Wireless LANs im Überblick

22.05.2002 von Prof. Dr. Axel Sikora
Zu viele Standards für Funknetzwerke buhlen um die Gunst der Kunden. Wer sich jetzt falsch entscheidet, landet schnell in der Sackgasse. Wir nennen Ihnen die spezifischen Vor- und Nachteile aktueller WLANs.

Die drahtlose Übertragung von Datensignalen wird schon seit vielen Jahren diskutiert. Jetzt gewinnt der Markt an Dynamik, allerorts werden neue Produkte vorgestellt. Besonders Pocket-Geräte für Sprach- und Datenverarbeitung profitieren von der drahtlosen Übertragung. Aber auch für stationäre Einrichtungen bieten WLANs Vorteile:

Nachteile von WLANs

All diese attraktiven Punkte sollten jedoch nicht zu einem blauäugigen Enthusiasmus verleiten, da auch eine Reihe von Nachteilen zu verzeichnen ist.

Mit intelligenten Lösungen ist es möglich, viele der attraktiven Eigenschaften drahtloser Technologien in drahtgebundenen Systemen umzusetzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Dienste auf den oberen Protokoll-Ebenen unabhängig von der physischen Übertragungsstrecke stattfinden. Da die Hersteller der drahtlosen Kommunikationssysteme neue Möglichkeiten zum ersten Mal konsequent und einigermaßen konsistent umsetzen, werden diese fälschlicherweise mit WLANs gleichgesetzt.

Vielzahl von Lösungen

Die Akzeptanz von WLANs wird gegenwärtig durch die Vielzahl von Lösungen und die höheren Knotenkosten gebremst. Die hohe Anzahl konkurrierender Lösungen steht im frappierenden Kontrast zu drahtgebundenen LANs. Dort dominiert der Ethernet-Standard. Der Wireless-Markt befindet sich noch in der Einführungsphase, für die nächsten Jahre sind jedoch immense Wachstumsraten prognostiziert. Deshalb versuchen viele Hersteller, sich durch besondere Merkmale eine aussichtsreiche Startposition zu verschaffen.

Allerdings ist praktisch allen Herstellern klar, dass eine proprietäre Entwicklung keine Aussicht auf Erfolg hat. Zum einen wäre die Akzeptanz am Markt wegen der verlangten Interoperabilität mit anderen Geräten gering. Zum anderen wären die Entwicklungs- und Marketingkosten extrem hoch.

Aus diesen Gründen herrscht im Wireless-Bereich ein wahrer Konsortienboom. Diese so genannten Non-Profit-Organisationen sollen mithelfen, die Produktentwicklungen zu koordinieren und die Marketingarbeit übergreifend zu gestalten.

Fast alle großen Halbleiter-, System- und Software-Hersteller arbeiten aber in mehr als einem Konsortium mit. Dafür gibt es drei Gründe:

Proprietäre Lösungen

Dies soll aber nicht bedeuten, dass es keine firmenspezifischen Produkte gäbe. Dabei handelt es sich jedoch meist um proprietäre Erweiterungen bestehender Systeme. Diese Ansätze lassen sich auf drei Sachverhalte zurückführen.

Für die Hersteller standardisierter Kommunikationsprodukte besteht praktisch keine Möglichkeit, sich im Rahmen der eigentlichen Transportfunktionalität zu differenzieren. Die Produkte können nur über ihre zusätzlichen Dienste einen vermeintlichen Mehrwert erreichen. Dabei spielt die Netzwerkadministration eine zentrale Rolle. Gerade dies schränkt aber die Interoperabilität wesentlich ein.

Ein leistungsfähiger Standard wie IEEE802.11 für Datenraten bis 11 Mbps ist in der Lage, Anbieter nicht-standardisierter Produkte aus dem Markt zu treiben. Beispielsweise hat Radiolan, ein früher Anbieter leistungsfähiger proprietärer Systeme, Konkurs angemeldet. Auch "Proxim" war bereits sehr früh mit proprietären Produkten auf dem Wireless-Markt. Nach langer Verzögerung hat sie einen mehr oder weniger gelungenen Migrationspfad zu standardkonformen 802.11b-Produkten aufgelegt.

Digitale Konvergenz von Diensten

Im Bereich der Kommunikationstechnologien sind in zunehmendem Maße Konvergenz-Erscheinungen zwischen ursprünglich unabhängigen Technologien zu beobachten. Dies betrifft nicht nur leitungsgebundene Kommunikationsprotokolle:

Neben Konvergenz-Erscheinungen wird mit Sicherheit zunächst nur eine Zusammenschaltung der unterschiedlichen Netze erfolgen. Dies betrifft sowohl die Verschaltung von drahtlosen und drahtgebundenen Netzwerken als auch die Kopplung der drahtlosen Netzwerke auf den unterschiedlichen Netzwerk-Ebenen.

