Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert

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1 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Zellulare Funknetze und drahtlose lokale Netze Simon Mayer Fachbereichsarbeit aus dem Gegenstand Informatik Eingereicht bei Mag. Günther Michenthaler von Simon Mayer, 8A, BG/BRG Villach - St.Martin

2 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 2 Villach, Mai 2005 Vorwort In einer Fünftelsekunde kann man eine Botschaft rund um die Welt senden. Aber es kann Jahre dauern, bis sie von der Außenseite eines Menschenschädels nach innen dringt. Charles F. Kettering Die Idee, eine Fachbereichsarbeit über drahtlose Kommunikationssysteme von heute zu schreiben, bekam ich auf der CeBIT 2004 in Hannover. Dort las ich auf einem Werbebanner von IBM zum ersten Mal den Ausdruck to wireless, was auf Deutsch übersetzt so viel wie drahtlosen heißen würde. Ich weiß noch, dass es in Halle 17 passierte: Plötzlich hatte ich den kompletten Titel - sogar den Untertitel - der zukünftigen Arbeit im Kopf: Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert - Zellulare Funknetze und drahtlose lokale Netze das war s! Im September 2004 vervollständigte ich das Inhaltsverzeichnis, gegen Weihnachten war die Hälfte der Arbeit fertig und heute, am schließe ich sie geradezu feierlich mit diesem Vorwort ab. Ich möchte an dieser Stelle allen danken, die mich bei der Erstellung dieser Fachbereichsarbeit unterstützt haben. Mein ganz besonderer Dank gilt dabei meinen Eltern und Großeltern, die die Arbeit zu meiner Freude mit großem Interesse fast schon verschlungen haben. Weiters danke ich Fr. MMag. Glantschnig und Hrn. Mag. Michenthaler für die fachliche Unterstützung und Betreuung.

3 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 3 Villach, am Simon Mayer Inhaltsverzeichnis Fachbereichsarbeit aus dem Gegenstand Informatik...1 Vorwort Einleitung Einführung in die Drahtlose Übertragung Funk-Datenübertragung Das Signal Modulation Schritt 1: Digitale Modulation Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation Schritt 2: Analoge Modulation Ausbreitung eines Signals Multiplexverfahren Das Raummultiplexverfahren (SDMA = Space Division Multiple Access) Das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA = Frequency Division Multiple Access) Das Zeitmultiplexverfahren (TDMA = Time Division Multiple Access) Das Codemultiplexverfahren (CDMA = Code Division Multiple Access) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Kombinierte (Hybride) Verfahren Veranschaulichung der verschiedenen Verfahren Infrarote Datenübertragung Vermittlungstechnik Paketvermittlung Leitungsvermittlung Zellulare Funknetze für den Fernbereich Mobilfunknetze der 1.Generation (1G-Netze) AMPS A-, B- und C- Netze Weitere 1G-Mobilfunksysteme Mobilfunknetze der 2.Generation (2G-Netze) Das Global System for Mobile Communications TDMA/IS-136 ( Digital-AMPS ) CDMA/IS Übergangsnetze der Generation 2.5 (2.5G-Netze) General Packet Switched Service (GPRS) Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution (EDGE)...26

4 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Mobilfunknetze der 3.Generation (3G-Netze) Universal Mobile Telecommunications System Dienste des UMTS-Systems Der Preis des neuen Systems Die Vorteile von UMTS CDMA UWC Mobilfunknetze der 4.Generation (4G-Netze) Zellulare Funknetze für den Nahbereich Digital Enhanced Cordless Telecommunications Personal Handy Phone System (PHS) Drahtlose lokale Netze LAN vs. WLAN Die Vor- und Nachteile drahtloser lokaler Netze Struktur Infrastrukturnetzwerke Ad-Hoc-Netzwerke IEEE WLAN Referenzmodell Bitübertragungsschicht Infrarotübertragung Frequency Hopping Spread Spectrum Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Medienzugriffssteuerung Wired Equivalent Privacy (WEP) Standards in IEEE WiFi Wireless Fidelity Bluetooth Pikonetze Referenzmodell Die Bitübertragungsschicht Die Medienzugriffssteuerungsschicht Sicherheit in Bluetooth Bluejacking Bluebugging Bluesnarfing Ausblick in die Zukunft der drahtlosen Übertragung...47 Abkürzungsverzeichnis...47 Literaturverzeichnis...48 Bücher: Internet: Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis...50 Abbildungsverzeichnis...55

5 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 5 Anhang 1 Einleitung Die drahtlose Übertragung ist heute eine der sich am schnellsten entwickelnden Technologien der Welt. Allein die Tatsache, dass innerhalb von 50 Jahren mehr als 20 verschiedene drahtlose Übertragungstechnologien für Sprache entwickelt und erfolgreich eingesetzt wurden, zeigt die rasche Entwicklung und das große Öffentlichkeitsinteresse für diese Technik. Seit der Entwicklung der ersten drahtlosen Sprachübertragungssysteme für den Fernbereich in den sechziger Jahren wurden die Übertragungsqualität, Kapazität und die Dienste dieser Endgeräte stetig verbessert. Mit der Entstehung der Infrarotübertragung und späterer Technologien wie zum Beispiel IEEE oder Bluetooth wurde die drahtlose Übertragung auch für Computer zum Thema Nr.1. (IEEE ; Bluetooth; s. Kapitel 5.3 IEEE WLAN bzw. 5.4 Bluetooth ) Heute geht die Entwicklung in Richtung einer Symbiose zwischen Sprach- und Datenübertragung. Die ersten Hybridgeräte werden mit der

6 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 6 Verbreitung des UMTS -Standards Einzug in private Haushalte halten und innerhalb kürzester Zeit "normale" Mobiltelefone der 2. Generation abgelöst haben. (UMTS s. Kapitel Universal Mobile Telephone System ) Diese Fachbereichsarbeit wird kurz veraltete, heute großteils nicht mehr gebräuchliche Systeme umreißen, dann Technologien von heute sehr detailliert besprechen und schließlich auf drahtlose Datenübertragungssysteme von morgen eingehen. Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen auf den Technologien UMTS, IEEE und Bluetooth. 2 Einführung in die Drahtlose Übertragung Dieses Kapitel wird die Funktionsweise von Funk- und Infrarot- Datenübertragung beschreiben und mit der Beschreibung der unterschiedlichen Modulations- und Multiplexverfahren einen tieferen Einblick in die Materie bieten. Am Ende dieses Kapitels werden außerdem, zum besseren Verständnis der weiteren Kapitel, kurz die zwei für diese Fachbereichsarbeit relevanten Grundformen der Vermittlungstechnik beschrieben. 2.1 Funk-Datenübertragung Die gesamte mobile drahtlose Kommunikation ist an elektromagnetische Wellen gebunden, die gegenüber Infrarot-Wellen den Vorteil haben, dass kein Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger bestehen muss. Mithilfe von elektromagnetischen Wellen werden Daten je nach Frequenz als Bodenwellen (niedrige Frequenzen, z.b. 300Hz für U-Boot-Kommunikation) oder als Raumwellen (höhere Frequenzen, z.b. 900MHz für GSM) übertragen.

