WLAN - Koblenz

Wireless Local Area Networks
Proseminar Mobile Computing
Fachbereich IV: Informatik
Computervisualistik B.Sc.
Dozent: Prof. Dr. Christoph Steigner
Wintersemester 2010 / 2011
Verfasst von:
Betim Sojeva
Matrikelnr. 208 210 032
[email protected]
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung! ______________________________________3
1.1 ISM und U-NII Bänder!___________________________________3
1.2 IEEE 802.11 WLAN Standard!_____________________________4
1.3 IEEE 802.11 Subgroups!_________________________________5
1.4 Vorteile! ______________________________________________5
1.5 Probleme!_____________________________________________6
2 WLAN Equipment!_________________________________7
2.1 WLAN Adapter! ________________________________________7
2.2 Access Points!_________________________________________7
2.3 Outdoor LAN Bridges! __________________________________7
3 WLAN Topologien!_________________________________8
3.1 Peer-to-Peer (Ad-hoc) Topologie! _________________________8
3.2 Access Point-basierte Topologie! _________________________8
3.3 Point-to-Point Bridge Topolgie!___________________________9
4 WLAN Technologien!______________________________10
4.1 Spread Spectrum Technology! __________________________10
4.2 Direct Sequence Spread Spectrum PHY! __________________10
4.3 Orthogonal Frequence Division Multiplexing!______________13
4.4 IEEE 802.11b High Rate DSS!____________________________16
4.5 IEEE 802.11n!_________________________________________17
6 Literatur! ________________________________________20
2
1 Einführung
Wireless Local Area Networks – kurz WLAN – sind flexible, drahtlose lokale
Netzwerke (LAN), die eine mobile und flexible Kommunikation über Funk
ermöglichen. Diese Ausarbeitung wird zunächst eine kurze Einführung in das
Thema geben und auf die verschiedenen Topologien und einsetzenden
Technologien sowie die Vorteile und Probleme des WLANs eingehen.
1.1 ISM und U-NII Bänder
WLANs arbeiten auf bestimmten Frequenzbereichen – den ISM- und U-NIIBändern. Bei dem ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) werden die
elektromagnetischen Wellen über einen Frequenzbereich von 2,4 GHz
übertragen. Es darf weltweit lizenz- und genehmigungsfrei für industrielle,
wissenschaftliche und medizinische Tätigkeiten angewendet werden. [B S. 6f.]
U-NII-Frequenzbänder (Unlicensed National Information Infrastructure) sind
zum Teil unabhängige, frei nutzbare Frequenzen im 5-GHz-Bereich. Diese
enthalten eine größere Bandbreite als die ISM-Bänder. Es gibt jedoch einige
Unterschiede in der Nutzung zwischen den USA und Europa: In den USA ist
das 5-GHz-Frequenzband in drei gleich große Unterbänder aufgeteilt, die
jeweils vier Kanäle bereitstellen. Die verschiedenen Unterbänder weisen
verschieden starke Sendeleistungen auf. In Europa herrscht jedoch eine
ungleiche Verteilung der Unterbänder: Während die ersten zwei Unterbänder
vier Kanäle belegen, weist das dritte Unterband elf Kanäle auf. Dies wird damit
begründet, dass die Bevölkerungs- und industrielle Besiedlungsdichte bezogen
auf die bestehende Gesamtfläche weitaus größer ist als in den USA. Hinzu
kommt, dass unter anderem das Militär das 5-GHz-Frequenzband nutzt. [B. S.
143ff.]
3
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IEEE 802.11-Standard 1-0 1
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Die IEEE 802.11 ist ein Normstandard für drahtlose Netzwerke, welches vom
Institute of Electrical and Electronics Engineers herausgegeben wurde. WLANs
definieren folgende Normen: IEEE 802.11, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE
802.11g und IEEE 802.11n (siehe Abb. IEEE 802.11-Standard 1-0). Signale
können über Infrarot (IR) oder über Mikrowellen (siehe Kaptitel 1.1 ISM und UNII Bänder) übertragen werden.
Am 26. Juni 1997 veröffentlichte das IEEE einen Grundstandard – den sog.
