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MobilkommunikationSommersemester 2005
FU BerlinInformatik
Technische Informatik & Telematik
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Übersicht über die Vorlesung
EinführungEinsatzszenarienBegriffsdefinitionenHerausforderungen
Technische GrundlagenWellenausbreitung, FrequenzenSignale, Dämpfung, AntennenSender/Empfänger, Modulation
MedienzugriffSDMA, TDMA, CDMA, FDMACSMA/CA, Aloha mit VariantenKollisionsvermeidung, Polling
Drahtlose Telekommunikationssysteme
GSM, HSCSD, GPRS, DECT, TETRA, UMTS, IMT-2000
SatellitensystemeGEO, LEO, MEO, routing, handover
Broadcast-SystemeDAB, DVB
Drahtlose LANsTechniken, EinsatzgebieteIEEE 802.11a/b/g, .15, Bluetooth
NetzwerkprotokolleMobile IPAd-hoc NetzeWegwahl
Transportprotokolle/Mobile TCPzuverlässiger DatentransportFlusssteuerungDienstqualität
MobilitätsunterstützungDateisysteme, WWW, WAP, i-mode, J2ME, …
Ausblick
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Kapitel 1: Einführung
Mobilität und ihre Auswirkungen – viele AspekteGeschichte der MobilkommunikationTeilnehmerzahlenForschungsbedarf
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Computer für die nächsten Jahrzehnte?
Computer sind integriertklein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit erkennbar
Technik tritt in den HintergrundComputer erkennen selbst wo sie sind und passen sich anComputer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z.B. Weiterleiten von Gesprächen, Fax)
Fortschritte in der Technikhöhere Rechenleistung auf kleinerem Raumflache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahmeneue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungenmehr Bandbreite pro Kubikmetervielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale Netze, regionale Telekommunikationsnetze etc. („Overlaynetzwerke“)
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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 Beispielestationäre ArbeitsplatzrechnerNotebook im HotelFunk LANs in nicht verkabelten GebäudenPersonal 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-Erweiterungim Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM
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Anwendungen I
FahrzeugeEmpfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DABpersönliche Kommunikation über GSMPositionsbestimmung über GPSlokales 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
NotfälleÜbermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung, aktueller Stand der Behandlung, DiagnoseErsatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc.Einsatz in Krisengebieten
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Typische Anwendung: Straßenverkehr
ad ho
cUMTS, WLAN,DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA, ...
Personal Travel Assistant,PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
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Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected
UMTS2 Mbit/s
LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s
UMTS, GSM115 kbit/sGSM/GPRS 53 kbit/s
Bluetooth 500 kbit/s
GSM/EDGE 384 kbit/s,DSL/WLAN 3Mbit/s
DSL/WLAN3 Mbit/s
UMTS, GSM384 kbit/sGSM 115 kbit/s,
WLAN 11 Mbit/s
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Anwendungen II
Handelsvertreterdirekter Zugriff auf Kundendaten in der Zentralekonsistente Datenhaltung über alle Mitarbeitermobiles Büro
Ersatz eines Festnetzesabgeschiedene Messstationen, z.B. Wetter, FlusspegelFlexibilität bei MesseständenVernetzung historischer Gebäude
Freizeit, Unterhaltung, InformationInternet-Anschluss im Grünentragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor OrtAd-hoc Netzwerke fürMehrbenutzerspiele
HistoryInfo
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Ortsabhängige Dienste
Umgebungsbewusstseinwelche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung
Nachfolgediensteautomatische 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 UnterstützungsdiensteCaches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. „folgt“ dem mobilen Endgerät durch das Festnetz
Privatheitwer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen
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Mobile Endgeräte
PDA/Smartphone• Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• vereinfachtes WWW
Laptop/Notebook• voll funktionsfähig• Standardanwendungen
L e i s t u n gL e i s t u n g
Pager• nur Empfang• sehr kleine
Anzeigen• einfache
Textnachrichten
Sensoren,embeddedsystems
Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Grafikanzeigen
Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen
der Standardprogrammewww.scatterweb.net
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Auswirkungen der Endgeräteportabilität
Leistungsaufnahmebegrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte BatterieleistungCPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f
C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringertV: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenktf: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden
Datenverlustmuss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte, Diebstahl)
