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Angewandte Telematik Kapitel 3 (Fortsetzung)

Angewandte Telematik Kapitel 3 (Fortsetzung). Grundlagen der drahtlosen Kommunikation. Multiplexing bei UMTS . Nutzertrennung via Wideband Code Division Multiplexing Access (WCDMA) Starke Spreizung des Signals Wirksam auch bei geringer Sendeleistung Robust gegen schmalbandige Störimpulse

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Angewandte Telematik Kapitel 3 (Fortsetzung)

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Presentation Transcript

  1. Angewandte TelematikKapitel 3 (Fortsetzung) Grundlagen der drahtlosen Kommunikation

  2. Multiplexing bei UMTS • Nutzertrennung via Wideband Code Division Multiplexing Access (WCDMA) • Starke Spreizung des Signals • Wirksam auch bei geringer Sendeleistung • Robust gegen schmalbandige Störimpulse • Duplextrennung (Trennung von Up- und Downlink) über • Frequency Division Duplex (FDD) z.B. in Deutschland oder • Time Division Duplex (TDD) z.B. in Tschechien Angewandte Telematik

  3. 3.3.3 UMTS • Flächenabdeckung durch verschiedene Zelltypen • Geschwindigkeitsbeschränkungen wegen des Doppler-Effekts (bei Bewegungen Frequenzverschiebungen, die nur bis zu einem gewissen Maß toleriert werden können) Angewandte Telematik

  4. 3.3.4 Long Term Evolution (LTE) • Möglicher UMTS-Nachfolger, wird derzeit von der 3GPP, einem internationalen Konsortium aus Providern und Geräteherstellern, entwickelt und getestet • Spezifikation gilt bereits als „Reif“ und im „Bugfixing“ • Produktivbetrieb ist für 2010 angekündigt • LTE ist noch nicht die „4. Generation“ (all-IP), sondern eher „3.9“ • Für den „nächsten Nachfolger“ LTE-Advanced werden bereits Proposals gesammelt Angewandte Telematik

  5. LTE im Vergleich vgl. http://www.elektroniknet.de/home/kommunikation/fachwissen/uebersicht/drahtlose-kommunikation/baugruppen-systeme/lte-nachfolgegeneration-von-umts/druckversion/ Angewandte Telematik

  6. Technische Neuerungen von LTE • Duplextrennung via FDD und TDD im selben Netz möglich • Downlink Nutzertrennung via „Orthogonal Frequency Division Multiplexing“ (OFDM) • verwendet viele dichtgedrängte orthogonale Sub-Carrier zur Datenübertragung • diese Daten sind unterteilt in parallele Datenströme/Kannäle (einer pro Sub-Carrier) • Uplink Nutzertrennung via „Single Carrier-Frequency Division Multiple Access” (SC-FDMA) • linear prekodiertes OFDMA-Schema, das eine sehr gute konstante Übertragungsqualität erreicht • Lückenlose Einbindung in bestehende GSM, CDMA und WCDMA Netze • Mehrantennensysteme (MIMO - Multiple Input / Multiple Output) erhöhen die maximale Nutzerzahl innerhalb einer Funkzelle vgl. http://www.3gpp.org/ Angewandte Telematik

  7. Orthogonal Frequency Division Multiplexing • Sonderform des FDM • wandelt breitbandigen frequenzselektiven Kanal um in viele parallele schmalbandige Einzelkanäle • in vielen drahtlosen Standards im Einsatz: DAB, DVB-T, WiMAX IEEE 802.16, ADSL, WLAN IEEE 802.11 a/g, LTE UTRA • gemeinsam mit MIMO auch in WLANs genutzt

  8. Multiple Input Multiple Output (MIMO) • Raumaufteilung per SDMA (Space Division Multiple Access) • bündelt Übertragungskanäle • bisher wenig beachtet im Vergleich zu Frequenz-, Zeit- und Code-Multiplexing • nutzt zeitliche und räumliche Dimension (auch „Space-Time-Coding“) • erhöht Qualität und Datenrate einer drahtlosen Verbindung • Verwendung mehrerer Antennen auf Sender- und Empfangsseite – Mehrantennensystem • Multiple Input MI  ein Kanal, aber mehrere Sendeantennen • Multiple Output MO  mehrere Empfangsantennen

  9. Multiple Input Multiple Output (MIMO) • Hohe Performanz • Übertragen mehr Bit/s pro genutztem Hz Bandbreite • bessere spektrale Effizienz (Ausnutzung des Raumes) als bei omnidirektionalen Antennen • Volle MIMO-Unterstützung, wenn sowohl Sender als auch Empfänger MIMO beherrschen • Spielt eine Rolle in Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN) • die auf dem internationalen Wireless Interoperability for Microwave Access (WiMAX)-Standard und 4G-Netzwerken basieren

