Weitere drahtlose Zugangstechniken

4. Weitere drahtlose Zugangstechniken 

Wireless LAN 

Weitere drahtlose Zugangstechniken 

Viele Bezeichnungen für eine Technologie: 

WLAN 

Wireless LAN 

WiFi 

Funk LAN 

Funknetzwerk 

IEEE 802.11 

Mobilkommunikation 

Prof. Dr. Dieter Hogrefe 

Charakteristika: 

definiert einen Standard für drahtlose LANs 

Architektonisch Teil der 802-Reihe 

ddrahtlos htl 

Kompatibel zum Ethernet Standard 

Als Ersatz oder Zusatz für drahtgebundene g Netze ggeeignet g 



Wireless LAN 

4.3 


Derzeit aktive IEEE 802 Arbeitsgruppen 

drahtgebunden: 

802.3 (Ethernet) 

802.17 (Resilient Packet Ring) 

drahtlos: 

802.11: Wireless LAN 

(Local Area Networks) 

802.15: Wireless PAN 

(Personal Area Networks 

{inc. Bluetooth}) 

802.16: WirelessMANTM (Metropolitan Area Networks) 

802.20: Vehicular Mobility 

Mobile Broadband Wireless 

Access (MBWA) 

weitere … 




Einsatzfelder 

Anstelle eines drahtgebundenen LANs 

Erstinstallation 

Ersatz einer alten Installation 

Ergänzung eines drahtgebundenen LANs 

Einbindung von mobilen Geräten 

Bedingt durch bauliche Gegebenheiten 

In neuen Anwendungen 

Robotik 

Automobile 

... 



Wireless LAN 

4.2 

Wireless LAN 

4.4


Betriebsmodi von 802 802.11 11 

Es gibt zwei verschiedene Arten, ein Netz zu konfigurieren: 

Ad-Hoc Netz 

Infrastrukturnetz 

Im Ad-Hoc-Netz wird eine Station als Master ausgewählt 


Das Infrastrukturnetz besitzt feste Zugangspunkte, die untereinander 

zz.B. B via 802 802.3 3 vernetzt sind 

Handover ist möglich 

Es ergibt sich eine Zellenstruktur ähnlich wie bei GSM, geographisch 

stark t k begrenzt b t 




Netzwerk-Typen Netzwerk Typen (Betriebsmodi von 802 802.11) 11) 

Infrastruktur-Netzwerk 

Geeignet für: 

Gebäude-/Campusvernetzung 

Internetzugang (Hotspot) 

Hotspot-Finder: 

htt http://www.jiwire.com/ 

// ji i / 

http://www.hotspotslist.com/ 

Anbindung der Hotspots: 

Ethernet 802.3 

Mietleitung 

DSL 

802.16 (drahtlos) 



Wireless LAN 

4.5 

Wireless LAN 

4.7 


Netzwerk-Typen Netzwerk Typen (Betriebsmodi von 802 802.11) 11) 

Ad-hoc-Netzwerk 


Spontane Peer-to-Peer Gruppen 

Mobile Anwendungen 

Heimanwendungen 




802 802.11 11 Hotspots in Göttinger Innenstadt 

(s. http://www.jiwire.com/) 



Wireless LAN 

4.6 

Wireless LAN 

4.8


IEEE 802 802.11 11-Standards Standards und -Arbeitsgruppen 

Arbeitsgruppen 

Standard Beschreibung 

IEEE 802.11 

IEEE 802.11a 

WLAN bei Datenraten bis zu 2 Mbit/s im 22,4-GHz 4 GHz ISM (Industrial (Industrial, 

Scientific and Medical) Band 

WLAN bei Datenraten bis zu 54 Mbit/s im 5-GHz Unlicensed 

National Information Infrastructure (UNII) Band 

IEEE 802.11b 

Erweiterung von 802.11 bei Datenraten bis zu 11 Mbit/s im 2,4- 

GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) Band 

IEEE 802.11e 

MAC MAC-Erweiterung E it zu 802 802.11a 11 und d bb, um QQoS S und d verbessertes b t 

Power Management zu ermöglichen 

IEEE 802.11f Roaming mit APs verschiedener Hersteller 

IEEE 802.11g Erweiterung für hohe Datenraten 10-20 Mbit/s im 2,4 GHz Band 

IEEE 802.11h Dynamische Frequenzselektion für 802.11a (wg. EU-Regulierung) 

IEEE 802 802. 11i 

MAC-Erweiterung, MAC Erweiterung, um verbesserte Sicherheits- Sicherheits und 

Authentifikationsmechanismen zu ermöglichen 

IEEE 802. 11n High throughput task group, 540 Mbit/s mit MiMo-Technik 




IEEE 802 802.11 11-Standards Standards und -Arbeitsgruppen 

Arbeitsgruppen 

... außerdem in Arbeit: 

Standard Beschreibung 

IEEE 802.11j 

Eine Version von 802.11a für Japan, die im authorisierten 4,9- 

5GHz-Band läuft 

IEEE 802. 11k 

Managementfunktionen für WLANs, die u.a. „Location based 

services“ ermöglichen 

IEEE 802 802. 11m Wartung der bereits verabschiedeten 802 802.11Standards 

11Standards 

IEEE 802. 11p WLAN-Verbindung aus bewegten Fahrzeugen 

IEEE 802. 11r Schnelles Roaming, schnelles Handoff 

IEEE 802. 11s Automatische Verbindungen in vermaschten Netzen 

Wireless LAN 

„Turbo-Modus“: es werden benachbarte Kanäle gebündelt, dadurch 

max. 108 Mbi Mbit/s / (brutto), (b ) bbzw. bi bis 40 Mbi Mbit/s / ( (netto) ) 

Inoffiziell: 802.11b+ von Texas Instruments wird mit 22 Mbit/s beworben 

(real eher 6Mbit/s) 



4.9 

Wireless LAN 

4.11 


IEEE 802 802.11n 11n-Standard Standard 

MIMO (Multiple Input Output)-Geräte wie Belkins N1 Draft-N-Router 

überlagern mehrere Kanäle auf der selben Frequenz, indem sie mehrere 

Sender und Empfänger p g mit separaten p Antennen verwenden, um die 

minimalen Unterschiede bei den physischen Abständen zwischen Sendeund 

Empfangsantenne zum Auseinanderhalten der Signale zu nutzen. 




Charakteristika der wichtigsten WLAN-Spezifikationen 

WLAN Spezifikationen 

Wireless LAN 

802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 

Ei Einführung füh 1999 1999 2003 2008 (D (Draft f 70) 7.0) 

2010 Standard 

Frequenz 5 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 und 5 GHz 

Kanäle 8 parallele 3‐4 parallele 3‐4 parallele 3‐8 parallele 

Bruttodatenrate 54 Mbit/s 11 Mbit/s 54 Mbit/s 300 Mbit/s 

(pro Kanal) 

für 40MHz‐Kanal 

Nettodatenrate 

(pro Kanal) 

ca. 20 Mbit/s 4 bis 6 Mbit/s ca. 15 Mbit/s ca. 74 Mbit/s 

gemischter 

Betrieb 

kein 802.11b/g/n 802.11b/g/n 802.11b/g/n 

Reichweite ca. 20 bis 50m ca. 50 bis 

150m 

ca. 50 bis 150m ca. 70 bis 250m 

Geschwindigkeit ca. 10km/h ca. 10km/h ca. 10km/h ca. 10km/h 



4.10 

Wireless LAN 

4.12


Kompatibilität 

Wi-Fi (wireless fidelity) 

Begriff wurde von der Wi-Fi Allianz geschützt 

1999 gegründet 

Seit März 2000 Zertifizierung g der Interoperabilität p von 802.11 Produkten 

ca. 300 Mitglieder, ca. 4000 zertifizierte Produkte 

Bezog sich ursprünglich nur auf 802.11b Produkte, jetzt auch 802.11a, 

802.11g und seit kurzem 802.11n (Draft 2.0) 

Wi-Fi zertifizierte Produkte sind interoperabel, aber auch nicht 

zertifizierte Produkte sind in der Praxis interoperabel 




Reichweite 



Reichweitenmessung, Quelle: Atheros 

Wireless LAN 

4.13 

Wireless LAN 

4.15 


Reichweite 

Hängt stark von Umgebungsbedingungen ab 

Hängt von der tatsächlich benutzten Sendeleistung ab 

Lässt sich durch spezielle Antennen und Repeater erhöhen 

Ei Ein normales l Einfamilienhaus Ei f ili h kann k mit it handelsüblichen 

h d l übli h 

Produkten versorgt werden, wenn der AP günstig positioniert wird 

Je weiter die Distanz, , desto geringer g g die Übertragungsrate g g 

(adaptive Modulation) 




Reale Übertragungsraten 

802.11b: real bis ca. 6 Mbit/s 

802.11g: real bis ca. 15 MBit/s 

802.11a: real bis ca. 20 MBit/s 

802 802.11n: 11 real l bi bis ca. 200 MBit/ MBit/s 


Wireless LAN 

4.14 

Die nutzbare Übertragungsrate 

ist wegen redundanter Protokollinformation 

erheblich geringer als 

die physische Übertragungsrate! 

