Die Techniken der Datenübertragung in drahtlosen Wi-Fi Netzwerke

November 2016

Die Übertragungskanäle

Man nennt Übertragungskanal ein schmales Frequenzband zur Verwendung für Kommunikation. In jedem Land ist üblicherweise die Regierung der Regulator Frequenzbandverwendung, denn sie ist oft der wichtigste Konsument für militärische Zwecke.

Die Regierungen bieten aber Frequenzbänder zur freien Verwendung an, d.h. für diese wird keine Radiokommunikationslizenz benötigt. Die mit der Regulierung von Radiofrequenzen betrauten Institutionen sind :

  • das ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in Europa
  • die FCC (Federal Communications Commission) in den USA
  • das MKK (Kensa-kentei Kyokai) in Japan
1985 haben die USA 3 Frequenzbänder für die Verwendung durch Industrie, Wissenschaft und Medizin freigegeben. Diese Frequenzbänder nennt man ISM (Industrial, Scientific, and Medical), es sind die Bänder 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 5.725-5.850 GHz.

In Europa wird das Band zwischen 890 à 915 MHz für die Mobilkommunikation genutzt (GSM), 2.400 à 2.4835 GHz und 5.725 à 5.850 GHz sind für die Verwendung durch Radio-Amateure verfügbar.

Die Übertragungstechnologien

Die lokalen radio-elektrischen Netzwerke nutzen Radiowellen oder Infrarot zur Datenübertragung. Die ursprünglich zur Radioübertragung genutzt Technik heißt Schmalbandkommunikation, sie besteht darin, die verschiedenen Kommunikationen auf verschiedenen Kanälen zu übertragen. Radioübertragungen sind allerdings zahlreichem Einschränkungen unterworfen, weshalb diese Übertragungsart unbefriedigend ist. Diese Einschränkungen sind insbesondere :

  • Die Aufteilung des Bandes auf verschiedene Stationen in ein- und derselben Zelle.
  • Die Mehrwegausbreitung einer Radiowelle. Eine Radiowelle kann sich in verschiedene Richtungen ausbreiten und eventuell reflektiert oder durch Hindernisse der Natur gebrochen werden, sodass ein Empfänger eventuell innerhalb eines kurzen Invervalls zwei gleiche Informationen erhält, die durch wiederholte Reflexionen einen unterschiedlichen Weg genommen haben.

Die Bit-Übertragungsschicht der Norm 802.11 spezifiziert daher zunächst mehrere Übertragungstechniken, um die aus Interferenzen entstehenden Probleme zu begrenzen :

Die Schmalbandtechnik

Die Schmalbandtechnik (Narrow Band) besteht darin, eine bestimmte Radiofrequenz für die Übertragung und den Empfang von Daten zu verwenden. Das verwendete Frequenzband muss so klein wie möglich sein, um Interferenzen auf den benachbarten Bändern zu begrenzen.

Die Technik der Frequenzspreizung

Die Norm IEEE 802.11 bietet zwei aus der Militärtechnologie stammende Techniken der Frequenzmodulation für die Datenübertragung vor. Diese Techniken, genannt Frequenzspreizung(auf englisch spread spectrum) bestehen darin, auf ein breiten Frequenzband Daten mit geringer Leistung zu übertragen. Man unterscheidet zwei Techniken der Frequenzspreizung :

Die Technik des Frequenzsprungverfahrens

Die Technik des FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, auf deutsch Frequenzsprungverfahren ) étalement de spectre par évasion de fréquence besteht darin, ein breites Frequenzband in mindestens 75 Kanäle zu unterteilen (hops ou sauts mit einer Breite von 1 MHz), und dann mittels einer Kombination von Kanälenzu übertragen, die allen Stationen in der Zelle bekannt ist. In der 802.11 Norm ermöglicht das Frequenzband 2.4 - 2.4835 GHz , 79 Kanäle zu 1 MHz anzulegen. Die Übertragung erfolgt, indem man nacheinander auf einem Kanal nach dem anderen eine sehr kurze Zeit (ungefähr 400ms) überträgt, womit zu einem gegebenen Zeitpunkt die Übermittlung eines Signals auf einer bestimmten Frequenz leichter erkennbar wird.

