Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Kommunikationssysteme 3 Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006

Kommunikationssysteme 3

Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler


Gliederung der Lehrveranstaltung

1. Einleitung

2. Anwendungen

3. Lokale drahtlose Netzwerke

4. Satellitensysteme

5. Erdnahe Kommunikationssysteme

6. Internet via Satellit


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


Einleitung

Wunsch bezüglich drahtloser Kommunikation:

• winzige Terminals im Handy oder Westentaschenformat• Überall Abruf von Informationen• Videos auf Abruf• Tele-Gesundheit• Bildungsdienste• globale Arbeitsteilung


Anwendungen

• Mobil-Telephonie (Handy)• Navigationssysteme (GPS,Touristenleitsystem)

• Internet-Zugang am Notebook, Palm-Top

• Unterstüzungssystem für den technischen Außendienst• Ad-Hoc-Netzwerke• TV on Demand


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"


Ziele in der Entwicklung

• niedrigere Kosten (z.Z. auf See 9 Euro/Minute )• höhere Bandbreite• höhere Standzeiten / geringere zum Verbindungsaufbau

notwendige Leistung• kleinere Antennen


Probleme

Zur Übertragung von Daten:• Nutzung des elektromagnetischen Frequenzspektrums

• Hauptproblem: Das nutzbare Funkband ist eine sehr begrenzte Ressource

• USA: Versteigerung von Frequenzen • Deutschland: Deregulierungsbehörde


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


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


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


Klassifikation

• Lokale drahtlose Netzwerke– RC5, IRDA

– IEEE 805.11b

– IEEE 805.11a

– DECT

– BlueTooth

• Erdnahe Systeme• Satellitenbasierte Systeme


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)


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


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


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


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


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


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


Anforderungen

Anforderung 1:

Mobilfunkdienste werden flächendeckend benötigt


IntegrierteAntennen ca. 25m

reguläreAntennenca. 40m

gerichteteAntennenca. 100m

Verbesserung durch Antennen


Flächendeckende Systeme: Celluläre Systeme

kleinere Funkzellen:+ geringere Sendeleistung– aufwendigere Infrastruktur+ bessere Nutzung der Frequenzen– häufige Übergabe


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


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


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!


Anforderungen

Anforderung 2:

Mobile Systeme benötigen hohe Bandbreiten und Robustheit gegenüber Störungen


mögliche Störungen für Funkausbreitung

• Freiraumdämpfung (Luft, Feuchtigkeit)• Abschattung• Reflexion• Mehrwegausbreitung• Streuung• Beugung• Brechung• Dopplereffekt

Vorherberechnung eines Signals sehr schwer!


Mehrwegausbreitung

Sender EmpfängerLine-Of-Sight-PfadNon-Line-Of Sight-Pfad


Anforderungen

Anforderung 3:

niedrige Kosten erfordern eine Funk-Technik,die Frequenzen effizient nutzt


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


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


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


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


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


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


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


Strahlenschutz


Grenzwerte


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)


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


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)


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)


Satellitensysteme


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


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


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


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


Internet via Satellit

• Schnellere Internet-Anbindung als Telefon oder ISDN

• Internet in entlegenen Gebieten


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


Möglichkeiten, Internet

Internet Push Dienst

Asymetrische Verbindung: • Richtung Provider: ISDN• Richtung Nutzer Satellit

Bidirektionale Satellitenverbindung


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


Zukünftige Entwicklung

• Phasenantennen(Elektronisch änderbare Richtwirkung)

• Höhere Frequenzen, Übertragung im optischen Bereich


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

Documents

Kommunikationssysteme 3 © Jürgen Schüler, Ingelheim 2006 Kommunikationssysteme 3 Drahtlose Netzwerke und Teledienste Jürgen Schüler