Internet-Applikationen Internet Applikationen (Web, FTP, Mail, ...) 

Sharing von Peripherie-Geräten (Drucker) 

Gelegentlicher Datei-Transfer 

SSpiele i l 

nur 802.11n ist geeignet für Multimediaanwendungen mit hoher 

Qualität 

Kein „switched“ Mode, Bandbreite ist immer „shared“ 



Wireless LAN 

4.16

MAAC 

PHY 


Verfügbare Frequenzbereiche und maximale 

Sendeleistung für IEEE 802.11b/g 



Region Frequenzband (GHz) Sendeleistung 

USA 2,412 – 2,462 1000 mW (EIRP) 

EEuropa 22,412 412 – 22,472 472 100 mW W (EIRP) 

Japan 2,412 – 2,484 100 mW (EIRP) 

EIRP (Equivalent Isotropic Radiation Power) 


Schichten und Funktionen 

Wireless LAN 

MAC 

MAC Management 

 

Zugriffsmechanismus, 

Fragmentierung, Verschlüsselung 

PLCP 

Clear Channel Assessment Signal 

(Carrier Sense) 

Synchronisierung, Roaming, 

MIB MIB, Power 

PHY Management 

Kanalwahl, MIB 

Station Station Management 

PMD 

Modulation, Codierung 

Koordination der Management- 

Funktionen 

LLC 

Logical Link Control 

MAC 

Medium Access Control 

PLCP 

Physical Layer 

Convergence Protocol 

PMD 

Physical Medium Dependent 




PHY Management 

4.17 

Wireless LAN 

4.19 


Verfügbare Frequenzbereiche nach IEEE 802 802.11a 11a 



Kanalaufteilung (Europa) 

Kanalaufteilung (U.S., U-NII Band) 


Physikalische Schicht 

Nutzt unlizensierte Frequenzbänder 

q 

für 802.11b/g: 2,400-2,4835 MHz (ISM Band) 

für 802.11a: 5,150-5,825 (U-NII Band) 

Di Direct t Sequence S Spread S d Spectrum S t (DSSS) 

QPSK, BPSK für 802.11b 

OFDM mit 64-QAM, , 16-QAM, , QPSK, , BPSK für 802.11a/gg 

ISM (Industrial (Industrial, Scientific Scientific, and Medical Band) 

U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure) 



Wireless LAN 

4.18 

Wireless LAN 

4.20


Physikalische Schicht (ISM Band) 

802.11b separiert p das ISM-Band in 11 überlappende pp Kanäle im 

Abstand von 5 MHz 

da nur ein Code benutzt wird, können nur 3 nichtüberlappende 

Kanäle gleichzeitig verwendet werden 

Barker code (+1, –1, +1, +1, –1, +1, +1, +1, –1, –1, –1) für die 

Frequenzspreizung 

DSSS macht 802.11b robust gegen Interferenzen, z.B. andere 

schmalbandige Signale im gleichen Frequenzbereich 




Physikalische Schicht (U-NII (U NII Band) 

8+4 überlappende Kanäle im Abstand von 20 MHz im U-NII Band 

(Unlicensed National Information Infrastructure, US-spezifisch) 

US spezifisch) 



Wireless LAN 

4.21 

Wireless LAN 

4.23 


Physikalische Schicht (ISM Band) 

11 überlappende Kanäle im Abstand von 5 MHz im ISM Band 

5 MHz 

24GH 2,4 GHz 22 MH MHz 

22,4835 4835 GH GHz 




Physikalische Schicht (U-NII (U NII Band) 

Jeder einzelne Kanal wird in 52 überlappende pp Unterkanäle 

aufgeteilt 

Es wird OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 

Wireless LAN 

genutzt genutzt, dadurch stören sich benachbarte überlappende Bänder 

nicht 

In den Unterbändern kann BPSK, QPSK, 16-QAM oder 64-QAM 

genutzt werden, je nach Signalqualität 

Bemerkung: 802.11g 802 11g nutzt für hohe Datenraten die gleiche 

Methode im ISM Band, für niedrige Datenraten ist 802.11g 

kompatibel mit 802.11b, bietet also die herkömmliche QPSK und 

BPSK Modulation M d l ti an 



4.22 

Wireless LAN 

4.24


Architektur des PHY PHY-Layer Layer 

verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten der physikalischen Schicht 

des IEEE 802.11 Standards 

IEEE 802.11 

FHSS 

1+2 Mbps 



IEEE 802.11 

DSSS 

1+2 Mbit/s 

IEEE 802 802.11 11 MAC LLayer 

IEEE 802.11 

IR 

1+2 Mbps 

IEEE 802.11a/g 

OFDM 

6+9+12 Mbps 

24+36+54 Mbit/s 

IEEE 802.11b 

DSSS 

1+2 Mbit/s 

5,5+11 Mbit/s 

in frühen 802.11 Systemen aktuelle 802.11 Systeme 


Paketformat 

Synchronisation 

synch synch., Leistungssteuerung, Leistungssteuerung Signaldetektion Signaldetektion, Frequenzanpassung 

SFD (Start Frame Delimiter) 

1111001110100000 

Signal 

Datenrate der Nutzlast 

SService i LLength th 

reserviert, 00: gemäß 802.11 Länge der Nutzdaten 

HEC (Header ( Error Check) ) 

Schutz der Felder signal, service und length, x 16 +x 12 +x 5 +1 

128 16 8 8 16 16 variabel Bits 

Synchronisation SFD Signal Dienst Länge HEC Nutzdaten 



PLCP PLCP-Präambel Präambel PLCP PLCP-Paketkopf Paketkopf 

Wireless LAN 

4.25 

Wireless LAN 

4.27 


IEEE-Standard IEEE Standard 802 802.11 11 

Mobiles Endgerät 

(M (Mobile bil terminal) i l) 

Anwendung 

TCP 

IP 

Server 

802.11 80 MAC C 802.11 80 MAC C 802.3 80 3 MAC C 

802.11 PHY 



802.11 PHY 


MAC-Schicht MAC Schicht – DFWMAC 

Verkehrsarten 

Asynchroner y Datendienst ( (standard) ) 

Austausch von Datenpaketen auf „best-effort“-Basis 

Unterstützung von Broadcast und Multicast 

Zeitbegrenzte Dienste (optional) 


Zugangspunkt (Access point) 

Festes Endgerät 

(Fixed terminal) 

Anwendung 

TCP 

IP 

802.3 80 3 MAC C 

802.3 PHY 802.3 PHY 

implementiert über PCF (Point Coordination Function) 

Wireless LAN 

Zugriffsarten (Distributed Foundation Wireless Medium Access Control) 

DFWMAC DFWMAC-DCF DCF CSMA/CA (standard) ( t d d) 

Kollisionsvermeidung durch zufälligen „backoff“-Mechanismus, CSMA/CA 

Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen 

Empfangsbestätigung durch ACK (nicht bei Broadcast) 

DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional) 

Vermeidung des Problems „versteckter“ Endgeräte 

DFWMAC-PCF (optional) 

Isochroner Datenverkehr (z.B. Video/Audio) unter Kontrolle des AP 

Stationen senden nur nach explizitem Polling durch die PCF des AP 

Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point Wireless LAN 



4.26 

4.28


CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 

CSMA-Protokolle sind weit verbreitet. 

CSMA/CD (Collision Detect) ist vom Ethernet bekannt. 

