DE10054046A1 - System for producing mobile communication services based on independent radio access points connected to internet, in which private access point is made available to third parties - Google Patents

System for producing mobile communication services based on independent radio access points connected to internet, in which private access point is made available to third parties

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DE10054046A1
DE10054046A1 DE2000154046 DE10054046A DE10054046A1 DE 10054046 A1 DE10054046 A1 DE 10054046A1 DE 2000154046 DE2000154046 DE 2000154046 DE 10054046 A DE10054046 A DE 10054046A DE 10054046 A1 DE10054046 A1 DE 10054046A1
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Bernhard Walke
Marc Peter Althoff
Ian Herwono
Peter Seidenberg
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Abstract

The system is organizes and coordinates independent radio-access points with internet connections, such that wireless terminals that are within radio coverage of a radio access point can use the internet and can be contacted via the access point, under the control of an authority connected to the internet.

Description

1. Stand der Technik und Merkmale der Erfindung1. State of the art and features of the invention

Kommunikationsdienste für mobile Nutzer werden momentan durch zellulare Netze der 2. und 3. Generation erbracht, mit Ausnahme solcher Dienste, die nur lokal durch Schnurlos- und Drahtlossysteme erbracht werden. Der Aufbau und Betrieb solcher Netze ist mit erheblichen Kosten und planerisch-organisatorischem Aufwand verbunden. Um die hohen Investitionen für Aufbau und Betrieb zu schützen, werden solche Netze in lizenzierten Frequenzbändern betrieben. Dadurch ist die Zahl konkurrierender Betreiber solcher Netze begrenzt. Durch die exklusive Zuweisung eines Frequenzbandes an jeweils einen Betreiber eines Mobilfunknetzes kann der Betreiber die Dienstgüte planen und steuern. Die Komponenten der fest installierten Infrastruktur eines solchen Mobilfunknetzes werden vom Betreiber verwaltet; u. U. verfügt der gegenüber dem Mobilfunkbenutzer auftretende Dienstanbieter über keine Netzinfrastruktur sondern hat lediglich Übertragungskapazität von einem Infrastrukturbetreiber gemietet.Communication services for mobile users are currently through cellular networks the 2nd and 3rd generation, with the exception of those services that are provided only locally Cordless and wireless systems are provided. The construction and operation of such Networks is associated with considerable costs and planning and organizational effort connected. To protect the high investments for construction and operation such networks operated in licensed frequency bands. This is the number competing operators of such networks are limited. Through the exclusive assignment of a frequency band to an operator of a mobile radio network Operators plan and control the quality of service. The components of the permanently installed The infrastructure of such a cellular network is managed by the operator; u. U. the service provider acting towards the mobile phone user does not have any Network infrastructure but only has transmission capacity of one Infrastructure operators rented.

Der Zugang zum festen Internet wird für Firmen und Privatpersonen zunehmend leichter und kostengünstiger. Pauschalgebühren, also nicht zeitabhängig abgerechnete Zugänge zum Internet, ermöglichen Firmen und Privatpersonen einen permanenten Internetzugang, um z. B. einen Arbeitsplatzrechner ständig am Internet betriebsfähig zu halten, so daß der Rechner ständig senden und empfangen kann.The access to the fixed internet is increasing for companies and private individuals lighter and cheaper. Flat-rate fees, i.e. not time-dependent billed access to the Internet, enable companies and private individuals permanent internet access, e.g. B. a workstation constantly on the Internet keep operational so that the computer can send and receive constantly.

Neben dem drahtgebundenen Internetzugang stehen eine Vielzahl von leistungsfähigen Systemen zur drahtlosen Nahbereichskommunikation zwischen Rechnern sowie mit anderen digital arbeitenden Geräten (z. B. Mobiltelefone) kostengünstig zur Verfügung, z. B. drahlose lokale Netze (WLAN) nach den Standards IEEE 802.11, Hiperlan/2, Bluetooth und andere. Diese Drahtlossysteme übertragen in nicht-lizenzierten Frequenzbändern und erweitern den Internet-Zugang auf drahtlos angeschlossene Endgeräte.In addition to wired Internet access, a large number of powerful systems for wireless short-range communication between computers and with other digital devices (e.g. cell phones) are available at low cost, e.g. B. wireless local area networks (WLAN) according to the standards IEEE 802.11 , Hiperlan / 2, Bluetooth and others. These wireless systems transmit in non-licensed frequency bands and expand Internet access to wirelessly connected devices.

Die Erfindung beschreibt ein System, das mit Hilfe von Drahtlossystemen für die Nahbereichskommunikation Kommunikationsdienste für mobile Endgeräte anbietet, wobei die bei Mobilfunknetzen der 2. und 3. Generation anfallenden Kosten und der planerisch-organisatorische Aufwand entfallen.The invention describes a system using wireless systems for the Short-range communication offers communication services for mobile devices,  the costs incurred in the 2nd and 3rd generation mobile networks and planning-organizational effort is eliminated.

