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Aktuelle WLAN-Standards

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Hintergrund

Die Kommunikation von Endgeräten kann man mit dem ISO-OSI-(resp. TCP/IP)-Modell beschreiben. Dies ist ein in der Informatik und Technik verbreitetes Modell, mit dem man die verschiedenen Ebenen einer Kommunikation besser beschreiben kann. OSI steht für Open Systems Interconnection Model und ist über ISO genormt
Alternativ dazu steht das TCP/IP-Modell. Dieses ist eine vereinfachte Darstellung, die speziell für Kommunikation über das Internet entwickelt wurde. Beides sind Modelle, die es erlauben, die Realität vereinfacht abzubilden. Sie arbeiten mit verschiedenen Schichten.

Das Modell

        ISO-OSI-Modell

Ruft man auf seinem heimischen PC eine Internetseite auf, kommunizieren hier jeweils zwei recht hohe Ebenen des Modells miteinander - einmal auf der PC- und zum anderen auf der Web-Server-Seite.
Grundsätzlich arbeiten bestimmte Geräte auf genau bestimmten Ebenen des Modells: Switches zum Beispiel auf der Ebene 2, oder - wenn er leistungsfähiger ist - auf der Ebene 3 des Modells. Jede Schicht kommuniziert nur mit der jeweils nächsthöheren und der nächsttieferen Schicht. Bei einer http-Übertragungsanforderung gibt die Ebene 7 dies an die Ebene 6 weiter, die wiederum an die 5 und so weiter bis zur Ebene 1. Diese kommuniziert dann tatsächlich mit dem anderen Gerät und auch dort mit der Ebene 1. Diese gibt ihre Informationen an die Ebene 2 weiter, diese an die 3 und so weiter, bis sie schließlich auch hier an Ebene 7 ankommen und vielleicht angezeigt werden. Einem Browser ist es also "egal", wie die Bits übertragen werden: Per Kabel, WLAN oder Infrarot. Ihn interessiert nur die Anforderung der Webseite - den Rest erledigen seine Unterebenen.
In - zum Beispiel - Schicht 4 arbeiten verschiedene Protokolle – sie können dabei von einer höheren Schicht „aufgerufen“ werden und geben dann ihrerseits Kommandos an die nächsttiefere Schicht – ebenso erhalten sie von dort Antworten und geben sie nach oben weiter. Die unteren Schichten im OSI-Modell (1, 2 teilweise auch 3) realisieren die tatsächliche Verbindung zweier Geräte, z.B. zweier PCs, oder einem PC mit einem Switch, oder zweier Switches untereinander usw.

Ethernet und 802.11

Momentan findet Netzwerkkommunikation im Großen und Ganzen über Ethernet statt. (Früher gab es unter anderem auch das von IBM weiterentwickelte und lange benutzte Token-Ring-Prinzip.) Ethernet, eine bestimmte Art der Datenübertragung, wird durch IEEE 802.3 festgelegt. Die Norm IEEE 802.11 hingegen regelt die Kommunikation in Funknetzwerken

802.11 wurde 1997 verabschiedet, und beschreibt eine Kommunikation mit 1 bis 2 Mbit/s auf einer Frequenz von 2,400 bis 2,485 GHz. Diese kann lizenzfrei genutzt werden. Bitte bedenken: Diese Übertragungsraten sind immer „Brutto-Übertragungsraten“ – zum Beispiel packt die „Sicherungsschicht“ noch Prüfbits zu jedem Byte dazu. So gilt die Faustregel auf den unteren Schichten: 1 Byte Daten = 10 Bit brutto

Was hat es denn grundsätzlich mit den Brutto- und Netto-Angaben auf sich? Nun, jede Schicht versieht die ihr übergebenen Daten mit eigenen Zusatzinformationen - meist mit einem Header ("H"), manchmal auch mit einem Trailer ("T"). In etwa sieht das also so aus:

       Brutto- und Netto-Daten

Das eigentlich zu übertragende Datenvolumen wächst also jedesmal ein bisschen an - und je nach Art der Datenübertragung kann dieser Zuwachs mehr oder weniger groß sein.