IEEE 802.11 – welcher einen MAC-Layer und drei PHY-Layer definiert, die es
ermöglichen drahtlosen Datenaustausch zu erzeugen. Verschiedene PHYTypen realisieren verschiedene Übertragungsverfahren, mit denen Daten
ausgetauscht werden können. Die Datenübertragung arbeitet nach den
Verfahren des Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) oder nach dem
Direct Sequence Spread Spectrum-Verfahren (siehe Kapitel 4.2). Ein veraltetes
Übertragungsverfahren ist die Infrarottechnologie.
1
Bild: http://www.mobile.ifi.uni-muenchen.de/studium_lehre/ws1011/msp/02_80211_mac.pdf, Stand:
16.12.2010 0:04
4
1.3 IEEE 802.11 Subgroups
(Teil-)Standard
Datenraten
Übertragungs-
Frequenzband
verfahren
IEEE 802.11
1 und 2 MBit/s
Optisch
Infrarot
IEEE 802.11
1 und 2 MBit/s
FHSS
2,4 GHz
IEEE 802.11
1 und 2 MBit/s
DSSS
2,4 GHz
IEEE 802.11a
6, 9, 12, 18, 24, 36 OFDM
5 GHz
und 54 MBit/s
IEEE 802.11b
5,5 und 11 MBit/s
DSSS
2,4 GHz
IEEE 802.11g
6, 9, 12, 18, 24, 36 OFDM
2,4 GHz
und 54 MBit/s
IEEE 802.11n
Bis 600MBit/s
OFDM
2,4 oder 5 GHz
Übersicht 802.11-PHY 1-1 [B S. 8]
802.11a: Am 16. September 1999 wurde der neue Standard IEEE 802.11a
veröffentlicht, welcher erstmals für das 5 GHz-Band spezifiziert wurde. Hierbei
wurde das Übertragungsverfahren Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM) verwendet, die eine Datenrate von bis zu 54 MBit/s aufweist.
802.11b: Die Standarderweiterung IEEE 802.11b beruht auf einer
Weiterentwicklung des PHY-Layers, die nach dem Direct Sequence Spread
Spectrum (DSSS) arbeitet (siehe Kapitel 4.4).
802.11g: 2003 wurde ein weiterer Wireless Highspeed PHY definiert, der die
gleiche Sendeleistung erbringt, wie sein Vorgänger 802.11a, mit dem
Unterschied, dass die Übertragung auf dem ISM-Band geschieht.
802.11n: Die 802.11n-Erweiterung definiert einen neuen PHY- und MAC-Layer,
die durch zahlreiche Ereiterungen einen Datendurchsatz von bis zu 600MBit/s
erreichen kann (siehe Kaptitel 4.5).
1.4 Vorteile
Neben der gewonnenen Flexibilität und Mobilität der drahtlosen
Kommunikation ermöglicht WLAN mehr Produktivität, besonders in Firmen und
anderen öffentlichen Einrichtungen (z.B. Universitäten, Flughäfen, Hotels,
5
Messen). Ein bestehendes Netzwerk – beispielsweise in einer Firma – kann
durch Einsatz weiterer Access Points (APs) ohne großen Aufwand erweitert
werden. Kostenintensive Neuverkabelungen und bauliche Veränderungen
bleiben so erspart. Neben der Erweiterung von Netzwerken lässt sich auch die
Anzahl von Clients in einem bestehendem Netzwerk schnell erweitern. Des
Weiteren lassen sich drahtlose Netzwerke schnell und einfach installieren und
konfigurieren. 2
1.5 Probleme
Die Anwendung von WLAN bringt auch Nachteile mit sich, die beachtet werden
sollten:
Besetzung der Frequenzen: Für eine drahtlose Übertragung müssen in jedem
Land die Lizenzen für die Frequenzbesetzung geprüft werden. Ist die Frequenz
nicht lizenzfrei, muss diese erst genehmigt werden.