Das erfindungsgemäße System besteht aus Funkzugangspunkten, im folgenden FZP genannt, mit Verbindung zum Internet und ist durch folgende Merkmale charakterisiert:
The system according to the invention consists of radio access points, hereinafter referred to as FZP, with a connection to the Internet and is characterized by the following features:

  • - Das System erbringt Kommunikationsdienste für bewegliche und mobile Teilnehmer, auch mit Bewegung während der Kommunikation.- The system provides communication services for mobile and mobile Participants, even with movement during communication.
  • - Als Transportnetz des Systems dient das Internet mit seiner vorhandenen Infrastruktur, das ein Netz aus Kommunikationsnetzen ist.- The Internet with its existing network serves as the system's transport network Infrastructure that is a network of communication networks.
  • - Jedes über eine IP-Adresse im Internet adressierbare Endgerät kann durch Ausrüstung mit einem Funkmodem zu einem FZP werden, in dessen Funkversorgungs-Umgebung der drahtlose Zugang zum Internet möglich ist. Das Internet-Endgerät selbst kann drahtlos oder über ein festes Medium mit dem Internet verbunden sein.- Any device that can be addressed via an IP address on the Internet can be Equipment with a radio modem to become an FZP, in the Radio supply environment that allows wireless access to the Internet. The Internet terminal itself can be wireless or via a fixed medium connected to the internet.
  • - Die FZP werden im lizenzfreien oder lizenzierten Spektrum betrieben.- The FZP are operated in the license-free or licensed range.
  • - FZP sind unabhängig und unterliegen typischerweise der Kontrolle des Eigentümers des jeweiligen Internet-Endgerätes, d. h. niemand außer dem Betreiber eines oder mehrerer FZP koordiniert den Auf- und Abbau bzw. das An- und Abschalten eines einzelnen FZP.- FZP are independent and are typically under the control of the Owner of the respective internet device, d. H. nobody but that Operator of one or more FZP coordinates the assembly and dismantling or the Switching a single FZP on and off.
  • - Die durch einen FZP für fremde Drahtlos-Terminals mögliche Dienstgüte bei der Erbringung von Kommunikationsdiensten unterliegt den vom jeweiligen Betreibers des FZP festgelegten Regeln.- The quality of service possible by an FZP for external wireless terminals the provision of communication services is subject to the respective Operator of the FZP established rules.
  • - Die Verbindung des FZP mit dem Internet liegt in der Verantwortung des Betreibers des FZP.- The connection of the FZP to the Internet is the responsibility of the FZP operator.
  • - Der Betreiber des FZP benutzt standardisierte Drahtlossysteme, die den Regeln der jeweiligen Regulierungsbehörde für die Nutzung des Funkspektrums genügen.- The operator of the FZP uses standardized wireless systems that the Rules of the respective regulatory authority for the use of the Radio spectrum are sufficient.
2. Nutzen der Erfindung2. Benefits of the invention

Die Erfindung löst das Problem, dass der Betrieb eines Mobilfunknetzes zur überregionalen Versorgung von mobilen Endgeräten mit mobilen Kommunikationsdiensten mit erheblichem finanziellem Aufwand verbunden ist, z. B. für den Erwerb einer Lizenz, für die Verwaltung, den Aufbau und Betrieb des Netzes sowie für planerisch-organisatorische Maßnahmen. Durch die Nutzung des öffentlichen Internets als Transportnetz kann jeder, dessen Infrastruktur (z. B. Arbeitsplatzrechner) mit dem Internet verbunden ist, diese Infrastruktur, wie in Abb. 5 dargestellt ist, durch Ausstattung mit einem Funkmodem zu einem FZP machen und die von ihm nicht benötigte Rechen- und Übertragungsleistung zur Erbringung von Kommunikationsdiensten für mobile Endgeräte zur Verfügung stellen, die dem Betreiber des FZP weder bekannt noch bewußt sind. Dadurch, dass sowohl das Transport-(Internet) als auch das Funkzugangs-Netz durch vorhandene Infrastruktur realisiert ist und daß freie Rechen- und Übertragungsleistung Dritten zur Verfügung gestellt wird, ist sowohl der Aufbau als auch der Betrieb eines solchen Mobilfunknetzes kostengünstig möglich. Das Transportnetz besteht aus dem Internet, und für den Funkzugang werden standardisierte Drahtlossysteme verwendet, die im nicht-lizenzierten oder lizenzierten Spektrum betrieben werden. Eine Koordination der FZP ist nicht erforderlich, um Kommunikationsdienste zu erbringen. Die FZP müssen sich daher weder im Besitz noch in der Verantwortung eines Netzbetreibers befinden. Die wegen der kostengünstigen und unkoordinierten Realisierung eines solchen Mobilfunknetzes zu erwartende Eigeninitiative der einzelnen Betreiber von FZP beim Aufbau und Betrieb von FZP führt ohne Steuerung durch einen Netzbetreiber zu einer weitverbreiteten und kostengünstigen Versorgung mit mobilen Kommunikationsdiensten. Um einen Anreiz zum Betrieb eines FZP zu schaffen, könnte dem FZP-Betreiber als Gegenleistung erlaubt sein, andere FZP für den drahtlosen Internetzugang zu nutzen. Es muß nicht erwähnt werden, daß für das erfindungsgemäße System typischerweise keine landesweit flächendeckende, sondern nur eine unzusammenhängende Funkversorgung erreicht wird.The invention solves the problem that the operation of a mobile radio network for the supraregional supply of mobile devices with mobile communication services is associated with considerable financial outlay, for. B. for the acquisition of a license, for the administration, construction and operation of the network as well as for planning-organizational measures. By using the public Internet as a transport network, anyone whose infrastructure (e.g. workstation) is connected to the Internet can, as shown in Fig. 5, turn this infrastructure into an FZP by using a radio modem and by him provide unnecessary computing and transmission services for the provision of communication services for mobile devices that are neither known nor conscious to the operator of the FZP. The fact that both the transport (Internet) and the radio access network is realized by existing infrastructure and that free computing and transmission power is made available to third parties, both the construction and the operation of such a mobile radio network are possible at low cost. The transport network consists of the Internet and standardized wireless systems are used for radio access, which are operated in the unlicensed or licensed spectrum. It is not necessary to coordinate the FZP in order to provide communication services. The FZP therefore do not have to be owned or responsible by a network operator. The personal initiative of the individual operators of FZP to be expected due to the cost-effective and uncoordinated implementation of such a cellular network when setting up and operating FZP leads to a widespread and inexpensive supply of mobile communication services without control by a network operator. In return, in order to create an incentive to operate an FZP, the FZP operator could be allowed to use other FZPs for wireless Internet access. It need not be mentioned that for the system according to the invention typically no nationwide radio coverage, but only an unrelated radio coverage is achieved.