Stark eingeschränkte BenutzungsschnittstelleKompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeitevtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen
Eingeschränkter SpeicherMassenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbarFlash-Speicher or ? als Alternative
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Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen
Höhere Fehlerraten durch InterferenzenEinstrahlung von z.B. Elektromotoren, Blitzschlag
Restriktivere Regulierungen der FrequenzbereicheFrequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben
Niedrigere Übertragungsratenlokal einige Mbit/s, regional derzeit z.B. 53kbit/s mit GSM/GPRS
Höhere Verzögerungen, größere SchwankungenVerbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden
Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive AttackenLuftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden
Stets geteiltes Mediumsichere Zugriffsverfahren wichtig
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Erfindungen und Entdeckungen
Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetztHeliographen, Flaggen („Semaphore“), Zeiger150 v.Chr. Rauchsignale zur Kommunikation;von Polybius, Griechenland, berichtet1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe
Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse:
1831 Faraday demonstriert elektromagnetische InduktionJ. 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)
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Geschichte der drahtlosen Kommunikation I
1896 Guglielmo Marconierste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!)Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW)
1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungensehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten)
1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi
Reflexion an der Ionosphärekleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben)
1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - BerlinDrähte parallel zur Bahntrasse
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Geschichte der drahtlosen Kommunikation II
1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik)1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong)1958 A-Netz in Deutschland
analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, keinHandover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer
1972 B-Netz in Deutschlandanalog, 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 Roaming1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone
System, analog)1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone
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Geschichte der drahtlosen Kommunikation III
1986 C-Netz in Deutschlandanaloge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstationbis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98% Flächendeckung
1991 Spezifikation des DECT-StandardsDigital European Cordless Telephone (heute: Digital EnhancedCordless 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 GSMin D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzenautomatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in weit über 200 LändernDienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...
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Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV
1994 E-Netz in DeutschlandGSM mit 1800MHz, kleinere Zellenals 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/sVorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s)
1997 Wireless LAN - IEEE802.11IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/sviele proprietäre Produkte schon früher
1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000
Iridium66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon
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Geschichte der drahtlosen Kommunikation V
1999 Weitere drahtlose LANsIEEE-Standard 802.11b, 2,4 - 2,5GHz, 11Mbit/sBluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/sEntscheidung über IMT-2000
Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma2000, DECT, ...Start von WAP (Wireless Application Protocol)
Erster Anfang der Verschmelzung Internet/MobilkommunikationZugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy
2000 GSM mit höheren ÜbertragungsratenHSCSD bietet bis zu 57,6kbit/sErste GPRS-Installationen mit bis zu 50kbit/s (paketorientiert)UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe
Höhenflug und erste Ernüchterung (über 50 Mrd. € für 6 Lizenzen bezahlt)2001 Start von 3G-Systemen
cdma2000 in Korea (nicht so ganz 3G am Anfang), UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in Japan
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Mobilfunksysteme: Entwicklung im ÜberblickMobiltelefone Satelliten drahtlose
LANschnurloseTelefone
1992:GSM
1994:DCS 1800
2001:IMT-2000
1987:CT1+
1982:Inmarsat-A
1992:Inmarsat-BInmarsat-M
1998:Iridium
1989:CT 2
1991:DECT 199x:
proprietary
1997:IEEE 802.11
1999:802.11b, Bluetooth
1988:Inmarsat-C
analog
digital
1991:D-AMPS
1991:CDMA
1981:NMT 450
1986:NMT 900
1980:CT0
1984:CT1
1983:AMPS
1993:PDC
4G – Vierte Generation: wann und wie?
