IEEE 802.11

IEEE 802.11 (auch: Wireless LAN (WLAN), Wi-Fi) bezeichnet eine IEEE-Norm für Kommunikation in Funknetzwerken. Herausgeber ist das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Die erste Version des Standards wurde 1997 verabschiedet. Sie spezifiziert den Mediumszugriff (MAC-Layer) und die physische Schicht (vgl. OSI-Modell) für lokale Funknetzwerke.

Für die physische Schicht sind im ursprünglichen Standard zwei Spreizspektrumverfahren (Übertragung per Radiowellen) und ein Verfahren zur Datenübertragung per Infrarotlicht spezifiziert, wobei eine Übertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s (brutto) vorgesehen ist. Zur Datenübertragung per Radiowellen wird das lizenzfreie ISM-Band bei 2,4 GHz verwendet. Die Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern kann direkt im so genannten Ad-hoc-Modus, im Infrastruktur-Modus mithilfe einer Basisstation (Access Point) oder als Meshnetzwerk erfolgen.

1999 folgten zwei Erweiterungen: 802.11a spezifiziert eine weitere Variante der physischen Schicht, die im 5-GHz-Band arbeitet und Übertragungsraten bis zu 54 Mbit/s ermöglicht. 802.11b ist ebenfalls eine alternative Spezifikation der physischen Schicht, die mit dem bisher genutzten 2,4-GHz-Band auskommt und Übertragungsraten bis zu 11 Mbit/s ermöglicht. Die 2003 verabschiedete 802.11g-Erweiterung, die ebenfalls im 2,4-GHz-Band arbeitet, erhöht die maximale Übertragungsrate auf 54 Mbit/s. Die Erweiterung 802.11n sieht bei geänderten Frequenzbändern und neuen Kanaleinteilungen eine Übertragungsrate von bis zu 600 Mbit/s<ref name="Inteland802.11">Standards and Industry Groups – Standards & Initiatives. In: Helping Define 802.11n and other Wireless LAN Standards. Anfang 2010. Abgerufen am 4. Januar 2011.</ref> vor.

Dadurch, dass das 2,4-GHz-Band in den meisten Ländern lizenzfrei genutzt werden darf, haben Produkte nach dem Standard 802.11b/g eine weite Verbreitung gefunden. Produkte, die standardkonform arbeiten und die Interoperabilität mit Produkten anderer Hersteller gewährleisten, können von der Wi-Fi-Alliance zertifiziert werden.

Für den Einsatz ist zu beachten, dass die Latenzzeiten, die verstreichen, bis ein Kanal aufgebaut ist oder ein Access Point gewechselt hat, für bewegte Objekte unter diesen Access Points zu merklichen Wartezeiten führen können. Weiter ist die gleichzeitig mögliche Population aktiver Teilnehmer durch die Verweildauer in den einzelnen Kanälen eng beschränkt. Ein neuer Teilnehmer kann erst dann aktiv werden, wenn der vorherige Benutzer den Kanal wieder freigibt. Diese Übertragung des Konzepts drahtgebundener Netzwerke ist eher hinderlich.

Standard 802.11

Allgemein

802.11 ist eine Normenfamilie für Wireless Local Area Networks (WLAN). Die Definition der IEEE-802-Normen, die zunächst ganz allgemein den Netzwerkzugriff beschreiben, begann im Februar 1980, daher wurde die Bezeichnung 802 gewählt.

Zurzeit besteht die Familie aus 12 Normen:
802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11c, 802.11d, 802.11e, 802.11f, 802.11g, 802.11h, 802.11i, 802.11j, 802.11n.

