Wave LAN

IEEE 802.11 (auch: Wireless LAN (WLAN), WiFi) bezeichnet eine IEEE-Norm für Kommunikation in Funknetzwerken. Herausgeber ist das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Die erste Version des Standards wurde 1997 verabschiedet. Sie spezifiziert den Mediumszugriff (MAC-Layer) und die physikalische Schicht (vgl. OSI-Modell) für lokale Funknetzwerke.

Für die physikalische Schicht sind im ursprünglichen Standard zwei Spreizspektrumverfahren (Übertragung per Radiowellen) und ein Verfahren zur Datenübertragung per Infrarotlicht spezifiziert, wobei eine Übertragungsrate von bis zu 2 MBit/s (brutto) vorgesehen ist. Zur Datenübertragung per Radiowellen wird das lizenzfreie ISM-Band bei 2,4 GHz verwendet. Die Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern kann direkt im so genannten Ad-hoc-Modus erfolgen oder im Infrastruktur-Modus mithilfe einer Basisstation (Access Point).

1999 folgten zwei Erweiterungen: 802.11a spezifiziert eine weitere Variante der physikalischen Schicht, die im 5-GHz-Band arbeitet und Übertragungsraten bis zu 54 MBit/s ermöglicht. 802.11b ist ebenfalls eine alternative Spezifikation der physikalischen Schicht, die mit dem bisher genutzten 2,4-GHz-Band auskommt und Übertragungsraten bis zu 11 MBit/s ermöglicht. Die 2003 verabschiedete 802.11g-Erweiterung, die ebenfalls im 2,4-GHz-Band arbeitet, erhöht die maximale Übertragungsrate auf 54 MBit/s. Die kommende Erweiterung 802.11n schließlich wird eine Übertragungsrate von bis zu 600^[1] MBit/s erlauben.

Dadurch, dass das 2,4-GHz-Band in den meisten Ländern lizenzfrei genutzt werden darf, haben Produkte nach dem Standard 802.11b/g eine weite Verbreitung gefunden. Produkte, die standardkonform arbeiten und die Interoperabilität mit Produkten anderer Hersteller gewährleisten, können von der Wi-Fi-Alliance zertifiziert werden.

Für den Einsatz ist zu beachten, dass die Latenzzeiten, die verstreichen, bis ein Kanal aufgebaut ist oder ein Access Point gewechselt hat, für bewegte Objekte unter diesen Access Points zu merklichen Wartezeiten führen können. Weiter ist die gleichzeitig mögliche Population von aktiven Teilnehmern durch die Verweildauer in den einzelnen Kanälen eng beschränkt. Ein neuer Teilnehmer kann erst dann aktiv werden, wenn der vorherige Benutzer den Kanal wieder freigibt. Diese Übertragung des Konzepts von drahtgebundenen Netzwerken ist eher hinderlich.

Standard 802.11 und seine Erweiterungen

802.11 ist eine Normen-Familie für Wireless Local Area Networks (WLAN). Die Definition der IEEE-802-Normen, die zunächst ganz allgemein den Netzwerkzugriff beschreiben, begann im Februar 1980, daher wurde die Bezeichnung 802 gewählt. Zurzeit besteht die Familie aus 11 Normen: 802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11c, 802.11d, 802.11e, 802.11f, 802.11g, 802.11h, 802.11i, 802.11j.

• 802.11 ursprünglicher Standard, 1997 verabschiedet
  • Datentransfer: brutto 1 oder 2 MBit/s
  • Frequenzband 2,400 bis 2,485 GHz (lizenzfrei)
  • Akzeptanz: veraltet, nicht mehr breit genutzt

• 802.11a Erweiterung der physikalischen Schicht, 1999
  • Datentransfer: brutto 54 MBit/s (netto maximal 50 %)
  • Frequenzband 5 GHz (seit dem 13. November 2002 in Deutschland freigegeben, genaueres siehe 802.11h)
  • Akzeptanz: gering verbreitet