Das erfindungsgemäße System löst das Problem, dass ein Betreiber eines Mobilfunknetzes im an ihn lizenzierten Spektrum eine Funkversorgung nur in dem Maße sicherstellt, wie es die Lizenzbedingungen von ihm fordern und wie es ihm darüber hinaus wirtschaftlich erscheint. Das erfindungsgemäße System realisiert eine Funkversorgung, die aus der Eigeninitiative der Betreiber von FZP resultiert und kann überall mobile Kommunikationsdienste erbringen wo ein FZP Betreiber sie selbst benötigt oder wo er es sonst für sinnvoll hält (z. B. in der eigenen Wohnung, auf Firmengeländen, Flughäfen, im eigenen Fahrzeug, usw.), wobei die von ihm betriebenen FZP Teil des Gesamtsystems sind und keiner Koordinierung unterliegen.The system according to the invention solves the problem that an operator of a Cellular network in the spectrum licensed to him a radio coverage only in the Measures how the license terms require it and how it does it moreover appears economical. The system according to the invention realizes a Radio coverage that results from the initiative of the operators of FZP and can  provide mobile communication services wherever an FZP operator provides them or wherever he thinks it makes sense (e.g. in your own home) Company premises, airports, in your own vehicle, etc.), taking from him operated FZP are part of the overall system and are not subject to coordination.

Die FZP können den Nachrichtenverkehr eigener und fremder mobiler Endgeräte entweder direkt ins Internet abführen oder an einen Vermittlungsknoten weiterleiten, der unter der Kontrolle eines Internet-Dienstleisters steht. Im letztgenannten Fall wird der Verkehr von diesem Knoten durch das Internet an den Zielpunkt weitergeleitet. Umgekehrt wird jeder Verkehr zum mobilen Endgerät über den Knoten zu dem FZP geleitet, über den er das Internet zuletzt erreicht hat, bzw. in einen Nachrichtenspeicher für einen späteren Abruf abgelegt, vergl. Abb. 6. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Integrität der FZP-Infrastruktur und die Integrität der Daten des drahtlosen Terminals gewahrt bleiben, wenn die über Funk empfangenen Daten zwangsläufig an einen Knoten außerhalb der FZP-Infrastruktur geleitet werden. Die hierfür eingesetzte erfindungsgemäße Software und Hardware unterliegt einzig der Kontrolle des Betreibers des FZP. Er kann daher sicherstellen, dass die Integrität des FZP geschützt bleibt. Die Sicherheit der übertragenen Daten wird durch verschlüsselte Übertragung zwischen mobilem Endgerät und dem Internet-Zugangsknoten erreicht. Damit bleiben dem Betreiber des FZP die Inhalte der übertragenen Nachrichten des mobilen Endgeräte fremder Nutzer des FZP verschlossen.The FZP can either direct the message traffic of its own and third-party mobile devices directly to the Internet or forward it to a switching node that is under the control of an Internet service provider. In the latter case, traffic from this node is forwarded through the Internet to the destination. Conversely, all traffic to the mobile device is routed via the node to the FZP via which it last accessed the Internet or is stored in a message store for later retrieval, see Fig. 6. This procedure has the advantage that the integrity the FZP infrastructure and the integrity of the data of the wireless terminal are maintained if the data received via radio is necessarily routed to a node outside the FZP infrastructure. The software and hardware used for this purpose is solely under the control of the operator of the FZP. He can therefore ensure that the integrity of the FZP remains protected. The security of the transmitted data is achieved through encrypted transmission between the mobile terminal and the Internet access node. The operator of the FZP thus remains closed to the contents of the transmitted messages from the mobile terminal devices of third-party users of the FZP.

Ein Internet-Knoten kann Eigenschaften von FZP lernen und so die Dienstgüte an die verfügbare Übertragungsraten der Drahtlosschnittstelle zum mobilen Endgerät und der Schnittstelle zwischen dem FZP und dem Internet anpassen, z. B. durch Umcodierung von Inhalten wie Bild- oder Tondaten.An Internet node can learn properties of FZP and thus the quality of service the available transmission rates of the wireless interface to the mobile device and adapt the interface between the FZP and the Internet, e.g. B. by Recoding of content such as image or sound data.