Bei CSMA hört eine sendewillige Station das Medium ab. Wenn es 

besetzt ist, wird das Senden auf später verschoben. Bei freiem 

MMedium di iist t SSenden d erlaubt. l bt 

Es können Kollisionen auftreten. Daher gibt g es z.B. bei Ethernet das 

CD-Verfahren 

Im drahtlosen Fall Carrier Sense Multiple Access Collision 

Avoidance 




CSMA/CA 

sendewillige Station hört das Medium ab (Carrier Sense 

basierend auf CCA CCA, Clear Channel Assessment) 

falls das Medium für die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) 

frei, wird gesendet (IFS je nach Sendeart gewählt) 

Wireless LAN 

andernfalls d f ll wählt ähl sie i eine i Zufallszahl Z f ll hl n (Backoff (B k ff F Factor) ) 

zwischen 0 und k, startet damit einen Backoff-Timer (n*Slotzeit) 

und „hört“ weiter ab 

in Perioden, wo das Medium frei ist, wird der Backoff-Timer 

dekrementiert, um jeweils eine Slotzeit 

wenn Backoff 0 ist kann gesendet g werden, falls vorheriger g Slot 

frei 

falls nicht, wird k exponentiell erhöht (z.B. verdoppelt) und das 

Verfahren wiederholt sich 

Verfahren wird auch Exponential Backoff genannt 



4.29 

Wireless LAN 

4.31 


CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) 

Im drahtlosen Fall ist CD nicht möglich, weil: 

gleichzeitiges Senden und Hören ist im drahtlosen Fall sehr aufwendig 

eine Station kann u.U. nicht alle Stationen hören (Reichweite) 

Um diese Probleme zu überwinden überwinden, wird in 802 802.11 11 der CA (Collision 

Avoidance) Mechanismus verwendet 

DIFS 



DIFS 

Wettbewerbsfenster 

(zufälliger Backoff- Backoff 

PIFS 

Mechanismus) 

Medium belegt 

SIFS 

nächster Rahmen 

Wartezeit 


CSMA/CA 

Zeitschlitz (Slot) 

Slotzeit so gewählt, dass eine Station immer bestimmen kann, ob 

das Medium am Beginn des vorigen Slots frei war. Dadurch wird 

Kollisionsgefahr vermindert. 

t 

Wireless LAN 

durch unterschiedlich lange IFS-Zeiten IFS Zeiten können verschiedene 

Prioritäten realisiert werden: 

DIFS (Distributed IFS): für sendewillige Station, die ein neues Paket 

senden will 

PIFS (Point Coordination IFS): für AP, um Zugang zum Medium vor 

allen anderen Stationen zu bekommen 

SIFS (Short IFS): separiert ÜÜbertragungen, 

die zum gleichen Dialog 

gehören (z.B. ACK) 

SIFS+Slot=PIFS und PIFS+Slot=DIFS 

802.11b: SIFS=10µs, Slot=20µs, DIFS=50µs 

802.11a: SIFS=16µs, Slot=9µs, DIFS=50µs 

802 802.11g: 11g: SIFS=10µs SIFS 10µs, Slot=9µs Slot 9µs, DIFS=28 DIFS 28 µs 

Wireless LAN 



4.30 

4.32


CSMA/CA 

Daten können nach Abwarten von DIFS gesendet werden 

Empfänger antworten sofort (nach SIFS), falls das Paket korrekt 

empfangen wurde (CRC) 

Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt 

Sender 

Empfänger 

weitere 

SStationen i 



DIFS 

Daten 

Wartezeit 


Hidden-Terminal-Problem 

Hidden Terminal Problem 

SIFS 

Station C ist vor A 

verborgen aber nicht vor B 

Ack 

DIFS 

Wettbewerb 

Daten 

A B C 

Falls A ein Datenpaket an B senden möchte, schickt A zunächst ein 

kurzes RTS (Request to send) Paket an B und erwartet im Gegenzug 

ein CTS (Clear to send) von B. RTS und CTS enthalten den Parameter 

NAV (Network Allocation Vector), die Dauer des Sendens des 

nachfolgenden Pakets, inkl. ACK. So wissen alle Stationen in 

Reichweite von A und B über die Belegung des Mediums bescheid. 



t 

Wireless LAN 

4.33 

Wireless LAN 

4.35 


Stationen im Wettbewerb - Beispiel 

Station 1 

Station 2 

Station 3 

Station 4 

Station 5 

DIFS DIFS 

DIFS 

DIFS 

bo e bor boe bor busy 



busy 

bo e 

r e r bo e busyy 

busy 

Paketankunft für das 

Senden am MAC MAC-SAP SAP 

bo e busy bo e bo r 

bo e bo r bo e busy bo e bo r 

Medium belegt (frame, ack etc.) 


Hidden-Terminal-Problem 

Hidden Terminal Problem 

bo e 

verstrichene backoff Zeit 

bo r verbleibende backoff Zeit 

RTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten 

von DIFS gesendet werden 

Bestätigung durch CTS nach SIFS durch Empfänger 

Sofortiges Senden der Daten möglich, Bestätigung wie gehabt 

Andere Stationen speichern die Belegungsdauer, die im RTS 

und CTS ausgesendet wurden 

Sender 

Empfänger 

weitere 

Stationen 



DIFS 

RTS 

SIFS 

CTS 

SIFS 

data 

NAV ( (RTS) S) 

NAV (CTS) 

Wartezeit 

SIFS 

ACK 

DIFS 

Wettbewerb 

t 

Wireless LAN 

data 

4.34 

Wireless LAN 

t 

4.36


Point Coordination Function (PCF) 

Neben der Distributed Coordination Function (DCF) ist auch eine 

optionale PCF vorhanden 

Hier hat ein Koordinator die Kontrolle über die Vergabe des Kanals, 

ii.d.R. d R ist das der Access Point (AP) 

Speziell für zeitkritische Anwendungen wie Video und Audio 

PCF nutzt die höhere Priorität, die dem Access Point durch das 

kleinere IFS-Format (PIFS) zukommen kann 

Mit der höheren Priorität kontrolliert AP das Medium und fordert 

gezielt die Stationen zum Senden auf auf, kann also MM-Datenströme 

MM Datenströme 

priorisieren 

Reguläre Stationen können dennoch teilnehmen, weil AP hin und 

wieder i d DIFS einfügt i fü t 




MAC Rahmenformat 

Retry 

wiederholte Versendung des Frames 

Power Management 

Station im Powersaving Modus 

WEP 

Daten verschlüsselt 

Order 

Richtige Reihenfolge 

Duration 

Übertragungsdauer 

Sequence Control 

Information über Fragmentierung 

FCS 

32 Bit CRC-Code über gesamten g Frame 



Wireless LAN 

4.37 

Wireless LAN 

4.39 


MAC Rahmenformat 

2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 Bytes 

Frame 

Control 

Duration Address Address Address Sequence Address 

ID 1 2 3 Control 4 

Data CRC 

Protocol 

Version 

From More Power More 

Type Retry Order 

DS Frag Mng. Data WEP 

To 

Sub Type 

DS 

g g 

2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Bit 

Typ + Subtyp 

 

Spezifikation des MAC-Frames (Management Frame, Control Frame, 

Data-Frame 

To DS / From DS 

Frame zum/vom Distribution System (DS) 

More Frag 

teilt mit mit, ob der Frame geteilt wurde und noch weitere Fragmente folgen 





Synchronisation 

Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben 

Timer etc. 

Wireless LAN 

Power Management 

Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen 

periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung 

Assoziation/Reassoziation 

Eingliederung in ein LAN 

Roaming Roaming, dd.h. h Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu 

einem anderen 

Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz 

MIB - MManagement Information I f i Base B 

Verwalten, schreiben, lesen 



4.38 

Wireless LAN 

4.40


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 Request 

Station sendet Anfrage an AP(s) 

Reassociation Response 

bei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun Teil 

bei Misserfolg weiterhin Scanning 

AP akzeptiert Reassociation Request 

Anzeigen der neuen Station an das Distribution System 

Distribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo) 

normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert 




Sicherheit 

Standard 

WEP 

WPA (Wi-Fi Protected Access) 

„Hidden Hidden“ SSIDs 

Zugangskontrolle auf Basis der MAC-Adressen 

Zusätzlich 

IEEE 802.1x 

VPN 

Zugangskontrolle g g auf Benutzerebene 

Verwendung von EAP und RADIUS 

PPTP PPTP, IPSec 

Auf Applikationsschicht 

SSL 



Wireless LAN 

4.41 

Wireless LAN 

4.43 


WLAN - Roaming 




WiMAX: drahtloser Breitbandzugang 

zwischen LAN und WAN 

(W (Worldwide ld id IInteroperability t bilit ffor Mi Microwave A Access) ) 



IEEE 802.16 

WiMAX 

IEEE 802.11 

WiFi 

WAN 3GPP, EDGE 

(GSM) 

MAN 

LAN 

PAN 

IEEE 802.15 

Bluetooth 

Wireless LAN 

4.42 

4.44


Versionen von WiMAX 

802.16-2004 WIMAX: für nicht-mobilen Einsatz, drahtlose 

Anbindung von Endgeräten 

802.16e-2005 802.16e 2005 WIMAX: mobile Version, zur drahtlosen Anbindung 

mobiler Endgeräte, Handover-Funktionen, etc. 

