Universität Potsdam Informatik Lehr- und …ip-klaeden.selfhost.eu/netz/zusatz/mobilkommunikation... · 8 9 Notebook im Hotel 9 8 Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden ... Werkstatt

Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 1 – Folie 1

Mobilkommunikation

Universität PotsdamInformatik

Lehr- und Lernsequenzen

http://www.802.11b.de.ms/lul/Ronald Nitschke, Alexander Heine


Einführung

Mobilität und ihre AuswirkungenGeschichte der MobilkommunikationTeilnehmerzahlen


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“)


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


Anwendungen

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


Typische Anwendung: Straßenverkehr

ad ho

cUMTS, WLAN,DAB, GSM, TETRA, ...

Personal Travel Assistant,DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...


Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected

UMTS,DECT2 Mbit/s

LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s

UMTS, GSM115 kbit/sGSM 53 kbit/s

Bluetooth 500 kbit/s

GSM/EDGE 384 kbit/s,WLAN 780 kbit/s

LAN, WLAN780 kbit/s

UMTS, GSM384 kbit/sGSM 115 kbit/s,

WLAN 11 Mbit/s


Anwendungen

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


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


Mobile Endgeräte

PDA• einfache Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• vereinfachtes WWW

Laptop• voll funktionsfähig• Standardanwendungen

Pager• nur Empfang• sehr kleine

Anzeigen• einfache

Textnachrichten

Sensoren,embeddedsystems

Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Textanzeigen

Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen

der Standardprogramme

L e i s t u n gL e i s t u n g


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)

Stark eingeschränkte BenutzungsschnittstelleKompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeitevtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen

Eingeschränkter SpeicherMassenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbarFlash-Speicher als Alternative


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. 9,6kbit/s mit GSM

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


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)


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


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


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 über 170 LändernDienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...


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


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


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)


Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie (Vorhersage 1998)

0

100

200

300

400

500

600

700

1996 1997 1998 1999 2000 2001

AmerikaEuropaJapananderetotal


Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999

0 10 20 30 40 50 60

FinnlandSchwedenNorwegenDänemark

ItalienLuxemburg

PortugalÖsterreich

IrlandSchweiz

GroßbritannienNiederlande

FrankreichBelgien

SpanienGriechenlandDeutschland

2002: 50-70% Durchdringung in Westeuropa


Weltweites Teilnehmerwachstum

Ab 2000 flacht die Kurve ab

0

200

400

600

800

1000

1200

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Teiln

ehm

er [M

illio

nen]


Mobilfunkteilnehmer nach Regionen (Juni 2002)

Asien/Pazifik; 36,9

Europa; 36,4

Amerika22

Afrika; 3,1

Mittlerer Osten; 1,6


Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation

Drahtlose KommunikationÜbertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung)Modulation, CodierungMedienzugriff...

MobilitätOrtsabhängige DiensteTransparenz des AufenthaltsortsDienstgüteunterstützung...

PortabilitätLeistungsaufnahmeeingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ...Handhabbarkeit...


Vereinfachtes Referenzmodell

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Transport

Netzwerk

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Netzwerk Netzwerk

MediumFunk


Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell

Dienstelokationneue Anwendungen, Multimediaadaptive AnwendungenStaukontrolle, FlusskontrolleDienstqualitätAdressierung, Wegewahl, EndgerätelokalisierungHandoverAuthentifizierungMedienzugriffMultiplexingMedienzugangskontrolleVerschlüsselungModulationInterferenzenDämpfungFrequenzen

Anwendungsschicht

Transportschicht

Netzwerkschicht

Sicherungsschicht

Bitübertragungsschicht

Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 2+3 – Folie 1

MobilkommunikationTechnische Grundlagen

FrequenzenSignaleAntennenSignalausbreitung

MultiplextechnikenSpreizspektrumtechnikModulationstechnikenZellenstrukturen


Frequenzbereiche für die Kommunikation

Koaxialkabel Hohlleiter

VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High FrequencyLF = Low Frequency (Langwellen-Radio) SHF = Super High FrequencyMF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) EHF = Extra High FrequencyHF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) UV = Ultraviolettes LichtVHF = Very High Frequency (UKW-Radio)

Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge:λ = c/f

mit Wellenlänge λ, Lichtgeschwindigkeit c ≅ 3x108m/s, Frequenz f

1 Mm300 Hz

10 km30 kHz

100 m3 MHz

1 m300 MHz

10 mm30 GHz

100 µm3 THz

1 µm300 THz

Sichtbares Licht

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV

optische Übertragungverdrillte Drähte


Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation

VHF-/UHF-Bereich für Mobilfunkhandhabbare, einfache FahrzeugantennenAusbreitungsbedingungen vorhersehbar für zeitlich zuverlässige Verbindungen (wenig Überreichweiten, nicht zu stark reflektierteWellen)

Frequenzen ab SHF-Bereich für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation

überschaubare Antennenabmessungen mit starker Bündelwirkunggrößere Bandbreiten verfügbar

Für drahtlose LANs Frequenzen ab UHF-Bereich bis SHF-Bereichgeplant auch bis in EHF-BereichBegrenzung durch Resonanz von Molekülen (Wasser, Sauerstoff etc.)

damit starke witterungsbedingte Dämpfungen


Frequenzen und Regulierungen

Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche (WRC, World Radio Conferences)

Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich: E u ro p e U S A J a p a n

C e llu la r P h o n e s

G S M 4 5 0 -4 5 7 , 4 7 9 -4 8 6 /4 6 0 -4 6 7 ,4 8 9 -4 9 6 , 8 9 0 -9 1 5 /9 3 5 -9 6 0 , 1 7 1 0 -1 7 8 5 /1 8 0 5 -1 8 8 0 U M T S (F D D ) 1 9 2 0 -1 9 8 0 , 2 1 1 0 -2 1 9 0 U M T S (T D D ) 1 9 0 0 -1 9 2 0 , 2 0 2 0 -2 0 2 5

A M P S , T D M A , C D M A 8 2 4 -8 4 9 , 8 6 9 -8 9 4 T D M A , C D M A , G S M 1 8 5 0 -1 9 1 0 , 1 9 3 0 -1 9 9 0

P D C 8 1 0 -8 2 6 , 9 4 0 -9 5 6 , 1 4 2 9 -1 4 6 5 , 1 4 7 7 -1 5 1 3

C o rd le s s P h o n e s

C T 1 + 8 8 5 -8 8 7 , 9 3 0 -9 3 2 C T 2 8 6 4 -8 6 8 D E C T 1 8 8 0 -1 9 0 0

P A C S 1 8 5 0 -1 9 1 0 , 1 9 3 0 -1 9 9 0 P A C S -U B 1 9 1 0 -1 9 3 0

P H S 1 8 9 5 -1 9 1 8 J C T 2 5 4 -3 8 0

W ire le s s L A N s

IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3 H IP E R L A N 2 5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 4 7 0 -5 7 2 5

9 0 2 -9 2 8 IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 0 0 -2 4 8 3 5 1 5 0 -5 3 5 0 , 5 7 2 5 -5 8 2 5

IE E E 8 0 2 .1 1 2 4 7 1 -2 4 9 7 5 1 5 0 -5 2 5 0

O th e rs R F -C o n tro l 2 7 , 1 2 8 , 4 1 8 , 4 3 3 , 8 6 8

R F -C o n tro l 3 1 5 , 9 1 5

R F -C o n tro l 4 2 6 , 8 6 8


Signale I

Physikalische Darstellung von DatenZeitabhängig oder ortsabhängigSignalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentierenEinteilung in Klassen nach Eigenschaften:

zeitkontinuierlich oder zeitdiskretwertkontinuierlich oder wertdiskretAnalogsignal = zeit- und wertkontinuierlichDigitalsignal = zeit- und wertdiskret

Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/T,Amplitude A, Phasenverschiebung ϕ

Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal:

s(t) = At sin(2 π ft t + ϕt)


Fourier-Repräsentation periodischer Signale

)2cos()2sin(21)(

11

nftbnftactgn

nn

n ππ ∑∑∞

=

∞

=

++=

11

0 0t t

ideales periodisches Signal reale Komposition(basierend auf Harmonischen)


Signale II

Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit)Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz)Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel θwerden in Polarkoordinaten aufgetragen)

Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbarDigitalsignale besitzen Rechteckflanken

im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale

f [Hz]

A [V]

ϕ

I = M cos θ(In-phase)

Q = M sin θ (Quadrature)

ϕ

A [V]

t[s]


Antennen: isotroper Punktstrahler

Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer FelderIsotroper Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen gleichmäßig ab (nur theoretische Bezugsantenne)Reale Antennen haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder HorizontalebeneVeranschaulichung im Richtdiagramm (durch Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt)

z

y x

zy

xidealerisotroperPunktstrahler


Antennen: einfache Dipole

Technische Antennen sind keine isotropen Punktstrahler, aber z.B. Viertelwellenstrahler (auf gut leitendem Grund wie ein Fahrzeigdach) und Halbwellendipole

Abmessung einer Antenne ist proportional zur Wellenlänge

Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols

Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung)

Seitenansicht (xy-Ebene)

x

y

Seitenansicht (yz-Ebene)

z

y

von oben (xz-Ebene)

x

z

einfacherDipol

λ/4 λ/2


Antennen: gerichtet und mit Sektoren

Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)

y y z

Seitenansicht (xy-Ebene)

x

Seitenansicht (yz-Ebene)

zgerichteteAntennex

von oben (xz-Ebene)

x

zz

Sektoren-antennex

von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren


Antennen: Diversität

Gruppierung von 2 oder mehr AntennenAntennenfelder mit mehreren Elementen

AntennendiversitätUmschaltung/Auswahl

Empfänger wählt die Antenne mit dem besten EmpfangKombination

Kombination der Antennen für einen besseren EmpfangPhasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden

+

λ/4λ/2λ/4λ/2

λ/2

+

λ/2

Grundfläche


Signalausbreitungsbereiche

ÜbertragungsbereichKommunikation möglichniedrige Fehlerrate

ErkennungsbereichSignalerkennung möglichkeine Kommunikation möglich

InterferenzbereichSignal kann nicht detektiert werden Signal trägt zumHintergrundrauschen bei

Entfernung

Sender

Übertragung

Erkennung

Interferenz


Signalausbreitung

Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht)Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab

(d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger)Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflusst durch

Freiraumdämpfung (frequenzabhängig)Abschattung durch HindernisseReflexion an großen FlächenRefraktion in Abhängigkeit der Dichte eines MediumsStreuung (scattering) an kleinen HindernissenBeugung (diffraction) an scharfen Kanten

Reflexion StreuungRefraktionAbschattung Beugung


Praxisbeispiele


Mehrwegeausbreitung

Signal kommt aufgrund von Reflexion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an

Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion)Interferenz mit Nachbarsymbolen

Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangenje nach Phasenlage abgeschwächtes Signal

Sendesignal

Empfangssignal


Auswirkungen der Mobilität

Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der ZeitÜbertragungswege ändern sichunterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignaleunterschiedliche Phasenlage der Signalanteile

kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading)Zusätzlich ändern sich

Entfernung von der BasisstationHindernisse in weiterer Entfernung

langsame Veränderungen in der(durchschnittlichen) Empfangsleistung(langsames Fading)

schnelles Fading

langsamesFading


Multiplexen

r2

r3

r1

Multiplexen in 4 Dimensionen:Raum (ri)Zeit (t)Frequenz (f)Code (c)

Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums

Wichtig: Genügend große Schutzabständenötig!

Kanäle ki

k1 k2 k3 k4 k5 k6

c

ct

t

f

fc

t

f


Frequenzmultiplex

Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt

Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten ZeitraumVorteile:

keine dynamische Koordination nötigauch für analoge Signale

Nachteile:Bandbreitenver-schwendung beiungleichmäßiger Belastungunflexibel

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c


Zeitmultiplex

c

f

t

k2 k3 k4 k5 k6k1

Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt

Vorteile:in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem MediumDurchsatz bleibt auch bei hoher Teilnehmerzahl hoch

Nachteile:genaue Synchronisation nötig


Zeit- und Frequenzmultiplex

f

Kombination der oben genannten VerfahrenSendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen ZeitabschnittBeispiel: GSM

Vorteile:relativ abhörsicherSchutz gegen Störungenhöhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich

aber: genaue Koordinationerforderlich

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1


Codemultiplex

Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert

Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt sendenVorteile:

Bandbreiteneffizienzkeine Koordination und Synchronisation notwendigSchutz gegen Störungen

Nachteile:Benutzerdatenrate begrenztkomplex wegen Signalregenerierung

Realisierung: Spreizspektrumtechnik

k1 k2 k3 k4 k5 k6

t

c

f


Modulation

Digitale Modulationdigitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetztASK, FSK, PSK - hier der SchwerpunktUnterschiede in Effizienz und Robustheit

Analoge Modulationverschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz

Motivationkleinere Antennen (z.B. λ/4)FrequenzmultiplexMediencharakteristika

VariantenAmplitudenmodulation (AM)Frequenzmodulation (FM)Phasenmodulation (PM)


Modulation und Demodulation

SynchronisationEntscheidung

digitaleDatenanaloge

Demodulation

Träger-frequenz

analogesBasisband-signal

101101001 Empfänger

digitaleModulation

digitaleDaten analoge

Modulation

analogesBasisband-signal

Träger-frequenz

Sender101101001


Digitale Modulationstechniken

Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnetAmplitudenmodulation (ASK):

technisch einfachbenötigt wenig Bandbreitestöranfällig

Frequenzmodulation (FSK):größere Bandbreitefür Telefonübertragung

Phasenmodulation (PSK):komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnungrelativ störungssicher

1 0 1

t

t

t


Fortgeschrittene FSK-Verfahren

Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängigDurch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand bis auf den halben Wert der Bitrate verringert werden

MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying)Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt, die Bitdauer wird dabei verdoppelt Anhand der Bitwerte der beiden Kanäle werden die beiden Trägerfrequenzen mit ihrer Ausrichtung zugeordnetHöhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe Schwingung mehr ausÄquivalent zu Offset-QPSKWeitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator

GMSK (Gaussian MSK), z.B. bei GSM, DECT eingesetzt


Beispiel für MSK als Modulationstechnik

Daten

geradeBits

ungeradeBits

1 1 1 1 000

Bit

gerade 0 1 0 1

ungerade 0 0 1 1

Signal- h n n hwert - - + +

h: hohe bzw.n: niedere Frequenz+: positive bzw.-: negative

Ausrichtung

niedereFrequenz

hoheFrequenz

t

MSK-Signal

Keine Phasensprünge!


Fortgeschrittene PSK-Verfahren

BPSK (Binary Phase Shift Keying):Bitwert 0: Sinusförmiges SignalBitwert 1: negatives Sinussignaleinfachstes Phasentastungsverfahrenspektral ineffizientrobust, in Satellitensystemen benutzt

QPSK (Quaternary Phase Shift Keying):2 Bits werden in ein Symbol kodiertSymbol entspricht phasenverschobenem Sinussignalweniger Bandbreite als bei BPSK benötigtkomplexer

Oft Übertragung der relativen Phasen-verschiebung (weniger Bitfehler)

DQPSK in z.B. IS-136, PHS

Q

I01

Q

I

11

01

10

00

11 10 00 01


Quadraturamplitudenmodulation

Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und PhasenmodulationsverfahrenAufteilung von Bits oder Bitgruppen auf zwei Kanälegetrennte Amplitudenmodulation dieser Kanäle auf zwei um 90° phasenverschobene Träger, die dann addiert werdenMöglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren2n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSKBitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren PSK-Verfahren

Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr. einem Symbol)Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude. 0000 und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude.