Auf einem solchen Knoten kann eine Mobiliätssteuerung in der Weise realisiert werden, dass der Knoten sicherstellt, dass die vom mobilen Nutzer angeforderten Daten, die bei Verlassen des Funkversorgungsbereiches eines FZP noch nicht übertragen sind, ihm beim Eintritt in den Funkversorgungsbereich eines anderen FZP zugestellt werden.Mobility control can be implemented in this way on such a node that the node ensures that those requested by the mobile user Data that does not yet exist when leaving the radio coverage area of an FZP are transferred to him when entering the radio coverage area of another FZP be delivered.

Es bleibt zu erwähnen, dass die durch einen FZP realisierte Funkversorgung einer Umgebung, die durch Dritte genutzt werden kann, auch als vagabundierende Versorgung bezeichnet werden kann, die nicht gezielt sondern vom FZP-Betreiber unbeabsichtigt erzeugt wird, weil er für eigene Zwecke einen FZP benötigt.It should be mentioned that the radio coverage realized by an FZP is a Environment that can be used by third parties, also as vagabond  Care can be called that not targeted but by the FZP operator is generated unintentionally because it needs an FZP for its own purposes.

3. Exemplarische Realisierung eines Systems zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet3. Exemplary implementation of a system for the provision of mobile Communication services based on independent Radio access points with a connection to the Internet

Die vorgestellte beispielhafte Realisierung eines Systems im Sinne der Erfindung basiert auf Funkzugangspunkten, die auf der Funkstrecke Funktechnik nach dem IEEE 802.11 Standard einsetzen. Die mobilen Endgeräte verwenden ebenfalls Funktechnik nach dem Standard IEEE 802.11. Abb. 1 zeigt die Architektur eines solchen Systems, der Übersichtlichkeit wegen nur mit zwei Funkzugangspunkten (Access Point). Das Internet dient als Transportnetz für das System, ein Knoten dient zur Realisierung von Sicherheitsmechanismen und zur Mobilitätsverwaltung. Mobile Endgeräte sind in der Lage, über jeden Access Point untereinander oder z. B. mit einem Web-Server zu kommunizieren.The exemplary implementation of a system in the sense of the invention is based on radio access points that use radio technology on the radio link according to the IEEE 802.11 standard. The mobile devices also use radio technology according to the IEEE 802.11 standard. Fig. 1 shows the architecture of such a system, for the sake of clarity only with two radio access points (access point). The Internet serves as a transport network for the system, a node is used to implement security mechanisms and to manage mobility. Mobile devices are able to communicate with each other via each access point or e.g. B. to communicate with a web server.

Abb. 2 zeigt die Protokollstapel eines mobilen Terminals, eines FZP und eines Zugangs-Knotens, jeweils bis zur Netzschicht. Auf Ebene der Netzschicht kommunizieren alle Teile des Netzes über das Internet Protocol (IP). Auf Ebene der physikalischen und der MAC-Schicht (Medium Access Control Layer) verwenden Terminal und Access Point IEEE 802.11 Protokolle. Das Internet ist hier vereinfachend als Ethernet nach IEEE 802.3 Standard dargestellt, so daß Knoten und Access Point auf Schicht 1 und auf MAC-Schicht über IEEE 802.3 Protokolle kommunizieren. Gleiches gilt für den Knoten und jeder anderen Instanz im Internet, z. B. einem anderen Access Point. Fig. 2 shows the protocol stacks of a mobile terminal, an FZP and an access node, each up to the network layer. At the network layer level, all parts of the network communicate via the Internet Protocol (IP). At the physical and MAC (Medium Access Control Layer) level, the terminal and access point use IEEE 802.11 protocols. The Internet is shown here in simplified form as Ethernet according to the IEEE 802.3 standard, so that nodes and access points on layer 1 and on the MAC layer communicate via IEEE 802.3 protocols. The same applies to the node and every other instance on the Internet, e.g. B. another access point.

Die Anwendung im mobilen Terminal kommuniziert über eine IP-Schicht, deren Datenpakete mittels eines Tunnel Protokolls durch den Access Point zum Knoten weitergeleitet (getunnelt) werden. Zu diesem Zweck beinhaltet der Protokollstapel des mobilen Endgerätes und des Zugangs-Knotens zwei durch die Tunnel- Protokollschicht getrennte IP-Schichten, im folgenden obere und untere IP-Schicht genannt. Die unteren IP-Schichten des Endgerätes und die IP-Schichten im FZP dienen dem Datentransport durch den Tunnel.The application in the mobile terminal communicates via an IP layer, the Data packets using a tunnel protocol through the access point to the node be forwarded (tunneled). For this purpose, the protocol stack includes of the mobile terminal and the access node two through the tunnel Protocol layer separate IP layers, in the following upper and lower IP layer  called. The lower IP layers of the end device and the IP layers in the FZP are used to transport data through the tunnel.

