Date post: | 06-Apr-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | pankraz-welser |
View: | 108 times |
Download: | 0 times |
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Kommunikationssysteme 3
Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Gliederung der Lehrveranstaltung
1. Einleitung
2. Anwendungen
3. Lokale drahtlose Netzwerke
4. Satellitensysteme
5. Erdnahe Kommunikationssysteme
6. Internet via Satellit
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anwendungen und Anforderungen
Anwendungen• mobile Terminals in
Westentaschenformat• Videos unterwegs (Fußball) • mobiles Büro:
– Email, Termine, File-Server
Anforderungen1. Abdeckung
2. hohe Bandbreite / Robustheit
3. niedrige Kosten
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Einleitung
Wunsch bezüglich drahtloser Kommunikation:
• winzige Terminals im Handy oder Westentaschenformat• Überall Abruf von Informationen• Videos auf Abruf• Tele-Gesundheit• Bildungsdienste• globale Arbeitsteilung
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anwendungen
• Mobil-Telephonie (Handy)• Navigationssysteme (GPS,Touristenleitsystem)
• Internet-Zugang am Notebook, Palm-Top
• Unterstüzungssystem für den technischen Außendienst• Ad-Hoc-Netzwerke• TV on Demand
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Vorhersagen
Negroponte-Flip: (Nicholas Negroponte, MIT)"Schmalbandige Dienste wie Telophonie verlagern sich auf das Mobilnetz,neue, breitbandige Dienste entstehen zunächst im Festnetz"
Pelton Eintopf: (Joseph N. Pelton)"Ein Mix aus drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerken decken den Bedarf für moderne breitbandige Netzwerkanwendungen"
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Ziele in der Entwicklung
• niedrigere Kosten (z.Z. auf See 9 Euro/Minute )• höhere Bandbreite• höhere Standzeiten / geringere zum Verbindungsaufbau
notwendige Leistung• kleinere Antennen
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Probleme
Zur Übertragung von Daten:• Nutzung des elektromagnetischen Frequenzspektrums
• Hauptproblem: Das nutzbare Funkband ist eine sehr begrenzte Ressource
• USA: Versteigerung von Frequenzen • Deutschland: Deregulierungsbehörde
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Das Elektromagnetische Spektrum
• James Clerk Maxwell, 1865, Theorie• Heinrich Hertz, 1887, Entwicklungen
• Frequenz: Schwingungen pro Sekunde• Wellenlänge: Weg pro Welle• ƒ=c/l • UKW-Radio: 3 Meter Band = 100 MHz
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Verfügbare Frequenzspektrum
10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 10 24
Radio Mikrowelle Infrarot
sichtbares Licht
UV Röntgen Gamma
10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16
Twisted PairCoax
LF MF HF VHF UHF SHF THF
Satellite Fiber
Mikrowellen Richtfunk
TVSeefunk
AM Radio FM Radio
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Einordnung
UMTS
IrDa
GSM/GPRS
Wireless LANIEEE802.11b
Gebäude StadtReichweite
10 K
1 M
2 M
Gebiet WeltweitRaum
11 MWireless Bridging
IEEE802.11b4 M
Blue-tooth
Date
nra
te [
Bit
/s]
DECT
Bündelfunk
Schmalband
56 MWLAN-5
IEEE802.11aWLAN-5 Bridging
IEEE802.11a
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Klassifikation
• Lokale drahtlose Netzwerke– RC5, IRDA
– IEEE 805.11b
– IEEE 805.11a
– DECT
– BlueTooth
• Erdnahe Systeme• Satellitenbasierte Systeme
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Lokale drahtlose Netzwerke
Ziele drahtloser lokaler Netzwerke (WLAN):
• alte Gebäude ohne geeignete Verkabelung• Büros mit flexibler Konfiguration• Industriebereiche, Baubereiche• nicht permanente Einrichtungen (Meetings)• lokale mobile Einrichtungen (Krankenhäuser)