Störungen und Zuverlässigkeit: Es können Funkstörungen entstehen, da ein
simultaner Zugriff auf die öffentliche Luftschnittstelle herrscht. Bestimmte
Techniken, z.B. Automatic Repeat Request (ARQ) oder Forward Error
Correction (FEQ), werden angewandt, um die Zuverlässigkeit eines
Funknetzwerkes zu erhöhen. Die Zuverlässigkeit eines Frequenzkanals wird mit
der Bit Error Rate (BER) gemessen. BER lässt sich wie folgt bestimmen:
BER =
Anzahl der Bit Errors
Anzahl der übertragenen Bits
Sicherheit: Frequenzen sind nicht begrenzt. Es besteht also die Gefahr, dass
Daten, die übertragen werden, abgehört werden können. Für den Datenschutz
werden verschiedene Sicherheitsverfahren verwendet wie z.B. Wired
Equivalent Privacy (WEP40 oder WEP128) oder Wi-Fi Protected Access (WPA
oder WPA2).
Energieverbrauch: Für mobile Endgeräte spielt die Energieeffizienz eine
wichtige Rolle. Aus diesem Grund sollte die mobile Datenübertragung
möglichst energiesparend sein.
2
http://www.voip-information.de/wlan/wlan-vorteile-nachteile.php, Stand: 16.12.2010 0:04
6
2 WLAN Equipment
Heutzutage werden eine Vielzahl von WLAN-Komponenten angeboten. Es gibt
drei Hauptkomponente, die eine drahtlose Netzwerkbasis formen.
2.1 WLAN Adapter
Ein Rechner kann sich nur über ein WLAN-Interface in ein drahtloses Netzwerk
einbinden. Die meisten Endgeräte, wie Notebooks oder Mobiltelefone, haben
ein integriertes Interface. Ältere Geräte lassen sich auch zusätzlich durch
Einsatz von externen WLAN-Adaptern erweitern. Zwei Dinge müssen bei der
Hardware beachtet werden um WLAN-kompatibel zu sein:
Das Bus- und Funkinterface. Das Businterface hängt von der gegebenen
Hardwareplattform ab. USB-, PCI-, oder PCMCIA-Varianten sind bekannte
Busschnittstellen. Das Funkinterface hängt davon ab, welcher PHY-Layer oder
WLAN-Standard (802.11a/b/g/n) verwendet wird.
2.2 Access Points
Ein Wireless Access Point (WAP) stellt die Verbindung zwischen Endgeräten
(WLAN-Client) und Kommunikationsnetzwerken (z.B. zu Distribution Systemen)
her. Sie verfügen über ein WLAN-Interface, die es Clients ermöglichen Daten
auszutauschen. Über interne oder externe Antennen werden Daten gesendet
bzw. empfangen. Externe Antennen haben den Vorteil, dass die Fläche
innerhalb der Funkzelle größer ist und somit eine bessere Sende- und
Empfangsquote herrscht. Ein AP kann in der Regel bis zu 200 Clients
aufnehmen. Je mehr Clients sich in einer Funkzelle befinden, desto geringer ist
der Datendurchsatz. Es können beliebig viele APs zu einem bestehenden
Netzwerk hinzugefügt werden, unabhängig davon, ob sich die Funkzellen
überschneiden. Dies ist möglich, da verschiedene APs auf unterschiedlichen
Kanälen arbeiten. Ein Basic Service Set (siehe Kapitel 3.2) kann eine
Ausdehnung von ca. 20 bis 500 Meter haben.
2.3 Outdoor LAN Bridges
Outdoor-LAN-Bridges werden genutzt um LAN-Verbindungen zwischen
verschiedenen Gebäuden herzustellen. Sie erweisen sich als eine
7
kostengünstige Alternative zur Glasfasertechnik, da ein Line-of-Sight-Pfad
vorliegt und hohe Datenraten auch auf weite Entfernungen erreicht werden
können.
3 WLAN Topologien
3.1 Peer-to-Peer (Ad-hoc) Topologie
Bei einem Peer-to-Peer-Netzwerk (engl. peer, Gleichgestellter) verbinden sich
zwei oder mehrere Endgeräte direkt miteinander (Ad-hoc Modus), die einen
Wireless-Adapter besitzen. Dabei gibt es keine Unterscheidung zwischen
Client und Server, da kein zentrales Management zu Grunde liegt. Die direkte
Verbindung von Wireless Clients nennt man „Independent Basic Service
Set“ (IBSS, siehe Abb. Independent Basic Service Set 3-0). Möchten
beispielsweise zwei Rechner Daten austauschen, so müssen beide Rechner
den Betriebsmodus Ad-hoc-Modus auswählen. Die Reichweite eines Ad-hocNetzwerkes beträgt innerhalb von Gebäuden circa 30 – 50 m und außerhalb
etwa 300 m. [B S. 43ff.]