Die untere IP-Schicht im Terminal dient zur Kommunikation mit dem Access Point. Sie kann entweder eine vom Access Point zugewiesene oder eine im Internet nicht geroutete IP-Adresse haben.The lower IP layer in the terminal is used for communication with the access point. It can either be one assigned by the access point or one on the Internet have a routed IP address.

Der Knoten kann dann als Router dienen und IP-Pakete Richtung Zieladresse und umgekehrt weiterleiten. Ist die untere IP-Schicht des Terminals über eine Adresse adressierbar, die nicht zum Subnetz des Access Points gehört, so reicht ein einfaches routing der IP-Pakete im Access Point nicht aus. In diesem Fall kann der Access Point die Adresse des Mobilen Terminals in eine andere IP-Adresse "übersetzen" (Network Address Translation) oder die IP-Pakete "maskieren" (Port and Address Translation). Im letzen Fall muß eine Funktion im Knoten die Erreichbarkeit von "maskierten" Terminals sicherstellen.The node can then serve as a router and IP packets towards the destination address and forward the other way round. Is the lower IP layer of the terminal via an address addressable that does not belong to the subnet of the access point is enough simple routing of the IP packets in the access point is not sufficient. In this case, the Access point the address of the mobile terminal into another IP address "translate" (Network Address Translation) or "mask" the IP packets (Port and Address translation). In the latter case, a function in the node must be accessible from "masked" terminals.

Die untere IP-Schicht im Knoten ist über eine bekannte IP-Adresse adressierbar, die Adresse der rechten IP-Schicht des Access Points unterliegt der Kontrolle des Betreibers des Access Points bzw. dem Internet Service Provider, der den Zugang zum Internet zur Verfügung stellt.The lower IP layer in the node can be addressed via a known IP address, the The address of the right IP layer of the access point is under the control of the Operator of the access point or the Internet service provider who granted access to the Internet.

Die IP-Adresse der oberen IP-Schicht des Terminals kann entweder dynamisch, z. B. vom Knoten zugeteilt werden oder eine Adresse sein, die das Terminal in seinem Heimatnetz hat. In diesem Fall muß der Knoten als foreign-agent für das mobile-IP Protokoll dienen.The IP address of the upper IP layer of the terminal can either be dynamic, e.g. B. be allocated by the node or be an address that the terminal in its Home network. In this case, the node must act as a foreign agent for the mobile IP Serve protocol.

Ein mobiles Terminal, das sich in den Versorgungsbereich eines FZP begibt, synchronisiert sich auf das IEEE 802.11 Funkmodem des Access Points. Die untere IP-Schicht des Terminals findet die MAC-Adresse des Access Points über das Address Resolutinon Protocol (ARP). Der Access Point hat eine Verbindung zum Internet und kennt die Adresse des Zugangs-Knotens.A mobile terminal that goes into the coverage area of an FZP synchronizes with the IEEE 802.11 radio modem of the access point. The lower IP layer of the terminal finds the MAC address of the access point via the Address Resolutinon Protocol (ARP). The access point is connected to the Internet and knows the address of the access node.

Im folgenden wird das Versenden eines IP-Paketes vom mobilen Terminal zu einem Web-Server (WS) mit der IP-Adresse AdrWS erläutert. Der Austausch von IP- Paketen ist in Abb. 3 dargestellt. The sending of an IP packet from the mobile terminal to a web server (WS) with the IP address AdrWS is explained below. The exchange of IP packets is shown in Fig. 3.

Der Knoten habe die IP-Adressen AdrKu (untere IP-Schicht) und AdrKo (obere IP- Schicht). Das Terminal habe die IP-Adressen AdrTo (obere IP-Schicht) und AdrTu (untere IP-Schicht). Auf dem Access Point wird Network Address Translation angewandt. Der Access Point habe hierzu die IP-Adressen AdrAPa und AdrAPb.The node has the IP addresses AdrKu (lower IP layer) and AdrKo (upper IP Layer). The terminal has the IP addresses AdrTo (upper IP layer) and AdrTu (lower IP layer). On the access point is Network Address Translation applied. For this purpose, the access point has the IP addresses AdrAPa and AdrAPb.

Die obere IP-Schicht im mobilen Terminal übergibt ein Paket
[source: AdrTo, destination: AdrWS]
an das Tunnel Protokoll. Dieses verschlüsselt den Inhalt sowie die Zieladresse und verschickt diese Daten über die untere IP-Schicht Richtung Knoten. Das mobile Terminal versendet dann über den IEEE 802.11 Protokollstapel ein Paket
[source: AdrTu, destination: AdrKu]
an den Access Point. Der Access Point "übersetzt" die Adresse des Senders und schickt das Paket
[source: AdrAPb, destination: AdrKu]
über das Internet an den Knoten. Hier wird das IP-Paket durch das Tunnel Protokoll entschlüsselt, wieder hergestellt und an die obere IP-Schicht übergeben. Der Knoten routet das Paket
[source: AdrKo, destination: AdrWS]
dann Richtung Web-Server.The upper IP layer in the mobile terminal transfers a packet
[source: AdrTo, destination: AdrWS]
to the tunnel protocol. This encrypts the content and the destination address and sends this data over the lower IP layer towards the node. The mobile terminal then sends a packet using the IEEE 802.11 protocol stack
[source: AdrTu, destination: AdrKu]
to the access point. The access point "translates" the sender's address and sends the packet
[source: AdrAPb, destination: AdrKu]
over the internet at the nodes. Here the IP packet is decrypted by the tunnel protocol, restored and handed over to the upper IP layer. The node routes the packet
[source: AdrKo, destination: AdrWS]
then towards the web server.

