WLAN - Wireless Local Area Network: Entwicklung und Ausblick

Inhaltsverzeichnis

2. Die Welt wird drahtloser

3. Abgrenzung der Thematik

4. Wireless Local Area Network (WLAN)
4.1 Was ist ein WLAN?
4.2 Wie funktioniert das WLAN?
4.3 Wie gelangen die Daten ins Medium (=Frequenzband)?
4.4 Probleme bei der Datenübertragung
4.5 IEEE802.11 und die einzelnen Standards

5. Hip, Hype, Hiper - WLAN und HiperLAN/

6. W-LAN und Bluetooth

7. Wireless-LAN contra UMTS

8. Wie geht es weiter?

9. ANHANG
9.1 Quellenangaben
9.2 Abbildungsverzeichnis

2. Die Welt wird drahtloser

Erstmals 1971 an der Universität von Hawaii miteinander kombiniert, wird drahtlosen Datennetzen und Funktechnologien große Zukunft vorausgesagt. Sie erfüllen den Traum, frei von lästigen Kabeln - „anywhere“ und „anytime“ - kommunizieren zu können. Die Netzwerkindustrie wollte dem Boom bei mobilen EDV-Geräten wie Notebooks und PDAs mit einem adäquaten Medium begegnen, um die gewonnene Mobilität auf die Vernetzung auszudehnen. Aufgrund historisch gewachsener Verbindungsprotokolle und regional unterschiedlicher Regularien für die Benutzung von Funkfrequenzen - nicht alle Kanäle sind gleich frei verfügbar – ist das eine komplexe Aufgabe.

3. Abgrenzung der Thematik

Die Industrie bietet neben WLAN (Wireless Local Area Network) mit HiperLan/2 (High Performance Radio Local Area Network, Type2) und Bluetooth gleich mehrere Netzwerkstandards, die gegeneinander um Marktanteile buhlen. Die aktuell besten Chancen haben^[1] die nach dem IEEE-Standard 802.11 gefertigten Produkte. Sie waren am schnellsten auf dem Markt und werden mit dem Begriff WLAN assoziiert.

1985 begann die Arbeitsgruppe 802 des Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) – zuständig für die Standardisierung von LAN-Standards – sich mit drahtloser Netzwerktechnologie zu befassen. Sie bestätigte zwölf Jahre später den Standard IEEE802.11. Die davon gängigste Variante ist heute WLAN gemäß dem Standard IEEE802.11b, das in diesem Jahr die Erweiterungen durch IEEE802.11g und IEEE802.11h sowie 2004 durch IEEE802.11i erfährt.

Das echtzeitfähige und zur Übermittlung von Sprache geeignete Bluetooth soll dagegen im Nahbereichsfunk das Kabel zwischen Maus und PC, zwischen Handy und Headset oder zwischen PC und PDA ersetzen. Die europäische Technologie weist standardisierte Schnittstellen zum Mobilfunknetz der 3. Generation (3G) UMTS aus. Da echtzeitfähig, ist es besser als IEEE802.11-WLANs für die Übertragung von Sprache und Multimedia geeignet. Es ist jedoch weder in markgängigen Produkten zu finden, noch bereits vollständig entwickelt.

Dass man sich überhaupt mit verschiedenen technologischen Ansätze für das gleiche Aufgabenfeld – die drahtlose Transmission von Daten, Sprache und Video – beschäftigen muss, liegt weniger an der Technologie als an historisch gewachsene Interessen wie die Nutzung bestimmter Frequenzbänder für militärische und zivile Zwecke sowie an staatlicher Regulierung. Für die Nutzung der Frequenzbereiche sind die nationalen Gesetzgeber zuständig. Es gibt bis heute weltweit keine einheitliche Freigabe des lizenzfreien 2,4 GHz-Bandes. Wobei die Verfügbarkeit der Kanäle in diesem Band überschaubar sind. Technisch gesehen sind für IEEE802.11b-Geräte im lizenzfreien 2,4 GHz-Frequenzband 14 Kanäle definiert, von denen die ETSI (European-Telecommunications-Standards-Institute) für die Nutzung in Deutschland 13 freigegeben hat. In den USA können elf verwendet werden, in Frankreich nur vier. Damit lässt sich weltweit einheitliche Hardware verwenden, die Einschränkung der Kanäle erfolgt per Firmwareprogrammierung und Treiber.

Derzeit von WLAN-Herstellern begehrt ist das 5-GHz-Band. Es wird jedoch in Europa für die zivile Luftüberwachung genutzt, was eine Freigabe erschwert. Im 5 GHz Band unterscheiden sich die nationalen Vorschriften wesentlich, was Hersteller zu einer Auffächerung ihrer Produktpalette zwingt und zu verschiedenen Standarderweiterungen wie IEEE802.11a und IEEE802.11h geführt hat. Die USA haben diesen Bereich bereits zugelassen. Europa hat diesen Bereich erst aktuell in Zulassung. Entsprechend sind die nationalen Regularien noch uneinheitlich. Die ETSI hält in Erweiterung des IEEE-Standards 802.11a noch zwei weitere Funktionalitäten für erforderlich: TPC (Transmission Power Control), eine automatische Anpassung der Sendeleistung in Abhängigkeit der Signalstärke und DFS (Dynamic Frequency Selection), ein automatischer Frequenzwechsel im Falle von Überlagerungen. Die entsprechende Norm dazu (IEEE802.11h) ist in Vorbereitung und wird vermutlich Ende 2003 verabschiedet. Die deutsche RegTP (Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post) hat diese beiden Funktionen verbindlich in ihre Allgemeinzulassung übernommen. Ebenfalls abweichend vom 802.11a Standard wurden von der deutsche RegTP andere Frequenzbereiche im 5-GHz-Band als zum Beispiel in den USA erlaubt, was die Hersteller entsprechend berücksichtigen müssen.