802.11x

Die WLAN-Standards entwickelten sich recht schnell weiter. Es begann mit:

802.11a/b

Diese beiden Standards wurden 1999 formuliert. Hierbei arbeitet 802.11a mit einer Frequenz von 5 GHz, und kann mit einer Datenrate von 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 oder 54 Mbit/s brutto arbeiten. Bezieht man diese Datenrate auf die Anwendungen, bleiben nur ca. 40% „Nutzlast“ an Daten übrig. Das 5GHZ-Band war aber erst seit 2002 in Deutschland lizenzfrei nutzbar. Dies verhinderte hier eine weite Verbreitung von 802.11a.

802.11b

Die Datenrate beträgt 5,5 oder 11 Mbit/s brutto (hierbei sind maximal 50 % netto zu verzeichnen). Das benutzte Frequenzband reicht von 2,400 bis 2,4835 GHz  - eben die lizenzfrei nutzbare Bandbreite. Es wird ein anderes Modulationsverfahren als bei 802.11a verwendet. 802.11b selbst findet heute direkt kaum noch Verwendung - als "Fallback", wenn die äußeren Bedingungen eine schnellere Datenübertragung verhindern, kommt es aber dennoch häufig zum Tragen.

802.11g

Der Standard wurde 2003 verabschiedet. Die möglichen Datenraten betragen: 6, 12, 18, 24, 36, 48 oder 54 Mbit/s brutto (bis ~22 Mbit/s netto). Auch 802.11g nutzt das lizenzfreie Frequenzband von 2,400 bis 2,4835 GHz. Unterstützt wird (wie oben erwähnt) 802.11 und 802.11b als Fall-Back bei ungenügender Übertragungsqualität. Deshalb findet man häufig die Bezeichnung 802.11b/g auf den entsprechenden Geräten - denn sie sind dann zu beiden Standards kompatibel.

802.11n

Dieser momentan am weitesten verbreitete Standard wurde am 11. September 2009 ratifiziert. Schon eine ganze Weile vorher gab es Geräte, die einen "Draft“-“Standard“ nutzten. Es wurde versprochen - und meist gehalten - dass diese updatebar wären, wenn der endgültige Standard heraus kam. 802.11n ist kompatibel zu 802.11b/g. Die erreichbare Datenrate beträgt theoretisch bis 600 Mbit/s. Genauer ist dies so spezifiziert: 6,5 bis 72,2 Mbit/s bei 20 MHz Kanalbreite und 13,5 bis 150 Mbit/s bei 40 MHz Kanalbreite. Benutzt werden die Frequenzbereiche von 2,400 bis 2,4835 GHz bei 20 MHz Kanalbreite und 5 GHz bei bis zu 40 MHz Kanalbreite. Die hohe Datenrate wird durch das MIMO-Prinzip erreicht. Multiple Input Multiple Output bezeichnet ein Verfahren, bei dem gleichzeitig verschiedene Datenströme über mehrere Antennen laufen können. So kann 802.11n mit 4x4-MIMO bis 600 Mbits/s übertragen –  dabei gehen je 150 Mbit/s pro Antenne in den  Datenaustausch. Netto wären dies dann aber nur noch ca. 240 Mbit/s.

802.11ac

Dies ist der neueste, zur Zeit verbreitete, Standard - er wurde im September 2013 verabschiedet. Folgende Datenraten sind bei bestimmten Randbedingungen möglich: 6,5 bis 96,3 Mbit/s (bei 20-MHz Kanalbreite); 13,5 bis 200 Mbit/s (bei 40-MHz Kanalbreite); 29,2 bis 433 Mbit/s (bei 80-MHz Kanalbreite) und 58,5 bis 867 Mbit/s (bei zweimal 80-MHz- oder 160-MHz-Kanalbreite). Die gesamte Kommunikation findet nur im Frequenzband von 5 GHz statt.