7 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 7 (GSM s. Kapitel Das Global System for Mobile Communications ) Für die Mobilkommunikation wird hauptsächlich das UHF (Ultra High Frequency) Band im Frequenzbereich von MHz benutzt. Doch was genau ist ein Signal, wie breitet es sich aus und wie wird es in elektromagnetische Wellen verwandelt? Das Signal Allgemein gesehen sind Signale die physikalischen Repräsentationen von Daten. Da Daten abstrakte Erscheinungen sind, können sie nur in Signalform übertragen werden. 1 Die Übertragung von Signalen fällt in den Aufgabenbereich der ersten Schicht des ISO/OSI Referenzmodells, der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Modulation Um drahtlos übertragen zu werden, müssen Daten jedoch zuerst in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Diese Umwandlung auf Senderseite nennt man Modulation, das Auflösen des Signals zurück in den Bitstrom wird Demodulation genannt. Die Modulation besteht aus zwei Schritten: Schritt 1: Digitale Modulation Im ersten Schritt, der Digitalen Modulation, wird der aus Einsen und Nullen bestehende Bitstrom in ein so genanntes Analoges Basisbandsignal umgesetzt. Dies kann auf drei verschiedene Arten geschehen: 1 vgl.: (s. Literaturverzeichnis)

8 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Amplitudenmodulation Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude des Signals in Abhängigkeit vom Bitstrom verändert, das bedeutet, dass zum Beispiel eine Bitabfolge von I-0-I zuerst eine Schwingung, dann eine Pause, und zuletzt wieder eine Schwingung verursachen würde. (Abb.1) Die Amplitudenmodulation wird beispielsweise beim Flugfunk, CB- Funk 2 oder Rundfunk eingesetzt. Abb. 1 Quelle: Amplitudenmodulation: Der Bitstrom (a) wird in das Analoge Basisbandsignal (b) umgesetzt. In diesem Beispiel wird die 0 im Bitstrom durch keine Welle bzw. durch eine Welle mit der Amplitude 0 (a=0) repräsentiert Frequenzmodulation Bei der Frequenzmodulation wird die Frequenz des Signals in Abhängigkeit vom Bitstrom verändert, es hätten also zum Beispiel Einsen im entstehenden analogen Basisbandsignal eine doppelt so hohe Frequenz wie Nullen. (Abb.2) 2 CB-Funk (Citizen Band Funk) Der CB-Funk ist ein öffentlicher, kostenfrei nutzbarer Sprechfunkdienst, dem ein Frequenzband um 27 MHz (11m Band) zugewiesen ist. (vgl.

9 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 9 Frequenzmodulierte Wellen sind weniger anfällig für Störungen als durch Amplitudenmodulation erzeugte Wellen, allerdings werden für diese Form der Modulation zwei verschiedene Frequenzen benötigt. Die Frequenzmodulation verwendet beispielsweise GSM. (GSM s. Kapitel Das Global System for Mobile Communication ) Quelle: Abb. 2 Frequenzmodulation: Der Bitstrom (a) wird in das Analoge Basisbandsignal (b) umgesetzt. In diesem Beispiel wird der 1 im Bitstrom eine Welle mit doppelt so hoher Frequenz (im Vergleich zur 0 ) zugeordnet Phasenmodulation Bei der Phasenmodulation wird die Phase des Signals in Abhängigkeit vom Bitstrom verändert, bei einer so genannten 2- Phasen-Modulation (Binary Phase Shift Keying) zum Beispiel wird bei einer Eins im Bitstrom das Signal mit 1 multipliziert und bei einer Null mit -1. (Abb.3) Phasenmodulierte Wellen weisen eine noch geringere Störungsanfälligkeit als frequenzmodulierte Wellen auf, es muss jedoch sehr darauf geachtet werden, dass Sender und Empfänger genau synchronisiert sind, um eine einwandfreie Übertragung zu gewährleisten.

10 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 10 Quelle: Abb. 3 Phasenmodulation: Der Bitstrom (a) wird in das Analoge Basisbandsignal (b) umgesetzt. In diesem Beispiel wird die 0 im Bitstrom durch eine mit -1 multiplizierte Welle repräsentiert Schritt 2: Analoge Modulation Während des zweiten Schrittes, der Analogen Modulation, wird das im ersten Schritt erzeugte Basisbandsignal auf eine höherfrequentere Sinusschwingung, die so genannte Trägerfrequenz, moduliert. Die Erklärung für die Notwendigkeit dieses Vorganges liegt in der Dimensionierung von Antennen: Eine Antenne muss ungefähr so lang wie die Wellenlänge des zu übertragenden Signals sein. Da jedoch analoge Basisbandsignale in der Regel eine sehr niedrige Frequenz und damit lange Wellenlängen aufweisen, müssten Antennen für die Übertragung dieser Signale mehrere Meter lang sein. Durch die Modulation auf eine kurzwelligere Trägerfrequenz wird die Wellenlänge eines Signals und damit auch die Länge der benötigten Antenne gekürzt. Abgesehen von diesem Punkt wäre ohne Analoge Modulation kein Frequenzmultiplex möglich. (Frequenzmultiplex s Frequenzmultiplex )

11 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Ausbreitung eines Signals Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle kann nur im Vakuum genau vorhergesagt werden: Die Welle breitet sich in alle Richtungen gleichförmig aus, ihre Amplitude nimmt dabei mit dem Quadrat der Entfernung ab. Durch diese Abnahme der Amplitude des Signals ergeben sich um die Quelle herum drei Bereiche: Im Übertragungsbereich kann das Signal einwandfrei empfangen werden, im Erkennungsbereich kann ein Empfänger zwar noch erkennen, dass ein Signal gesendet wird, die Daten können jedoch nicht mehr korrekt empfangen werden. Im äußersten Bereich, dem Interferenzbereich, ist das Signal bereits so schwach, dass es nicht mehr erkannt werden kann, sondern nur noch durch Interferenz zum Hintergrundrauschen bei anderen Signalen beiträgt. (Abb.4) Die Eigenschaft von Signalen, mit zunehmender Entfernung ihre Amplitude immer mehr zu verlieren, macht das Raummultiplexverfahren möglich. (Raummultiplexverfahren s. Kapitel Raummultiplex ) Abb. 4 3 Terrestrische Sender und ihre Übertragungs-, Erkennungs- und Interferenzbereiche. Raummultiplex wird durch die räumliche Entfernung zwischen den Sendern möglich.