Independent Basic Service Set 3-0 3
3.2 Access Point-basierte Topologie
Bei der Access Point-basierten Topologie findet der Datenverkehr über ein oder
mehrere Access Points statt. Die Access Points bilden den Übergang zu einem
drahtgebundenen Netzwerk. Sie übernehmen also die Aufgabe einer Bridge.
Die Clients haben also über den Access Point Zugang auf das drahtgebundene
3
Bild: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907071.htm, Stand: 16.12.2010 0:04
8
Netzwerk. Die APs können nur eine bestimmte Fläche abdecken. Nur innerhalb
dieser befindlichen Station können Clients eine Verbindung zu den APs
herstellen. Diese Topologie nennt man auch Basic Service Set (BSS). Mehrere
BSSs, die über ein Distribution System (DS) angeschlossen sind, nennt man
auch Extended Service Set (ESS).4 [B S. 46]
Basic Service Set 3-1 4
3.3 Point-to-Point Bridge Topolgie
Um Netzwerkverbindungen zwischen zwei oder mehreren Gebäuden
herzustellen, benötigt man eine Point-to-Point- oder Point-to-MultipointVerbindung. Hier kommen Access Points zum Einsatz, die eine BridgingFunktion übernehmen. Sie bilden keine normale Funkzelle, die Clients
aufnehmen, sondern leiten die Daten zum nächsten Access Point weiter. Durch
Einsatz von speziellen Antennen (z.B. Richtungsantennen) können Reichweiten
von 300 bis 1000 m überbrückt werden. Die Signale, die über eine Antenne auf
direktem Wege übertragen werden, haben den entscheidenden Vorteil, dass
eine geringe Verzögerung und Dämpfung des Signals stattfindet (Line-of-SightPfad), wohingegen im Gebäude das Signal in der Access Point-basierten
Topologie durch Reflexionen indirekt und sich somit verzögert ausbreitet (NonLine-of-Sight-Pfad).
4
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907071.htm, Stand: 16.12.2010 0:04
9
4 WLAN Technologien
4.1 Spread Spectrum Technology
Die meisten WLANs nutzen die Spread Spectrum Technologie. Dabei wird das
gesendete Signal über einen größeren Frequenzbereich gespreizt, was einen
Nachteil in der Sendeleistung (bzw. in der Bandbreiteneffizienz) bedeutet, dafür
aber einen Vorteil in der Zuverlässigkeit, Integrität und Sicherheit. Die Signale
sind einfacher zu erkennen, wenn der Empfänger die Parameter des Senders
kennt. Ist der Empfänger nicht auf den Sender abgestimmt, so nimmt er das
Signal nur als Hintergrundrauschen wahr. Störungen und Abhören von Signalen
sind somit grundsätzlich schwer. Kommerziell genutzte Spread Spectrum
Technologien sind Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) und Frequency
Hopping Spread Spectrum (FHSS). [A S. 721]
4.2 Direct Sequence Spread Spectrum PHY
DSSS oder Direct Sequence Spread Spectrum ist das am weitesten verbreitete
Signalspreizverfahren, welches auch Pseudo-Noise-Verfahren genannt wird. Im
Gegensatz zu der FHSS-Technologie findet hier die Übertragung auf einem
Kanal statt. Die gesendeten Daten werden mit der DSSS-Technologie
gespreizt, d.h. auf ein größeres Frequenzband gelegt, was eine geringere
Sendeleistung zufolge hat. Der große Vorteil der Spreizung ist der, dass sich die
gesendeten Signale der Rauschgrenze nähern und so unempfindlicher gegen
Störungen sind. Um ein Signal zu spreizen, benötigt man eine Chipsequenz,
auch Pseudo-Noise-Code (PN-Code) genannt, welche eine Länge von 2N-1
aufweist. Das Originalsignal wird mit dieser Sequenz XOR-verknüpft
(Spreading). Sowohl Sender als auch Empfänger brauchen für eine korrekte
Kommunikation dieselbe Chipsequenz. Der Empfänger multipliziert (XOR) auf
den eingehenden Datenstrom denselben PN-Code, um das ursprüngliche
Datensignal auszulesen (Despreading, siehe Abb. Signalspreizung 4-1).
