Drahtlose Netze - ein kurzer Überblick über die Technik

Drahtlose Datenübertragung gibt es in vielen Formen und Bandbreiten, manches Verfahren ist schon über 100 Jahre alt. Wir lichten den Wald der Protokolle und Techniken.

Daten per Funk zu übertragen, ist wahrlich keine neue Idee. Schon Ende des 18. Jahrhunderts wurden die ersten Morsezeichen zwischen zwei Stationen ausgetauscht, der Morsecode gilt allgemein als die älteste Datenkodierung der Welt. Doch während damals anfällige Technik und hohe Betriebskosten die Nutzung einschränkten und die neuen Möglichkeiten daher vorwiegend militärisch genutzt wurden, ermöglichen heute preiswerte Komponenten die drahtlose Kommunikation zu Hause.

Bei den drahtlosen Funknetzen hat sich auch einige Jahre nach der Einführung erster Endkundenprodukte der Markt noch nicht auf einen Standard festgelegt. Unterschiedliche Verfahren konkurrieren um Nutzer – und Bandbreite. Während beispielsweise Bluetooth sich eher als drahtloser USB mit geringer Sendeleistung, Reichweite und Bandbreite versteht, sind die “echten” WLAN-Lösungen bei geschickter Planung durchaus auch zur Überbrückung größerer Entfernungen geeignet und nähern sich auch in der Bandbreite langsam den bei kabelgebundenen Lösungen üblichen Datenraten.

Funken – aber wie?

Die Vorteile einer Funklösung liegen auf der Hand: Es sind keine Kabel mehr zu verlegen, Laptops können direkt aufs Netz zugreifen, wo immer sie sich auch befinden. Die Nachteile sind nicht ganz so offensichtlich: Während ein Kabel eine exklusive Kommunikation zwischen den Teilnehmern ermöglicht, muss die Funklösung mit anderen Nutzern der Frequenz rechnen. Dazu zählen sowohl ungewollte Störungen durch andere Nutzer desselben Frequenzbereichs, wie auch gezielte Mitnutzung des WLANs durch Außenstehende. Die existierenden Verschlüsselungen sind mit geringem Aufwand angreifbar, wird die Verschlüsselung nicht aktiviert, ist das Netz direkt für jedermann im Sendebereich geöffnet.

Lizenzfrei gefunkt werden darf nur in den so genannten ISM-Bändern (Industrial, Scientific, Medical). Für die Datenübertragung sind insbesondere die ISM-Bänder bei 900 MHz, 2,4 GHz und 5 GHz von Bedeutung. Ersteres würde aufgrund der vergleichsweise niedrigen Frequenz die beste Reichweite bieten, ist jedoch hierzulande nicht frei nutzbar, da der Frequenzbereich in Europa für den Mobilfunk reserviert wurde. Entsprechende Produkte sind ohnehin selten, da dieser Bereich in den USA bereits durch schnurlose Telefone stark belegt ist.

Je höher die Frequenz, desto schlechter sind die Ausbreitungseigenschaften einer elektromagnetischen Welle. Zwar ist bei den WLAN-Frequenzen die freie Sichtverbindung noch nicht unbedingt erforderlich, doch werden GHz-Frequenzen bereits durch leichte Innenwände merklich gedämpft. Theoretisch erreichbare Reichweiten von mehreren Hundert Metern werden sich daher in der Praxis eher bei 20 bis 30 Metern einpegeln, sofern Wände oder andere Hindernisse im Spiel sind. Mit geeigneten (Richt-) Antennen und freier Sichtverbindung hingegen sind auch schon Distanzen von 50 km und mehr überwunden worden.

Bei der Aufstellung der Access Points sollte man diese physikalischen Gegebenheiten berücksichtigen – an einem Access Point im Keller, womöglich mit Stahlbetondecke, wird man ein oder zwei Stockwerke höher nur noch wenig Freude haben. Besser ist es, einen zentral gelegenen Standort in der Mitte des Hauses oder der Wohnung zu finden, auch wenn dieser erst mit einem Kabel erschlossen werden muss. Ist an eine Nutzung auch im Freien gedacht, sollte der Access Point für optimale Reichweiten auf dem Dach oder am Fenster untergebracht werden. Normalerweise sind Access Points omnidirektional ausgelegt, strahlen also in alle Richtungen. Mit speziellen Antennen kann jedoch auch eine Richtcharakteristik erreicht werden. Die Installation sollte am besten durch einen Fachbetrieb erfolgen, der über die nötigen Messgeräte zur optimalen Ausrichtung verfügt. Wer lieber selbst Hand anlegt, sollte zumindest das Kabel zur Antenne möglichst kurz halten.