• 802.11b Erweiterung der physikalischen Schicht, 1999
  • Datentransfer: brutto 11 MBit/s (netto maximal 50 %)
  • Frequenzband 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Akzeptanz: noch relativ weit verbreitet

• 802.11g Erweiterung der physikalischen Schicht, 2003
  • Datentransfer: brutto 54 MBit/s (netto maximal 40 %)
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Akzeptanz: momentan (2008) der am weitesten verbreitete Standard

• 802.11n Neuer Standard in der Entwicklungsphase, Termin der Fertigstellung: 2009.
  • Datentransfer: brutto 600^[2] MBit/s
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,485 GHz (lizenzfrei), optional auch 5 GHz als zusätzliches Band
  • Akzeptanz: Es gibt bereits einige Geräte auf dem Markt, die auf der Vorabversion des Standards basieren (Draft-N-Geräte).

• 802.11p Erweiterung zu 802.11a für den Einsatz in Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Netzen, auch unter DSRC bekannt. Geplant gegen Ende 2008.
  • Datentransfer: brutto 27 MBit/s
  • Frequenzband: geplant 5,850-5,925 GHz (in den USA bereits für Einsatz im Verkehrsbereich reserviert)
  • Akzeptanz: favorisierte Technologie des Car to Car-Communication Consortium (C2C-CC), wesentliche Grundlage von ISO TC204 WG16 CALM-M5.

Zusätzliche Erweiterungen von 802.11:

• 802.11c MAC-Layer-Bridging (mittlerweile Anhang von 802.11d)
• 802.11d Anpassung an die regulatorischen Bestimmungen verschiedener Länder
• 802.11e Unterstützung von Quality-of-Service
• 802.11f Interoperabilität zwischen Basisstationen
• 802.11h Reichweitenanpassung, Indoor- und Outdoor-Kanäle (im 5-GHz-Band), TPC/DFS
• 802.11i Erweiterungen bezüglich Sicherheit und Authentifizierung
• 802.11j 4,9–5 GHz Operation in Japan
• 802.11s Mesh-Netzwerke (geplant gegen Ende 2008)

Neben diesen gibt es proprietäre Erweiterungen, die andere Übertragungsraten erlauben:

• PBCC mit bis zu 22 MBit/s im 2,4-GHz-Band,
• 802.11b+ mit bis zu 44 MBit/s durch Kanalbündelung,
• 802.11g++ je nach Hersteller mit bis zu 108 MBit/s, bzw. 125 Mbit/s.

Das sind aber keine offiziellen IEEE-Standards.

Maximal zulässige Sende- bzw. Strahlungsleistungen (Effective isotropic radiated power (EIRP) - Antennengewinne sind also zu berücksichtigen):

• 2,4 GHz: 100 mW - in Deutschland, andere Länder haben hier andere Regelungen. So sind (z.B. in den USA) auch Karten mit 300 mW und mehr legal.
• 5 GHz: Zwischen 30 mW und 1000 mW – je nach Frequenzband. In Europa ist TPC/DFS nach 802.11h für den Betrieb von WLANs nach 802.11a vorgeschrieben. Ohne DFS und TPC sind nur 200 mW und eingeschränktes Frequenzband für 802.11a in Deutschland zugelassen.

Kompatibilitäten:

• 802.11b und 802.11g sind zueinander kompatibel. Die 802.11g-Geräte arbeiten dann in einen Kompatibilitätsmodus, der es 802.11b-Geräten ermöglicht, einen durch ein 802.11g-Gerät belegten Kanal zu erkennen. Die effektive Geschwindigkeit wird dadurch etwas reduziert.
• 802.11a und 802.11h sind zueinander kompatibel, keine Einschränkungen.

Medienzugriff

Um einen gemeinsamen Zugriff von mehreren Geräten auf das Medium zu ermöglichen, wird innerhalb des 802.11-Standards verpflichtend der CSMA/CA-Mechanismus benutzt. Optional sind CSMA/CA RTS/CTS und CSMA/CA PCF.