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Befehle im Licht, RC5
• Geräte der Unterhaltungselektronik• Zunehmend Steuertechnik• Infrarotlicht mit moduliertem Code• Entwickelt ursprünglich von Philips• Zentrale Vergabe der Codes• Andere: RECS-80, NEC-Code
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
RC5, Physikalische Codierung
1 1 0 0 1 0 1 1
36 kHz Modulation, Pulslänge 1,778 ms• Aufsteigende Flanke: logische 1• Abfallende Flanke: logische 0
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Aufbau eines RC5-Wortes
12
Startbit
Togglebit
5 Addressbit 6 Datenbit
1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1
• Startbit: Synchronisierung• Togglebit: kennzeichnet neuen Befehl
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
RC5, Adressen
0 TV1 Fernsehempfänger 1 1 TV2 Fernsehempfänger 2 2 TXT Video-Teletext 4 LV1 Laser Video Player 5 VCR1 Videorecorder 1 6 VCR2 Videorecorder 2 8 Sat 1 Satellitenreciver 17 TUNER Radio 26 CD-R CD-Recorder .. Noch nicht zugeteilt
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
RC5, Daten
Code 0/1 TV0-9 Ziffer 0-912 Standby16 Volume +17 Volume -18 Rightness +19 Bightness -
32 Channel +33 Channel -
60 Teletext64 Surround Sound
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Vereinfachtes Referenzmodell für Telekommunikation
Bitübertragung
Sicherung
Netzwerk
Transport
Anwendung
Bitübertragung
Sicherung
Netzwerk
Bitübertragung
Sicherung
Netzwerk
Bitübertragung
Sicherung
Netzwerk
Transport
Anwendung
Bitübertragung
Sicherung
Netzwerk
Transport
Anwendung
Funk Festnetz
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anforderungen
Anforderung 1:
Mobilfunkdienste werden flächendeckend benötigt
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
IntegrierteAntennen ca. 25m
reguläreAntennenca. 40m
gerichteteAntennenca. 100m
Verbesserung durch Antennen
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Flächendeckende Systeme: Celluläre Systeme
kleinere Funkzellen:+ geringere Sendeleistung– aufwendigere Infrastruktur+ bessere Nutzung der Frequenzen– häufige Übergabe
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Funkzellengröße
Type Abdeckung Verwendung Leistung
kontinental Satellit Fernsehen, Telefon
200 W
+ Richtgewinn
Funktürme Region Radio, Fernsehen
Mega-Watt
cellulär Bezirk, 30 km C-, D-Netz Telefon
20 W
Mini-Cellen Bezirk, 20 km E-Netz Telefon 20 W
Mikro-Cellen Gebäude WLAN 200 mW
Nano-Cellen Raum BlueTooth 20 mW
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anordnung von Basisstationen und Zuteilung von Frequenzen
Vermeidung von Gleichkanal-Störungen:– Nachbarzellen: verschiedene Frequenzen
– Außerhalb der Reichweite: Wiederverwendung
f1f2
f33-Freq.Cluster
f1
f3f4
f6
f5
f7
f27-Freq.Cluster
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Funkzellen in der Praxis
Die Praxis ist nicht sechseckig!
statische Anforderungen– Geländebedingungen (Berge), Gebäude– mehrere Frequenzen je Zelle– Frequenzen pro Etage in Gebäuden
dynamische Anforderungen– Wettereinflüsse– Änderungen der Last
DCA (Dynamic Channel Allocation)– dynamische Zuordnung der Frequenzen nach Bedarf
regelmäßiges Berechnen einer Landkarten-Färbung!
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anforderungen
Anforderung 2:
Mobile Systeme benötigen hohe Bandbreiten und Robustheit gegenüber Störungen
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
mögliche Störungen für Funkausbreitung
• Freiraumdämpfung (Luft, Feuchtigkeit)• Abschattung• Reflexion• Mehrwegausbreitung• Streuung• Beugung• Brechung• Dopplereffekt
Vorherberechnung eines Signals sehr schwer!