  10. Erwartungen der Provider an LTE(Stand 2007) Nach: Market Potential for 3G LTE, Analysys Research, http://www.umts-forum.org/component/option,com_docman/task,doc_download/gid,2126/Itemid,12/ Angewandte Telematik

  11. Erwartungen der Provider an LTE(Stand 2007) Nach: Market Potential for 3G LTE, Analysys Research, http://www.umts-forum.org/component/option,com_docman/task,doc_download/gid,2126/Itemid,12/ Angewandte Telematik

  12. Dienstkategorien von LTE Aus: Market Potential for 3G LTE, Analysys Research, http://www.umts-forum.org/component/option,com_docman/task,doc_download/gid,2126/Itemid,12/ Angewandte Telematik

  13. Dienstkategorien von LTE Angewandte Telematik

  14. Dienstkategorien von LTE Angewandte Telematik

  15. Dienstkategorien von LTE Angewandte Telematik

  16. Dienstkategorien von LTE Angewandte Telematik

  17. Realität 2009 • (Fast ?) alle vorgeschlagenen Dienste werden bereits im Internet angeboten. • Vieles davon kann mit aktuellen Geräten (Smart-Phones, Pocket PC, iPhone, etc.) und der gegenwärtigen Infrastruktur (UMTS / GPRS) mobil genutzt werden. • Gegenwärtiger Ansturm auf Marktanteile im Handel mit mobilen Applikationen und Musik • Gerätehersteller (z.B. iTunes-Store, Nokia Music Store) • Netzbetreiber (Music-, Games-, Fun-, etc. Abonnements von T-Mobile, Vodafone, E-Plus, O2) • Spartenanbieter (z.B. Jamba) • freie Alternativen (legal und weniger legal) Angewandte Telematik

  18. 3.4 Drahtlose lokale Netze • Nachteile drahtgebundener lokaler Netze • Verkabelung kostenintensiv (Material, Arbeit) • Verkabelung ex post schwierig und aufwendig, u.U. unmöglich (z.B. Denkmalschutz) • Reichweiten beschränkt (z.B. Gebäude) • Verkabelung oft unschön • Nachteile drahtloser lokaler Netze • Geringere Bandbreite, höher Fehlerrate • Abhörmöglichkeit • Hardware teuerer • Batterieversorgung für Endgeräte • Störung anderer Geräte durch Funksignale • Anwendungsszenarien • Büro • Messen • Katastropheneinsätze • Krankenhaus • Industrielle Produktion Angewandte Telematik

  19. 3.4.1 WLAN • Wireless LAN (WLAN) • Umgangssprachlich Sammelbegriff für alle lokalen drahtlosen Netze • Bezeichnet eigentlich die Standards IEEE 802.11, 802.11a - 802.11y Protokollarchitektur von IEEE 802.11: ISO Referenz-Architektur: Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung Angewandte Telematik

  20. 3.4.1 WLAN • „Drahtloses Ethernet“, da wie kabelgebundenerEthernet-Standard verwendbar • Mittlerweile weit verbreitet (lokale Netze, öffentliche „Hot Spots“) • Bitübertragung per Funk oder Infrarot • 2 Betriebsmodi (Infrastruktur, Ad-hoc) Angewandte Telematik

  21. Infrastruktur-Modus • Anbindung mobiler Rechner über Basisstationen (Access Points) • Zugang zu stationären Netzwerk über Access Points • Access Points sind i.d.R. Spezialgeräte • Versenden so genannter Beacon-Frames (dt: Leuchtfeuer) mit Verwaltungsinformationen zur Erleichterung des Verbindungsaufbaus • z.B. Netzwerkname („Service Set Identifier“, SSID) • lokale Zeit • Liste unterstützter Übertragungsraten • Art der Verschlüsselung Angewandte Telematik

  22. Ad-hoc-Modus • Verbindung mobiler Rechner untereinander • Keine Anbindung an ein stationäres Netz • Alle Stationen sind gleichberechtigt • ABER: Koordination aufwendiger, da kein ausgezeichneter Rechner für Verwaltung zuständig (detailliert in Kapitel 3.6 „Routing in Ad-hoc Netzen“) Angewandte Telematik

  23. 3.4.1 WLAN • Service Sets: wichtige Entität in IEEE 802.11 • Basic Service Sets (BSS): Verbund von zwei oder mehr Stationen • Independent Basic Service Set (IBSS): Verbund von zwei oder mehr Stationen im Ad-hoc Modus (ohne AP) • Extended Service Set (ESS): Verbund von mehreren BSS • Distribution System (DS): Verbund von Access Points verschiedener BSS Angewandte Telematik

  24. Timing Synchronization Function (TSF) • Synchrone Uhren sind zur Kollisionsvermeidung nützlich • Im Infrastrukturmodus durch den Access Point gewährleistet • Uhrensynchronisation im Ad-Hoc Modus: Angewandte Telematik

