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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.

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.

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.

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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