Lizensierte Frequenzen (z.B. 3,5 und 10,5 GHz) 

Unlizensierte Frequenzen (z.B. 2,4 und 5,7 und 59-64 GHz) 

Interoperabilitätsdokumente 

802 802.16m-2009 16m-2009 ist abwärtskompatibel zu 802 802.16e, 16e bietet aber sehr 

viel höhere Geschwindigkeiten, bis 1Gbit/s 

Mehrantennentechnik MIMO (Multiple Input Multiple Output) 

flexible Kanalbreiten: 5, 7, 8,75, 10 und 20 MHz 




Szenarium für 802.16-2004 WIMAX 

OUTDOOR 

CPE 



802 802.11 11 

INDOOR 

CPE 

z.B. B DSL DSL-Ersatz E t 

Line of Sight 

Point to 

Multi-point p 

Non Line 

of Sight 

Point to 

Multi-point 

INTERNET 

BACKBONE 

4.45 

4.47 


Arten des drahtlosen Netz-Zugangs 

fest: das Gerät des Benutzers ist geographisch fest (monate- oder jahre-lang), wird 

aber drahtlos an eine Infrastruktur angebunden, z.B. PC 

nomadisch: das Geräte ist auf einen Zeitraum (stundenweise) bezogen stationär, 

kein Handover Handover, ggf ggf. sucht sich das Gerät von Zeit zu Zeit stets die „beste beste“ 

Verbindung, z.B. Notebook 

portabel: das Gerät hält eine Datenverbindung mit einem Netz aufrecht, während 

sich der Benutzer im Schritttempo bewegt, eingeschränkte Handover-Funktionalität 

Handover Funktionalität 

(ggf. mit kurzen Unterbrüchen) während des Wechsels von eine Zelle in die andere, 

z.B. Notebook, PDA, kein Telefon 

einfach mobil: das Gerät hält eine Datenverbindung für „non-realtime“ 

Anwendungen (z.B. nicht Telefon) aufrecht, während sich der Benutzer mit 

Fahrzeuggeschwindigkeit bewegt (Auto, Bahn, …), Handover-Funktionalität und 

Service-Kontinuität für alle „non-realtime“ Anwendungen, 

zz.B. B PDA oder Notebook 

voll mobil: das Gerät hält eine Verbindung während Fahrzeuggeschwindigkeit für 

alle Anwendungen, insbes. auch für Telefon, unterbrechungsfreie Handover- 

Funktionalität wird garantiert g 




Szenarium für 802.16e-2005 WIMAX 

Schrittgeschwindigkeit 



802.16 

PC Card 

Fahrzeuggeschwindigkeit 

LOS/NLOS 

INTERNET 

BACKBONE 

4.46 

4.48


Internet-Zugang mit WIMAX 802.16-2004 und 802.16e-2005 




WiMAX Forum 

WiMAX Forum koordiniert Interoperabilität, ähnlich wie Wi-Fi für 802.11 

PProprietäre i tä SSysteme t sind i d allerdings ll di seit it lä längerer ZZeit it verfügbar fü b 

Beginn WiMax Certification Testing war im Juli 2005 

Dazu finden regelmäßig sog. „PlugFest“ „PlugFest Events statt, in denen 

vorgegebene Szenarien durchprobiert werden und die Hersteller ihre 

Interoperabilität untereinander Konformität zu dem Standard verifizieren 

können 

siehe z.B. 

http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/2nd_Mobile_WiMAX_PlugFest_White_Paper.pdf 



4.49 

Wireless MAN 

4.51 


WIMAX 802.16-2004 und 802.16e-2005, Historie 




Mobile WiMAX Handy 802 802.16e 16e 



4.50 

Wireless MAN 

4.52


Mobile WiMAX 

Notebook 802.16e 




802 802.20 20 Mobile Broadband Wireless Access Access, MBWA 

Luftschnittstelle optimiert für IP-basierte mobile Dienste 

Für lizensierte Frequenzbänder unterhalb 3,5 GHz 

Wireless MAN 

Datenraten über 1Mb/s pro mobilen Benutzer bei Geschwindigkeiten 

bis 250 km/h 

Zellradius ca. 15km 

Unterstützung g von Realzeit-Datenverkehr mit weniger g als 20 ms 

Verzögerung (Latenz) 

basiert auf OFDM 

VVergleich l i h mit it 802 802.16e-2005 16 2005 

802.16e-2005 bedient Benutzer, der mit Laptop herumläuft 

802.20 bedient Benutzer, der sich mit höherer Geschwindigkeit g bewegt g 

technische Details noch offen 



MBWA 

4.53 

4.55 


WMAN – adaptive Modulierung 




Bluetooth – Wireless Personal Area Network (WPAN) 

IEEE Standard 802.15.1 (WPAN) seit März 2002 

Wireless MAN 

Bluetooth ist eine Technologie zur kabellosen Verbindung 

elektronischer Geräte, z.B. Notebook, Handy, Drucker, Kamera, PC, 

PDA, Headset, ... 

bis zu 8 Geräte können gleichzeitig aktiv sein, insgesamt können bis 

zu 256 Geräte im Umkreis von 10-100 Metern bedient werden 

unlizenziertes 2,4 GHz-Band GHz Band 

gesicherte Verbindungen zwischen Geräten 

Einbinden in Netzwerke, Aufbau von ad-hoc Netzen 

KKabelersatz b l t 

Preisgünstig (Ein-Chip Lösung), Low-Power Transceiver Chip 

Benutzung g existierender Protokolle ( (z.B. IrOBEX, , IrMC, , vCard, , vCal, , 

PPP, TCP/IP, WAP) 

Standardisiertes Kommando-Interface (HCI) 



4.54 

Bluetooth 

4.56


Bluetooth – Wireless Personal Area Network (WPAN) 

Woher kommt der Name Bluetooth? 

König Harald "Blatand" Gormsson 

... dt. Harald Blauzahn, engl. Harald Bluetooth geboren 910 als Sohn von Gorm dem 

"Alten", , König g von Norwegen g und seiner Gemahlin Thyra y "Danebod" Klacksdottir, , einer 

englischen Adeligen. Zu dieser Zeit wurde das Land dezentral von den diversen 

Stammeshäuptlingen regiert. 

HHarald ld erbte bt ddas Kö Königreich i i h seines i VVaters t ( (um JJelling, lli Jütl Jütland) d) und d vereinte i t 983 ddas 

Gebiet des heutigen Dänemark und Norwegen. Unter der Regentschaft Haralds 

etablierte sich das Christentum im Land. Er starb 986 in einem Kampf gegen seinen 

Sohn, , Svend Forkbeard, , König g von Dänemark und seit 970 von Norwegen. g 

Mit dieser Namensgebung verbindet sich die hoffnungsvolle Idee, dass Bluetooth eines 

Tages die Welt der mobilen Geräte vereint und miteinander kommunizieren lässt. 




Bluetooth Standard 

Core Dokument mit design specifications für Radio & Baseband, link manager, 

service discovery protocol, transport layer, interoperability mit anderen 

Protokollen, ... 

Profile Dokument spezifiziert Profile für verschiedene Anwendungen 

WWorking ki Groups G fü für neue Profile P fil (z.B. ( B automotive), t ti ) Coexistence C i t (mit ( it 

802.11), IEEE 802.15, BluetoothSIG für Marketing 

Qualifikation um Interoperabilität sicherzustellen 

BT Qualification Test Facility (BQTF) 

mit Zertifizierung durch BT Qualification Body (BQB), dann erst darf offizielles BT 

Zeichen aufgedruckt werden 



Bluetooth 

4.57 

Bluetooth 

4.59 


Bluetooth - Geschichte 

1994 startete ERICSSON eine Studie mit dem Ziel ein low-power, low-cost Radio 

Interfaces zwischen Mobiltelefonen und dem Zubehör ohne Kabeln zu entwickeln 

bald war offensichtlich, dass das Segment der Short Range Devices ein äußerst 

großes und viel versprechendes ist 

im Mai 1998 gründeten ERICSSON, IBM, NOKIA, INTEL und TOSHIBA die 

Bluetooth Special Interest Group (SIG) mit dem Ziel der Entwicklung eines 

weltweiten Standards ohne Lizenzgebühren für Hersteller 

July 1999 wurde der Bluetooth 1.0 Standard veröffentlicht 

(öffentliche Spezifikation (> 1500 Seiten) ) 

zusammen mit der Kern SIG bilden 3COM, LUCENT, MICROSOFT und MOTOROLA 

die Bluetooth Promoter Group 

Standard 1.1 wurde im April 2001 veröffentlicht 

Standard 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) wurde im Nov 2004 veröffentlicht 

bis 3 MBit/s 

Standard 3.0, bis 24Mb/s, verabschiedet am 21.4.2009 




Bluetooth Special Interest Group (BluetoothSIG) 

Mitglieder / Struktur 

Feb Feb. 1998: 5 Mitglieder (Ericsson, (Ericsson 

Intel, IBM, Toshiba, Nokia) 