Die Standards

Standardisiert wurden die Protokolle der 802.11-Familie durch die IEEE, das Institute of Electrical and Electronics Engineers (gesprochen: “i triple e”). Der ursprüngliche 802.11-Standard von 1997 kann als Urvater der heutigen WLANs angesehen werden. Im 2,4-GHz-Frequenzband (2,4-2,4835 GHz) erlaubte er Datenübertragungen bei 1 und 2 MBit/s und löste ältere, herstellerspezifische Verfahren ab.

Da kabelgebundene Netze jedoch um einiges schneller waren, verlangte der Markt nach höheren Geschwindigkeiten und bekam sie – erneut herstellerspezifisch – auch geboten. Um neuerlichen Wildwuchs zu vermeiden, folgten im September 1999 die neuen Standards 802.11a und 802.11b.

Produkte nach 802.11b arbeiten im selben Frequenzbereich wie 802.11, erzielen mit einer anderen Modulation jedoch höhere Datenraten von 5,5 und 11 MBit/s. Doch während in den USA eine maximale Sendeleistung von 1 Watt zulässig ist, sind in Europa nur maximal 100 Milliwatt erlaubt – genug für LANs, für größere Entfernungen leider zuwenig. Auch Richtfunkantennen können da nur begrenzt helfen.

Produkte nach 802.11a wurden nur langsam verfügbar. Hier wurde erstmals in den Frequenzbereich bei 5 GHz ausgewichen (5,15-5,35 und 5,725-5,825 GHz). Die Nutzung dieser Bänder war jedoch wiederum nur in den USA erlaubt, für Europa hatte die hier zuständige ETSI Verfahren namens HiperLan und HiperLan/2 (High Performance LAN) vorgesehen, in vielen nationalen Frequenznutzungsplänen waren diese Frequenzen ohnehin bereits reserviert und mussten erst wieder freigegeben werden. Der eingeschränkte Markt und die geringe Nachfrage haben dazu geführt, dass 802.11a-Produkte erst in diesem Jahr Marktbedeutung erlangen.

Bandbreite nun auch für Deutschland

Einzelne europäische Länder öffnen jedoch bereits Bänder für 802.11a, auch in Deutschland ist die Nutzung der Frequenzbereiche 5150-5350 und 5470-5725 MHz durch die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) inzwischen erlaubt worden. Dabei wurde die Nutzung der Frequenzen explizit nicht an einen bestimmten technischen Standard gebunden. Die zulässigen Sendeleistungen sind allerdings im unteren Bereich auf 200 Milliwatt (nur innerhalb geschlossener Räume), im oberen auf 1 Watt (auch außerhalb zulässig) beschränkt worden. Obwohl HiperLan/2 als drahtloses ATM mit geringerer Latenz aufwarten kann und bessere Möglichkeiten für garantierte Bandbreiten bietet, gilt der Protokoll-Overhead für die reine IP-Nutzung allgemein als zu hoch. Darüber hinaus ist Hardware nach 802.11a preiswerter herzustellen als solche für HiperLan/2.

Die im 5-GHz-Band zur Verfügung stehende Bandbreite erlaubt eine größere Anzahl unabhängiger Kanäle, die OFDM-Modulation erzielt dabei höhere Datenraten. 802.11a bietet je nach Empfangsverhältnissen acht verschiedene Datenraten von 6 bis 54 MBit/s. Nachteilig ist allerdings, dass die höhere Frequenz geringere Reichweiten bedeutet – und damit eine höhere Dichte der Access Points erfordert. Diese wächst noch weiter, wenn man tatsächlich alle zugelassenen Kanäle nutzen will, da dann nur noch schwächere Antennen zulässig sind. Entsprechende Studien versprechen für eine 802.11a-Installation dennoch etwa eine Verbesserung der Bandbreite um Faktor 3 gegenüber 802.11b.

