2-1

2. Mobile Computing

2-2

MotivationGeschichte Mobile Computing

– Erfindung und kommerzielle Vermarktung des 1. tragbaren Computers durch Adam Osbourne, April 1981

– Grundstein für heutige mobile Informationstechnologie

– Damaliges Rechnersystem Osbourne-1 darf nicht mit heutigen mobilen Clients verglichen werden: 12kg schwerer Koffercomputer, eingebauter 5-Zoll-Bildschirm, zwei Z-80 Prozessoren, CP/M-Betriebssystem (Vorläufer von DOS),2 Floppy Laufwerke

– Aber: für damalige Verhältnisse setzte dieser neue Maßstäbe!

2-3

2. Mobile ComputingGliederung

2.1 Mobilität und Drahtlosigkeit

2.2 Grundlagen drahtloser Netze

2.3 Mobile Anwendungen

2.4 Location Based Services

2.5 Klassifikation mobiler Endgeräte

2.6 Zusammenfassung

2-4

Nichtmobile Kommunikation Mobile Kommunikation

Drahtgebundene Kommunikation

DrahtloseKommunikation

Stationäres RechnersystemNotebook mit

Modemkabelanbindung

Stationäres Rechnersystemin einem Wireless LAN

Notebook, PDAs, Handys mit drahtloser Anbindung

Mobilität

Dra

htl

osi

gke

it2.1 Mobilität und Drahtlosigkeit

• Mobilität– Eigenschaft eines Rechners, eines Anwenders oder

eines Dienstes– Flexible Nutzung von entfernten Daten

unabhängig von aktuellem Standort• Drahtlosigkeit

– Anbindung ans Netz durch Funktechnik(i.W.: WLAN, Mobilfunk, Bluetooth, HiperLAN, Infrarot(IrDA))

• Daraus ergeben sich vier Szenarien:

2-5

Mobilität und Drahtlosigkeit

Wichtige Begriffe:• Endgerätemobilität• Benutzermobilität• Dienstmobilität

2-6

zugeordnetDynamischeVerbindung

Netzwerk

Mobilität und Drahtlosigkeit

1. Endgerätemobilität– Mobiles Endgerät wechselt seinen Standort und hat

währenddessen permanent gesicherten drahtlosen Zugriffauf Kommunikationsnetz

– Mobiles Endgerät kann Benutzer fest zugeordnet sein• Beispiel: Mobiltelefon

2-7

temporärzugeordnet

PermanenteDrahtlosverbindung Netzwerk

temporärzugeordnet

Mobilität und Drahtlosigkeit

2. Benutzermobilität– Endgeräte, die Benutzer verwendet, können beliebig sein,

sind an festen oder mobilen Standorten– Benutzer wechselt seinen Standort, nicht das Gerät, d.h.

Benutzer ist mobil• Beispiel: Arbeitsplatz, Hotel, Internetcafe

2-8

wechselnder Ort PermanenteDrahtlosverbindung

Feste/temporäre Zuordnung

Netzwerk

Dienst

Vermittlung einesDienstesFeste /

temporäre Zuordnung

Mobilität und Drahtlosigkeit

3. Dienstmobilität– Benutzer kann Informations- und Kommunikationsdienst in

Anspruch nehmen, unabhängig von dem Standort, von dem er auf den Dienst zugreifen möchte

– Dienst selbst meist nicht mobil; aber Zugriff darauf– Exakter: Dienstnutzungsmobilitätstransparenz– Tritt typischerweise zusammen mit Endgeräte- oder

Benutzermobilität auf• Beispiel: Mail-Webinterface

2-9

2.2 Grundlagen drahtloser Netze

• Mobilfunk in Deutschland• GSM• Wireless LAN• Wireless Personal Area Networks

2-10Bitübertragungsschicht

Sicherungsschicht

Vermittlungsschicht

Transportschicht

Kommunikationsschicht

Darstellungsschicht

Anwendungsschicht

MehrfachzugriffBitübertragung über die Luftschnittstelle

DienstvermittlungHeterogenitätLeistungsfähigkeit mobiler Clients

Handover, Roaming, Ad-Hoc-Routing

1

7

6

5

4

3

2

Grundlagen drahtloser Netze

• ISO-OSI-Referenzmodell: wesentliche Unterschiede von drahtloser und mobiler

Kommunikation zu normaler, kabelgebundener Kommunikation betreffen: Schicht 1+2: Funk, Schicht 3: Mobilität, Schicht 7: Anwendungen (z.B. LBS).