Störungen können effektiv mit einem Tiefpassfilter ausgeblendet werden (siehe
Abb. Tiefpassfilter 4-0).
10
Tiefpassfilter 4-0 5
Signalspreizung 4-1 [B S. 90]
Im Modulationsverfahren wird die zu übertragende Information in Funkwellen
moduliert. Dabei werden verschiedene Modulationstechniken verwendet (siehe
Abb. 4-3). Bei der Differential Binary Shift Keying Modulation (DBPDK) werden
Symbole mit einem Informationsinhalt von einem Bit übertragen, wohingegen
bei der Differential Quadrature Shift Keying (DQPSK) das übertragene Symbol
zwei Bits besitzt. Die letztere Modulation erreicht eine Datenrate von 2MBit/s.
5
Bild: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907031.htm, Stand: 16.12.2010 0:06
11
PPDU – Physical Protocol Data Unit 4-2 [B S. 100]
Die vom MAC-Layer gesendeten Dateneinheiten (Frame) nennt man Physical
Protocol Data Unit (PPDU, siehe Abb. Physical Protocol Data Unit 4-2), welche
eine Länge von bis zu ca. 4000 Bytes aufweisen. Es beginnt mit einem Physical
Layer Convergence Protocol-Präambel (PLCP, 144 Bits), die aus dem SYNC(128 Bits) und SFD-Feld (Start Frame Delimiter, 16 Bits) bestehen. Mit dem
SYNC-Feld kann sich der Empfänger mit dem Sender synchronisieren. Das
SFD-Feld markiert das Ende der Präambel und den Start des PLCP-Headers.
Der PLCP-Header enthält vier verschieden lange Felder: Das Signal-Feld (8
Bits) zeigt an, mit welcher Datenrate übertragen wird (siehe Abb. Signal-Feld
4-3).
Signal-Feld
Datenrate
Modulationsverfahren
0A
1 MBit/s
DBPSK
14
2 MBit/s
DQPSK
37
5,5 MBit/s
CCK
6E
11 MBit/s
CCK
Signal-Feld 4-3 [B S. 100]
Das Service-Feld (8 Bits) definiert für 5,5- und 11 Mbit/s-Datenraten bestimmte
Eigenschaften. Die Bits 0, 1, 4, 5 und 6 sind für spätere Zwecke reserviert.
Das Length-Feld enthält die benötigte Zeit in µs, die für das Versenden des
MPDU notwendig ist. Schließlich überprüft das CRC-Feld (16 Bits) den PLCPHeader auf Fehlerfreiheit.
12
Folgende Schritte treten bei der DSSS-Technologie ein:
Scrambling: Die vom MAC-Layer gesendeten Dateneinheiten durchlaufen über
eine polynomielle Funktion ein Scrambling. Das „Durchmischen“ der Daten
verhindert eine lange Folge von Nullen uns Einsen und verringert die Fehlerrate.
Spreading: Mithilfe der Chipsequenz werden die Daten über eine XORVerknüpfung gespreizt. Eine 11-Bit lange Chipsequenz nennt man BarkerCode.
Modulation: Die Datensignale werden nun über bestimmte Modulationsverfahren in Funkwellen übersetzt.
Der Empfänger wandelt die gesendete Information durch Despreading in das
Ursprungssignal um. Anschließend wird das Signal demodularisiert und erneut
„gescrampled“. Signale, die mit individuellen Codesequenzen codiert,
gemeinsam über einen Übertragungskanal übertragen und danach mit
Filtertechniken ausgefiltert werden, nennt man Codemultiplex-Verfahren (CDM).
Durch dieses Verfahren werden kodierte Signale auseinandergehalten und
Störungen vermieden. 6 [B S. 88ff.; A S. 725f.]
4.3 Orthogonal Frequence Division Multiplexing
Die Orthogonal Frequence Division Multiplexing-Technologie (OFDM) kann
schon bei geringer Bandbreite hohe Datenraten erreichen. OFDM kann seit
2009 sowohl in 5 GHz als auch in 2,4 GHz Frequenzen arbeiten. Datenraten
von bis zu 600 MBit/s können erreicht werden (siehe Kapitel 4.5). Um eine
höhere Datenrate zu erzielen muss man die Multipath-Problematik umgehen.