Dez. 1999: Microsoft, Lucent, 3com, 

Motorola kommen hinzu 

2000: 1790 Mitglieder in der SIG 

2002: über 2000 Mitglieder 





Aufgaben 

Entwicklung eines einheitlichen 

Systems zur Funkverbindung 

Bildung eines breiten 

Produktspektrums 

Festlegung des Protocol Stacks 

Festlegung der Anwendungsprofile 

Zertifizierung von Geräten 

(Certification) 

VVergabe b ddes Bl Bluetooth t th LLogos 

Entwicklung von Prüfverfahren 

Veranstaltung von Entwicklertreffen 

Marketing 

nationale / systemspezifische 

Verordnungen (Funk, Flug) 

Recht 

Bluetooth 

4.58 

Bluetooth 

4.60


Anwendungsmöglichkeiten 

Persönliche ad-hoc Netze 

Universeller Sprach-/Datenzugangspunkt 

Kabelersatz 




Luftschnittstelle 

LLandline dli 

Bluetooth nutzt das 22.4 4 GHz Band (ISM) 

79 Trägerfrequenzen im Abstand von 1 MHz mit TDD (time-division 

duplex) 

wird durch Frequency Hoping (FH-CDMA) „gespreizt“ 

bei jedem Paket wird gehüpft (Pakete sind 1, 3 oder 5 Slots breit) 

ein Rahmen besteht aus 2 Paketen: ein Transmit gefolgt von einem 

Receive (TDD) 

Übertragungsrate: 1 Mb/s (Bluetooth v1.1) 

Übertragungsrate: 3 Mb/s (Bluetooth v2.0) 



Bluetooth 

4.61 

Bluetooth 

4.63 


Netztopologie 

M 

S 

S 

sb P 

M = Master (max. 7 aktive Verbindungen) 

S = Slave (aktive ( Verbindung g zu Master) ) 

Sb = Standby (Gerät ist eingeschaltet aber im Piconet nicht bekannt) 

P = Park (Gerät ist im Piconet bekannt, aber befindet sich im Low- 

Power Zustand) 

bis 256 Geräte im Piconet (ohne Sb) 




Frequency Hopping (FH-CDMA) 

(FH CDMA) 

Trägerfrequenz des übertragenen Informationssignals ist nicht konstant, 

sondern ändert sich periodisch 

In einem Zeitintervall (Slot) bleibt die Trägerfrequenz gleich. Danach „hüpft“ 

(hops) die Frequenz in einen anderen Bereich 

Hüpfmuster wird durch Code bestimmt 

… 

2403-2404 

2402-2403 



Frequenz 

T 

S 

sb 

Frequency Hopping CDMA 

Zeit 

P 

S 

M 

Bluetooth 

4.62 

Bluetooth 

4.64


Vergleich mit DS CDMA 

DS-System verteilt zum gleichen Zeitpunkt die Sendeenergie über 

das gesamte Frequenzband 





(FH CDMA) 

Ferner wird zwischen 

Slow Frequency Hopping und 

Fast Frequency Hopping unterschieden 

Bei SS-FH FH (Slow FH) wird für jedes Datenpaket (mehrere Bits) eine 

Frequenz benutzt 

Bei F-FH (Fast FH) wird ein Bit auf mehrere Frequenzen verteilt 



Bluetooth 

4.65 

Bluetooth 

4.67 



(FH CDMA) 

Zum Vergleich: 

Frequency Hopping hat viele Vorteile gegenüber einer festen 

Zuteilung von Frequenzbändern: 

Nachteile: 

kein Verwaltungsaufwand g ( (Verwaltung g wäre ohnehin nicht möglich, g weil 

Bluetooth-Systeme autonom sind) 

gleichmäßige Verbindungsqualität in der gesamten Zelle 

bei vielen Bluetooth-Systemen auf engem Raum Effizienzverlust 

durch Kollisionen möglich 

Es gibt die unterschiedlichsten Hüpf Hüpf-Algorithmen, Algorithmen zz.B.: B : 

zyklisches Hüpfen 

pseudo-zufälliges Hüpfen 





(FH CDMA) 



Bluetooth 

4.66 

Bluetooth 

4.68



(FH CDMA) 

Je mehr Frequenzbänder es gibt, desto geringer wird die 

WWahrscheinlichkeit h h i li hk it einer i KKollision, lli i wenn mehrere h GGeräte ät hü hüpfen f 

Bei F-FH ist eine Kollision in einem Frequenzband unerheblich und 

wird durch die anderen ausgeglichen 

Bei S-FH gibt es i.d.R. einen Fehlerkorrekturmechanismus 

Bluetooth ist S-FH, wobei es pro Piconet ein eindeutiges 

Hüpfmuster gibt, das durch die Adresse des Masters (48 Bit) 

definiert wird 

Alle Geräte, Master und Slaves, sind in einem Piconet auf das 

eindeutige Hüpfmuster synchronisiert synchronisiert. Phase wird durch Uhr des 

Masters bestimmt, die er an die Slaves verteilt 

Die Modulationsmethode ist Frequency Shift Keying (FSK). Es 

werden also zwei minimal unterschiedliche Frequenzen benutzt benutzt, 

um 0 und 1 zu codieren 




Verbindungsmanagement und -kontrolle kontrolle 

Link Manager: 

Link Set-up (SCO, Slot Reservierung) 

Mode Management (Park, Hold, Sniff, Active) 

Security 

Das Verbindungsmanagement erlaubt zwei Arten von Verbindungen, SCO 

und ACL. 

Daten 



Link Manager 

ACL 

FIFO 

FIFO 

SCO 

Antenne 

Link Controller Radio 

Bluetooth 

4.69 

Bluetooth 

4.71 


Pakete 



Bluetooth verwendet Slow Frequency Hopping 

Ein Paket kann sich aber über mehrere Slots erstrecken 



SCO (Synchronous Connection-Oriented Link) ist eine symmetrische Punkt-zu- 

Punkt Verbindung zwischen Master und Slave 

Master nutzt reservierte Slots (wie virtuelle Leitungsvermittlung) 

transportiert hauptsächlich Sprache mit 64 kbps 

Master kann bis zu 3 SCO-Links gleichzeitig g g unterstützen 

bei SCO-Paketen gibt es keine Übertragungswiederholung 

ACL (Asynchronous Connection-Less Link) ist eine Punkt-zu-Multipunkt 

Verbind Verbindung ng vom om Master zu allen Sla Slaves es im Piconet 

Master kann alle Slots nutzen, außer denjenigen, die schon für SCO benutzt 

werden 

Es kann nur ein ACL Link geben. Slaves können gezielt über ihre Adresse per 

ACL angesprochen h werden, d auch h di die, di die schon h per SCO mit i MMaster verbunden b d 

sind 

ACL Links werden also im paketvermittelndem Modus verwendet 

für die meisten ACL-Pakete gibt g es Übertragungswiederholung 

g g g 



Bluetooth 

4.70 

Bluetooth 

4.72



der Controller beinhaltet die Zustände der Verbindungen zwischen Master 

und Slave und führt Flow-Control und Fehlerbehandlung (FEC ,ARQ, s.u.) 

durch 

ACL und SCO Links benutzen FIFO Queues für das Senden und 

Empfangen 

wenn beim Empfänger die FIFO-Queue voll ist, sendet er ein STOP an den 

Sender 

wenn die FIFO Queue wieder leer ist sendet der Empfänger ein GO 

Die Hardware des Controllers führt die grundlegenden Funktionen des 

Inquire, Paging, Inquire-Scan Inquire Scan und Page-Scan Page Scan durch 




Zustandsdiagramm 

UUnconnected t d 

Standby 

Inquire 

States 

Active 

States 

Low Power 

States 

Transmit 

Data 

AMA 



Standby 

Inquiry Page 

Connected 

AMA 

SNIFF PARK 

HOLD 

AMA PMA 

AMA 

AMA = Active c e Member e be 

Address (3 Bit) 

PMA = Parked Member 

Address (8 Bit) 

Bluetooth 

4.73 

Bluetooth 

4.75 



Inquire-Prozedur 

Ein Master versucht herauszufinden, welche anderen Geräte in 

Reichweite sind. Dazu sendet er „Inquire“-Nachrichten in die Umgebung 

Inquire-Scan-Prozedur 

Inquire Scan Prozedur 

Ein Slave scannt periodisch (typisch alle 1,25s) für eine gewisse 

Zeitdauer (typisch 18 ms) den Frequenzbereich, ob ein Master Kontakt 

sucht sucht. Slave schickt dann ein Paket mit seiner ID an den Master 

Page-Prozedur 

Wenn Slaves bekannt sind, kann Master sie pagen, d.h. Verbindungen 

herstellen 

Slave macht dazu Page-Scan 




Zustände eines Bluetooth-Geräts 

Bluetooth Geräts 

Standby: 