Da bei Funkkommunikation eine höhere Fehlerrate auftritt, existiert bei 802.11 ein eigener Mechanismus zu Übertragungswiederholung. Bei einer korrekten Übertragung bestätigt der Empfänger die Datenübertragung, bei einer fehlerhaften Übertragung müssen die Daten erneut gesendet werden.

Die einzelnen Netze werden über ihre Netzwerknamen (Extended Service Set Identifier (ESSID), siehe Service Set Identifier) identifiziert.

Vor- und Nachteile der Frequenzen

2,4-GHz-Vorteile

• gebührenfreies freigegebenes ISM-Frequenzband
• keine aufwändigen Spektrum-Management-Funktionen wie TPC oder DFS nötig, um volle Sendeleistung von 100 mW ausschöpfen zu können
• hohe Verbreitung und daher geringe Gerätekosten

2,4-GHz-Nachteile

• Frequenz muss mit anderen Geräten/Funktechniken geteilt werden (Bluetooth, Mikrowellenherde, Babyphones, etc.), dadurch Störungen und Interferenzen
• störungsfreier Betrieb von nur maximal 3 Netzwerken am selben Ort möglich, da effektiv nur 3 brauchbare (kaum überlappende) Kanäle zur Verfügung stehen (in Deutschland: Kanäle 1, 7 und 13)

5-GHz-Vorteile

• weniger genutztes Frequenzband, dadurch häufig störungsärmerer Betrieb möglich
• in Deutschland 19 (bei BNetzA-Zulassung) nicht überlappende Kanäle
• höhere Reichweite, da mit 802.11h bis zu 1000 mW Sendeleistung möglich – das überkompensiert die größere Dämpfung der höheren Frequenzen

5-GHz-Nachteile

• stärkere Regulierungen in Europa: auf den meisten Kanälen DFS nötig; auf einigen Kanälen kein Betrieb im Freien erlaubt; falls kein TPC benutzt wird, muss die Sendeleistung reduziert werden
• Ad-hoc-Modus wird von den meisten Geräten nicht unterstützt
• geringere Verbreitung, daher wenig verfügbare Geräte auf dem Markt und hohe Kosten

Bestandteile/Erweiterungen

• TPC (Transmit Power Control) reduziert ähnlich wie bei Mobiltelefonen die Sendeleistung abhängig von der Notwendigkeit (guter Kontakt zwischen den Geräten = geringere Sendeleistung).
• DFS (Dynamic Frequency Selection): Es wird selbständig eine freie Frequenz gewählt, z. B. um das Stören von Radaranlagen zu vermeiden.

Frequenzen/Kanäle

802.11b/g

Die Frequenzen im 2,4 GHz Band wurden in Kanäle aufgeteilt; einige Länder erlauben nur bestimmte Kanäle. In Deutschland ist für die Frequenzvergabe die Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen (BNetzA) zuständig.

Kanal Nummer	Mittenfrequenz (GHz)	Erlaubt in	Bemerkung
1	2,412	USA FCC, Europa ETSI, Japan
2	2,417	USA FCC, Europa ETSI, Japan
3	2,422	USA FCC, Europa ETSI, Japan
4	2,427	USA FCC, Europa ETSI, Japan
5	2,432	USA FCC, Europa ETSI, Japan
6	2,437	USA FCC, Europa ETSI, Japan
7	2,442	USA FCC, Europa ETSI, Japan
8	2,447	USA FCC, Europa ETSI, Japan
9	2,452	USA FCC, Europa ETSI, Japan
10	2,457	USA FCC, Europa ETSI, Japan	Ehemals nicht in Spanien und Frankreich
11	2,462	USA FCC, Europa ETSI, Japan	Ehemals nicht in Spanien und Frankreich
12	2,467	Europa ETSI, Japan	Ehemals nicht in Frankreich
13	2,472	Europa ETSI, Japan	Ehemals nicht in Frankreich
14	2,484	Japan

In Spanien und Frankreich sind inzwischen auch alle Kanäle gültig, die im Rest Europas gültig sind.