12 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Multiplexverfahren Eben diese Interferenz stellt ein Hauptproblem der Funkübertragung dar. Doch während Signale, die schon so stark abgeschwächt sind, dass sie sich nur mehr ein Hintergrundrauschen erzeugen, können Signale mit höheren Amplituden wesentlich verheerendere Folgen haben, weil sie durch Interferenz ein anderes Signal stark beeinflussen, ja sogar ganz und gar auslöschen können. Deshalb ist es notwendig, verschiedene Signale voneinander abzugrenzen die Techniken, mit deren Hilfe wir dies machen, werden Multiplexverfahren 3 genannt. Ohne Multiplexverfahren wäre es zum Beispiel nicht möglich, dass ein Mobilfunknetz flächendeckend arbeitet und dabei pro Zelle mehrere Benutzer (Clients) versorgt. Es gibt 5 verschiedene Multiplexverfahren: Das Raummultiplexverfahren (SDMA = Space Division Multiple Access) Das einfachste Multiplexverfahren ist das SDMA-Verfahren. Es beruht darauf, dass sich Signale, die weit genug voneinander entfernt sind und/oder voneinander abgeschirmt sind nicht gegenseitig stören (Abb.4). Eine praktische Anwendung dieses Verfahrens ist beispielsweise die Einteilung eines Mobilfunknetzes in viele verschiedene Zellen, also in Bereiche, die von jeweils einer Basisstation versorgt werden, deren Signale sich durch die räumliche Distanz nicht gegenseitig stören Das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA = Frequency Division Multiple Access) Das Frequenzmultiplexverfahren ist ebenfalls sehr einfach einzusetzen. Es erreicht eine Reduktion von Interferenzen dadurch, dass pro Sendestation nur eine einzige Frequenz benutzt wird (Abb.5). Die 3 Mehr- bzw. Vielträgerverfahren ; multiplex (lat.) = vielfach, vielfältig

13 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 13 unterschiedlichen Frequenzen werden während der analogen Modulation erzeugt: Die verschiedenen Basisbandsignale werden ganz einfach auf Trägersignale mit verschiedenen Frequenzen moduliert. (z.b. bei Radiosendern: Ö3: 90,4MHz, Ö1: 92,8 MHz) Abb. 5 Das Frequenzmultiplexverfahren: Die drei verschiedenen Signale stören sich nicht gegenseitig, weil sie auf verschiedenen Frequenzen übertragen werden Das Zeitmultiplexverfahren (TDMA = Time Division Multiple Access) Das Zeitmultiplexverfahren beruht darauf, dass ein Sendekanal in viele verschiedene Zeitschlitze in der Größenordnung von 3-8ms aufgeteilt wird. Einem Benutzer wird eine bestimmte Abfolge von Zeitschlitzen zugeteilt, das heißt, dass er, basierend auf einem bestimmten Algorithmus, zum Beispiel alle 50ms senden darf. (Abb.6) Das Zeitmultiplexverfahren wird selten allein, oft jedoch in Kombination mit dem SDMA- und/oder dem FDMA-Verfahren angewendet (z.b. in Mobilfunknetzen).

14 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 14 Abb. 6 Das Zeitmultiplexverfahren: Jedem Benutzer sind gewisse Zeitintervalle zugeordnet, die angeben, wann er senden darf. Nachdem bei diesem Verfahren niemals 2 verschiedene Benutzer gleichzeitig senden, stören sich die Signale nicht gegenseitig Das Codemultiplexverfahren (CDMA = Code Division Multiple Access) Das Codemultiplexverfahren ist das neueste und das am schwierigsten auf- und einzusetzende Multiplexverfahren, weil es wesentlich kompliziertere Technologie auf Sender- und Empfängerseite erfordert (Abb.7). Die Kommunikationspartner müssen außerdem perfekt synchronisiert sein. Der größte Vorteil des CDMA-Systems gegenüber dem FDMA- und dem TDMA-System ist, dass die Anzahl nutzbarer Codes im Unterschied zur Anzahl nutzbarer Frequenzen (FDMA) bzw. Zeiteinheiten (TDMA) unendlich ist. Das CDMA-Verfahren wird - ursprünglich wurde es für den militärischen Bereich entwickelt - erst seit Kurzem auch in der Zivilkommunikation eingesetzt. Der prominenteste Anwender dieses Systems ist der UMTS-Standard. (UMTS s. Kapitel Das Universal Mobile Telephone System )

15 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 15 Abb. 7 Das Codemultiplexverfahren: Die Signale der drei verschiedenen Benutzer stören sich nicht gegenseitig, weil jedes einzelne eine eigene Verschlüsselung aufweist OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Im Grunde genommen könnte man über das System des Orthogonal Frequency Division Multiplexing allein eine Fachbereichsarbeit verfassen, trotzdem werden ich versuchen, diese komplexeste aller Multiplextechnologien möglichst klar zu beschreiben. OFDM teilt den Datenstrom in mehrere parallele Datenströme und verschickt diese ähnlich dem FDM-System auf unterschiedlichen Frequenzen. Der Unterschied ist, dass diese Frequenzen orthogonal zueinander sind, dass also ein bestimmter, mit der Formel für Orthogonalität (Abb.8) errechneter Frequenzabstand eingehalten wird. 4 4 Orthogonalität Zwei Frequenzen stehen orthogonal bzw. rechtwinkelig oder normal aufeinander, wenn ihr skalares Produkt 0 ergibt.

16 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 16 Quelle: Abb. 8 Formel für Orthogonalität: Diese Formel dient dem Errechnen zueinander orthogonaler Frequenzen. Wenn dieser spezielle Abstand als Frequenzabstand gewählt wird, entstehen im Frequenzspektrum keine Löcher - die Frequenzen der verschiedenen Datenströme können sich sogar überlappen was zu einer besseren Ausnutzung des Frequenzspektrums führt als bei nur frequenzgemultiplexten Signalen. (Abb. 9) Das OFDM-Verfahren kommt vor allem beim IEEE Standard zur Anwendung.

17 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 17 Quelle: Abb. 9 Gegenüberstellung des OFDM- und des FDM-Verfahrens: Hier wird sichtbar, warum beim OFDM-Verfahren gegenüber dem FDM- Verfahren Bandbreite eingespart wird: Zueinander orthogonale Signale können sich überlagern, ohne sich gegenseitig zu stören Kombinierte (Hybride) Verfahren Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Multiplextechniken kombiniert einzusetzen. So verwenden zum Beispiel Mobilfunkbetreiber eine Kombination der TDMA-, FDMA- und SDMA- Technologien Veranschaulichung der verschiedenen Verfahren Am anschaulichsten kann man 3 der 5 verschiedenen Multiplexverfahren anhand von Autobahnen beschreiben. Dabei repräsentieren die verschiedenen Fahrstreifen das FDMA-Verfahren mehrere Benutzer können das Medium durch die Verwendung

