Drahtlose und mobile Vernetzung

Drahtlose und mobile Vernetzung umfasst die Kommunikation über gemeinsam genutzte Funkverbindungen und die erforderliche Unterstützung, wenn Endsysteme ihren Verbindungspunkt ändern, und erstreckt sich über Wi-Fi, Mobilfunknetze und die Protokolle, die ein sich bewegendes Gerät verbunden halten.

Definition

Drahtlose und mobile Vernetzung ist das Teilgebiet der Computernetzwerke, das sich mit der Datenkommunikation über drahtlose (Funk-)Verbindungen und mit den Netzwerkmechanismen befasst, die Konnektivität, Adressierung und Sitzungen für mobile, ihren Standort wechselnde Endsysteme aufrechterhalten.

Scope

Dieser Bereich behandelt die besonderen Herausforderungen drahtloser Verbindungen – Dämpfung, Interferenz, Mehrwegeausbreitung und ein Hidden-Terminal-Problem, das bei drahtgebundenen Medien nicht auftritt – sowie die Technologien, die diese adressieren: IEEE 802.11 Wireless LANs mit ihrem CSMA/CA-Medienzugriff, Mobilfunknetze von früheren Generationen bis zur 4G/5G-Architektur und Mobilitätsmanagement, das es einem Gerät ermöglicht, Konnektivität und Adressierung beim Wechsel zwischen Netzen beizubehalten. Er behandelt drahtlose Verbindungen als Link- und Zugangstechnologie mit Auswirkungen auf höhere Schichten und schließt die detaillierte physikalische Schichttechnik im Radiofrequenzbereich aus.

Sub-topics

• Mobilfunknetze
• Mobilitätsmanagement
• WLAN und drahtlose Netzwerke
• Eigenschaften drahtloser Verbindungen

Core questions

• Wie unterscheiden sich drahtlose Verbindungen von drahtgebundenen Verbindungen, und wie wirken sich diese Unterschiede auf Protokolle aus?
• Wie entsteht das Hidden-Terminal-Problem, und wie mindert CSMA/CA Kollisionen in Wi-Fi?
• Wie ist ein Mobilfunknetz in Zellen, Basisstationen und einen Kern organisiert, und wie hat es sich über Generationen hinweg entwickelt?
• Wie wird die Adresse und das Routing eines Hosts aufrechterhalten, wenn er sich zwischen Netzen bewegt (Mobilitätsmanagement)?
• Was ist der Unterschied zwischen der Handhabung von Mobilität und der bloßen Handhabung drahtloser Verbindungen?

Key concepts

• Beeinträchtigungen drahtloser Verbindungen (Dämpfung, Interferenz, Mehrwegeausbreitung)
• Hidden-Terminal-Problem
• CSMA/CA
• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• Zugangspunkte und Assoziation
• Mobilfunkzellen und Basisstationen
• Frequenzwiederverwendung
• Handoff (Übergabe)
• Mobile IP und Care-of-Adressen
• 4G/5G-Kernnetze

Key theories

Beeinträchtigungen drahtloser Verbindungen und CSMA/CA

Funkverbindungen leiden unter Signaldämpfung, Interferenz und Mehrwegeausbreitung, und die Kollisionserkennung ist unpraktisch. Daher verwendet Wi-Fi Carrier-Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung plus optionalen RTS/CTS-Handshakes, um das Hidden-Terminal-Problem zu adressieren.

Zellulare Architektur und Frequenzwiederverwendung

Mobilfunknetze teilen eine Region in Zellen auf, die von Basisstationen versorgt werden, und verwenden Frequenzen in nicht benachbarten Zellen wieder, um die spektrale Effizienz zu maximieren. Ein Kernnetzwerk übernimmt die Authentifizierung, das Sitzungsmanagement und die Verbindung zum weiteren Internet.

Mobilitätsmanagement und Indirektion

Um ein sich bewegendes Gerät erreichbar zu halten, muss dessen Standort verfolgt und der Datenverkehr zu seinem aktuellen Netzwerk geleitet werden, klassischerweise über einen Home Agent und eine Care-of-Adresse (Mobile IP) oder, in Mobilfunksystemen, über die Mobilitätsmanagement-Einheiten des Kernnetzwerks.

Clinical relevance

Drahtlose und mobile Vernetzung ist die Art und Weise, wie die meisten Menschen heute das Internet erreichen: Wi-Fi verbindet Haushalte, Büros und öffentliche Räume, während Mobilfunknetze Milliarden von Geräten mit mobilem Breitband versorgen. Das Mobilitätsmanagement ermöglicht eine nahtlose Übergabe (Handoff), wenn sich Benutzer bewegen, und die 5G-Architektur zielt auf Anwendungsfälle mit geringer Latenz und massiver Gerätenutzung ab, wie z. B. Industrieautomation und das Internet der Dinge. Kapazitätsplanung, Spektrumsnutzung und Roaming hängen alle von diesen Konzepten ab.

History

Die Paketfunkforschung in den 1970er Jahren, einschließlich des ALOHA-Systems, etablierte den Zufallszugriff über drahtlose Kanäle. Der IEEE 802.11-Standard (ab 1997) machte drahtlose LANs allgegenwärtig, während sich Mobilfunknetze von analogem 1G über digitales GSM bis hin zu paketbasiertem 4G LTE und 5G entwickelten. Die Mobilitätsunterstützung für IP-Hosts wurde als Mobile IP standardisiert, und moderne Mobilfunkkerne integrieren Mobilität, Sicherheit und IP-Konnektivität.

Key figures

• Charles Perkins
• Norman Abramson
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

Warum verwendet Wi-Fi Kollisionsvermeidung anstelle von Kollisionserkennung wie drahtgebundenes Ethernet?

Ein drahtloser Sender kann im Allgemeinen während des Sendens keine Kollisionen abhören, da sein eigenes Signal jedes eingehende Signal überlagert, und eine Station hört möglicherweise nicht einmal eine andere, die am Empfänger kollidiert (das Hidden-Terminal-Problem). Daher vermeidet Wi-Fi Kollisionen im Voraus durch Trägererkennung, zufälligen Backoff und Bestätigungen, anstatt sie mitten in der Übertragung zu erkennen.

Was ist der Unterschied zwischen einem drahtlosen Netzwerk und einem mobilen Netzwerk?

Drahtlos bezieht sich auf die Verwendung einer Funkverbindung anstelle eines Kabels für einen einzelnen Hop, während Mobilität sich darauf bezieht, dass ein Gerät seinen Verbindungspunkt zum Netzwerk im Laufe der Zeit ändert. Ein Gerät kann drahtlos, aber stationär sein oder mobil über drahtgebundene Docking-Punkte; mobiles Networking befasst sich speziell damit, die Konnektivität und Adressierung intakt zu halten, wenn sich der Verbindungspunkt ändert.