Während der Kanalabstand (außer bei Kanal 14) 5 MHz beträgt, benötigt eine Funkverbindung eine Bandbreite von 22 MHz. Um Störungen zu vermeiden, müssen sich geographisch überlappende Funkzellen disjunkte Frequenzbereiche wählen, nach obigem Schema also zwischen zwei benutzten Kanälen mindestens vier Kanäle ungenutzt lassen. Für überlappende Funkzellen werden daher bevorzugt die Kanalkombinationen (1,6,11), (1,6,12), (2,7,12) usw. verwendet.

Aufgrund der geringen Frequenzbreite der FCC werden US-Karten auch als „World“-Karten bezeichnet. Dies soll unterstreichen, dass sie in den meisten Ländern eingesetzt werden dürfen.

802.11a

Kanal Nummer	Frequenz (GHz)	Erlaubt in
36	5,180	EU, USA, Japan
40	5,200	EU, USA, Japan
44	5,220	EU, USA, Japan
48	5,240	EU, USA, Japan
52	5,260	EU, USA
56	5,280	EU, USA
60	5,300	EU, USA
64	5,320	EU, USA
100	5,500	EU
104	5,520	EU
108	5,540	EU
112	5,560	EU
116	5,580	EU
120	5,600	EU
124	5,620	EU
128	5,640	EU
132	5,660	EU
136	5,680	EU
140	5,700	EU
147	5,735	USA
151	5,755	USA
155	5,775	USA, Deutschland FBWA
159	5,795	Deutschland FBWA
163	5,815	Deutschland FBWA
167	5,835	USA, Deutschland FBWA
171	5,855	Deutschland FBWA

Mit Ausnahme der USA, wo die Kanäle 52-64 auch im Freien verwendet werden dürfen, ist der 802.11a-Standard weltweit nur für den Gebrauch in geschlossenen Räumen zugelassen. In Europa sind jedoch durch den 802.11h-Standard erweiterte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

Die angegebenen FBWA-Kanäle sind für "Fixed Broadband Wireless Access" von der Bundesnetzagentur in Deutschland für gewerbliche, öffentliche Netze freigegeben und meldepflichtig. Sie erlauben bis zu 4 W Sendeleistung.^[3]

Nach Neuregelung der Bundesnetzagentur im August 2006 dürfen die im 802.11a-Standard zwischen 5180-5260 MHz definierten Kanäle (Kanal 36,40,44,48) mit einer Sendeleistung von bis zu 200 mW in Deutschland im Innenbereich ohne DFS und TPC genutzt werden.^[4]

Andere Standards im Nahbereich

Weitere Standards zur Datenübertragung per Funk im Nahbereich sind HIPERLAN/1 und HIPERLAN/2, HomeRF und Bluetooth. Von diesen drei Standards hat aber nur Bluetooth praktische Bedeutung erlangt.

Siehe auch

• Wireless LAN
• IEEE 802.11e
• IEEE 802.11n

Einzelnachweise

1. ↑ Status of Project IEEE 802.11n. IEEE P802.11 - TASK GROUP N - MEETING UPDATE (March 2009).
2. ↑ Status of Project IEEE 802.11n. IEEE P802.11 - TASK GROUP N - MEETING UPDATE (March 2009).
3. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/11239.pdf
4. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/5009.pdf

Literatur

• Martin Sauter: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Vieweg, September 2006, ISBN 3-8348-0199-2, http://www.cm-networks.de/
• Samer Abdalla: Standards und Risiken drahtloser Kommunikation – Risikoanalyse des IEEE 802.11 Standards. ISBN 3-86550-855-3.
• Jörg Rech: Wireless LANs: 802.11-WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail - Heise Verlag, Mai 2008, ISBN 3-93693-151-8

Weblinks

• IEEE 802.11 Working Group
• Wi-Fi Alliance
• Tutorial IEEE 802.11
• WLAN-Standards und Alternativen
• Frequenzordnung der Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen
• WLAN-Richtfunk selbst gemacht (IEEE 802.11h 5 GHz)
• 802.11a Frequency Channel Map