauft. Kenngrößen: Frequenz: 1880-1990 MHz Kanalzahl: 120 Duplexkanäle Duplexverfahren: TDD (10 ms Rahmenlänge) Multiplexverfahren: FDMA mit 10 Trägerfrequenzen, TDMA mit 2x 12 slots Modulation: digital, Gaußian Minimum Shift Keying (GMSK) Sendeleistung: 10 mW mittlere Leistung (max. 250 mW) Reichweite: ca. 50 m in Gebäuden, 300 m im Freien Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 19 DECT Systemarchitektur und Referenzmodell D4 PA PA D3 PT VDB D2 FT HDB lokales Netz PT D1 globales Netz FT lokales Netz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 20 DECT-Referenzmodell C-Ebene U-Ebene Netzwerkschicht Verbindungssteuerung Management Signalisierung Anwendungsprozesse OSI Schicht 3 Verbindungssteuerung Starkt angelehnt an das OSI-Referenzmodell Managementebene schichtenübergreifend Mehrere Dienste in der C(ontrol)- bzw. U(ser)Plane vorhanden OSI Schicht 2 Medienzugriffssteuerung Bitübertragungsschicht Alexander Heine, Ronald Nitschke OSI Schicht 1 Stunde 5 – Folie 21 Schichtenarchitektur I Physical Layer Modulation/Demodulation des Funkträgers mit einem Bitstrom Erzeugt die physikalische Kanalstruktur mit festem Durchsatz Überwachung der Funkumgebung z Bereitstellung eines Kanals auf Anforderung des MAC-Layers z Erkennen eines ankommenden physikalischen Kanals z Synchronisation zwischen Sender und Empfänger z Bereitstellung von Statusinformationen für die Management-Entity MAC Layer Erzeugung, Unterhalt und Freigabe von Basisdiensten durch Aktivierung bzw. Deaktivierung von physikalischen Kanälen Multiplexen der logischen Kanaltypen z u.a.: C: Signalisierung, I: Benutzerdaten, P: Paging und Q: Broadcast Segmentieren/Reassemblieren Fehlerkontrolle und Fehlerkorrektur (Daten abhängig) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 22 Struktur des DECT-Zeitmultiplexrahmens 1 Frame = 10 ms 12 Down Slots 12 Up Slots Slot 0 0 sync A: Netzsteuerung B: Benutzerdaten X: Übertragungsqualität 25,6 kbit/s Simplex Bearer 32 kbit/s 419 D field 31 0 0 guard 420 bit + 52µs Schutzzeit („60 bit“) in 0,4167 ms A field B field 63 0 Protected Mode Unprotected Mode Alexander Heine, Ronald Nitschke 387 319 0 X field 3 DATA C DATA C DATA C DATA C 64 16 64 16 64 16 64 16 DATA Stunde 5 – Folie 23 Schichtenarchitektur II Data Link Control layer Erzeugen und aufrechterhalten einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem portablen Gerät und der Basisstation. Zwei DLC-Protokolle in der Kontroll-Ebene (C-Plane): z Verbindungsloser Broadcast-Dienst: Bietet „Pager“-Funktionalität z Lc+LAPC Protokoll: Für in-call Signalisierung (ähnlich LAPD für ISDN). Speziell angepaßt an den darunterliegenden MAC-Dienst (Segmentlänge entsprechend). Verschiedene Dienste in der U-Plane spezifiziert: z z z z z z Null-Dienst: Reicht die MAC-Dienste unmodifiziert nach oben durch. Frame relay: Einfache Paketübertragung Frame switching: Für zeitkritische Paketübertragung Fehlerkorrigierende Übertragung: Mit FEC, für verzögerungs- bzw. zeitkritische Anwendungen Bandbreiten anpassbare Übertragung „Escape“-Dienst: Für zukünftige Erweiterungen des Standards Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 24 Schichtenarchitektur III Network Layer Angelehnt an das ISDN (Q.931) und GSM (04.08) Stellt Dienste zur Verfügung, um Ressourcen im zentralen System und im portablen Gerät anzufordern, überprüfen, reservieren, überwachen und freizugeben. Ressourcen sind: z Solche, die notwendig sind, um eine drahtlose Verbindung zu ermöglichen. z Solche, die notwendig sind, um das DECT-System mit einem externen Netzwerk zu verbinden. Hauptaufgaben: z Rufüberwachung: Aufbau, Abbau, Aushandeln, Überwachen. z Rufunabhängige Dienste: Rufweiterleitung, Rufumleitung, Kostenmangement z Mobility Management: Identitäts-Management, Authentifizierung, Aufenthaltsregister-Verwaltung Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 25 Erweiterungen des Standards Als Ergänzung zur DECT-Spezifikation wurde verschiedene „DECT Application Profiles“ definiert: GAP (Generic Access Profile) 1997 von ETSI verabschiedet: z Sichert die herstellerunabhängige Zusammenarbeit von DECT-Geräten (Minimale Anforderungen für den Sprachdienst). z Erweiterte Möglichkeit des Managements vom Festnetz aus: Cordless Terminal Mobility (CTM) DECT Festnetzbereich Festnetz DECT Common Air Interface DECT Portable Part GAP DECT/GSM Interworking Profile (GIP): Anbindung an GSM ISDN Interworking Profiles (IAP, IIP): Anbindung an ISDN Radio Local Loop Access Profile (RAP): Öffentlicher Telefondienst CTM Access Profile (CAP): Unterstützung der Benutzermobilität Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 26 UMTS und IMT-2000 Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) UWC-136, cdma2000, WP-CDMA UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) von ETSI UMTS UTRA (früher: UMTS, jetzt: Universal Terrestrial Radio Access) Erweiterungen von GSM z EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): GSM bis zu 384 kbit/s z CAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic) z VHE (virtual Home Environment) passt zur GMM (Global Multimedia Mobility) Initiative von ETSI Anforderungen z min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s) z min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s) z bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 27 Frequenzen für IMT-2000 1850 1900 ITU-Zuweisung (WRC 1992) Europa China 1950 IMT-2000 GSM DE 1800 CT GSM 1800 Japan T D D Nord America 1900 Alexander Heine, Ronald Nitschke T D D MSS ↑ 2000 2200 MHz MSS ↓ UTRA MSS FDD ↓ ↓ IMT-2000 MSS ↓ cdma2000 MSS W-CDMA ↓ MSS ↑ 1950 2100 2150 IMT-2000 cdma2000 MSS W-CDMA ↑ PCS 1850 2050 MSS ↑ UTRA MSS FDD ↑ ↑ IMT-2000 PHS 2000 MSS ↓ rsv. 2050 2100 2150 2200 MHz Stunde 5 – Folie 28 IMT-2000-Familie Schnittstellen zum Netzübergang IMT-2000 Kernnetz ITU-T GSM (MAP) IP-Network Flexible Zuweisung von Kernnetz und Funkzugang Initiales UMTS (R99 mit FDD) IMT-2000 Funkzugang ITU-R ANSI-41 (IS-634) IMT-DS IMT-TC IMT-MC IMT-SC IMT-FT (Direct Spread) (Time Code) (Multi Carrier) (Single Carrier) (Freq. Time) UTRA FDD (W-CDMA) 3GPP UTRA TDD (TD-CDMA); TD-SCDMA 3GPP cdma2000 UWC-136 (EDGE) UWCC/3GPP DECT Alexander Heine, Ronald Nitschke 3GPP2 ETSI Stunde 5 – Folie 29 Ergebnis Frequenzvergabe für UMTS am 18.8.2000 UTRA-FDD: Uplink 1920-1980 MHz Downlink 2110-2170 MHz Duplexabstand 190 MHz 12 Kanäle zu je 5 MHz UTRA-TDD: 1900-1920 MHz, 2010-2025 MHz; je 5 MHz Kanäle Abdeckung: 25% in der Bevölkerung bis 12/2003, 50% bis 12/2005 Summe: 50,81 Mrd. € Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 30 UMTS Bereiche und Schnittstellen I Home Network Domain Zu Cu USIM Domain Mobile Equipment Domain Uu Access Network Domain Iu Serving Network Domain Yu Transit Network Domain Core Network Domain User Equipment Domain Infrastructure Domain User Equipment Domain Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen Infrastructure Domain Geteilt für alle Benutzer Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 31 UMTS Bereiche und Schnittstellen II Universal Subscriber Identity Module (USIM) Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung des Benutzers Auf der SIM untergebracht Mobile Equipment Domain Funktionen zur Funkübertragung Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-EndeVerbindungen Access Network Domain Zugangsnetzabhängige Funktionen Core Network Domain Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind Serving Network Domain z Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert Home Network Domain z Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 32 Spreizen und Verwürfeln von Nutzdaten Konstate chipping-Rate von 3,84 Mchip/s Unterschiedliche Nutzerraten durch unterschiedliche Spreizfaktoren unterstüzt höhere Datenrate: weniger Chips pro Bit (und umgekehrt) Nutzertrennung durch eindeutige, quasi-orthogonale Verwürfelungscodes Nutzer nicht durch orthogonale Spreizcodes getrennt viel einfachere Verwaltung der Codes: jede Station kann die gleichen orthogonalen Spreizcodes nutzen präzise Synchronisation nicht notwendig, da die Verwürfelungscodes quasiorthogonal bleiben Daten1 Daten2 Daten3 Daten4 Daten5 Spr.code1 Spr.code2 Spr.code3 Spr.code1 Spr.code4 Verwürflungscode1 Sender1 Alexander Heine, Ronald Nitschke Verwürflungscode2 Sender2 Stunde 5 – Folie 33 Mobilitätsunterstützung: Handover Von/zu anderen Systemen (z.B. UMTS nach GSM) sehr wichtig, da die Abdeckung von UMTS sehr begrenzt am Anfang ist RNS zu dem Verbindung besteht wird als SRNS (Serving RNS) bezeichnet. RNS das zusätzliche Ressourcen bereitstellt (z.B. für Soft-Handover) wird als DRNS (Drift RNS) bezeichnet Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen UE und CN nur über Iu am SRNS Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der Iu Initiiert durch SRNS gesteuert durch RNC und CN Node B Iub UE CN SRNC Node B Iur Iu DRNC Iub Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 34 Beispielhafte handover-Typen in UMTS/GSM UE1 Node B1 UE2 UE3 UE4 RNC1 Iu Node B2 Iur Iub Node B3 RNC2 3G MSC2 BTS BSC 2G MSC3 Abis Alexander Heine, Ronald Nitschke 3G MSC1 A Stunde 5 – Folie 35 Zellatmung GSM Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die Zellgröße UMTS Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz z anderer Zellen z anderer Teilnehmer Interferenz erhöht das Rauschen Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken Ö keine Kommunikation möglich Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 36 Zellatmung: Beispiel Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 37 Dienste Datenübertragung, Service Profile Service-Profile High Interactive MM High MM Bandbreite Transportmodus 128 kBit/s leitungsv. 