(Dienstfindung, ad-hoc Netze, etc)

(Plattformen, BS, etc.)

(z.B. Frequenzmultiplex)

2-11

Mobilfunk in Deutschland

• Mobilfunk der 1. Generation– Start A-Netz: 1958

• Frequenzbereich: 160 MHz• Leitungsvermittelnd• Betreiber: Bundespost• Gesprächsvermittlung von Hand („Fräulein vom Amt“)• Keine Aufrechterhaltung des Gesprächs bei Wechseln der

Funkzelle• Keine Auslandsgespräche

– Start B-Netz: 1972• Leitungsvermittelnd• Selbstwählverkehr möglich• aber: Standort des Partners musste bekannt sein (Vorwahl)• Am Ende (1994) ca. 27.000 Nutzer

2-12

Mobilfunk in Deutschland

• Start C-Netz: 1985 – Erstmals Zellenstruktur– Daten- und Faxverbindungen möglich– Teilnehmer deutschlandweit unter gleicher Nummer erreichbar– Am Ende (2000) noch 803.000 Nutzer

• Mobilfunk der 2. Generation– Start 1990er Jahre– Bessere Sprachqualität– Optimierung von Durchsatz und Netzabdeckung

• Mobilfunkstandards– GSM (Global System for Mobile Communication): Europa– TDMA/IS-136 und CDMA/IS-95: USA– PDC (Personal Digital Cellular): Japan

2-13

GSM

• Entstehung– urspr. franz.: Groupe Special Mobile,

heute engl.: Global System for Mobile Communication: Organisationskommitee zur Entwicklung eines einheitlichen Mobilfunkstandards für Europa

– Ergebnisse des Komitees sind heutige Netze, basierend auf Zellen mit Basisstationen, kommen in 140 Ländern zum Einsatz, werden von 60% aller Mobilfunkteilnehmer genutzt

• Architektur: 3 Teilsysteme– Funksystem (Base Station Subsystem):

regelt Kommunikation zwischen Mobilgeräten und Basisstation– Vermittlungssystem (Mobile Switching and Management Subsyst) :

koordiniert Netzwerkverkehr (auch zu ext. Netzen)– Wartungssystem (Operation and Maintenance Subsyst) :

Konfiguration des Netzes, Sicherheitssystem, Gebührenabrechnung, Kundendaten, etc.

2-14

GSM

• Luftschnittstelle– kombiniertes FDMA/TDMA-Verfahren

– FDMA: Frequency Division Multiplexing Access(GSM: 2 * 124 Kanäle (Senden/Empf))

– TDMA: Time Division Multiplexing Access (GSM: 8 Zeitschlitze in 4,6 msec: á 148 Bit)

• Handover– Intracell-Handover (gleiche Funkzelle, andere Frequenz (wg. QoS))– Intercell-Handover (Wechsel der Funkzelle)

• Internes Handover (Versorgung durch gleiche Basistation)• Externes Handover (neue Basisstation)

– Technisch: Handover: neue Basisstation, neues Mobile Switching Center (MSC)

– GSM: nur logisch, altes MSC betreut weiter (Anker-MSC)

2-15

GSM

• Roaming– 2 Bedeutungen: a) Fähigkeit eines Mobilfunknetzes jedem Teilnehmer

mobile Kommunikation standortunabhängig zu ermöglichen; also Anrufer und Angerufener zu sein und b)

– Hier: In Erweiterung zum Handover: Möglichkeit, zwischen verschiedenen Netzen zu wechseln, ohne jeweils eigenen Nutzungsvertrag zu besitzen (Roamingabkommen der Betreiber untereinander notwendig)(in GSM: Neueinwahl nötig, keine Gesprächsmitnahme!)