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Mehrwegausbreitung
Sender EmpfängerLine-Of-Sight-PfadNon-Line-Of Sight-Pfad
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Anforderungen
Anforderung 3:
niedrige Kosten erfordern eine Funk-Technik,die Frequenzen effizient nutzt
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Protokolle für den Mehrfachzugriff (OSI Schicht 2)
Varianten:
• Exklusive Zuweisung von Kanälen– garantierte Bandbreite
– ungenutzte Bandbreite
– Verwaltungsaufwand
• Gemeinsame Nutzung verfügbarer Bandbreite– gerechte Verteilung der Bandbreite
– keine garantierte Bandbreite
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Mehrfachzugriffsprotokoll CSMA-CD
Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detect– Multiple Access: alle können sprechen
– Carrier Sense: sprich nur, wenn der Kanal frei ist
– Collision Detect: abbrechen, wenn jemand gleichzeitig spricht
Verwendet bei Ethernet IEEE 802.3
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Probleme bei CSMA-CD und Funk
Ursache: begrenzte Radio-Reichweite
• Hidden StationProblem
• Exposed StationProblem
A B C D
empfängt B
empfängt C
A B C D
Radio Reichweite
gestört
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Modifikation für Funk: (CS) MA-CA
A
BC
CTS-ReichweiteRTS-ReichweiteStationA
StationB
RTS
CTS
Data
Ack
A und C hören sich nicht
• Multiple Access with Collision Avoidance• Verwendung bei IEEE 802.11 WLAN
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Zusammenfassung
• Mobilfunkdienste werden flächendeckend benötigt:Celluläre Systeme
• Mobile Systeme benötigen hohe Bandbreiten und Robustheit gegenüber StörungenMulti Carrier Modulation
• niedrige Kosten erfordern eine Funk-Technik,die Frequenzen effizient nutztMACA-Verfahren
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Funktechnik
Technik Cellengröße Modulation Zugriff
GSM 20Km GMSK Zuweisung
HSCSD 20Km GMSK Zuweisung +
Kanalbündelung
GPRS 20Km GMSK TDMA
UMTS 10Km CDMA CDMA + Zuweisung
WLAN 802.11b
30m DSSS +
Chipping
MACA
WLAN 802.11b
30m MCM MACA
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Ausblick
HF-Technik: Softradio– Modulation und Protokolle in Software
– Bei Roaming: spezifisch geladene Software
Mobiles Internet der 4. Generation– Mobile Basisstationen
– Verändernde Netzwerk-Topologie
– Veränderte Version des Routing-Algorithmus (Dijkstra)
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 39
UMTS / 580 MHz
Bandbreiten-Entwicklung im Mobilfunk
2000 2002 2005 2010
UMTS
WAP: Wireless Access Protocol HSCSD: High-speed Circuit Switched DataGPRS: General Packet Radio ServicesEDGE: Enhanced Data Rates for GSM EvolutionUMTS: Universal Mobile Telecommunication System
100 kbit/sWAPInternet-Zugang
GPRS115,2 kbit/s pro Zelle
400 kbit/s
EDGE384 kbit/s pro Zelle
HSCSD14.4-57.6 kbit/s pro user
2 Mbit/s
Quelle: Dataquest /Gartner Group 1999
Die Übertragungsraten steigen und nähern sich den heute im Festnetz verfügbaren Raten
Die Anwendungen werden vielseitiger und multimedialer
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Strahlenschutz
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Grenzwerte
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Der Standard “DECT”
• Bisher: "Schnurlose Telefone" (CT 0, CT 1) existiert seit den 80erJahren
• geringe Reichweite (50 m)
• Nur 40 Kanäle
• Aufgrund geringer Bandbreite nicht für Datenübertragung geeignet
• InBand Signaling, d.H. alle Minute kurze Unterbrechung (Kennung-Übermittlung)
• keine Funktion für Nebenstellen
• abhörbar (885 MHz und 932 MHz)
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Der Standard “DECT”
• Daher CT 2 und DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)
• Standardisiert 1992 und 1995 durch ETSI(ETS 300 175, European Telecommunication Standards Institute)
• DECT setzte sich gegenüber CT2 / CT3 und dem japanischen PHS durch
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Eigenschaften des Standards “DECT”