2000:GPRS
2000:IEEE 802.11a
200?:Vierte Generation(Internet basiert)
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Grundlage: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000
M.687-2IMT-2000 Konzepte und Ziele
M.816-1Rahmenwerk für Dienste
M.817IMT-2000 Netzwerkarchitektur
M.818-1Satelliten in IMT-2000
M.819-2IMT-2000 für Entwicklungsländer
M.1034-1 Anforderungen an die Luftschnittstellen
M.1035Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen
M.1036Frequenzspektrum
M.1078Sicherheit in IMT-2000
M.1079Sprache/Daten im Sprachband
M.1167Rahmenwerk für Satelliten
M.1168Rahmenwerk für das Management
M.1223Evaluation von Sicherheitsmechanismen
M.1224Vokabular für IMT-2000
M.1225Evaluation der Übertragungstechniken
http://www.itu.int/imt
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Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998)
0
100
200
300
400
500
600
700
1996 1997 1998 1999 2000 2001
AmerikaEuropaJapananderetotal
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Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999
0 10 20 30 40 50 60
FinnlandSchwedenNorwegenDänemark
ItalienLuxemburg
PortugalÖsterreich
IrlandSchweiz
GroßbritannienNiederlande
FrankreichBelgien
SpanienGriechenlandDeutschland
2005: 70-90% Durchdringung in Westeuropa
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Weltweites Teilnehmerwachstum
Ab 2000 flacht die Kurve ab – 2004: 1,5 Milliarden Teilnehmer
0
200
400
600
800
1000
1200
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Teiln
ehm
er [M
illio
nen]
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Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002)
Asien/Pazifik; 36,9
Europa; 36,4
Amerika22
Afrika; 3,1
Mittlerer Osten; 1,6
2004: 715 Millionen Handys ausgeliefert
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Einige Statistikwerte (09/2002 / 12/2004)
#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 / 135TSMS sent in UK 6/02 1.3T / 2.1TSMS sent Germany 1Q02 5.7T GSM Countries on Air 171 / 210GSM Association members 574 / 839Total Cost of 3G Licenses in Europe 110T€SMS/month/user 36
Total Global Mobile Users869M / 1.52T
Total Analogue Users 71M / 34MTotal US Mobile users 145M / 140MTotal Global GSM users 680M / 1.25TTotal Global CDMA Users 127M / 202MTotal TDMA users 84M / 120MTotal European users 283M / 343MTotal African users 18.5M / 53MTotal 3G users 130M / 130M(?)Total South African users 13.2M / 19MEuropean Prepaid Penetration 63% European Mobile Penetration 70.2% Global Phone Shipments 2001 393M Global Phone Sales 2Q02 96.7M
http://www.cellular.co.za/stats/stats-main.htm
Die Zahlen variieren sehr je nach Statistik, Ersteller der Statistik etc.
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Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation
Drahtlose KommunikationÜbertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung)Modulation, CodierungMedienzugriff...
MobilitätOrtsabhängige DiensteTransparenz des AufenthaltsortsDienstgüteunterstützung...
PortabilitätLeistungsaufnahmeeingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ...Handhabbarkeit...
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.28
Vereinfachtes Referenzmodell
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk Netzwerk
MediumFunk
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.29
Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell
Dienstelokationneue Anwendungen, Multimediaadaptive AnwendungenStaukontrolle, FlusskontrolleDienstqualitätAdressierung, Wegewahl, EndgerätelokalisierungHandoverAuthentifizierungMedienzugriffMultiplexingMedienzugangskontrolleVerschlüsselungModulationInterferenzenDämpfungFrequenzen
Anwendungsschicht
Transportschicht
Netzwerkschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ MC SS05 1.30
Kapitelübersicht
Kapitel 2: Technische Grundlagen
Kapitel 3: Medienzugriff
Kapitel 4: Telekommunikations-
systeme
Kapitel 5: SatellitenSysteme
Kapitel 6: Broadcast Systeme
Kapitel 7: Drahtlose
LANs
Kapitel 8: Netzwerkprotokolle
Kapitel 9: Transportprotokolle
Kapitel 10: Mobilitätsunterstützung