Genereller Aufbau von Funknetzen. WLAN: IEEE b. Drahtloses Ethernet. Entwurfsziele für drahtlose Netze (WLAN/WPAN)

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1 L apto p L apto p L apto p Entwurfsziele für drahtlose Netze (WLAN/WPAN) weltweite Funktion möglichst geringe Leistungsaufnahme wegen Batteriebetrieb Betrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglich robuste Übertragungstechnik Vereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffen einfache Handhabung und Verwaltung Schutz bereits getätigter Investitionen im Festnetzbereich Sicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der Emissionen Transparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten Genereller Aufbau von Funknetzen. Netze mit fester Infrastruktur Infrastruktur bedeutet: feststehendes Netz, z.b. Ethernet oder Satellitenstrecken Zentraler Access Point (), drahtlose Geräte kommunizieren nur mit dem Kontrollfunktionalitäten (Medienzugriff, Mobilitätsmanagement, Authentisierung, ) sind in der Infrastruktur realisiert Komplexität liegt in den Infrastrukturkomponenten, drahtlose Geräte brauchen nur ein Minimum an Funktionalität zu realisieren 2. Ad-hoc-Netze Keine Infrastruktur die drahtlosen Geräte kommunizieren direkt Höhere Komplexität der Geräte, da jedes Gerät alle Zugriffs- und Kontrollmechanismen implementieren muss Infrastruktur Drahtloses Ethernet WLAN: IEEE 802.b Drahtloses Äquivalent zu Ethernet: "Wireless LAN" (WLAN) Ausschließlich datenorientierte, breitbandige Internetzugangslösung Standardisiert von der IEEE als IEEE : IEEE 802. (Bandbreiten von maximal 2 Mb/s) IEEE 802.a mit 54 Mb/s durch Verwendung eines (störanfälligeren) Frequenzbandes mit größerer Kapazität 999: IEEE 802.b (Brutto-Datenrate von MB/s bei einem Nutzdatenanteil von bis zu Mb/s) IEEE 802.g: höhere Datenraten (zukünftig Datenraten von bis zu 00 Mb/s) 802.a 54 Mbit 5 GHz 802. FHSS, DSSS oder 2 Mbit 2,4 GHz FHSS, DSSS 802.b Mbit 2,4 GHz nur DSSS 802.g Erweiterung auf 20 bzw. 54 Mbit 3 Datenraten, 2, 5.5, Mbit/s, abhängig von SNR (Signal-to-Noise-Ratio) Nutzdatenrate max. ca. 7 Mbit/s Kommunikationsbereich 300m Außen-, 30m Innenbereich Maximale Datenrate erreichbar bis ~0m (in Gebäuden) Frequenzbereich Freies 2.4 GHz ISM-Band ( GHz) Sendeleistung maximal 00 mwatt Vorteil: viele installierte Systeme, weltweite Verfügbarkeit, freies ISM-Band, viele Firmen, integriert in s, einfaches System Nachteil: starke Störungen auf dem ISM-Band (Bluetooth, Mikrowellenherde, Mikrowellenbeleuchtung, analoge TV-Übertragung, Überwachung, lizenzfreie Stadtnetze), keine Dienstgüte, relativ niedrige Datenraten 37

2 Aufbau eines WLAN Integration in ein bestehendes Festnetz: Festnetz An ein bestehendes Festnetz werden sogenannte Access Points (s) angeschlossen Jeder regelt alle Kommunikation in seinem Empfangsbereich s mit gleichen Kanälen müssen weit genug auseinander stehen, um Störungen zu vermeiden s in Aachen - MoPS Bildung eines Ad-hoc-Netzes: Steht kein zur Verfügung, können Stationen auch ein eigenes LAN aufbauen Die Übertragung findet nun direkt zwischen den Stationen statt Architektur: Infrastrukturnetz Architektur: Ad-hoc Netzwerk ESS STA 802. LAN BSS Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point 802.x LAN STA LAN STA 3 Station (STA) Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point Access Point () Station, die sowohl in das Funk-LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist Basic Service Set (BSS) Gruppe von Stationen samt innerhalb eines Übertragungsbereichs Portal Übergang in ein anderes Festnetz Distribution System Verbindung verschiedener Zellen zur Bildung eines logischen Netzes (EES: Extended Service Set) 802. LAN STA STA 3 IBSS STA 2 IBSS 2 STA 5 STA LAN Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite Station (STA) Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium Independent Basic Service Set (IBSS) Gruppe von Stationen, die innerhalb eines Übertragungsbereichs dieselbe Funkfrequenz nutzen Unterschiedliche BSS durch räumliche Trennung oder Verwendung unterschiedlicher Trägerfrequenzen Keine ausgezeichneten Stationen zur Weiterleitung von Daten, Wegwahl, 40 4