Umgekehrt werden Pakete vom Web-Server zum mobilen Terminal zunächst an den Knoten geschickt und anschließend von dort über den Access Point zum mobilen Terminal getunnelt.Conversely, packets are first sent from the web server to the mobile terminal Nodes and then from there via the access point to the mobile Terminal tunneled.

Der Knoten hat für das vorgestellte beispielhafte System eine Schlüsselfunktion, weil er dazu dient, die Berechtigung drahtloser Terminals zu Nutzung des Systems zu prüfen und weil sämtliche Datenkommunikation unter seiner seiner Kontrolle abläuft, z. B. über ihn oder andere von ihm benannte Knoten. Außerdem ist er der Router, über den drahtlose Terminals erreicht werden können.The node has a key function for the exemplary system presented because it serves to authorize wireless terminals to use the system check and because all data communication is under his control, z. B. about him or other nodes named by him. He’s also the router can be reached via the wireless terminals.

Wird mobile IP verwendet, werden IP-Pakete auf dem Weg vom Sender zum Empfänger zweimal getunnelt, z. B. einmal vom home agent zum foreign agent auf dem Knoten und dann vom Knoten durch den Access Point zum Terminal. Dieser doppelte Tunnel löst folgende Probleme:
If mobile IP is used, IP packets are tunneled twice on the way from the sender to the recipient, e.g. B. once from home agent to foreign agent on the node and then from the node through the access point to the terminal. This double tunnel solves the following problems:

  • - Mobile IP ist meistens im LAN des FZP nicht vorhanden. - Mobile IP is usually not available in the LAN of the FZP.  
  • - Mobile IP gewährleistet nicht die Abhörsicherheit auf dem FZP- Mobile IP does not guarantee security against eavesdropping on the FZP
  • - Mobile IP gewährleistet nicht die Integrität des FZP- Mobile IP does not guarantee the integrity of the FZP
  • - Mobile IP ist nicht für schnelle Mobilität geeignet.- Mobile IP is not suitable for fast mobility.

Das hier exemplarisch vorgestellte System hat folgende Eigenschaften:
The system presented here as an example has the following properties:

  • - Das Funkmodem kann ohne gesonderte Lizenz in einem Spektrum betrieben werden. Ebenso ist auch der Betrieb durch einen lizenzierten Betreiber möglich.- The radio modem can be operated in a spectrum without a separate license become. Operation by a licensed operator is also possible.
  • - Die IP-Adresse des Access Points im Internet unterliegt bis auf die Vorgaben des Internet Service Providers keiner weiteren Einschränkung, ist also vom Betrieb des Gesamtsystems unabhängig.- The IP address of the access point on the Internet is subject to the requirements of Internet service providers have no further restriction, so it is operational independent of the overall system.
  • - Die Funktion Network Address Translation oder Port and Address Translation muß auf dem Gerät, das als Access Point dienen soll, realisiert werden. Für beide Funktionen existiert frei verfügbare Software.- The Network Address Translation or Port and Address Translation function must be implemented on the device that is to serve as the access point. For both Functions exist freely available software.
  • - Jedes mit dem Internet verbundene Gerät kann also in Verbindung mit dem Funkmodem zum Access Point werden, ohne daß es einer Koordinierung durch einen Netzbetreiber bedarf. Die FZP sind demnach unabhängig und unterliegen der Willkür des Betreibers des FZP.- Every device connected to the Internet can therefore be connected to the Radio modem become an access point without being coordinated by needs a network operator. The FZP are therefore independent and subject to the arbitrariness of the operator of the FZP.
  • - Jedes mobile Endgerät, das über ein entsprechendes Funkmodem verfügt, kann über jeden beliebigen Access Point mit jedem im Internet adressierbaren Rechner kommunizieren, also auch mit anderen mobilen Terminals.- Any mobile device that has a corresponding radio modem can via any access point with any computer addressable on the Internet communicate, also with other mobile terminals.

Im Sinne der Kommerzialisierung des Systems soll der jeweilige Betreiber eines FZP (Access Point) für die Bereitstellung des mobilen Internetzugangs und die damit verbundenen erbrachten Dienste zur Weiterleitung der IP-Paketen der mobilen Terminals an den Zugangsknoten und umgekehrt entlohnt werden.In the sense of commercializing the system, the respective operator of an FZP (Access Point) for the provision of mobile Internet access and with it connected services provided to forward the IP packets of the mobile Terminals at the access nodes and vice versa.