Anwendungsszenarien und Netzwerkebenen

Bei drahtlosen Systemen gibt es im Wesentlichen drei Anwendungsbereiche: PAN , LAN und die Koppelung von Netzwerken. Unter dem vergleichsweise neuen Begriff des Personal Area Network (PAN) fasst man die Kommunikation von Geräten eines oder einiger weniger Nutzer im Umkreis von etwa 10 m zusammen. Hierbei sind drei Szenarien zu unterscheiden:

Bei PANs stehen die kommunizierenden Geräte meist in unmittelbarer Nachbarschaft. Die meisten Anwendungen kommen mit moderaten Bandbreiten aus.

Für PAN-Anwendungen müssen die Funkmodule sehr preiswert sein. Nur so können sie auch in einfachen und kostengünstigen Geräten implementiert werden und erreichen die nötige Akzeptanz.

Local Area Networks

Unter einem lokalen Netz (Local Area Network - LAN) versteht man die Kopplung von mehreren Geräten in einem Gebäudebereich. Ein typisches Szenario besteht in der Verknüpfung von Client-PCs, Servern und Peripheriegeräten wie Druckern in einem Bürogebäude. Die typische Entfernung zwischen den Stationen beträgt zehn bis hundert Meter. Die Bandbreiten-Anforderungen sind deutlich höher als bei einem PAN, da ein Austausch größerer Dateien und der Betrieb von Applikationen über das Netzwerk möglich sein muss. Bei den in der Realität installierten Netzwerken sind zwei typische Anwendungsklassen zu unterscheiden.

SoHo-LAN

Viele Haushalte und kleinere Büros (Small Offices and Home Offices) verfügen über wenige Rechner, die miteinander vernetzt werden und gemeinsam auf Ressourcen wie Drucker oder Modem zugreifen sollen. Für drahtlose Systeme stellt dies moderate Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, da meist mit geringen Datenmengen hantiert wird und die Anzahl der Stationen im Netz limitiert ist. Meist genügt eine Funkzelle, um die unterschiedlichen Rechner zu versorgen.

Die Kosten spielen im SoHo-LAN eine wichtige Rolle, da die Investitionen meist aus der privaten Schatulle bezahlt werden müssen. Andererseits ist der Preisdruck nicht so hoch wie bei PANs, da die Modulmenge gering ist. Die Anzahl der Benutzer ist beschränkt, sodass lediglich rudimentäre Werkzeuge zur Netzwerkadministration benötigt werden. Deren Bedienung muss aber möglichst intuitiv sein, damit auch Laien diese Systeme einrichten und verwalten können.

Büro-LAN

Die Verbindung von mehreren hundert Rechnern an einem Standort stellt keine Seltenheit dar. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit drahtloser LANs sind deutlich höher. In vielen Fällen reicht eine Funkzelle nicht aus, um die räumliche Ausdehnung oder die benötigte Anzahl von Kanälen zu erreichen.

Die Kosten spielen eine wichtige Rolle, da viele Module nötig sind. Durch die zahlreichen Benutzer sind zudem leistungsfähige Werkzeuge zur Netzwerkadministration nötigt. Deren Bedienung bleibt im Allgemeinen Fachleuten überlassen.

Anwendungsszenarien - Verkehrstypen

Die Anforderungen an ein Netzwerk müssen nach den unterschiedlichen Verkehrstypen klassifiziert werden. Insbesondere unterscheidet sich die Übertragung von Sprache und von Daten. Hier zeigt sich deutlich, dass den drahtlosen Netzen etwas zugemutet wird, was mit drahtgebundenen Netzwerken bislang nicht oder nur unzureichend umgesetzt werden kann. Die Probleme der Sprachübertragung über ein Ethernet -IP-Netz sind allenthalben bekannt.

Die Dienstgüte eines Netzwerks auf der Netzwerkebene wird im Wesentlichen von den vier Parametern Datenübertragungsrate, Verzögerungszeit (Latenzzeit), Varianz der Verzögerungszeit (Jitter) und Verlustrate bestimmt. Dabei wird den besonderen Qualitätsanforderungen der unterschiedlichen Verkehrstypen bei vielen Protokollen bereits Rechnung getragen.

Bei der Nutzung für reine Datenanwendungen (klassischer Dateientransfer) werden für kurze und mittlere Zeiten hohe Datenraten benötigt. In Bezug auf eventuelle Verzögerungszeiten ist jedoch lediglich wichtig, dass der gesamte Vorgang in einer tragbaren Zeit abgeschlossen wird. Datenverlust ist keinesfalls akzeptabel.

