WLAN-Standards von IEEE 802.11

Im September 1990 begann eine Arbeitsgruppe des IEEE an einem Standard für drahtlose Netzwerke mit einer Datenrate von 1 MBit/s im Frequenzbereich 2,4 GHz zu arbeiten. Dabei entstand ein Protokoll und Übertragungsverfahren für drahtlose lokale Netzwerke (WLAN). Im Jahr 1997 wurde der Standard zunächst nur für 2 MBit/s bei 2,4 GHz definiert. Die Idee damals war, die unzuverlässige Infrarotübertragung (IrDA) zu ersetzen, mit denen Computer über kurze Entfernung Daten ohne Kabelverbindung austauschen konnten (Direktverbindung).

Der Standard IEEE 802.11 fand schnell Akzeptanz. Die Unterstützung durch die Wi-Fi-Allianz und die Nutzung des lizenzfreien Frequenzspektrums (2,4 GHz) sorgten für die rasche Verbreitung der Funktechnik. Schnell wurde der Wunsch nach höheren Übertragungsraten laut. Innerhalb weniger Jahre entstanden mehrere Standarderweiterungen, die vor allem die Übertragungsrate und die Sicherheit auf der Funkschnittstelle steigerten.

WFA - Wi-Fi Alliance

Die Wi-Fi Alliance, kurz WFA, ist eine Vereinigung von WLAN-Hardware-Herstellern, die Kompatibilitätsprüfungen definieren, durchführen und Zertifikate ausstellen. So sind zum Beispiel OCE und MBO WFA-Zertifizierungsprogramme, bei denen aber kein Zwang besteht mitmachen zu müssen. Meistens beschränkt sich die Teilnahme auf Programme, die signifikant die Geschwindigkeit steigern oder wenn es um Sicherheit geht.

Die WFA arbeitet oft ihre Zertifizierungsprogramme nicht anhand des fertigen Standards, sondern anhand dessen Entwürfe aus. Der Grund ist, der WFA geht es oft nicht schnell genug, bis der Standard fertig ist. Dabei kommt es dann zu Inkonsistenzen zwischen dem finalen 802.11-Standard und der darauf aufbauenden WFA-Produktzertifizierung.
Viele gute WLAN-Entwicklungen sind bereits im Praxiseinsatz gescheitert.

Übersicht der WLAN-Standards von IEEE 802.11

Hinweis: Die folgende Übersicht ist unvollständig.

Standard Beschreibung
802.11 Protokoll und Übertragungsverfahren für drahtlose Netze, 1997 zunächst nur für 2 MBit/s bei 2,4 GHz definiert.
802.11a WLAN mit bis zu 54 MBit/s im 5 GHz Bereich, 12 nicht-überlappende Kanäle, Modulation: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).
802.11b WLAN mit bis zu 11 MBit/s im 2,4GHz Bereich, 3 nicht-überlappende Kanäle.
802.11c Wireless Bridging zwischen Access Points. Spezifiziert das MAC-Layer-Bridging gemäß IEEE 802.1d.
802.11d Beinhaltet länderspezifische Anpassungen an die jeweilige regulatorischen und gesetzlichen Bestimmungen, wie etwa die Wahl der Funkkanäle.
Wurde zuerst für den US-Markt entwickelt. Es wurden mit dieser Erweiterung regionale Besonderheiten, z. B. auch der Frequenzbereich berücksichtigt.
802.11e Erweitert WLAN um Quality of Service (QoS) - Priorisierung von Datenpaketen, z. B. für Multimedia-Anwendungen und Streaming.
802.11f Regelt die Interoperabilität zwischen Basisstationen. Ermöglicht Roaming zwischen Access Points verschiedener Hersteller.
802.11g 54-Mbit/s-WLAN im 2,4-GHz-Band, Modulation OFDM.
802.11h Ergänzungen zum 802.11a für Europa mit DFS (Dynamic Frequency Selection) und TPC (Transmit Power Control).
802.11i Verschlüsselung mit AES. Authentifizierung nach IEEE 802.1x (Ergänzend/Aufbauend auf WEP und WPA).
802.11j Japanische Variante von 802.11a für das 5-GHz-Band.
802.11k Stellt Informationen über Funk- und Netzwerkaktivitäten zu Verfügung. Bessere Messung/Auswertung/Verwaltung der Funkparameter (z. B. Signalstärke). Soll unter anderem ortsbezogene Dienste ermöglichen (Location Based Services).
802.11m Zusammenfassung früherer Ergänzungen, Bereinigung von Fehlern aus vorausgegangenen Spezifikationen (Maintenance).
802.11n WLAN mit bis zu 600 MBit/s.
802.11o Soll die Priorisierung von Sprache im WLAN gegenüber dem Datenverkehr definieren.
802.11p Drahtloser Funkzugriff von Fahrzeugen aus (pWLAN).
802.11q Unterstützt Virtual LANs (VLAN).
802.11r Spezifiziert das Fast Roaming beim Wechsel zwischen Access Points. Interessant im Zusammenhang mit VoIP, um Gesprächsunterbrechungen zu vermeiden.
802.11s Regelt den Aufbau von Wireless Mesh Networks.
802.11t Wireless Performance Prediction (WPP), legt unter anderem Testverfahren fest.
802.11u Behandelt das Zusammenspiel mit anderen nicht 802-konformen Netzen, wie etwa den zellularen Handy-Netzen.
802.11v Wireless-Network-Management.
802.11w Protected Management Frames.
802.11z Ermöglicht Direkt-Verbindungen zwischen zwei WLAN-Clients, die über einen Access Point verbunden sind.
802.11aa Erweitert das für Voice-over-WLAN eingeführte QoS in IEEE 802.11e um Funktionen für die Videoübertragung (Video Transport Stream, VTS).
802.11ac Gigabit-WLAN. Beschleunigung durch Optimierung des Übertragungsprotokolls. Führt im günstigsten Fall zu einer doppelt so schnellen Übertragungsrate.
802.11ad Gigabit-WLAN für schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
802.11ah WLAN im Funkspektrum unterhalb von 1 GHz für das Internet der Dinge.
802.11ai Beschleunigung der Client-Anmeldung im WLAN.
802.11aq Veröffentlichung der verfügbaren Diensten im WLAN vor der Anmeldung.
802.11ax High Efficiency WLAN
802.11be Extremely High Throughput (EHT)

