WLAN-Übertragungstechnik

4 Transport-Schicht (TCP) TCP
3 Netzwerk-Schicht (IP) IP
2 Logical Link Control (LLC) 802.2
Medium Access Control (MAC) CSMA, VCD
1 Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) DSSS, FHSS, Infrarot

Der Funknetz-Standard IEEE 802.11 definiert einen gemeinsamen MAC-Layer (Medium Access Control) für drei spezifische Physical Layer (PHY). Zwei davon sind den Funk-LANs, einer dem Infrarotnetz zugeordnet. Im Funknetz wird als Frequenzbereich das ISM-Band (2,4 GHz) von 2,400 bis 2,4835 GHz genutzt.
Die Infrarot-Variante ist so gut wie unbekannt. Sie nutzt die Frequenzen von 850 bis 950 Nanometer (Licht). Die verwendete diffuse IR-Übertragung erfordert keine exakte Ausrichtung von Sender und Empfänger. Die maximal 10 Meter weite Sichtlinie sollte trotzdem hindernisfrei sein, um unnötige Beeinträchtigungen bei der Datenübertragung auszuschließen.

Die Funktechnik sieht mehrere Modulationsverfahren vor, die mit dem Bandspreizverfahren arbeiten. Dabei wird das Funksignal über ein möglichst breites Frequenzspektrum aufgeteilt. Diese Methode verringert den Einfluss von schmalbandigen und breitbandigen Störungen.

WLAN-Frame nach IEEE 802.11

IEEE 802.11 hat Ethernet als Basistechnik und verfügt deshalb auch über dessen Frame-Typen und Zugriffsmethoden. IEEE 802.11 kennt drei verschiedene Frame-Typen. Darunter Control-, Management- und Daten-Frames. Normale WLAN-Adapter müssen nur einen Teil dieser Frames verstehen. Manches bleibt Access Points vorbehalten, die alle Dienste beherrschen müssen.

Präambel 802.11-Header IV SNAP Ethernet-Frame Prüfsumme
20 µs 24 bis 32 Byte 4 oder 8 Byte 8 Byte maximal 2304 Byte 4 Byte

Im Prinzip wird ein Ethernet-Frame in einem WLAN-Frame eingebettet übertragen. Das Ethernet-Frame kann deutlich länger sein als bei Fast-Ethernet. Während ein normales Ethernet-Frame maximal 1518 Byte haben darf, darf das Ethernet-Frame über WLAN 2304 Byte betragen. Bei längeren Frames lassen sich die Anzahl der Header reduzieren und so die Übertragungsrate erhöhen.
Damit die Frames über WLAN übertragen werden können, werden bis zu 64 Byte an Header und Prüfsummen hinzugefügt und eine Präambel von 20 µs vorangestellt. Die Präambel dient zum Synchronisieren des Empfängers. Es folgt der 802.11-Header mit bis zu 32 Byte. Der Sequenzzähler (IV) wird bei verschlüsselten Paketen benötigt und beträgt 4 oder 8 Byte. Der LLC-SNAP-Header wird benötigt, um Ethernet-Pakete über Nicht-Ethernet-Medien zu transportieren. Er benötigt 8 Byte. Dann folgt das eigentliche Ethernet-Frame mit maximal 2304 Byte und die Prüfsumme mit 4 Byte.

Strom-Spar-Funktionen / Power-Saving

WLAN kommt vor allem in mobilen und damit Akku-betriebenen Geräten vor. Zum Beispiel Smartphones, Tablets und Notebooks. Um die Akku-Laufzeit dieser Geräte zu verlängern gibt es spezielle Strom-Spar- und Power-Management-Funktionen.
Die Traffic-Indicator-MAP (TIM) ist eine Liste, die der Access Point erstellt, um dort alle Wireless-Stationen zu speichern. Um diese Liste aktuell zu halten, schickt der Access Point regelmäßig TIM-Signale (Beacons), die die Wireless-Stationen aufwecken.
Die Delivery-Traffic-Indicator-MAP (DTIM) ist auch eine Liste, die vom Access Point gepflegt wird. Der DTIM-Beacon ist ein Broadcast-Signal, das mit einem größeren zeitlichen Abstand gesendet wird, als der TIM-Beacon. Im Regelfall werden WLAN-Netzwerkkarten nur mit dem DTIM-Beacon aufgeweckt um die Laufzeit mobiler Geräte noch weiter zu erhöhen.
Für den TIM- bzw. DTIM-Beacon gibt es häufig Einstellungen im Access Point, wie häufig er gesendet werden soll. In der Regel lässt man von diesen Einstellungen die Finger.