4. Wireless Local Area Network (WLAN)

4.1 Was ist ein WLAN?

WLAN steht als Abkürzung für Wireless Local Area Network (kabelloses lokales Netzwerk) und dient der leitungsfreien Überbrückung von Entfernungen mit Datenraten von mindestens 1 Mbit/s bis derzeit in Deutschland maximal 11 Mbit/s. WLAN überbrückt Entfernungen zwischen drei und 300 Metern, um den typischen Ausdehnungen von Arbeitsgruppen gerecht zu werden. Die bereitgestellte Technologie hat das IEEE im Standard 802.11 und dessen Erweiterungen 11b, 11a, 11d, 11e, 11g und 11h spezifiziert. Um den lizenzfreien Betrieb zu ermöglichen, setzten die Standardgeber 1997 zunächst auf das ISM-Band im 2,4 GHz-Frequenzbereich zur Nachrichtenübermittlung, in dem gleichzeitig unkritische Aufgaben wie das Erhitzen von Speisen in der Mikrowelle verrichtet werden, weshalb es für industrielle, wissenschaftliche (Scientific) und medizinische Zwecke (=ISM) freigegeben wurde.

Die erst nach der b-Variante verfügbare IEEE802.11a-Version nutzt dagegen Teile des 5-GHz-Spektrums. Dieses Frequenzband wird in Europa zugleich von brisanten Diensten genutzt wie durch das zivile Luftüberwachungsradar. Die Integration von Sprach- oder anderen Echtzeitdiensten stand bei der Entwicklung von WLAN nicht im Vordergrund. Deshalb sind andere Technologien wie HiperLAN/2 oder Bluetooth für ein Management von Echtzeitanwendungen besser geeignet.

4.2 Wie funktioniert das WLAN?

WLANs werden in Flughäfen, Hotels, Gaststätten und Stadtzentren eingesetzt. Die Funkübertragung findet außerdem zunehmend flächenweite Verbreitung an öffentlichen Plätzen, den sogenannten Public Hot Spots. Dort dienen Hot Spots der punktuellen Versorgung bei hohem Datenaufkommen in kleinen Bereichen und als flexibles Zugangsmedium zum Internet.

Anwender benötigen einen Laptop oder einen PDA (=Mobile Station) mit einer WLAN-Karte. (siehe Abbildung 1) Außerdem müssen Anwender auch dazu bereit sein, die relativ junge Technik zu verwenden. Erfüllen WLAN-Nutzer diese Voraussetzungen, müssen sie sich am Beginn wegen Ressourcenbegrenzung und Abrechnung zunächst Authentifizieren. Die Mobilen Stationen nehmen dann mit einem Access Point (=Basisstation) Kontakt auf. Dabei kann das WLAN so aufgebaut sein, dass mehrere Mobile Stationen auf einen Access Point zugreifen oder dass ein Netz, das aus mehreren Access Points besteht, existiert, wobei letzteres derzeit nur mit wenigen Produkten funktioniert. Access Points sind die Infrastruktur eines WLANs. Mobile Clients funken also einen Access Point an. Von diesem werden dann die Daten verteilt. Der Access Point lässt sich an die Internetzugangsleitung anschließen, so dass die mobilen Geräte auf das Internet zugreifen können.

4.3 Wie gelangen die Daten ins Medium (=Frequenzband)?

Die IEEE802-Systeme nutzen unterschiedliche physikalische Verfahren zur Datenübertragung. Diese sogenannten Spread Spectrum-Übertragungsverfahren wurden ursprünglich für militärische Anwendungen entwickelt, um Daten abhörsicher zu übermitteln. Dabei erfolgt ein Aufspreizen der Daten über einen größeren Frequenzbereich als der des Nutzsignals. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass dabei der Einfluss von Störquellen minimiert wird.

Die ersten IEEE802.11-WLANs setzten als Übertragungstechnologie auf FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Es handelt sich um ein Frequenzumtastverfahren, das das Nutzsignal über permanent abwechselnde Trägerfrequenzen überträgt und damit zum einen das Abhören erschwert und zum anderen Trägerfrequenzen mit starken Störern ausspart. Da für dieses Verfahren eine große Anzahl von Trägerfrequenzen und damit Bandbreite für Datenübertragung benötigt werden, erzielt es nur von 1 bis 2 Mbit/s.