0000

0001

0011

1000

Q

I

0010


Hierarchische Modulation

DVB-T moduliert zwei separate Datenströme auf einen einzelnen DVB-T-StromDatenstrom hoher Priorität (HP) eingebettet in einen mit niederer Priorität (LP)Mehrfachträgersystem, etwa 2000 oder 8000 TrägerQPSK, 16 QAM, 64QAMBeispiel: 64QAM

Guter Empfang: Nutzung der 64QAM-KonstellationSchlechter Empfang (z.B. mobil): Nutzung nur des QPSK-Teils6 bit pro QAM-Symbol, 2 höchstwertigebestimmen QPSKHP-Dienst kodiert in QPSK (2 bit), LP nutzt verbleibende 4 bit

Q

I10

00

000010 010101


Spreizspektrumtechnik

Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus

Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizenSchutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen

Beseitigung eines Schmalbandstörers

Nebeneffekte:Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische KoordinationAbhörsicherheit

Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping

Detektionim Empfänger

Störsignal gespreiztes Nutzsignal

Nutzsignal

gespreiztes Störsignal


Auswirkungen von Spreizen und Interferenz

dP/df dP/df

Nutzsignalbreitbandige Interferenzschmalbandige Interferenzi) ii)

ff

Sender

dP/df

fiii)

dP/df dP/df

iv) v)f f

Empfänger


Spreizen und frequenzselektives Fading

Kanal-qualität

Frequenz

1 23

4

5 6

schmalbandigeSignale

Schutzabstand

schmalbandige Kanäle

22

22

2

Frequenz

Kanal-qualität

1

gespreizteSignale

gespreizte Kanäle


DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I

XOR des Signals mit einer Pseudozufallszahl (chipping sequence)viele chips pro Bit (z.B. 128) resultiert in einer höheren Bandbreite des Signals

Vorteilereduziertes frequenz-abhängiges Fadingin zellularen Netzen

Basisstationen könnenden gleichen Frequenz-bereich nutzenmehrere Basisstationenkönnen das Signal erkennen und rekonstruierenweiche handover

Nachteileexakte Leistungssteuerung notwendig

tb

Nutzdaten

XOR0 1

tcchippingsequence

0 1 1 01 0 1 0 10 1 0 11 =

resultierendesSignal

0 1 1 01 0 1 0 1 01 0 1 0

tb: Bitdauertc: chip Dauer


DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II

XNutzdaten

Modulator

gespreiztesSignal

übertragenesSignal

chippingsequence

Träger-frequenz

Sender

Demodulator

empfangenesSignal

Träger-frequenz

X

chippingsequence

Tiefpass-gefiltertesSignal

Integrator

Produkt

Entscheidung

Summen

Korrelator

Nutzdaten

Empfänger


FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I

Diskrete Wechsel der TrägerfrequenzSequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen bestimmt

Zwei Versionenschneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbitlangsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz

Vorteilefrequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden begrenzteinfache Implementierungnutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt

Nachteilenicht so robust wie DSSSeinfacher abzuhören


FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II

tb

Nutzdaten

0 1 0 1 1 t

ftd

slowhopping(3 bit/hop)

fasthopping(3 hops/bit)

f1

f2

f3

ttdf

f3f2f1

t

tb: bit period td: dwell time


FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III

ModulatorNutzdaten

Modulator

schmalbandigesSignal

gespreiztesSende-signal

Frequenz-synthesizer

Sprung-sequenz

Sender

Empfangs-signal

schmalbandigesSignal

Empfänger

DemodulatorNutzdaten

Demodulator

Frequenz-synthesizer

Sprung-sequenz


Zellenstruktur

Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab

Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über BasisstationenVorteile der Zellenstruktur:

mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbarweniger Sendeleistung notwendigrobuster gegen Ausfälleüberschaubarere Ausbreitungsbedingungen

Probleme:Netzwerk zum Verbinden der BasisstationenHandover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendigStörungen in andere ZellenKonzentration in bestimmten Bereichen

Zellengröße von z.B 300 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet)bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen)


Frequenzplanung I

Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden

Modell mit 7 Frequenzbereichen:

Feste Kanalzuordnung:bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnetProblem: Wechsel in Belastung der Zellen

Dynamische Kanalzuordnung:Kanäle einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Kanälen der benachbarten Zellen gewähltmehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrageauch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich

k4k5

k1k3

k2

k6

k7

k3k2

k4k5

k1


Frequenzplanung II

f1f2

f3f2

f1

f1

f2

f3f2

f3f1

f2f1

f3f3

f3f3

f3

3 Zellen/Cluster

f4f5

f1f3

f2

f6

f7

f3f2

f4f5

f1f3

f5f6

f7f2

f2

7 Zellen/Cluster

f1f1 f1f2f3

f2f3

f2f3h1

h2h3g1

g2g3

h1h2h3g1

g2g3

g1g2g3

3 Zellen/Cluster plus3 Sektoren/Zelle


Zellatmung

CDM-Systeme: Zellgröße hängt unter anderem von der aktuellen Last abZusätzlicher Verkehr wirkt sich wie zusätzliches Rauschen auf andere

Nutzer ausWenn das Rauschen zu stark wird fällt ein Nutzer aus der Zelle heraus


MobilkommunikationMedienzugriff

MotivationSDMA, TDMA, FDMAAlohaReservierungsverfahren

Kollisionsvermeidung, MACAPollingCDMA im DetailSAMAVergleich


Motivation

Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden?Beispiel CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionSenden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE802.3)

Probleme in drahtlosen NetzenSignalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung abCS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision geschieht beim EmpfängerKollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender hörbar, d.h. CD versagtweiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z.B. wenn ein Endgerät „versteckt“ ist


Motivation - Versteckte und „ausgelieferte“ Endgeräte

Verstecktes EndgerätA sendet zu B, C empfängt A nicht mehrC will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt)Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt)A ist „versteckt“für C

„Ausgeliefertes“ EndgerätB sendet zu A, C will zu irgendeinem Gerät senden (nicht A oder B)C muss warten, da CS ein „besetztes“ Medium signalisiertda A aber außerhalb der Reichweite von C ist, ist dies unnötigC ist B „ausgeliefert“

BA C


Motivation - Nahe und ferne Endgeräte

Endgeräte A und B senden, C soll empfangendie Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung abdaher „übertönt“ das Signal von Gerät B das von Gerät AC kann A nicht hören

Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen

Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakteLeistungskontrolle notwendig!

A B C


Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA

SDMA (Space Division Multiple Access)Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennenvgl. Zellenstruktur

FDMA (Frequency Division Multiple Access)zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenzpermanent (z.B. Rundfunk), langsames Springen (z.B. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

TDMA (Time Division Multiple Access)zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz

Die bereits vorgestellten Multiplexverfahren werden hier also zur Steuerung des Medienzugriffs eingesetzt!


FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM

f960 MHz 124

123122

t

1

124123122

1

200 kHz935.2 MHz20 MHz

915 MHz

890.2 MHz


TDD/TDMA - am Beispiel DECT

1 2 3 11 12 1 2 3 11 12

417 µs

tAbwärtsrichtung Aufwärtsrichtung


Aloha/Slotted Aloha

Verfahrenzufällig, nicht zentral gesteuert, ZeitmultiplexSlotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf.

Aloha

Slotted Aloha

Sender A

Sender B

Kollision

Sender Ct

Sender A

Sender B

Kollision

Sender Ct


DAMA - Demand Assigned Multiple Access

Ausnutzung des Kanals bei Aloha (18%) und Slotted Aloha (36%) nur sehr gering (Annahme von Poisson-Verkehr).

Mit Hilfe von Vorabreservierung kann dies auf 80% erhöht werden.Sender reserviert einen zukünftigen Zeitschlitzinnerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort gesendet werdendadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerungtypisch für Satellitenstrecken

Beispiele für Reservierungsalgorithmen:Explizite Reservierung nach RobertsImplizite Reservierung (Reservation-ALOHA)Reservation-TDMA


Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung

Explizite Reservierung:Zwei Modi:

ALOHA-Modus für die Reservierung:In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren.Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich).

Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden.

Kollision

Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha


Zugriffsverfahren DAMA: PRMA

Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA):Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt.Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem “Slotted ALOHA”-Prinzip.Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt.

Rahmen 1

Rahmen 2

Rahmen 3

Rahmen 4

Rahmen 5

1 2 3 4 5 6 7 8Zeitschlitz:

Kollision bei derBelegung

ACDABA-F

ACDABA-F

Reservierung

A C D A B A F

A C A B A

A B A F

A B A F D

A C E E B A F D

AC-ABAF-

A---BAFD

ACEEBAFD

t


Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA

Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen.Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k Datenzeitschlitze reservieren (d.h. x= N * k).Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden.

N Minischlitze N * k Datenschlitze

Reservierung fürdiesen Datenbereich

freie Zeitschlitze können zusätzlichgemäß Round-Robin mitbenutzt werden.

z.B. N=6, k=2

Rahmen


MACA - Kollisionsvermeidung

MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) setzt kurze Signalisierungspakete zur Kollisionsvermeidung ein

RTS (request to send): Anfrage eines Senders an einen Empfänger bevor ein Paket gesendet werden kannCTS (clear to send): Bestätigung des Empfängers sobald er empfangsbereit ist

Signalisierungspakete beinhalten:SenderadresseEmpfängeradressePaketgröße

Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE802.11 als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz


MACA - Beispiele

Vermeidung des Problems versteckter EndgeräteA und C wollen zuB sendenA sendet zuerst RTSC wartet, da es dasCTS von B hört

Vermeidung des Problems „ausgelieferter“ EndgeräteB will zu A, C irgendwohin sendenC wartet nun nicht mehr unnötig, da es nicht das CTS vonA empfängt

A B C

RTS

CTSCTS

A B C

RTS

CTS

RTS


MACA-Variante: DFWMAC in IEEE802.11

Sender Empfänger

Ruhe

Warte aufDaten

Ruhe

Warte aufSenderecht

Warte aufQuittung

Paket sendebereit; RTS

time-out; RTS

CTS; Daten

RxBusyDaten; ACK

time-out ∨Daten; NAK

RTS; CTSACK time-out ∨

NAK;RTS

RTS; RxBusy

ACK: positive EmpfangsbestätigungNAK: negative Empfangsbestätigung

RxBusy: Empfänger beschäftigt


Pollingverfahren

Falls empfangstechnisch möglich können mobile Endgeräte von einer Zentralstation nach einem bestimmten Schema nacheinander abgefragt werden (polling)

hier können prinzipiell die gleichen Techniken wie in Festnetzeneingesetzt werden (vgl. Zentralrechner - Terminals).

Beispiel: Randomly Addressed PollingBasisstation signalisiert Empfangsbereitschaft an alle mobilen Endgerätesendebereite Endgeräte übertragen gleichzeitig kollisionsfrei eine Zufallszahl („dynamische Adresse“) mit Hilfe von CDMA oder FDMABasisstation wählt eine Adresse zur Abfrage der Mobilstation (Kollision möglich bei zufälliger Wahl der gleichen Adresse)Basisstation bestätigt den korrekten bzw. gestörten Empfang und fragt sofort nächste Station abwurden alle Adressen bedient, so beginnt der Zyklus von neuem


ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen „Besetztton“ angezeigtauf der Verbindung von der Basisstation zu den mobilen Endgeräten zeigt die Basisstation an, ob das Medium frei ist oder nichtEndgeräte dürfen bei belegtem Medium nicht sendensobald der „Besetztton“ aufhört, können die Endgeräte auf das Medium zugreifenKollisionen bei diesem unkoordinierten Zugriff werden wiederum von der Basisstation über Bestätigungspakete und das Besetztzeichen an die Endgeräte gemeldetVerfahren wird beim Datendienst CDPD eingesetzt (USA, in AMPS integriert)


Zugriffsverfahren CDMA

CDMA (Code Division Multiple Access)alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so gleichzeitig die gesamte Bandbreite des ÜbertragungskanalsSignal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR)Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren

Nachteil:höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierungalle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein

Vorteile: alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanungsehr großer Coderaum (z.B. 232) im Vergleich zum FrequenzraumStörungen (weißes Rauschen) nicht kodiertVorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar


CDMA in der Theorie

Sender A sendet Ad = 1, Schlüssel Ak = 010011 (setze: „0“= -1, „1“= +1)Sendesignal As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, -1, +1, +1)

Sender Bsendet Bd = 0, Schlüssel Bk = 110101 (setze: „0“= -1, „1“= +1)Sendesignal Bs = Bd * Bk = (-1, -1, +1, -1, +1, -1)

Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc.)As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0)

Empfänger will Sender A hörenwendet Schlüssel Ak bitweise an (inneres Produkt)

Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Ak = 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine „1“

analog BBe = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Bk = -2 + 0 + 0 - 2 - 2 + 0 = -6, also „0“


CDMA - auf Signalebene I

1 0 1

10 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 101 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0

Daten A

Code A

Signal A

Daten ⊕ Code

Code-Daten A

Ad

Ak

As

In der Praxis werden längere Schlüssel eingesetzt, um einen möglichst großen Abstand im Coderaum zu erzielen.


CDMA - auf Signalebene II

1 0 0

00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 111 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

AsSignal A

Daten B Bd

Code B

Code-Daten B Bk

Daten ⊕ Code

BsSignal B

As + Bs


CDMA - auf Signalebene III

1 0 1

1 0 1Daten A Ad

As + Bs

Ak

(As + Bs) * Ak

Integrator-Ausgabe

Komparator-Ausgabe


CDMA - auf Signalebene IV

1 0 0

1 0 0 BdDaten B

As + Bs

Bk

(As + Bs) * Bk

Integrator-Ausgabe

Komparator-Ausgabe


CDMA - auf Signalebene V

(0) (0) ?

As + Bs

Falscher Code K

(As + Bs) * K

Integrator-Ausgabe

Komparator-Ausgabe


SAMA - Spread Aloha Multiple Access

Aloha besitzt nur eine sehr geringe Effizienz, CDMA benötigt komplexe Empfänger, die Signale mit verschiedenen Codes gleichzeitig empfangen können.

Idee: Anwenden von Spreizspektrumtechnik mit nur einem Code (Chipping-Sequence) für Sender nach dem Aloha-Prinzip

Kollision

1Sender A0

01

11

schmal-bandigSender Bkürzer sendenmit mehrLeistung

Spreizen des Signals mit z.B. der Sequenz 110101 („CDMA ohne CD“)

t

Problem: Finden der richtigen Sequenz!


Vergleich SDMA/TDMA/FDMA/CDMA

Verfahren SDMA TDMA FDMA CDMAIdee Einteilung des

Raums inZellen/Sektoren

Aufteilen derSendezeiten indisjunkte Schlitze,anforderungs-gesteuert oder fest

Einteilung desFrequenzbereichsin disjunkte Bänder

Bandspreizen durchindividuelle Codes

Teilnehmer nur ein Teilnehmerkann in einemSektor ununter-brochen aktiv sein

Teilnehmer sindnacheinander fürkurze Zeit aktiv

jeder Teilnehmerhat seinFrequenzband,ununterbrochen

alle Teilnehmer könnengleichzeitig am gleichenOrt ununterbrochenaktiv sein

Signal-trennung

Zellenstruktur,Richtantennen

im ZeitbereichdurchSynchronisation

im Frequenz-bereich durch Filter

Code plus spezielleEmpfänger

Vorteile sehr einfachhinsichtlich Planung,Technik,Kapazitätserhöhung

etabliert, volldigital, vielfältigeinsetzbar

einfach, etabliert,robust, planbar

flexibel, benöigt wenigerFrequenzplanung,weicher handover

Nachteile unflexibel, da meistbaulich festgelegt

Schutzzeitenwegen Mehrweg-ausbreitung nötig,Synchronisation

geringe Flexibilität,FrequenzenMangelware

komplexe Empfänger,benötigt exakteSteuerung derSendeleistung

Bemerkung nur in Kombinationmit TDMA, FDMAoder CDMA sinnvoll

Standard in Fest-netzen, im Mo-bilen oft kombi-niert mit FDMA

heute kombiniertmit TDMA, in z.B.GSM, und SDMA

einige Probleme in derRealität, geringereErwartungen, integriertin alle neuen Systeme


MobilkommunikationDrahtlose

TelekommunikationssystemeMärkteGSM

ÜberblickDiensteSubsystemeKomponenten

DECTUMTS/IMT-2000


Weltweite Mobilfunk-Teilnehmerzahlen

0

200

400

600

800

1000

1200

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Teiln

ehm

er [M

illio

nen] GSM gesamt

TDMA gesamtCDMA gesamtPDC gesamtAnalog gesamtSummeVorhersage (1998)

Jahr


Entwicklung mobiler Telekommunikationssysteme

IS-136TDMAD-AMPSGSMPDC

GPRS

AMPSNMT

IMT-TCTD-SCDMA

EDGE

1G 2G 3G2.5G

IS-95cdmaOne

IMT-DSUTRA FDD / W-CDMAIMT-TCUTRA TDD / TD-CDMA

cdma2000 1X

1X EV-DV(3X)

IMT-SCIS-136HSUWC-136

CT0/1

CT2IMT-FTDECT

FDM

ATD

MA

CD

MA

IMT-MCcdma2000 1X EV-DO


GSM: Überblick

GSM:früher: Groupe Spéciale Mobile (1982 gegründet)heute: Global System for Mobile Communicationeuropäischer Standard - Standardisierung durch ETSI(European Telecommunications Standardisation Institute)gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards (essential Services) in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen(in Deutschland: D1 und D2)

europaweites Roaming (freizügiges Bewegen) möglichmittlerweile Übernahme durch über 184 Drittländer (z.B. in Asien, Afrika, Amerika)über 747 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzenüber 10 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 360 Milliarden weltweit (über 10% der Umsätze von Netzbetreibern)74% aller digitalen Mobiltelefone, 70% insgesamt!


Leistungsmerkmale des GSM-Systems

Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte (im Vergleich zur Analogtechnik):

Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen Funkweg; Unterstützung für Sprach- und Datendienste.Totale Mobilität: Internationaler Zugriff; über Chipkarte Nutzung anderer Mobilfunkstationen möglich.Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter der gleichen Rufnummer erreichbar; das Netz übernimmt die Lokalisierungs-Aufgaben.Hohe Kapazität: Bessere Frequenzausnutzung und kleinere Funkzellen können wesentlich mehr Teilnehmer versorgen.Übertragungsqualität: Hohe Qualität und Zuverlässigkeit erlaubendrahtlos, kontinuierlich, störungsfrei und in Bewegung Telefonate zu führen.Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN.