IEEE 802.11d - World Mode - Global Harmonization

Der Standard IEEE 802.11d fällt unter dem Betriff "Global Harmonization" und wird auch als "World Mode" bezeichnet. Er regelt die technischen Unterschiede in unterschiedlichen Ländern und Regionen. Hierzu gehört auch die Definition der Anzahl und Auswahl der Kanäle, die in einem Land für die Nutzung von WLAN freigegeben sind.
Ebenso ist die Auswahl der Basistechnologie, also ob IEEE 802.11 a, h, b, g oder n verwendet werden darf, geregelt. Für den WLAN-Nutzer ist es dank IEEE 802.11d unerheblich, welcher Standard verwendet wird. Er muss lediglich seinen aktuellen Standort angeben. Der WLAN-Client arbeitet dann mit den jeweils zugelassenen Standards.
In der Praxis sieht das so aus, dass ein WLAN-Router oder WLAN-Client ein Länderprofil hinterlegt hat, anhand dessen er die notwendigen Einstellungen vornimmt.

FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum

Frequenzspektrum von FHSS
FHSS ist Teil des Ursprungsstandards von IEEE 802.11. Es beschreibt, wie das Frequenzspektrum aufgeteilt wird. Sender und Empfänger nutzen für die Übertragung die 79 Kanäle im 2,4 GHz-Band und teilen die Datenpakete in kleine Häppchen auf. Durch die Vergabe einer bestimmten Hopping-Sequence werden die Kanäle nach einem Zufallsmuster gewechselt. Die vorgegebene Mindestsprungdistanz beträgt 6 Kanäle, also 6 MHz. Insgesamt lässt sich dieser Frequenzbereich mit 26 Teilnehmern betreiben, ohne dass sie sich die Übertragungsrate teilen müssen.
Diese Technik ist sehr anfällig gegen Störungen, vor allem dann, wenn gestörte Frequenzen aus dem Sprungmuster ausgelassen werden. Sollte auf einem Kanal dann doch mal zwei Übertragungen miteinander kollidieren, werden diese Datenpakete einfach nochmal übertragen. Da die Kollisionen in einem Funknetz nicht erkannt werden können, kommt ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung zum Einsatz (CSMA/CA).
FHSS ist relativ kostengünstig und stromsparend, was bei kleinen mobilen Geräten ein großer Vorteil ist. Der enorme Verwaltungsaufwand bei den Frequenzsprüngen drückt jedoch auf die Nutzdatenrate, verkompliziert das Roaming zwischen mehreren Access Points und hat nur eine begrenzte Reichweite.
Frequency Hopping hat einen entscheidenden Nachteil. Es lässt sich damit nur maximal 2 MBit/s erreichen. WLAN nach IEEE 802.11b verwendet daher DSSS als Modulationsverfahren und überbrückt damit größere Distanzen mit einer schnelleren Datenübertragungsrate.

DCF - Distributed Coordination Function

Die Distributed Coordination Function (DCF) verteilt die Zugriffsregeln auf die Stationen. Im DCF benutzt das MAC-Protokoll CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).
Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.

CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

Die Übertragungstechnik von IEEE 802.11 sieht den unkoordinierten, ungeplanten und spontanen Betrieb eines WLANs vor. In der Praxis sieht das so aus, dass jeder eine WLAN-Basisstation in Betrieb nehmen kann, ohne genaue technische Kenntnisse über deren Funktionsweise zu haben. Das bedeutet, dass die so betriebenen Funksysteme Techniken und Maßnahmen zur Koexistenz beherrschen müssen.
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ist ein Mehrfachzugriffsverfahren. Es sieht vor, dass jeder Teilnehmer vor dem Senden prüfen muss, ob das Übertragungsmedium frei ist. Erst wenn kein anderer Teilnehmer etwas sendet, dann ist die Übertragung erlaubt.