18 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 18 unterschiedlicher Frequenzen (hier: Fahrstreifen) gleichzeitig nutzen. Nachdem ein Fahrstreifen von mehreren Autos nacheinander benutzt werden kann, verwenden Straßen auch das TDMA-Verfahren. Das SDMA-Verfahren wird dadurch repräsentiert, dass ein Autofahrer verschiedene Autobahnen bzw. Straßen benützen kann, um an sein Ziel zu gelangen. Das CDMA-Verfahren ist am leichtesten zu verstehen, wenn man eine größere Ansammlung von Menschen betrachtet, die sich miteinander unterhalten: Wenn alle Menschen dieselbe Sprache sprechen, wird die Kommunikation über größere Distanzen fast unmöglich. Sollten die jeweiligen Kommunikationspaare jedoch je eine Sprache - je einen Code - verwenden, was zur Entstehung von vielen getrennten Unterhaltungen in verschiedenen Sprachen - verschiedenen Codes - führt, ist es möglich, sich über große Distanzen ohne Qualitätsverlust miteinander zu verständigen. 2.2 Infrarote Datenübertragung Infrarot-Datenübertragung ist gemeinhin hauptsächlich aus Fernsteuerungen bekannt. Die Anwendung dieser Technologie in Handys und drahtlosen Peripheriegeräten wie Computermäusen und Tastaturen ist inzwischen - durch die Verbreitung des Bluetooth - Standards - einer Funktechnologie - kurz nach ihrem Aufkommen wieder im Vergehen begriffen. Dieser Rückgang erklärt sich durch einige entscheidende Nachteile gegenüber der Funktechnologie: Infrarotübertragungen können leicht abgeschirmt werden, die Datenübertragungsraten liegen zwischen 115kbit/s und 4Mbit/s, wobei diese hohen Raten nur bei direktem Sichtkontakt und unter optimalen Bedingungen (z.b. keine bzw. geringe Sonneneinstrahlung usw.) erreicht werden können.

19 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 19 Diese Schwachstellen der Infrarottechnologie sind auch durch ihre Vorteile, beispielsweise geringe Kosten und leichtes Setup, nicht wett zu machen. 2.3 Vermittlungstechnik Die Vermittlungstechnik ist ein Teilgebiet der Nachrichtentechnik, das sich mit den Verfahren und technischen Einrichtungen zur Herstellung von nur zeitweilig bestehenden Nachrichtenverbindungen zwischen wechselnden Endstellen über ein Nachrichtennetz befasst. 5 Es gibt drei verschiedene Grundformen der Nachrichtenvermittlung, nämlich Paketvermittlung, Leitungsvermittlung und die für diese Fachbereichsarbeit weniger bedeutende Form der Nachrichtenvermittlung Paketvermittlung Die Technik der Paketvermittlung beschreibt die Zerlegung von Nachrichten in kleine Einheiten und die Übermittlung dieser so genannten Pakete. Diese Pakete enthalten als Beschriftung ihre Quell- und Zieladressen, jedoch wird die Route, die von ihnen letztendlich gewählt wird, vor dem Sendevorgang nicht festgelegt. Aus diesem Grund ergibt sich, dass die Bandbreite pro Übertragung in einem paketvermittelten Nachrichtensystem variabel ist. Im Allgemeinen funktionieren paketvermittelte Nachrichtensystem genau wie (vom Namen Paketvermittlung her sehr nahe liegend) die Post. Ein weiteres sehr prominentes Beispiel für ein paketvermitteltes Nachrichtensystem ist das Internet. 5 vgl.: (s. Literaturverzeichnis)

20 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Leitungsvermittlung In der Leitungsvermittlung wird einer Verbindung vorübergehend ein durchgeschalteter, also vorgegebener, Übertragungskanal mit konstanter Bandbreite zur Verfügung gestellt. Ein typisches Beispiel für ein leitungsvermitteltes Nachrichtensystem ist das Telefonnetz. 3 Zellulare Funknetze für den Fernbereich Zellulare Funknetze für den Fernbereich sind das, was gemeinhin als Mobilfunknetze bezeichnet wird, also Funknetze, die in mehrere Zellen unterteilt sind, die durch jeweils einen terrestrischen Sender ( Basisstation ) versorgt werden und durch SDMA voneinander getrennt sind. Dieses Kapitel wird sehr kurz Mobilfunknetze der 1. Generation beschreiben, dann ausführlicher auf 2G- und 3G-Netze (Netze der 2. bzw. 3.Generation) eingehen, die Bedeutung des Terminus 2,5G Netze erklären und einen Ausblick in zukünftige 4G-Systeme wagen. 3.1 Mobilfunknetze der 1.Generation (1G-Netze) Mobilfunknetze der 1.Generation waren das kommerzielle Ergebnis einer Vielzahl von Projekten im Bereich der drahtlosen Kommunikation in der Zeit nach dem 2.Weltkrieg. Sämtliche Netze der 1.Generation arbeiteten mit analoger Übertragungstechnik und waren daher rein für Sprachübertragung ausgelegt. Sie verfügten über sehr eingeschränkte Flächendeckung und schlechte Sprachqualität.

21 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite AMPS Das Advanced Mobile Phone System ist das einzige Mobilfunknetz der ersten Generation, das heute immer noch erfolgreich eingesetzt wird. Es wurde in den 60er Jahren von AT&T Bell Laboratories für das 800 MHz Frequenzband entwickelt, 1983 kommerziell eingeführt und verfügte im Jahr 2000 über 53 Millionen Nutzer in Amerika. Die digitale Zukunft des Standards liegt einerseits im D-AMPS, der digitalen Version, andererseits in der Weiterentwicklung CDPD 6, die paketvermittelte Übertragung zur Verfügung stellt A-, B- und C- Netze Diese Netze wurden von 1958 (Beginn des A-Netzes) bis 2001 (Abschaltung des T-C-Tel -Systems) eingesetzt und verfügten über insgesamt Kunden in Deutschland, Österreich, Luxemburg und den Niederlanden. A-Netz Endgeräte kamen nur in Automobilen zum Einsatz und erreichten in der BRD auf einer Frequenz von 160 MHz eine Flächendeckung von 80%. Nachdem das B-Netz (auch 160 MHz) ebenfalls üblicherweise nur in Automobilen eingesetzt wurde, machte erst das C-Netz (450 MHz) den Mobilfunk einer breiten Öffentlichkeit zugänglich. Sein Dienstangebot umfasste sogar Fax, E- Mail und andere Datenübertragungen, außerdem war es das erste Mobilfunknetz, das Handovers, also Gesprächsübergaben zwischen Funkzellen, unterstützte. 6 CDPD Cellular Digital Packet Data ermöglicht paketvermittelte im Frequenzbereich zwischen 800 und 900 MHz bei Datenübertragungsraten von bis zu 19,2 kbit/s.

22 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Weitere 1G-Mobilfunksysteme Andere Mobilfunknetze der ersten Generation waren das NMT (Nordic Mobile Telephone 450 / 900 MHz) System in Skandinavien, das TACS/ETACS (Total Access Communications System 900 MHz) in England, das RTMS (Radio Telephone Mobile System 450 MHz) in Italien, das NTT (Nippon Telephone and Telegraph 800 MHz) System in Japan und das RadioCom2000 (200 / 400 MHz) in Frankreich. 3.2 Mobilfunknetze der 2.Generation (2G-Netze) Mobilfunknetze der 2.Generation wurden eingeführt, um die Sprachqualität, Netzabdeckung, und die Kapazität von Mobilfunknetzen zu verbessern. Es wurden weiterentwickelte digitale Standards eingeführt, die ursprünglich nur für Sprachdienste ausgelegt waren, deren Fähigkeit, paketvermittelt zu arbeiten, jedoch später auch für Datendienste genutzt wurde Das Global System for Mobile Communications Das GSM ist heute über einer Milliarde Teilnehmern bei über 400 Netzwerkbetreibern in über 150 Ländern mit Abstand das erfolgreichste Mobilfunksystem der Welt. Es entstand aufgrund der Bemühungen der CEPT (Conférence des Administrations Européennes des Postes et Télécommunications), die vielen unterschiedlichen europäischen Mobilfunksysteme durch einen einzigen Mobilfunkstandard zu vereinheitlichen. Die GSM (Groupe Spéciale Mobile) wurde 1982 gegründet, um dieses System zu entwickeln. Die wichtigsten Meilensteine waren: 1987: Allgemeine Richtlinien werden festgelegt: Es soll ein digitales, zellulares System entstehen, das TDMA & FDMA anwendet.