Die Problematik besteht darin, dass der Empfänger Signale durch Reflexionen
und Dämpfung verzögert wahrnimmt und somit eine Zeitdifferenz besteht
(Delay Path). Das Problem wird durch eine parallele Übertragung von Daten mit
geringer Datenrate behoben. Die parallele Übertragung findet durch
Bereitstellung mehrerer Kanäle statt. Hier dürfen sich die Unterträger in der
Bandbreite überlappen. Durch die Orthogonalität der Amplitudenmaxima der
Unterträger werden gegenseitige Störungen vermieden. Genau dann, wenn ein
6
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/code-division-multiplexing-CDM-Codemultiplex.html, Stand:
24.01.2011 17:01
13
Unterträger sein Amplitudenmaximum erreicht, haben die anderen Unterträger
einen sog. Nulldurchgang (siehe Abb. Orthogonalität 4-4).
Orthogonalität 4-4 7
16-QAM 4-5 8
In 5 GHz Bereich stehen 48 Unterkanäle zur Übertragung von Daten bereit. Als
Modulationsverfahren werden BPSK, QPSK, und Quadraturamplitudenmodulation (16-QAM oder 64-QAM) verwendet. Die letztere Modulation
kombiniert Phasen- und Amplitudenmodulation. Bei der 16-QAM-Modulation
werden vier unterschiedliche Amplituden in vier Phasenlagen moduliert. Das
Ergebnis ist eine Matrix mit genauen Pegel- und Phasenkoordinaten dem
genaue Bitkombination zugeordnet sind (siehe Abb. 16-QAM 4-5) 8 . Um die
Fehlerrate bei der Datenübertragung zu senken, wird ein sog. Forward Error
7
http://lte-news.org/files/2010/06/ofdm1.jpg, Stand 24.01.2011 18:28
8
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Quadraturamplitudenmodulation-QAM-quadratureamplitude-modulation.html, Stand 24.01.2011 18:40
14
Correcting Code (FEC) genutzt, der gezielt Redundanz in das Signal hinzufügt.
Folgende Matrix (siehe Abb. OFDM-Datenraten 4-6) bildet die verschiedenen
Parameter mit den dazugehörigen Datenraten.
Modulation
Bits/Kanal
Bits/
FEC
Datenbits/
Symbol
Coderate
Symbol
Datenrate
BPSK
1
48
1/2
24
6 MBit/s
BPSK
1
48
3/4
36
9 MBit/s
QPSK
2
96
1/2
48
12 MBit/s
QPSK
2
96
3/4
72
18 MBit/s
16-QAM
4
192
1/2
96
24 MBit/s
16-QAM
4
192
3/4
144
26 MBit/s
64-QAM
6
288
2/3
192
48 MBit/s
64-QAM
6
288
3/4
216
54 MBit/s
OFDM-Datenraten 4-6 [B S. 117]
Das Frameformat besteht aus drei Segmenten: Präambel, Header und PSDU
(Datenteil). Die Präambel wird benötigt, damit der Empfänger die
Trainingssequenz erzeugen kann. Im Signal-Feld werden Datenrate werden
Datenrate und Länge des PSDU abgespeichert. Der Header besteht aus dem
Signal-Feld und dem Service-Feld. Das Service-Feld wird später für das
Descrambling benötigt. Im PSDU-Feld sind die eigentlichen Nutzdaten
enthalten. Dahinter befinden sich 6 Tailbits, die alle den Wert 0 haben. Sie
dienen dazu den Faltungscodierer in den Nullstatus zu überführen. Am Ende
werden die sog. Pad-Bits angehängt: Das OFDM-Frame muss für eine korrekte
Aufteilung auf die Unterkanäle ein Vielfaches von den Bits sein, die in einem
Kanal übertragen werden können. Das Frame muss auf folgende Längen
angepasst werden: 48, 96, 192 oder 288 Bits.
Der Codierungsprozess ist in fünf Schritte unterteilt:
• Trainingsprozess
• Srambling des Datenteils
• Faltungscodierung des Datenteils
15
• Punktierung des codierten Dateinteils
• Interleaving
Die Trainigssequenz wird für die Kanalbestimmung, Antennenauswahl und
Einstellung der Empfängerfrequenz genutzt. Anschließend durchläuft eine
Faltungscodierung. Die Faltungscodierung dient lediglich dazu, eine höhere
Sicherheit in der Datenübertragung zu erreichen.