• 802.11 ursprünglicher Standard, 1997 verabschiedet
  • Datenrate: 1 oder 2 Mbit/s brutto (für Nutzdaten und Protokoll-Overhead)
  • Frequenzband 2,400 bis 2,485 GHz (lizenzfrei)
  • Modulationsverfahren: FHSS oder DSSS
  • Akzeptanz: veraltet, nicht mehr breit genutzt

• 802.11a Erweiterung der physischen Schicht, 1999
  • Datenrate: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 oder 54 Mbit/s brutto, bis ~22 Mbit/s netto
  • Frequenzband 5 GHz (seit dem 13. November 2002 in Deutschland freigegeben, genaueres siehe 802.11h)
  • Modulationsverfahren: OFDM

• 802.11b Erweiterung der physischen Schicht, 1999
  • Datenrate: 5,5 oder 11 Mbit/s brutto (maximal 50 % netto)
  • Frequenzband 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Modulationsverfahren: DSSS mit CCK (Complementary Code Keying)
  • Akzeptanz: veraltet, nicht mehr breit genutzt

• 802.11g Erweiterung der physischen Schicht, 2003
  • Datenrate: 6, 12, 18, 24, 36, 48 oder 54 Mbit/s brutto, bis ~22 Mbit/s netto
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Modulationsverfahren: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
  • Unterstützt 802.11 und 802.11b als Fall-Back
  • Akzeptanz: große Verbreitung, wird aber zunehmend durch 802.11n verdrängt.

• 802.11-2007 Zusammenfassung der Standards vom 8. März 2007
  • Zusammenfassung der Version von 1999 mit den 8 Erweiterungen (802.11a, b, d, e, g, h, i, j) zu einem einzigen Standard.
  • Veröffentlichung am 8. März 2007 unter dem Namen IEEE 802.11-2007.

• 802.11n Ratifizierung am 11. September 2009 geschehen<ref>IEEE Ratifies 802.11n, Wireless LAN Specification to Provide Significantly Improved Data Throughput and Range. IEEE Standards Association. September 2009. Abgerufen am 25. Januar 2010.</ref>
  • Datenrate: 6,5 bis 72,2 Mbit/s (20 MHz Kanalbreite), 13,5 bis 150 Mbit/s (40 MHz Kanalbreite), mit 4x4-MIMO theoretisch bis 600 Mbit/s
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,4835 GHz (20 MHz Kanalbreite), 5 GHz (bis 40 MHz Kanalbreite) als zusätzliches Band
  • Akzeptanz: Neugeräte verfügen überwiegend über 802.11n, wodurch ältere Standards abgelöst werden.

• 802.11p Erweiterung zu 802.11a für den Einsatz in Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Netzen, 2010, auch unter DSRC bekannt
  • Datenrate: 27 Mbit/s brutto
  • Frequenzband: geplant 5,850–5,925 GHz (in den USA bereits für Einsatz im Verkehrsbereich reserviert)
  • Akzeptanz: favorisierte Technologie des Car to Car-Communication Consortium (C2C-CC), wesentliche Grundlage von ISO TC204 WG16 CALM-M5.

• 802.11-12 Zusammenfassung der Standards vom 29. März 2012
  • Zusammenfassung der 10 Erweiterungen (802.11k, r, y, n, w, p, z, v, u, s) mit dem Basis-Standard 2007 zu einem einzigen Standard.
  • Die ursprünglichen Erweiterungen des PHY (Physical Layer) finden sich in einzelnen Kapiteln ("Clauses") wieder (siehe nachstehende Tabelle)
  • Veröffentlichung am 29. März 2012 unter dem Namen IEEE 802.11-2012.

• 802.11ac Erweiterung zu 802.11n, am 18. Dezember 2013 veröffentlicht<ref>[1]</ref>
  • Datenrate: 6,5 bis 96,3 Mbit/s (20-MHz-Kanalbreite), 13,5 bis 200 Mbit/s (40-MHz-Kanalbreite), 29,2 bis 433 Mbit/s (80-MHz-Kanalbreite), 58,5 bis 867 Mbit/s (zweimal 80-MHz- oder 160-MHz-Kanalbreite). Häufig sind Geräte mit 3x3 MIMO, 80 MHz Kanalbreite und theoretischen 1299 Mbit/s anzutreffen. Rein rechnerisch sind mit 8x8-MIMO bis zu 6936 Mbit/s möglich.
  • Frequenzband: nur 5 GHz
  • Erste Router (z. B. AVM FRITZ!Box 7490), Laptops (z. B. MacBook Air 2013) und erste Smartphones (z. B. HTC One, LG Nexus 5 und Samsung Galaxy S IV) kamen Ende 2013 auf den Markt.