2 Mbit/s paketv. Medium MM 384 kBit/s leitungsv. Switched Data 14,4 kBit/s leitungsv. Simple Messaging 14,4 kBit/s paketv. Sprache bidirektional, Bildtelefon nicht flächendeckend, max. 6 km/h asymmetrisch, MM, downloads SMS-Nachfolger, E-Mail 16 kBit/s leitungsv. Virtual Home Environment (VHE) ermöglicht dem Benutzer den Zugriff auf personalisierte Dienste unabhängig vom Standort, dem Zugangsnetzwerk und dem Endgerät Netzwerkbetreiber kann Dienste anbieten, die keine Änderungen an den Netzwerken erfordern Dienstanbieter erhält Komponenten, die die Erstellung von Anwendungen erlaubt, die sich an das Netzwerk und das Endgerät anpassen Integration bestehender IN-Dienste Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 38 3G-Netze in Aktion Foma (Freedom Of Mobile multimedia Access) in Japan Alexander Heine, Ronald Nitschke NEC WCDMA Handy Stunde 5 – Folie 39 Isle of Man – UMTS in Europa Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 40 UMTS in Monaco Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 41 UMTS-Anwendungen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 5 – Folie 42 Mobilkommunikation Satellitensysteme Geschichte Grundlagen Lokalisierung Alexander Heine, Ronald Nitschke Handover Routing Systeme Stunde 6 – Folie 1 Geschichte der Satellitenkommunikation 1945 1957 1960 1963 1965 1976 1982 1988 1993 1998 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra Terrestrial Relays“ erster Satellit SPUTNIK erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO erster geostationärer Satellit SYNCOM erster kommerzieller geostationärer Satellit „Early Bird“ (INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fernsehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A erstes landmobiles Satellitensystem für Datenkommunikation INMARSAT-C erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme globale Satellitentelefonsysteme für Handys Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 2 Einsatzgebiete für Satelliten traditionell: Wettersatelliten Rundfunk- und Fernsehsatelliten militärische Dienste Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS) für Telekommunikation: weltweite Telefonverbindungen immer mehr von Glasfaser abgelöst Backbone für globale Netze Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand möglich) weltweite Mobilkommunikation Î Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 3 Aufbau eines Satellitensystems Intersatellitenverbindung (ISL) Mobile User Link (MUL) Gateway Link (GWL) MUL GWL kleinere Zellen (Spotbeams) Bodenstation oder Gateway gesamtes Ausleuchtungsgebiet (Footprint) ISDN PSTN: Public Switched Telephone Network Alexander Heine, Ronald Nitschke PSTN GSM Benutzerdaten Stunde 6 – Folie 4 Grundlagen Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen Anziehungskraft Fg = m g (R/r)² Zentrifugalkraft Fc = m r ω² m: Satellitenmasse R: Erdradius (R = 6370 km) r: Entfernung vom Erdmittelpunkt g: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²) ω: Winkelgeschwindigkeit (ω = 2 π f, f: Umlauffrequenz) Stabile Umlaufbahn Fg = Fc r=3 Alexander Heine, Ronald Nitschke 2 gR 2 (2π f ) Stunde 6 – Folie 5 Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn 24 Umlaufdauer [h] Geschwindigkeit [ x1000 km/h] 20 16 12 8 4 Synchrondistanz 35.786 km 10 20 30 40 x106 m Radius Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 6 Grundlagen Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig bei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche abhängig Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für Funkverbindung notwendig Î höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse Uplink: Verbindung Bodenstation - Satellit Downlink: Verbindung Satellit - Bodenstation meist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink Transponder zum Umsetzen der Signale auf andere Frequenz transparente Transponder: nur Frequenzumsetzung regenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 7 Inklination Ebene der Satellitenbahn Satellitenbahn erdnächster Punkt δ Inklination δ Äquatorialebene Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 8 Elevation Elevation: Einfallswinkel für die Mitte der Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche) minimale Elevation: kleinste Elevation, bevor ein neuer Satellit des Systems sichtbar wird Alexander Heine, Ronald Nitschke iet b ε ge s ng t“ u t ch tprin u sle Foo u „ A Stunde 6 – Folie 9 Übertragungsleistung von Satelliten Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von vier Werten bestimmt: L: Loss Sendeleistung f: carrier frequency r: distance Antennengewinn (Sender) c: speed of light Abstand von Sender und Empfänger 2 Antennengewinn (Empfänger) ⎛ 4π r f ⎞ L=⎜ ⎟ Probleme ⎝ c ⎠ schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS) Mögliche Lösungen Signalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen werden Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 10 Atmosphärische Dämpfung Abschwächung des Signals in % 50 Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz 40 Absorption durch Regen 30 Absorption durch Nebel ε 20 10 Atmosphärische Absorption 5° 10° 20° 30° 40° 50° Elevation des Satelliten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 11 Orbits I Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt: GEO: geostationärer Orbit in etwa 36000 km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in 700 - 2000 km Höhe MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular Orbit) in 6000 - 20000 km Höhe HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 12 Orbits II GEO (Inmarsat) HEO MEO (ICO) LEO (Globalstar, Irdium) innerer und äußerer Van-Allen-Gürtel earth 1000 10000 Van-Allen-Gürtel: ionisierte Teilchen in 2000 - 6000 km Höhe (kein SatellitenBetrieb möglich) Alexander Heine, Ronald Nitschke 35768 km Stunde 6 – Folie 13 Geostationäre Satelliten Orbit in 35.786 km Entfernung von der Erdoberfläche in der Äquatorebene (Inklination 0°) Î Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung feste Position der Antennen, kein Nachführen nötig Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch schlecht wiederbenutzbar durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden über 60° hohe Sendeleistungen nötig durch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms Î ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, daher meist Rundfunk- und Fernsehsatelliten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 14 LEO-Systeme Orbit in 700 - 2000 km Höhe Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minuten globale Funkversorgung möglich Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrsverbindungen, etwa 5 - 10 ms kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung Gesprächsübergabe (Handover) benötigt viele Satelliten für globale Funkversorgung nötig Frequenzänderung wg. Satellitenbewegung (Dopplereffekt) Beispiele: Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten) Bankrott! Einstellung der Dienste: März 2000, dann Teilübernahme durch Militär, immer noch unsichere Zukunft Globalstar (Betriebsbeginn 2000, 48 Satelliten) 2001 lediglich ca. 44000 Kunden, Handys unter 10h Standby Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 15 MEO-Systeme Orbit in 6000 - 20000 km Höhe Vergleich mit LEO-Systemen: Geschwindigkeit des Satelliten langsamer weniger Satelliten benötigt weniger starker Doppler-Effekt Verbindungen meist ohne Handover möglich längere Laufzeiten, etwa 70 - 80 ms höhere Sendeleistung nötig stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete nötig Beispiele: ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start geplant 2000, Bankrott! – Zusammenarbeit mit Teledesic, Ellipso – dann doch wieder gestoppt – Start nun 2003 geplant ... Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 16 Routing Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL) reduziert Anzahl erforderlicher Gateways Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger Gebühren für terrestrische Netze) bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein Downlink nötig Probleme: präzise Ausrichtung der Antennen komplex kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satelliten nötig höherer Treibstoffverbrauch kürzere Lebensdauer Iridium und Teledesic mit ISL geplant Andere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 17 Lokalisieren von Mobilstationen Systeme benutzen ähnliche Mechanismen wie bei GSM In Bodenstationen oder Gateways werden Benutzerdaten abgelegt HLR (Home Location Register): Stammdaten des Teilnehmers VLR (Visitor Location Register): (letzter) Aufenthaltsort des TN SUMR (Satellite User Mapping Register): z zugeordneter Satellit des TN z Positionen aller Satelliten Anmeldung einer Mobilstation: Feststellen der Position durch den Satelliten Anforderung der Benutzerdaten im HLR Neuzuordnung des VLR und SUMR Anrufen einer Mobilstation: Feststellen der Position der Mobilstation über die Register Verbindungsaufbau über entsprechenden Satelliten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 18 Handover in Satellitensystemen In Satellitensystemen gibt es durch die Bewegung des Satelliten zusätzliche Situationen, in denen ein Handover notwendig ist: Intra-Satelliten-Handover z von einem Spotbeam zum nächsten z Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber in anderer Zelle Inter-Satelliten-Handover z Handover von einem Satelliten zum nächsten z Mobilstation nicht mehr im Footprint eines Satelliten Gateway-Handover z Handover von einem Gateway zum nächsten z Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber Gateway nicht mehr in diesem Footprint Inter-System-Handover z Handover zwischen Satellitennetz und terrestrischem Mobilfunknetz z Wechsel der Netze möglich wegen Kosten oder Erreichbarkeit Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 6 – Folie 19 Übersicht über geplante/existierende Systeme # Satelliten Höhe (km) Abdeckung min. Elevation Frequenzen [GHz (circa)] Zugriffsmethode ISL Datenrate # Kanäle Lebensdauer [Jahre] Kosten (grobe Abschätzung) Iridium 66 + 6 780 global 8° 1,6 MS 29,2 ↑ 19,5 ↓ 23,3 ISL FDMA/TDMA Globalstar 48 + 4 1414 ±70° Breite 20° 1,6 MS ↑ 2,5 MS ↓ 5,1 ↑ 6,9 ↓ CDMA ICO 10 + 2 10390 global 20° 2 MS ↑ 2,2 MS ↓ 5,2 ↑ 7↓ FDMA/TDMA Teledesic 288 ca. 700 global 40° 19 ↓ 28,8 ↑ 62 ISL yes 2,4 kbit/s no 9,6 kbit/s no 4,8 kbit/s 4000 5-8 2700 7,5 4500 12 yes 64 Mbit/s ↓ 2/64 Mbit/s ↑ 2500 10 4,4 Mrd€ 3 Mrd€ 4,5 Mrd€ 9 Mrd€ Bankrott... Start 2000 DoD Übernahme Kunden? Alexander Heine, Ronald Nitschke FDMA/TDMA Bankrott... Verbund Zusammenschluss mit ICO?? Stunde 6 – Folie 20 Mobilkommunikation Broadcast-Systeme Unidirektionale Verteilmedien DAB Architektur DVB Container High-Speed Internet Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 1 Unidirektionale Verteilmedien Asymmetrische Kommunikationsumgebungen durch Bandbreitenbeschränkungen des Übertragungsmediums durch Art der Informationen oder Einsatzgebiet Beispiele: z Drahtlose Netzwerke mit Basistation und Mobilteilnehmern z Client-Server Umgebungen (Diskless Terminal) z Kabelfernsehen mit Set-Top-Box z Informationsdienste (Pager, SMS) Extremfall: Unidirektionalen Verteilmedien hohe Bandbreite vom Server zum Client (downstream), aber kein Rückkanal (upstream) Probleme des Rundsendemediums: z Die zu übertragende Information kann nur für eine einzige virtuelle Benutzergruppe optimiert werden z Hilfsmittel für Zugriff müssen geliefert werden, die eine angemessene Berücksichtigung des individuellen Zugriffsverhaltens erlauben Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 2 Unidirektionale Verteilkommunikation Dienstgeber Dienstnehmer A B Empfänger A A Sender B A B A Empfänger unidirektionales Verteilmedium A B . . . A Empfänger Optimiert für erwartetes Zugriffsverhalten aller Dienstnehmer Alexander Heine, Ronald Nitschke ≠ Individuelles Zugriffsverhalten eines Dienstnehmers Stunde 7.1 – Folie 3 Strukturierungskonzept Sendeseite zyklische Wiederholung der Daten Verschiedene Sendefolgen der Daten (Wissen über Inhalte notwendig um eine Optimierung zu erreichen) flat disk A B C A B C skewed disk A A B C A A multi-disk A B A C A B Empfängerseite Einsatz von Caching-Algorithmen z kostenbasierte Strategie: Welche Kosten (Wartezeit) entstehen, wenn ein Datenobjekt angefordert wird und sich nicht im Cache befindet? z Anwendung bzw. Cache benötigt Wissen über Art der übertragenen Datenobjekte und Zugriffsprofil des Nutzers Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 4 DAB: Technische Spezifikation Ausstrahlungsverfahren Frequenzen COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) SFN (Single Frequency Network) 192 bis 1536 Unterträger innerhalb eines 1,5 MHz Frequenzblocks Erste Bedeckung: einer von 32 Blöcken im Bereich der Fernsehkanäle 5 bis 12 (174 - 230 MHz, 5A - 12D) Zweite Bedeckung: einer von 9 Blöcken im L-Band (1452- 1467,5 MHz, LA - LI) Sendeleistung: 