• HSCSD, GPRS, EDGE– Anfänglich nur für Sprache ausgelegt,

deshalb Datenübertragung problematisch– (Verbindungsdauer nicht übertragene Datenmenge wird abgerechnet)– Entwicklung neuer Datendienste, die auf GSM aufsetzen und

effektivere Datenübertragung ermöglichen:• HSCSD: bündelt mehrere Kanäle (noch leitungsorientiert)• GPRS: paketorientierte Datenübertragung• EDGE: Weiterentwicklung beider Standards

2-16

Wireless LAN

• Zwei Bedeutungena) Sammelbegriff für alle Arten drahtloser Netzwerkeb) Drahtlose Netze auf Basis von IEEE 802.11-Protokollfamilie

• Verschiedene Konfigurationsarten– Infrastrukturnetze: nehmen Anbindung über Basisstation vor,

d.h. keine direkte Kommunikation der Clients– Ad-Hoc-Netze: keine Basisstation oder externe

Vermittlungskomponente, sich selbstorganisierende Funknetze; unterliegen oft hoher Dynamik (Hinzufügen und Entfernen von Clients)

• Kollisionsvermeidungsverfahren: CSMA/CA (Ü-Wunsch) statt CSMA/CD (Ethernet)

2-17

Wireless LAN

• IEEE 802.11– Frequenzbereich: 2,4 GHz oder 5 GHz

(in Dtl. lizenzfrei aber RegTP kontroll.)– Modulationsverfahren: zwei Frequenzspreizverfahren

(Frequency Hopping)– Reichweite: bis 100m– Datenraten: 802.11b: bis 11MBit/s (real: 4-5),

802.11h: bis 54MBit/s (real: 17)

• IEEE 802.16 (WiMAX) (eine Art Super-WLAN für WMAN)– größere Bandbreite und Reichweite:

2,5 GHz – 66 GHz, bis 50km, 134 MBit/s, 1300x schneller als Handy GPRS

– Basisstationen größer als 802.11, kleiner Handybasisstationen, nur 2 Sendemasten (2 Mio $)

– Standard von Firmenkonsortium entwickelt (Leitung: Nokia, Intel, Airspan)

2-18

0 6 GHz1 2 3 4 5

802.11 a/h.802.11 b/g.

Bluetooth

GSM 900 UMTS

Frequenzspektrum

Infrarot

ab 300 GHz

Wireless Personal Area Networks• Dienen der Vernetzung von kleinen, leistungsschwachen Geräten

– Vernetzung aller persönl. Geräte „um einen rum“ (für Massenmarkt gemacht),– Drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten (Drucker, Digitalkamera, etc.),– Vernetzung von PDAs zum Austausch kleiner Datenmengen, – zukünft.: Vernetzung von Haushaltsgeräten, etc.– WPAN: 1 Master, n Slaves oder 1:1-Komm., (vgl: WLAN: n:n-Kommunikation)

• Zwei Techniken:– Bluetooth: basiert auf Funktechnik ähnlichen WLAN; Verschiedene Profile für

verschiedene Anwendungen (z.B. Headset Profil), 1600x /s Frequenzwechsel (802.111 nur 20x /s), 10m (-100 m), 1 Master 7 Slaves, 200 passiv,

– Infrarot (IrDA): Lichtwellenbasiert; Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger nötig (wesentlich leistungsschwächer), häufig nur 1:1-Verbindung

2-19

Bezeichnung

Handy, UMTS, WLAN

Wellenlänge Frequenz

0,9-1,6 GHz, 2 GHz, 5 GHz

Radiowellen ab 10cm bis 3 GHz

Mikrowellen 1mm – 30cm 1GHz – 300GHz

infrarotes Licht / Infrarotstrahlung (IrDA)