23 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Staaten erklären sich zur Einführung von GSM bereit 1989: Das ETSI 7 übernimmt die GSM-Arbeitsgruppe, die jetzt SMG (Special Mobile Group) heißt. Das Kürzel GSM steht jetzt für Global System for Mobile Communications. 1991: Testbetrieb läuft an, es entstehen erste Roaming 8 -Verträge zwischen Netzanbietern 1995: Flächendeckender, kommerzieller Betrieb : Teilnehmerzahl steigt von 32 auf 400 Millionen. Teilnehmerzahl am um 21:00: Nutzer Das ursprüngliche GSM900 arbeitet im Frequenzbereich zwischen 890 und 960 MHz. Die Sende- und Empfangsfrequenzen (Up/Downlink) werden durch ein so genanntes FDD (Frequency Division Duplex) Verfahren mit einem Schutzabstand von 20 MHz voneinander getrennt, der Uplink von der Mobil- zur Basisstation verwendet also die Frequenzen zwischen 890 und 915 MHz und der Downlink von der Basis- zur Mobilstation die Frequenzen zwischen 935 und 960 MHz. Die typischen Zellradien (= Reichweiten einer Basisstation/eines terrestrischen Senders) des GSM900-Systems liegen bei 35km im ländlichen bzw. 500m im städtischen Bereich. 7 ETSI Das European Telecommunications Standards Institute (Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen) ist ein gemeinnütziges Institut mit dem Ziel, europaweit einheitliche Standards im Bereich der Telekommunikation zu schaffen. (vgl. 8 Roaming, Roaming-Verträge Roaming bezeichnet die Nutzung eines Kommunikationsendgerätes oder auch nur die Nutzung der Teilnehmeridentität in einem anderen Netzwerk (visited network) als dem Heimatnetzwerk (home network). Hierzu ist erforderlich, dass die Betreiber der beiden Netzwerke ein Roamingabkommen getroffen haben sowie die erforderlichen Signalisierungs- und Datenverbindungen zwischen ihren Netzen geschaltet haben. (vgl.

24 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 24 Zusätzlich zum GSM900-System gibt es heutzutage auch noch 4 andere GSM-Systeme, die sich von GSM900 nur durch die unterschiedlichen Sendeleistungen und Frequenzbereiche unterscheiden. GSM1800 (auch DCS1800) ist mit Zellradien von 100m 15km speziell für den Betrieb in Gebäuden und Städten ausgelegt. Endgeräte, die dieses System benutzen, weisen eine deutlich niedrigere Sendeleistung (<1 W) auf, als GSM900-Endgeräte. Verbreitung: Europa Durch GSM1900 (auch PCS1900) wurde der US-Markt für die GSM-Technologie erschlossen. Verbreitung: USA, Kanada GSM400 ist die neueste GSM-Entwicklung. Es ist durch seine niedrigere Frequenz besser für den flächendeckenden Einsatz geeignet. GSM-R ist eine Version des GSM900-Systems, die für den Einsatz bei einer Endgerät-Bewegungsgeschwindigkeit von mehr als 250km/h geeignet ist (-R steht für Railway ) TDMA/IS-136 ( Digital-AMPS ) Nachdem in den achtziger Jahren auch in Nordamerika die Nutzerzahlen in den Mobilfunknetzen dramatisch anstiegen, wurde auch hier die Entwicklung neuer digitaler Mobilfunksysteme beschlossen, die vor allem mit ihren analogen Vorgängern (vor allem AMPS) kompatibel sein sollten. Die Telecommunication Industries Assiciation (TIA) beauftragte 1988 eine eigene Arbeitsgruppe mit der Entwicklung dieses digitalen

25 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 25 mit AMPS kompatiblen Systems, das seinen Benutzern auch Datendienste wie SMS oder Fax zur Verfügung stellen sollte wurde der neue Standard TDMA/IS-136 (IS steht für Interim Standard ) durch die Industrie akzeptiert. Dieses auch Digital-AMPS genannte System kann, nachdem es wie AMPS im 800MHz- Frequenzband arbeitet, hervorragend für den Ausbau von bestehenden AMPS-Netzen genutzt werden. Heute benutzen weltweit etwa 90 Millionen Menschen das TDMA/IS-136 System. Das System ist hauptsächlich in Asien, Ozeanien, Nord- und Lateinamerika verbreitet CDMA/IS-95 Das CDMA/IS-95-System, das ebenfalls aus Amerika stammt, ist zu vorherigen analogen 1G-Netzen nicht kompatibel. Einer der größten Vorteile des CDMA IS-95-Systems ist seine gegenüber TDM-Systemen wesentlich bessere Sprachqualität. Die Verbreitung des CDMA/IS-95 Systems deckt sich weitgehend mit der des TDMA/IS-136 Systems. 3.3 Übergangsnetze der Generation 2.5 (2.5G-Netze) So genannte Packet Data Overlay Cellular Wireless Networks oder 2.5G Netzwerke wurden entwickelt, um Paketdatenübertragung über vorhandene 1G und 2G Sprachübertragungsdienste zu ermöglichen. Diese Dienste - zum Beispiel GPRS oder EDGE - wurden als Ergänzungen zu vorhandenen Mobilfunknetzen konzipiert

26 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite General Packet Switched Service (GPRS) Das GPRS-System wurde von der SMG der ETSI 1997 (Phase 1) bzw (Phase 2) entwickelt, um GSM-Netzen einen paketorientierten Datendienst anzubieten und ihnen damit den Zugang zu IP-basierten Netzen wie zum Beispiel dem Internet zu ermöglichen. Durch die hohen Datenraten von GPRS (max. 171,2 kbit/s) wurden GSM-Dienste wie das Wireless Application Protocol (WAP) für die Kunden wesentlich interessanter Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution (EDGE) Das EDGE-System ist die Fortentwicklung von GSM und TDMA/136 in Richtung 3.Generation. Es wurde entwickelt, um einen möglichst hohen Grad an Kompatibilität zwischen GSM und TDMA/136 zu erreichen. Die maximale Datenrate des EDGE-Systems beträgt 384 kbit/s. 3.4 Mobilfunknetze der 3.Generation (3G-Netze) Bereits in den späten achtziger Jahren wurde von der International Telecommunications Union (ITU) ein Anforderungspaket an ein zukünftiges öffentliches Mobilfunknetz der 3.Generation gestellt. Diese Anforderungen wurden unter dem Namen IMT-2000 zusammengefasst. Selbstverständlich waren auch in der 3.Generation der Mobilfunksysteme verschiedene Lösungen für die drei größten 2G- Netze nötig. Diese drei Lösungen waren der UMTS-Standard für GSM- 2G-Netze, der CDMA2000-Standard für CDMA/IS-95-2G-Netze und der UWC-136-Standard für TDMA/IS-136-Netze. Jedes dieser Systeme erfüllt die Anforderungen in IMT-2000.