Das Frequency Hopping Spread Spectrum wurde ursprünglich zu militärischen Zwecken entwickelt, um das Mithören bei Radioübertragungen zu verhindern. Denn ein Radioempfänger konnte in Unkenntnis der Frequenzkombination die Kommunikation nicht abhören, weil er in der eingeräumten Zeit unmöglich die Frequenz des Signals orten bzw. die neue Frequenz suchen konnte.

Heute sind die diese Technologie verwendenden lokalen Netzwerke standardisiert, d.h. dass die Sequenz der verwendeten Frequenzen allen bekannt ist, das Frequency Hopping Spread Spectrum erfüllt also nicht länger die Funktion der Sicherung der Kommunikation. Allerdings wird FHSS mittlerweile in der Norm 802.11 dazu verwendet, die Interferenzen zwischen den Übertragungen verschiedener Stationen einer Zelle zu reduzieren.

Direct Sequence Spread Spectrum

Die Technik des DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) étalement de spectre à séquence directe besteht darin, für jedes Bit eine Barker-Sequenz (manchmal genannt Pseudozufall noise oder auf englisch pseudo-random noise, geschrieben PN) von Bits zu übertragen. So wird jedes auf 1 gesetzte Bit durch eine Bitsequenz und jedes auf 0 gesetzte Bi durch dessen Ergänzung ersetzt.

Die Bit-Übertragungschicht der Norm 802.11 spezifiziert eine Sequenz von 11 Bits ('10110111000) um 1 und seine Ergänzung darzustellen ('01001000111) um 0 zu kodieren. Man nennt chip oder chipping code (en français puce jedes Bit, das mithilfe der Sequenz kodiert wurde. Diese Technik (genannt chipping) entspricht also der Modulation jedes Bits mit einer Barker-Sequenz.

DSSS - sequence barker

Dank des chipping wird redundante Information übertragen, was eine Fehlerkontrolle bei den Übertragungen bzw. die Fehlerkorrektur ermöglicht.

Im der Norm 802.11b wurde das Frequenzband 2.400-2.4835 GHz (einer Breite von 83.5 MHz) in 14 eigene Kanäle in Abständen von 5MHz aufgeteilt, wovon nur die ersten 11 in den USA verwenbar sind. Nur die Kanäle 10 bis 13 können in Frankreich verwendet werden. Hier die Frequenzen der 14 Kanäle :

Kanal1234567891011121314
Frequenz (GHz)2.4122.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.484

Dennoch ist es für eine korrekte Übertragung von 11 Mbps notwendig, auf einem 22 MHz-Band zu übertragen, denn nach dem Theorem von Shannon muss die Frequenz der Signalverarbeitung mindestens doppelt so groß sein wie das Doppelte des zu konvertierenden Signals. So decken gewisse Kanäle teilweise die benachbarten Kanäle ab, deshalb werden üblicherweise isolierte Kanäle (die Kanäle 1, 6 und 11), die 25 MHz voneinander entfernt sind, verwendet.

Wenn also zwei Access Points, die dieselben Kanäle verwenden, sich überschneidende Sendebereiche haben, kann es zu die Übertragung störende Signalverzerrungen kommen. Um jede Art von Interferenz zu vermeiden, sollte man die Verteilung der Access Points und die Verwendung der Kanäle so organisieren, dass 2 Access Points nicht dieselben, benachbarten Kanäle verwenden.

répartition des canaux des points d\'accès

Die Norm 802.11a verwendet das Frequenzband 5.15GHz bis 5.35GHz und das Band 5.725GHz bis 5.825GHz und ermöglicht damit die Einrichtung von 8 eigenständigen Kanälen mit einer Breite von jeweils 20Mhz, d.h. eine genügend breites Band, um die gegenseitige Beeinflussung der Kanäle zu verhindern.