6,1 kW (VHF, Ø 120 km) bzw. 4 kW (L-Band, Ø 30 km) pro Gleichwellennetz Datenrate: 2,304 MBit/s (netto 1,2 bis 1,536 MBit/s) Modulation: Differentielle 4-Phasenmodulation (QPSK) Audio-Programme pro Frequenzblock: typisch 6, max. 192 kbit/s Digitale Dienste: 0,6 - 16 kbit/s (PAD), 24 kbit/s (NPAD) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 5 Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Daten parallel auf mehreren parallelen (orthogonalen) Unterträgern mit geringerer Rate übertragen c k3 f t Maximum einer Trägerfrequenz liegt im Frequenzbereich genau auf den Nullstellen aller anderen Trägerfrequenzen Überlagerung der Frequenzen im selben Frequenzbereich Amplitude Unterträger: SI-Funktion= sin(x) x f Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 6 OFDM II Eigenschaften Vorteile Geringere Datenrate auf den Unterträgern Î geringere ISI Störungen einer Frequenz führen nur zu Störungen auf einem Unterträger Kein Schutzabstand notwendig Orthogonalität erlaubt Trennung des Signals auf Empfängerseite (IFFT) Genaue Synchronisation von Sender und Empfänger notwendig Keine Entzerrer (Equalizer) notwendig Keine (steilflankigen) Filter notwendig Bessere spektrale Effizienz (im Vergleich zu Codemultiplex) Anwendung 802.11a, HiperLAN2, DAB, DVB, ADSL Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 7 Reale Umgebungen ISI aufeinanderfolgernder Symbole durch Mehrwegeausbreitung Symbol muss während der Analyse für Tnutz konstant sein Ö Guard-Intervall (TG) wird jedem Symbol vorangestellt (HIPERLAN/2: TG= 0,8 µs; Tnutz= 3,2 µs; 52 Unterträger) bis 1536 Unterträger) (DAB: Tnutz= 1 ms; Impulsantwort Ausschwingen OFDM-Symbol OFDM-Symbol Einschwingen OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-Symbol t Analysefenster TG Tnutz Alexander Heine, Ronald Nitschke TG Tnutz TG Stunde 7.1 – Folie 8 Flächendeckung von DAB Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 9 DAB-Transportmechanismen MSC (Main Service Channel) übertragt alle Nutzdaten (Audio, Multimedia, ...) besteht aus mehreren CIF (Common Interleaved Frames) jeder CIF ist 55296 bit groß und wird alle 24 ms übertragen (je nach Übertragungsmodus unterschiedlich)a CIF enthält CU (Capacity Units) von 64 bit Größe FIC (Fast Information Channel) überträgt alle Steuerdaten besteht aus FIB (Fast Information Block) jeder FIB ist 256 bit groß (inkl. 16 bit Prüfsumme) beschreibt Konfiguration und Inhalt des MSC Stream-Modus transparente Datenübertragung mit einer festen Datenrate Paket-Modus Übertragung einzeln adressierbarer Datenpakete Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 10 Übertragungsrahmen Rahmendauer TF Schritt Ts Schutzzeit Td Symbol L 0 Nullsymbol SC 1 Referenzsymbol Synchronisation Channel Alexander Heine, Ronald Nitschke Tu 2 ...... L-1 Datensymbol FICFast Information FIC Channel L Datensymbol MSC 0 Datensymbol Main Service Channel Stunde 7.1 – Folie 11 1 DAB-Signalerzeugung Dienstinformation DAB-Signal FIC MultiplexInformation Träger Transmission Multiplexer Audiodienste Datendienste OFDM Transmitter f 1,5 MHz Audio Encoder Packet Mux Channel Coder Channel Coder Alexander Heine, Ronald Nitschke MSC Multiplexer Trägerfrequenz FIC: Fast Information Channel MSC: Main Service Channel OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Stunde 7.1 – Folie 12 DAB-Empfänger (partial) MSC Tuner OFDMDemodulator Channel Decoder Audio Decoder Audiodienst FIC Unabhängiger Datendienst Packet Demux Control Bus Steuerung Benutzerschnittstelle Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 13 Audiocodierung Ziel: Audioübertragung in (annähernd) CD-Qualität weitgehende Immunität gegen Mehrwegeausbreitung minimale Verzerrung der Tonsignale bei schwächer werdendem Empfang Wird erreicht durch: Tonsignale digital abgetastet (PCM, 16 Bit, 48 kHz, stereo) Kompression nach MPEG-Standard, Kompressionsrate 1:10 Einfügen von Schutzbits zur Fehlererkennung und Korrektur häufig Bündelfehler in der Funkübertragung, daher wird das Signal vor der Übertragung nach festem Schema verwürfelt. Bündelfehler werden so beim Empfänger zu korrigierbaren Einzelfehlern Geringe Schrittgeschwindigkeit, großer Symbolvorrat: z Übertragung der digitalen Daten als Folge von langen Symbolen, getrennt durch Schutzintervalle. z Durch Reflexionen verzögerte Symbole fallen in die Schutzintervalle Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 14 Bitratenmanagement DAB-Ensemble vereinigt Audioprogramme und Datendienste mit unterschiedlichen Ansprüchen an die Übertragungsqualität und die benötigen Datenraten. Der Standard ermöglicht es, den DAB-Multiplex dynamisch, also während des laufenden Programmbetriebes, zu rekonfigurieren. Datenraten können im Diensteensemble variabel gehalten werden. Freiwerdende Kapazitäten können dann für andere Angebote genutzt werden. Da das Bitratenmanagement technisch im Multiplexer vorgenommen wird, können zusätzlichen Angebote von unterschiedlichen Anbietern kommen. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 15 Beispiel einer Rekonfiguration DAB - Multiplex Audio 1 192 Kbit/s Audio 2 192 Kbit/s Audio 3 192 Kbit/s Audio 4 160 Kbit/s Audio 5 160 Kbit/s Audio 6 128 Kbit/s PAD PAD PAD PAD PAD PAD D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DAB - Multiplex - vorübergehend rekonfiguriert Audio 1 192 Kbit/s PAD D1 Audio 2 192 Kbit/s Audio 3 128 Kbit/s Audio 4 160 Kbit/s Audio 5 160 Kbit/s Audio 7 96 Kbit/s Audio 8 96 Kbit/s PAD PAD D10 D11 PAD PAD PAD PAD D2 D3 Alexander Heine, Ronald Nitschke D4 D5 D6 D7 D8 D9 Stunde 7.1 – Folie 16 Multimedia Object Transfer Protocol (MOT) Probleme: Empfangsgeräte mit stark unterschiedlichen Leistungsmerkmalen (Audio-Only-Gerät mit ein- bzw. mehrzeiligem LCD, Geräte mit angeschlossenem Schwarzweiß- oder Farbmonitor, PC-Karten). Unterschiedlichen Empfängertypen sollen alle Arten von programmbegleitenden wie programmunabhängige Datendiensten verarbeiten oder wenigstens erkennen können. Lösung: Einheitlicher Standard für die Datenübertragung. Ein wesentlicher Aspekt bei der Definition des MOT-Protokolls ist, dass damit Datenformate unterstützt werden, die auch in anderen multimedialen Systemen (Online-Dienste, Internet, CD-ROM) benutzt werden. So lassen sich etwa HTML-Dokumente aus dem WorldWideWeb mit relativ geringem Aufwand auch über DAB ausstrahlen. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 17 MOT-Struktur MOT-Formate MHEG, Java, JPEG, ASCII, MPEG, HTML, HTTP, BMP, GIF, ... Header core Länge von header und body, Inhaltsformat Header extension Angaben über die Bearbeitung des Inhalts (Abstand von Wiederholungen, Segmentierung, Priorität etc.) Information unterstützt Caching-Mechanismen Body beliebige Nutzdaten 7 byte header core header extension body DAB erlaubt vielfältige Wiederholungsmuster Objekte, Segmente, Paketköpfe Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 18 Digital Video Broadcasting 1991 Gründung der ELG (European Launching Group) Ziel: Entwicklung des digitalen Fernsehens in Europa 1993 Umbenennung in DVB (Digital Video Broadcasting) Ziel: Einführung des digitalen Fernsehens auf Basis von Satellitenübertragungstechnik Kabelübertragungstechnik zu einem späteren Zeitpunkt: Terrestrische Übertragung DVB-S Satelliten Multipoint Distribution System Integrated Receiver-Decoder DVB Digital Video Broadcasting SDTV EDTV HDTV DVB-C Kabel Terrestrischer Empfang DVB-T Multimedia PC B-ISDN, ADSL,etc. DVD, etc. DVTR, etc. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 19 DVB Container DVB überträgt MPEG-2 Container Hohe Flexibilität bei der Übertragung digitaler Daten Keine Einschränkungen bzgl. der Art der Informationen DVB Service Information spezifiziert den Container-Inhalt z NIT (Network Information Table): Fasst die Dienste eines Providers zusammen. Beinhaltet Zusatzinformationen für Set-Top-Boxen z SDT (Service Description Table): Liste der Namen und Parameter für jeden Dienst in einem MPEG-Mux-Kanal z EIT (Event Information Table): Statusinformationen der aktuellen Übertragung. Optional Zusatzinformationen für die Set-Top-Box z TDT (Time and Date Table): Updateinformationen für die Set-Top-Box MPEG-2/DVB container MPEG-2/DVB container HDTV MPEG-2/DVB container MPEG-2/DVB container SDTV EDTV Einzelner Kanal Mehrere Kanäle Mehrere Kanäle Multimedia high definition television enhanced definition standard definition data broadcasting Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 20 Beispiel: High-Speed Internet Asymmetrischer Datenaustausch Downlink: DVB-Empfänger, Datenrate pro Anwender: 6-38 Mbit/s Rückkanal vom Anwender zum Dienstanbieter: z.B. Modem mit 9,6-56 kbit/s, ISDN mit 64 kbit/s, DSL mit einigen 100 kbit/s etc. DVB/MPEG2 - Multiplex parallel zum digitalen TV Satellitenempfänger Standleitung PC DVB-S-Karte Satellitenbetreiber Internet TCP/IP Dienstanbieter Alexander Heine, Ronald Nitschke Informationsanbieter Stunde 7.1 – Folie 21 Aktuelle „Verbreitung“ der DVB-Standards Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 22 Konvergenz von Rundfunk und Mobilkommunikation Definition von Interaktionskanälen Interaktion mit/Steuerung von Rundfunk via GSM, UMTS, DECT, PSTN, … Beispiel: mobile Internet Dienste mit IP über GSM/GPRS oder UMTS als Interaktionskanäle für DAB/DVB DVB-T, DAB (TV plus IP-Daten) TV TV/Rundfunk MUX Daten Ru ndf unk Kanäle Internet ISP Mobilnetzbetreiber Alexander Heine, Ronald Nitschke tio k a er t n I n mobiles Endgerät GSM/GPRS, UMTS (IP-Daten) Stunde 7.1 – Folie 23 Vergleich von UMTS, DAB and DVB UMTS DAB DVB Frequenzen [MHz] (abhängig von nationalen Regelungen) 2000 (terrestrial), 2500 (satellite) 1140-1504, 220-228 (UK) 130-260, 430-862 (UK) Regulierung Telekom., lizenziert Rundfunk, lizenziert Rundfunk, lizenziert Bandbreite 5 MHz 1,5 MHz 8 MHz Effektiver Durchsatz 30-300 kbit/s (pro Nutzer) 1,5 Mbit/s (geteilt) 5-30 Mbit/s (geteilt) Mobilität Niedrig bis hoch Sehr hoch Niedrig bis hoch Anwendung Sprache, Daten Audio, push Internet, Bilder, einfaches Video Hochwertiges Video, Audio, push Internet Abdeckung Lokal bis regional regional/national regional/national Installationskosten Sehr hoch für Flächendeckung Alexander Heine, Ronald Nitschke Niedrig Niedrig Stunde 7.1 – Folie 24 Mobilkommunikation Drahtlose LANs Charakteristika IEEE 802.11 PHY MAC Roaming .11a, b, g, h, i ... Standard-Familie HiperLAN2 QoS Alexander Heine, Ronald Nitschke HIPERLAN Bluetooth Vergleich Stunde 7.2 – Folie 1 Charakteristika drahtloser LANs Vorteile räumlich flexibel innerhalb eines Empfangsbereichs Ad-hoc-Netzwerke ohne vorherige Planung machbar keine Verkabelungsprobleme (z.B. historische Gebäude, Feuerschutz, Ästhetik) unanfälliger gegenüber Katastrophen wie Erdbeben, Feuer - und auch unachtsamen Benutzern, die Stecker ziehen! Nachteile im Allgemeinen sehr niedrige Übertragungsraten im Vergleich zu Festnetzen (1-10 Mbit/s) bei größerer Nutzerzahl Proprietäre leistungsstärkere Lösungen, Standards wie IEEE802.11 sind weniger leistungsfähig und brauchen ihre Zeit müssen viele nationale Restriktionen beachten, wenn sie mit Funk arbeiten, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen (z.B. bietet Europa mehr Kanäle als die USA) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.2 – Folie 2 Entwurfsziele für drahtlose LANs weltweite Funktion