27 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Universal Mobile Telecommunications System Das UMTS-System ist das Ergebnis der Zusammenarbeit verschiedener europäischer Firmen mit der ETSI und dem 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Eine wesentliche Neuerung von UMTS gegenüber GSM ist sein hierarchischer Zellaufbau. Die kleinste Zelle ist die so genannte Haus-Zelle, die dann kommen die Piko-Zelle (bis 100m), die Mikro-Zelle (100m 300m), die Makro-Zelle (2km 50km) und die Global-Zelle (Abb.10). Während die kleineren Zellen von herkömmlichen terrestrischen Basisstationen bedient werden, arbeitet die Global-Zelle nur über Satelliten. Abb. 10 Zellebenen des UMTS-Systems Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Zellgröße ist, desto größer ist die maximale Datendurchsatzrate pro Endgerät. (Wegen der geringeren Anzahl an Endgeräten in der kleineren Zelle)

28 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 28 Außerdem können größere Zellen kleinere Unterstützen, wenn also bei einem Handover 9 von einer Mikro-Zelle zur nächsten kein freier Kanal zur Verfügung steht, kann die Makro-Zelle diese Verbindung selbstverständlich mit geringerer Bandbreite übernehmen. Die erreichbaren Datendurchsatzraten hängen einerseits, wie bereits erwähnt, von der jeweiligen Zellgröße und andererseits von der Mobilität der Benutzer ab. Für einen so genannten low-mobility- Nutzer (max. Schrittgeschwindigketi) innerhalb einer Mikro-Zelle liegt die maximale Datendurchsatzrate bei 2 Mbit/s, während in Makro-Zellen oder gar in Global-Zellen nur ungefähr 144 kbit/s erreicht werden können. Je schneller sich ein Teilnehmer bewegt, desto weiter wird die ihm zur Verfügung stehende Bandbreite reduziert. UMTS wurde für viele verschiedene Frequenzbereiche definiert. Terrestrische Basisstationen stellen den Dienst in den Frequenzbändern zwischen MHz (Uplink) bzw MHz (Downlink) und MHz bzw MHz zur Verfügung. Für die Satellitenkommunikation werden die Frequenzbereiche MHz bzw MHz benützt. Für die Zukunft sind außerdem die Frequenzbereiche MHz, MHz und MHz für UMTS-Nutzung vorgesehen, die zur Zeit jedoch noch von anderen Diensten ( MHz z.b. für GSM) belegt sind. 9 Handover Begriff für die Übergabe einer Gesprächs- oder Datenverbindung von einer Basisstation zur nächsten, während eine Verbindung besteht. Das Handover dauert zirka 5 bis 10 Millisekunden. Ein Handover wird ausgelöst, wenn das Signal zu einer Basisstation zu schwach wird, um die Verbindung aufrechtzuerhalten. (vgl.

29 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Dienste des UMTS-Systems Innerhalb des UMTS-Systems sind sechs verschiedene Dienstprofile definiert, die in zwei Gruppen zusammengefasst sind (paketvermittelt / leitungsvermittelt). Die leitungsvermittelten Dienste sind zu allererst der normale Sprachdienst für Telefonie, weiters der Switched Data -Dienst für Fax-Anwendungen, der Medium Multimedia -Dienst beispielsweise für Online-Banking und der High Interactive Multimedia -Dienst für Videotelefonie. Die paketvermittelten Dienste sind Simple Messaging -Dienste wie SMS oder und High Multimedia für Audio- & Videoclips sowie für das Internet Der Preis des neuen Systems Der hauptsächliche Nachteil des UMTS-Systems liegt in den hohen Investitionskosten, die Netzbetreiber vor allem für den Erwerb der Frequenzen tätigen mussten. In Deutschland standen beispielsweise zwei gepaarte Frequenzbänder (Up- & Downlink) mit jeweils 60 MHz zur Versteigerung. Sechs Unternehmen, nämlich T-Mobile, E-Plus, Quam, Vodafone, MobilCom und O² ersteigerten jeweils zwei Frequenzblöcke, einen Uplink- und einen Downlink-Frequenzblock, mit jeweils 5 MHz für durchschnittlich 16 Milliarden DM. In Österreich brachte die Versteigerung der Lizenzen dem Finanzminister lediglich 832 Millionen Euro Die Vorteile von UMTS Der Hauptvorteil des UMTS-Systems liegt in den vor allem für stationäre und low-mobility Nutzer außerordentlich hohen Datenübertragungsraten von 2 Mbit/s für High-Multimedia -Dienste, die sich in perfekter Symbiose mit Sprachdiensten, die für das Netz

30 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 30 mit ihren geringen Datenraten von 16 kbit/s eine sehr geringe Belastung darstellen, befinden. (Hier muss jedoch zum Ausdruck gebracht werden, dass für glasklare Sprachübertragung nicht mehr als 16 kbit/s notwendig sind) Ein weiterer gravierender Vorteil dieses Systems ist seine sehr durchdachte hierarchische Ordnung und seine flächendeckende Versorgung, die einerseits durch Satelliten, andererseits durch die Zusammenarbeit mit existierenden 2G-Netzen gewährleistet wird CDMA 2000 Das CDMA-2000 stellt die 3G-Evolution für das CDMA/IS-95 System, dar. Die Einführung dieses Systems verlief in zwei Phasen. Die erste, so genannte 1xRTT -Phase konnte im gleichen Frequenzspektrum wie das Vorgängersystem arbeiten (800/1900 MHz), ermöglichte jedoch deshalb nur Datenraten bis 144 kbit/s. Die zweite Phase, die 3xRTT - Phase, benötigt für ihre Datenraten von bis zu 2 Mbit/s ein wesentlich breiteres Frequenzspektrum ( MHz) UWC-136 Das UWC-136 System ist die 3G-Weiterentwicklung des TDMA/IS- 136 Systems. Im Grunde genommen entstand das UWC-136 System durch die Einführung von neuartigen 2.5G Systemen wie GPRS und EDGE in das vorhandene TDMA/IS-136 System. Die einzelnen Einführungsphasen werden mit IS-136+, IS-136 HS (High Speed) Outdoor und IS- 136 HS Indoor bezeichnet. Das + -Paket ermöglicht verbesserte Sprachübertragungen und flächendeckende Datenraten bis zu 64 kbit/s, das HS Outdoor -Paket sogar flächendeckende Datenraten von min. 64 kbit/s 384 kbit/s und das HS Indoor -Paket innerhalb von