Nachteile des GSM-Systems

Es gibt kein perfektes System!keine End-to-End Chiffrierung der NutzkanäleNetzzugriff nur über „reduzierten“ B-Kanal: keine Verlängerung des transparenten 64 kbit/s Trägerdienstes von ISDN

eventuelle Beeinträchtigung der Konzentration beim Autofahrenelektromagnetische Verträglichkeit

Missbrauch persönlicher Daten nicht ganz ausgeschlossenMöglichkeiten der gezielten Kontrolle und Überwachung

hohe Komplexität des SystemsKompatibilitätsprobleme innerhalb des GSM-Standards


GSM: Dienste (Mobile Services)

GSM-System bietet:Verschiedene Verbindungstypen

Sprechverbindungen, Datenverbindungen und KurznachrichtenMultiservice-Optionen (Kombination von Basisdiensten)

Einteilung der Dienste in drei Bereiche:Trägerdienste (Bearer Services)Teleservices (Telematic Services)Zusatzdienste (Supplementary Services)

Trägerdienste

GSM-PLMNTransit-

Netzwerk(PSTN)

Ursprungs-/Zielnetzwerk

z.B. GSMTE TE

RS

RS

Um

MT

MS

Teledienste


Trägerdienste (Bearer Services)

Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen Benutzer-Netz-Schnittstellen (Access Points) übertragen.Spezifikation der Dienste bis zur Endgeräte-Schnittstelle (entsprechend OSI Schichten 1-3).Für Datendienste werden andere Übertragungsraten als für Sprache verwendet (ursprünglicher Standard)

Datendienste (leitungsvermittelt)synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/sasynchron: zwischen 300 und 1200 Bit/s

Datendienste (paketvermittelt)synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s (über PAD)asynchron: zwischen 300 und 9600 Bit/s

Heute: Datenraten von ca. 50 kbit/s sind verfügbar – wird weiter hinten behandelt!


Teleservices (Telematic Services) I

Telekommunikationsdienste, die im Mobilfunk den Benutzern die Möglichkeit bieten, über Telefon-Endgeräte miteinander zu kommunizieren.Alle Basisdienste müssen Aspekte wie zellulare Operationen, Sicherheitsmaßnahmen usw. berücksichtigen.Angebotene Dienste:

Mobilfunk-TelefonieDas ganze GSM-Konzept wurde vorrangig auf das mobile Telefonieren ausgelegt. Gespräche werden mit 3,1 kHz Bandbreite übertragen.NotrufEuropaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetz-betreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich).Multinumberingmehrere ISDN Telefonnummern pro Teilnehmer.


Teleservices (Telematic Services) II

Weitere Dienste:Non-Voice-Teleservices

Facsimile: Fernkopieren (Fax-Gruppe 3)Telefax: Fernkopieren alternierend mit SprachübertragungVideotex: Datenbankzugriff unter Verwendung eines Videotex-TerminalsTeletex: Korrespondenzen nach CCITT F.200 zwischen zwei TerminalsSprachspeicherdienst (Voice Mailbox): über Festnetz realisiertElektronische Post (MHS, Message Handling System): über Festnetzrealisiert

Kurznachrichtendienst (SMS):Alphanumerische Nachrichtenübertragung von oder zur Mobilstation.Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt.Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS.


Zusatzdienste (Supplementary Services)

Bilden weitere Dienstmerkmale und sind Ergänzungen der Basisdienste, die nicht alleine angeboten werden können.Entsprechen, bis auf die auf dem Funkweg geringeren Übertragungsraten, denjenigen des ISDNs.Können sich je nach Landesnetz und implementierter Protokoll-version voneinander unterscheiden.Wichtige Dienste:

Identifikation: Rufnummer des anderen TeilnehmersIdentifikationsunterdrückungAutomatischer RückrufAnklopfenKonferenzverbindung: Gesprächsrunde mit bis zu 7 TeilnehmernSperren: Sowohl abgehende wie ankommende Gespräche


Aufbau des GSM-Systems

Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt.

Es besteht aus mehreren Komponenten:MS (Mobilstation)BS (Basisstation)MSC (Mobilvermittlungseinrichtung)LRs (Aufenthaltsregister)

Man unterscheidet mehrere Subsysteme:RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische AspekteNSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische VorgängeOSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem)


GSM: Überblick

Festnetz

BSC

BSC

MSC MSC

GMSC

OMC, EIRAUC

VLR

HLR

VLR

NSSmit OSS

RSS


GSM: Prinzip zellularer Netze

Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen:

technisch möglicher Funkversorgungsbereich

systemtechnische Einschränkung der ZellengrößeZelle

1

Zelle1

Verwendung mehrerer Funkfrequenzenkeine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellenkeine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsauf-kommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald)hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig)Zellwechsel des mobilen Teilnehmers

Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover


Flächendeckung von GSM Funknetzen (www.gsmworld.com)

Vodafone (GSM-900/1800)T-Mobile (GSM-900/1800) Berlin

e-plus (GSM-1800) O2 (GSM-1800)


Sicherheit in GSM

SicherheitsdiensteZugangskontrolle / Authentifikation

Teilnehmer ⇔ SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer PINSIM ⇔ Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren

VertraulichkeitSprache und Signalisierungsdaten werden nach erfolgreicher Authentifikation verschlüsselt übertragen.

AnonymitätTemporäre Teilnehmerkennung TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)Bei jedem Location Update (LUP) neu vergebenVerschlüsselt übertragen

3 Algorithmen in GSM spezifiziert:A3 zur Authentisierung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)A5 zur Verschlüsselung (standardisiert)A8 zur Schlüsselberechnung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)

„geheim“:• A3 und A8 inzwischen im Internet verfügbar• Betreiber können auch stärkere Verfahren einsetzen


Datendienste in GSM I

Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9,6 kbit/s möglichfortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14,4 kbit/szu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen

HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)Hauptsächlich Software-AktualisierungZusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhereAIUR (Air Interface User Rate)(z.B. 57,6 kbit/s bei 4 slots zu 14,4)Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacherNachteil: diese Kanäle sind dann für Sprache blockiert

AIUR [kbit/s] TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.44.8 19.6 2 1

14.4 3 119.2 4 228.8 3 238.4 443.2 357.6 4


Datendienste in GSM IIGPRS (General Packet Radio Service)

paketorientierte VermittlungBelegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden (z.B. 50 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 4 slots)Standardisierung 98, Einführung 2001Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexiblerNachteil: mehr Investitionen (neue Hardware)

GPRS-NetzelementeGSN (GPRS Support Nodes): GGSN and SGSNGGSN (Gateway GSN)

Umsetzung zwischen GPRS und PDN (Packet Data Network)SGSN (Serving GSN)

Unterstützung der MS (Lokation, Abrechnung, Sicherheit)GR (GPRS Register)

Benutzeradressen


DECTDECT (Digital European Cordless Telephone) ist ein von ETSI entwickelter Standard (ETS 300.175-x), für das schnurlose Telefon.Standard legt die Luftschnittstelle zwischen der Basisstation und dem Mobiltelefon fest.Um DECT international besser vermarkten zu können, wurde es in „Digital Enhanced Cordless Telecommunication“ umgetauft.Kenngrößen:

Frequenz: 1880-1990 MHzKanalzahl: 120 DuplexkanäleDuplexverfahren: TDD (10 ms Rahmenlänge)Multiplexverfahren: FDMA mit 10 Trägerfrequenzen, TDMA mit 2x 12 slotsModulation: digital, Gaußian Minimum Shift Keying (GMSK)Sendeleistung: 10 mW mittlere Leistung (max. 250 mW)Reichweite: ca. 50 m in Gebäuden, 300 m im Freien


DECT Systemarchitektur und Referenzmodell

globalesNetz

lokalesNetz

lokalesNetz

FT

FT

PTPA

PTPAVDB

HDB

D1

D2

D3D4


DECT-Referenzmodell

C-Ebene U-Ebene Starkt angelehnt an das OSI-ReferenzmodellManagementebene schichtenübergreifendMehrere Dienste in der C(ontrol)- bzw. U(ser)-Plane vorhanden

Signalisierung Anwendungs-prozesse


Medienzugriffssteuerung

Verbind-ungs-

steuerung

Verbind-ungs-

steuerung

Netzwerk-schicht

Man

agem

ent

OSI Schicht 1

OSI Schicht 2

OSI Schicht 3


Schichtenarchitektur I

Physical LayerModulation/Demodulation des Funkträgers mit einem BitstromErzeugt die physikalische Kanalstruktur mit festem DurchsatzÜberwachung der Funkumgebung

Bereitstellung eines Kanals auf Anforderung des MAC-LayersErkennen eines ankommenden physikalischen KanalsSynchronisation zwischen Sender und EmpfängerBereitstellung von Statusinformationen für die Management-Entity

MAC LayerErzeugung, Unterhalt und Freigabe von Basisdiensten durch Aktivierung bzw. Deaktivierung von physikalischen KanälenMultiplexen der logischen Kanaltypen

u.a.: C: Signalisierung, I: Benutzerdaten, P: Paging und Q: BroadcastSegmentieren/ReassemblierenFehlerkontrolle und Fehlerkorrektur (Daten abhängig)


Struktur des DECT-Zeitmultiplexrahmens1 Frame = 10 ms

Slot

sync

A field

DATA

DATA64

C16

DATA64

C16

DATA64

C16

DATA64

C16

B field

D field

12 Down Slots 12 Up Slots

0 419

0 31 0 387

0 63 0 319

UnprotectedMode

Simplex Bearer25,6 kbit/s

32 kbit/s

Protected Mode

420 bit + 52µs Schutzzeit („60 bit“) in 0,4167 msguard

X field0 3A: NetzsteuerungB: BenutzerdatenX: Übertragungsqualität


Schichtenarchitektur II

Data Link Control layerErzeugen und aufrechterhalten einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem portablen Gerät und der Basisstation.Zwei DLC-Protokolle in der Kontroll-Ebene (C-Plane):

Verbindungsloser Broadcast-Dienst:Bietet „Pager“-FunktionalitätLc+LAPC Protokoll:Für in-call Signalisierung (ähnlich LAPD für ISDN). Speziell angepaßt an den darunterliegenden MAC-Dienst (Segmentlänge entsprechend).

Verschiedene Dienste in der U-Plane spezifiziert:Null-Dienst: Reicht die MAC-Dienste unmodifiziert nach oben durch.Frame relay: Einfache PaketübertragungFrame switching: Für zeitkritische PaketübertragungFehlerkorrigierende Übertragung: Mit FEC, für verzögerungs- bzw. zeitkritische AnwendungenBandbreiten anpassbare Übertragung„Escape“-Dienst: Für zukünftige Erweiterungen des Standards


Schichtenarchitektur III

Network LayerAngelehnt an das ISDN (Q.931) und GSM (04.08)Stellt Dienste zur Verfügung, um Ressourcen im zentralen System und im portablen Gerät anzufordern, überprüfen, reservieren, überwachen und freizugeben.Ressourcen sind:

Solche, die notwendig sind, um eine drahtlose Verbindung zu ermöglichen.Solche, die notwendig sind, um das DECT-System mit einem externen Netzwerk zu verbinden.

Hauptaufgaben:Rufüberwachung: Aufbau, Abbau, Aushandeln, Überwachen. Rufunabhängige Dienste: Rufweiterleitung, Rufumleitung, KostenmangementMobility Management: Identitäts-Management, Authentifizierung, Aufenthaltsregister-Verwaltung


Erweiterungen des Standards

Als Ergänzung zur DECT-Spezifikation wurde verschiedene „DECT Application Profiles“ definiert:

GAP (Generic Access Profile) 1997 von ETSI verabschiedet:Sichert die herstellerunabhängige Zusammenarbeit von DECT-Geräten (Minimale Anforderungen für den Sprachdienst).Erweiterte Möglichkeit des Managements vom Festnetz aus: CordlessTerminal Mobility (CTM)

DECT/GSM Interworking Profile (GIP): Anbindung an GSMISDN Interworking Profiles (IAP, IIP): Anbindung an ISDNRadio Local Loop Access Profile (RAP): Öffentlicher TelefondienstCTM Access Profile (CAP): Unterstützung der Benutzermobilität

DECTFestnetzbereich

GAP

DECTCommonAir Interface

DECTPortable Part

Festnetz


UMTS und IMT-2000

Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications)UWC-136, cdma2000, WP-CDMAUMTS (Universal Mobile Telecommunications System) von ETSI

UMTSUTRA (früher: UMTS, jetzt: Universal Terrestrial Radio Access)Erweiterungen von GSM

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): GSM bis zu 384 kbit/sCAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic)VHE (virtual Home Environment)

passt zur GMM (Global Multimedia Mobility) Initiative von ETSIAnforderungen

min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s)min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s)bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch


Frequenzen für IMT-2000

MHz

IMT-2000

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200

MSS↑

ITU-Zuweisung(WRC 1992) IMT-2000 MSS

↓

Europa

China

Japan

NordAmerica

UTRAFDD ↑

UTRAFDD ↓

TDD

TDD

MSS↑

MSS↓

DECT

GSM1800

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200

IMT-2000 MSS↑

IMT-2000 MSS↓

GSM1800

cdma2000W-CDMA

MSS↓

MSS↓

MSS↑

MSS↑

cdma2000W-CDMAPHS

PCS rsv.

MHz


IMT-2000-Familie

IMT-DS(Direct Spread)

UTRA FDD(W-CDMA)

3GPP

IMT-TC(Time Code)UTRA TDD(TD-CDMA);TD-SCDMA

3GPP

IMT-MC(Multi Carrier)

cdma2000

3GPP2

IMT-SC(Single Carrier)

UWC-136(EDGE)

UWCC/3GPP

IMT-FT(Freq. Time)

DECT

ETSI

GSM(MAP)

ANSI-41(IS-634) IP-Network

Schnittstellen zum Netzübergang

Flexible Zuweisung von Kernnetz und Funkzugang

IMT-2000KernnetzITU-T

Initiales UMTS(R99 mit FDD)

IMT-2000FunkzugangITU-R


Ergebnis Frequenzvergabe für UMTS am 18.8.2000

UTRA-FDD: Uplink 1920-1980 MHzDownlink 2110-2170 MHzDuplexabstand 190 MHz 12 Kanäle zu je 5 MHz

UTRA-TDD: 1900-1920 MHz, 2010-2025 MHz; je 5 MHz Kanäle

Abdeckung: 25% in der Bevölkerung bis 12/2003,50% bis 12/2005

Summe: 50,81 Mrd. €


UMTS Bereiche und Schnittstellen I

USIMDomain

MobileEquipment

Domain

AccessNetworkDomain

ServingNetworkDomain

TransitNetworkDomain

HomeNetworkDomain

Cu Uu Iu

User Equipment Domain

ZuYu

Core Network Domain

Infrastructure Domain

User Equipment DomainEinem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen

Infrastructure DomainGeteilt für alle BenutzerBietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an


UMTS Bereiche und Schnittstellen II

Universal Subscriber Identity Module (USIM)Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung des BenutzersAuf der SIM untergebracht

Mobile Equipment DomainFunktionen zur Funkübertragung Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-Ende-Verbindungen

Access Network DomainZugangsnetzabhängige Funktionen

Core Network DomainFunktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sindServing Network Domain

Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiertHome Network Domain

Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des Benutzers dort zur Verfügung stehen


Spreizen und Verwürfeln von Nutzdaten

Konstate chipping-Rate von 3,84 Mchip/sUnterschiedliche Nutzerraten durch unterschiedliche Spreizfaktoren unterstüzt

höhere Datenrate: weniger Chips pro Bit (und umgekehrt)Nutzertrennung durch eindeutige, quasi-orthogonale Verwürfelungscodes

Nutzer nicht durch orthogonale Spreizcodes getrenntviel einfachere Verwaltung der Codes: jede Station kann die gleichen orthogonalenSpreizcodes nutzenpräzise Synchronisation nicht notwendig, da die Verwürfelungscodes quasi-orthogonal bleibenDaten1 Daten2 Daten3

Verwürf-lungscode1

Spr.-code3

Spr.-code2

Spr.-code1

Daten4 Daten5

Verwürf-lungscode2

Spr.-code4

Spr.-code1

Sender1 Sender2


Mobilitätsunterstützung: Handover

Von/zu anderen Systemen (z.B. UMTS nach GSM)sehr wichtig, da die Abdeckung von UMTS sehr begrenzt am Anfang ist

RNS zu dem Verbindung besteht wird als SRNS (Serving RNS) bezeichnet.RNS das zusätzliche Ressourcen bereitstellt (z.B. für Soft-Handover) wird als DRNS (Drift RNS) bezeichnetEnde-zu-Ende Verbindungen zwischen UE und CN nur über Iu am SRNS

Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der IuInitiiert durch SRNSgesteuert durch RNC und CN

SRNC

UE

DRNC

Iur

CN

IuNode B

Iub

Node BIub


Beispielhafte handover-Typen in UMTS/GSM

RNC1

UE1

RNC2

Iur

3G MSC1

IuNode B1

IubNode B2

Node B3 3G MSC2

BSCBTS 2G MSC3

AAbis

UE2

UE3

UE4


Zellatmung

GSMEndgerät erhält volle Leistung der Basisstation Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die Zellgröße

UMTSZellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der ZelleKapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-AbstandRauschen entsteht durch vorhandene Interferenz

anderer Zellenanderer Teilnehmer

Interferenz erhöht das RauschenEndgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken

keine Kommunikation möglichBeschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig

Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich


Zellatmung: Beispiel


Dienste

Datenübertragung, Service Profile

Virtual Home Environment (VHE)ermöglicht dem Benutzer den Zugriff auf personalisierte Dienste unabhängig vom Standort, dem Zugangsnetzwerk und dem EndgerätNetzwerkbetreiber kann Dienste anbieten, die keine Änderungen an den Netzwerken erfordernDienstanbieter erhält Komponenten, die die Erstellung von Anwendungen erlaubt, die sich an das Netzwerk und das Endgerät anpassenIntegration bestehender IN-Dienste

leitungsv.16 kBit/sSpracheSMS-Nachfolger, E-Mailpaketv.14,4 kBit/sSimple Messaging

leitungsv.14,4 kBit/sSwitched Dataasymmetrisch, MM, downloadsleitungsv.384 kBit/sMedium MMnicht flächendeckend, max. 6 km/hpaketv.2 Mbit/sHigh MMbidirektional, Bildtelefonleitungsv.128 kBit/sHigh Interactive MM