• 32 kbit / sec, ADPCM, 120 Kanäle
• 10 mW bis 250 mW maximal(Handys = 800 mW, 2W)
• OutBand Signaling
• GFSK Modulation (Gausian Frequency Shift Keying)
• pro Transciver gleichzeitig 12 Verbindungen
• DC S/A (Dynamic Channel Selection / Allocation)
• TDMA (Time Division Multiple Access)
• TDD (Time Division Duplex)
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Weitere Eigenschaften
• ein- und mehrzellige Systeme (Firmengelände)• 24 KBit / sec, durch Bündelung bis zu
552 Kbit / sec
DECT-Access Profiles• Definieren Auf und Abbau von Sprachkanälen, Roaming• Dualmode-Geräte für DECT und E+ mit gleicher Nummer• Integration von ISDN: IAP (ISDN Access Interworking Profile)
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Satellitensysteme
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Globale Kommunikationssysteme
Typ Höhe Signal- laufzeit
Band breite
Deckung Systeme
erforderlich
GEO Geosynchro nous Orbit
36.000 km 0.3 50 MBit
Kontinent 1
MEO Medium Earth Orbit
13 000 km 16 000 km
0,1 Sec
12
1 Stunde
LEO Low Earth Orbit
1600 km 0,01 Sec
155 MBit
20-90
15 Minuten
HALE high-altitude, long endurance plattforms
20 km -
Stadt 1 pro Stadt
Funktürme - Bezirk tausende
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Frequenzen
Band Frequenz Anwendung Anmerkung
C 4-6 GHz USA Fernsehen >3 Meter Schüsseln
Ku 10 -18 GHz Fernsehen Weit verbreitet
Ka 20-30 GHz Fernsehen Wetter
V 40-50 GHz zukünftig Wetter
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Flächendeckende Systeme
Iridium Celestri Teledesic Skybridge
Gesellschaft Motorola Motorola Bill Gates
Graig McCraw
Alcatel
Sat-Anzahl 66 63 LEO, 9 GEO
288 80
Bahnhöhe 780 km 1400 km 1375 km 1469 km
Bandbreite Telephonie 6 GB 10 GB 200 Gbit
Band Ku
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Erdnahe Kommunikationssysteme
• HALE: high-altitude, long endurance plattforms
• HAPS: High Altitude Stratospheric Platforms– Helium-gefüllte Trägersysteme oder solargetriebene Leichtflugzeuge
– erdnahe Platzierung in der Stratosphäre (20 Km Höhe)
– oberhalb des Flugzeug-Linienverkehres
– High-Speed Datensysteme
– trägt Repeater, Router, Antennensysteme
• HEO: Highly elliptical Earth Orbit
• AWACS
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Internet via Satellit
• Schnellere Internet-Anbindung als Telefon oder ISDN
• Internet in entlegenen Gebieten
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Was gibt es?
• spezielle Satellitensysteme für Datenaustausch
• Satellitenempfangssysteme für Fernsehen
• Digitales Satellitenfernsehen • DVB: Digital Video Broadcasting• Auf einem analogen Kanal 8 digitale Kanäle• 27 Mbit/sec Highspeed-Modem
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Möglichkeiten, Internet
Internet Push Dienst
Asymetrische Verbindung: • Richtung Provider: ISDN• Richtung Nutzer Satellit
Bidirektionale Satellitenverbindung
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Internet Push Dienst
vom Provider aufbereitete Menge an Web-Seiten und Daten
Übertragung in einem Proxy-Format via Satellite
Laden auf den lokalen Massenspeicher
bei geeigneter Proxy-Konfiguration schneller Zugriff auf Seiten
Diskos NetSat
Skycom Luxemburg
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Zukünftige Entwicklung
• Phasenantennen(Elektronisch änderbare Richtwirkung)
• Höhere Frequenzen, Übertragung im optischen Bereich
Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006
Literatur
• Jochen Schiller: Mobilkommunikation,Addison Wesley, 2000
• Jerry D. Gibson (Editor): Mobile Communications, Springer 2000
• A.L.Intini, Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Networks, 2000, University of California in Santa Barbara
• Anne Wiesler: „Parametergesteuertes Software-Radio für Mobilfunksysteme“, 2002, Dissertation Universität Karlsruhe
• Proxim, 802.11a: a very High Speed, Highly Scalable Wireless LAN Standard, White Paper