750nm – 1mm 300GHz – 400THz

sichtbares Licht 300nm – 750nm 400THz – 1PHz

ultraviolettes Licht / UV-Strahlung

1nm – 30nm 1PHz – 300PHz

Röntgenstrahlung 0,1pm – 10nm 3*1016 Hz – 3*1020 Hz

Gammastrahlung bis 0,5nm ab 6 * 1017 Hz

Frequenzübersicht

0.9

275

RegT

P

2-20

2.3 Mobile Anwendungen

Eigenschaften und Anforderungen:• Ortsunabhängigkeit• Lokalisierbarkeit• Sicherheit und Identifizierbarkeit• Verfügbarkeit und Effizienz• Datenverteilung und Lastverteilung• Überwachung von Integritätsbedingungen

2-21

Mobile Anwendungen

• Ortsunabhängigkeit– Nutzer kann transparent auf lokale oder entfernte Dienste

zugreifen, unabhängig von seinem geographischen Standort

• Lokalisierbarkeit– Ermittlung des Standortes eines Nutzers

(Untergliederung der Funkzellen in Sektoren und Empfangsintensität)

– Zunächst für korrektes Handover, dann auch für Location based Services

– Datenschutz! (gesetzl. Speicherung der Roaming Daten?)

2-22

Mobile Anwendungen

• Sicherheit und Identifizierbarkeit1. Abfangen übertragener Daten aus Äther immer möglich!

dann auch Manipulation (Löschen, Hinzufügen)!

Sicherheits- und Verschlüsselungstechnologien notwendig

2. Geräte klein: erhöhtes Diebstahlrisiko:

Verschlüsselte Speicherung auch auf mobilen Client nötig

– Insgesamt: Berücksichtigung aller vier Ebenen: • Geräteebene (Diebstahl), • Übertragungsebene (Luft), • Netzebene (Festnetz), • Anwendungsebene (ist das der richtige Partner?)

2-23

Mobile Anwendungen

• Sicherheit und IdentifizierbarkeitWichtig bei Entwicklung von Sicherheitskonzept:

– Vertraulichkeit (nur Kommunikationspartner, keine Mithörer), – Zugriffskontrolle bzw. Rechteverwaltung (Autorisierung),– Verschlüsselung (Public Key?), – Integrität (Schutz vor Verfälschung, Löschen und Hinzufügen,

„Man in the Middle Attacken“)– Authentifizierung (Identifikation des Anderen (Rechner, Person))– Unabstreitbarkeit der TA, z.B. elekt. Fahrkarten, Sender u. Empf.

müssen je gerichtstaugl. Nachweis bringen können)– Geräteschutz (Schutz bei Diebstahl, z.B. Fingerabdruckscanner)– Medium Access (kein externer Nutzer im Home-WLAN)

Häufig: Identifikation durch SIM-Karten (Subscriber Identification Modules), Identifiziert Nutzer nicht Geräte, da austauschbar

2-24

Mobile Anwendungen

• Verfügbarkeit und Effizienz– Mobile Clients meist nach Einschalten sofort verfügbar– Forderung an mobile Datenbanksysteme: mit Start einer

Anwendung soll auch sofortiger Zugriff auf mobile Datenbank möglich sein (keine langen Boot-Zeiten!)

– schneller Zugriff trotz Abstriche bei Optimierer, Indexe und Zwischenspeicher.

• Datenverteilung und Lastverteilung– Verteilte Speicherung über mehrere Knoten auch für mobile DBS: – Replikation für höhere Verfügbarkeit (offline)– Online: u.U. Lastverteilung vom Client auf Server interessant

• Überwachung von Integritätsbedingungen– Integritätsbedingungen von Datenbanksystemen besonders wichtig,

da Daten sehr wichtig für Unternehmen– Komplexe Integritätsbedingungen aufgrund Überwachungsaufwand

schwer

2-25

2.4 Location Based Services

• für Erbringung von Nutzleistung einer Anwendung ist dessen aktuelle Position notwendig

• Positionsbestimmung (2 Verfahren)– Tracking

• Bestimmung von außen durch Netzwerk von externen Sensoren• zu ortendes Objekt muss eindeutige Marke (engl.: Tag) haben • Pos-Daten liegen nur dem Pos-Ermittlungssystem vor (nicht Client)

– Positioning• Objekt ermittelt seine Position selbstständig• Greift auf System von Sendern oder Baken zurück, die Funk-,