PCF / Point Coordination Function

Die WLAN-Übertragungstechnik arbeitet mit CSMA/CA, einem Listen-before-Talk-Verfahren. Hierbei kann bei der Übertragung zeitkritischer Daten, ein bestimmter Zeitpunkt für die Übertragung nicht gewährleistet werden.
Es gibt aber auch Ansätze das Zugriffsprotokoll um ein zentral koordiniertes Verfahren zu erweitern. Beispielsweise PCF (Point Coordination Function) und HCFCCA (Hybrid Coordinator Function Controlled Channel Access). Beide Verfahren sind jedoch in den auf dem Markt befindlichen Geräten selten zu finden.

Die Erweiterung PCF sieht eine Zugriffsregelung vor, bei der jeder Teilnehmer in einem bestimmten Zeitfenster vom Access Point angesprochen wird. So wird eine bestimmte Charakteristik bei der Übertragung für bestimmte Kommunikationsanforderungen garantiert.
Mit PCF vergibt ein Access Point mittels einer Kanalreservierung die Senderechte an die Teilnehmer. Dieser Vorgang wird als Polling bezeichnet. Dabei fragt der Access Point die Teilnehmer innerhalb seiner Zelle nacheinander ab, ob sie Daten versenden wollen. Auf diese Weise kann man zeitkritischen Datenverkehr optimal abwickeln.
Das übliche DCF und PCF lassen sich auch parallel zueinander einsetzen. PCF hat dann allerdings eine höhere Priorität.

Mit PCF bekommt IEEE 802.11 die Echtzeitfähigkeit durch ein koordiniertes Mehrfachzugriffsverfahren auf dem MAC-Layer und unterstützt somit Quality of Service (QoS).

Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS)

RTS/CTS-Verfahren

Durch Um das Risiko der mehrmaligen Funkschnittstellen-Belegung und Sende-Kollisionen zu vermeiden, muss jede Station die Funkschnittstelle explizit reservieren, bevor sie belegt werden darf. Dazu wird das RTS/CTS-Verfahren angewendet.
Für die Kollisionsvermeidung gibt es in der MAC-Schicht einen Virtual-Collision-Detection-(VCD-)Modus, der die Rahmen Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS) enthält. Bevor irgendwelche Daten gesendet werden erfolgt folgender Ablauf:

  1. Die WLAN-Station verlangt einen freien Kanal.
  2. Die WLAN-Station identifiziert einen freien Kanal.
  3. Die WLAN-Station sendet ein RTS auf diesen Kanal.
  4. Der Access Point (AP) sendet ein CTS.
  5. Die WLAN-Station sendet die Daten.
  6. Der Access Point (AP) sendet ein Acknowledgement (ACK) zur Empfangsbestätigung.

Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-Signal an Empfänger B. Erkennt der Empfänger B den Kanal als frei, sendet er ein CTS-Signal. Dieses Signal hören alle Stationen, die mit der Funkzelle des Empfängers B Kontakt haben. Damit ist dieser Kanal für eine bestimmt Übertragungszeit von Sender A zu Empfänger B reserviert.
Das Acknowledgement (ACK), die Empfangsbestätigung nach der Datenübertragung, ist ein weiterer Teil des CSMA/CA. Beim Eintreffen des Paketes sendet der Empfänger dem Sender eine Empfangsbestätigung. Bleibt diese beim Sender aus, schickt er das Paket noch einmal. Ohne ACK ist der Sender bevorrechtigt das Funkmedium nochmals zu nutzen. Kurzzeitige Störungen (Interferenzen) auf dem Funkmedium werden so umgangen, ohne das der Anwender etwas davon mitbekommt. Länger andauernde Störungen durch andere Funk-Anwendungen im selben Frequenzbereich lassen erst die Übertragungsrate sinken. Wenn die Störungen sich auch so nicht umgehen lassen, bricht das Funknetzwerk zusammen.

Vollduplex-WLAN / Full Duplex Communication (FDC)

Der Vorteil eines Kupferkabels ist das gleichzeitige Senden und Empfangen auf einem Kanal. Man bezeichnet das als Vollduplex. Typischerweise erfolgt die Kanaltrennung (Senden/Empfangen) durch Echokompensation. Was auf einem Kabel gut funktioniert, ist in der Funktechnik kaum möglich. Die Schwierigkeit ist die „Trennschärfe“, um das gesendete Signal vom empfangenen Signal zu subtrahieren.
Wegen dieser Schwierigkeit überträgt man in der Funktechnik die Kanäle für Senden und Empfangen wechselweise auf derselben Frequenz (TDD) oder gleichzeitig auf zwei verschiedenen Frequenzen (FDD).