IEEE 802.11ah / Low-Power Wi-Fi / Wi-Fi HaLow

Der Standard IEEE 802.11ah ist ein WLAN mit hoher Reichweite, aber niedrigen Datenraten und geringem Energiebedarf. Die mögliche Reichweite liegt bei bis zu einem Kilometer. Zudem soll die Durchdringung von Wänden deutlich besser sein, um auch eine Indoor-Versorgung zu ermöglichen.
Während die üblichen WLAN-Standards bei 2,4 GHz oder 5 GHz arbeiten sind mit IEEE 802.11ah niedrigere Frequenzbändern angedacht. In Europa sollen 802.11ah-WLANs die Frequenz 868 MHz (863 bis 870 MHz) nutzen.

IEEE 802.11p / pWLAN

ITS-G5 ist ein Standard für die Fahrzeugvernetzung, der auf dem WLAN-Standard IEEE 802.11p bzw. pWLAN beruht. IEEE 802.11p wurde 2010 spezifiziert und basiert auf der veralteten WLAN-Spezifikation IEEE 802.11a.

IEEE 802.11u / Hotspot 2.0 / Passpoint

Der Standard IEEE 802.11u bildet die Basis für eine Roaming-Spezifikation der Wi-Fi Alliance mit dem Namen Hotspot 2.0 bzw. Passpoint. Es handelt sich um eine Roaming-Option für WLAN-Netzbetreiber mit mehreren 100 Access Points, die Roaming über ihre Netze anbieten wollen.

IEEE 802.11ai

Der Standard IEEE 802.11ai reduziert den heftigen Datenaustausch zwischen WLAN-Client und Basisstation, der vor und während dem Verbindungsaufbau statt findet. Ziel ist ein wesentlich schnelleren WLAN-Verbindungsaufbau. Das Verfahren erspart bspw. den DHCP-Handshake. So sollen IPv4- oder IPv6-Adressen schon bei der Anmeldung am Access Point bereitgestellt werden. Außerdem müssen kompatible Stationen die allgemeinen WLAN-Informationen nicht mehr individuell per Probe Request/Probe Response abfragen, sondern können die Informationen aus den Probe Responses für andere Stationen in der gleichen Funkzelle entnehmen.

IEEE 802.11ak

Der Standard IEEE 802.11ak passt die Rahmenstruktur der 802.11-Frames an die anderen 802-Normen an. Dazu gehört auch, dass 802.11ak-kompatible Geräte transparent VLAN-Tags transportieren können, um beispielsweise zwei beliebige Ethernet-Segmente miteinander zu verbinden.