• 802.11ad, große Bandbreite (z. B. für unkomprimiertes Video) im 60-GHz-Band
  • Frequenzband: 4 Kanäle im 60-GHz-Band: 57,24-59,40, 59,40-61,56, 61,56-63,72 und 63,72-65,88 GHz
  • OFDM- (robuster) und QAM-Modus (einfacher)
  • Datenrate: OFDM-Modus: 1540, 2310, 2695, 3080, 4620, 5390 und 6930 Mbit/s
  • Datenrate: QAM-Modus: 26, 361 bis 5280 Mbit/s
  • max. 10 m Reichweite

Eine Tabelle zu theoretisch und praktisch möglichen Datenübertragungsraten der verschiedenen Standards findet sich im Abschnitt Datenübertragungsraten des Artikels Wireless Local Area Network.

Erweiterungen

Die Tabelle ist dem Buch Daten- und Sprachübertragung in Wireless Local/Personal Area Networks entnommen.<ref> Andreas Walter: Daten- und Sprachübertragung in Wireless Local/Personal Area Networks. Allgemein nutzbare Funktechniken und deren Anwendung. In: Handbuch der Telekommunikation. 140. Ergänzung. Deutscher Wirtschaftsdienst, 2010.</ref>

Neben diesen gibt es proprietäre Erweiterungen, die andere Übertragungsraten erlauben:

• PBCC mit bis zu 22 Mbit/s im 2,4-GHz-Band,
• 802.11b+ mit bis zu 44 Mbit/s durch Kanalbündelung,
• 802.11g++ je nach Hersteller mit bis zu 108 Mbit/s, beziehungsweise 125 Mbit/s.

Das sind aber keine offiziellen IEEE-Standards.

Maximal zulässige Sende- beziehungsweise Strahlungsleistungen (Effective isotropic radiated power (EIRP) – Antennengewinne sind also zu berücksichtigen):

• 2,4 GHz: 100 mW – in Deutschland, andere Länder haben hier andere Regelungen. So sind (z. B. in den USA) auch Karten mit 300 mW und mehr legal.
• 5 GHz: Zwischen 25 mW und 4000 mW – je nach Frequenzband. In Europa ist TPC/DFS nach 802.11h für den Betrieb von WLANs nach 802.11a vorgeschrieben. Ohne DFS und TPC sind nur 200 mW und eingeschränktes Frequenzband für 802.11a in Deutschland zugelassen.

Kompatibilitäten:

• 802.11b und 802.11g sind zueinander kompatibel. Die 802.11g-Geräte arbeiten dann in einem Kompatibilitätsmodus, der es 802.11b-Geräten ermöglicht, einen durch ein 802.11g-Gerät belegten Kanal zu erkennen. Die effektive Geschwindigkeit wird dadurch etwas reduziert.
• 802.11a und 802.11h sind zueinander uneingeschränkt kompatibel.

Medienzugriff

Um einen gemeinsamen Zugriff von mehreren Geräten auf das Medium zu ermöglichen, wird innerhalb des 802.11-Standards verpflichtend der CSMA/CA-Mechanismus benutzt. Optional sind CSMA/CA RTS/CTS und CSMA/CA PCF.

Da bei Funkkommunikation eine höhere Fehlerrate auftritt, existiert bei 802.11 ein eigener Mechanismus zu Übertragungswiederholung. Bei einer korrekten Übertragung bestätigt der Empfänger die Datenübertragung, bei einer fehlerhaften Übertragung müssen die Daten erneut gesendet werden.

