Drahtlose Technologien zur Multimedia-Verteilung

sog. Home-and-Office Bereich wird diese Technologie eingesetzt. Auch Städte, Gemeinden und Verkehrsmittel wie beispielsweise die Bahn bieten den Internetzugang in Hot-Spots bzw. den Zügen an. Neben diesen bereits einsetzbaren Technologien, gibt es zahlreiche andere, die zurzeit noch erprobt und spezifiziert werden und evtl. erst in einigen Monaten oder Jahren breite Anwendung finden. Zu nennen ist hier vor allem die WiMAX-Technik, spezifiziert in IEEE 802.16, die mittels Mikrowellen einen drahtlosen Breitband-Internetzugang über mehrere Kilometer hinweg zu bisher DSL-freien Regionen ermöglicht. UWB (Ultra Wide Band) dagegen ist eine Kurzstrecken-Funktechnologie, die für die Vernetzung verschiedener Geräte wie Computer, Tastaturen, Drucker, aber auch DVD-Player und Fernseher gedacht ist. Ebenso dem Kurzstreckenfunk zuzuordnen ist die ZigBee-Technik. ZigBee arbeitet auf dem 2,4GHz sowie 868MHz Band und soll für Gebäudeautomation in Firmen und Eigenheimen zur Steuerung von Licht, Heizung, Alarmanlagen und Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Die Reichweite liegt hier bei bis zu 100m.

Die vorliegende Seminararbeit wird die wichtigsten Funktechniken vorstellen: Zu Beginn die WLAN-Technik, die derzeit zum Standard IEEE 802.11n weiterentwickelt wird. Neben einem kurzen Überblick wird die sog. MIMO- (multiple input multiple output) Technik vorgestellt, die in den neuen Standard mit einfließt und u.a. größere Reichweiten für WLAN ermöglicht.

Das darauf folgende Kapitel beinhaltet die WiMAX-Funktechnik. Aspekte, die die Funktionsweise, Datenraten, Frequenzen und den Netzaufbau beinhalten, werden näher betrachtet. Anschließend wird am Beispiel der Städte Selm und Finnentrop gezeigt, dass diese Funktechnik bereits einsatzfähig ist. Das vierte Kapitel behandelt das Thema UWB. Die Funktionsweise dieser Technik, ihre Anforderungen sowie Vor- und Nachteile sollen dabei aufgezeigt werden.

In einem letzten Kapitel werden die vorgestellten Techniken zusammengefasst und dabei erläutert, in welchen Bereichen sich die Technologien ergänzen bzw. gegenseitig ausschließen und wann mit einer breiten Nutzung der entsprechenden Funktechnik zu rechnen ist.

2 Wireless LAN

Zu Beginn der 90-er Jahre entstanden erste Produkte für den drahtlosen Zugang zu einem Netzwerk, die jedoch aufgrund fehlender Richtlinien zueinander inkompatibel waren. Daher wurde vom amerikanischen Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ein Standard für drahtlose lokale Netze entwickelt. ¹ Diese Spezifikation erhielt die Bezeichnung IEEE 802.11 und wurde Mitte 1996 fertig gestellt. Bis heute ist dieser Standard der Erfolgreichste für drahtlose Internetverbindungen.

¹ Vgl. Lehner, S. 123

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Dieses Kapitel soll die wichtigsten Eigenschaften dieser Technologie aufzeigen. Dabei wird nicht detailliert auf die einzelnen Aspekte eingegangen, da dieses den Rahmen einer Seminararbeit übersteigen würde und diese Technik zudem in Vorlesungen wie Rechnernetze und Telematik-Grundlagen ausführlich besprochen wird. Als weiterführende Literatur sei auf die Kapitel 4.4 bis 4.6 in [6] verwiesen. Daher wird grundlegendes Verständnis dieser Technologie als bekannt vorausgesetzt.

2.1 Funktionsweise

Wireless LAN nach dem IEEE 802.11 Standard unterstützt zwei verschiedene Arten von Betriebsmodi: zum einen den so genannten Ad-hoc-Modus, der für die direkte Kommunikation der Endgeräte verwendet wird, und zum anderen den Infrastruktur-Modus. Hierbei erfolgt die Kommunikation über Access-Points, die Daten mit Endgeräten in ihrer Funkzelle austauschen können. Die Datenraten liegen bei dem IEEE 802.11a-und 802.11g-Standard bei bis zu 54Mbit pro Sekunde und nutzen in der Bitübertragungsschicht das Orthogonal Frequency Devision Multiplexing (OFDM) - Verfahren. Dabei arbeitet IEEE 802.11a im 5 GHz-Band und 802.11g im 2.4GHz-Band. Die IEEE 802.11b-Variante arbeitet ebenfalls im 2.4 GHz-Band, benutzt jedoch die Spreizbandtechnik DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), um den meist schmalbandigen Störungen entgegenzuwirken.