31 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 31 Gebäuden 2 MBit/s durch den zusätzlichen Einsatz von weiteren Frequenzbereichen. 3.5 Mobilfunknetze der 4.Generation (4G-Netze) Obwohl sich derzeit 3G-Netze wie z.b. UMTS erst in der Einführungsphase befinden und man teilweise noch lange nicht von flächendeckender Versorgung geschweige denn von hohen Nutzerzahlen sprechen kann, befinden sich 4G-Systeme bereits in der Entwicklung. Ziel der 4G-Aktivitäten ist es, allen Benutzern weltweit die gesamte Dienstvielfalt netzübergreifend anzubieten 10 Das Stichwort für 4G-Netze ist meiner Meinung nach Harmonisierung. Die Bemühungen auf diesem Sektor zielen vor allem darauf ab, ein universelles System zu schaffen, das auch Satelliten- und, im Unterschied zu 3G-Netzen, auch Rundfunksysteme mit einschließt. Diese neue Generation wird aus mehreren Ebenen, so genannten Layers, bestehen. Die höchste Ebene würde zum Beispiel in Europa von den bereits vereinheitlichten Rundfunk- und anderen Broadcastingsystemen gebildet werden, die nächste Ebene wären die heute schon existenten 2G- und 3G- Mobilfunknetze, weiters kämen auf der Hot Spot -Ebene Technologien wie Wireless LAN oder DECT und auf der Personal Network -Ebene Systeme wie Bluetooth zum Einsatz, die die Funktionanlität der Mobilfunknetze in einem begrenzten lokalen Gebiet erweitern (höhere Bandbreite, mehr Dienstvielfalt, ). 10 vgl. _online_lexikon/8/f htm (s. Literaturverzeichnis)

32 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 32 (Wireless LAN, DECT, Bluetooth: s.kapitel 5.3 IEEE WLAN, 4.1 Digital Enhanced Cordless Telecommunicatios, 5.4 Bluetooth ) Abgesehen von dieser Vereinheitlichung verschiedener Systeme sind Datenraten von bis zu 25 Mbit/s für mobile Benutzer geplant. Die Einführung der ersten 4G-Systeme ist beispielsweise vom japanischen Mobilfunkkonzern NTT DoCoMo für 2006/2007 angesetzt. 4 Zellulare Funknetze für den Nahbereich Zellulare Funknetze für den Nahbereich sind Funksysteme für den Einsatz in Gebäuden (max. 50m) oder in begrenzten lokalen Gebieten im Freien (300m). Die Einzugsbereiche dieser Funksysteme können jedoch in der Regel durch den Einsatz von mehreren Basisstationen um ein Vielfaches erweitert werden. Dieses Kapitel wird kurz auf die beiden am weitesten verbreiteten zellularen Funknetze für den Nahbereich eingehen, namentlich DECT und PHS. 4.1 Digital Enhanced Cordless Telecommunications Das DECT-System wurde 1992 in Europa eingeführt und ist heute der weltweit führende Standard für Nahbereich-Funkkommunikation. DECT eignet sich aufgrund seiner hohen maximalen Teilnehmerdichte von mehreren Nutzern/km² und seiner geringen Aufbau- und Instandhaltungskosten hervorragend für mittelgroße und große Betriebe. 11 In Bürogebäuden und auf Firmengeländen werden DECT- Systeme praktisch immer als Mehrzellensysteme mit mehreren Basisstationen realisiert; wenn derartige Systeme im Heimbereich 11 vgl. Lehner, Franz: 2003, S.115 (s. Literaturverzeichnis)

33 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 33 angewendet werden, ist jedoch meistens eine einzelne Basisstation ausreichend. 4.2 Personal Handy Phone System (PHS) Während in Europa um 1990 das DECT-System entwickelt wurde, begannen die Japaner 1989 mit der Entwicklung eines eigenen Nahbereich-Funknetzes, des PHS. Es wurde 1995 in Japan kommerziell eingeführt. Heute versuchen die Betreiber des PHS, es durch Erweiterungen seiner Dienste und Datenraten vor allem gegen die aufkommenden 3G-Funknetze zu verteidigen. Der Hauptvorteil des PHS gegenüber diesen Systemen liegt hauptsächlich in seinen preiswerten Endgeräten. 5 Drahtlose lokale Netze Im Grunde genommen sind drahtlose lokale Netze Erweiterungen zu leitungsgebundenen ( herkömmlichen ) lokalen Netzen, wie zum Beispiel Ethernet, Token Ring oder FDDI-Netzen. 12 Sie weisen gegenüber diesen eine Reihe von Vorteilen auf, haben jedoch - selbstverständlich - auch teilweise gravierende Nachteile (auf die Vor- und Nachteile der drahtlosen lokalen Netze wird im Folgenden eingegangen). In diesem Kapitel werden zuallererst die allgemeinen Eigenschaften, Vorteile und Nachteile von drahtlosen lokalen Netzen beschrieben, 12 Ethernet, Token Ring, FDDI Ethernet, Token Ring und FDDI sind die möglichen logischen Topologien für drahtgebundene Computernetzwerke.

34 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 34 später wird auf IEEE und Bluetooth, die Schwerpunkte dieser Fachbereichsarbeit, eingegangen. 5.1 LAN vs. WLAN Die Vor- und Nachteile drahtloser lokaler Netze Da drahtlose Netze entwickelt wurden, um die Nachteile drahtgebundener Netze zu eliminieren bzw. zu umgehen, stellen ihre Vorteile gleichzeitig die Nachteile jener Netze dar. Die Hauptvorteile drahtloser Netze sind: - teure Verkabelung entfällt - mehr Flexibilität bei der Planung - einfache Anpassung an veränderte Umgebungen - schnelle und einfache Implementierung, vor allem bei Ad- Hoc-Netzwerken (Ad-Hoc-Netzwerke s. Kapitel Ad-Hoc-Netzwerke ) - einfache & kostengünstige Erweiterung (keine Kosten für zusätzliche Benutzer) Diesen Vorteilen stehen natürlich auch mehrere Nachteile gegenüber: - geringere Bandbreite - höhere Fehlerrate Geringere Dienstgüte - geringere Sicherheit 5.2 Struktur Drahtlose lokale Netze können auf zwei verschiedene Arten organisiert sein: als Infrastruktur- oder als Ad-Hoc-Netzwerke. Die Anwendungsund Verbreitungsbereiche dieser beiden Netzwerktypen sind grundverschieden.