Ganz neu und noch nicht verabschiedet ist der 802.11g-Standard. Er kombiniert das alte 2,4-GHz-Band mit der seinerzeit dort noch nicht zulässigen OFDM und erreicht so ebenfalls bis zu 54 MBit/s, ist aber weiterhin auf nur drei unabhängige Kanäle beschränkt. Falls viele Nutzer die hohen Datenraten benötigen, wird man also zu 802.11a greifen müssen. 802.11g kann seine Vorteile dort ausspielen, wo eine existierende 802.11b-Installation um vereinzelte Arbeitsplätze mit hoher Datenrate erweitert werden soll. Unter Umständen ist es sinnvoll, beide Verfahren zu kombinieren. Mit “Dual Band” Access Points, die beide Standards unterstützen, dürfte dann ebenfalls zu rechnen sein.

Ein weiterer Vorteil von 802.11a: Das 5-GHz-Band wird zur Zeit noch nicht nennenswert von anderen Produkten genutzt. Während die 2,4-GHz-Standards sich mit Störungen von Bluetooth bis zu Mikrowellengeräten auseinandersetzen müssen, kann im 5-GHz-Band noch relativ ungestört gefunkt werden.

Den proprietären Protokollen der Anfangszeiten kommt immer weniger Bedeutung zu. Zu nennen wären hier noch OpenAir von Proxim, das auf die Zeit vor 802.11 zurückdatiert. Mit einem Frequency-Hopping-Protokoll und einfachen Modulationen werden Datenraten von 0,8 und 1,6 MBit/s erreicht. Preiswert zu implementieren, doch von der Performance alles andere als optimal.

Auch HomeRF von Diamond zielte auf preiswertere Hardware, blieb jedoch in den Staaten bei nur etwas günstigeren Preisen weit hinter der Performance der 802.11b Produkte zurück und ist auch in Deutschland eher selten zu finden.

Stör ich?

Wie bereits erwähnt, sind die verwendeten Frequenzbereiche für jedermann frei nutzbar, im 2,4-GHz-Band muss darüber hinaus mit Störungen durch Mikrowellenherde gerechnet werden. Um dennoch fehlerfrei Daten übertragen zu können, setzen die WLAN-Karten zahlreiche Verfahren zur Fehlervermeidung und -korrektur ein.

So sendet eine WLAN-Karte nicht auf einer festen Frequenz, sondern in mehreren Bändern oder auf stetig wechselnden Frequenzen innerhalb eines Bandes. Diese “Spread Spectrum” genannte Technik erlaubt, gestörten Frequenzbereichen auszuweichen oder ihren Einfluss zu verringern. Zwei Varianten gibt es: “Direct Sequence” moduliert die Daten mit einem Code hoher Frequenz, wodurch die benötigte Bandbreite sich zwar erhöht. Doch bei der Demodulation mit demselben Code lassen sich Störungen in einzelnen Bereichen besser ausfiltern. Beim “Frequency Hopping” wird ein Band in viele schmale Kanäle zerteilt und ständig zwischen diesen gewechselt. Sollte es in einzelnen Kanälen Störungen geben, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, beim nächsten Wechsel wieder einen ungestörten Kanal zu erwischen.

Um den Rest der Fehler kümmert sich die Fehlerkorrektur. Obwohl fehlerkorrigierende Kodierungen existieren, sind sie jedoch für die bei Funkübertragungen auftretenden Störungen ineffizient. Stattdessen wird auf Fehlererkennung gesetzt und ein fehlerhaftes Paket einfach neu übertragen. Bei zahlreichen Störungen drückt das natürlich die nutzbare Bandbreite, Bandbreitenangaben auf WLAN-Produkten verstehen sich daher immer als brutto und bei besten Bedingungen, in der Praxis sind sie eher als die auf keinen Fall erreichbare Obergrenze zu sehen.

Kaffeesatz

Für drahtlose Netzwerke ist heute IEEE 802.11b Standard, könnte aber schon in den nächsten zwei Jahren von 802.11a mit 54 MBit/s abgelöst werden – die Geräte liegen bei den Herstellern schon im Regal. Die wichtigste Neuerung für Heimanwender wird aber die Einführung von 802.11x sein: Dahinter verbergen sich Geräte nach 802.11b mit 11 MBit/s, die jedoch mit einer deutlich besseren Verschlüsselung als WEP-128 arbeiten. Erste Geräte werden für Ende des Jahres erwartet.