Auf der Sicherungsschicht kann das für Ethernet übliche CSMA/CD Verfahren nicht zum Einsatz kommen, da Funkgeräte im Halbduplex-Modus arbeiten und somit beim Senden kein Mithören möglich ist. Daher gibt es in IEEE 802.11 zwei Modi zur Zugriffssteuerung: Das erste Verfahren arbeitet dezentral und wird mit „Distributed Coordination Function“ (DCF) beschrieben. Dabei wird mittels CSMA/CA versucht, Kollisionen durch Inter-Frame-Spacing- Zeiten zu vermeiden. Das Hidden Station- und Exposed Station-Problem, welches Abbildung 2.1 verdeutlicht, wird mittels MACAW, einer Variante von CSMA/CD gelöst. Hier regeln Request To Send- (RTS) und Clear To Send- (CTS) Frames, wer wann und wie lange senden darf und wer in dieser Zeit eine Sendepause einlegen muss.

Das zweite Verfahren der Zugriffssteuerung ist das zentral arbeitende Point Coordination Function Verfahren (PCF), welches auf Zeitmultiplex basiert. Die Basisstation übernimmt dabei die Rolle des Point Coordinators, sendet regelmäßig ein Beacon-Frame und kann das Medium für eine bestimmte Zeit reservieren. In dieser Zeit werden die Stationen, die sich für PCF angemeldet haben, nacheinander abgefragt

und können das Senderecht für ein Frame bekommen. 2

Die Sicherheitsfunktionen bisheriger IEEE 802.11 Spezifikationen sind nicht ausreichend. Es kommt das symmetrische WEP-Verfahren (=Wired Equivalent Privacy) zum Einsatz, welches die Daten mit den Werten eines Zufallszahlengenerators (RC4) XOR verknüpft. Der Startwert des Zufallszahlengenerators ist dabei ein 40 bzw. 104 Bit Schlüssel sowie ein 24 Bit Initialisierungsvektor.

Dass alle Teilnehmer denselben geheimen Schlüssel bekommen, ist recht problematisch. Ebenso gilt der RC4 Zufallszahlenalgorithmus als relativ unsicher und ein 24 Bit Initialisierungsvektor erlaubt zu wenig Variationen. Daher ist WEP keine ernst zu nehmende Sicherheitstechnik, so dass das Wi-Fi Protected Access- (WPA) Verfahren, welches eigentlich erst im IEEE 802.11i Standard spezifiziert werden sollte, heute bereits in den meisten Routern eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren kommen dynamische Schlüssel sowie eine Nutzer-Authentifizierung zum Einsatz.

2.2 Die MIMO-Funktechnik

Das Kürzel MIMO steht für „Multiple Input, Multiple Output“ und beschreibt eine Technik, die die Funkverbindung zwischen der WLAN-Basisstation und dem Mobilgerät verbessern soll. Dazu werden die Geräte mit mehreren Antennen ausgestattet, die dann eine Richtwirkung entwickeln können und somit zu einer höheren Reichweite und einem größeren Durchsatz führen.

Zwar kann die Datenrate eines WLAN-Netzes z.B. auch durch andere Modulationsverfahren anstatt des 64-QAM, verbessert werden, doch müsste dazu sehr genau funktionierende Hochfrequenzelektronik in die

Funkanlagen eingebaut werden, was enorme Kostensteigerungen mit sich bringen würde. ³ Um die Anlagen jedoch weiterhin kostengünstig herstellen zu können und den Durchsatz zu erhöhen, werden in zukünftige Anlagen mehrere baugleiche Antennen eingebaut, die voneinander mindestens eine halbe Wellenlänge der Trägerschwingung Abstand haben müssen. Bei dem IEEE WLAN-Standards 802.11b und 802.11g (2400 bis

2483,5 MHz) wären dies ca. 62mm. ⁴ Durch das Senden mehrerer Signale erhält der Empfänger eine räumliche Information über die Funkwellen. Unterscheiden sich diese Funkwellen in Bezug auf die Richtung

² Vgl. Tanenbaum, Kap. 4.4 bis 4.6 sowie Vorlesungsunterlagen zu „Rechnernetze 2“ von Prof. Roland Wismüller

³ Vgl. c’t 08/2005, S.132

⁴ Ebd., S. 135

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aus der sie kommen recht deutlich voneinander, kann ein Mehrantennen-Empfänger sie mittels analoger Elektronik trennen. Abbildung 2.2 verdeutlicht dies.