Für die Übertragung von Sprache werden geringe Bandbreiten benötigt. Sie stellt jedoch hohe Anforderungen in Bezug auf die Latenzzeit der Übertragung und die Varianz der Latenzzeit. Diese können im Allgemeinen nur durch die Reservierung von vorgegebenen Kanälen befriedigt werden. Andererseits leidet die Verständlichkeit nur wenig, wenn einzelne Bits während der Übertragung verloren gehen.

Multimedia-Daten als Kombination von Bewegtbild und Ton, wie sie z.B. bei der Übertragung von Filmen auftritt, stellen wiederum andere Anforderungen: Hohe Bandbreiten bei einer geringen Varianz der Latenzzeit. Die Größe der Latenzzeit hingegen erscheint zweitrangig. Die Verlustrate ist bis zu einem gewissen Maße unkritisch, da das Auge fehlende oder fehlerhafte Bildpunkte "ergänzen" kann.

Standards für mobile Netze

Von den am Markt verfügbaren Produkten sind folgende Kandidaten relevant:

Die Infrarot-Aktivitäten müssen beim Blick in die Zukunft außen vorgelassen werden. Trotz der kostengünstigen Hardware, der großen Verbreitung und der Verankerung in den bestehenden Betriebssystemen von Notebooks, PDAs und Handys sieht deren Zukunft düster aus. Insbesondere die notwendige Ausrichtung der sendenden und empfangenden Geräte ist für die Vernetzung von mehr als zwei Stationen außerordentlich lästig.

Die aufgelisteten Kandidaten sollen in diesem Überblick kurz und in Bezug auf ihre Anwendungspotenziale dargestellt werden. Einen Einblick in die technische Realisierung sowie Testberichte finden Sie rechts in den "Links zum Beitrag".

Bandbreiten und Datenraten

Die Abbildung zeigt die zwei wesentlichen Eigenschaften der unterschiedlichen Standards, die Bruttodatenrate sowie die Reichweite.

Es zeigt sich, dass die bestehenden Standards ein sehr weites Feld abdecken, einige Standards sich aber überlappen. In der Darstellung sind jedoch zwei Einschränkungen zu berücksichtigen: Bei den Datenraten handelt es sich um die Bruttodatenraten der physischen Übertragung. In den meisten Fällen stehen dem Benutzer nur zwischen 25 % und 50 % dieser Datenraten effektiv zu Verfügung. Je nach Randbedingungen kann der Anteil noch geringer sein.

In der Praxis erreichen die Systeme die spezifizierten Reichweiten nicht. Durch den Einsatz von Antennen mit Richtcharakteristik kann die Reichweite wesentlich gesteigert werden. Hierdurch verringert sich jedoch - bei höheren Kosten - der Komfort und die Benutzerfreundlichkeit.

Bluetooth

Jenseits aller technischen Diskussionen muss man den Bluetooth-Aktivisten bescheinigen, dass sie die mit Abstand beste und effizienteste Marketing-Kampagne angestoßen haben. Die Bluetooth Special Interest Group (BSIG) wurde erst Anfang 1998 von fünf Firmen (IBM, Toshiba, Intel, Ericsson, Nokia) gegründet. Nur kurze Zeit später konnte der Standard verabschiedet werden.

Die Technologie konnte durch eine sehr geschickte Kombination von leeren Gehäusen und potenziellen Zielanwendungen sehr früh eine sehr hohe Aufmerksamkeit auf sich ziehen, von denen schließlich alle Funknetz-Technologien profitieren.

Die wichtigsten Eigenschaften von Bluetooth sind:

Die Zielausrichtung von Bluetooth liegt auf Grund der genannten Kenndaten eindeutig im Bereich der Personal Area Networks (PAN ). Ein Betrieb von leistungsfähigen Netzwerken ist auf Grund der geringen Datenraten und auch der beschränkten Netzwerktopologien sicher nicht möglich.

Mehr Details über Bluetooth finden Sie in unserem Beitrag Bluetooth - der Kabel-Killer.

DECT

1992 hat das Europäischen Standardisierungsinstitut für Telekommunikation (ETSI) den DECT-Standard ETS 300 175 für Digital European Cordless Telecommunications festgelegt. Dieser Standard ist im Haus- und Firmenbereich sehr stark verbreitet. Mittlerweile sind etwa 300 Millionen DECT-basierte Systeme weltweit installiert.

DECT ist im Netzwerkbetrieb auf Grund der limitierten Datenraten nicht effizient. Deswegen kann DECT vor allen Dingen als eine weitere PAN-Technologie angesehen werden.

DECT besitzt sehr leistungsfähige Mechanismen zur Kanalüberwachung und -verwaltung, die für ein PAN nicht notwendig sind. Diese verteuern DECT-Produkte unnötig. Dennoch stellen deutsche Firmen interessante Produkte unter Nutzung der beschriebenen Technologien vor.

Mehr Details über DECT lesen Sie in unserem Beitrag DECT: Die Alternative zu Bluetooth.

