Mobilkommunikation Kapitel 1: Einf

1
MobilkommunikationKapitel 1 Einführung

• Mobilität und ihre Auswirkungen
• Geschichte der Mobilkommunikation
• Teilnehmerzahlen
• Forschungsbedarf

1.0.1
2
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

1.2.2
3
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

1.4.1
4
Typische Anwendung Straßenverkehr
UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA, ...
ad hoc
Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop,
GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
1.22.1
5
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 fürMehrbenutzerspiele

Erbaut 1645
1.5.2
6
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

1.6.2
7
Mobile Endgeräte

• PDA
• einfache Grafikanzeigen
• Handschrifterkennung
• vereinfachtes WWW

• Pager
• nur Empfang
• sehr kleine Anzeigen
• einfache Textnachrichten

• Laptop
• voll funktionsfähig
• Standardanwendungen

Sensoren, embedded systems

• Palmtops
• kleine Tastatur
• einfache Versionen der Standardprogramme

• Mobiltelefone
• Sprache, Daten
• einfache Textanzeigen

L e i s t u n g
1.7.2
8
Auswirkungen der Endgeräteportabilität

• Leistungsaufnahme
• begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der
  Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte
  Batterieleistung
• 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

1.8.2
9
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 bis zu 2MBit/s UMTS (pro
  Basisstation)
• 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

1.9.1
10
Erfindungen und Entdeckungen

• Schon früh wurde Licht zur Kommunikation
  eingesetzt
• Heliographen, Flaggen (Semaphore), Zeiger
• 150 v.Chr. Rauchsignale zur Kommunikationvon
  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

1.11.2
11
Geschichte der drahtlosen Kommunikation I

• 1896 Guglielmo Marconi
• erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie
  (digital!)
• Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen
  benötigt (gt 200kW)
• 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen
• sehr große Basisstationen (30 100m hohe
  Antennenmasten)
• 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San
  Francisco
• 1920 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

1.12.3
12
Geschichte der drahtlosen Kommunikation II

• 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV,
  Nachrichten, Atlantik)
• 1932 Erstes Lehrfernsehen CBS W2XAB
• 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong)
• 1958 A-Netz in Deutschland
• analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der
  Mobilstation, kein Handover, 80 Flächendeckung,
  1971 11000 Teilnehmer
• 1972 B-Netz in Deutschland
• analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem
  Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der
  Mobilstation muß bekannt sein)
• ebenso in A, NL und LUX, 1979 13000 Teilnehmer in
  D
• 1979 NMT, 450 MHz (Skandinavien)
• 1982 Start der GSM-Spezifikation
• Ziel paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit
  Roaming
• 1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced
  Mobile Phone System, analog)
• 1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose
  Telefone

1.13.2
13
Geschichte der drahtlosen Kommunikation III

• 1986 C-Netz in Deutschland
• analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover
  möglich, digitale Signalisierung, automatische
  Lokalisierung der Mobilstation
• abgeschaltet in 2000
• 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 40 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 über 150
  Ländern
• Dienste Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...

1.14.3
14
Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV

• 1994 E-Netz in Deutschland
• GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen, derzeit 11
  Länder
• als Eplus in D (Ende 1997 98 der Bevölkerung
  erreichbar)
• 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area
  Network)
• ETSI, Standardisierung von Typ 1 5,15 - 5,30GHz,
  23,5Mbit/s
• Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4
  (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis
  155Mbit/s)
• 1997 Wireless LAN - IEEE802.11
• IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s
• viele proprietäre Produkte schon früher
• 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern
• für UMTS (Universal Mobile Telecommunication
  System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000
• Iridium abgeschaltet in 2000 Pleite!
• 66 Satelliten (6 Reserve), 1,6GHz zum
  Mobiltelefon

1.15.2
15
Geschichte der drahtlosen Kommunikation V

• 1999 Weitere drahtlose LANs
• IEEE-Standard 802.11b, 2,4 - 2,5GHz, 11Mbit/s
• Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, lt 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 115,2kbit/s
• 2001? Start von UMTS als Test

1.26.1
16
Mobilfunksysteme Entwicklung im Überblick
drahtloses LAN
schnurlose Telefone
Mobiltelefone
Satelliten
1980CT0
1981 NMT 450
1982 Inmarsat-A
1984CT1
1983 AMPS
1986 NMT 900
1987CT1
1988 Inmarsat-C
1991 D-AMPS
1991 CDMA
1989 CT 2
199x proprietär
1991 DECT
1992 GSM
1992 Inmarsat-B Inmarsat-M
1995/96/97 IEEE 802.11, HIPERLAN
1993 PDC
1994DCS 1800
1998 Iridium
2005? MBS, WATM
analog
2005? UMTS/IMT-2000
digital
1.16.3
17
Zukunft 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
• IMT-2000 für Entwicklungsländer
• M.1034-1
• Anforderungen an die Luftschnittstellen
• M.1035
• Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen
• M.1036
• Frequenzspektrum

• M.1078
• 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
• http//www.itu.int/imt

1.17.1
18
Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie
700
600
500
Amerika
Europa
400
Japan
300
andere
total
200
100
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
1.23.1
19
Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999
Deutschland
Griechenland
Spanien
Belgien
Frankreich
Niederlande
Großbritannien
Schweiz
Irland
Österreich
Portugal
Luxemburg
Italien
Dänemark
Norwegen
Schweden
Finnland
1.19.2
20
Mobilfunkmarkt in Deutschland
35
Mobilfunkteilnehmer
Endgeräteabsatz
30
(Angaben in Millionen)
25
20
15
10
5
0
Prognose
1996
1997
1998
1999
2000
1.20.2
21
Vereinfachtes Referenzmodell
Anwendung
Anwendung
Transport
Transport
Netzwerk
Netzwerk
Netzwerk
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Medium
Funk
1.24.1
22
Einfluss der Mobilkommunikation auf das
Referenzmodell

• Dienstelokation
• neue Anwendungen, Multimedia
• adaptive Anwendungen
• Staukontrolle, Flusskontrolle
• Dienstqualität
• Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung
• Handover
• Authentifizierung
• Medienzugriff
• Multiplexing
• Medienzugangskontrolle
• Verschlüsselung
• Modulation
• Interferenzen
• Dämpfung
• Frequenzen

Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschi
cht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht
1.10.3
23
Kapitelübersicht
Kapitel 11 Mobilitätsunterstützung
Kapitel 10 Transportprotokolle
Kapitel 9 Netzwerkprotokolle
Kapitel 4 Telekommunikations-systeme
Kapitel 5 Satelliten Systeme
Kapitel 6 Broadcast Systeme
Kapitel 7 Drahtlose LANs
Kapitel 8 Drahtloses ATM
Kapitel 3 Medienzugriff
Kapitel 2 Technische Grundlagen
1.25.1
24
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
• ...

1.21.1
25
Computer für das nächste Jahrhundert?

• 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)

1.1.1
26
Overlay-Netzwerke
Integration heterogener Fest- undMobilnetze mit
stark variierendenÜbertragungscharakteristika
Regionalnetze
Vertikaler Handover
Stadtnetze
Campusnetze
Horizontaler Handover
Gebäudenetze
1.3.1