Gerät wartet darauf, einem Piconet beizutreten 

Inquire: 

Master sucht andere Geräte in Reichweite 

Page: 

Verbindungsversuch mit einem bestimmten Gerät 

Connected: 

aktive Teilnahme an einem Piconet 

Sniff: 

Sl Slave üb überwacht ht nur vordefinierte d fi i t Sl Slots t und d schläft hläft ansonsten t 

Park/Hold 

Low-Power Verbindungszustand 



Bluetooth 

4.74 

Bluetooth 

4.76


Fehlerbehandlung 

Es gibt 3 Arten von Fehlerbehandlung: 

1/3 FEC (Forward Error Control), jedes Bit wird 3 mal wiederholt 

2/3 FEC, ein Generatorpolynom wird benutzt, um 10 Bit in 15 Bit zu 

codieren 

ARQ (Automatic Retransmit), ein Paket wird solange wiederholt, bis 

eine positive Quittung empfangen wurde oder ein Timeout überschritten 

wird 

Es gibt 16 verschiedene Pakettypen, bei denen die 

unterschiedlichen Behandlungsmethoden eingesetzt werden 




Kabel-Ersatz Kabel Ersatz Protokolle 

RFCOMM 

Emulation einer RS232 Verbindung oberhalb L2CAP, z.B. zur direkten 

Steuerung über AT Kommandos 

Telephony Control Protocol (TCS) 

bit bitorientiert i ti t zur Si Signalisierung li i und d zum AAufbau fb von TTelefon-, l f MModem- d und d 

Faxverbindungen 



Bluetooth 

4.77 

Bluetooth 

4.79 


Beispiel für verschiedene SCO Pakettypen 

Aus: 

http://www.softtooth.com/tech/tutorial/blue.html 

// f / / / 




RFCOMM 

einfaches Transport Protokoll 

Emulation von RS-232 Steuer- und Datensignalen über L2CAP 

Emulation mehrerer Ports zwischen Bluetooth-Geräten 

unterstützt 60 simultane Verbindungen 

zwischen 2 Bluetooth Geräten 

RFCOMM muss 2 Gerätearten bedienen: 

Typ 1: Endpunkte (Drucker, Computer) 

Typ 2: Teile eines Kommunikationsstacks 

(z.B. Modems) 

RFCOMM unterscheidet nicht zwischen 

Geräten von Typ 1 und 2. 



Bluetooth 

4.78 

4.80


Telefonie 

Kontrollprotokolle 

Telephony Control Specification Binary (TCS BIN) 

Signalisierung zur Etablierung von Sprach- und Datenverbindungen 

zwischen Bluetooth-Geräten 

AT Kommandos 

Menge von AT Kommandos zur Steuerung von Mobiltelefonen und Modems 

Sprachkodierung (jeweils 64 kbit/s) 

PCM 

Continuous Variable Slope Delta (CVSD) Modulation 




Adaptierte Protokolle 

PPP: Point-to-Point Protocol zur Übertragung von IP Daten, 

Encapsulation, Link Control Protocol, Network Control Protocol 

TCP/UDP/IP: transmission control protocol (connection oriented end 

to end für sichere Lieferung) Lieferung), user datagram protocol (für nicht ganz 

sichere schnelle Datenabfrage, DNS), internet protocol (adressierte 

Übertragung von Daten zwischen autonomen Systemen) 

OBEX OBEX: Obj Object t Exchange E h (für (fü ddownload l d auf f PDA PDA, etc...) t ) 

WAP: Wireless application protocol, zur Übertragung von 

Internetdaten auf Endgeräte g mit eingeschränkter 

g 

Darstellungsfunktionalität (wireless markup language, WML) 

WAE: Wireless Application Environment, http ähnliches optimiertes 

Protokoll 

Contents formats: Inhaltsbezogen, vcalendar, vcard für 

Synchronisation mit PDA 



Bluetooth 

4.81 

Bluetooth 

4.83 


Service Discovery Protocol (SDP) 

SDP ermöglicht Anwendungen herauszufinden: 

welche Dienste stehen zur Verfügung 

welche Charakteristiken haben die Dienste 

SDP ist notwendig, g, da 

Bluetooth in dynamischer Umgebung arbeitet, 

die angebotenen Dienste geändert werden, 

der Anbieter eines Dienstes außer Reichweite geraten kann 




Bluetooth - Profile 

Profile beschreiben die Verbindung der Protokolle zu 

anwendungsspezifischen d ifi h SSzenarien i 

standardisierte Anwendungsysteme 

Kombination unterschiedlicher Geräte problemloser 

p 

systematischer Aufbau von Abhängigkeiten und Anforderungen 



Bluetooth 

4.82 

4.84


Sicherheit 

Ist sehr wichtig, wenn man bedenkt, dass mögliche Anwendungen 

die schlüssellose Türöffnung und das automatische Bezahlen im 

Supermarkt sind 

Daher gibt es in Bluetooth bereits auf Verbindungsebene 

Authentifizierungs- und Verschlüsselungsmöglichkeiten (Modus 3), 

d.h. zwei Bluetoothgeräte, die sich nicht „trauen“, können nicht mal 

eine Verbindung auf der untersten Ebene (Link (Link-Layer) Layer) eingehen eingehen. 

Schlüssellängen sind konfigurierbar zwischen 8 und 128 Bit und 

können je nach Rechnerleistung zwischen den Geräten 

„ausgehandelt“ werden 




Koexistenz 

Bei hoher Anzahl Piconetzen auf engem Raum hohe 

Kollisionswahrscheinlichkeit. 

ISM Band Kommunikationsgeräte Kommunikationsgeräte, Telemetriesystem und 

Mikrowellenherde stören einander. 

Durch aggressivere Frequenzbelegungsstrategie stört Bluetooth die 

802.11 Systeme mehr als umgekehrt. 

Zur Untersuchung der Effekte wurde beim IEEE eine Coexistence 

Working Group gebildet. 



Bluetooth 

4.85 

Bluetooth 

4.87 


Sicherheit 

Bluetooth spezifiziert drei Sicherheitsmodi: 

Sicherheitsmodus 1: ist der unsichere Modus. In diesem Modus initiiert 

kein Gerät von sich aus irgendwelche Sicherheitsfunktionen. Es reagiert 

aber auf Authentifizierungsanforderungen anderer Geräte 

Sicherheitsmodus 2: enthält Sicherheitsfunktionen auf Dienste-Schicht. 

Das heißt, ein Bluetooth-Gerät initiiert die Sicherheitsmechanismen, 

nachdem ein Kanal aufgebaut wurde. Die höhergelegenen 

Übertragungsprotokolle oder die Anwendungen selbst sind für die 

Authentifizierung und Verschlüsselung zuständig. 

Sicherheitsmodus 3: initiiert die Sicherheitsmechanismen bevor ein Kanal 

aufgebaut wird. Die Sicherheitsfunktionen sind auf der 

Verbindungsschicht realisiert und zum Großteil bereits in der Firmware 

des jeweiligen Bluetooth-Geräts implementiert. Der Modus 3 hat 

grundlätzlich zwei Aufgaben zu bewältigen: Authentifizierung und 

Verschlüsselung 




Bluetooth Produkte 

LAN Access Points 

Webpads 

Notebooks 

Mobiletelefone 

PDAs 

Modems 

Headsets 

... 



Bluetooth 

4.86 

Bluetooth 

4.88


Bluetooth - Anwendungen 

Fast unbegrenzte Möglichkeiten der Anwendung sind denkbar. Hier ein paar 

Anwendungsmodelle. 

Beispiel: e sp e Handys a dys tauschen ausc e „ „Visitenkarten“ s e a e aus aus. 




Bluetooth 

LAN-Access: Internet-Surfen mit 

dem Laptop vom Sofa aus, ohne 

lästige Kabel 

FFunktionalität kti lität eines i ddrahtlosen htl 

Mini-LANs für zuhause vorstellbar 

Bluetooth ist auch tauglich für das 

Flugzeug 



LAN accesspoint i t 

Bluetooth 

4.89 

Bluetooth 

4.91 


Bluetooth 

Das 3-in-1 Telefon: 

Handy, Schnurlos, Walkie-Talkie 

Das Telefon erkennt, ob es 

zuhause ist, also in Reichweite 

vom Festnetzanschluss, dann 

funktioniert es wie ein schnurloses 

Andernfalls bucht es sich in ein 

GSM-Netz ein. 