IEEE 802.11aq / Pre-Association Service Discovery (PAD)

Um bestimmte Dienste im Netzwerk zu nutzen, muss sich ein WLAN-Client in komplexen WLAN-Umgebungen mit mehreren logischen Zellen und getrennten Subnetzen bei mehreren Access Points anmelden, um zum Beispiel einen bestimmten Drucker zu finden. Das mehrmalige Anmelden und anschließende Anfordern von Dienstebekanntgaben kostet allerdings viel Zeit.
Die Verfahren von Pre-Association Discovery sollen WLAN-Clients bereits vor einer WLAN-Anmeldung Dienstebekanntgaben mitteilen, über die der Access Point per Bonjour oder UPnP informiert wurde.
Denkbar wäre, dass ein Nutzer nach einem bestimmten Drucker in seiner Nähe sucht und sich dann gezielt mit dem richtigen Access Point verbindet, über den er den Drucker erreicht.
Eine weitere Möglichkeit wäre, dass ein WLAN-Nutzer vor der Anmeldung darüber informiert wird, welches WLAN welche Dienste bereitstellt.
Dabei sollen auch Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden, weil nicht alle Dienstebekanntgaben in jeder Situation unbedenklich sind.

IEEE 802.11z / Wi-Fi Direct

Mit Wi-Fi Direct kann man beispielsweise WLAN-fähige Kameras und Farbdrucker per Knopfdruck spontan koppeln, um Fotos auszudrucken oder die Video-Ausgabe eines Smartphones per WLAN auf den Fernseher zu übertragen.
Mit einem entsprechenden Drucker kann ein Tablet eine Peer-to-Peer-Verbindung zum Drucker aufbauen und ohne zusätzliche Treiber- oder Software drucken.
Ab Windows 8.1 wird Wi-Fi Direct unterstützt.

IEEE 802.11ba / WLAN-Weckruf

Um keine Steuerinformationen des Access Points zu verpassen, muss das WLAN-Funkmodul eines WLAN-Clients praktisch durchgängig in Betrieb sein. Der dabei auftretende Energieverbrauch ist bei Akku-betriebenen Geräten ein Problem.

IEEE 802.11ba sieht ein separates, energiesparendes Funkmodul vor, dass die WLAN-Schnittstelle aus einem energiesparenden Tiefschlaf holt, sobald Access Point mitteilt, dass Daten bereitliegen.

Trotzdem wird WLAN mit IEEE 802.11ba nicht mit den Energiespartechniken von Bluetooth Low Energy oder ZigBee mithalten können.

IEEE 802.11p / pWLAN / Car2Car

Für die direkte Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur existiert der Standard IEEE 802.11p.

OCE - Optimized Connectivity Experience

In der WLAN-Funktechnik gibt es das Phänomen der "Sticky Clients". Ein solcher WLAN-Client hält die Verbindung zu einem Access Point, obwohl ein anderer Access Point viel besser erreichbare wäre. Abhilfe soll ein Verfahren mit dem Namen "Optimized Connectivity Experience" schaffen. Das ist ein Feature, dass vor allem in Haushalten interessant ist, wo es mehr als einen Access Point gibt.
Weitere Features wären ein schnellerer Verbindungsaufbau, weniger Signalisierungsverkehr, der bei hoher Client-Dichte bis zu zwei Drittel des Funkverkehrs ausmachen kann. Das bedeutet, dass Management-Pakete über die Hälfte der Funkkanal-Kapazität belegen können. OCE reduziert den Management-Anteil, damit mehr Nutzdaten übertragen werden können.

MBO - Multiband-Operation-Programm

Der parallele Funkbetrieb von WLAN-Access-Points in den Frequenzbändern um 2,4 GHz und 5 GHz ist heute praktisch normal. Allerdings können Access Points beim Verbindungsaufbau am Probe Request der Clients nicht erkennen, ob der Client eventuell Dualband-fähig ist. Das heißt, die Funkverbindung läuft bei 2,4 GHz und 5 GHz bleibt ungenutzt. Bisher tricksen die meisten Hersteller und antworten auf die erste Anfrage im 2,4-GHz-Band nicht, um den Client ins 5-GHz-Band zu locken. Mit MBO könnte der Access Point die Clients über die Verfügbarkeit eines Funkkanals im 5-GHz-Band verweisen.

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