Die Abrechnung zwischen den FZP- und Knotenbetreibern soll auf dem Gesamtvolumen der erfolgreich weitergeleiteten IP-Paketen basieren. Der Zugangsknotenbetreiber kann dies anhand der IP-Adresse des Senders, die bei jedem IP-Paket mit angegeben wird, kontrollieren. Allerdings könnten beispielsweise die IP-Pakete auf ihrem Übertragungsweg zum Zugangsknoten von einem Angreifer so manipuliert werden (man-in-the-middle attack), dass sie danach eine andere Sender-Adresse zugunsten des Angreifers tragen, ohne dass der sendende FZP bzw. der empfangende Knoten dies bemerken. Dies gilt auch für die andere Übertragungsrichtung, also vom Knoten zu FZP.The settlement between the FZP and node operators should on the Total volume of successfully forwarded IP packets based. The Access node operators can do this based on the sender's IP address, which is included in the check with every IP packet. However, for example the IP packets on their way to the access node from an attacker are manipulated (man-in-the-middle attack) so that they can Wear the sender address in favor of the attacker, without the sending FZP  or the receiving node notices this. This also applies to the other Direction of transmission, i.e. from the node to the FZP.

Zwischen dem FZP und dem Knoten erfolgt daher zu Beginn der Bereitstellung des mobilen Internetzugangs eine gegenseitige Authentisierung, in der auch der Austausch eines oder mehrerer Geheimschlüssel und anderer sicherheitsrelevanter Informationen (z. B. temporäre FZP-Identifikationsnummer), die eine manipulier­ sichere und gerechte Abrechnung ermöglichen, stattfindet. Da solche Sicherheitsprotokolle meistens nur auf Basis der Public-Key-Kryptographie realisiert werden können, müssen FZP und Zugangsknoten Zertifikate besitzen, die von einer vertrauenswürdigen Zertifizierungsinstanz erstellt bzw. signiert werden. Die ausgetauschten sicherheitsrelevanten Informationen sind nur solange gültig wie ein mobiler Internetzugang vom FZP zur Verfügung gestellt werden kann. Zu Beginn der nächsten Bereitstellung des mobilen Internetzugangs ist eine erneute Authentisierung und ein Schlüsselaustausch erforderlich.Therefore, between the FZP and the node, the mobile Internet access a mutual authentication, in which also the Exchange of one or more secret keys and other security-relevant ones Information (e.g. temporary FZP identification number) that manipulates enable secure and fair billing takes place. Because such Security protocols mostly only implemented on the basis of public key cryptography FZP and access nodes must have certificates issued by a trusted certification authority can be created or signed. The Exchanged security-relevant information is only valid as long as one mobile internet access can be provided by the FZP. At the beginning of The next provision of mobile internet access is a new authentication and key exchange required.

Zusätzlich zu den Sicherheitsmaßnahmen gegen den o. g. man-in-the-middle-attack, werden geeignete Protokolle dafür verwendet, um zu gewährleisten, dass die vom Knoten gesendeten IP-Pakete, die vom Terminal angefordert wurden, auch beim adressierten mobilen Terminal ankommen, damit eine gerechte Abrechung dem FZP und dem mobilen Terminal gegenüber erfolgen kann.In addition to the security measures against the above. man-in-the-middle attack, Appropriate protocols are used to ensure that the IP packets sent by nodes that were requested by the terminal, also at addressed mobile terminal arrive so that a fair billing the FZP and can take place opposite the mobile terminal.

Die Verwendung eines Knotens ist für die Realisierung des Systems nicht obligatorisch. Abb. 4 zeigt die Protokollstapel einer exemplarischen Realisierung des Systems ohne Knoten. Das mobile Terminal unterhält eine IP-Verbindung mit dem FZP und hat dabei eine beliebige IP-Adresse, die vom FZP vergeben werden kann. Der FZP realisiert die Funktion Port and Address Translation (PAT). Das mobile Terminal ist dann über die IP-Adresse des Access Points im Internet und einen TCP Port eindeutig adressierbar. Ein Nachteil dieser Realisierung ist, daß nicht allgemein bekannt ist, unter welcher IP-Adresse und insbesondere unter welchem TCP-Port das Terminal erreichbar ist.The use of a node is not mandatory for the implementation of the system. Fig. 4 shows the protocol stack of an exemplary implementation of the system without nodes. The mobile terminal maintains an IP connection with the FZP and has any IP address that can be assigned by the FZP. The FZP implements the Port and Address Translation (PAT) function. The mobile terminal can then be uniquely addressed via the IP address of the access point on the Internet and a TCP port. A disadvantage of this implementation is that it is not generally known under which IP address and in particular under which TCP port the terminal can be reached.

Die Mobilitätsfunktion (Mob) ist optional. Sie sorgt dafür, daß beim Verlassen des Funkbereichs des FZP keine vom Endgerät angeforderten Daten verloren gehen. The mobility function (mob) is optional. It ensures that when leaving the Radio area of the FZP no data requested by the terminal is lost.  

Dies kann dadurch gewährleistet werden, daß dem Terminal die IP-Adresse und der TCP-Port mitgeteilt werden, unter der es im Internet adressierbar ist. Verlässt das Terminal den Funkbereich des FZP, so speichert die Mob im verlassenen FZP alle für das Terminal bestimmten Daten, die während der Abwesenheit des Terminals am FZP ankommen. Tritt das Endgerät in den Versorgungsbereich eines anderen FZP ein, so nimmt die Mob im Endgerät über seine alte IP-Adresse und den entsprechenden TCP-Port Kontakt mit der Mob des verlassenen FZP auf, um eventuell aufgelaufene Daten anzufordern.This can be ensured by assigning the terminal the IP address and the TCP port are communicated under which it can be addressed on the Internet. Leave that Terminal the radio area of the FZP, the mob saves all in the abandoned FZP Data destined for the terminal that is available on the FZP arrive. If the end device enters the coverage area of another FZP the mob in the end device takes over its old IP address and the corresponding TCP port contact the mob of the abandoned FZP to to request any accumulated data.