TransportmodusBandbreiteService-Profile


3G-Netze in Aktion

Foma (Freedom Of Mobile multimediaAccess) in Japan

NEC WCDMA Handy


Isle of Man – UMTS in Europa


UMTS in Monaco


UMTS-Anwendungen


MobilkommunikationSatellitensysteme

GeschichteGrundlagenLokalisierung

HandoverRoutingSysteme


Geschichte der Satellitenkommunikation

1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra Terrestrial Relays“

1957 erster Satellit SPUTNIK1960 erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO1963 erster geostationärer Satellit SYNCOM1965 erster kommerzieller geostationärer Satellit „Early Bird“

(INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fern-sehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre

1976 drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation1982 erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A1988 erstes landmobiles Satellitensystem für

Datenkommunikation INMARSAT-C1993 erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme 1998 globale Satellitentelefonsysteme für Handys


Einsatzgebiete für Satelliten

traditionell: WettersatellitenRundfunk- und Fernsehsatelliten militärische DiensteSatelliten zur Navigation und Ortung (GPS)

für Telekommunikation:weltweite TelefonverbindungenBackbone für globale NetzeKommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand möglich)weltweite Mobilkommunikation

Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen

immer mehr von Glasfaser abgelöst


Bodenstation oder

Gateway

Aufbau eines Satellitensystems

Intersatelliten-verbindung (ISL)

Mobile User Link (MUL) Gateway Link

(GWL)

gesamtes Ausleuchtungsgebiet (Footprint)

kleinere Zellen (Spotbeams)

Benutzer-daten

PSTNISDN GSM

GWL

MUL

PSTN: Public SwitchedTelephone Network


Grundlagen

Satelliten in kreisförmigen UmlaufbahnenAnziehungskraft Fg = m g (R/r)²Zentrifugalkraft Fc = m r ω²m: SatellitenmasseR: Erdradius (R = 6370 km)r: Entfernung vom Erdmittelpunktg: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²)ω: Winkelgeschwindigkeit (ω = 2 π f, f: Umlauffrequenz)

Stabile UmlaufbahnFg = Fc

32

2

)2( fgRrπ

=


Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn

10 20 30 40 x106 m

24

20

16

12

8

4

Radius

Umlauf-dauer [h]Geschwindigkeit [ x1000 km/h]

Synchrondistanz35.786 km


Grundlagen

Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmigbei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche abhängigInklination: Neigung des Orbits gegenüber dem ÄquatorElevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den HorizontSichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für Funkverbindung notwendig

höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch HindernisseUplink: Verbindung Bodenstation - SatellitDownlink: Verbindung Satellit - Bodenstationmeist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink

Transponder zum Umsetzen der Signale auf andere Frequenztransparente Transponder: nur Frequenzumsetzungregenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung


Inklination

Inklination δ

δ

Satellitenbahn

erdnächster Punkt

Ebene der Satellitenbahn

Äquatorialebene


Elevation

Elevation:Einfallswinkel für die Mitte derStrahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche)

εminimale Elevation:kleinste Elevation, bevorein neuer Satellit des Systemssichtbar wird

Ausleuchtungsgebiet

„Footprint“


Übertragungsleistung von Satelliten

Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von vier Werten bestimmt:SendeleistungAntennengewinn (Sender)Abstand von Sender und EmpfängerAntennengewinn (Empfänger)

Problemeschwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS)

Mögliche LösungenSignalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen werden Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten)

24⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

cfrL π

L: Lossf: carrier frequencyr: distancec: speed of light


Atmosphärische Dämpfung

Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz

Elevation des Satelliten

5° 10° 20° 30° 40° 50°

Abschwächungdes Signals in %

10

20

30

40

50

Absorption durch Regen

Absorption durch Nebel

Atmosphärische Absorption

ε


Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt:GEO: geostationärer Orbit in etwa 36000 km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in 700 - 2000 km HöheMEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate CircularOrbit) in 6000 - 20000 km HöheHEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits

Orbits I


Orbits II

earth

km35768

10000

1000

LEO (Globalstar,

Irdium)

HEO

innerer und äußererVan-Allen-Gürtel

MEO (ICO)

GEO (Inmarsat)

Van-Allen-Gürtel:ionisierte Teilchenin 2000 - 6000 kmHöhe (kein Satelliten-Betrieb möglich)


Geostationäre Satelliten

Orbit in 35.786 km Entfernung von der Erdoberfläche in der Äquatorebene (Inklination 0°)Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehungfeste Position der Antennen, kein Nachführen nötigSatellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch schlecht wiederbenutzbardurch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden über 60°hohe Sendeleistungen nötigdurch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms

ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, dahermeist Rundfunk- und Fernsehsatelliten


LEO-Systeme

Orbit in 700 - 2000 km HöheSichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minutenglobale Funkversorgung möglich Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrs-verbindungen, etwa 5 - 10 mskleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere FrequenznutzungGesprächsübergabe (Handover) benötigtviele Satelliten für globale Funkversorgung nötigFrequenzänderung wg. Satellitenbewegung (Dopplereffekt)

Beispiele: Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten)

Bankrott! Einstellung der Dienste: März 2000, dann Teilübernahme durch Militär, immer noch unsichere Zukunft

Globalstar (Betriebsbeginn 2000, 48 Satelliten)2001 lediglich ca. 44000 Kunden, Handys unter 10h Standby


MEO-Systeme

Orbit in 6000 - 20000 km HöheVergleich mit LEO-Systemen:

Geschwindigkeit des Satelliten langsamer weniger Satelliten benötigtweniger starker Doppler-EffektVerbindungen meist ohne Handover möglichlängere Laufzeiten, etwa 70 - 80 mshöhere Sendeleistung nötigstärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuch-tungsgebiete nötig

Beispiele: ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start geplant 2000,

Bankrott! – Zusammenarbeit mit Teledesic, Ellipso – dann doch wieder gestoppt – Start nun 2003 geplant ...


Routing

Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL)reduziert Anzahl erforderlicher GatewaysGespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger Gebühren für terrestrische Netze)bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein Downlink nötig

Probleme:präzise Ausrichtung der Antennen komplexkompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satellitennötighöherer Treibstoffverbrauchkürzere Lebensdauer

Iridium und Teledesic mit ISL geplantAndere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze


Lokalisieren von Mobilstationen

Systeme benutzen ähnliche Mechanismen wie bei GSMIn Bodenstationen oder Gateways werden Benutzerdaten abgelegt

HLR (Home Location Register): Stammdaten des TeilnehmersVLR (Visitor Location Register): (letzter) Aufenthaltsort des TNSUMR (Satellite User Mapping Register):

zugeordneter Satellit des TNPositionen aller Satelliten

Anmeldung einer Mobilstation:Feststellen der Position durch den SatellitenAnforderung der Benutzerdaten im HLRNeuzuordnung des VLR und SUMR

Anrufen einer Mobilstation:Feststellen der Position der Mobilstation über die RegisterVerbindungsaufbau über entsprechenden Satelliten


Handover in Satellitensystemen

In Satellitensystemen gibt es durch die Bewegung des Satelliten zusätzliche Situationen, in denen ein Handover notwendig ist:

Intra-Satelliten-Handovervon einem Spotbeam zum nächstenMobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber in anderer Zelle

Inter-Satelliten-HandoverHandover von einem Satelliten zum nächstenMobilstation nicht mehr im Footprint eines Satelliten

Gateway-HandoverHandover von einem Gateway zum nächstenMobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber Gateway nicht mehr in diesem Footprint

Inter-System-HandoverHandover zwischen Satellitennetz und terrestrischem MobilfunknetzWechsel der Netze möglich wegen Kosten oder Erreichbarkeit


Übersicht über geplante/existierende Systeme

Iridium Globalstar ICO Teledesic # Satelliten 66 + 6 48 + 4 10 + 2 288 Höhe (km) 780 1414 10390 ca. 700 Abdeckung global ±70° Breite global global min. Elevation 8° 20° 20° 40° Frequenzen [GHz (circa)]

1,6 MS 29,2 ↑ 19,5 ↓ 23,3 ISL

1,6 MS ↑ 2,5 MS ↓ 5,1 ↑ 6,9 ↓

2 MS ↑ 2,2 MS ↓ 5,2 ↑ 7 ↓

19 ↓ 28,8 ↑ 62 ISL

Zugriffs- methode

FDMA/TDMA CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA

ISL yes no no yes Datenrate 2,4 kbit/s 9,6 kbit/s 4,8 kbit/s 64 Mbit/s ↓

2/64 Mbit/s ↑ # Kanäle 4000 2700 4500 2500 Lebensdauer [Jahre]

5-8 7,5 12 10

Kosten (grobe Abschätzung)

4,4 Mrd€ 3 Mrd€ 4,5 Mrd€ 9 Mrd€

Bankrott...DoD Übernahme

Bankrott...Zusammenschluss

Start 2000Kunden?

Verbundmit ICO??

Alexander Heine, Ronald Nitschke Stunde 7.1 – Folie 1

MobilkommunikationBroadcast-Systeme

Unidirektionale VerteilmedienDAB

ArchitekturDVB

ContainerHigh-Speed Internet


Unidirektionale Verteilmedien

Asymmetrische Kommunikationsumgebungendurch Bandbreitenbeschränkungen des Übertragungsmediumsdurch Art der Informationen oder EinsatzgebietBeispiele:

Drahtlose Netzwerke mit Basistation und MobilteilnehmernClient-Server Umgebungen (Diskless Terminal)Kabelfernsehen mit Set-Top-BoxInformationsdienste (Pager, SMS)

Extremfall: Unidirektionalen Verteilmedienhohe Bandbreite vom Server zum Client (downstream), aber kein Rückkanal (upstream)Probleme des Rundsendemediums:

Die zu übertragende Information kann nur für eine einzige virtuelle Benutzergruppe optimiert werdenHilfsmittel für Zugriff müssen geliefert werden, die eine angemessene Berücksichtigung des individuellen Zugriffsverhaltens erlauben


Unidirektionale Verteilkommunikation

Dienstgeber Dienstnehmer

Sender

Empfänger

Empfänger

Empfänger

.

.

.

unidirektionalesVerteilmedium

A

A

A

A

A

A

A B

B

B

B

Optimiert für erwartetesZugriffsverhalten

aller Dienstnehmer

IndividuellesZugriffsverhalten

eines Dienstnehmers≠


Sendeseitezyklische Wiederholung der DatenVerschiedene Sendefolgen der Daten (Wissen über Inhalte notwendig um eine Optimierung zu erreichen)

EmpfängerseiteEinsatz von Caching-Algorithmen

kostenbasierte Strategie: Welche Kosten (Wartezeit) entstehen, wenn ein Datenobjekt angefordert wird und sich nicht im Cache befindet?Anwendung bzw. Cache benötigt Wissen über Art der übertragenen Datenobjekte und Zugriffsprofil des Nutzers

Strukturierungskonzept

A B C A B Cflat disk

A A B C A Askewed disk

A B A C A Bmulti-disk


DAB: Technische Spezifikation

AusstrahlungsverfahrenCOFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)SFN (Single Frequency Network)192 bis 1536 Unterträger innerhalb eines 1,5 MHz Frequenzblocks

FrequenzenErste Bedeckung: einer von 32 Blöcken im Bereich der Fernsehkanäle 5 bis 12 (174 - 230 MHz, 5A - 12D)Zweite Bedeckung: einer von 9 Blöcken im L-Band(1452- 1467,5 MHz, LA - LI)

Sendeleistung: 6,1 kW (VHF, Ø 120 km) bzw.4 kW (L-Band, Ø 30 km) pro GleichwellennetzDatenrate: 2,304 MBit/s (netto 1,2 bis 1,536 MBit/s)Modulation: Differentielle 4-Phasenmodulation (QPSK)Audio-Programme pro Frequenzblock: typisch 6, max. 192 kbit/sDigitale Dienste: 0,6 - 16 kbit/s (PAD), 24 kbit/s (NPAD)


Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM)

Daten parallel auf mehreren parallelen (orthogonalen) Unterträgern mit geringerer Rate übertragen

Maximum einer Trägerfrequenz liegt im Frequenzbereich genau auf den Nullstellen aller anderen Trägerfrequenzen

Überlagerung der Frequenzen im selben Frequenzbereich

k3f

t

c

Amplitude

f

Unterträger: SI-Funktion= sin(x)x


OFDM II

EigenschaftenGeringere Datenrate auf den Unterträgern geringere ISIStörungen einer Frequenz führen nur zu Störungen auf einem UnterträgerKein Schutzabstand notwendigOrthogonalität erlaubt Trennung des Signals auf Empfängerseite (IFFT)Genaue Synchronisation von Sender und Empfänger notwendig

VorteileKeine Entzerrer (Equalizer) notwendigKeine (steilflankigen) Filter notwendigBessere spektrale Effizienz (im Vergleich zu Codemultiplex)

Anwendung802.11a, HiperLAN2, DAB, DVB, ADSL


Reale Umgebungen

ISI aufeinanderfolgernder Symbole durch Mehrwegeausbreitung Symbol muss während der Analyse für Tnutz konstant sein

Guard-Intervall (TG) wird jedem Symbol vorangestellt(HIPERLAN/2: TG= 0,8 µs; Tnutz= 3,2 µs; 52 Unterträger)(DAB: Tnutz= 1 ms; bis 1536 Unterträger)

OFDM-SymbolAusschwingen

OFDM-SymbolEinschwingen

Impulsantwort

OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-SymboltAnalysefenster

Tnutz

OFDM-Symbol

TGTG TGTnutz


Flächendeckung von DAB


DAB-Transportmechanismen

MSC (Main Service Channel)übertragt alle Nutzdaten (Audio, Multimedia, ...)besteht aus mehreren CIF (Common Interleaved Frames)jeder CIF ist 55296 bit groß und wird alle 24 ms übertragen (je nach Übertragungsmodus unterschiedlich)aCIF enthält CU (Capacity Units) von 64 bit Größe

FIC (Fast Information Channel)überträgt alle Steuerdatenbesteht aus FIB (Fast Information Block)jeder FIB ist 256 bit groß (inkl. 16 bit Prüfsumme)beschreibt Konfiguration und Inhalt des MSC

Stream-Modustransparente Datenübertragung mit einer festen Datenrate

Paket-ModusÜbertragung einzeln adressierbarer Datenpakete


Übertragungsrahmen

SynchronisationChannelSC

Main ServiceChannel

FIC

MSC

Null-symbol

Referenz-symbol

Daten-symbol

Daten-symbol

Daten-symbol

. . . . . .

Symbol

Schritt Ts

Tu

Rahmendauer TF

Schutzzeit Td

L 0 0 12 L-11 L

Fast InformationChannelFIC


DAB-Signalerzeugung

Trans-mitter

Trans-missionMulti-plexer

MSCMulti-plexer

OFDM

PacketMux

ChannelCoder

AudioEncoder

ChannelCoder

DAB-SignalDienst-information FICMultiplex-Information

Daten-dienste

Audio-dienste

Trägerfrequenz

FIC: Fast Information ChannelMSC: Main Service ChannelOFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing

1,5 MHzf

Träger


DAB-Empfänger

PacketDemux

AudioDecoder

ChannelDecoder

UnabhängigerDatendienst

Audio-dienst

Steuerung

Tuner OFDM-Demodulator

Benutzerschnittstelle

FIC

Control Bus

(partial)MSC


Audiocodierung

Ziel:Audioübertragung in (annähernd) CD-Qualitätweitgehende Immunität gegen Mehrwegeausbreitungminimale Verzerrung der Tonsignale bei schwächer werdendem Empfang

Wird erreicht durch:Tonsignale digital abgetastet (PCM, 16 Bit, 48 kHz, stereo)Kompression nach MPEG-Standard, Kompressionsrate 1:10Einfügen von Schutzbits zur Fehlererkennung und Korrekturhäufig Bündelfehler in der Funkübertragung, daher wird das Signal vor der Übertragung nach festem Schema verwürfelt. Bündelfehler werden so beim Empfänger zu korrigierbaren EinzelfehlernGeringe Schrittgeschwindigkeit, großer Symbolvorrat:

Übertragung der digitalen Daten als Folge von langen Symbolen, getrennt durch Schutzintervalle.Durch Reflexionen verzögerte Symbole fallen in die Schutzintervalle


Bitratenmanagement

DAB-Ensemble vereinigt Audioprogramme und Datendienste mit unterschiedlichen Ansprüchen an die Übertragungsqualität und die benötigen Datenraten.Der Standard ermöglicht es, den DAB-Multiplex dynamisch, also während des laufenden Programmbetriebes, zu rekonfigurieren.Datenraten können im Diensteensemble variabel gehalten werden. Freiwerdende Kapazitäten können dann für andere Angebote genutzt werden.Da das Bitratenmanagement technisch im Multiplexer vorgenommen wird, können zusätzlichen Angebote von unterschiedlichen Anbietern kommen.