Probleme

Das für WLAN zugelassene "untere" Band bei 802.11n reicht von 2.400 MHz bis 2.483 MHz und ist damit nur etwa 80 MHz breit.
Bei maximaler Übertragungsleistung von bis zu 450 Mbit/s bei drei Antennen beansprucht eine WLAN-Verbindung aber bereits 40 MHz der verfügbaren Bandbreite. Schon ein zweiter Router in der Nähe läge das ganze Band lahm. Das Bild hier, erstellt per InSSIDer, das es in der aktuellen Version leider nicht mehr kostenlos gibt (aber die freie Version findet man noch leicht im Netz), zeigt eine solche Situation.

          WLAN-Netze

Hier befinden sich - einigermaßen gut verteilt - vier Netze im Empfangsbereich. Zwei davon senden im gleichen Bereich (die beiden linken). Immerhin überschneiden sich die anderen Netze nicht, was aber auch leicht vorkommen kann. (Übrigens sieht man auch an dieser Grafik, dass es sich kaum lohnt, um EINEN Kanal weiter zu schalten, wenn man schlechte Empfangsbedingungen hat. Üblicherweise belegt ein Router ca. 5 Kanäle - bei 40MHz Bandbreite sogar bis zu 7!). Dass das 5 GHz-Band in dieser Grafik frei ist, kommt schlichtweg daher, dass der verwendete WLAN-Adapter dieses nicht empfangen kann.

Maximale Ergebnisse

Bei 802.11ac sind häufig Geräte mit 3x3 MIMO, 80 MHz Kanalbreite und theoretischen 1299 Mbit/s anzutreffen. Rein rechnerisch sind sogar mit 8x8-MIMO bis zu 6936 Mbit/s möglich (netto dann 3,5 GBit/s). Erste Router hierfür, zum Beispiel von AVM die FRITZ!Box 7490, Macs (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.

DFS und TPC

Für richtig hohe Datenraten kann und muss man in das 5 GHz-Band gehen. Im 5 GHz-Band ist nämlich sehr viel Bandbreite vorhanden, aber leider nicht immer! Nur mit der Dynamic Frequency Selection kann ein Router die volle Bandbreite auch nutzen. DFS verhindert eine Störung des Wetterradars ab Kanal 52. Mit der Transmission Power Control kann die Sendeleistung auch herab gesetzt werden - meist, um Störungen zu vermeiden. DFS und TPC müssen beide vorhanden sein, dann erweitert sich das nutzbare Spektrum im 5 GHz-Band von Kanal 36 bis 48 um den Bereich von Kanal 53 bis 120.

Hier ist ein Bild aus einer Fritzbox, welche die Kanäle und ihre Belegung an einem Beispiel zeigt:

          Fitzbox WLAN

Fritz-ac-AdapterHier war eben nur ein WLAN-Router aktiv, in diesem Fall die Fritzbox selbst.802.11 ac kann mit 802.11n zusammen arbeiten, und ist damit mit allen vorherigen Standards kompatibel.

Am Besten nutzt man eine solche Fritzbox natürlich dann auch mit einem 802.11ac-Aapter. Diese gibt es logischerweise mit unterschiedlich vielen Antennen. Der Stick von Fritz (s. Bild) ist eine kostengünstige Variante.

Ausblick

Selbstverständlich wird an diesen Netzwerknormen permanent weiter entwickelt - interessant zur Zeit ist  802.11p. Es wurde als Erweiterung zu 802.11a definiert und in 2010 genormt. Einsatzbereich von 802.11p ist die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug. Eine Kommunikation zwischen Fahrzeugen wird von allen Entwicklern selbstfahrender Fahrzeuge momentan gefordert.

In Vorbereitung ist auch 802.11ad , ein interessanter Standard für das 60 GHz-Band. Es soll eine große Bandbreite, z.B. für unkomprimiertes Video ermöglichen. Zur Verfügung sollen dann 4 Kanäle im 60-GHz-Band stehen: Von 57,24 bis 59,40 GHz; von 59,40 bis 61,56 GHz; von 61,56 bis 63,72 GHz und von 63,72 bis 65,88 GHz. Die erzielbare Datenrate beträgt geplant bis  6930 Mbit/s; die Reichweite eines Netzes in diesem Standard ist allerdings auf 10 m(!) beschränkt.

 

Sehr schöner Beitrag! Ich

Sehr schöner Beitrag!
Ich vermisse den WLAN-Mesh-Standard: 802.11s

M.