Die einzelnen Netze werden über ihre Netzwerknamen (Extended Service Set Identifier (ESSID), siehe Service Set Identifier) identifiziert.

Vor- und Nachteile der Bänder

2,4-GHz-Band:

• Vorteile:
  • überwindet abschirmende Materialien verlustärmer und hat so eine höhere Reichweite
  • gebührenfreies freigegebenes ISM-Frequenzband
  • keine aufwändigen Spektrum-Management-Funktionen wie TPC oder DFS nötig, um volle Sendeleistung von 100 mW ausschöpfen zu können
  • große Verbreitung und daher geringe Gerätekosten
• Nachteile:
  • Frequenzband muss mit anderen Geräten beziehungsweise Funktechniken geteilt werden (Bluetooth, Mikrowellenherde, Babyphones, etc.), dadurch Störungen und Interferenzen
  • störungsfreier Betrieb von nur maximal 4 (USA: 3) Netzwerken am selben Ort möglich, da effektiv nur 4 brauchbare (kaum überlappende) Kanäle zur Verfügung stehen (in Deutschland: Kanäle 1, 5, 9 und 13 - USA 1, 6 und 11)

5-GHz-Band:

• Vorteile:
  • deutlich höhere Übertragungsrate möglich
  • weniger genutztes Frequenzband, dadurch häufig störungsärmerer Betrieb möglich
  • in Deutschland 19 (bei BNetzA-Zulassung) nicht überlappende Kanäle
  • höhere Reichweite, da mit 802.11h bis zu 1000 mW Sendeleistung möglich – das überkompensiert die größere Dämpfung der höheren Frequenzen
• Nachteile:
  • stärkere Regulierungen in Europa: auf den meisten Kanälen DFS nötig; auf einigen Kanälen kein Betrieb im Freien erlaubt; falls kein TPC benutzt wird, muss die Sendeleistung reduziert werden
  • Ad-hoc-Modus wird von den meisten Geräten nicht unterstützt
  • Signal wird von Wänden schnell abgeschirmt

Bestandteile/Erweiterungen

• TPC (Transmit Power Control) reduziert ähnlich wie bei Mobiltelefonen die Sendeleistung abhängig von der Notwendigkeit (guter Kontakt zwischen den Geräten = geringere Sendeleistung).
• DFS (Dynamic Frequency Selection): Es wird selbstständig eine freie Frequenz gewählt, z. B. um das Stören von Radaranlagen zu vermeiden.

Frequenzen und Kanäle

Siehe hierzu den Abschnitt Frequenzen und Kanäle im Artikel Wireless Local Area Network.

Andere Standards im Nahbereich

Weitere Standards zur Datenübertragung per Funk im Nahbereich sind HIPERLAN/1 und HIPERLAN/2, HomeRF und Bluetooth. Von diesen drei Standards hat aber nur Bluetooth praktische Bedeutung erlangt.

Siehe auch

• Wireless Local Area Network
• IEEE 802.11e
• IEEE 802.11n
• IEEE 802.11s

Literatur

• Martin Sauter: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. Vieweg, September 2006, ISBN 3-8348-0199-2, http://www.cm-networks.de/
• Samer Abdalla: Standards und Risiken drahtloser Kommunikation – Risikoanalyse des IEEE 802.11 Standards. ISBN 3-86550-855-3.
• Jörg Rech: Wireless LANs: 802.11-WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail – Heise Verlag, Mai 2008, ISBN 3-936931-51-8

Weblinks

• IEEE Standards Association: 802.11 Wireless LANs
• IEEE 802.11 Working Group
• Wi-Fi Alliance
• Tutorial IEEE 802.11
• WLAN-Richtfunk selbst gemacht (IEEE 802.11h 5 GHz)
• 802.11a Frequency Channel Map
• Technischer Überblick 802.11ac und 802.11ad (MS PowerPoint; 4,1 MB)

Einzelnachweise

<references />