Beispiel einer Rekonfiguration

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9

Audio 1192 Kbit/s

PAD

Audio 2192 Kbit/s

PAD

Audio 3192 Kbit/s

PAD

Audio 4160 Kbit/s

PAD

Audio 5160 Kbit/s

PAD

Audio 6128 Kbit/s

PAD

DAB - Multiplex

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9

Audio 1192 Kbit/s

PAD

Audio 2192 Kbit/s

PAD

Audio 3128 Kbit/s

PAD

Audio 4160 Kbit/s

PAD

Audio 5160 Kbit/s

PAD

Audio 796 Kbit/s

PAD

DAB - Multiplex - vorübergehend rekonfiguriertAudio 896 Kbit/s

PADD10 D11


Multimedia Object Transfer Protocol (MOT)

Probleme:Empfangsgeräte mit stark unterschiedlichen Leistungsmerkmalen(Audio-Only-Gerät mit ein- bzw. mehrzeiligem LCD, Geräte mit angeschlossenem Schwarzweiß- oder Farbmonitor, PC-Karten).Unterschiedlichen Empfängertypen sollen alle Arten von programmbegleitenden wie programmunabhängige Datendiensten verarbeiten oder wenigstens erkennen können.

Lösung: Einheitlicher Standard für die Datenübertragung.

Ein wesentlicher Aspekt bei der Definition des MOT-Protokolls ist, dass damit Datenformate unterstützt werden, die auch in anderen multimedialen Systemen (Online-Dienste, Internet, CD-ROM) benutzt werden. So lassen sich etwa HTML-Dokumente aus dem WorldWideWeb mit relativ geringem Aufwand auch über DAB ausstrahlen.


MOT-FormateMHEG, Java, JPEG, ASCII, MPEG, HTML, HTTP, BMP, GIF, ...

Header coreLänge von header und body, Inhaltsformat

Header extensionAngaben über die Bearbeitung des Inhalts (Abstand von Wiederholungen, Segmentierung, Priorität etc.)Information unterstützt Caching-Mechanismen

Bodybeliebige Nutzdaten

DAB erlaubt vielfältige WiederholungsmusterObjekte, Segmente, Paketköpfe

MOT-Struktur

header core

header extension body

7 byte


Digital Video Broadcasting

1991 Gründung der ELG (European Launching Group)Ziel: Entwicklung des digitalen Fernsehens in Europa1993 Umbenennung in DVB (Digital Video Broadcasting)Ziel: Einführung des digitalen Fernsehens auf Basis von

SatellitenübertragungstechnikKabelübertragungstechnikzu einem späteren Zeitpunkt: Terrestrische Übertragung

SDTVEDTVHDTV

Multimedia PC

B-ISDN, ADSL,etc. DVD, etc. DVTR, etc.

TerrestrischerEmpfang

Kabel

Multipoint Distribution

System

Satelliten DVBDigital VideoBroadcastingIntegrated

Receiver-Decoder

DVB-S

DVB-C

DVB-T


DVB Container

DVB überträgt MPEG-2 ContainerHohe Flexibilität bei der Übertragung digitaler DatenKeine Einschränkungen bzgl. der Art der InformationenDVB Service Information spezifiziert den Container-Inhalt

NIT (Network Information Table): Fasst die Dienste eines Providers zusammen. Beinhaltet Zusatzinformationen für Set-Top-BoxenSDT (Service Description Table): Liste der Namen und Parameter für jeden Dienst in einem MPEG-Mux-KanalEIT (Event Information Table): Statusinformationen der aktuellenÜbertragung. Optional Zusatzinformationen für die Set-Top-BoxTDT (Time and Date Table): Updateinformationen für die Set-Top-Box

Multimediadata broadcasting

MPEG-2/DVBcontainer

Einzelner Kanalhigh definition television

MPEG-2/DVBcontainer

HDTV

Mehrere Kanälestandard definition

MPEG-2/DVBcontainer

SDTV

Mehrere Kanäleenhanced definition

MPEG-2/DVBcontainer

EDTV


Beispiel: High-Speed Internet

Asymmetrischer DatenaustauschDownlink: DVB-Empfänger, Datenrate pro Anwender: 6-38 Mbit/sRückkanal vom Anwender zum Dienstanbieter: z.B. Modem mit 9,6-56 kbit/s, ISDN mit 64 kbit/s, DSL mit einigen 100 kbit/s etc.

DVB-S-Karte

PCInternet

TCP/IP

Standleitung

Dienst-anbieter

Informations-anbieter

Satelliten-betreiber

SatellitenempfängerDVB/MPEG2 - Multiplexparallel zum digitalen TV


Aktuelle „Verbreitung“ der DVB-Standards


Konvergenz von Rundfunk und Mobilkommunikation

Definition von InteraktionskanälenInteraktion mit/Steuerung von Rundfunk via GSM, UMTS, DECT, PSTN, …

Beispiel: mobile Internet Dienste mit IP über GSM/GPRS oder UMTS als Interaktionskanäle für DAB/DVB

mobilesEndgerät

DVB-T, DAB(TV plus IP-Daten)

GSM/GPRS,UMTS(IP-Daten)

MUX

Internet

TV/Rundfunk

ISP

Mobilnetzbetreiber

TV

Daten

Rundfunk

InteraktionKanäle


Vergleich von UMTS, DAB and DVB

UMTS DAB DVBFrequenzen [MHz](abhängig von nationalen Regelungen)

2000 (terrestrial),2500 (satellite)

1140-1504,220-228 (UK)

130-260,430-862 (UK)

Regulierung Telekom.,lizenziert

Rundfunk,lizenziert

Rundfunk,lizenziert

Bandbreite 5 MHz 1,5 MHz 8 MHzEffektiverDurchsatz

30-300 kbit/s(pro Nutzer)

1,5 Mbit/s (geteilt)

5-30 Mbit/s (geteilt)

Mobilität Niedrig bis hoch Sehr hoch Niedrig bis hochAnwendung Sprache, Daten Audio, push

Internet, Bilder, einfaches Video

Hochwertiges Video, Audio, push Internet

Abdeckung Lokal bis regional regional/national regional/nationalInstallationskosten für Flächendeckung

Sehr hoch Niedrig Niedrig


Mobilkommunikation Drahtlose LANs

CharakteristikaIEEE 802.11

PHYMACRoaming.11a, b, g, h, i ...

HIPERLANStandard-Familie HiperLAN2QoS

BluetoothVergleich


Charakteristika drahtloser LANs

Vorteileräumlich flexibel innerhalb eines EmpfangsbereichsAd-hoc-Netzwerke ohne vorherige Planung machbarkeine Verkabelungsprobleme (z.B. historische Gebäude, Feuerschutz, Ästhetik)unanfälliger gegenüber Katastrophen wie Erdbeben, Feuer - und auch unachtsamen Benutzern, die Stecker ziehen!

Nachteileim Allgemeinen sehr niedrige Übertragungsraten im Vergleich zu Festnetzen (1-10 Mbit/s) bei größerer NutzerzahlProprietäre leistungsstärkere Lösungen, Standards wie IEEE802.11 sind weniger leistungsfähig und brauchen ihre Zeitmüssen viele nationale Restriktionen beachten, wenn sie mit Funkarbeiten, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen (z.B. bietet Europa mehr Kanäle als die USA)


Entwurfsziele für drahtlose LANs

weltweite Funktionmöglichst geringe Leistungsaufnahme wegen BatteriebetriebBetrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglichrobuste ÜbertragungstechnikVereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffeneinfache Handhabung und VerwaltungSchutz bereits getätigter Investitionen im FestnetzbereichSicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der EmissionenTransparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten


Vergleich Infrarot-/Funktechniken

InfrarotEinsatz von IR-Dioden, diffuses Licht, Reflektion von Wänden

Vorteilesehr billig und einfachkeine Lizenzen nötigeinfache Abschirmung

NachteileInterferenzen durch Sonnenlicht, Wärmequellen etc.wird leicht abgeschattetniedrige Bandbreite

Einsatzals IrDA (Infrared Data Association) -Schnittstelle in fast jedem Mobilrechner verfügbar

Funktechnikheute meist Nutzung des 2,4GHz lizenzfreien Bandes

VorteileErfahrungen aus dem WAN und Telefonbereich können übertragen werdenAbdeckung einer größeren Fläche mit Durchdringung von Wänden

Nachteileenger Frequenzbereich freischwierigere Abschirmung, Interferenzen mit Elektrogeräten

Einsatzvielfältige, separate Produkte


Vergleich Infrastruktur- und Ad hoc-Netzwerk

Infrastruktur-Netzwerk

Ad hoc-Netzwerke

APAP

AP

Existierendes Festnetz

AP: Access Point


802.11 - Architektur - Infrastrukturnetz

Station (STA)Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium und Funk-kontakt zum Access Point

Basic Service Set (BSS)Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen

Access PointStation, die sowohl in das Funk-LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist

PortalÜbergang in ein anderes Festnetz

Distribution SystemVerbindung verschiedener Zellen um ein Netz (EES: ExtendedService Set) zu bilden

Distribution System

Portal

802.x LAN

AccessPoint

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

AccessPoint

STA1

STA2 STA3

ESS


802.11 - Architektur - Ad-hoc Netzwerk

Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite

Station (STA):Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose MediumIndependent Basic Service Set (IBSS):Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen

802.11 LAN

IBSS1

802.11 LAN

IBSS2

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3


IEEE-Standard 802.11 (Basisversion)

Mobiles Endgerät(Mobile terminal)

Festes Endgerät(Fixed terminal)

Infrastrukturnetz

Zugangspunkt (Access point)

Anwendung

TCP

802.11 PHY

802.11 MAC

IP

802.3 MAC

802.3 PHY

Anwendung

TCP

802.3 PHY

802.3 MAC

IP

802.11 MAC

802.11 PHY


802.11 - Schichten und Funktionen

PLCPClear Channel Assessment Signal (Carrier Sense)

PMDModulation, Codierung

PHY ManagementKanalwahl, MIB

Station ManagementKoordination der Management-Funktionen

MACZugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung

MAC ManagementSynchronisierung, Roaming, MIB, Power

PMDPhysical Medium Dependent

PLCPPhysical Layer

Convergence Protocol

MACMedium Access Control

LLCLogical Link Control

MAC Management

PHY ManagementS

tatio

n M

anag

emen

t

MAC

PHY


802.11 - Physikalische Schicht

3 Varianten: 2 Funk (vornehmlich im 2,4 GHz-Band), 1 IRDatenrate 1 bzw. 2 Mbit/s

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)spreizen, entspreizen, Signalstärke, nur 1Mbit/smin. 2,5 Frequenzwechsel/s (USA), 2-stufige GFSK-Modulation

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)DBPSK-Modulation für 1 Mbit/s (Differential Binary Phase ShiftKeying), DQPSK für 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK)Präambel eines Rahmens immer mit 1Mbit/s, dann evtl. umschaltenChip-Sequenz: +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (ein Barker-Code)max. Sendeleistung 1 W (USA), 100 mW (EU), min. 1 mW

Infrarot850-950nm, diffuses Licht, typ. 10 m ReichweiteTrägererkennung, Energieerkennung, Synchronisation


FHSS PHY Paketformat

SynchronisationSynch. mit 010101... Muster

SFD (Start Frame Delimiter)0000110010111101 Startmuster

PLW (PLCP_PDU Length Word)Länge der Nutzdaten inkl. 32 bit CRC der Nutzdaten, PLW < 4096

PSF (PLCP Signaling Field)Art der Nutzdaten (1 or 2 Mbit/s)

HEC (Header Error Check)CRC mit x16+x12+x5+1

Bits80 16 12 4 16 variabelSynchronisation SFD PLW PSF HEC Nutzdaten

PLCP-Präambel PLCP-Paketkopf


DSSS PHY Paketformat

Synchronisationsynch., Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung

SFD (Start Frame Delimiter)1111001110100000

SignalDatenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK)

Service Lengthreserviert, 00: gemäß 802.11 Länge der Nutzdaten

HEC (Header Error Check)Schutz der Felder signal, service und length, x16+x12+x5+1

Bits128 16 8 8 16 variabelSynchronisation SFD Signal Dienst HEC NutzlastLänge

16

PLCP-Präambel PLCP-Paketkopf


802.11 - MAC-Schicht I - DFWMAC

VerkehrsartenAsynchroner Datendienst (standard)

Austausch von Datenpaketen auf „best-effort“-BasisUnterstützung von Broadcast und Multicast

Zeitbegrenzte Dienste (optional)implementiert über PCF (Point Coordination Function)

ZugriffsartenDFWMAC-DCF CSMA/CA (standard)

Kollisionsvermeidung durch zufälligen „backoff“-MechanismusMindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden PaketenEmpfangsbestätigung durch ACK (nicht bei Broadcast)

DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional)Distributed Foundation Wireless MACVermeidung des Problems „versteckter“ Endgeräte

DFWMAC-PCF (optional)Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point


802.11 - MAC-Schicht II

Prioritätenwerden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregeltkeine garantierten PrioritätenSIFS (Short Inter Frame Spacing) – 10µs

höchste Priorität, für ACK, CTS, Antwort auf PollingPIFS (PCF IFS) – 30µs

mittlere Priorität, für zeitbegrenzte Dienste mittels PCFDIFS (DCF, Distributed Coordination Function IFS) – 50µs

niedrigste Priorität, für asynchrone Datendienste

Medium belegt SIFSPIFSDIFSDIFS

nächster RahmenWettbewerb

tdirekter Zugriff, Medium frei ≥ DIFS


802.11 - CSMA/CA-Verfahren I

t

Medium belegt SIFSPIFSDIFSDIFS

nächster Rahmen

Wettbewerbsfenster(zufälliger Backoff-Mechanismus)

WartezeitZeitschlitz (20 µs)

Sendewillige Station hört das Medium ab (Carrier Sense basierend auf CCA, Clear Channel Assessment)Ist das Medium für die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) frei, wird gesendet (IFS je nach Sendeart gewählt)Ist das Medium belegt, wird auf einen freien IFS gewartet und dann zusätzlich um eine zufällige Backoff-Zeit verzögert (Kollisionsvermeidung, in Vielfachen einer Slot-Zeit)Wird das Medium während der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt, bleibt der Backoff-Timer so lange stehen


802.11 - Stationen im Wettbewerb - einfache Version

busy

t

Station1

Station2

Station3

Station4

Station5

DIFSboe

boe

boe

busy

bor

bor

DIFS

boe

boe

boe bor

DIFS

busy

busy

DIFSboe busy

boe

boe

bor

bor

busy boeMedium belegt (frame, ack etc.) verstrichene backoff Zeit

borPaketankunft am MAC-SAP verbleibende backoff Zeit


802.11 - CSMA/CA-Verfahren II

Senden von Unicast-PaketenDaten können nach Abwarten von DIFS gesendet werdenEmpfänger antworten sofort (nach SIFS), falls das Paket korrekt empfangen wurde (CRC)Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt

SIFS

DIFS

Daten

Ack

tWartezeit

Daten

DIFS

Sender

Empfänger

weitereStationen

Wettbewerb


802.11 - DFWMAC

Senden von Unicast-PaketenRTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten von DIFS gesendet werden Bestätigung durch CTS nach SIFS durch EmpfängerSofortiges Senden der Daten möglich, Bestätigung wie gehabtAndere Stationen speichern die Belegungsdauer, die im RTS undCTS ausgesendet wurden

tWartezeit

weitereStationen

Empfänger

Sender

Wettbewerb

SIFS

DIFS

data

ACK

data

DIFS

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)


Fragmentierung

t

SIFS

DIFS

data

ACK1

frag1

DIFS

Wettbewerb

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)

NAV (frag1)NAV (ACK1)

SIFSACK2

frag2

SIFS

weitereStationen

Empfänger

Sender


DFWMAC-PCF I

PIFSpoint coordinator

drahtloseStationen

NAV derStationen

D1

U1

SIFS

NAV

SIFSD2

U2

SIFS

SIFS

Superrahment0

Medium belegt

t1


DFWMAC-PCF II

t

D3

NAV

PIFSD4

U4

SIFS

SIFSCFend

Wettbewerb

t2

wettbewerbsfreie Periode

t3 t4

point coordinator

drahtloseStationen

NAV derStationen


802.11 - Rahmenformat

TypenSteuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen

Sequenznummernwichtig für duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs

AdressenEmpfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch)

SonstigesSendedauer, Prüfsumme, Rahmensteuerung, Daten

FrameControl

Duration/ID

Address1

Address2

Address3

SequenceControl

Address4 Data CRC

2 2 6 6 6 62 40-2312bytes

Protocolversion Type Subtype To

DSMoreFrag Retry Power

MgmtMoreData WEP

4 12 2FromDS

1

Order

bits 1 1 1 1 1 1


MAC-Adressenformat

Paketart to DS fromDS

Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4

Ad-hoc Netzwerk 0 0 DA SA BSSID -InfrastrukturNetzwerk, von AP

0 1 DA BSSID SA -

InfrastrukturNetzwerk, zu AP

1 0 BSSID SA DA -

InfrastrukturNetzwerk, im DS

1 1 RA TA DA SA

DS: Distribution SystemAP: Access PointDA: Destination AddressSA: Source AddressBSSID: Basic Service Set IdentifierRA: Receiver AddressTA: Transmitter Address


Spezielle Rahmen: ACK, RTS, CTS

Acknowledgement

Request To Send

Clear To Send

FrameControl Duration Receiver

Address CRC

2 2 6 4bytes

ACK


AddressTransmitter

Address CRC

2 2 6 6 4bytes

RTS


Address CRC

2 2 6 4bytes

CTS


802.11 - MAC Management

SynchronisationFinden eines LANs, versuchen im LAN zu bleibenTimer etc.

