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Drahtlose KommunikationEinführung
Übersicht
Motivation und Begriffsbildung Inhalt und Relevanz der Vorlesung Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“ Drahtlose Netze aus der Vogelperspektive Gerätetypen im Schnelldurchlauf Anwendungen Ortsabhängige Dienste Offene Forschungsthemen
Geschichte der drahtlosen KommunikationVereinfachtes ReferenzmodellVorlesungsübersicht
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 2
Topic of “Wireless Communication”
Ever wondered what really happened after, for example: Using a cellular phone to make a call while sitting in a train? Using the wireless local area network at Uni Koblenz-Landau?
How does data get from one mobile device to another, using wireless communication?
What communication systems and protocols are necessary to enable this functionality?
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 3
Topic of “Wireless Communication”
This lecture is about basic architecture and protocol mechanisms Attempts to give an overview of many important components For both local data communication and telecommunication
It is partially about specific technical solutions But tries to focus more on principles, as specific technical solutions come
and go quite quicklyIt is NOT (or very little) about the electrical engineering aspects of wireless
communication Though some fundamentals are introduced were necessary; the course is
in this sense self-contained
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 4
Drahtlose Kommunikation aus Informatik-Sicht
Informatik als Bindeglied zwischen Elektrotechnik/Physik und den Endanwendungen Dazwischen liegt der „Protokollstapel“ mit einer großen Facette an
Informatik-ProblemenSystemnahes Verständnis
Verwendete Hardware Physikalische Eigenschaften (der drahtlose Kanal) Etwas Vokabular der E- und Nachrichtentechniker
Wenn man in die Verlegenheit kommt in ein Engineering-Buch zu schauen (z.B. Blick in den Rappaport zur Wahl geeigneter Simulationsmodelle)
Algorithmisches Verständnis Siehe Vorlesung „Lokale Netzstrukturen“ Die Vorlesung „Lokale Netzstrukturen“ befasst sich mit algorithmischen
und graphtheoretischen Fragen zu lokal organisierten Netzen Ein großer Teil davon sind algorithmischen Fragen zu drahtlosen
(multihop) Netzen
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The world gets wireless: Moore’s Law
WS 15/16 WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
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The world gets wireless: Exploiting Moore‘s Law wrt. Scale
one mainframe for many desktop PC for one many devices for one
Size Number
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Computer für die nächsten Jahrzehnte?
Computer sind integriert klein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit
erkennbarTechnik tritt in den Hintergrund
Computer erkennen selbst wo sie sind und passen sich an Computer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich
entsprechend (z.B. Weiterleiten von Gesprächen, Fax)Fortschritte in der Technik
höhere Rechenleistung auf kleinerem Raum flache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahme neue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungen mehr Bandbreite pro Kubikmeter vielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale
Netze, regionale Telekommunikationsnetze …
WS 15/16 8
Are we facing an important problem? Yes: today already …
Largest networked systemLargest number of subscribersMobile devices dominate the InternetMobile applications dominate Internet
usageTechnology fully integrated into everybody's life almost 24/7, almost anywhere
And the future?