möglichst geringe Leistungsaufnahme wegen Batteriebetrieb Betrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglich robuste Übertragungstechnik Vereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffen einfache Handhabung und Verwaltung Schutz bereits getätigter Investitionen im Festnetzbereich Sicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der Emissionen Transparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.2 – Folie 3 Vergleich Infrarot-/Funktechniken Infrarot Funktechnik Einsatz von IR-Dioden, diffuses Licht, Reflektion von Wänden Vorteile sehr billig und einfach keine Lizenzen nötig einfache Abschirmung Nachteile Interferenzen durch Sonnenlicht, Wärmequellen etc. wird leicht abgeschattet niedrige Bandbreite Einsatz als IrDA (Infrared Data Association) -Schnittstelle in fast jedem Mobilrechner verfügbar Alexander Heine, Ronald Nitschke heute meist Nutzung des 2,4GHz lizenzfreien Bandes Vorteile Erfahrungen aus dem WAN und Telefonbereich können übertragen werden Abdeckung einer größeren Fläche mit Durchdringung von Wänden Nachteile enger Frequenzbereich frei schwierigere Abschirmung, Interferenzen mit Elektrogeräten Einsatz vielfältige, separate Produkte Stunde 7.2 – Folie 4 Vergleich Infrastruktur- und Ad hoc-Netzwerk InfrastrukturNetzwerk AP: Access Point AP AP Existierendes Festnetz AP Ad hoc-Netzwerke Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 1 802.11 - Architektur - Infrastrukturnetz Station (STA) 802.11 LAN STA1 802.x LAN Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point Basic Service Set (BSS) BSS1 Portal Access Point Access Point Distribution System Access Point ESS Station, die sowohl in das FunkLAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist Portal BSS2 Übergang in ein anderes Festnetz Distribution System STA2 Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen 802.11 LAN Alexander Heine, Ronald Nitschke STA3 Verbindung verschiedener Zellen um ein Netz (EES: Extended Service Set) zu bilden Stunde 8 – Folie 2 802.11 - Architektur - Ad-hoc Netzwerk Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite 802.11 LAN STA1 STA3 IBSS1 Station (STA): Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium Independent Basic Service Set (IBSS): Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen STA2 IBSS2 STA5 STA4 802.11 LAN Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 3 IEEE-Standard 802.11 (Basisversion) Mobiles Endgerät (Mobile terminal) Festes Endgerät (Fixed terminal) Infrastrukturnetz Zugangspunkt (Access point) Anwendung Anwendung TCP TCP IP IP 802.11 MAC 802.11 MAC 802.3 MAC 802.3 MAC 802.11 PHY 802.11 PHY 802.3 PHY 802.3 PHY Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 4 802.11 - Schichten und Funktionen PLCP MAC Clear Channel Assessment Signal (Carrier Sense) PMD MAC Management Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung Synchronisierung, Roaming, MIB, Power Modulation, Codierung PHY Management Kanalwahl, MIB Station Management Koordination der ManagementFunktionen LLC MAC Medium Access Control MAC Management PHY PLCP Physical Layer Convergence Protocol PHY Management PMD Physical Medium Dependent Alexander Heine, Ronald Nitschke Station Management MAC Logical Link Control Stunde 8 – Folie 5 802.11 - Physikalische Schicht 3 Varianten: 2 Funk (vornehmlich im 2,4 GHz-Band), 1 IR Datenrate 1 bzw. 2 Mbit/s FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) spreizen, entspreizen, Signalstärke, nur 1Mbit/s min. 2,5 Frequenzwechsel/s (USA), 2-stufige GFSK-Modulation DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) DBPSK-Modulation für 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK für 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK) Präambel eines Rahmens immer mit 1Mbit/s, dann evtl. umschalten Chip-Sequenz: +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (ein BarkerCode) max. Sendeleistung 1 W (USA), 100 mW (EU), min. 1 mW Infrarot 850-950nm, diffuses Licht, typ. 10 m Reichweite Trägererkennung, Energieerkennung, Synchronisation Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 6 FHSS PHY Paketformat Synchronisation Synch. mit 010101... Muster SFD (Start Frame Delimiter) 0000110010111101 Startmuster PLW (PLCP_PDU Length Word) Länge der Nutzdaten inkl. 32 bit CRC der Nutzdaten, PLW < 4096 PSF (PLCP Signaling Field) Art der Nutzdaten (1 or 2 Mbit/s) HEC (Header Error Check) CRC mit x16+x12+x5+1 80 Synchronisation 16 12 4 16 variabel SFD PLW PSF HEC Nutzdaten PLCP-Präambel Alexander Heine, Ronald Nitschke Bits PLCP-Paketkopf Stunde 8 – Folie 7 DSSS PHY Paketformat Synchronisation synch., Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung SFD (Start Frame Delimiter) 1111001110100000 Signal Datenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK) Service Length reserviert, 00: gemäß 802.11 Länge der Nutzdaten HEC (Header Error Check) Schutz der Felder signal, service und length, x16+x12+x5+1 128 Synchronisation 16 8 8 16 16 SFD Signal Dienst Länge HEC PLCP-Präambel Alexander Heine, Ronald Nitschke variabel Bits Nutzlast PLCP-Paketkopf Stunde 8 – Folie 8 802.11 - MAC-Schicht I - DFWMAC Verkehrsarten Asynchroner Datendienst (standard) z Austausch von Datenpaketen auf „best-effort“-Basis z Unterstützung von Broadcast und Multicast Zeitbegrenzte Dienste (optional) z implementiert über PCF (Point Coordination Function) Zugriffsarten DFWMAC-DCF CSMA/CA (standard) z Kollisionsvermeidung durch zufälligen „backoff“-Mechanismus z Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen z Empfangsbestätigung durch ACK (nicht bei Broadcast) DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional) z Distributed Foundation Wireless MAC z Vermeidung des Problems „versteckter“ Endgeräte DFWMAC-PCF (optional) z Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 9 802.11 - MAC-Schicht II Prioritäten werden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregelt keine garantierten Prioritäten SIFS (Short Inter Frame Spacing) – 10µs z PIFS (PCF IFS) – 30µs z höchste Priorität, für ACK, CTS, Antwort auf Polling mittlere Priorität, für zeitbegrenzte Dienste mittels PCF DIFS (DCF, Distributed Coordination Function IFS) – 50µs z niedrigste Priorität, für asynchrone Datendienste DIFS Medium belegt DIFS PIFS SIFS Wettbewerb nächster Rahmen t direkter Zugriff, Medium frei ≥ DIFS Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 10 802.11 - CSMA/CA-Verfahren I DIFS Medium belegt DIFS PIFS SIFS Wettbewerbsfenster (zufälliger BackoffMechanismus) nächster Rahmen t Wartezeit Zeitschlitz (20 µs) Sendewillige Station hört das Medium ab (Carrier Sense basierend auf CCA, Clear Channel Assessment) Ist das Medium für die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) frei, wird gesendet (IFS je nach Sendeart gewählt) Ist das Medium belegt, wird auf einen freien IFS gewartet und dann zusätzlich um eine zufällige Backoff-Zeit verzögert (Kollisionsvermeidung, in Vielfachen einer Slot-Zeit) Wird das Medium während der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt, bleibt der Backoff-Timer so lange stehen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 11 802.11 - Stationen im Wettbewerb - einfache Version DIFS DIFS Station1 Station2 DIFS boe bor boe busy DIFS boe bor boe busy boe busy boe bor boe boe busy Station3 Station4 boe bor Station5 busy bor t busy Medium belegt (frame, ack etc.) boe verstrichene backoff Zeit Paketankunft am MAC-SAP bor verbleibende backoff Zeit Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 12 802.11 - CSMA/CA-Verfahren II Senden von Unicast-Paketen Daten können nach Abwarten von DIFS gesendet werden Empfänger antworten sofort (nach SIFS), falls das Paket korrekt empfangen wurde (CRC) Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt DIFS Sender Daten SIFS Empfänger Ack DIFS weitere Stationen Wartezeit Alexander Heine, Ronald Nitschke Daten t Wettbewerb Stunde 8 – Folie 13 802.11 - DFWMAC Senden von Unicast-Paketen RTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten von DIFS gesendet werden Bestätigung durch CTS nach SIFS durch Empfänger Sofortiges Senden der Daten möglich, Bestätigung wie gehabt Andere Stationen speichern die Belegungsdauer, die im RTS und CTS ausgesendet wurden DIFS Sender RTS data SIFS CTS SIFS SIFS ACK Empfänger weitere Stationen NAV (RTS) NAV (CTS) Wartezeit Alexander Heine, Ronald Nitschke DIFS data t Wettbewerb Stunde 8 – Folie 14 Fragmentierung DIFS RTS frag1 Sender SIFS CTS SIFS frag2 SIFS Empfänger ACK1 SIFS SIFS ACK2 NAV (RTS) NAV (CTS) weitere Stationen NAV (frag1) NAV (ACK1) DIFS t Wettbewerb Alexander Heine, Ronald Nitschke data Stunde 8 – Folie 15 DFWMAC-PCF I t0 t1 Medium belegt PIFS point coordinator drahtlose Stationen NAV der Stationen Alexander Heine, Ronald Nitschke Superrahmen SIFS D1 SIFS SIFS D2 SIFS U1 U2 NAV Stunde 8 – Folie 16 DFWMAC-PCF II t2 point coordinator D3 PIFS D4 t4 CFend SIFS U4 drahtlose Stationen NAV der Stationen SIFS t3 NAV wettbewerbsfreie Periode Alexander Heine, Ronald Nitschke Wettbewerb t Stunde 8 – Folie 17 802.11 - Rahmenformat Typen Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen Sequenznummern wichtig für duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs Adressen Empfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch) Sonstiges Sendedauer, Prüfsumme, Rahmensteuerung, Daten bytes 2 2 6 6 6 2 6 Frame Duration/ Address Address Address Sequence Address Control ID 1 2 3 Control 4 bits 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 0-2312 4 Data CRC 1 Protocol To From More Power More Type Subtype Retry WEP Order version DS DS Frag Mgmt Data Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 18 MAC-Adressenformat Paketart Ad-hoc Netzwerk Infrastruktur Netzwerk, von AP Infrastruktur Netzwerk, zu AP Infrastruktur Netzwerk, im DS to DS from DS 0 0 0 1 Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4 DA DA SA BSSID BSSID SA - 1 0 BSSID SA DA - 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 19 Spezielle Rahmen: ACK, RTS, CTS Acknowledgement bytes ACK 2 2 6 Frame Receiver Duration Control Address 4 CRC Request To Send bytes RTS 2 2 6 6 Frame Receiver Transmitter Duration Control Address Address 4 CRC Clear To Send bytes CTS Alexander Heine, Ronald Nitschke 2 2 6 Frame Receiver Duration Control Address 4 CRC Stunde 8 – Folie 20 802.11 - MAC Management Synchronisation Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben Timer etc. Power Management Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung Assoziation/Reassoziation Eingliederung in ein LAN Roaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu einem anderen Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz MIB - Management Information Base Verwalten, schreiben, lesen Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 21 Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“ (Infrastruktur) Intervall des periodischen Funksignals (beacon): 20ms - 1s Zugangspunkt Medium B B busy busy B busy B busy t Wert des Zeitstempels Alexander Heine, Ronald Nitschke B Beacon-Paket Stunde 8 – Folie 22 Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“ (ad-hoc) Beacon-Intervall Station1 B1 B1 B2 Station2 Medium busy busy Wert des Zeitstempels Alexander Heine, Ronald Nitschke B2 busy B busy beacon Paket t zufällige Verzögerung Stunde 8 – Folie 23 Steuerung der Leistungsaufnahme Idee: Ausschalten der Sende/Empfangseinheit wenn nicht benötigt Zustände einer Station: schlafend und wach Timing Synchronization Function (TSF) Sicherstellung, dass alle Stationen zur gleichen Zeit aufwachen Infrastruktur Traffic Indication Map (TIM) z Liste von unicast-Empfängern, von AP ausgesendet Delivery Traffic Indication Map (DTIM) z Liste von broadcast/multicast-Empfängern, von AP ausgesendet Ad-hoc Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM) z Bekanntmachung von Empfängern zwischengespeicherter Pakete durch die speichernden Stationen z komplexer, da kein zentraler AP z Kollisionen von ATIMs möglich (Skalierbarkeit?) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 24 Energiesparen mit Wachmustern (Infrastruktur) TIM Intervall Zugangspunkt DTIM Intervall D B T busy Medium busy T d D B busy busy p Station d t T TIM B broadcast/multicast Alexander Heine, Ronald Nitschke D DTIM wach p PS poll d Datenübertragung von/zu der Station Stunde 8 – Folie 25 Energiesparen mit Wachmustern (ad-hoc) ATIMFenster Station1 B1 A B2 Station2 B Beacon-Paket wach Beacon-Intervall B2 D a B1 d t zufällige Verzögerung A ATIM-Übertragung D Datenübertragung a Bestätigung v. ATIM Alexander Heine, Ronald Nitschke d Bestätigung der Daten Stunde 8 – Folie 26 802.11 - Roaming Keine oder schlechte Verbindung? - Dann: Scanning Abtasten der Umgebung (Medium nach „Leuchtfeuer“ von APs abhören oder Probe ins Medium senden und Antwort abwarten) Reassociation Request Station sendet Anfrage an AP(s) Reassociation Response bei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun teil bei Misserfolg weiterhin Scanning AP akzeptiert Reassociation Request Anzeigen der neuen Station an das Distribution System Distribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo) normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 27 WLAN: IEEE 802.11b Datenraten 1, 2, 5,5, 11 Mbit/s, abhängig von SNR Nutzdatenrate max. ca. 6 Mbit/s Verbindungsaufbaudauer Dienstgüte Kommunikationsbereich 300m Außen-, 30m Innenbereich Max. Datenrate bis ~10m (in Gebäuden) Freies 2.4 GHz ISM-Band Sicherheit Begrenzt, WEP unsicher, SSID Kosten 150€ Adapter, 250€ Zugangspunkt Verfügbarkeit Viele Produkte, viele Anbieter Alexander Heine, Ronald Nitschke Typ. Best effort, keine Garantien (solange kein „Polling“ eingesetzt wird, nur begrenzte Produktunterstützung) Verwaltbarkeit Frequenzbereich Verbindungslos, „always on“ Begrenzt (keine automatische Schlüsselverteilung, symmetrische Verschlüsselung) Spezielle Vor-/Nachteile Vorteil: viele installierte Systeme, große Erfahrung, weltweite Verfügbarkeit, freies ISM-Band, viele Firmen, integriert in Laptops, einfaches System Nachteil: starke Störungen auf dem ISM-Band, keine Dienstgüte, relativ niedrige Datenraten Stunde 8 – Folie 28 IEEE 802.11b – PHY-Rahmenformate Langes PLCP-PPDU-Format 128 16 synchronization 8 SFD 8 16 16 signal service length HEC PLCP-Präambel variabel Bits Nutzdaten PLCP-Kopf 192 µs bei 1 Mbit/s DBPSK 1, 2, 5.5 oder 11 Mbit/s Kurzes PLCP-PPDU-Format (optional) 56 short synch. 16 8 SFD 8 16 16 signal service length HEC PLCP-Präambel (1 Mbit/s, DBPSK) variabel Bits Nutzdaten PLCP-Kopf (2 Mbit/s, DQPSK) 96 µs Alexander Heine, Ronald Nitschke 2, 5.5 oder 11 Mbit/s Stunde 8 – Folie 29 Nicht überlappende Kanalwahl Europa (ETSI) Kanal 1 2400 2412 Kanal 7 2442 Kanal 13 2472 22 MHz 2483.5 [MHz] US (FCC)/Canada (IC) Kanal 1 2400 2412 Kanal 6 2437 22 MHz Alexander Heine, Ronald Nitschke Kanal 11 2462 2483.5 [MHz] Stunde 8 – Folie 30 WLAN: IEEE 802.11a Datenraten Verbindungsaufbaudauer 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s, abhängig von SNR Nutzdatenrate(1500 byte Pakete): 5,3 (6), 18 (24), 24 (36), 32 (54) 6, 12, 24 Mbit/s verpflichtend Kommunikationsbereich 100m Außen-, 10m Innenbereich z Free 5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz ISM-band Begrenzt, WEP unsicher, SSID Kosten 280€ Adapter, 500€ Zugangspunkt Verfügbarkeit Einige Produkte, einige Firmen Alexander Heine, Ronald Nitschke Typ. Best effort, keine Garantien (wie alle anderen 802.11 Produkte) Verwaltbarkeit Begrenzt (keine automatische Schlüsselverteilung, symmetrische Verschlüsselung) Spezielle Vor-/Nachteile Sicherheit Verbindungslos, „always on“ Dienstgüte E.g., 54 Mbit/s up to 5 m, 48 up to 12 m, 36 up to 25 m, 24 up to 30m, 18 up to 40 m, 12 up to 60 m Frequenzbereich Vorteil: passt in das 802.x System, freies ISM-Band, verfügbar, einfach, nutzt das (noch) freiere 5 GHz Band Nachteil: (noch) nicht in Europa zertifiziert, derzeit nur USA (Harmonisierung derzeit im Gange), stärkere Abschattung auf Grund der höheren Frequenz, keine Dienstgüte Stunde 8 – Folie 31 IEEE 802.11a – PHY-Rahmenformat 4 1 12 1 rate reserved length parity 6 16 tail service variabel 6 variabel Nutzdaten tail pad Bits PLCP-Kopf PLCP Präambel 12 Signal 1 6 Mbit/s Alexander Heine, Ronald Nitschke Daten variabel Symbole 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s Stunde 8 – Folie 32 Nutzbare Kanäle für 802.11a / US U-NII 36 5150 40 44 48 52 56 60 64 5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 Kanalnummer 5350 [MHz] 16,6 MHz 149 153 157 161 Kanalnummer Mittenfrequenz = 5000 + 5*Kanalnummer [MHz] 5725 5745 5765 5785 5805 5825 [MHz] 16,6 MHz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 33 OFDM in IEEE 802.11a (und HiperLAN2) OFDM mit 52 genutzten Unterträgern (64 insgesamt definiert) 48 Daten + 4 Pilot (plus 12 virtuelle Unterträger) 312,5 kHz Kanalabstand 312,5 kHz Pilot -26 -21 -7 -1 1 7 Mittenfrequenz der Kanäle Alexander Heine, Ronald Nitschke 21 26 Unterträger Nummer Stunde 8 – Folie 34 WLAN: IEEE 802.11– weitere Entwicklungen (08/2002) 802.11d: Regulatory Domain Update - fertig gestellt 802.11e: MAC Enhancements – QoS – in Arbeit Erweiterung der aktuellen 802.11 MAC um Unterstützung für Anwendungen mit Dienstgüteanforderungen, Effizienzsteigerungen, neue Merkmale 802.11f: Inter-Access Point Protocol – in Arbeit Standardisierung eines Protokolls zum Datenaustausch zwischen den Zugangspunkten (über das Verteilungssystem hinweg) 802.11g: Datenraten > 20 Mbit/s bei 2,4 GHz; 54 Mbit/s, OFDM – in Arbeit 802.11h: Spectrum Managed 802.11a – in Arbeit 802.11i: Erweiterte Sicherheitsmechanismen – in Arbeit Verbesserungen der 802.11 MAC um eine höhere Sicherheit zu gewährleisten Studiengruppen 5 GHz Globalisierung & Harmonisierung (ETSI/IEEE) - abgeschlossen Radio Ressourcenverwaltung – gestartet Höhere Datenraten - gestartet Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 8 – Folie 35 ETSI - HIPERLAN ETSI-Standard europäischer Standard, vgl. GSM, DECT, ... Ergänzung lokaler Netze und Ankopplung an Festnetze zeitkritische Dienste von Anfang an integriert HIPERLAN-Familie ein Standard kann nicht alle Anforderungen abdecken z Reichweite, Bandbreite, Dienstgüteunterstützung z kommerzielle Rahmenbedingungen HIPERLAN 1 1996 verabschiedet – keine Produkte! Medium Access Control Layer Channel Access Control Layer Höhere Schichten Sicherungsschicht Physical Layer Bitübertragungsschicht HIPERLAN-Schichten OSI-Schichten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 1 Übersicht: ursprüngliche HIPERLAN-Familie Anwendung Frequenz Topologie Antenne Reichweite Dienstgüte Mobilität Schnittstelle Datenrate Energiesparmaßnahmen HIPERLAN 1 drahtloses LAN HIPERLAN 2 HIPERLAN 3 HIPERLAN 4 Zugang zu funkbasierte Punkt-zu-Punkt ATMAnschlußnetze drahtlose ATMFestnetzen Verbindungen 5,1-5,3GHz 17,2-17,3GHz dezentral adzellular, zentral Punkt-zuPunkt-zu-Punkt hoc/infrastruktur Mehrpunkt omnidirektional direktional 50m 50-100m 5000m 150m statistisch wie ATM-Festnetze (VBR, CBR, ABR, UBR) <10m/s quasistationär konventionelle ATM-Netze LAN 23,5Mbit/s >20Mbit/s 155Mbit/s ja nicht zwingend HIPERLAN 1 erreichte nie richtigen Produktstatus, die anderen Standards wurden umbenannt und modifiziert! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 2 HIPERLAN 1 - Merkmale Datenübertragung Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt, alle verbindungslos 23,5MBit/s, 1W Sendeleistung, 2383 Byte Paketgröße Dienste Asynchrone und zeitbegrenzte Dienste mit hierarchisch unabhängigen Prioritäten kompatibel mit ISO MAC Topologie Infrastruktur- oder ad-hoc-Netzwerk Reichweite kann über die eines mobilen Knotens hinausgehen („forwarding“ kann in Knoten integriert sein) Sonstige Mechanismen Energiesparmodi, Verschlüsselung, Prüfsummenberechnung Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 3 HIPERLAN 1 - Physikalische Schicht Aufgaben Modulation, Demodulation, Bit und Rahmensynchronisation Vorwärtsfehlerkorrekturmaßnahmen Messung der Signalstärke Erkennung der Belegung eines Kanals Kanäle Standard sieht 3 verpflichtende und 2 optionale Kanäle mit den zugehörigen Trägerfrequenzen vor verpflichtend z Kanal 0: 5,1764680GHz z Kanal 1: 5,1999974GHz z Kanal 2: 5,2235268GHz optional (nicht in allen Ländern erlaubt) z Kanal 3: 5,2470562GHz z Kanal 4: 5,2705856GHz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 4 HIPERLAN 1 - PHY - Rahmencharakteristik Aufrechterhaltung der hohen Datenrate von 23,5Mbit/s kostet viel Energie - fatal für portable Geräte daher wird einem Paket ein Kopf niedriger Bitrate vorangestellt, der alle Informationen über den Empfänger der Nachricht beinhaltet nur betroffene Empfänger fahren mit dem Empfang fort Rahmenstruktur LBR (Low Bit-Rate) Kopf mit 1,4Mbit/s 450bit Synchronisation mindestens 1, maximal 47 Datenblöcke zu 496bit für Bewegungsgeschwindigkeiten über 1,4m/s muß die Maximalzahl von Datenblöcken verringert werden Modulation GMSK für hohe Bitrate, FSK für LBR-Kopf HBR LBR Synch Alexander Heine, Ronald Nitschke Daten0 Daten1 ... Datenm-1 Stunde 9 – Folie 5 HIPERLAN 1 - CAC - Unterschicht Channel Access Control (CAC) Sicherstellen, dass nicht auf unerlaubte Kanäle zugegriffen wird Prioritätsschema, Zugriff mit EY-NPMA Prioritäten 5 Prioritätsstufen, realisieren Dienstgüte Dienstgüte wird in eine Prioritätsstufe mit Hilfe der Paketlebenszeit (durch Anwendung gesetzt) umgerechnet z z z z z Paketlebenszeit = Zeit innerhalb derer es Sinn macht, das Paket an einen Empfänger zu übertragen Standardwert 500ms, maximal 16000ms kann das Paket aufgrund seiner aktuellen Priorität noch nicht gesendet werden, so wird die Wartezeit permanent von der Lebenszeit abgezogen basierend auf Paketlebenszeit, Wartezeit im Sender und Anzahl der Zwischenstationen bis zum Empfänger wird eine der 5 Prioritäten zugewiesen damit steigt die Priorität wartender Pakete automatisch an Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 6 HIPERLAN 1 - EY-NPMA I EY-NPMA (Elimination Yield Nonpreemptive Priority Multiple Access) 3 Phasen: Prioritätsfindung, Wettbewerb, Übertragung Finden der höchsten Priorität z Übertragung Prioritätsfindung Alexander Heine, Ronald Nitschke Wettbewerb Nutzdaten Yield Auslöschungsüberprüfung Auslöschung Prioritätssicherung Prioritätserkennung Synchronisation jede Priorität entspricht einem Sendezeitpunkt in der ersten Phase, die höchste Priorität hat den frühesten Zeitpunkt, die niedrigste den spätesten z Sendewünsche mit höherer Priorität können nicht verdrängt werden z liegt kein solcher Wunsch vor (nicht belegter Zeitschlitz für eine höhere Priorität), so kann die nächst