Die Infrarottechnologie

Die Norm 802.11 sieht auch eine Alternative zur Verwendung von Radiowellen vor: das Infrarotlicht. Das Hauptmerkmal der Infrarottechnologie ist die Verwendung von Lichtwellen zur Datenübertragung. So erfolgt die Datenübertragung in eine Richtung, entweder bei "direkter Sicht" oder durch Reflexion. Die Eigenschaft mangelnder Dissipation der Lichtwellen bietet ein höheres Sicherheitsniveau.

Dank der Infrarottechnologie ist es möglich, Übertragungsraten von 1 bis 2 Mbit/s zu erreichen unter Verwendung einer Modulation namens PPM (pulse position modulation).

Die Modulation PPM besteht in der Übertragung der Informationen durch Impulse gleicher Amplitude und Codierung der Informationen gemäß der Position der Impulse. Die Datenübertragungsrate von 1Mbps wird erreicht mit einer Modulation von 16-PPM, während eine Datenübertragungsrate von 2 Mbps erreicht wird mit der Modulation 4-PPM die es erlaubt 2 Datenbits mit 4 möglichen Positionen zu kodieren :

modulation 4-PPM

Die Modulationstechniken

Während das klassische Radio eine Frequenzmodulation verwendet (radio FM für Frequency Modulation) oder eine Amplitudenmodulation (radio AM für Amplitude Modulation), verwendet die Norm 802.11 eine Phasenmodulationstechnik namens PSK für Phase Shift Keying. So produziert jedes Bit eine Phasenrotation. Eine Rotation von 180° erlaubt die Übertragung von geringen Datenübertragungsraten (die sogenannte BPSK-Technik für Binary Phase Shift Keying) während eine Reihe von vier Rotationen zu 90° (die sogenannte QPSK-Technik für Quadrature Phase Shift Keying) zweimal höhere Datenübertragungsraten ermöglicht.

Optimierungen

Die Norm 802.11b ermöglicht andere Arten der Kodierung, die es erlauben die Datenübertragungsrate zu optimieren. Die zwei Barkersequenzen ermöglichen nur die Spezifizierung von zwei Zuständen (0 oder 1) mithilfe zweier (komplementärer) Wörter mit 11 Bits.

Eine alternative Methode namens CCK (complementary code keying) ermöglicht mehrere Datenbits direkt in einem einzigen Chip zu kodieren (chip) indem man 8 Sequenzen von 64 Bits verwendet. Durch das gleichzeitige Kodieren von 4 Bits, ermöglicht CCK eine Datenübertragungsrate von 5.5 Mbps und eine Datenübertragungsmenge von 11 Mbps, indem sie 8 Datenbit kodiert.

Die Technologie PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code erlaubt, das Signal gegenüber durch die Mehrwegausbreitung elektromagnetischer Wellen bedingter Verzerrungen robuster zu machen. So hat es das Unternehmen Texas Instrument geschafft, eine Sequenz zu entwickeln, die unter Nutzung der verbesserten Resistenz gegen Interferenzen eine Datenübertragung von 22Mbit/s bietet. Diese Technologie heißt 802.11b+ und ist dennoch nicht konform mit der Norm IEEE 802.11b weshalb die sie unterstütztenden Peripheriegeräte mit 802.11b-Geräten nicht kompatibel sind.

Die Norm 802.11a operiert im 5 GHz-Frequenzband, das 8 eigenständige Kanäle bietet, deshalb wird eine alternative Übertragungstechnik angeboten, welche die verschiedenen Kanäle nutzt. Das OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ermöglicht Brutto-Bitraten von 54Mbps, indem es die Daten parallel auf verschiedenen Frequenzen versendet. Außerdem verwendet OFDM das Spektrum auf rationellere Weise.

TechnologieKodierungModulationstypDatenübertragungsrate
802.11b11 bits (Barker-Sequenz)PSK1Mbps
802.11b11 bits (Barker-Sequenz)QPSK2Mbps
802.11bCCK (4 bits)QPSK5.5Mbps
802.11bCCK (8 bits)QPSK11Mbps
802.11aCCK (8 bits)OFDM54Mbps
802.11gCCK (8 bits)OFDM54Mbps

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