Mobilkommunikation
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Mobilkommunikation Sommersemester 2005 FU Berlin Informatik Technische Informatik & Telematik Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller http://www.jochenschiller.de/ [email protected] Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.1 Übersicht über die Vorlesung Einführung SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Kollisionsvermeidung, Polling GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000 GEO, LEO, MEO, routing, handover Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität Mobilitätsunterstützung Satellitensysteme Mobile IP Ad-hoc Netze Wegwahl Transportprotokolle/Mobile TCP Techniken, Einsatzgebiete IEEE 802.11a/b/g, .15, Bluetooth Netzwerkprotokolle DAB, DVB Drahtlose LANs Drahtlose Telekommunikationssysteme Medienzugriff Wellenausbreitung, Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Sender/Empfänger, Modulation Broadcast-Systeme Technische Grundlagen Einsatzszenarien Begriffsdefinitionen Herausforderungen Dateisysteme, WWW, WAP, i-mode, J2ME, … Ausblick MC SS05 1.2 Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen – viele Aspekte Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.3 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“) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.4 Begriffe der Mobilkommunikation Zwei Aspekte der Mobilität: Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) “zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann.” Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden. Wireless vs. Mobile Beispiele 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.5 Anwendungen I 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.6 Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA, ... Personal Travel Assistant, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.7 Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected DSL/WLAN 3 Mbit/s GSM/GPRS 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, DSL/WLAN 3Mbit/s UMTS, GSM 384 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.8 Anwendungen II 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.9 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.10 Mobile Endgeräte Pager • nur Empfang • sehr kleine Anzeigen • einfache Textnachrichten PDA/Smartphone • Grafikanzeigen • Handschrifterkennung • vereinfachtes WWW Laptop/Notebook • voll funktionsfähig • Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone • Sprache, Daten • einfache Grafikanzeigen Palmtops • kleine Tastatur • einfache Versionen der Standardprogramme www.scatterweb.net Leistung Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.11 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte, Diebstahl) Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar Flash-Speicher or ? als Alternative Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.12 Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen Einstrahlung von z.B. Elektromotoren, Blitzschlag Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben Niedrigere Übertragungsraten lokal einige Mbit/s, regional derzeit z.B. 53kbit/s mit GSM/GPRS Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.13 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) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.14 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 1915 1920 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) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.15 Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 1933 1958 1972 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 1979 1982 1983 1984 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.16 Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 1880-1900MHz, ~100-500m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere 10000 Nutzer/km2, Nutzung in 50 Ländern 1992 Start von GSM in D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in weit über 200 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.17 Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als Eplus in D (Ende 1997 98% der Bevölkerung erreichbar) 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, Standardisierung von Typ 1: 5,15 - 5,30GHz, 23,5Mbit/s Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s) 1997 1998 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.18 Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard 802.11b, 2,4 - 2,5GHz, 11Mbit/s Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/s Entscheidung über IMT-2000 Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma2000, DECT, ... Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert) UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe 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 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.19 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? Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ 200?: Vierte Generation (Internet basiert) MC SS05 1.20 Grundlage: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M.687-2 IMT-2000 Konzepte und Ziele M.816-1 Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M.818-1 Satelliten in IMT-2000 M.819-2 Anforderungen an die Luftschnittstellen M.1035 Sicherheit in IMT-2000 M.1079 Sprache/Daten im Sprachband M.1167 Rahmenwerk für Satelliten M.1168 Rahmenwerk für das Management M.1223 Evaluation von Sicherheitsmechanismen M.1224 Vokabular für IMT-2000 M.1225 Evaluation der Übertragungstechniken Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen M.1036 IMT-2000 für Entwicklungsländer M.1034-1 M.1078 http://www.itu.int/imt Frequenzspektrum Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.21 Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998) 700 600 500 Amerika Europa Japan andere total 400 300 200 100 0 1996 1997 1998 1999 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ 2000 MC SS05 2001 1.22 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 2005: 70-90% Durchdringung in Westeuropa Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.23 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 – 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.24 Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002) Mittlerer Osten; 1,6 Afrika; 3,1 Amerika 22 Asien/Pazifik; 36,9 Europa; 36,4 2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.25 Einige Statistikwerte (09/2002 / 12/2004) Total Global Mobile Users 869M / 1.52T Total Analogue Users 71M / 34M Total US Mobile users 145M / 140M Total Global GSM users 680M / 1.25T Total Global CDMA Users 127M / 202M Total TDMA users 84M / 120M Total European users 283M / 343M Total African users 18.5M / 53M Total 3G users 130M / 130M(?) Total South African users 13.2M / 19M European Prepaid Penetration 63% European Mobile Penetration 70.2% Global Phone Shipments 2001 393M Global Phone Sales 2Q02 96.7M #1 Mobile Country China (139M / 300M) #1 GSM Country China (99M) #1 SMS Country Philipines #1 Handset Vendor 2Q02 Nokia (37.2%) #1 Network In Africa Vodacom (6.6M) #1 Network In Asia Unicom (153M) #1 Network In Japan DoCoMo #1 Network In Europe T-Mobile (22M / 28M) #1 In Infrastructure Ericsson SMS Sent Globally 1Q02 60T / 135T SMS sent in UK 6/02 1.3T / 2.1T SMS sent Germany 1Q02 5.7T GSM Countries on Air 171 / 210 GSM Association members 574 / 839 Total Cost of 3G Licenses in Europe 110T€ SMS/month/user 36 http://www.cellular.co.za/stats/statsmain.htm Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.26 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 ... Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.27 Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Bitübertragung Netzwerk Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Funk Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ Netzwerk Bitübertragung Medium MC SS05 1.28 Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.29 Kapitelübersicht Kapitel 10: Mobilitätsunterstützung Kapitel 9: Transportprotokolle Kapitel 8: Netzwerkprotokolle Kapitel 4: Telekommunikationssysteme Kapitel 5: Satelliten Systeme Kapitel 6: Broadcast Systeme Kapitel 7: Drahtlose LANs Kapitel 3: Medienzugriff Kapitel 2: Technische Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.30 Overlay-Netzwerke – das globale Ziel Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze Vertikaler Handover Stadtnetze Campusnetze Horizontaler Handover Gebäudenetze Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.31