Power ManagementSchlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassenperiodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung

Assoziation/ReassoziationEingliederung in ein LANRoaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zueinem anderenScanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz

MIB - Management Information BaseVerwalten, schreiben, lesen


Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“ (Infrastruktur)

Intervall des periodischen Funksignals (beacon): 20ms - 1s

t

busy

B

busy busy busy

B B BZugangs-punkt

Medium

B Beacon-PaketWert des Zeitstempels


Synchronisation mit einem „Leuchtfeuer“ (ad-hoc)

Beacon-Intervall

t

busy

B1

busy busy busy

B1

B2 B2

Station1

Station2

Medium

B beacon PaketWert des Zeitstempels zufällige Verzögerung


Steuerung der Leistungsaufnahme

Idee: Ausschalten der Sende/Empfangseinheit wenn nicht benötigtZustände einer Station: schlafend und wachTiming Synchronization Function (TSF)

Sicherstellung, dass alle Stationen zur gleichen Zeit aufwachenInfrastruktur

Traffic Indication Map (TIM)Liste von unicast-Empfängern, von AP ausgesendet

Delivery Traffic Indication Map (DTIM)Liste von broadcast/multicast-Empfängern, von AP ausgesendet

Ad-hocAd-hoc Traffic Indication Map (ATIM)

Bekanntmachung von Empfängern zwischengespeicherter Pakete durch die speichernden Stationenkomplexer, da kein zentraler APKollisionen von ATIMs möglich (Skalierbarkeit?)


Energiesparen mit Wachmustern (Infrastruktur)

TIM Intervall

t

busy

D

busy busy busy

T T D

DTIM Intervall

BB

Medium

Zugangs-punkt

T TIM D DTIM

B broadcast/multicast

Station p

d

d

wach

d Datenübertragungvon/zu der Station

p PS poll


Energiesparen mit Wachmustern (ad-hoc)

wach

A ATIM-Übertragung D Datenübertragungt

Station1B1 B1

ATIM-Fenster

B Beacon-Paket

Station2B2 B2

zufällige Verzögerung

A

a

D

d

Beacon-Intervall

a dBestätigung v. ATIM Bestätigung der Daten


802.11 - Roaming

Keine oder schlechte Verbindung? - Dann:Scanning

Abtasten der Umgebung (Medium nach „Leuchtfeuer“ von APs abhören oder Probe ins Medium senden und Antwort abwarten)

Reassociation RequestStation sendet Anfrage an AP(s)

Reassociation Responsebei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun teilbei Misserfolg weiterhin Scanning

AP akzeptiert Reassociation RequestAnzeigen der neuen Station an das Distribution SystemDistribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo)normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert


WLAN: IEEE 802.11b

VerbindungsaufbaudauerVerbindungslos, „always on“

DienstgüteTyp. Best effort, keine Garantien (solange kein „Polling“ eingesetzt wird, nur begrenzte Produktunterstützung)

VerwaltbarkeitBegrenzt (keine automatische Schlüsselverteilung, symmetrische Verschlüsselung)

Spezielle Vor-/NachteileVorteil: viele installierte Systeme, große Erfahrung, weltweite Verfügbarkeit, freies ISM-Band, viele Firmen, integriert in Laptops, einfaches SystemNachteil: starke Störungen auf dem ISM-Band, keine Dienstgüte, relativ niedrige Datenraten

Datenraten1, 2, 5,5, 11 Mbit/s, abhängig von SNR Nutzdatenrate max. ca. 6 Mbit/s

Kommunikationsbereich300m Außen-, 30m InnenbereichMax. Datenrate bis ~10m (in Gebäuden)

FrequenzbereichFreies 2.4 GHz ISM-Band

SicherheitBegrenzt, WEP unsicher, SSID

Kosten150€ Adapter, 250€ Zugangspunkt

VerfügbarkeitViele Produkte, viele Anbieter


IEEE 802.11b – PHY-Rahmenformate

Langes PLCP-PPDU-Format

Kurzes PLCP-PPDU-Format (optional)

Bits

synchronization SFD signal service HEC Nutzdaten

PLCP-Präambel PLCP-Kopf

128 16 8 8 16 variabellength

16

1, 2, 5.5 oder 11 Mbit/s192 µs bei 1 Mbit/s DBPSK

Bits

short synch. SFD signal service HEC Nutzdaten

PLCP-Präambel(1 Mbit/s, DBPSK)

PLCP-Kopf(2 Mbit/s, DQPSK)

56 16 8 8 16 variabellength

16

2, 5.5 oder 11 Mbit/s96 µs


Nicht überlappende Kanalwahl

Europa (ETSI)

Kanal 1 Kanal 7 Kanal 13

2400 2412 2442 2472 2483.5[MHz]22 MHz

US (FCC)/Canada (IC)

Kanal 1 Kanal 6 Kanal 11

2400 2412 2437 2462 2483.5[MHz]22 MHz


WLAN: IEEE 802.11a

Datenraten6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s, abhängig von SNR Nutzdatenrate(1500 byte Pakete): 5,3 (6), 18 (24), 24 (36), 32 (54) 6, 12, 24 Mbit/s verpflichtend

Kommunikationsbereich100m Außen-, 10m Innenbereich

E.g., 54 Mbit/s up to 5 m, 48 up to 12 m, 36 up to 25 m, 24 up to 30m, 18 up to 40 m, 12 up to 60 m

FrequenzbereichFree 5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz ISM-band

SicherheitBegrenzt, WEP unsicher, SSID

Kosten280€ Adapter, 500€ Zugangspunkt

VerfügbarkeitEinige Produkte, einige Firmen

VerbindungsaufbaudauerVerbindungslos, „always on“

DienstgüteTyp. Best effort, keine Garantien (wie alle anderen 802.11 Produkte)

VerwaltbarkeitBegrenzt (keine automatische Schlüsselverteilung, symmetrische Verschlüsselung)

Spezielle Vor-/NachteileVorteil: passt in das 802.x System, freies ISM-Band, verfügbar, einfach, nutzt das (noch) freiere 5 GHz BandNachteil: (noch) nicht in Europa zertifiziert, derzeit nur USA (Harmonisierung derzeit im Gange), stärkere Abschattung auf Grund der höheren Frequenz, keine Dienstgüte


IEEE 802.11a – PHY-Rahmenformat

4 1 12 1 6 16 variabel 6 variabel Bits

rate service Nutzdatenreserved length tailparity tail pad

PLCP-Kopf

PLCP Präambel Signal Daten

12 1 variabel Symbole

6 Mbit/s 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s


Nutzbare Kanäle für 802.11a / US U-NII

5150

Kanalnummer40 48 52 56 60 6436 44

5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 5350 [MHz]16,6 MHz

Mittenfrequenz = 5000 + 5*Kanalnummer [MHz]

149 153 157 161

5725

Kanalnummer

5745 5765 5785 5805 5825 [MHz]16,6 MHz


OFDM in IEEE 802.11a (und HiperLAN2)

OFDM mit 52 genutzten Unterträgern (64 insgesamt definiert)48 Daten + 4 Pilot(plus 12 virtuelle Unterträger)312,5 kHz Kanalabstand

1-26 -21 -7 7 21 26-1Mittenfrequenz der Kanäle

312,5 kHzPilot

UnterträgerNummer


WLAN: IEEE 802.11– weitere Entwicklungen (08/2002)

802.11d: Regulatory Domain Update - fertig gestellt802.11e: MAC Enhancements – QoS – in Arbeit

Erweiterung der aktuellen 802.11 MAC um Unterstützung für Anwendungen mit Dienstgüteanforderungen, Effizienzsteigerungen, neue Merkmale

802.11f: Inter-Access Point Protocol – in ArbeitStandardisierung eines Protokolls zum Datenaustausch zwischen den Zugangspunkten (über das Verteilungssystem hinweg)

802.11g: Datenraten > 20 Mbit/s bei 2,4 GHz; 54 Mbit/s, OFDM – in Arbeit802.11h: Spectrum Managed 802.11a – in Arbeit802.11i: Erweiterte Sicherheitsmechanismen – in Arbeit

Verbesserungen der 802.11 MAC um eine höhere Sicherheit zu gewährleisten Studiengruppen

5 GHz Globalisierung & Harmonisierung (ETSI/IEEE) - abgeschlossenRadio Ressourcenverwaltung – gestartetHöhere Datenraten - gestartet


ETSI - HIPERLAN

ETSI-Standardeuropäischer Standard, vgl. GSM, DECT, ...Ergänzung lokaler Netze und Ankopplung an Festnetzezeitkritische Dienste von Anfang an integriert

HIPERLAN-Familieein Standard kann nicht alle Anforderungen abdecken

Reichweite, Bandbreite, Dienstgüteunterstützungkommerzielle Rahmenbedingungen

HIPERLAN 1 1996 verabschiedet – keine Produkte!

Physical Layer

Channel AccessControl Layer

Medium Access Control Layer


Sicherungsschicht

HIPERLAN-Schichten OSI-Schichten

Höhere Schichten


Übersicht: ursprüngliche HIPERLAN-Familie

HIPERLAN 1 HIPERLAN 2 HIPERLAN 3 HIPERLAN 4Anwendung drahtloses LAN Zugang zu

ATM-Festnetzen

funkbasierteAnschlußnetze

Punkt-zu-Punktdrahtlose ATM-Verbindungen

Frequenz 5,1-5,3GHz 17,2-17,3GHzTopologie dezentral ad-

hoc/infrastrukturzellular, zentral Punkt-zu-

MehrpunktPunkt-zu-Punkt

Antenne omnidirektional direktionalReichweite 50m 50-100m 5000m 150mDienstgüte statistisch wie ATM-Festnetze (VBR, CBR, ABR, UBR)Mobilität <10m/s quasistationärSchnittstelle konventionelle

LANATM-Netze

Datenrate 23,5Mbit/s >20Mbit/s 155Mbit/sEnergiespar-maßnahmen

ja nicht zwingend

HIPERLAN 1 erreichte nie richtigen Produktstatus, die anderen Standards wurden umbenannt und modifiziert!


HIPERLAN 1 - Merkmale

DatenübertragungPunkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt, alle verbindungslos23,5MBit/s, 1W Sendeleistung, 2383 Byte Paketgröße

Dienste Asynchrone und zeitbegrenzte Dienste mit hierarchisch unabhängigen Prioritätenkompatibel mit ISO MAC

TopologieInfrastruktur- oder ad-hoc-NetzwerkReichweite kann über die eines mobilen Knotens hinausgehen („forwarding“ kann in Knoten integriert sein)

Sonstige MechanismenEnergiesparmodi, Verschlüsselung, Prüfsummenberechnung


HIPERLAN 1 - Physikalische Schicht

AufgabenModulation, Demodulation, Bit und RahmensynchronisationVorwärtsfehlerkorrekturmaßnahmenMessung der Signalstärke Erkennung der Belegung eines Kanals

KanäleStandard sieht 3 verpflichtende und 2 optionale Kanäle mit den zugehörigen Trägerfrequenzen vorverpflichtend

Kanal 0: 5,1764680GHzKanal 1: 5,1999974GHzKanal 2: 5,2235268GHz

optional (nicht in allen Ländern erlaubt)Kanal 3: 5,2470562GHzKanal 4: 5,2705856GHz


HIPERLAN 1 - PHY - Rahmencharakteristik

Aufrechterhaltung der hohen Datenrate von 23,5Mbit/s kostet viel Energie - fatal für portable Geräte

daher wird einem Paket ein Kopf niedriger Bitrate vorangestellt, der alle Informationen über den Empfänger der Nachricht beinhaltetnur betroffene Empfänger fahren mit dem Empfang fort

RahmenstrukturLBR (Low Bit-Rate) Kopf mit 1,4Mbit/s450bit Synchronisationmindestens 1, maximal 47 Datenblöcke zu 496bitfür Bewegungsgeschwindigkeiten über 1,4m/s muß die Maximalzahl von Datenblöcken verringert werden

ModulationGMSK für hohe Bitrate, FSK für LBR-Kopf

LBR Synch Daten0 Daten1 Datenm-1. . .

HBR


HIPERLAN 1 - CAC - Unterschicht

Channel Access Control (CAC)Sicherstellen, dass nicht auf unerlaubte Kanäle zugegriffen wirdPrioritätsschema, Zugriff mit EY-NPMA

Prioritäten5 Prioritätsstufen, realisieren DienstgüteDienstgüte wird in eine Prioritätsstufe mit Hilfe der Paketlebenszeit (durch Anwendung gesetzt) umgerechnet

Paketlebenszeit = Zeit innerhalb derer es Sinn macht, das Paket an einen Empfänger zu übertragenStandardwert 500ms, maximal 16000mskann das Paket aufgrund seiner aktuellen Priorität noch nicht gesendet werden, so wird die Wartezeit permanent von der Lebenszeit abgezogenbasierend auf Paketlebenszeit, Wartezeit im Sender und Anzahl der Zwischenstationen bis zum Empfänger wird eine der 5 Prioritäten zugewiesendamit steigt die Priorität wartender Pakete automatisch an


Prioritätsfindung

HIPERLAN 1 - EY-NPMA I

EY-NPMA (Elimination Yield Nonpreemptive Priority Multiple Access)3 Phasen: Prioritätsfindung, Wettbewerb, ÜbertragungFinden der höchsten Priorität

jede Priorität entspricht einem Sendezeitpunkt in der ersten Phase, die höchste Priorität hat den frühesten Zeitpunkt, die niedrigste den spätestenSendewünsche mit höherer Priorität können nicht verdrängt werdenliegt kein solcher Wunsch vor (nicht belegter Zeitschlitz für eine höhere Priorität), so kann die nächst niedrigere sendenam Ende der Phase ist die höchste aktuelle Priorität bestimmt

Wettbewerb ÜbertragungÜbertragung

Syn

chro

nisa

tion

Prio

rität

serk

ennu

ng

Prio

rität

ssic

heru

ng

t

Nut

zdat

en

Ausl

ösch

ung

Ausl

ösch

ungs

-üb

erpr

üfun

g

Yiel

d


HIPERLAN 1 - EY-NPMA II

Es können nun mehrere Sendewünsche gleicher Priorität vorliegenWettbewerbsphase

Elimination Burst: Wettbewerber senden einen Burst, um Konkurrenten zu eliminieren (11111010100010011100000110010110, hohe Rate)Elimination Survival Verification: Wettbewerber hören nun in den Kanal, ist dieser frei, so dürfen sie fortfahren, ansonsten wurden sie „eliminiert“Yield Listening: Wettbewerber hören nun mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in das Medium, ist dieses frei, so darf am Ende der Wettbewerbsphase gesendet werdenDer Trick besteht nun darin, Burstdauer und Hörwahrscheinlichkeit richtig einzustellen (slot-basiert, Exponentialverteilt)

DatenübertragungDer Sieger darf übertragen (sehr kleine Wahrscheinlichkeit der Kollision bleibt)War der Kanal längere Zeit ruhig (min. 1700bit-Dauern) kann sofort gesendet werden ohne EY-NPMA

Synchronisation anhand der letzten Datenübertragung


HIPERLAN 1 - DT-HCPDU/AK-HCPDU

1 0 1 0 1 0 1 00 1 HI HDA

HDA HDACSBLIR = n

1BL-

IRCS

LBR0 1 2 3 4 5 6 7 bit

HBR0 1 2 3 4 5 6 7

bit

TI BLI = nbyte

1PLI = m

HID23 - 6

DA 7 - 12SA 13 - 18UD 19 - (52n-m-4)

PAD (52n-m-3) - (52n-4)CS (52n-3) - 52n

1 0 1 0 1 0 1 00 1 HI AID

AID AIDCS

LBR0 1 2 3 4 5 6 7 bit

Daten HCPDU

Bestätigungs HCPDU

HI: HBR-part IndicatorHDA: Hashed Destination HCSAP AddressHDACS: HDA CheckSumBLIR: Block Length IndicatorBLIRCS: BLIR CheckSumTI: Type IndicatorBLI: Block Length IndicatorHID: HIPERLAN IDentifierDA: Destination AddressSA: Source AddressUD: User Data (1-2422 byte)PAD: PADdingCS: CheckSumAID: Acknowledgement IDentifierAIDS: AID CheckSum


HIPERLAN 1 - MAC-Schicht

Kompatibel mit ISO MACUnterstützt zeitbegrenzte Dienste über PrioritätsschemaPaketweiterleitung

Unterstützung von gezieltem (Punkt-zu-Punkt) oder Broadcast-Weiterleiten(falls keine Weginformationen vorhanden)Unterstützung von Dienstgüte bei der Weiterleitung

VerschlüsselungsmechanismenIntegrierte Mechanismen, nicht jedoch Schlüsselverwaltung

EnergiesparmechanismenMobile Endgeräte können „Wachmuster“ vereinbaren, d.h. Zeitpunkte, zu denen sie Pakete empfangen könnenZusätzlich müssen Knoten vorhanden sein, die Daten für schlafende Knoten aufbewahren und zum richtigen Zeitpunkt weiterleiten (sog. Stores)


HIPERLAN 1 - DT-HMPDU

LI: Length IndicatorTI: Type IndicatorRL: Residual LifetimePSN: Sequence NumberDA: Destination AddressSA: Source AddressADA: Alias Destination AddressASA: Alias Source AddressUP: User PriorityML: MSDU LifetimeKID: Key IdentifierIV: Initialization VectorUD: User Data, 1–2383 byteSC: Sanity Check (for the

unencrypted PDU)

n= 40–2422

0 1 2 3 4 5 6 7bit

LI = nbyte

1 - 2TI = 1

RL34 - 5

PSN 6 - 7DA 8 - 13SA 14 - 19

ADA 20 - 25ASA 26 - 31

UP MLML

KIDIV

IV

UDSC

32333435 - 3738 - (n-2)(n-1) - n

Daten HMPDU


Information Datenbasen in HIPERLAN-Knoten

Route Information Base (RIB) - wie kann ein Ziel erreicht werden?[destination, next hop, distance]