35 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Infrastrukturnetzwerke Die meisten WLANs beruhen auf einer fixen Infrastruktur mit verkabelten Basisstationen, sind also so genannte Infrastrukturnetzwerke. Diese Netzwerke erfordern einen gewissen Grad an Planung, weil das Netz von einer oder mehreren Basisstationen, so genannten Access Points ausgeht, die untereinander mit Kabeln verbunden sind. Die direkte Kommunikation zweier Endgeräte ist bei Infrastrukturnetzen nicht vorgesehen, in der Regel unterstützen ihre Basisstationen jedoch horizontale Handovers, also Roaming von einem Access Point zum nächsten. (Abb.11) Ausgelöst wird dieses Roaming dadurch, dass das Endgerät erkennt, dass die Verbindung zu einem Access Point schwächer wird. Es sucht dann automatisch nach weiteren Access Points in Reichweite. Quelle: Abb. 11 Beispiel für ein Infrastrukturnetzwerk Ad-Hoc-Netzwerke Ad-Hoc-Netze verfügen im Unterschied zu Infrastrukturnetzen über keinerlei feststehende Geräte wie zum Beispiel Basisstationen. Die

36 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 36 einzigen Strukturen eines Ad-Hoc-Netzwerkes sind seine Clients, die sich von selbst organisieren. Ein typisches Beispiel für ein Ad-Hoc- Netzwerke aufbauendes System ist der Bluetooth-Standard. Ein Bluetooth-Gerät, also zum Beispiel eine kabellose Maus oder Tastatur, stellt eine direkte Verbindung zu dem Computer, dem sie als Eingabegerät dient, her. In Ad-Hoc-Netzwerken ist jedes Gerät mit jedem anderen Gerät direkt verbunden (Abb.12). Quelle: Abb. 12 Beispiel für ein Ad-Hoc Netzwerk 5.3 IEEE WLAN Der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Standard wurde 1996 definiert, um die Kompatibilität der existierenden Produkte für drahtlose lokale Netze zu garantieren. Die Bezeichnung 802 ergibt sich aus der Zugehörigkeit von WLANs zur Gruppe der lokalen Netze, wie beispielsweise Ethernet (IEEE 802.3) oder Token Ring (IEEE 802.5).

37 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Referenzmodell Der IEEE Standard besitzt ein dem ISO/OSI ähnliches Referenzmodell, das für die Schichten 1 (Bitübertragungsschicht) und 2 (Medienzugriffssteuerung) definiert ist Bitübertragungsschicht Für die Übertragung des Bitstroms sind im IEEE Standard vier verschiedene Verfahren definiert Infrarotübertragung Für die Infrarotübertragung gibt es im Unterschied zur Funkübertragung keine nationalen oder internationalen Beschränkungen. Der standardisierte Wellenlängenbereich für Infrarotübertragung liegt zwischen 850 und 950 nm. Die maximalen Datenraten für Infrarotübertragung liegen bei optimalen Verhältnissen bei 4 MBit/s, ihre maximale Reichweite beträgt 10 m Frequency Hopping Spread Spectrum Die FHSS-Technologie stellt ein kombiniertes TDMA/FDMA- Verfahren für Funkkommunikation dar. Bei diesem Verfahren wird das verfügbare Frequenzspektrum in viele einzelne Kanäle zu je einem MHz aufgeteilt. Der Sender beginnt die Übertragung auf einer bestimmten Frequenz und springt alle 50 ms zu einer bestimmten anderen Frequenz weiter ( hopping ). Die verschiedenen Frequenzen werden während der analogen Modulation erzeugt. Damit der Empfänger in der Lage ist, die Daten zu erkennen, muss er die Sprungsequenz des Senders kennen. Der Nachteil dieses Verfahrens sind seine auf 2 MBit/s beschränkten Datenraten.

38 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Das DSSS-Verfahren setzt bereits vor der digitalen Modulation an. Der Bitstrom wird durch ein XOR-Verfahren mit einer so genannten Chipping-Sequenz verknüpft, was eine Spreizung des Signals zur Folge hat (Ein Bit des ursprünglichen Bitstroms entspricht mehreren Bits der Chipping-Sequenz und damit auch mehreren Bits des entstehenden Bitstroms). Der Empfänger benötigt bei dieser Technologie die vom Sender benutzte Frequenz und die Chipping- Sequenz, um das Signal zu entschlüsseln. Das DSSS-Verfahren lässt inzwischen Datenraten von 54 MBit/s zu und setzt sich deshalb in letzter Zeit immer mehr gegenüber der FHSS-Technologie durch, die Datenübertragungskapazität ist jedoch immer noch ausbaufähig. Ein Nachteil des DSSS-Verfahrens ist, dass das gespreizte Signal eine höhere Bandbreite erfordert als das ursprüngliche. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Störungsunempfindlichkeit und der Abhörsicherheit des durch DSSS produzierten Signals. Beide Verfahren, FHSS und DSSS, arbeiten im Frequenzbereich zwischen 2,4 und 2,4835 GHz und ermöglichen Datentransfers mit Reichweiten von etwa m, Als vierter Standard zur Bitübertragung ist in IEEE das OFDM- Multiplexverfahren beschrieben. (s. Kap.: OFDM) Medienzugriffssteuerung Das Wichtigste an der Medienzugrisffssteuerungsschicht des IEEE Standards ist, dass sie es ermöglicht, drahtlose Netzwerke durch Verschlüsselungs- und Authentisierungsmechanismen zu

39 Drahtlose Kommunikation im 21ten Jahrhundert Seite 39 schützen. Diese Mechanismen bilden den Standard der Wired Equivalent Privacy Wired Equivalent Privacy (WEP) Der WEP-Standard stellt einen Datenverschlüsselungsmechanismus für IEEE Netzwerke bereit. Die Datenverschlüsselung beruht dabei auf einem so genannten WEP-Schlüssel (WEP-key) mit einer Länge von 40, 64 oder, im WEP2-Standard, 128 Bit. Diese Schlüssel müssen, wenn die WEP-Verschlüsselung in einem Netzwerk aktiviert ist, in jedem Gerät manuell eingetragen werden. Der Hauptnachteil der WEP-Verschlüsselung ist, dass die Schlüssel feststehend ( static ) sind, sich also nicht nach einer gewissen Zeit automatisch ändern. Diese Eigenschaft der WEP-Verschlüsselung ermöglicht es einem Cracker 13, den WEP-Schlüssel nach einer gewissen Zeit durch das Auswerten von im Netzwerk übertragenen Paketen zu errechnen Standards in IEEE Der erste IEEE Standard, der sich durch die Verwendung des FHSS- oder des DSSS-Verfahrens (welche nicht kompatibel sind) auszeichnet, ist mittlerweile bereits überholt. Sein Nachfolgestandard mit der Bezeichnung IEEE b verwendet nur noch das DSSS- Verfahren und erlaubt Datenraten bis 11 MBit/s. Im Wettbewerb mit dem IEEE b Standard liegt seit 2000 der IEEE a Standard, der Datenraten von bis zu 54 MBit/s erlaubt, jedoch wegen seines benutzten Frequenzspektrums im Bereich von 5,15 bis 5,735 GHz in vielen Ländern durch nationale Bestimmungen sehr 13 Cracker Der Ausdruck Hacker wird in diesem Zusammenhang oft fälschlich als kriminalisierende Bezeichnung gebraucht, beschreibt jedoch nur eine Person, die mit erheblichem Sachverstand mit Computern umgeht, oftmals Programmierer oder Netzwerkfachleute. (vgl. Wikipedia 2005,