Bevor der PSDU-Teil gesendet wird, muss dieser erst einen Scrambler
durchlaufen. Das Scrambling besteht aus einer Modulo-2-Addition einer 127
Bit langen Sequenz. Der Empfänger muss die PSDU durch dieselbe Sequenz
descrambeln.
Nach dem Scrambling wird die Faltungscodierung angewandt: Bei einer
Faltungsrate R von 1/2 werden die Informationen auf die doppelte Länge
skaliert (Redundanz). Dies garantiert eine höhere Datensicherheit.
Die redundante Datenteil wird nun durch eine Punktierung reduziert, indem
codierte Bits nach einem bestimmten Punktierungsmuster wegfallen. Die
Punktierung geschieht nur bei Coderaten von 2/3 oder 3/4.
Anschließend durchlaufen die Daten einen Interleaver. Beim Interleaving
werden die Bits „verwürfelt“ oder umsortiert, um eine bessere Fehlerkorrektur
zu erzielen („Vermeidung von Bündelfehler“).
Nach dem Codierungsprozess durchlaufen die Daten eine schnelle inverse
Fourier-Transformation (IFFT), die die OFDM-Signale erzeugt. 9 [B S. 113ff.]
4.4 IEEE 802.11b High Rate DSS
Die Norm 802.11b erreicht eine Datenrate von 5,5 und 11 MBit/s. Hier wird
anstatt der Barker-Sequenz ein sog. Complementary Code verwendet – der
über die Complementary Code Keying-Technologie (CCK) erzeugt wird. Bei
Verwendung der Übertragungsrate von 5,5 MBit/s werden 4 Bits pro Symbol
übertragen, wohingegen bei einer Übertragungsrate von 11 MBit/s 8 Bits pro
Symbol übertragen werden. Der Vorteil an der CCK-Technologie liegt in der
Länge des PN-Codes: Dieser beträgt bei beiden Übertragungsraten 8 Bit.
Beide Datenraten nutzen das DQPSK-Modulationsverfahren. Die Chiprate
9
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/orthogonal-frequency-division-multiplex-OFDM.html, Stand:
16.12.2010 0:08
16
beträgt weiterhin 11 MChip/s. So lässt sich hier eine Symbolrate von 1,375
MSymbol/s ermitteln [A S. 748f.]:
1MSymbol ⋅
11
= 1, 375MSymbol
8
Weiterhin gilt:
1, 375MSymbol / s ⋅ 4Bit / Symbol = 5, 5MBit / s
1, 375MSymbol / s ⋅ 8Bit / Symbol = 11MBit / s
4.5 IEEE 802.11n
Mit 802.11n soll eine Datenrate von bis zu 600 MBit/s möglich werden. Dazu
wurden einige Änderungen in der PHY- und MAC-Schicht vorgenommen. Zu
den grundlegenden Änderungen zählen:
• Verbesserte OFDM-Modulation
• Space-Division Multiplexing
• Diversity
• Multiple Input, Multiple Output
• Kanalbündelung
• Aggregation
• RIFS (Reduced Inter-Frame Spacing)
• Greenfield-Mode (Deaktivierung der 802.11a/b/g Unterstützung)
Verbesserte OFDM-Modulation: Die Spezifikation 802.11n beruht auf dem
OFDM-Modulationsverfahren, die hier die Basis bildet. Eine Verbesserung
dieses Verfahrens erhöht die Datenrate auf 65 MBit/s. Der Erhöhung liegt eine
Coderate von 5/6 zu Grunde. Die 802.11g erreichte mit derselben Technik nur
54 MBit/s.
Space-Division Multiplexing: Bei diesem Verfahren wird der Datenstrom in
mehrere Datenteile gesplittet (Spatial Streams) und diese dann über separierte
Antennen (maximal vier) zu den korrespondierenden Empfangsantennen
gesendet (MIMO). Spatial Multiplexing bezeichnet die parallele Übertragung
mehrerer Datenströme in einem Funkkanal. Vier Spatial Streams können die
17
Datenrate vervierfachen (siehe Abb. Erzielbare Datenraten mit Spatial Streams
4-7).10
Diversity: Der Empfang lässt sich deutlich verbessern, wenn die Antenne mit
dem besseren Empfang ausgewählt wird.