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 9
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 10
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Begriffe der Mobilkommunikation
Zwei Aspekte der Mobilität: Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) “zu jeder Zeit,
an jedem Ort, mit jedermann.” Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem
beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden.Wireless vs. Mobile Beispiele stationäre Arbeitsplatzrechner Notebook im Hotel Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden Smart-Phone
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-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM und weiteres
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 12
Drahtlose Netztypen
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Infrastrukturbasiert
Infrastrukturlos(ad-hoc)
Infrastrukturknoten(Basisstation)
mobiles/drahtloses Gerät
Singlehop
Multihop
WS 15/16 13
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen
Höhere Fehlerraten durch Interferenzen Einstrahlung von z.B. Elektromotoren, Blitzschlag
Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren
Frequenzen sind schon fast alle vergebenNiedrigere Übertragungsraten
lokal einige Mbit/s, regional z.B. 53kbit/s mit GSM/GPRSHöhere Verzögerungen, größere Schwankungen
Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden
Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können
vorgetäuscht werdenStets geteiltes Medium
sichere Zugriffsverfahren wichtig
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 15
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Mobile Endgeräte
L e i s t u n g
Pager• nur Empfang• sehr kleine Anzeigen
• einfache Textnachrichten
Mobiltelefone• Sprache, Daten• einfache Grafikanzeigen
PDA/Smartphone• Grafikanzeigen• Handschrifterkennung• WWW
Palmtops• kleine Tastatur• einfache Versionen
der Standardprogramme
Laptop/Notebook• voll funktionsfähig• Standardanwendungen
Sensoren,embeddedsystems
WS 15/16 16
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Auswirkungen der Endgeräteportabilität
Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere
sekundäre Speicher durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ V2f
V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt (Grenzen aufgrund von Leckströmen)
f: Taktfrequenz, kann z.B. zeitweise gesenkt werden
Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.B. Defekte, Diebstahl)
Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen
Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar Flash-Speicher als Alternative
WS 15/16 17
Weitere Gerätetypen
Mobile Geräte umfassen eine Teilmenge der Geräte mit Drahtlosschnittstelle
Des Weiteren werden häufig Infrastrukturknoten mit Drahtlosschnittstelle vorausgesetzt WLAN Access-Points Basisstationen bei der Mobiltelefonie Satelliten für Satellitenkommunikationssysteme Rundfunkstationen für Broadcast-Dienste (z.B. TV, Radio)
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 18
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 19
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Anwendungen I
Offensichtliche Anwendungen Stetige Verbindung mit dem Internet (und den üblichen Diensten) Mobiltelefonie
Verkehrstelematik (siehe Bild auf der nächsten Folie) Empfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DAB persönliche Kommunikation über GSM Positionsbestimmung über GPS lokales 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
Ersatz der drahtgebundenen Infrastruktur Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten
WS 15/16 20
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Typische Anwendung: Straßenverkehr
UMTS, WLAN,DAB, DVB, GSM, Cdma2000, TETRA, ...
Personal Travel Assistant,PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...
WS 15/16 21
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Anwendungen II
Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.B. Wetter, Flusspegel Vernetzung historischer Gebäude
Freizeit, Unterhaltung, Information tragbarer Reiseführer mit
aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für
Mehrbenutzerspiele
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Wireless sensor networks
Small embedded devices; no specific owner
Equipped with sensors
With wireless communication capabilities
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 23
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 24
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Ortsabhängige Dienste
Umgebungsbewusstsein welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der
lokalen UmgebungNachfolgedienste
automatische 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 Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. „folgt“ dem
mobilen Endgerät durch das Festnetz
WS 15/16 25
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 26
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation
Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) Modulation, Codierung Medienzugriff ...
Mobilität Ortsabhängige Dienste Transparenz des Aufenthaltsorts ...
Portabilität Leistungsaufnahme eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße, ... Handhabbarkeit ...
Drahtlose Netze ohne Infrastruktur Netzorganisation Datenkommunikation …
WS 15/16 27
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 28
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Erfindungen und Entdeckungen
Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Flaggen („Semaphore“), Zeiger 150 v.Chr. Rauchsignale zur Kommunikation;
von Polybius, Griechenland, berichtet 1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe
Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse: 1831 Faraday demonstriert elektromagnetische Induktion J. 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)
WS 15/16 29
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Geschichte der drahtlosen Kommunikation I
1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen
Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe
Sendeleistungen benötigt (> 200kW)1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen
sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten)
1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco1920 Entdeckung der Kurzwellenübertagung durch Marconi
kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben)
1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
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, kein Handover, 80% Flächendeckung, 1971 11000 Teilnehmer
1972 B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber
Aufenthaltsort der Mobilstation muss bekannt sein) ebenso in A, NL und LUX, 1979 13000 Teilnehmer in D
1979 NMT, 450 MHz (Skandinavien)1982 Start der GSM-Spezifikation
Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone
System, analog)1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Geschichte der drahtlosen Kommunikation III
1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale
Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, e-mail, 98%
Flächendeckung1991 Spezifikation des DECT-Standards
Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless 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 GSM in D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in weit über 200 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, ...
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV
1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen als 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/s Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose
ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s)1997 Wireless LAN - IEEE802.11
IEEE-Standard, 2,4 - 2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher
1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer
Vorschlag für IMT-2000 (IMT-2000: einheitliches Rahmenwerk der ITU für zukünftige Kommunikationssysteme)
Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon
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WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Geschichte der drahtlosen Kommunikation V
1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard 802.11b, 2,4 - 2,5GHz, 11Mbit/s Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/s
Entscheidung über IMT-2000 Mehrere „Familienmitglieder“: UMTS, cdma2000, DECT, ...
Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy
2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste 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, UMTS-Tests in Europa, Foma (beinahe UMTS) in
Japan
WS 15/16 34
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
History of wireless communication VI
2002 WLAN hot-spots start to spread
2003 UMTS starts in Germany Start of DVB-T in Germany replacing analog TV
2005 WiMax starts as DSL alternative (not mobile) first ZigBee products
2006 HSDPA starts in Germany as fast UMTS download version offering > 3 Mbit/s WLAN draft for 250 Mbit/s (802.11n) using MIMO WPA2 mandatory for Wi-Fi WLAN devices
2007 over 3.3 billion subscribers for mobile phones (NOT 3 bn people!)
2008 “real” Internet widely available on mobile phones (standard browsers, decent data
rates) 7.2 Mbit/s HSDPA, 1.4 Mbit/s HSUPA available in Germany, more than 100
operators support HSPA worldwide, first LTE tests (>100 Mbit/s)2009 – the story continues with netbooks, iphones, VoIPoWLAN…2010 – LTE available in some cities, new frequencies allocated
Reuse of old analog TV bands, LTE as DSL replacement for rural areas
WS 15/16 35
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
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
2000:GPRS
2000:IEEE 802.11a
Heutzutage:Vierte Generation(Internet basiert)
WS 15/16 36
Übersicht
Motivation und BegriffsbildungGeschichte der drahtlosen KommunikationVereinfachtes ReferenzmodellVorlesungsübersicht
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 37
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Vereinfachtes Referenzmodell
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Medium
Sicherung
Bitübertragung
Anwendung
Transport
Netzwerk
Sicherung
Bitübertragung
Sicherung
Bitübertragung
Netzwerk Netzwerk
Funk
WS 15/16 38
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell
Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl,
Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen
Anwendungsschicht
Transportschicht
Netzwerkschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
WS 15/16 39
Übersicht
Motivation und BegriffsbildungGeschichte der drahtlosen KommunikationVereinfachtes ReferenzmodellVorlesungsübersicht
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 40
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - Einführung
Kapitelübersicht
Technische Grundlagen
Medienzugriffskontrolle
Telekommunikations-systeme
Ad-hoc undSensornetze
DrahtloseLANs
Netzwerkprotokolle
Transportprotokolle
WS 15/16 41
Übersicht über die Vorlesung
Einführung Einsatzszenarien Begriffsdefinitionen Herausforderungen
Technische Grundlagen Wellenausbreitung,
Frequenzen Signale, Dämpfung, Antennen Modulation
Medienzugriff SDMA, TDMA, CDMA, FDMA CSMA/CA, Aloha mit Varianten Kollisionsvermeidung, Polling
Sensornetze Einsatzgebiete Herausforderungen Programmierung Energieeffiziente MAC-Layer Bestimmung von Ort und Zeit
Drahtlose Telekommunikationssysteme GSM, HSCSD, GPRS, DECT,
TETRA, UMTS, IMT-2000 Drahtlose LANs
Techniken, Einsatzgebiete IEEE 802.11a/b/g, .15,
Bluetooth Netzwerkprotokolle
Mobile IP Ad-hoc Netze Wegewahl
Transportprotokolle/Mobile TCP zuverlässiger Datentransport Flusssteuerung Dienstqualität
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 42
Zusammenfassung und Literatur
Motivation und BegriffsbildungGeschichte der drahtlosen KommunikationVereinfachtes ReferenzmodellVorlesungsübersicht
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 43
Zusammenfassung
Drahtlose Kommunikation ist ein äußerst wichtiger Bausteinin der modernen IT Hardwaretrends Nutzererwartungen
Drahtlose Kommunikation wird nicht durch kleine Anpassungen von drahtgebundener Kommunikation gelöst
Es gibt nicht das eine Szenario für drahtlose Kommunikation Eingesetzte Gerätetypen Anwendungsfälle Netzformen
Zwei wesentliche Herausforderungen aus technischer Sicht Integration in bestehende Netze Entwicklung neuer Netzorganisationsformen
Wesentliche Herausforderungen aus Anwendungssicht: nahtlose Integration
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 44
Literatur
[Schiller2003] Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 20031. Einführung
WS 15/16 Drahtlose Kommunikation - EinführungWS 15/16 45