niedrigere senden z am Ende der Phase ist die höchste aktuelle Priorität bestimmt Übertragung t Stunde 9 – Folie 7 HIPERLAN 1 - EY-NPMA II Es können nun mehrere Sendewünsche gleicher Priorität vorliegen Wettbewerbsphase z Elimination Burst: Wettbewerber senden einen Burst, um Konkurrenten zu eliminieren (11111010100010011100000110010110, hohe Rate) z Elimination Survival Verification: Wettbewerber hören nun in den Kanal, ist dieser frei, so dürfen sie fortfahren, ansonsten wurden sie „eliminiert“ z Yield Listening: Wettbewerber hören nun mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in das Medium, ist dieses frei, so darf am Ende der Wettbewerbsphase gesendet werden z Der Trick besteht nun darin, Burstdauer und Hörwahrscheinlichkeit richtig einzustellen (slot-basiert, Exponentialverteilt) Datenübertragung z Der Sieger darf übertragen (sehr kleine Wahrscheinlichkeit der Kollision bleibt) z War der Kanal längere Zeit ruhig (min. 1700bit-Dauern) kann sofort gesendet werden ohne EY-NPMA Synchronisation anhand der letzten Datenübertragung Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 8 HIPERLAN 1 - DT-HCPDU/AK-HCPDU LBR LBR 0 1 2 3 4 5 6 7 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 HI HDA HDA HDACS BLIR = n BLIRCS 1 bit HBR bit Bestätigungs HCPDU bit 0 1 2 3 4 5 6 7 TI BLI = n PLI = m HID DA SA UD PAD CS 0 1 2 3 4 5 6 7 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 HI AID AID AIDCS byte 1 2 3-6 7 - 12 13 - 18 19 - (52n-m-4) (52n-m-3) - (52n-4) (52n-3) - 52n Daten HCPDU Alexander Heine, Ronald Nitschke HI: HBR-part Indicator HDA: Hashed Destination HCSAP Address HDACS: HDA CheckSum BLIR: Block Length Indicator BLIRCS: BLIR CheckSum TI: Type Indicator BLI: Block Length Indicator HID: HIPERLAN IDentifier DA: Destination Address SA: Source Address UD: User Data (1-2422 byte) PAD: PADding CS: CheckSum AID: Acknowledgement IDentifier AIDS: AID CheckSum Stunde 9 – Folie 9 HIPERLAN 1 - MAC-Schicht Kompatibel mit ISO MAC Unterstützt zeitbegrenzte Dienste über Prioritätsschema Paketweiterleitung Unterstützung von gezieltem (Punkt-zu-Punkt) oder Broadcast-Weiterleiten (falls keine Weginformationen vorhanden) Unterstützung von Dienstgüte bei der Weiterleitung Verschlüsselungsmechanismen Integrierte Mechanismen, nicht jedoch Schlüsselverwaltung Energiesparmechanismen Mobile Endgeräte können „Wachmuster“ vereinbaren, d.h. Zeitpunkte, zu denen sie Pakete empfangen können Zusätzlich müssen Knoten vorhanden sein, die Daten für schlafende Knoten aufbewahren und zum richtigen Zeitpunkt weiterleiten (sog. Stores) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 10 HIPERLAN 1 - DT-HMPDU bit 0 1 2 3 4 5 6 7 LI = n TI = 1 RL PSN DA SA ADA ASA UP ML ML KID IV IV UD SC byte 1-2 3 4-5 6-7 8 - 13 14 - 19 20 - 25 26 - 31 32 33 34 35 - 37 38 - (n-2) (n-1) - n Daten HMPDU n= 40–2422 Alexander Heine, Ronald Nitschke LI: Length Indicator TI: Type Indicator RL: Residual Lifetime PSN: Sequence Number DA: Destination Address SA: Source Address ADA: Alias Destination Address ASA: Alias Source Address UP: User Priority ML: MSDU Lifetime KID: Key Identifier IV: Initialization Vector UD: User Data, 1–2383 byte SC: Sanity Check (for the unencrypted PDU) Stunde 9 – Folie 11 Information Datenbasen in HIPERLAN-Knoten Route Information Base (RIB) - wie kann ein Ziel erreicht werden? [destination, next hop, distance] Neighbor Information Base (NIB) - Status der direkten Nachbarn [neighbor, status] Hello Information Base (HIB) - Status des Ziels (über den nächsten Knoten) [destination, status, next hop] Alias Information Base (AIB) - Adressen von Knoten außerhalb des Netzes [original MSAP address, alias MSAP address] Source Multipoint Relay Information Base (SMRIB) - derzeitiger MP Status [local multipoint forwarder, multipoint relay set] Topology Information Base (TIB) - derzeitige HIPERLAN-Topologie [destination, forwarder, sequence] Duplicate Detection Information Base (DDIB) - Erkennung von Duplikaten [source, sequence] Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 12 Ad-hoc Netzwerke mit HIPERLAN 1 HIPERLAN A 1 RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB RIB NIB HIB AIB DDIB 2 Forwarder 4 Information Bases (IB): RIB: Routing NIB: Neighbourhood HIB: Hello AIB: Alias SMRIB: Source Multipoint Relay TIB: Topology DDIB: Duplicate Detection 3 Forwarder 5 RIB NIB HIB AIB DDIB Nachbarschaft (d.h. in Funkreichweite) RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB HIPERLAN B Alexander Heine, Ronald Nitschke RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB RIB NIB HIB AIB DDIB 6 Forwarder Stunde 9 – Folie 13 HiperLAN2 Offizieller Name: BRAN HIPERLAN Type 2 H/2, HIPERLAN/2 sind ebenso gebräuchlich Höhere Nutzerdatenraten Effizienter als 802.11a Verbindungsorientiert QoS-Unterstützung Dynamische Frequenzwahl Unterstützung von Sicherheit www.hiperlan2.com Starke Verschlüsselung und Authentifizierung Mobilitätsunterstützung Netz- und anwendungsunabhängig Konvergenzschichten für Ethernet, IEEE 1394, ATM, 3G Energiesparmodi Plug and Play Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 14 HiperLAN2-Architektur und handover-Szenarien AP MT1 APT APC 1 MT2 3 MT3 APT APC 2 MT4 Alexander Heine, Ronald Nitschke AP Kernnetz (Ethernet, Firewire, ATM, UMTS) APT Stunde 9 – Folie 15 Zentralisierte im Vergleich mit direkter Betriebsart AP AP/CC Steuerung Steuerung Steuerung Daten MT1 MT2 MT1 Daten MT2 MT1 Daten MT2 +CC Steuerung Zentralisiert Alexander Heine, Ronald Nitschke Direkt Stunde 9 – Folie 16 HiperLAN2-Protokollstapel höhere Schichten DLC-Steuerung Konvergenzschicht SAP RLC- Unterschicht Funk Ressourcen Assoziation DLC Verbindung Funksteuerung (RLC) DLC-Nutzer SAP DLC - einfache Datenübertragungsfunktionen Fehlerüberwachung Bereich der HiperLAN2Standards Medienzugriffssteuerung (MAC) Bitübertragungsschicht Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 17 Referenzkonfiguration der Bitübertragungsschicht PDU von DLC (PSDU) Verwürfelung Abbildung Alexander Heine, Ronald Nitschke OFDM FEC Codierung PHY bursts (PPDU) Verschachtelung Funkübertragung Stunde 9 – Folie 18 Betriebskanäle von HiperLAN2 in Europa 36 5150 40 44 48 52 56 60 64 Kanalnummer 5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 5350 [MHz] 16,6 MHz 140 Kanalnummer 5500 5520 5540 5560 5580 5600 5620 5640 5660 5680 5700 5725 [MHz] 100 5470 104 108 16,6 MHz Alexander Heine, Ronald Nitschke 112 116 120 124 128 132 136 Mittenfrequenz = 5000 + 5*Kanalnummer [MHz] Stunde 9 – Folie 19 Basisstruktur von HiperLAN2 MAC-Rahmen 2 ms 2 ms MAC-Rahmen Rundrufphase 2 ms MAC-Rahmen MAC-Rahmen Downlink-Phase variabel 2 ms MAC-Rahmen wahlfreier Zugriff Uplink-Phase variabel ... TDD, 500 OFDM Symbole pro Rahmen variabel 2 406 24 LCH-PDU-Typ Nutzdaten CRC 2 10 396 24 LCH-PDU-Typ Sequenznummer Nutzdaten CRC bit LCH-Transfersyntax bit UDCH-Transfersyntax (lange PDU) 54 byte Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 20 Gültige Konfigurationen von HiperLAN2-MAC-Rahmen 2 ms 2 ms MAC frame MAC frame Rundruf 2 ms MAC frame downlink 2 ms MAC frame uplink ... wahlfreier Zugriff BCH FCH ACH DL phase DiL phase UL phase RCHs BCH FCH ACH DiL phase UL phase RCHs BCH FCH ACH UL phase RCHs BCH FCH ACH UL phase RCHs BCH FCH ACH DL phase DiL phase RCHs BCH FCH ACH DiL phase RCHs BCH FCH ACH BCH FCH ACH DL phase DL phase Alexander Heine, Ronald Nitschke Gültige Kombinationen von MAC-Rahmen für EinzelsektorenZugangspunkte RCHs RCHs Stunde 9 – Folie 21 Abbildung von logischen und Transportkanälen BCCH FCCH RFCH LCCH RBCH DCCH UDCH UBCH UMCH downlink BCH FCH ACH UDCH DCCH LCCH LCH SCH RCH SCH ASCH uplink Alexander Heine, Ronald Nitschke UDCH LCH UBCH UMCH DCCH RBCH LCH LCCH SCH direct link Stunde 9 – Folie 22 WLAN: Home RF – weiterer Standard (Erfolg?) Datenrate 0,8, 1.6, 5, 10 Mbit/s Übertragungsbereich 300m Außenbereich, 30m in Gebäuden Verbindungsaufbaudauer Dienstgüte Frequenzbereich 2.4 GHz ISM Sicherheit Starke Verschlüsselung, kein offener Zugang Kosten Adapter 130€, Basisstation 230€ Verfügbarkeit Diverse Produkte von unterschiedlichen Herstellern, weitere Unterstützung unklar Alexander Heine, Ronald Nitschke 10 ms feste Obergrenze Bis zu 8 A/V-Datenströme, bis zu 8 Sprachdatenstöme, Prioritäten, best-effort Verwaltbarkeit wie DECT & 802-LANs Spezielle Vor-/Nachteile Vorteil: vielfältige Dienstgüteunterstützung, host/client und peer/peer, Energiesparmodi, Sicherheit Nachteil: Zukunft sehr unklar wg. DECT-Geräten plus 802.11a/b für Daten Stunde 9 – Folie 23 RF-Steuerungen – ISM-Bänder Datenrate typ. bis zu 115 kbit/s (serielle Schnittstelle) Übertragungsbereich 5-100 m, je nach Sendeleistung (typ. 10-500 mW) Frequenzen typ. 27 (EU, US), 315 (US), 418 (EU), 426 (Japan), 433 (EU), 868 (EU), 915 (US) MHz (je nach Regulierung) Sicherheit bei einigen Produkten mit Zusatzprozessoren verfügbar Kosten Billig: 10€-50€ Verfügbarkeit Verbindungsaufbaudauer N/A Dienstgüte keine Verwaltbarkeit sehr einfach, wie eine serielle Schnittstelle Spezielle Vor-/Nachteile Vorteil: sehr billig, sehr große Betriebserfahrung, große Stückzahlen verfügbar Nachteil: keine Dienstgüte, übervolle ISM-Bänder (speziell 27 und 433 MHz), typ. keine Medienzugriffssteuerung, 418 MHz erfährt z.B. Interferenzen mit TETRA Viele Produkte, viele Hersteller Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 24 RFID – Radio Frequency Identification (1) Datenraten Übertragung der Kennung (z.B. 48 bit, 64kbit, 1 Mbit) 9,6 – 115 kbit/s Übertragungsbereich Passiv: bis zu 3 m Aktiv: bis zu 30-100 m simultane Erkennung von bis zu, z.B. 256 tags, abtasten von z.B. 40 tags/s Verbindungsaufbaudauer Dienstgüte 125 kHz, 13,56 MHz, 433 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz und viele weitere anwendungsabhängig, typischerweise keine Verschlüsselung auf dem RFIDChip Kosten sehr billige tags, bis zu nur noch z.B. 1 € (passive tags) Verfügbarkeit viele Produkte, viele Hersteller Alexander Heine, Ronald Nitschke sehr einfach, wie eine serielle Schnittstelle Spezielle Vor-/Nachteile Sicherheit keine Verwaltbarkeit Frequenzen abhängig vom Produkt/Medienzugriffsschema (typ. 2 ms pro Gerät) Voteil: sehr billig, große Erfahrung, große Stückzahlen verfügbar, keine Batterien für passive RFIDs benötigt, große Vielfalt an Produkten, hohe Relativgeschwindigkeiten möglich (z.B. bis zu 300 km/h), großer Temperaturbereich Nachteil: keine Dienstgüte, einfache DoS-Attacken möglich, überfüllte ISMBänder, oft nur unidirektionale Datenübertragung (Aktivierung/ Übertragung der Kennung) Stunde 9 – Folie 25 RFID – Radio Frequency Identification (2) Funktion Standard: Als Antwort auf ein Funksignal von einem Lesegerät überträgt ein RFID-Tag seine Kennung Erweitert: Daten können auch zu einem Tag gesendet, unterschiedliche MAC-Verfahren können genutzt werden (Kollisionsvermeidung) Merkmale Keine Sichtverbindung notwendig (vgl. Laserscanner) RFID-Tags können auch sehr schwierige Umweltbedingungen aushalten (Sonnenlicht, Kälte, Frost, Schmutz etc.) Produkte verfügbar mit Schreib/Lese-Speicher, Smart-card-Fähigkeiten Kategorien Passive RFID: Energie kommt vom Lesegerät über Funkwellen, machbar bis zu einem Abstand von ca. 3 m, sehr niedriger Preis (1€) Aktive RFID: Batterie-gespeist, Distanzen von bis zu 100 m Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 26 RFID – Radio Frequency Identification (3) Anwendungen Sichtbarkeit aller Güter, Produkte, Paletten etc. während der Herstellung, des Transports, der Lagerung (total asset visibility) Kundenkarten: Bezahlung mit RFID-Tags an Tankstellen, in Kaufhäusern etc., Erstellung von Kundenprofilen Automatische Mauterfassung: RFIDs in der Windschutzscheibe ermöglichen ein zügiges Passieren von Mautstellen Weitere: Zugangskontrolle, Tieridentifikation, Verfolgung gefährlicher Güter, Inventur, Lagerverwaltung, ... Systeme zur Ortsbestimmung GPS nutzlos in Gebäuden oder unter der Erde, problematisch in Städten mit hohen Gebäuden RFID-Tags übertragen Signale, Empfänger peilen den Sendeort mit Hilfe der Signallaufzeiten an Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 27 RFID – Radio Frequency Identification (4) Sicherheit Denial-of-Service-Attacken sind immer möglich z Störung der Funkübertragung, Abschirmung von Sendern/Empfängern ID-Vergabe während der Herstellung oder durch Programmierung Schlüsselaustausch durch z.B. RSA möglich, Verschlüselung z.B. durch AES Weitere Trends RTLS: Real-Time Locating System – große Anstrengungen im Gange, um z.B. Produkte in Lagern aufzufinden Integration von RFID-Technologie in Herstellungsprozesse, Produktverteilung, Logistikkette Erzeugung eines elektronischen Manifests auf Produkt oder Verpackungsebene (eingebettete, billige, passive RFID tags) 3D-Nachverfolgung von Kindern oder Patientenüberwachung ... Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 28 RFID – Radio Frequency Identification (5) Geräte und Firmen AXCESS Inc., www.axcessinc.com Checkpoint Systems Group, www.checkpointsystems.com GEMPLUS, www.gemplus.com/app/smart_tracking Intermec/Intellitag, www.intermec.com I-Ray Technologies, www.i-ray.com RF Code, www.rfcode.com Texas Instruments, www.ti-rfid.com/id WhereNet, www.wherenet.com Wireless Mountain, www.wirelessmountain.com XCI, www.xci-inc.com Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 29 RFID – Radio Frequency Identification (6) Beispielprodukt: Intermec RFID UHF OEM Reader Lesebereich bis zu 7m Antikollisionsalgorithmus erlaubt es, über 40 tags pro Sekunde zu lesen – unabhängig von der Anzahl an Tags, die im Erkennungsbereich sind US: 915 MHz, Frequency Hopping Lesen: 8 byte < 32 ms Schreiben: 1 byte < 100ms Beispielprodukt: Wireless Mountain Spider Proprietärer Antikollisionsalgorithmus Erkennungsbereich 15 m in Gebäuden, 100 m mit Sichtlinie > 1 Milliarde unterschiedlicher Codes Leserate > 75 tags/s Arbeitet bei 308 MHz Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 30 RFID – Radio Frequency Identification (7) Relevante Standards American National Standards Institute z Automatic Identification and Data Capture Techniques z ISO TC 104 / SC 4, www.autoid.org/tc104_sc4_wg2.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/TC104.htm Road Transport and Traffic Telematics z JTC 1/SC 17, www.sc17.com, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/sc17.htm, Identification and communication z ETSI, www.etsi.org, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ETSI.htm Identification Cards and related devices z ERO, www.ero.dk, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ERO.htm European Telecommunications Standards Institute z JTC 1/SC 31, www.uc-council.com/sc31/home.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/sc31.htm European Radiocommunications Office z ANSI, www.ansi.org, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ANSIT6.html CEN TC 278, www.nni.nl, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/CENTC278.htm Transport Information and Control Systems z ISO/TC204, www.sae.org/technicalcommittees/gits.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ISOTC204.htm Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 31 RFID – Radio Frequency Identification (8) ISO-Standards ISO 15418 z MH10.8.2 Data Identifiers z EAN.UCC Application Identifiers ISO 15434 - Syntax for High Capacity ADC Media ISO 15962 - Transfer Syntax ISO 18000 z z z z z Part 2, 125-135 kHz Part 3, 13,56 MHz Part 4, 2,45 GHz Part 5, 5,8 GHz Part 6, UHF (860-930 MHz, 433 MHz) ISO 18047 - RFID Device Conformance Test Methods ISO 18046 - RF Tag and Interrogator Performance Test Methods Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 9 – Folie 32 Bluetooth Idee Universelles Funksystem für drahtlose Ad-hoc-Verbindungen Verknüpfung von Computer mit Peripherie, tragbaren Geräten, PDAs, Handys – im Wesentlichen ein leistungsfähigerer IrDA-Ersatz Eingebettet in andere Geräte, Ziel: 5€/Gerät (2002: 50€/USB Bluetooth) Kleien Reichweite (10 m), niedrige Leistungsaufnahme, lizenzfrei im 2,45 GHz-ISM-Band Sprach- und Datenübertragung, ca. 1 Mbit/s Bruttodatenrate Eines der ersten Module (Ericsson). Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 1 Bluetooth Geschichte 1994: Ericsson (Mattison/Haartsen), “MC-link”-Projekt Umbenennung des Projekts: Bluetooth nach Harald “Blåtand” Gormsen [Sohn des Gorm], König von Dänemark im 10. Jahrhundert 1998: Gründung der Bluetooth SIG, www.bluetooth.org 1999: Errichtung eines Runsteins durch Ercisson/Lund ;-) 2001: Erste Produkte für den Massenmarkt, Verabschiedung des Standards 1.1 (früher: ) Special Interest Group Gründungsmitglieder: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba Später hinzugekommene Förderer: 3Com, Agere (früher: Lucent), Microsoft, Motorola über 2500 Mitglieder Gemeinsame Spezifikation und Zertifizierung von Produkten Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 2 Geschichte und HiTec… 1999: Ericsson mobile communications AB reste denna sten till minne av Harald Blåtand, som fick ge sitt namn åt en ny teknologi för trådlös, mobil kommunikation. Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 3 …und der echte Runstein Standort: Jelling, Dänemark; Errichtet durch König Harald “Blåtand” in Erinnerung an seine Eltern. Der Stein hat drei Seiten – eine davon zeigt ein Bild von Christus. Inschrift: "Harald king executes these sepulchral monuments after Gorm, his father and Thyra, his mother. The Harald who won the whole of Denmark and Norway and turned the Danes to Christianity." Übrigens: Blåtand weißt auf ein dunkleres Aussehen hin (dunkle Haare) und hat nichts mit einem blauen Zahn zu tun! Alexander Heine, Ronald Nitschke So könnten die Originalfarben des Steines ausgesehen haben. Inschrift: “auk tani karthi kristna” (und machte die Dänen zu Christen) Stunde 10.1 – Folie 4 Merkmale 2.4 GHz ISM Band, 79 (23) RF Kanäle, 1 MHz Trägerabstand Kanal 0: 2402 MHz … Kanal 78: 2480 MHz G-FSK Modulation, 1-100 mW Sendeleistung FHSS und TDD Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen/s Sprungfolge pseudozufällig, vorgegeben durch einen Master Time division duplex zur Richtungstrennung Sprachverbindung – SCO (Synchronous Connection Oriented) FEC (forward error correction), keine Übertragungswiederholung, 64 kbit/s duplex, Punkt-zu-Punkt, leitungsvermittelt Datenverbindung – ACL (Asynchronous ConnectionLess) Asynchron, schnelle Bestätigung, Punkt-zu-Mehrpunkt, bis zu 433,9 kbit/s symmetrisch oder 723,2/57,6 kbit/s asymmetrisch, paketvermittelt Topologie Überlappende Pikonetze (Sterne) bilden ein „Scatternet“ (Streunetz) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 5 Pikonetze Eine Ansammlung von Geräten welche spontan (ad-hoc) vernetzt wird P Ein Gerät wird zum Master, die anderen verhalten sich als Slaves während der Lebensdauer des Pikonetzes Der Master bestimmt die Sprungfolge, die Slaves müssen sich darauf synchronisieren S S M P SB S P SB Jedes Pikonetz hat eine eindeutige Sprungfolge Teilnahme an einem Pikonetz = Synchronisation auf die Sprungfolge Jedes Pikonetz hat einen Master und gleichzeitig bis zu 7 Slaves (> 200 können „geparkt“ werden) Alexander Heine, Ronald Nitschke M=Master P=Parked S=Slave SB=Standby Stunde 10.1 – Folie 6 Bildung eines Pikonetzes Alle Geräte im Pikonetz springen synchron Der Master übergibt den Sklaven seine Uhrzeit und Gerätekennung z Sprungfolge: bestimmt durch die Gerätekennung (48 bit, weltweit eindeutig) z Die Phase in der Sprungfolge wird durch die Uhrzeit bestimmt Adressierung £SB SB Active Member Address (AMA, 3 bit) Parked Member Address (PMA, 8 bit) SB SB ¡SB ¥SB ¤SB SB § SB Alexander Heine, Ronald Nitschke ¡S SB ¡P ¡ S ¡M ¡P ¡S ¡P § SB Stunde 10.1 – Folie 7 Scatternet Verbindung mehrerer räumlich naher Pikonetze durch gemeinsame Master- oder Slave-Geräte Geräte können Slaves in einem Pikonetz sein, Master in einem anderen Kommunikation zwischen Pikonetzen Geräte, welche zwischen den Pikonetzen hin und her springen P S Pikonets (jedes mit max. Kapazität von 720 kbit/s) S S M M P SB M=Master S=Slave P=Parked SB=Standby P S P Alexander Heine, Ronald Nitschke SB SB S Stunde 10.1 – Folie 8 Bluetooth Protokolle Audio NW-Anw. TCP/UDP vCal/vCard Telefonie-Anwendungen Verwaltung OBEX AT modem commands IP TCS BIN SDP BNEP PPP Control RFCOMM (serial line interface) Audio Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) Link Manager Host Controller Interface Baseband Radio AT: attention sequence OBEX: object exchange TCS BIN: telephony control protocol specification – binary BNEP: Bluetooth network encapsulation protocol Alexander Heine, Ronald Nitschke SDP: service discovery protocol RFCOMM: radio frequency comm. Stunde 10.1 – Folie 9 Frequenzwahl während der Übertragung 625 µs fk M fk+1 fk+2 fk+3 fk+4 fk+5 fk+6 S M S M S M t fk fk+3 fk+4 fk+5 fk+6 M S M S M t fk fk+1 M S fk+6 M t Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 10 Basisband Pikonetz/Kanaldefinition PHY-Pakete Zugriffscode z Kanal, Gerätezugriff, z.B., vom Master abgeleitet Paketkopf z 1/3-FEC, Active Member-Adresse (1 master, 7 slaves), Verbindungstyp, Alternating Bit ARQ/SEQ, Prüfsumme 68(72) Zugriffscode 4 Präambel 64 (4) 54 Paketkopf 3 Sync. (trailer) AM-Adresse Alexander Heine, Ronald Nitschke 0-2745 Bits Nutzlast 4 1 1 1 8 Typ Fluss ARQN SEQN HEC Stunde 10.1 – Folie 11 Bits SCO-Nutzlasttypen Nutzlast (30) HV1 Audio (10) HV2 FEC (20) Audio (20) HV3 DV FEC (10) Audio (30) Audio (10) Kopf (1) Daten (0-9) 2/3 FEC CRC (2) (bytes) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 12 ACL-Nutzlasttypen Nutzlast (0-343) Kopf (1/2) DM1 Kopf (1) DH1 Kopf (1) DM3 Kopf (2) DH3 Kopf (2) DM5 Kopf (2) DH5 Kopf (2) AUX1 Daten (0-339) Nutzlast (0-17) Kopf (1) Alexander Heine, Ronald Nitschke 2/3 FEC Nutzlast (0-27) Nutzlast (0-121) CRC (2) CRC (2) (Bytes) CRC (2) 2/3 FEC Nutzlast (0-183) Nutzlast (0-224) Nutzlast (0-339) CRC (2) CRC (2) 2/3 FEC CRC (2) CRC (2) Nutzlast (0-29) Stunde 10.1 – Folie 13 Datenraten im Basisband Typ Nutzlast Nutzlast Kopf Daten [byte] [byte] FEC CRC Symmetrisch Asymmetrisch max. Rate max. Rate [kbit/s] [kbit/s] Forward Reverse 1 Zeitschlitz DM1 1 0-17 2/3 yes 108.8 108.8 108.8 DH1 1 0-27 no yes 172.8 172.8 172.8 3 Zeitschlitze DM3 2 0-121 2/3 yes 258.1 387.2 54.4 DH3 2 0-183 no yes 390.4 585.6 86.4 DM5 2 0-224 2/3 yes 286.7 477.8 36.3 DH5 2 0-339 no yes 433.9 723.2 57.6 AUX1 1 0-29 no no 185.6 185.6 185.6 HV1 na 10 1/3 no 64.0 HV2 na 20 2/3 no 64.0 HV3 na 30 no no 64.0 DV 1D 10+(0-9) D 2/3 D yes D 64.0+57.6 D ACL 5 Zeitschlitze SCO Data Medium/High rate, High-quality Voice, Data and Voice Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 