Ultraschall oder andere Signale ausstrahlen• Unterscheidung:

– Netzwerkbasierte Verfahren (Cell Global ID einer Funkzelle für Standortangabe)

– MT (Mobile Telephone) – basierte Verfahren (- z. B. Handys, PDAs mit GPS, satellitengestütztes System zur Standortbestimmung - Triangulation über 3 Basisstationen (Zeitdifferenz auf Handy messen) )

2-26

Location Based Services

• Typische Anwendungsszenarien

– Suche nach speziellen, möglichen nah gelegenen Orten (Krankenhaus, Hotel, Restaurant, Tankstelle, …)

– Navigation zu bestimmten Orten– Lokation von Personen oder Objekte (verlohrener PDA)– Museums-/Stadtführer– Weitergabe eigener Positionsdaten im Falle eines Unfalls– Ortsabhängige Werbung/Sonderangebote

– Szenario: alle Restaurants im Umkreis von 100m von aktuellem Standort

2-27

Person

Basisstation

Applikationsserver + Webserver

GMLC

WAP -Gateway

Datenbank

1

2

3

45

6

7

8

910

Location Based Services

• Typisches Vorgehen

2-28

Location Based Services

Zum letzten Bild:1) WAP-Informationsportal aufrufen, über WAP-Browser WML-Anfrage

absetzen an Basisstation2) Leitet Anfrage an WAP-Gateway eines GSM-Netzbetreibers weiter (WAP-

Gateway: Zuständig für Umsetzung von WAP auf HTTP)3) Weiterleitung an Webserver des Informationsportals (bekommt WML-Anfr.)4) Standortanforderung an Gateway Mobile Location Center (GMLC)5) Zustimmung des Clients zu Lokalisierung erforderlich6) GMLC übermittelt Positionsdaten an Webserver – initialisiert darauf

eigentliche Dienstleistung7) Information aus DB auf Basis der Positionsdaten8) Ergebnis in WML-Datei verpacken und per HTTP an WAP-Gateway

senden9) Umsetzen des HTTP-Protokolls in das WAP-Protokoll und an korrekte

Basisstation senden10) Zu Anzeige an Client senden

2-29

2.5 Klassifikation mobiler EndgeräteNotebooks

• Leistungsfähigkeit vergleichbar mit stationären Computersystemen

• Tablet-PCs– Leistungsfähigkeit wie Notebooks– Bedienung ohne Tastatur möglich (Touchscreen)

• Teilweise sogar keine Tastatur vorhanden

• Subnotebooks– Leistungsfähigkeit ähnlich wie Notebooks, oft aber

geringer– Kleinere Displays, kleinere Tastaturen– Größe und Gewicht reduziert

2-30

GerätetypenPDAs

• Deutlich kleiner und leichter als Notebooks• Weniger leistungsfähig als Notebooks

– Rechenleistung aktueller Geräte für Multimediaanwendungen und Multitasking ausreichend

• Bedienung/Eingabe anders als bei Notebooks– Stift oder Tastatur + Stift– Bedienung einhändig (PDA liegt in der einen Hand, Bedienung

mit der anderen)• Eigene Betriebsysteme:

– z.B. Palm-OS, Pocket PC, Windows Mobile 2003, Linux• Schnittstellen zur Softwareinstallation und Synchronisation der

Daten mit anderen Systemen (z.B. mit PCs)– Infrarot, Bluetooth, Kabel

2-31

GerätetypenPDAs

• Prozessor und Speicherkapazität (Stand Sommer 2004)– Meist XScale-Prozessoren bis 600MHz – Meist deutlich weniger Speicher als Notebooks (64MB)

• Speichertyp– Keine Festplatte, stattdessen Speicherkarten und interner

Flash-Speicher• Display

– Heute meist farbig– Größe bis ca. 3,5‘‘, Auflösung bis zu 640x480

• Erweiterbarkeit– Einsteckkarten für Speichererweiterung oder

Netzwerkverbindungen (auch WLAN)– Verschiedene Karten-Standards (Compact Flash, SD/MMC,