  25. Power-Management • Cleveres Aktivieren von Sende- und Empfangselektronik • Einsatz der Zustände sleep und awake • Empfangs-Hardware muss standby bleiben, weil auch ungeplant Pakete eintreffen können. • Genauer: • Begibt sich eine Station in den sleep-Modus werden die an sie gerichteten Pakete vom Sender zwischengespeichert • Periodisch Aufwachen der schlafenden Komponente • Abholen der zwischengespeicherten Pakete • Danach wieder schlafen • Kommunikation über Beacon-Frames • Aufwändig im Ad-hoc Modus! Angewandte Telematik

  26. Power-Management im Ad-hoc Modus • Jede Station speichert die Pakete für schlafende Stationen zwischen. • Wenn eine Beacon-Periode beginnt, müssen deshalb potenziell sehr viele Stationen ankündigen, dass zwischengespeicherte Pakete bereitliegen. • Insgesamt: Sehr hohes Paket-Aufkommen direkt nach Beginn einer Beacon-Periode! Angewandte Telematik

  27. Roaming • Reichweite eines WLAN-Access Points (APs): 30-50 m • Anforderungen: • Verfügbarkeit in Gebiet, das von mehreren APs bedient wird. Transparenz des bedienenden AP. • Bewegt sich die mobile Station, soll sie transparent für den Anwender von einem AP an den „nächsten“ übergeben werden. • Dieser Mechanismus wird Roaming genannt, auch wenn er im Grunde dem Handover in Mobilfunknetzen entspricht! Angewandte Telematik

  28. Roaming in 802.11 • Mobile Station erkennt, dass Sendeleistung eines AP zu niedrig ist • Suche nach neuem AP • Passiv (durch Mithören) • Aktiv (durch das Versenden spezieller Frames) • Suche nach neuem AP • Registrierung bei geeignetem AP und Quittierung • Neuer AP muss Zellenwechsel-Information im Netz bekannt geben. Insbesondere muss der alte AP erfahren, dass er nicht mehr zuständig ist. • Dieses Verfahren erfordert, dass die APs sich über das Distribution System (DS) verständigen können. • Das DS stellt mehreren WLANs Information übereinander zur Verfügung. • Der Einsatz eines DS klappt nur bei überschaubaren WLANs. • Für eine Stadt oder die ganze Erde ist kein globales WLAN denkbar. • Hier sind Lösungen auf höheren Protokollschichten nötig,zum Beispiel „Mobile IP“ Angewandte Telematik

  29. Mobile IP • Problematik: Mobiler Rechner bietet Dienste an  Verlust der Verbindung bei Zellenwechsel • Mögliche Lösung: Mobile IP [RFC2002, RFC2977] • Beständigkeit der IP-Adresse in anderen Netzwerken • Rechnertypen nach Mobile IP: • Mobiler Rechner (mobile host) • Kommunikationspartner (corresponding host) • Heimagent (home agent) • Fremdagent (foreign agent) • Mobile IP verwaltet 2 Adressen pro mobilem Rechner • Heimadresse • Care-of-Adresse • Foreign-Agent-Care-of-Adresse • Collocated-Care-of-Adresse Angewandte Telematik

  30. Mobile IP • 3 Teilschritte der Arbeitsweise: • Agent Discovery • Agent Advertisement, Broadcast-Nachricht • Agent Solicitations, Aufforderung zur Broadcast-Nachricht • Registrierung • Heimagent wird über aktuellen Standort informiert • Registration Request -> Registration Reply • Absicherung und eindeutige Identifikation über Message Digest • Deregistrierung nach Eintritt in das Heimnetz • Tunneling • Ziel: Beibehaltung der existierenden Routing Protokolle • Verlauf der Pakete: Kommunikationspartner -> [Heimagent] -> [Fremdagent] -> mobiler Rechner • Heimagent verpackt Originalpakete in weitere (Tunneling) • Versand von Paketen von mobilem Rechner an Kommunikationspartner direkt (ohne Umwege) Angewandte Telematik

  31. Registrierung einer Mobilen IP mit IPv4 Foreign Network 1. RegistrationRequest Mobile Node ForeignAgent 4. RegistrationReply Visitor List Home Agent 3. RegistrationReply 2. RegistrationRequest Mobility Binding Table Angewandte Telematik

  32. Routing mit Mobile IP mit IPv4 Foreign Network Mobile Node “De-Tunneling” ForeignAgent Visitor List Virtuelle Verbindung (aus Sicht der höheren Protokollebenen scheinbar direkte Kommunikation) Response “Tunneling” Home Agent Mobility Binding Table Correspondent Node Request siehe auch Rfc 3344 und Rfc 4721 Angewandte Telematik

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