In Reichweite eines anderen 

Bluetooth-Handies Bluetooth Handies könnte es auch 

direkt Kontakt aufnehmen, wie ein 

Walkie-Talkie 




Bluetooth 

Ad-hoc Konferenzen 

Drahtloser Austausch von 

Dokumenten zwischen 

Sitzungsteilnehmern, auch 

elektronischer Austausch von 

Visitenkarten 

Ausdrucken eines Dokuments auf 

einem nahe stehenden Drucker 



file transfer 

Bluetooth 

4.90 

Bluetooth 

4.92


Bluetooth 

Headset 

z.B. als Freisprecheinrichtung für das Handy 

im Auto oder im Büro 




Geschichte der Satellitenkommunikation 

1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra Terrestrial 

Relays“ Relays 

1957 erster Satellit SPUTNIK 

1960 erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO 

1963 erster geostationärer Satellit SYNCOM 

1965 erster kommerzieller geostationärer Satellit „Early Bird“ 

(INTELSAT I): 240 Duplex Duplex-Telefonkanäle Telefonkanäle oder 1 

Fernsehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre 

1976 drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation 

1982 erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A 

1988 erstes landmobiles Satellitensystem für Datenkommunikation 

INMARSAT INMARSAT-CC 

1993 erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme 

1998 globale g Satellitentelefonsysteme y für Handys y 



Bluetooth 

4.93 

Satellitensysteme 

4.95 


Automatisches Erkennen und Synchronisieren 

Datenabgleich, Identifizieren, etc. 

z.B. identifiziert die SIM in einem 

Handy automatisch den Besitzer des 

Handys. y Unter hinreichenden 

Sicherheitsvorkehrungen, die im 

übrigen Bestandteil von Bluetooth 

sind, kann das genutzt werden, um 

automatisch zu bezahlen, bezahlen sich 

auszuweisen, etc., alles drahtlos. 

Wenn man in das Büro kommt, 

werden automatisch die neuesten 

Emails vom Server heruntergeladen 

auf den Organizer, etc. 




Einsatzgebiete für Satelliten 

traditionell: 

Wettersatelliten 

Rundfunk- und Fernsehsatelliten 

militärische Dienste 

Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS) 

für Telekommunikation: 

weltweite Telefonverbindungen 

immer mehr von Glasfaser abgelöst 

Backbone für globale Netze 

Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder 

unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand 

möglich) 

weltweite Mobilkommunikation 

Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen 



Bluetooth 

4.94 


4.96


Aufbau eines Satellitensystems 

Intersatelliten- 

Intersatelliten 

verbindung (ISL) 

Mobile User 

Link (MUL) Gateway Link 

(GWL) ( ) 

GWL 

kleinere Zellen 

(Spotbeams) 

MUL 

gesamtes t 

Ausleuchtungsgebiet 

(Footprint) 

Bodenstation 

oder 

GGateway t 

ISDN DSL 

GSM 




Benutzerdaten 

Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn bahn 



Geschwindigkeit 

Umlaufdauer 

[h] [ ] 

Synchrondistanz 

35.786 km 

10 20 30 40 x10 6 m 

Radius 


24 

20 

16 

12 

8 

4 

4.97 


4.99 


Grundlagen I 

Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen 

Anziehungskraft F Fg =mg(R/r)² 

= m g (R/r) 

Zentrifugalkraft Fc = m r ² 

m: Satellitenmasse 

R: Erdradius (R = 6370 km) 

r: Entfernung vom Erdmittelpunkt 

g: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²) m/s ) 

: Winkelgeschwindigkeit ( = 2 f, f: Umlauffrequenz) 

Stabile Umlaufbahn 

F g = F c 



r 3 


Grundlagen II 

2 

gR 

( 2 

f 

2 

) 

Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig 


bei kreisförmigen Orbits: Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche 

abhängig 

Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator 

Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont 

Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für 

Funkverbindung notwendig 

höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse 

Uplink: Verbindung Bodenstation -> Satellit 

Downlink: Verbindung Satellit -> Bodenstation 

meist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink 

TTransponder d zum Umsetzen U t der d Si Signale l auf f andere d FFrequenz 

transparente Transponder: nur Frequenzumsetzung 

regenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung 



4.98 


4.100


Inklination 



Satellitenbahn 

erdnächster Punkt 


Übertragungsleistung von Satelliten 

Ebene der Satellitenbahn 

Äquatorialebene 

 

Inklination 

Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von 

vier Werten bestimmt: 

Sendeleistung 

Antennengewinn (Sender und Empfänger) 

Abstand von Sender und Empfänger 

Frequenz 

Probleme 

schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung 

Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS) 

Mö Mögliche li h Lö Lösungen 


Signalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen 

werden 

Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer 

gleichzeitig sichtbarer Satelliten) 



4.101 


4.103 


Elevation 

minimale Elevation: 

kleinste Elevation, bevor 

ein neuer Satellit des Systems 

sichtbar wird 




Atmosphärische Dämpfung 



 

Abschwächung 

des Signals in % 

50 

Elevation: 

Ei Einfallswinkel f ll i k l fü für di die Mi Mitte dder 

Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche) 

40 

30 

20 

10 

 

Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz 

Absorption 

durch Regen 

Atmosphärische 

Absorption 

Absorption 

durch Nebel 


4.102 

5° 10° 20° 30° 40° 50° 

Elevation des Satelliten 


4.104


Orbits 

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 Höhe 

MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular Orbit) in 

6000 - 20000 km Höhe 

HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits 




LEO-Systeme 

LEO Systeme 

Orbit in 700 - 2000 km Höhe 

Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minuten 

mit vielen Satelliten globale Funkversorgung möglich 

Laufzeit vergleichbar g mit terrestrischen Weitverkehrs- 

verbindungen, etwa 5 - 10 ms 

kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung 

GGesprächsübergabe ä h üb b (H (Handover) d ) bbenötigt öti t 

Frequenzänderung wg. Satellitenbewegung (Dopplereffekt) 

Beispiele: 

Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten) 

Globalstar (Betriebsbeginn 2000, 48 Satelliten) 




4.105 


4.107 


Orbits 

HEO 

LEO 

(Globalstar, 

Irdium) 

Van-Allen-Gürtel: 

ionisierte Teilchen 

in 2000 - 6000 km 

Höhe (kein Satelliten- 

Betrieb möglich) 




MEO-Systeme 

MEO Systeme 

earth 

1000 

10000 

35768 

km 

Orbit in 6000 - 20000 km Höhe 

Vergleich mit LEO LEO-Systemen: Systemen: 

geringere Geschwindigkeit der Satelliten 

weniger Satelliten benötigt 

weniger starker Doppler-Effekt 

Verbindungen meist ohne Handover möglich wegen längerer 

Sichtbarkeit 

längere Laufzeiten, etwa 70 - 80 ms 

höhere Sendeleistung nötig 

stärker bündelnde ( (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete 

nötig 

Beispiele: 

ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat) 

GPS (Global Positioning System) 



GEO (Inmarsat) 

MEO (ICO) 

innerer und äußerer 

Van-Allen-Gürtel 


4.106 


4.108


MEO-Beispiel: MEO Beispiel: GPS (Global Positioning System) 

Orbit 20200 km, 24 Satelliten, Umlaufzeit von 11:58 Stunden 

33km 3,3 km pro Sekunde 

Kann in Mobilkommunikation für LBS (Location based Services) 

genutzt werden (Genauigkeit: einige Meter mit Wide Area 

Augmentation System WAAS) 

Viel genauer als terrestrische Zellortung (je nach Zellgröße 100- 

1000m) (z.B. (z B Mobiloco Buddy Alert) 



Satellitenbahnen 

(Abstände 

maßstabsgetreu) 


MEO-Beispiel: MEO Beispiel: GPS 

Inklination der Bahnen 

Position der Monitorstationen und der Master Control Station 




4.109 


4.111 


MEO-Beispiel: MEO Beispiel: GPS 

Ground-Track (Subsatellitenbahn) des Satelliten GPS BIIR-07 (PRN 

18) von 18 18.10.2001 10 2001 00:00 Uhr bis 19 19.10.2001 10 2001 00:00 Uhr 




GEO-Systeme GEO Systeme (geostationäre Satelliten) 

00:00 

21:30 

Ausleuchtungszone 


Orbit in 35.786 km Entfernung von der Erdoberfläche in der 

Äquatorebene (Inklination 0°) 0 ) 

Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung 

feste Position von Richtantennen auf der Erde möglich, kein Nachführen 

nötig 

Ein Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch 

schlecht sc ec t wiederbenutzbar 

ede be ut ba 

durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden 

über 60° 

iin höh höheren BBreitengraden i d iist also l hhohe h SSendeleistungen d l i nötig ö i 

durch große Entfernung relativ lange Laufzeit, ca. 275 ms 

trotz dieser Nachteile gibt es kommerziell erfolgreiche GEO-Systeme GEO Systeme im 

