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 physikalische Schicht (vgl. OSI-Modell) für lokale Funknetzwerke.

Für die physikalische 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 erfolgen oder im Infrastruktur-Modus mithilfe einer Basisstation (Access Point).

1999 folgten zwei Erweiterungen: 802.11a spezifiziert eine weitere Variante der physikalischen Schicht, die im 5-GHz-Band arbeitet und Übertragungsraten bis zu 54 MBit/s ermöglicht. 802.11b ist ebenfalls eine alternative Spezifikation der physikalischen 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 neueste Erweiterung 802.11n sieht bei geänderten Frequenzbändern und neuen Kanaleinteilungen eine Übertragungsrate von bis zu 600 MBit/s^[1] 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 von aktiven Teilnehmern 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 von drahtgebundenen Netzwerken ist eher hinderlich.

Standard 802.11

Allgemein

802.11 ist eine Normen-Familie 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
  • Datentransfer: brutto 1 oder 2 MBit/s
  • Frequenzband 2,400 bis 2,485 GHz (lizenzfrei)
  • Modulation: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) oder DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
  • Akzeptanz: veraltet, nicht mehr breit genutzt

• 802.11a Erweiterung der physikalischen Schicht, 1999
  • Datentransfer: brutto 54 MBit/s (netto maximal 50 %)
  • Frequenzband 5 GHz (seit dem 13. November 2002 in Deutschland freigegeben, genaueres siehe 802.11h)
  • Modulationsverfahren: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
  • Akzeptanz: spielte aufgrund geringer Gerätekompatibilität immer eine untergeordnete Rolle; die Nachfrage hielt sich in Grenzen, da die Geschwindigkeit mit 802.11g vergleichbar ist

• 802.11b Erweiterung der physikalischen Schicht, 1999
  • Datentransfer: brutto 11 MBit/s (netto maximal 50 %)
  • Frequenzband 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Modulation: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
  • Akzeptanz: noch einigermaßen weit verbreitet

• 802.11g Erweiterung der physikalischen Schicht, 2003
  • Datentransfer: brutto 54 MBit/s (netto maximal 40 %)
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei)
  • Modulation: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - wird für die langsamen Geschwindigkeiten benutzt, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
  • Akzeptanz: hohe Verbreitung, wird aber zunehmend durch 802.11n verdrängt

• 802.11n Ratifizierung am 11. September 2009 geschehen^[2]
  • Datentransfer: brutto 600 MBit/s^[1]
  • Frequenzband: 2,400 bis 2,4835 GHz (lizenzfrei), optional auch 5 GHz als zusätzliches Band
  • Akzeptanz: Neugeräte verfügen überwiegend über 802.11n, wodurch ältere Standards abgelöst werden

• 802.11p Geplante Erweiterung zu 802.11a für den Einsatz in Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Netzen, auch unter DSRC bekannt
  • Datentransfer: brutto 27 MBit/s
  • 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.

• 802.11ac geplante Erweiterung zu 802.11n
  • Datentransfer: brutto 1 GBit/s
  • Frequenzband: geplant < 6 GHz

Erweiterungen

Bezeichnung	Erweiterung von	Verabschiedung	Beschreibung
802.11c	–	2001	Wireless Bridging: Verbinder zwischen unterschiedlichen Funknetzwerken
802.11d	b, g, a, h	2001	World Mode: Anpassung an die regulatorischen Bestimmungen verschiedener Länder
802.11e	g, a, h	2004	Dienstegüte und Streaming: Unterstützung von Quality of Service
802.11f	g, a, h	2003	Handover: Interoperabilität zwischen Basisstationen
802.11i	b, g, a, h	2004	Sicherheit WPA2: Erweiterungen bezüglich Sicherheit und Authentifizierung
802.11j	a, h	2004	4,9–5 GHz-Betrieb in Japan
802.11k	g, a, h	2007	Bessere Möglichkeiten für Funkparameter (z.B. Signalstärke)
802.11m	b, g, a, h	2006	Maintenance: Ergänzungen und Fehlerauslese
802.11p	–	n.b.	Kommunikation von Fahrzeug-zu-Fahrzeug
802.11r	g, a, h	2010	Fast Handover: Erweiterung „f“ für VoIP
802.11s	g, a	n.b.	Vermaschte Netze: Für MAC-Ebene
802.11t	b, g, a	n.b.	Messverfahren: Leitungsparameter
802.11u	b, g, a	n.b.	Internetworking: Bindung zu Nicht-802-Netzwerken
802.11v	b, g, a	n.b.	Netzwerkmanagment
802.11w	b, g, a	n.b.	Zuverlässige Datenübertragung
802.11y	–	2008	3,6 GHz-Anpassung für die USA
n.b. = Nicht bekannt, geplant

^[3]

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, bzw. 125 MBit/s.

Das sind aber keine offiziellen IEEE-Standards.