Bei nur zwei Antennen ist theoretisch eine Verdoppelung der Datenrate möglich. Doch wird die MIMO-Technik nicht nur zu diesem sog. Multiplex-Gewinn eingesetzt, sondern auch um die Verbindungsqualität zu steigern (=Diversitätsgewinn). Die verschiedenen Kanäle übertragen dann das gleiche Signal, welches somit mehrfach beim Empfänger ankommt und Neuübertragungen von fehlerhaft erhaltenen Datenpaketen minimiert. Diversitätsgewinn und Multiplexgewinn schließen sich demzufolge gegenseitig aus: Wenn kein Multiplexgewinn vorliegt, ist der Diversitätsgewinn maximal und umgekehrt. 5

Weitere Verbesserungen, die die MIMO-Technik mit sich bringt, sind darüber hinaus eine größere Empfangsleistung sowie zusätzliche Störerunterdrückung. Durch Addition und Gewichtung der Antennensignale kann eine Richtcharakteristik erzielt werden, welche die Empfangsqualität um mehrere dB verbessert. Eine Verdoppelung der Antennenanzahl führt bereits zu einem Gewinn der Empfangsleistung von maximal 3 dB. Hierzu müssen die Ausgangssignale der Antennen „intelligent“ miteinander verknüpft werden, wobei diese dann auf der Empfängerseite mittels einer einstellbaren Verzögerung wieder getrennt werden. ⁶ Unterschiedlich lange Laufzeiten der Signale und Reflexionen führen zu einer destruktiven Auslöschung der sinusförmigen Trägersignale. ⁷ Dadurch entstehen Funklöcher, was jedoch bei Mehrantennen-Systemen nicht allzu problematisch ist: Befindet sich die eine Antenne in einem solchen Funkloch, empfängt die andere möglicherweise deutlich besser; vorausgesetzt der Antennenabstand ist groß genug.

⁵ Ebd.

⁶ Ebd., S. 133

⁷ Ebd. S. 134

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Erste Tests mit solchen MIMO-Systemen haben gezeigt, dass eine Verdreifachung der Antennenanzahl sowohl auf der Sende- wie auch auf der Empfängerseite zu einer Verdoppelung der Datenrate führt. ⁸ Künftige Geräte sollen dabei auf Nettodatenraten von bis zu 380 MBit pro Sekunde kommen. 9

2.3 Stand der IEEE 802.11n-Spezifikation

Die MIMO-Technik wird in die zukünftige IEEE 802.11n Spezifikation einfließen und standardisiert werden. Es gibt bereits einige MIMO-fähige WLAN-Geräte, doch sind diese als proprietäre Lösungen zu verstehen, die nicht einem bestimmten Standard entsprechen. Das Gerät von Hersteller X kann demnach noch nicht mit einem anderen Gerät des Herstellers Y betrieben werden. Um das zu ändern, fand im März dieses Jahres in Atlanta eine Sitzung der IEEE-Arbeitsgruppe zum Standard 802.11 statt. Hierbei hat sich die Arbeitsgruppe TGn, die für den nächsten Standard 802.11n verantwortlich ist, von den vier eingereichten Vorschlägen auf einen (TGnsync) geeinigt. Allerdings nur mit einer Mehrheit von 56 Prozent. Damit jedoch aus dem Vorschlag ein Entwurf werden kann, ist eine Mehrheit von 75 Prozent notwendig. Eine weitere Sitzung fand im Mai 2005 statt. Dabei konnte der zuvor bevorzugte Vorschlag der TGnsync-Fraktion nicht erneut punkten, sondern nun fanden ebenfalls die Ziele der WWiSE-Gruppe Zustimmung. ¹⁰ Die Vorschläge unterscheiden sich in der Anzahl möglicher Bruttodatenraten sowie der Breite des Funkkanals. Mit einem endgültigen Standard 802.11n kann demzufolge frühestens im Winter 2005/2006 gerechnet werden. 11

3 Die WiMAX-Funktechnologie

Das im vorherigen Kapitel vorgestellte IEEE 802.11 ist in den bisherigen Spezifikationen nur für kurze Distanzen bis zu 100 Metern einsetzbar. Um größere Entfernungen zu überbrücken, müssen andere Technologien eingesetzt werden. Die Handy-Standards GPRS und UMTS sind eine Möglichkeit. Geräte über größere Entfernungen miteinander zu verbinden oder einen Internetzugang zu gewähren, doch sind diese Varianten bisher zu kostenintensiv. Daher arbeiten seit 2001 Interessengemeinschaften, wie beispielsweise das WiMAX-Forum ¹² , daran, die WiMAX-Technik zu entwickeln und unter der Bezeichnung IEEE 802.16 zu standardisieren. WiMAX steht dabei für „Worldwide Interoperability For Microwave Access“ und

⁸ Ebd. S.135

⁹ Vgl. http://www.heise.de/newsticker/result.xhtml?url=/newsticker/meldung/58181&words=802%2011n

¹⁰ Vgl. http://www.heise.de/newsticker/result.xhtml?url=/newsticker/meldung/59738&words=802%2011n

¹¹ Vgl. c’t 08/2005, S. 130

¹² zu diesem gehören Firmen wie Siemens, Fujitsu, AT&T, Nokia, Intel u.v.a.

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