Neighbor Information Base (NIB) - Status der direkten Nachbarn[neighbor, status]

Hello Information Base (HIB) - Status des Ziels (über den nächsten Knoten)[destination, status, next hop]

Alias Information Base (AIB) - Adressen von Knoten außerhalb des Netzes[original MSAP address, alias MSAP address]

Source Multipoint Relay Information Base (SMRIB) - derzeitiger MP Status[local multipoint forwarder, multipoint relay set]

Topology Information Base (TIB) - derzeitige HIPERLAN-Topologie[destination, forwarder, sequence]

Duplicate Detection Information Base (DDIB) - Erkennung von Duplikaten[source, sequence]


Ad-hoc Netzwerke mit HIPERLAN 1

Nachbarschaft(d.h. in Funkreichweite)

HIPERLAN B

HIPERLAN A Information Bases (IB):RIB: RoutingNIB: NeighbourhoodHIB: HelloAIB: AliasSMRIB: Source Multipoint RelayTIB: TopologyDDIB: Duplicate Detection

RIBNIBHIBAIBSMRIBTIBDDIB



RIBNIBHIBAIBDDIB

RIBNIBHIBAIBDDIB

RIBNIBHIBAIBDDIB

12

345

6

Forwarder

Forwarder

Forwarder


HiperLAN2

Offizieller Name: BRAN HIPERLAN Type 2H/2, HIPERLAN/2 sind ebenso gebräuchlich

Höhere NutzerdatenratenEffizienter als 802.11a

VerbindungsorientiertQoS-UnterstützungDynamische FrequenzwahlUnterstützung von Sicherheit

Starke Verschlüsselung und AuthentifizierungMobilitätsunterstützungNetz- und anwendungsunabhängig

Konvergenzschichten für Ethernet, IEEE 1394, ATM, 3GEnergiesparmodi Plug and Play

www.hiperlan2.com


2

3

1

AP

HiperLAN2-Architektur und handover-Szenarien

APT APC Kern-netz

(Ethernet,Firewire,

ATM,UMTS)APT

APT

APC

AP

MT4

MT3

MT2

MT1


Zentralisierte im Vergleich mit direkter Betriebsart

MT1

AP/CCAP

MT2

Daten

Steuerung Steuerung

MT1 MT2Daten

Steuerung

Zentralisiert Direkt

MT1 MT2 +CCDaten

Steuerung


HiperLAN2-Protokollstapel

höhere Schichten

Konvergenzschicht

DLC - einfache Datenübertra-

gungsfunktionenBereich derHiperLAN2-Standards

DLC-SteuerungSAP

DLC-NutzerSAP

RLC- Unterschicht


FunkRessourcen Assoziation DLC

Verbindung

Fehler-überwachungFunksteuerung (RLC)

Medienzugriffssteuerung (MAC)


Referenzkonfiguration der Bitübertragungsschicht

Verwürfelung FECCodierung

Verschach-telung

Abbildung OFDM PHY bursts(PPDU)

PDU von DLC(PSDU)

Funk-übertragung


Betriebskanäle von HiperLAN2 in Europa

5150 [MHz]5180 53505200

36 44

16,6 MHz

Mittenfrequenz = 5000 + 5*Kanalnummer [MHz]

Kanalnummer40 48 52 56 60 64

5220 5240 5260 5280 5300 5320

5470[MHz]

5500 57255520

100 108

16,6 MHz

Kanal-nummer

104 112 116 120 124 128

5540 5560 5580 5600 5620 5640

132 136 140

5660 5680 5700


Basisstruktur von HiperLAN2 MAC-Rahmen

MAC-Rahmen MAC-Rahmen MAC-Rahmen MAC-Rahmen

2 ms 2 ms 2 ms 2 ms

Rundrufphase Downlink-Phase Uplink-Phase wahlfreierZugriff

. . .

TDD, 500 OFDMSymbolepro Rahmen

variabel variabel variabel

LCH-PDU-Typ Sequenz-nummer Nutzdaten CRC UDCH-Transfersyntax

(lange PDU)

54 byte

2 10 396 24 bit

LCH-PDU-Typ Nutzdaten CRC

2 406 24

LCH-Transfersyntax

bit


Gültige Konfigurationen von HiperLAN2-MAC-Rahmen

MAC frame MAC frame MAC frame MAC frame

2 ms 2 ms 2 ms 2 ms

BCH FCH ACH DL phase DiL phase UL phase RCHs

. . .

BCH FCH ACH DiL phase UL phase RCHs

BCH FCH ACH DL phase UL phase RCHs

BCH FCH ACH UL phase RCHs

BCH FCH ACH DL phase DiL phase RCHs

BCH FCH ACH DiL phase RCHs

BCH FCH ACH DL phase RCHs

BCH FCH ACH RCHs

GültigeKombinationenvon MAC-Rahmenfür Einzelsektoren-Zugangspunkte

Rundruf downlink uplinkwahlfreierZugriff


Abbildung von logischen und Transportkanälen

BCCH FCCH RFCH LCCH RBCH DCCH UDCH UBCH UMCH

BCH FCH ACH SCH LCH

downlink

UDCH DCCH LCCH ASCH

SCHLCH RCH

uplink

UDCH UBCH UMCH

LCH

DCCH RBCH

SCH

LCCH

direct link


WLAN: Home RF – weiterer Standard (Erfolg?)

Datenrate0,8, 1.6, 5, 10 Mbit/s

Übertragungsbereich300m Außenbereich, 30m in Gebäuden

Frequenzbereich2.4 GHz ISM

SicherheitStarke Verschlüsselung, kein offener Zugang

KostenAdapter 130€, Basisstation 230€

VerfügbarkeitDiverse Produkte von unterschiedlichen Herstellern, weitere Unterstützung unklar

Verbindungsaufbaudauer10 ms feste Obergrenze

DienstgüteBis zu 8 A/V-Datenströme, bis zu 8 Sprachdatenstöme, Prioritäten, best-effort

Verwaltbarkeitwie DECT & 802-LANs

Spezielle Vor-/NachteileVorteil: vielfältige Dienstgüteunterstützung, host/clientund peer/peer, Energiesparmodi, SicherheitNachteil: Zukunft sehr unklar wg. DECT-Geräten plus 802.11a/b für Daten


RF-Steuerungen – ISM-Bänder

Datenratetyp. bis zu 115 kbit/s (serielle Schnittstelle)

Übertragungsbereich5-100 m, je nach Sendeleistung (typ. 10-500 mW)

Frequenzentyp. 27 (EU, US), 315 (US), 418 (EU), 426 (Japan), 433 (EU), 868 (EU), 915 (US) MHz (je nach Regulierung)

Sicherheitbei einigen Produkten mit Zusatzprozessoren verfügbar

KostenBillig: 10€-50€

VerfügbarkeitViele Produkte, viele Hersteller

VerbindungsaufbaudauerN/A

Dienstgütekeine

Verwaltbarkeitsehr einfach, wie eine serielle Schnittstelle

Spezielle Vor-/NachteileVorteil: sehr billig, sehr große Betriebserfahrung, große Stückzahlen verfügbarNachteil: keine Dienstgüte, übervolle ISM-Bänder (speziell 27 und 433 MHz), typ. keine Medienzugriffssteuerung, 418 MHz erfährt z.B. Interferenzen mit TETRA


RFID – Radio Frequency Identification (1)

DatenratenÜbertragung der Kennung (z.B. 48 bit, 64kbit, 1 Mbit)9,6 – 115 kbit/s

ÜbertragungsbereichPassiv: bis zu 3 mAktiv: bis zu 30-100 msimultane Erkennung von bis zu, z.B. 256 tags, abtasten von z.B. 40 tags/s

Frequenzen125 kHz, 13,56 MHz, 433 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz und viele weitere

Sicherheitanwendungsabhängig, typischerweise keine Verschlüsselung auf dem RFID-Chip

Kostensehr billige tags, bis zu nur noch z.B. 1 € (passive tags)

Verfügbarkeitviele Produkte, viele Hersteller

Verbindungsaufbaudauerabhängig vom Produkt/Medienzugriffsschema (typ. 2 ms pro Gerät)

Dienstgütekeine

Verwaltbarkeitsehr einfach, wie eine serielle Schnittstelle

Spezielle Vor-/NachteileVoteil: sehr billig, große Erfahrung, große Stückzahlen verfügbar, keine Batterien für passive RFIDs benötigt, große Vielfalt an Produkten, hohe Relativgeschwindigkeiten möglich (z.B. bis zu 300 km/h), großer TemperaturbereichNachteil: keine Dienstgüte, einfache DoS-Attacken möglich, überfüllte ISM-Bänder, oft nur unidirektionale Datenübertragung (Aktivierung/ Übertragung der Kennung)



FunktionStandard: Als Antwort auf ein Funksignal von einem Lesegerät überträgt ein RFID-Tag seine KennungErweitert: Daten können auch zu einem Tag gesendet, unterschiedliche MAC-Verfahren können genutzt werden (Kollisionsvermeidung)

MerkmaleKeine Sichtverbindung notwendig (vgl. Laserscanner)RFID-Tags können auch sehr schwierige Umweltbedingungen aushalten (Sonnenlicht, Kälte, Frost, Schmutz etc.)Produkte verfügbar mit Schreib/Lese-Speicher, Smart-card-Fähigkeiten

KategorienPassive RFID: Energie kommt vom Lesegerät über Funkwellen, machbar bis zu einem Abstand von ca. 3 m, sehr niedriger Preis (1€)Aktive RFID: Batterie-gespeist, Distanzen von bis zu 100 m



AnwendungenSichtbarkeit aller Güter, Produkte, Paletten etc. während der Herstellung, des Transports, der Lagerung (total asset visibility)Kundenkarten: Bezahlung mit RFID-Tags an Tankstellen, in Kaufhäusern etc., Erstellung von KundenprofilenAutomatische Mauterfassung: RFIDs in der Windschutzscheibe ermöglichen ein zügiges Passieren von MautstellenWeitere: Zugangskontrolle, Tieridentifikation, Verfolgung gefährlicher Güter, Inventur, Lagerverwaltung, ...

Systeme zur OrtsbestimmungGPS nutzlos in Gebäuden oder unter der Erde, problematisch in Städten mit hohen GebäudenRFID-Tags übertragen Signale, Empfänger peilen den Sendeort mit Hilfe der Signallaufzeiten an



SicherheitDenial-of-Service-Attacken sind immer möglich

Störung der Funkübertragung, Abschirmung von Sendern/Empfängern ID-Vergabe während der Herstellung oder durch ProgrammierungSchlüsselaustausch durch z.B. RSA möglich, Verschlüselung z.B. durch AES

Weitere TrendsRTLS: Real-Time Locating System – große Anstrengungen im Gange, um z.B. Produkte in Lagern aufzufindenIntegration von RFID-Technologie in Herstellungsprozesse, Produktverteilung, LogistikketteErzeugung eines elektronischen Manifests auf Produkt oder Verpackungsebene (eingebettete, billige, passive RFID tags)3D-Nachverfolgung von Kindern oder Patientenüberwachung ...



Geräte und FirmenAXCESS Inc., www.axcessinc.comCheckpoint Systems Group, www.checkpointsystems.comGEMPLUS, www.gemplus.com/app/smart_trackingIntermec/Intellitag, www.intermec.comI-Ray Technologies, www.i-ray.comRF Code, www.rfcode.comTexas Instruments, www.ti-rfid.com/idWhereNet, www.wherenet.comWireless Mountain, www.wirelessmountain.comXCI, www.xci-inc.com



Beispielprodukt: Intermec RFID UHF OEM ReaderLesebereich bis zu 7mAntikollisionsalgorithmus erlaubt es, über 40 tags pro Sekunde zu lesen –unabhängig von der Anzahl an Tags, die im Erkennungsbereich sindUS: 915 MHz, Frequency HoppingLesen: 8 byte < 32 msSchreiben: 1 byte < 100ms

Beispielprodukt: Wireless Mountain SpiderProprietärer AntikollisionsalgorithmusErkennungsbereich 15 m in Gebäuden, 100 m mit Sichtlinie> 1 Milliarde unterschiedlicher CodesLeserate > 75 tags/sArbeitet bei 308 MHz



Relevante StandardsAmerican National Standards Institute

ANSI, www.ansi.org, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ANSIT6.htmlAutomatic Identification and Data Capture Techniques

JTC 1/SC 31, www.uc-council.com/sc31/home.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/sc31.htm

European Radiocommunications OfficeERO, www.ero.dk, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ERO.htm

European Telecommunications Standards InstituteETSI, www.etsi.org, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ETSI.htm

Identification Cards and related devicesJTC 1/SC 17, www.sc17.com, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/sc17.htm,

Identification and communicationISO TC 104 / SC 4, www.autoid.org/tc104_sc4_wg2.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/TC104.htm

Road Transport and Traffic TelematicsCEN TC 278, www.nni.nl, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/CENTC278.htm

Transport Information and Control SystemsISO/TC204, www.sae.org/technicalcommittees/gits.htm, www.aimglobal.org/standards/rfidstds/ISOTC204.htm



ISO-StandardsISO 15418

MH10.8.2 Data IdentifiersEAN.UCC Application Identifiers

ISO 15434 - Syntax for High Capacity ADC MediaISO 15962 - Transfer SyntaxISO 18000

Part 2, 125-135 kHzPart 3, 13,56 MHzPart 4, 2,45 GHzPart 5, 5,8 GHzPart 6, UHF (860-930 MHz, 433 MHz)

ISO 18047 - RFID Device Conformance Test MethodsISO 18046 - RF Tag and Interrogator Performance Test Methods


Bluetooth

IdeeUniverselles Funksystem für drahtlose Ad-hoc-VerbindungenVerknüpfung von Computer mit Peripherie, tragbaren Geräten, PDAs, Handys – im Wesentlichen ein leistungsfähigerer IrDA-ErsatzEingebettet in andere Geräte, Ziel: 5€/Gerät (2002: 50€/USB Bluetooth)Kleien Reichweite (10 m), niedrige Leistungsaufnahme, lizenzfrei im 2,45 GHz-ISM-BandSprach- und Datenübertragung, ca. 1 Mbit/s Bruttodatenrate

Eines der ersten Module (Ericsson).


Bluetooth

Geschichte1994: Ericsson (Mattison/Haartsen), “MC-link”-ProjektUmbenennung des Projekts: Bluetooth nach Harald “Blåtand” Gormsen[Sohn des Gorm], König von Dänemark im 10. Jahrhundert1998: Gründung der Bluetooth SIG, www.bluetooth.org1999: Errichtung eines Runsteins durch Ercisson/Lund ;-)2001: Erste Produkte für den Massenmarkt, Verabschiedung des Standards 1.1

Special Interest GroupGründungsmitglieder: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, ToshibaSpäter hinzugekommene Förderer: 3Com, Agere (früher: Lucent), Microsoft, Motorolaüber 2500 MitgliederGemeinsame Spezifikation und Zertifizierung von Produkten

(früher: )


Geschichte und HiTec…

1999:Ericsson mobile communications AB reste denna sten tillminne av Harald Blåtand, som fick gesitt namn åt en nyteknologi för trådlös, mobil kommunikation.


…und der echte Runstein

Standort: Jelling, Dänemark;Errichtet durch König Harald “Blåtand”in Erinnerung an seine Eltern.Der Stein hat drei Seiten – eine davonzeigt ein Bild von Christus.

So könnten die Originalfarbendes Steines ausgesehen haben.Inschrift:“auk tani karthi kristna” (und machte die Dänen zu Christen)

Inschrift:"Harald king executes these sepulchral monuments after Gorm, his father and Thyra, his mother. The Harald who won the whole of Denmark and Norway and turned the Danes to Christianity."

Übrigens: Blåtand weißt auf ein dunkleresAussehen hin (dunkle Haare) und hat nichts miteinem blauen Zahn zu tun!


Merkmale

2.4 GHz ISM Band, 79 (23) RF Kanäle, 1 MHz TrägerabstandKanal 0: 2402 MHz … Kanal 78: 2480 MHzG-FSK Modulation, 1-100 mW Sendeleistung

FHSS und TDDFrequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen/sSprungfolge pseudozufällig, vorgegeben durch einen MasterTime division duplex zur Richtungstrennung

Sprachverbindung – SCO (Synchronous Connection Oriented)FEC (forward error correction), keine Übertragungswiederholung, 64 kbit/s duplex, Punkt-zu-Punkt, leitungsvermittelt

Datenverbindung – ACL (Asynchronous ConnectionLess)Asynchron, schnelle Bestätigung, Punkt-zu-Mehrpunkt, bis zu 433,9 kbit/s symmetrisch oder 723,2/57,6 kbit/s asymmetrisch, paketvermittelt

TopologieÜberlappende Pikonetze (Sterne) bilden ein „Scatternet“ (Streunetz)


Pikonetze

Eine Ansammlung von Geräten welche spontan (ad-hoc) vernetzt wird

Ein Gerät wird zum Master, die anderen verhalten sich als Slaves während der Lebensdauer des Pikonetzes

Der Master bestimmt die Sprungfolge, die Slavesmüssen sich darauf synchronisieren

Jedes Pikonetz hat eine eindeutige Sprungfolge

Teilnahme an einem Pikonetz = Synchronisation auf die Sprungfolge

Jedes Pikonetz hat einen Master und gleichzeitig bis zu 7 Slaves (> 200 können „geparkt“ werden)

M=MasterS=Slave

P=ParkedSB=Standby

MS

P

SB

S

S

P

P

SB


Bildung eines Pikonetzes

Alle Geräte im Pikonetz springen synchronDer Master übergibt den Sklaven seine Uhrzeit und Gerätekennung

Sprungfolge: bestimmt durch die Gerätekennung (48 bit, weltweit eindeutig)Die Phase in der Sprungfolge wird durch die Uhrzeit bestimmt

AdressierungActive Member Address (AMA, 3 bit)Parked Member Address (PMA, 8 bit)

SBSB

SB

SB

SB

SB

SB

SB

SB

MS

P

SB

S

S

P

P

SB


Scatternet

Verbindung mehrerer räumlich naher Pikonetze durch gemeinsame Master- oder Slave-Geräte

Geräte können Slaves in einem Pikonetz sein, Master in einem anderenKommunikation zwischen Pikonetzen

Geräte, welche zwischen den Pikonetzen hin und her springen

M=MasterS=SlaveP=ParkedSB=Standby

MS

P

SB

S

S

P

P

SB

M

S

S

P

SB

Pikonets(jedes mit max. Kapazität von 720 kbit/s)


Bluetooth Protokolle

Radio

Baseband

Link Manager

Control

HostControllerInterface

Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)Audio

TCS BIN SDP

OBEX

vCal/vCard

IP

NW-Anw.