Maximal zulässige Sende- bzw. 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 30 mW und 1000 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 Frequenzen

2,4-GHz-Vorteile

• gebührenfreies freigegebenes ISM-Frequenzband
• keine aufwändigen Spektrum-Management-Funktionen wie TPC oder DFS nötig, um volle Sendeleistung von 100 mW ausschöpfen zu können
• hohe Verbreitung und daher geringe Gerätekosten

2,4-GHz-Nachteile

• Frequenzband muss mit anderen Geräten bzw. Funktechniken geteilt werden (Bluetooth, Mikrowellenherde, Babyphones, etc.), dadurch Störungen und Interferenzen
• störungsfreier Betrieb von nur maximal 3 Netzwerken am selben Ort möglich, da effektiv nur 3 brauchbare (kaum überlappende) Kanäle zur Verfügung stehen (in Deutschland: Kanäle 1, 7 und 13)

5-GHz-Vorteile

• 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

5-GHz-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
• geringere Verbreitung, daher wenig verfügbare Geräte auf dem Markt und hohe Gerätekosten

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/Kanäle

802.11b/g

Die Frequenzen im 2,4-GHz-Band wurden in Kanäle aufgeteilt; einige Länder erlauben nur bestimmte Kanäle. In Deutschland ist für die Frequenzvergabe die Bundesnetzagentur (BNetzA) zuständig.

Kanal- Nummer	Mitten- Frequenz	Erlaubt in Land durch Behörde	Bemerkung
1	2412 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
2	2417 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
3	2422 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
4	2427 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
5	2432 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
6	2437 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
7	2442 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
8	2447 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
9	2452 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien und Frankreich
10	2457 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan
11	2462 MHz	USA FCC, Europa ETSI, Japan
12	2467 MHz	Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien
13	2472 MHz	Europa ETSI, Japan	ehemals nicht in Spanien
14	2484 MHz	Japan

In Spanien und Frankreich sind inzwischen auch alle Kanäle gültig, die im Rest Europas gültig sind, während in Spanien zunächst nur die Kanäle 10 und 11 bzw. in Frankreich die Kanäle 10 bis 13 zulässig waren.

Obwohl der Kanalabstand (außer bei Kanal 14) 5 MHz beträgt, benötigt eine Funkverbindung eine Bandbreite von 22 MHz. Um Störungen zu vermeiden, müssen sich geographisch überlappende Funkzellen disjunkte Frequenzbereiche wählen, nach obigem Schema also zwischen zwei benutzten Kanälen mindestens vier Kanäle ungenutzt lassen. Für überlappende Funkzellen werden daher bevorzugt die Kanalkombinationen (1,6,11), (1,6,12), (2,7,12) usw. verwendet.

Aufgrund der geringen Frequenzbreite der FCC werden US-Karten auch als „World“-Karten bezeichnet. Dies soll unterstreichen, dass sie in den meisten Ländern eingesetzt werden dürfen.

802.11a

Kanal- Nummer	Mitten- Frequenz	Erlaubt in Land durch Behörde
36	5180 MHz	EU, USA, Japan
40	5200 MHz	EU, USA, Japan
44	5220 MHz	EU, USA, Japan
48	5240 MHz	EU, USA, Japan
52	5260 MHz	EU, USA
56	5280 MHz	EU, USA
60	5300 MHz	EU, USA
64	5320 MHz	EU, USA
100	5500 MHz	EU
104	5520 MHz	EU
108	5540 MHz	EU
112	5560 MHz	EU
116	5580 MHz	EU
120	5600 MHz	EU
124	5620 MHz	EU
128	5640 MHz	EU
132	5660 MHz	EU
136	5680 MHz	EU
140	5700 MHz	EU
147	5735 MHz	USA
151	5755 MHz	USA
155	5775 MHz	USA, Deutschland FBWA
159	5795 MHz	Deutschland FBWA
163	5815 MHz	Deutschland FBWA
167	5835 MHz	USA, Deutschland FBWA
171	5855 MHz	Deutschland FBWA

Mit Ausnahme der USA, in der die Kanäle 52 bis 64 auch im Freien verwendet werden dürfen, ist der 802.11a-Standard weltweit nur für den Gebrauch in geschlossenen Räumen zugelassen. In Europa sind jedoch durch den 802.11h-Standard erweiterte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

Die angegebenen FBWA-Kanäle sind für „Fixed Broadband Wireless Access“ von der Bundesnetzagentur in Deutschland für gewerbliche, öffentliche Netze freigegeben und meldepflichtig. Sie erlauben bis zu 4 W Sendeleistung.^[4]

Nach Neuregelung der Bundesnetzagentur im August 2006 dürfen die im 802.11a-Standard zwischen 5180 bis 5260 MHz definierten Kanäle (Kanal 36, 40, 44 und 48) mit einer Sendeleistung von bis zu 200 mW in Deutschland im Innenbereich ohne DFS und TPC genutzt werden.^[5]

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 LAN
• 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 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

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Standards and Industry Groups - Standards & Initiatives. Helping Define 802.11n and other Wireless LAN Standards (Anfang 2010). Abgerufen am 4. Januar 2011.
2. ↑ 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.
3. ↑ 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.
4. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/11239.pdf
5. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/5009.pdf

IEEE-802.11-Normen

IEEE 802.11a | IEEE 802.11b | IEEE 802.11g | IEEE 802.11n | IEEE 802.11p

Zusätzliche Erweiterungen: IEEE 802.11c | IEEE 802.11d | IEEE 802.11e | IEEE 802.11f | IEEE 802.11h | IEEE 802.11i | IEEE 802.11j | IEEE 802.11s