14 Baseband Verbindungstypen Polling-basiert, TDD, paketorientierte Übertragung 625µs Zeitschlitze, Leitstation (master) fragt Folgestationen (slaves) ab SCO (Synchronous Connection Oriented) – Sprache Periodische Pakete, ein Zeitschlitz, 64 kbit/s vollduplex, Punkt-zu-Punkt ACL (Asynchronous ConnectionLess) – Daten MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 Variable Paketgröße (1,3,5 Zeitschlitze), asymmetrische Bandbreite, Punkt-zuMehrpunkt SCO f0 ACL f4 SCO f6 f1 ACL f8 f7 f5 Alexander Heine, Ronald Nitschke SCO f12 f9 ACL f14 SCO f18 f13 ACL f20 f19 f17 Stunde 10.1 – Folie 15 f21 Robustheit Langsames Frequenzspringen mit einem durch den Master bestimmten Sprungmuster Schutz vor Störungen auf bestimmten Frequenzen Trennung von anderen Pikonetzen (FH-CDMA) Fehler in der Nutzlast (Nicht im Paketkopf!) Übertragungswiederholung nur für ACL-Verbindungen, sehr schnell Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction) MASTER SLAVE 1 NAK SCO and ACL A C B SLAVE 2 Alexander Heine, Ronald Nitschke C D F ACK H E G G Stunde 10.1 – Folie 16 Basisband-Zustände eines Bluetooth-Geräts unverbunden standby Trennung inquiry transmit AMA park PMA connected AMA hold AMA Standby: Bereitschaft, inaktiv Inquire: Suche nach anderen Geräten Page: Verbindung zu einen best. Gerät Connected: Teilnahme im Pikonetz Alexander Heine, Ronald Nitschke page sniff AMA Verbindungsaufbau Aktiv Stromsparmodi Park: Freigabe AMA, Annahme PMA Sniff: periodisches Mithören, nicht jeder Schlitz Hold: stop ACLs, SCO sind noch möglich, evtl. Teilnahme in einem anderen Pikonetz Stunde 10.1 – Folie 17 Beispiel: Stromaufnahme/CSR BlueCore2 Typische durchschnittliche Stromaufnahme (1) VDD=1,8V Temperatur = 20°C Betriebsmodi SCO Verbindung HV3 (1s Intervall Sniff-Modus) (Slave) SCO Verbindung HV3 (1s Intervall Sniff-Modus) (Master) SCO Verbindung HV1 (Slave) SCO Verbindung HV1 (Master) ACL Datentransfer 115,2kbit/s UART (Master) ACL Datentransfer 720kbit/s USB (Slave) ACL Datentransfer 720kbit/s USB (Master) ACL Verbindung, Sniff Mode 40ms Intervall, 38,4kbit/s UART ACL Verbindung, Sniff Mode 1.28s Intervall, 38,4kbit/s UART Parked Slave, 1,28s Aufwachintervall, 38,4kbps UART Standby-Modus (Verbunden mit dem Rechner, keine RF-Aktivität) Tiefschlafmodus (2) Bemerkungen: (1) Stromaufnahme in der Summe von BC212015A und Flash-Speicher. (2) Stromaufnahme nur BC212015A. (Mehr unter: www.csr.com ) Alexander Heine, Ronald Nitschke 26,0 mA 26,0 mA 53,0 mA 53,0 mA 15,5 mA 53,0 mA 53,0 mA 4,0 mA 0,5 mA 0,6 mA 47,0 µA 20,0 µA Stunde 10.1 – Folie 18 Beispiel: Bluetooth/USB-Adapter (2002: 50€) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 19 WPAN: IEEE 802.15-1 – Bluetooth (1) Datenraten Synchron, verbindungsorientiert: 64 kbit/s Asynchron, verbindungslos z 433,9 kbit/s symmetrisch z 723,2 / 57,6 kbit/s asymmetrisch Reichweite POS (Personal Operating Space) bis zu 10 m Spezielle Sender bis zu 100 m Frequenz Free 2.4 GHz ISM-band Verbindungsaufbaudauer Dienstgüte 50€ Adapter, fallen auf bis zu 5€ Verfügbarkeit Öffentliche/private Schlüssel benötigt, Schlüsselverwaltung nicht spezifiziert, einfache Systemintegration Vorteile/Nachteile Challenge/response (SAFER+), Sprungfolge Kosten Garantien, ARQ/FEC Verwaltbarkeit Sicherheit Hängt von der Betriebsart ab Max. 2,56s, im Mittel 0,64s Vorteile: bereits in Produkte integriert, weltweit verfügbar, freies ISM-Band, diverse Anbieter, einfaches System, einfache spontane Kommunikation, Punkt-zu-Punkt Nachteile: Interferenzen auf dem ISMBand, eingeschränkte Reichweite, max. 8 Geräte pro Netz, hohe Verbindungsaufbauverzögerung Bereits in einige Produkten integriert, viele Anbieter Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 20 WPAN: IEEE 802.15 – Weiterentwicklungen 1 802.15-2: Koexistenz Koexistenz von drahtlosen persönlichen Netzen (802.15) und drahtlosen lokalen Netzen (802.11), Beschreibung der Störungen 802.15-3: Höhere Datenraten Standard für WPANs mit höheren Datenraten (20Mbit/s or mehr), aber immer noch billig und niedrige Leistungsaufnahme Datenraten: 11, 22, 33, 44, 55 Mbit/s Dienstgüte: isochrones Protokoll Ad hoc peer-to-peer Netze Sicherheit Batteriebetrieb muss möglich sein Billig, einfach, ... Speziell ausgerichtet, um den wachsenden Bedarf im Bereich der Bildübertragung, Multimedia-Datenübertragung im Konsumerbereich abzudecken Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 21 WPAN: IEEE 802.15 – Weiterentwicklungen 2 802.15-4: Niedrige Datenraten und sehr niedrige Leistungsaufnahme Lösung für niedrige Datenraten, Batterielebensdauern von Monaten bis zu Jahren, sehr geringe Komplexität Mögliche Anwendungen: Sensoren, interaktive Spielzeuge, Fernsteuerungen, Heimautomatisierung, ... Datenraten 2-250 kbit/s, Latenz bis hinunter zu 15 ms Master-Slave oder Peer-to-Peer Betrieb Bis zu 254 Geräten oder 64516 Verteilknoten Unterstützung für verzögerungskritische Geräte, z.B. Joysticks CSMA/CA Medienzugriff (datenzentriert) , mit/ohne Zeitschlitze Automatischer Netzaufbau durch einen Koordinator Dynamische Geräteadressierung Hohe Übertragungszuverlässigkeit durch Bestätigungen Gezielte Leistungssteuerung um eine geringe Aufnahme sicher zu stellen 16 Kanäle im 2,4-GHz-ISM-Band, 10 Kanäle im 915-MHz-US-ISM-Band und ein Kanal im europäischen 868-MHz-Band Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 22 802.11 vs.(?) 802.15/Bluetooth Bluetooth könnte sich rüpelhaft in einem 802.11-Netz verhalten (getrennt durch Installation) 100 byte 802.15 79 Kanäle SIFS ACK DIFS 500 byte SIFS ACK 100 byte 802.11b 3 Kanäle DIFS DIFS SIFS ACK SIFS ACK DIFS 100 byte DIFS DIFS 100 byte 500 byte SIFS ACK SIFS ACK DIFS DIFS SIFS ACK 1000 byte 500 byte 100 byte SIFS ACK weiß nichts um Sendepausen, IFS etc. DIFS DIFS f [MHz] 2480 (getrennt durch Sprungfolge) 2402 t IEEE 802.15-2 greift diese Probleme auf Vorschlag: Adaptive Frequency Hopping z Nicht kollaborativ, reine Koexistenz ohne Zusammenarbeit Echte Auswirkungen? Viele unterschiedliche Meinungen, Veröffentlichungen, Tests, … Ergebnisse reichen von komplettem Zusammenbruch bis zu störungsfrei Bluetooth (FHSS) ist robuster als 802.11b (DSSS) Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 23 Mögliche Störungen auf dem ISM-Band Es gibt viele Störquellen Mikrowellenherde, Mikrowellenbeleuchtung 802.11, 802.11b, 802.11g, 802.15, Home RF plus analoge TV-Übertragung, Überwachung Lizenzfreie Stadtnetze … OLD NEW Ebenen der Störung Physikalische Schicht: Interferenzen sind wie Rauschen z Bandspreizverfahren versuchen die zu minimieren z FEC/Verschachtelung tragen zur Korrektur bei © Fusion Lighting, Inc. MAC-Schicht: Algorithmen sind nicht harmonisiert z Z.B. kann Bluetooth 802.11 verwirren Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.1 – Folie 24 Mobilkommunikation Die Zukunft mobiler und drahtloser Netze – ist dies 4G? Alles mit IP? Lizensiert? Öffentlich? Privat? Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 1 Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected LAN, WLAN 780 kbit/s GSM 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS, DECT 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, WLAN 780 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s Alexander Heine, Ronald Nitschke UMTS, GSM 384 kbit/s Stunde 10.2 – Folie 2 Mobilfunksysteme: Übersicht über die Entwicklung Mobiltelefone Satelliten 1983: AMPS 1982: Inmarsat-A 1984: CT1 1986: NMT 900 1987: CT1+ 1988: Inmarsat-C 1991: CDMA 1991: D-AMPS 1989: CT 2 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1993: PDC 1994: DCS 1800 analog drahtlose LAN 1980: CT0 1981: NMT 450 1992: GSM schnurlose Telefone 1991: DECT 1998: Iridium 2000: GPRS 199x: proprietary 1997: IEEE 802.11 1999: 802.11b, Bluetooth 2000: IEEE 802.11a 2001: IMT-2000 digital 4G – Vierte Generation: wann und wie? Alexander Heine, Ronald Nitschke 200?: Vierte Generation (Internet-basiert) Stunde 10.2 – Folie 3 Overlay Networks – das globale Ziel Integration heterogener Fest- und Mobilnetzeintegration mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften Region vertikaler Handover Stadtgebiet Firmengelände horizontaler Handover Auto, Haus, persönlicher Bereich Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 4 Drahtlose Zugangstechniken 250 FDD 50 5 Physikalische/ ökonomische Grenze EDGE 100 GSM, TETRA Relative Geschwindigkeit [km/h] DAB UMTS TDD DECT 802.11b HiperLAN2, 802.11a/.11g Bluetooth 0 Punkt-zu-Mehrpunkt-Verteilsysteme 10 kbit/s 2 Mbit/s Alexander Heine, Ronald Nitschke 20 Mbit/s Bandbreite 150 Mbit/s Stunde 10.2 – Folie 5 Merkmale zukünftiger Mobilfunknetze Verbesserte Funktechniken und Antennen Intelligente Antennen, Strahlformung, MIMO- (multiple-input-multipleoutput-) Antennen z Raummultiplex zur Kapazitätssteigerung, Nutzung von Mehrwegeausbreitung Software-Radios (software defined radios, SDR) z Nutzung unterschiedlicher Funkschnittstellen, Herunterladen neuer Modulations/Codierungs/...-Techniken z Benötigt sehr hohe Rechenleistungen (UMTS RF: 10000 GIPS) Dynamische Frequenzzuweisung z Spektrum auf Anforderung steigert die Gesamkapazität Konvergenz der Kernnetze IP-basiert, Dienstgüte, Mobile IP Ad-hoc-Techniken Spontane Kommunikation, Energieeinsparung, Redundanz Einfache und offene Diensteplattformen Intelligenz am Netzrand, nicht im Netz (wie bei IN) Dadurch: mehr Diensteanbieter, nicht nur die Netzbetreiber Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 6 Beispielhaftes IP-basiertes 4G/Next G/… Netz SS7-Signalisierung Server-Farm, Gateways, Proxys Rundfunk PSTN, CS-Kern Gateways MSC IP-basiertes Kernnetz SGSN BSC GSM Firewall, GGSN, Gateway Router Internet Zugangspunkte privates WPAN RNC privates WLAN UMTS öffentliches WLAN Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 7 Mögliche Probleme Dienstgüte Das heutige Internet arbeitet nach dem Best-Effort-Prinzip Integrated Services wurden nie richtig populär, schlechte Skalierung Differentiated Services müssen sich erst noch hinsichtlich Skalierbarkeit und Verwaltbarkeit beweisen Wo bleibt die Einfachheit des Internets? DoS-Angriffe auf QoS? Internet-Protokolle sind sehr bekannt… …auch bei Angreifern, Hackern, Einbrechern z Sicherheit durch Verbergen klappt nicht richtig, aber trotzdem bieten abgeschlossene Systeme einen höheren Grad an Sicherheit durch eine „Wissensschwelle“ Zuverlässigkeit, Wartung Es ist immer noch eine offene Frage, ob Internet-Technik wirklich billiger ist, wenn eine sehr hohe Zuverlässigkeit gefordert ist (99.9999%) plus alle gewünschten Eigenschaften integriert sind Fehlende Gebührenmodelle Abrechnung basierend auf technischen Parametern (Volumen, Zeit) ist sinnlos Bezahlung pro Anwendung ist deutlich einsichtiger für Kunden Killer-Anwendung? Es gibt keine einzelne Killer-Anwendung! Die Auswahl an Diensten und der nahtlose Zugang zu Diensten über unterschiedliche Netze bestimmen den Erfolg Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 8 Viel Spaß mit der Mobilkommunikation! Das ist das Ende der Foliensammlung – obwohl es sicherlich noch viel mehr zur Mobilkommunikation zu sagen gibt! Vielen Dank, dass Sie soweit den Folien gefolgt sind, und viel Spaß beim Erforschen der faszinierenden Welt der drahtlosen und mobilen Kommunikationssysteme! Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 10.2 – Folie 9