Anzahl Datenströme
Übertragungsrate
(Brutto)
1
150 MBit/s
2
300 MBit/s
3
450 MBit/s
4
600 MBit/s
Erzielbare Datenraten mit Spatial Streams 4-7 7
MIMO 4-8
Multiple Input, Multiple Output: Der PHY-Layer besitzt ein noch zuvor nicht
genutztes Antennensystem, welches auch Multiple Input, Multiple Output
(MIMO) genannt wird. Hier werden mehrere Antennen genutzt, um eine bessere
Empfangs- und Sendungsquote zu erzielen (siehe Abb. MIMO 4-8).
Kanalbündelung: Statt einer Kanalbandbreite von 20 MHz, wird hier die
Kanalbandbreite verdoppelt. Dazu werden zwei 20 MHz-Kanäle benutzt, die
unmittelbar nebeneinander liegen. Somit verdoppelt sich die Anzahl der
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Subträger auf insgesamt 108. Die Datenrate erhöht sich somit um den nahezu
selbigen Faktor.
Aggregation 4-9 11
Aggregation: Eines der wichtigsten Änderung in der 802.11n-Spezifikation ist
die Aggregation. Anstatt nur einen Frame zu senden, werden mehrere Frames
in Pakete zusammengefasst und anschließend gesendet (siehe Abb.
Aggregation 4-9). Damit wird das Paket-Overhead reduziert und die Zeit, die
benötigt wird, um die Daten zu senden, reduziert sich prozentual stark.7
RIFS: In der OFDM-Datenübertragung werden zwischen den Symbolen sog.
Guard-Intervalle oder Distributed Interframe Spaces (DIFS) hinzugefügt, um
Überlagerungen der Symbole zu vermeiden. Das Intervall in der 802.11n-Norm
soll nun doppelt so kurz sein. Damit steigt die Symbolrate und somit auch die
Datenrate.
Greenfield-Mode: Um die maximale Datenrate zu erreichen müssen sog. HTGreenfield-Frameformate verwendet werden. Sie kommen in 802.11nSystemen zum Einsatz und sind nicht mit alten IEEE-Spezifikationen (802.11a/
b/g) kompatibel. Für 802.11a/b/g Spezifikationen gibt es HT-MixedFrameformate, falls in einem WLAN 802.11n und andere PHY-Layer
(Mischbetrieb) verwendet werden. [B S. 255ff.]
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6 Literatur
Hauptquellen aller Kapitel:
[A] Vijay K. Garg: (2007) Wireless Communications and Networking, San
Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, Kapitel 21 – Wireless Local Area
Networks (S. 713 - 749)
[B] Jörg Rech: (2008) Wireless LANs – 802.11-WLAN-Technologie und
praktische Umsetzung im Detail, Hannover: Heise Zeitschriften Verlag
Internetquellen:
1
Bild: http://www.mobile.ifi.uni-muenchen.de/studium_lehre/ws1011/msp/
02_80211_mac.pdf, Stand: 16.12.2010 0:04
2
http://www.voip-information.de/wlan/wlan-vorteile-nachteile.php, Stand:
16.12.2010 0:04
3
Bild: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907071.htm, Stand:
16.12.2010 0:04
4
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907071.htm, Stand:
16.12.2010 0:04
5
Bild: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0907031.htm, Stand:
16.12.2010 0:06
6
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/code-division-multiplexing-CDM-
Codemultiplex.html, Stand: 24.01.2011 17:01
7
http://lte-news.org/files/2010/06/ofdm1.jpg, Stand 24.01.2011 18:28
8
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Quadraturamplitudenmodulation-
QAM-quadrature-amplitude-modulation.html, Stand 24.01.2011 18:40
9
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/orthogonal-frequency-division-
multiplex-OFDM.html, Stand: 16.12.2010 0:08
10
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/1102071.htm, Stand:
18.12.2010 18:09
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http://www.heise.de/netze/imgs/16/2/2/0/6/7/8/6070e47799632ba2.gif,
Stand: 24.01.2011 17:10
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