Mobilkommunikationsbereich 



4.110 


4.112


GEO-Systeme GEO Systeme, Beispiel Thuraya 

Gemeinschaftsunternehmen verschiedener arabischer Telekomanbieter, auch 

T-Systems T Systems 

Struktur der Spot Beams des Satelliten Thuraya 1 








4.113 


4.115 



SSatellit Position SStart 

anfängliche 

Masse im 

Orbit 

SStartmasse Trägerrakete 

ä 

21. Oktober 

98° 98 24'E 24 E, 

2000 um 

Thuraya 1 Friedhofsorbit 

05:51:59 Uhr 

seit Mai 2007 

(UTC) 

Thuraya 2 44° 04'E 

Thuraya 3 98° 30' E 





3 200 kg 5 100 kg Zenit-3SL 

10. Juni 2003 

um 13:55:59 Uhr 3 200 kg 

(UTC) 

5 200 kg Zenit-3SL 

15. Januar 2008 

um 11:49 Uhr 

(UTC) 

3 200 kg 5 173 kg Zenit-3SL 


Video vom Thuraya Thuraya-3 3 Start: http://events.variview.net/clients/sealaunch/20071018 

http://events variview net/clients/sealaunch/20071018 




4.114 

4.116


Routing 

Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL) 

reduziert Anzahl erforderlicher Gateways 

Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger 

Gebühren für terrestrische Netze) 

bbei i Verbindung V bi d zweier i MMobilstationen bil t ti nur zwei i UUplink li k und d zwei i 

Downlink nötig 

Probleme: 

präzise Ausrichtung der Antennen komplex 

kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satelliten 

nötig 

höherer Treibstoffverbrauch 

kürzere Lebensdauer 

Iidi Iridium nutzt t tz.B. B ISL 




Handover in Satellitensystemen 

In Satellitensystemen gibt es durch die Bewegung des Satelliten 

zusätzliche Situationen Situationen, in denen ein Handover notwendig ist: 

Intra-Satelliten-Handover 

von einem Spotbeam zum nächsten 

MMobilstation bil t ti noch h iim FFootprint t i t ddes SSatelliten, t llit aber b iin anderer d ZZelle ll 

Inter-Satelliten-Handover 

Handover von einem Satelliten zum nächsten 

Mobilstation nicht mehr im Footprint eines Satelliten 

Gateway-Handover 

Handover von einem Gateway zum nächsten 

Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber Gateway nicht mehr in 

diesem Footprint 

Inter-System-Handover 

Handover zwischen Satellitennetz und terrestrischem Mobilfunknetz 

Wechsel der Netze möglich wegen Kosten oder Erreichbarkeit 




4.117 


4.119 


Lokalisieren von Mobilstationen 

Systeme benutzen ähnliche Mechanismen wie bei GSM 

In Bodenstationen oder Gateways werden Benutzerdaten abgelegt 

HLR (Home Location Register): Stammdaten des Teilnehmers 

VLR (Visitor Location Register): Aufenthaltsort des TN 

SUMR (Satellite User Mapping Register): 

zugeordneter Satellit des TN 

Positionen aller Satelliten 

Anmeldung einer Mobilstation: 

Feststellen der Position durch den Satelliten 

AAnforderung f d der d Benutzerdaten B t d t im i HLR 

Neuzuordnung des VLR und SUMR 

Anrufen einer Mobilstation: 

Feststellen der Position der Mobilstation über die Register 

Verbindungsaufbau über entsprechenden Satelliten 




SkyDSL 


bis zu max. 24000 KBit/s 

nutzt moderne Breitbandtechnologie via Satellit 

Kosten für Satelliten-DÜ werden immer geringer 

Kosten für die Entwicklung sind kein Bremsklotz mehr 

Anzahl der Benutzer 

ca. 1 Mio. in Europa 

ca ca. 200.000 200 000 in Deutschland 

Empfang: 

Aus Sicht der Schüssel in Richtung Süden (süd-westlich, 8° West) frei 

bei 30° Höhenwinkel 

Qualitätseinbuße: Bewölkung hat ca. 5-10% Signalstärkeverlust zur 

Folge 

Schüssel: Durchmesser 43cm bis 60cm 



4.118 

SkyDSL 

4.120


SkyDSL 

Geostationärer Satellit 

Zusätzliche Anforderungen: 

„normaler“ Zugang zum Internet (ISDN oder analog mit mind. 33,6 KBit) 

dieser wird zur Steuerung bzw bzw. zur Stellung von Anfragen an den 

Satelliten benötigt (Rückkanal) 

verursacht zusätzliche Kosten für den Benutzer, teils aber auch in 

Flatrate enthalten 




DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone System) 

digitales, schnurloses Haustelefon im 1880 MHz-Band 

zellular ell lar also aauch ch für große Firmen als Telefonanlage zu 

gebrauchen 

theoretisch denkbar auch als „Local-Loop“-Alternative (die letzten 

100m zum Kunden, keine Kabel vergraben) 

Es handelt sich hier allerdings um eine teure Alternative für die 

Netzbetreiber Netzbetreiber. Studien haben festgestellt, festgestellt dass Anschlusskosten 

pro Teilnehmer von 750,- bis 2000,- € entstehen. Die Kosten 

werden insbesondere durch die Basisstationen hervorgerufen. 

Rentabel wird das erst wenn wenn, sehr viele Kunden in einem 

dichtbesiedelten Gebiet gewonnen worden sind. 

wegen der ausreichenden Verfügbarkeit von GSM ist DECT keine 

„Local Loop“-Altenative. 



SkyDSL 

4.121 

4.123 

DECT 


SkyDSL mobil? 

Davon ist abzuraten, da sich der Standort ständig verändert und so 

nach jeder Bewegung eine neue Ausrichtung der Antenne erfolgen 

müsste. 

Es besteht jedoch die Möglichkeit Möglichkeit, SkyDSL in Zusammenhang mit 

dem Mobiltelefon (GSM) zu betreiben, sofern der Aufenthaltsort 

längeren Zeit konstant bleibt, z.B. Camping. Teles bietet das z.B. 

zusammen mit EE-Plus Plus an an. 

SkyDSL kann also nur bedingt unter dem Aspekt der 

Mobilkommunikation gesehen werden. 




DECT - Technische Daten 

120 Duplexkanäle 

Duplexverfahren: TDD (10ms Rahmengröße) 

Multiplexverfahren: FDMA mit 10 Trägerfrequenzen, TDMA mit 

2x12slots 

Modulation: GMSK 

Sendeleistung: g variabel, , 10mW mittlere Leistung, g, 250mW max. 

Reichweite: max. 200m in Gebäuden 

Breitbandversion als Alternative zu WLAN ist standardisiert, hat 

aber b kkeinen i MMarkterfolg kt f l 



SkyDSL 

4.122 

4.124 

DECT


SDR – Software Defined Radio Radio, IEEE 802 802.22 22 

Vielfalt der verschiedenen Standards und Frequenzen, 

insbesondere auf der Luftschnittstelle erfordert Vielfalt 

verschiedener Hardware, bzw. Geräte: GSM, UMTS, EV-DO, 

GPRS, , EDGE, , Wi-Fi, , Wi-MAX, , Bluetooth, , DECT, , ... 

Lösung: eine Hardware, Unterschiedliche Zugangstechniken 

werden durch Software realisiert. 

SW SW-Download D l d iist t zentrales t l El Element t von SDR 

Minimale HW-Änderungen bei Einführung neuer Technologie, es 

wird einfach neue Software heruntergeladen g 

Regionale Unterschiede können durch Software-Updates „on the 

fly“ ausgeglichen werden 

auch: h „kognitive k iti FFunktechnologie“ kt h l i “ 



4.125 

SDR 


SDR – Software Defined Radio Radio, IEEE 802 802.22 22 

Individuelle Flexibilität in der Auswahl eines Dienstes 

(K (Kostenoptimierung): t ti i ) DECT, DECT Wi Wi-Fi, Fi GSM, GSM UMTS UMTS, etc., t alles ll mit it einem i 

Gerät, bei Bedarf SW-Download 

Angebote können stärker individualisiert werden 

Gleichzeitige Verbindungen mit verschiedenen Technologien mit dem 

selben Gerät 

Herausforderungen: 

Modulation auf generischer HW in Software realisieren erfordert sehr hohe 

Rechenleistung (und damit Energie) 

Es darf nicht passieren, dass per Software eine falsche Frequenz gewählt 

wird, die z.B. der Regulierung unterliegt und für die Lizenzen vergeben sind 

und nicht genutzt werden darf (TV, Polizei, Militär, ...) 

siehe auch IEEE 802.22 und http://www.sdrforum.org/ 

p g 

Tutorial: 

http://www.ofcom.org.uk/static/archive/ra/topics/research/topics/converge-new-emerging/sdr/2-blust.pdf 



4.126 

SDR

Weitere drahtlose Zugangstechniken

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?