Heute auf dem Markt dominierende IEEE802.11b-Produkte setzen auf DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) als Übertragungstechnologie und erzielen Bruttodatenraten von 11 Mbit/s. Sie müssen jedoch aus Gründen der Abwärtskompatibilität Datenraten bis herab zu 1 Mbit/s beherrschen. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Aufspreizung des Nutzsignals über den gesamten verfügbaren Frequenzbereich im ISM-Band (2,4 bis 2,4835 GHz). Dadurch werden höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und eine noch geringere Empfindlichkeit gegenüber Signalüberlagerungen und Störern erreicht. Der Sender verschlüsselt Datenbits in einer Pseydozufallsfolge. Das Nutzsignal erscheint als Rauschen für nicht autorisierte Zuhörer. Die Umkehr der Bandspreizung erfolgt beim Empfänger, wo das Signal wieder aus dem scheinbaren Rauschpegel herausgehoben wird.

Die voraussichtlich in Deutschland ab dem Sommer 2003 betreibbaren Geräte gemäß IEEE802.11g nutzen zur Steigerung auf Übertragungsraten von 22 bis 54 Mbit/s das komplexe OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) als Übertragungstechnologie, ein Modulationsverfahren zur Übertragung mehrerer Trägerfrequenzen (Multi Carier), bei dem die zeitgleiche Verteilung von Bits auf einen Subträger erfolgt. Das spart Bandbreite und ermöglicht höhere Datenübertragungsraten, da sich die Frequenzkanäle der Unterkanäle (Subträger bzw. Subcarier) überlappen dürfen. Liegen die Subträger im optimalen Abstand zueinander liegen, besteht Orthogonalität. Die spektralen Nulldurchgänge des einen Trägers liegen dann dort, wo die Spektren seiner Nachbarträger ihr Maximum haben.

4.4 Probleme bei der Datenübertragung

A Mehrwegausbreitung

Die Übertragung von Datenraten per Funk ist aufwändiger als drahtgebunden, denn Funkwellen breiten sich im freien Raum in alle Richtungen aus und werden von Gegenständen reflektiert bzw. gedämpft. Damit ist die Zuverlässigkeit bei Funkstrecken schlechter als bei Kabelstrecken. Bewegt sich ein Signal über drahtloses Medium, so besteht es also aus zeitversetzten und gewichteten Versionen des gesendeten Signals. Dem kann man mit Entzerrern beikommen. Es steigen jedoch mit zunehmender Komplexität auch die Kosten für solche Entzerrersysteme.

B Intersymbol-Interferenz

Intersymbol-Interferenz behindert die Steigerung der Datenraten in Funk-LANs als eine Folge der Mehrwegausbreitung. Der Empfänger erhält verschiedene Versionen eines gesendeten Signals auf direktem Weg oder reflektiert, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei ihm ankommen. Damit kann das gesendete Signal selbst beim Empfänger stören. Bei hohen Datenraten können sich zwei aufeinander folgende Signale durch hohe unterschiedliche Verzögerung überlagern, was sich nur bedingt durch Entzerrer beseitigen lässt. Das ist aber ebenfalls eine Kostenfrage.

C Kollisionen

Beim Medium Funk erfolgt wie beim traditionellen Ethernet der Zugriff mehrerer Stationen auf ein Medium. Das heißt, sie konkurrieren um ein Frequenzband. Die Koordinierung des Medienzugriffs bei WLANs nach IEEE802.11 erfolgt über Kontrollverfahren, bei denen die Zugriffsmodi dynamisch zugeteilt werden oder eine Bandbreitenreservierung – also eine Reservierung von Zeitabschnitten für den Datenverkehr – erfolgt. Dabei werden Kollisionen vermieden, indem der aktive Sendeteilnehmer zur eigentlichen Nachricht die Dauer seiner Aussendung, die für die Übertragung benötigt und damit wie lange das Medium voraussichtlich belegt sein wird, addiert. Die anderen Funkkreisteilnehmer verhalten sich während dieser Zeit still.

D Datenverlust

Während der Kommunikation können auch Daten verloren gehen. Kollisionen werden durch Pausen vermieden, in denen die Stationen nicht senden, sondern nur den Übertragungskanal abhören. Eine Station darf nach Abschluss der vorhergehenden Übertragung erst nach Verstreichen einer für den zu sendenden Frame charakteristischen Zeit wieder auf den Kanal zugreifen. Stationen können das Medium einen bestimmten Zeitraum für sich reservieren. Doch das ist keine Garantie für die Vermeidung von Kollisionen. Der IEEE802.11-Standard minimiert jedoch die Zeitspanne, in der Kollisionen vorkommen können. Da Kollision zum Verlust der betroffenen Daten führt, muss der Empfänger den korrekten Empfang eines jeden Datenpaketes quittieren bestätigen. Erhält der Sender nach dem Senden vom Adressaten keine Bestätigung, ist das Datenpaket verloren gegangen und sie muss es erneut senden

[...]

^[1] Wireless LAN’s Networkers’ Guide/ Bluetooth, HiperLAN, WLAN&Co/ Arno Kral, Heinz Kreft/ Mark und Technik Verlag (München)/ 2003/ Seite 14