Memory Stick)

2-32

GerätetypenPDAs

• Verfügbarkeit– Sofort einsatzbereit (kurze bis keine Bootzeit)– Nutzung meist nur wenige Sekunden oder bis einige Minuten– Akkubetrieb

• Spezialisierte Geräte– Scanning (Barcodes)

• Scanner-Systeme bei Paket-Diensten– Industrielle Fertigung– GPS-Navigation (reine Navigationssysteme)

• Trend: GPS bei einigen herkömmlichen PDAs integriert

2-33

GerätetypenSmartphones und Handys

• Kombination aus PDA und Mobiltelefon– Handy um PDA-Funktionen erweitert (z.B. Nokia 6600)

• Größeres Display, viel Speicher und erweiterbarer Software

– PDA um Mobilkommunikation erweitert (z.B. T-Mobile MDA III)

• Kommunikationsschnittstellen und Lautsprecher/Mikrophon zum telefonieren

• Leistungsfähigkeit mit PDAs vergleichbar, teilweise aber geringer– Kleinere Displays (besonders bei Handy-ähnlichen

Geräten)– Weniger Rechenleistung und Speicherkapazität

• Bedienung teilweise anders als bei PDAs– Typische Handy-Tastatur, selten Touchscreen/Stift

2-34

GerätetypenWearables

• Werden direkt am Körper getragen– Beide Hände frei– Z.B. Armbanduhr, Kette, Schmuckstücke, Jacke/Weste, ...

• Bisher nur Prototypen– Fast alle Geräte noch im Forschungsstadium, kaum Geräte

in Serienproduktion• Leistungsfähigkeit breit gefächert

– Abhängig vom Basis-Gerät (PDA, Notebook...)• Einsatzgebiete

– Medizinische Überwachung von Patientendaten• Überwachung und Speicherung kritischer Daten bei

Patienten– Militärischer Einsatz (Land Warrior)

2-35

GerätetypenWearables

2-36

GerätetypenSmartcards

• Nicht autonom nutzbar– Benutzung in Verbindung mit Kartenterminal

• keinen eigene Benutzerschnittstelle und keine eigene Stromversorgung

• Kartenterminal stellt Benutzerschnittstelle und Strom bereit– Führen bestimmte Berechnungen durch (z.B. Verschlüsselung)

• Eigener Speicher und eigener Prozessor (mit geringer Rechenleistung)

– Speichern bestimmte Daten (z.B. Patientendaten)• Programmierbar über entsprechende Geräte• Sehr geringe Speicherkapazität

– Wenige KB Speicherkapazität– Kein expliziter Sekundärspeicher

• Pico-Datenbanksysteme zur Speicherung der Daten

2-37

2.6 Zusammenfassung

• Mobile Anwendungen setzen meist drahtlose Verbindung voraus– Mobiler Zugriff auf Informationsressourcen– Mobiles Datenbanksystem

• Begriffe– Mobile Computing, Nomadic Computing, Ubiquitous Computing

• Unterscheidung Mobilität und Drahtlosigkeit wichtig– Endgeräte-, Benutzer-, Dienstmobilität

• Möglichkeiten drahtloser Netze– GSM (Handy-Netze)– Wireless LAN (IEEE 802.11)– Bluetooth, IrDA

• Eigenschaften mobiler Anwendungen– Ortsunabhängigkeit, Lokalisierbarkeit, Sicherheit und

Identifizierbarkeit• Anwendung: Location Based Services

2-38

Zusammenfassung

• Klassifikationskriterien mobiler Endgeräte– Rechenleistung– Speicherkapazität– Größe/Gewicht– Bedienung

• Gerätetypen– Notebooks (groß, hohe Rechenleistung, viel Speicher)– PDAs (klein, mittlere Rechenleistung, wenig Speicher)– Smartphones/Handys (klein, geringere Rechenleistung,

wenig Speicher)– Wearables (Rechenleistung und Speicherausbau sehr

unterscheidlich, werden am Körper getragen)– Smartcards (winzig, kaum Rechenleistung, kaum Speicher)