3 Protokollarchitektur Physikalische Schicht Anwendungen sollen von der Existenz des drahtlosen Netzes nichts mitbekommen (außer Bandbreite, längeren Zugriffszeiten) Medium Access Control Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung MAC Management: Synchronisierung, Roaming zwischen s, Power Management Physikalische Schicht Kanalwahl, Modulation, Codierungsart 42 Varianten zur Übertragung: 2 Funk (im 2,4 GHz-Band), Infrarot FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 2 Frequenzen bei Mbit/s, 4 Frequenzen bei 2 Mbit/s 79 unterschiedliche Kanäle von MHz Bandbreite min. 2,5 Frequenzwechsel/s GFSK-Modulation maximale Sendeleistung: W (USA)/00 mw (EU), minimal: mw DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) DBPSK-Modulation für Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), D für 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK) Chip-Sequenz: (+, -, +, +, -, +, +, +, -, -, -), ein Barker-Code maximale Sendeleistung: W (USA)/00 mw (EU), minimal: mw Infrarot nm, diffuses Licht, typ. 0 m Reichweite 43 FHSS PHY Paketformat DSSS PHY Paketformat Synchronisation Synchronisation der Empfänger mit SFD (Start Frame Delimiter) als Startmuster PLW (PLCP_PDU Length Word) Länge der Nutzdaten in Bytes inklusive 32-Bit-CRC (am Ende der Nutzdaten). Erlaubte Werte liegen zwischen 0 und 4095 PSF (PLCP Signaling Field) Datenrate der Nutzdaten ( oder 2 Mbit/s) HEC ( Error Check) CRC mit x +x 2 +x variabel Bits Synchronisation SFD PLW PSF HEC Nutzdaten Synchronisation Snychronisation, Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung SFD (Start Frame Delimiter) als Startmuster Signal Datenrate der Nutzlast (0A: Mbit/s DBPSK; 4: 2 Mbit/s D) Service Für spätere Verwendung reserviert, Standard: 00 für 802.-Rahmen Length (Länge der Nutzdaten) und HEC (CRC) wir bei FHSS variabel Bits Synchronisation SFD Signal Service Length HEC Nutzlast Übertragung immer mit Mbit/s Übertragung wahlweise mit oder 2 Mbit/s 44 Übertragung immer mit Mbit/s Übertragung wahlweise mit oder 2 Mbit/s 45

4 802.b - Physikalische Schicht Dynamic Rate Shifting: Anpassung der Übertragungsrate an die Übertragungsqualität: Datenrate Mb/s 2 Mb/s 5.5 Mb/s Mb/s Codelänge (Barker-Code) (Barker-Code) 8 (CCK) 8 (CCK) Modulation PSK verwendete Symbolrate MS/s MS/s.375 MS/s.375 MS/s erreichte Bits/Symbol Nur noch DSSS CCK: Complementary Code Keying Verwendung einer 8-Chips-langen Spreizsequenz: wähle 4 ( Mbit/s) bzw. 4 (5.5 Mbit/s) der 4 8 möglichen Zustände aus, die möglichst gute Kreuzkorrelationseigenschaften aufweisen. D.h.: verwende die Spreizung zur Übertragung mehrerer Bits gleichzeitig Damit wird die Übertragung deutlich störanfälliger als für bzw. 2 Mbit/s Reichweite von IEEE 802. Aufgrund der fehlende Spreizung für niedrige Bitraten sind die höheren Übertragungsraten störanfälliger. Damit ergibt sich eine geringere Reichweite: 0 Mbit/s Datenrate 802.b m Distanz 47 Reichweite 802.b IEEE 802.b PHY-Rahmenformate Langes Rahmenformat: variabel Bits synchronization SFD signal service length HEC Nutzdaten 92 µs bei Mbit/s DBPSK, 2, 5.5 oder Mbit/s Kurzes Rahmenformat, optional: variabel Bits short synch. SFD signal service length HEC Nutzdaten ( Mbit/s, DBPSK) (2 Mbit/s, D) 9 µs 2, 5.5 oder Mbit/s 48 49

5 Kanalwahl bei IEEE 802.b Kanäle sind je 22 MHz breit Kanäle überlappen 3 Kanäle in Deutschland (242, 247, 2422, 247, 2472 MHz), in USA/Kanada Nicht-überlappende Kanalwahl: Kanal Kanal 7 Kanal MHz [MHz] Im Idealfall: vergebe nur Kanäle, und : 50