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IEEE 802.11

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IEEE 802.11 (auch: Wireless LAN, WLAN, WiFi) bezeichnet einen Industriestandard für drahtlose Netzwerkkommunikation. Herausgeber ist das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Die erste Version des Standards wurde 1997 verabschiedet. Sie spezifiziert den Mediumzugriff (MAC-Layer) und die physikalische Schicht (vgl. OSI-Modell) für drahtlose lokale Netzwerke.

Für die physikalische Schicht sind im originalen 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 mit Hilfe 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 540 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. Dieser Standard wird bei der Firma Apple unter dem Namen "AirPort" geführt. Produkte, die standardkonform arbeiten und die Interoperabilität mit Produkten anderer Hersteller gewährleisten, können von der Wi-Fi-Alliance zertifiziert werden.

Inhaltsverzeichnis

Standard 802.11 und seine Erweiterungen

802.11 ist eine Normen-Familie für WLANs. Die Definition der IEEE-802-Normen, die zunächst ganz allgemein den Netzwerkzugriff beschreiben, begann im Februar 1980, daher wurde die Bezeichnung 802 gewählt. Zur Zeit 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 physischen 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 physischen Schicht, 1999
    • Datentransfer: brutto 11 MBit/s (netto maximal 50 %)
    • Frequenzband 2,400 bis 2,485 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 2,485 GHz (lizenzfrei)
    • Akzeptanz: mittlerweile der am weitesten verbreitete Standard
  • 802.11n Neuer Standard in der Entwicklungsphase, Fertigstellung geplant für 2008
    • Datentransfer: brutto 540 MBit/s
    • Frequenzband: 2,400 bis 2,485 GHz (lizenzfrei), optional auch 5 GHz als zusätzliches Band
    • Akzeptanz: erste Hardware seit Februar 2007 vorhanden (Apple AirportExtreme Basisstation basiert auf einer Entwurfsversion der IEEE 802.11n Spezifikation und ist kompatibel mit IEEE 802.11a, IEEE 802.11b und IEEE 802.11g.)
  • 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 Amerika bereits für Einsatz im Verkehrsbereich reserviert)
    • Akzeptanz: favorisierte Technologie des 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 (22 MBit/s im 2,4-GHz-Band, PBCC, bis zu 44 MBit/s durch Kanalbündelung, auch als "802.11b+" bezeichnet; oder "802.11g" mit bis zu 108 MBit/s). Diese sind aber keine offiziellen IEEE-Standards.

max. zulässige Sendeleistungen (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 30 mW und eingeschränktes Frequenzband für 802.11a in Deutschland zugelassen.

Kompatibilitäten:

  • 802.11b und 802.11g sind zueinander kompatibel, jedoch fällt das 802.11g-Gerät dann in einen Kompatibilitätsmodus zurück, der die effektive Geschwindigkeit auf ca. 10-15 MBit/s 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 drahtloser Kommunikation 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 aufwendigen Spektrum-Management-Funktionen wie TPC oder DFS nötig, um volle Sendeleistung 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: 1, 7, 13)
  • Frequenz bringt Wassermoleküle zum Schwingen. Verminderte Durchlässigkeit z.B. durch REA-Gipswände


5-GHz-Vorteile

  • weniger genutztes Frequenzband, dadurch häufig störungsfreierer 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
12,412USA FCC, Europa ETSI, Japan  
22,417USA FCC, Europa ETSI, Japan  
32,422USA FCC, Europa ETSI, Japan  
42,427USA FCC, Europa ETSI, Japan  
52,432USA FCC, Europa ETSI, Japan  
62,437USA FCC, Europa ETSI, Japan  
72,442USA FCC, Europa ETSI, Japan  
82,447USA FCC, Europa ETSI, Japan  
92,452USA FCC, Europa ETSI, Japan  
102,457USA FCC, Europa ETSI, Japan Ehemals in Spanien und Frankreich
112,462USA FCC, Europa ETSI, Japan Ehemals in Spanien und Frankreich
122,467Europa ETSI, Japan Ehemals in Frankreich
132,472Europa ETSI, Japan Ehemals in Frankreich
142,484Japan  

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
345,170Japan
365,180USA, Singapur
385,190Japan
405,200USA, Singapur
425,210Japan
445,220USA, Singapur
465,230Japan
485,240USA, Singapur
525,260USA, Taiwan
565,280USA, Taiwan
605,300USA, Taiwan
645,320USA, Taiwan
1495,745  
1535,765  
1575,785  
1615,805  


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.

Update: Nach Neuregelung der Bundesnetzagentur 08/2006 darf der 802.11a-Standard ab 5470 Mhz (Kanal 100) mit einer Sendeleistung von bis zu 1000 mW in Deutschland auch in Aussenbereichen genutzt werden. (Quelle http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/5009.pdf)

Andere Standards im Nahbereich

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

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Wikipedia
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