Beacons

WLAN-Access-Points (WLAN-AP) verschicken in regelmäßigen Abständen Beacons mit allgemeinen Informationen zum angebotenen WLAN. Die WLAN-Beacons sind spezielle WLAN-Pakete, mit denen die WLAN-Clients, die sich in Reichweite befinden, über dieses WLAN informiert werden.

OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access

Die Übertragung mit OFDMA ermöglicht eine variable Zahl von Unterträgern (Frequenzen) und individuellen Modulationsstufen. OFDMA trägt damit zur optimalen Auslastung der verfügbaren Kapazitäten im Frequenzbereich bei. Indem sich einzelne oder mehrere orthogonale Subträger, Zweitschlitze und Unterkanäle verschiedenen Nutzern zuweisen lassen, kann die verfügbare Übertragungskapazität an die Nutzeranforderungen angepasst werden.

MIMO - Multiple Input Multiple Output

MIMO ist der Oberbegriff für Verfahren, die Funkverbindungen mit mehreren parallel genutzten Antennen verbessern. Dazu gehören:

  • größere Empfangsleistung (Gruppengewinn)
  • Störerunterdrückung (Interferenzunterdrückungsgewinn)
  • bessere Verbindungsqualität (Diversitätsgewinn)
  • höhere Übertragungsraten (Multiplexgewinn)

Mehrere Antennen liefern ein besseres Empfangssignal, vergrößern die mögliche Distanz oder erhöhen insgesamt den Datendurchsatz.

MU-MIMO - Multi-User-MIMO

Multi-User-MIMO (MU-MIMO) ist eine Erweiterung, um auf mehreren Antennen unterschiedliche Datenströme an einzelne WLAN-Clients gleichzeitig zu senden. Das macht aber erst ab drei oder mehr Antennen in den Basisstationen Sinn. Weil nur dann mehrere Datenströme gleichzeitig an mehrere Clients geschicken werden können. Ein Access Point kann mit drei Antennen dann mit jeweils 433 MBit/s an drei Clients gleichzeitig schicken (mit IEEE 802.11ac). Oder in Summe 1.300 MBit/s an einen Client. Wobei der zu empfangende Client auch drei Antennen benötigt, was aber nicht oft der Fall sein dürfte. Trotzdem steigt mit MU-MIMO der Summendurchsatz eines WLANs an, sofern wenigstens ein paar MU-MIMO-fähige WLAN-Clients vorhanden sind.

Zukünftige WLAN-Entwicklungen

Geschwindigkeitsgewinn durch

  • mehr Bit pro Sendeschritt, durch höherstufigere Modulation
  • mehr Bit durch breiteren Funkkanal, 40 oder 80 MHz statt nur 20 MHz
  • mehr Bit durch räumlich getrennte Übertragungswege oder -richtungen, durch MIMO und MU-MIMO

Weiterhin wird auch daran gearbeitet, gleichzeitig Senden und Empfangen zu können, was die Funkzelleneffizienz auf einen Schlag verdoppeln würde.

Probleme durch IEEE 802.11

Obwohl IEEE 802.11 protokollunabhängig arbeitet, können sich Probleme in der Praxis mit einigen Protokollen und Anwendungen ergeben. Ausschlaggebende Faktoren sind die höhere Bitfehlerrate (Bit Error Rate, BER) und die größere Verzögerung bei der Übertragung von Daten. Es liegt in der Natur eines Wireless LAN, dass die zur Übertragung benötigte Zeit länger ist als im drahtgebundenen LAN. Ein einfacher Ping hat im drahtgebundenen LAN eine Round Trip Time von weniger als einer Millisekunde. Im Wireless LAN liegt die Zeit für ein Ping bei bis zu vier Millisekunden.
Anwendungen, die ein kurze Verzögerungszeit zwischen Senden und Empfangen (Delay) benötigen, haben mit einem Wireless LAN unter Umständen Schwierigkeiten.

Übersicht: WLAN-Technik

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