Die Adressierbarkeit eines Terminals kann durch eine verteilt oder zentral realisierte Datenbank gewährleistet werden, die eine Identität des Terminals (z. B. Identifikationsnummer) in die entsprechende IP-Adresse und einen TCP-Port auflöst. Auch ein solches System hat die in den Ansprüchen formulierten Eigenschaften.The addressability of a terminal can be distributed or centrally implemented Database that guarantees an identity of the terminal (e.g. Identification number) into the corresponding IP address and a TCP port. Such a system also has the properties formulated in the claims.

Claims (12)

1. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass das System unabhängige Funkzugangspunkte mit Verbindung zum Internet derart organisiert und koordiniert, dass drahtlose Terminals, die sich im Funkversorgungsbereich eines FZP befinden, über ihn unter Steuerung einer mit dem Internet verbundenen Instanz das Internet benutzen können und erreichbar sind.1. System for the provision of mobile communication services based on independent radio access points connected to the Internet, characterized in that the system organizes and coordinates independent radio access points connected to the Internet in such a way that wireless terminals located in the radio coverage area of an FZP use it under the control of an instance connected to the Internet, can use the Internet and are reachable. 2. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass das System nicht von einem Betreiber allein, sondern gemeinsam von den Betreibern von Funkzugangspunkten und Betreibern des Internet betrieben wird.2. System for the provision of mobile communication services on the basis of independent radio access points with a connection to the Internet characterized that the system is not by one operator alone, but together by the operators of radio access points and operators of the Internet is operated. 3. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass jedes im Internet adressierbare Gerät in Verbindung mit einem Funkmodem ein Funkzugangspunkt zum System sein kann, über den drahtlose Terminals erreicht werden und das Internet nutzen können.3. System for the provision of mobile communication services on the basis of independent radio access points with a connection to the Internet characterized in that every device addressable on the Internet in connection with  a radio modem can be a radio access point to the system via which wireless terminals can be reached and can use the Internet. 4. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass jedes mobile Terminal, das die gleiche Funkzugangstechnik verwendet wie ein FZP, Kommunikationsdienste an diesem FZP nutzen kann.4. System for the provision of mobile communication services on the basis of independent radio access points with a connection to the Internet characterized that every mobile terminal that has the same radio access technology used as an FZP, can use communication services on this FZP. 5. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass FZP den Funkzugang durch Drahtlossysteme ermöglichen, die den Regeln der jeweiligen Regulierungsbehörde für die Nutzung des Funkspektrums genügen.5. System for the provision of mobile communication services on the basis of independent radio access points with a connection to the Internet characterized that FZP enable radio access through wireless systems, which comply with the rules of the respective regulatory authority for the use of the Radio spectrum are sufficient. 6. System zur Erbringung von mobilen Kommunikationsdiensten auf der Basis von unabhängigen Funkzugangspunkten mit Verbindung zum Internet, dadurch gekennzeichnet, dass der Auf- oder Abbau des FZP sowie das An- und Abschalten eines Funkzugangspunktes der Willkür und Verantwortung des Funkzugangspunktbetreibers überlassen ist.6. System for the provision of mobile communication services on the basis of independent radio access points with a connection to the Internet characterized that the assembly or dismantling of the FZP as well as the attachment and Switching off a radio access point of arbitrariness and responsibility of the Radio access point operator is left. 7. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die durch einen Funkzugangspunkt erbrachte Dienstgüte bei der Erbringung von Kommunikationsdiensten der Willkür des Betreibers des Funkzugangspunktes unterliegt.7. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the quality of service provided by a radio access point is subject to the arbitrariness of the operator of the radio access point when providing communication services. 8. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die für den Funkzugang von FZP verwendeten Drahtlossysteme im lizenzierten Spektrum betrieben werden.8. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the wireless systems used for radio access by FZP are operated in the licensed spectrum. 9. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die für den Funkzugang von FZP verwendeten Drahtlossysteme im lizenzfreien Spektrum betrieben werden.9. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the wireless systems used for radio access by FZP are operated in the license-free spectrum. 10. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Funkzugangspunktes mit dem Internet der Verantwortung des Betreibers des Funkzugangspunktes unterliegt. 10. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the connection of the radio access point to the Internet is the responsibility of the operator of the radio access point. 11. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die Funkzugangspunkte den Verkehr von mobilen Teilnehmern direkt ins Internet abführen.11. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the radio access points carry the traffic from mobile subscribers directly to the Internet. 12. System nach einem der Hauptansprüche 1)-6), dadurch gekennzeichnet, dass die Funkzugangspunkte den Verkehr von mobilen Endgeräten an einen Knoten weiterleiten können, der unter der Kontrolle eines Dienstleisters steht. Dabei wird erst in diesem Knoten der Verkehr an den Zielpunkt weitergeleitet.12. System according to one of the main claims 1 ) -6), characterized in that the radio access points can forward the traffic from mobile terminals to a node that is under the control of a service provider. The traffic is only forwarded to the destination at this node.
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