TCP/UDP

BNEP

RFCOMM (serial line interface)

AT modemcommands

Telefonie-AnwendungenAudio Verwaltung

AT: attention sequenceOBEX: object exchangeTCS BIN: telephony control protocol specification – binaryBNEP: Bluetooth network encapsulation protocol

SDP: service discovery protocolRFCOMM: radio frequency comm.

PPP


S

Frequenzwahl während der Übertragung

fk

625 µs

fk+1 fk+2 fk+3 fk+4

fk+3 fk+4fk

fk

fk+5

fk+5

fk+1 fk+6

fk+6

fk+6

MM M M

M

M M

M M

t

t

t

S S

S S

S


Basisband

Pikonetz/KanaldefinitionPHY-Pakete

ZugriffscodeKanal, Gerätezugriff, z.B., vom Master abgeleitet

Paketkopf1/3-FEC, Active Member-Adresse (1 master, 7 slaves), Verbindungstyp, Alternating Bit ARQ/SEQ, Prüfsumme

Zugriffscode Paketkopf Nutzlast68(72) 54 0-2745 Bits

AM-Adresse Typ Fluss ARQN SEQN HEC3 4 1 1 1 8 Bits

Präambel Sync. (trailer)

4 64 (4)


SCO-Nutzlasttypen

Nutzlast (30)

Audio (30)

Audio (10)

Audio (10)

HV3

HV2

HV1

DV

FEC (20)

Audio (20) FEC (10)

Kopf (1) Daten (0-9) 2/3 FEC CRC (2)

(bytes)


ACL-Nutzlasttypen

Nutzlast (0-343)

Kopf (1/2) Daten (0-339) CRC (2)

Kopf (1) Nutzlast (0-17) 2/3 FEC

Kopf (1) Nutzlast (0-27)


Kopf (2) Nutzlast (0-183)


Kopf (2) Nutzlast (0-339)DH5

DM5

DH3

DM3

DH1

DM1

Kopf (1) Nutzlast (0-29)AUX1

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

(Bytes)


Datenraten im Basisband

Nutzlast Nutzlast Symmetrisch AsymmetrischKopf Daten max. Rate max. Rate [kbit/s]

Typ [byte] [byte] FEC CRC [kbit/s] Forward Reverse

DM1 1 0-17 2/3 yes 108.8 108.8 108.8

DH1 1 0-27 no yes 172.8 172.8 172.8

DM3 2 0-121 2/3 yes 258.1 387.2 54.4

DH3 2 0-183 no yes 390.4 585.6 86.4

DM5 2 0-224 2/3 yes 286.7 477.8 36.3

DH5 2 0-339 no yes 433.9 723.2 57.6

AUX1 1 0-29 no no 185.6 185.6 185.6

HV1 na 10 1/3 no 64.0

HV2 na 20 2/3 no 64.0

HV3 na 30 no no 64.0

DV 1 D 10+(0-9) D 2/3 D yes D 64.0+57.6 D

ACL

1 Zeit-schlitz

3 Zeit-schlitze

5 Zeit-schlitze

SCO

Data Medium/High rate, High-quality Voice, Data and Voice


Baseband Verbindungstypen

Polling-basiert, TDD, paketorientierte Übertragung625µs Zeitschlitze, Leitstation (master) fragt Folgestationen (slaves) ab

SCO (Synchronous Connection Oriented) – SprachePeriodische Pakete, ein Zeitschlitz, 64 kbit/s vollduplex, Punkt-zu-Punkt

ACL (Asynchronous ConnectionLess) – DatenVariable Paketgröße (1,3,5 Zeitschlitze), asymmetrische Bandbreite, Punkt-zu-Mehrpunkt

MASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

f6f0

f1 f7

f12

f13 f19

f18

SCO SCO SCO SCOACL

f5 f21

f4 f20

ACLACLf8

f9

f17

f14

ACL


Robustheit

Langsames Frequenzspringen mit einem durch den Master bestimmtenSprungmuster

Schutz vor Störungen auf bestimmten FrequenzenTrennung von anderen Pikonetzen (FH-CDMA)

Übertragungswiederholungnur für ACL-Verbindungen, sehr schnell

Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction)SCO and ACL

MASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

A C C HF

G G

B D E

NAK ACK

Fehler in der Nutzlast(Nicht im Paketkopf!)


Basisband-Zustände eines Bluetooth-Geräts

standby

inquiry page

connectedAMA

transmitAMA

parkPMA

holdAMA

sniffAMA

unverbunden

Verbindungsaufbau

Aktiv

Stromsparmodi

Standby: Bereitschaft, inaktivInquire: Suche nach anderen GerätenPage: Verbindung zu einen best. GerätConnected: Teilnahme im Pikonetz

Trennung

Park: Freigabe AMA, Annahme PMA Sniff: periodisches Mithören, nicht jeder SchlitzHold: stop ACLs, SCO sind noch möglich, evtl.

Teilnahme in einem anderen Pikonetz


Beispiel: Stromaufnahme/CSR BlueCore2

Typische durchschnittliche Stromaufnahme (1)VDD=1,8V Temperatur = 20°CBetriebsmodiSCO Verbindung HV3 (1s Intervall Sniff-Modus) (Slave) 26,0 mASCO Verbindung HV3 (1s Intervall Sniff-Modus) (Master) 26,0 mASCO Verbindung HV1 (Slave) 53,0 mASCO Verbindung HV1 (Master) 53,0 mAACL Datentransfer 115,2kbit/s UART (Master) 15,5 mAACL Datentransfer 720kbit/s USB (Slave) 53,0 mAACL Datentransfer 720kbit/s USB (Master) 53,0 mAACL Verbindung, Sniff Mode 40ms Intervall, 38,4kbit/s UART 4,0 mAACL Verbindung, Sniff Mode 1.28s Intervall, 38,4kbit/s UART 0,5 mAParked Slave, 1,28s Aufwachintervall, 38,4kbps UART 0,6 mAStandby-Modus (Verbunden mit dem Rechner, keine RF-Aktivität) 47,0 µATiefschlafmodus (2) 20,0 µABemerkungen:(1) Stromaufnahme in der Summe von BC212015A und Flash-Speicher.(2) Stromaufnahme nur BC212015A.(Mehr unter: www.csr.com )


Beispiel: Bluetooth/USB-Adapter (2002: 50€)


WPAN: IEEE 802.15-1 – Bluetooth (1)

DatenratenSynchron, verbindungsorientiert: 64 kbit/sAsynchron, verbindungslos

433,9 kbit/s symmetrisch723,2 / 57,6 kbit/s asymmetrisch

ReichweitePOS (Personal Operating Space) bis zu 10 mSpezielle Sender bis zu 100 m

FrequenzFree 2.4 GHz ISM-band

SicherheitChallenge/response (SAFER+), Sprungfolge

Kosten50€ Adapter, fallen auf bis zu 5€

VerfügbarkeitBereits in einige Produkten integriert, viele Anbieter

VerbindungsaufbaudauerHängt von der Betriebsart abMax. 2,56s, im Mittel 0,64s

DienstgüteGarantien, ARQ/FEC

VerwaltbarkeitÖffentliche/private Schlüssel benötigt, Schlüsselverwaltung nicht spezifiziert, einfache Systemintegration

Vorteile/NachteileVorteile: bereits in Produkte integriert, weltweit verfügbar, freies ISM-Band, diverse Anbieter, einfaches System, einfache spontane Kommunikation, Punkt-zu-PunktNachteile: Interferenzen auf dem ISM-Band, eingeschränkte Reichweite, max. 8 Geräte pro Netz, hohe Verbindungsaufbauverzögerung


WPAN: IEEE 802.15 – Weiterentwicklungen 1

802.15-2: KoexistenzKoexistenz von drahtlosen persönlichen Netzen (802.15) und drahtlosen lokalen Netzen (802.11), Beschreibung der Störungen

802.15-3: Höhere DatenratenStandard für WPANs mit höheren Datenraten (20Mbit/s or mehr), aber immer noch billig und niedrige Leistungsaufnahme Datenraten: 11, 22, 33, 44, 55 Mbit/s Dienstgüte: isochrones Protokoll Ad hoc peer-to-peer Netze Sicherheit Batteriebetrieb muss möglich sein Billig, einfach, ... Speziell ausgerichtet, um den wachsenden Bedarf im Bereich der Bildübertragung, Multimedia-Datenübertragung im Konsumerbereich abzudecken


WPAN: IEEE 802.15 – Weiterentwicklungen 2

802.15-4: Niedrige Datenraten und sehr niedrige LeistungsaufnahmeLösung für niedrige Datenraten, Batterielebensdauern von Monaten bis zu Jahren, sehr geringe KomplexitätMögliche Anwendungen: Sensoren, interaktive Spielzeuge, Fernsteuerungen, Heimautomatisierung, ...Datenraten 2-250 kbit/s, Latenz bis hinunter zu 15 msMaster-Slave oder Peer-to-Peer BetriebBis zu 254 Geräten oder 64516 VerteilknotenUnterstützung für verzögerungskritische Geräte, z.B. JoysticksCSMA/CA Medienzugriff (datenzentriert) , mit/ohne ZeitschlitzeAutomatischer Netzaufbau durch einen KoordinatorDynamische GeräteadressierungHohe Übertragungszuverlässigkeit durch BestätigungenGezielte Leistungssteuerung um eine geringe Aufnahme sicher zu stellen16 Kanäle im 2,4-GHz-ISM-Band, 10 Kanäle im 915-MHz-US-ISM-Band und ein Kanal im europäischen 868-MHz-Band


Bluetooth könnte sich rüpelhaft in einem 802.11-Netz verhaltenweiß nichts um Sendepausen, IFS etc.

IEEE 802.15-2 greift diese Probleme aufVorschlag: Adaptive Frequency Hopping

Nicht kollaborativ, reine Koexistenz ohne ZusammenarbeitEchte Auswirkungen? Viele unterschiedliche Meinungen,

Veröffentlichungen, Tests, …Ergebnisse reichen von komplettem Zusammenbruch bis zu störungsfreiBluetooth (FHSS) ist robuster als 802.11b (DSSS)

802.11 vs.(?) 802.15/Bluetooth

t

f [MHz]

2402

2480 802.11b 3 Kanäle(getrennt durchInstallation)

ACK

DIF

S

DIF

S

SIF

S

1000 byte

SIF

S

DIF

S

500 byte ACK

DIF

S

500 byte

SIF

SAC

K

DIF

S

500 byte

DIF

S 100byte S

IFS

ACK

DIF

S 100byte S

IFS

ACK

DIF

S 100byte S

IFS

ACK

DIF

S 100byte S

IFS

ACK

DIF

S 100byte S

IFS

ACK

802.15 79 Kanäle(getrennt durchSprungfolge)


Mögliche Störungen auf dem ISM-Band

Es gibt viele StörquellenMikrowellenherde, Mikrowellenbeleuchtung802.11, 802.11b, 802.11g, 802.15, Home RFplus analoge TV-Übertragung, ÜberwachungLizenzfreie Stadtnetze…

Ebenen der StörungPhysikalische Schicht: Interferenzen sind wie Rauschen

Bandspreizverfahren versuchen die zu minimierenFEC/Verschachtelung tragen zur Korrektur bei

MAC-Schicht: Algorithmen sind nicht harmonisiertZ.B. kann Bluetooth 802.11 verwirren

OLD

© Fusion Lighting, Inc.

NEW


Mobilkommunikation

Die Zukunft mobiler und drahtloser Netze –ist dies 4G? Alles mit IP? Lizensiert?

Öffentlich? Privat?


Mobile und drahtlose Dienste – Always Best Connected

UMTS,DECT2 Mbit/s

UMTS, GSM384 kbit/s

LAN100 Mbit/s,WLAN54 Mbit/s

UMTS, GSM115 kbit/s

GSM 115 kbit/s,WLAN 11 Mbit/s

GSM 53 kbit/sBluetooth 500 kbit/s

GSM/EDGE 384 kbit/s,WLAN 780 kbit/s

LAN, WLAN780 kbit/s


Mobilfunksysteme: Übersicht über die Entwicklung

Mobiltelefone Satelliten drahtloseLAN

schnurloseTelefone

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)


Overlay Networks – das globale Ziel

Region

Stadtgebiet

Firmengelände

Auto,Haus,

persönlicher Bereich

vertikalerHandover

horizontalerHandover

Integration heterogener Fest- und Mobilnetzeintegration mit unterschiedlichenÜbertragungseigenschaften


DAB

HiperLAN2,802.11a/.11g

Drahtlose Zugangstechniken

Rel

ativ

e G

esch

win

digk

eit[

km/h

] 250

100

50

5

0

10 kbit/s 2 Mbit/s 20 Mbit/s 150 Mbit/s

DECT

UMTS

GS

M, T

ETR

A

Bandbreite

802.11b

Bluetooth

Punkt-zu-Mehrpunkt-Verteilsysteme

FDD

TDD

Physikalische/ökonomische Grenze

ED

GE


Merkmale zukünftiger Mobilfunknetze

Verbesserte Funktechniken und AntennenIntelligente Antennen, Strahlformung, MIMO- (multiple-input-multiple-output-) Antennen

Raummultiplex zur Kapazitätssteigerung, Nutzung von MehrwegeausbreitungSoftware-Radios (software defined radios, SDR)

Nutzung unterschiedlicher Funkschnittstellen, Herunterladen neuer Modulations/Codierungs/...-TechnikenBenötigt sehr hohe Rechenleistungen (UMTS RF: 10000 GIPS)

Dynamische FrequenzzuweisungSpektrum auf Anforderung steigert die Gesamkapazität

Konvergenz der KernnetzeIP-basiert, Dienstgüte, Mobile IP

Ad-hoc-TechnikenSpontane Kommunikation, Energieeinsparung, Redundanz

Einfache und offene DiensteplattformenIntelligenz am Netzrand, nicht im Netz (wie bei IN)Dadurch: mehr Diensteanbieter, nicht nur die Netzbetreiber


IP-basiertesKernnetz

SS7-Signalisierung

Internet

Beispielhaftes IP-basiertes 4G/Next G/… Netz

GSM

UMTS

öffentlichesWLAN

RNC

BSC

Firewall, GGSN,Gateway

Gateways

Server-Farm,Gateways, Proxys

PSTN, CS-Kern

MSC

SGSNRouter

Rundfunk

Zugangs-punkte privates

WLANprivatesWPAN


Mögliche Probleme

DienstgüteDas heutige Internet arbeitet nach dem Best-Effort-PrinzipIntegrated Services wurden nie richtig populär, schlechte SkalierungDifferentiated Services müssen sich erst noch hinsichtlich Skalierbarkeit und Verwaltbarkeit beweisenWo bleibt die Einfachheit des Internets? DoS-Angriffe auf QoS?

Internet-Protokolle sind sehr bekannt……auch bei Angreifern, Hackern, Einbrechern

Sicherheit durch Verbergen klappt nicht richtig, aber trotzdem bieten abgeschlossene Systeme einen höheren Grad an Sicherheit durch eine „Wissensschwelle“

Zuverlässigkeit, WartungEs ist immer noch eine offene Frage, ob Internet-Technik wirklich billiger ist, wenn eine sehr hohe Zuverlässigkeit gefordert ist (99.9999%) plus alle gewünschten Eigenschaften integriert sind

Fehlende GebührenmodelleAbrechnung basierend auf technischen Parametern (Volumen, Zeit) ist sinnlos Bezahlung pro Anwendung ist deutlich einsichtiger für Kunden

Killer-Anwendung? Es gibt keine einzelne Killer-Anwendung!Die Auswahl an Diensten und der nahtlose Zugang zu Diensten überunterschiedliche Netze bestimmen den Erfolg


Viel Spaß mit der Mobilkommunikation!

Das ist das Ende der Foliensammlung –obwohl es sicherlich noch viel mehr zur

Mobilkommunikation zu sagen gibt!

Vielen Dank, dass Sie soweit den Folien gefolgt sind, und viel Spaß beim Erforschen der

faszinierenden Welt der drahtlosen und mobilen Kommunikationssysteme!

Documents

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