IEEE802.11

Die Standardisierungsvereinigung des US-amerikanischen Ingenieurverbands IEEE hat mit IEEE802.11 ein drahtloses Übertragungsprokoll spezifiziert, das dem allgegenwärtigen Ethernet ähnelt. Die Wireless LAN Association (WLANA) soll die Verbreitung des Standards durch Marketing- und Informationsaktivitäten unterstützen. Die Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) zertifiziert die Interoperabilität der 802.11-kompatiblen Geräte. In diesem Zusammenhang werden die Geräte nach IEEE802.11 auch unter dem Markennamen Wi-Fi (Wireless Fidelity) vermarktet.

Neben dem ursprünglichen 802.11-Standard existieren zwei wichtige Erweiterungen. 802.11b erlaubt eine Migration unter Einbeziehung bestehender 802.11-Systeme in Richtung höherer Datenraten. 802.11a ist ein ähnlicher, wegen einer anderen Trägerfrequenz aber ein inkompatibler Standard. Er soll allerdings eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit erreichen.

Die wichtigsten Eigenschaften des IEEE802.11-Standards werden im Folgenden beschrieben.

Die Parameter insbesondere des 802.11b erlauben den Einsatz auch in größeren Netzwerken. Mittlerweile implementieren die Hersteller neben der reinen Transport-Funktionalität auch umfangreiche Funktionen zur Netzwerk- und Benutzeradministration. Nachteilig ist die Ausrichtung auf den Datenverkehr. Sprachdienste sind kaum sinnvoll möglich.

Mehr Details über 802.11 lesen Sie in unserem Beitrag 802.11: Standard für drahtlose Netze.

HomeRF

Die Schwächen des IEEE -802.11 versucht der HomeRF-Standard (RF = Radio Frequency) auszugleichen. Er erlaubt parallel zum Datenverkehr die synchrone Übertragung von Sprach- bzw. Multimediapaketen. HomeRF wurde maßgeblich von Proxim entwickelt, allerdings engagieren sich mittlerweile etwa 100 Unternehmen bei HomeRF. In den USA finden HomeRF gegenwärtig eine recht große Verbreitung. Nach einer Erhebung von PC Data (Q4'2000) basieren etwa 95% aller privaten Wireless Netze auf dem HomeRF-Standard.

Der HomeRF-Standard unterstützt in der zunächst am Markt eingeführten Version 1.2 Datenraten von 1.6 Mbps, die nunmehr verfügbare Version 2.0 erreicht Datenraten von 10 Mbps. Die Erweiterung im Rahmen der Version 2.1 soll 20 Mbps übertragen können.

HomeRF ist auf nicht allzu leistungsfähige Anwendungen im SoHo-Bereich ausgerichtet. Vorteilhaft ist die kostengünstige Realisierung sowohl des Datentransports als auch der Telephonie. Für den Einsatz in größeren Büroanwendungen ist der HomeRF-Standard nicht ausgelegt und nicht geeignet.

So klar die Positionierung zunächst erscheint, so sind doch einige Punkte kritisch. Wenn beispielsweise die leistungsfähigeren 802.11-Systeme im Preis fallen, hat HomeRF dem nichts entgegenzusetzen. Zudem ist die installierte Basis von Cordless-Telefonen so hoch, dass dieser Zusatzdienst von HomeRF wenig attraktiv ist. Letztlich reichen die Datenraten für anspruchsvolle Multimedia-Anwendungen kaum aus.

HiperLAN/2

Nachdem sich keine Hersteller gefunden haben, um den HiperLAN/1-Standard mit Produkten zu füllen, wurde vom ETSI im Rahmen des Projekts BRAN (Broadband Radio Access Network) im April 2000 HiperLAN Type 2 (HiperLAN/2) standardisiert. Es soll den Zugang zu Festnetzen sowohl in privaten als auch in öffentlichen Umgebungen mit Bitraten von bis zu 155 MBps ermöglichen. Die Verbreitung von HiperLAN/2 wird vom HiperLAN Global Forum gefördert.

HiperLAN/2 arbeitet wie das drahtgebundene ATM verbindungsorientiert. Die logischen Verbindungen müssen vor der Übertragung von Nutzdaten eingerichtet werden und unterstützen alternativ Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt-, und Broadcast-Verbindungen.

Erweiterungen von HiperLAN/2

Der HiperLAN/2-Standard wird ergänzt durch zwei weitere Bestandteile, die zusätzliche Anwendungsgebiete erschließen. HiperACCESS soll für Entfernungen von bis zu 5 km als Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur Zugang für Wohnviertel und Geschäftskunden bieten. Als typische Datenrate für dieses ehemals als HiperLAN Type 3 bezeichnete Protokoll für den Wireless Local Loop (WLL) wird 27 Mbps angestrebt.

HiperLINK dient zur Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit sehr hohen Datenraten von bis zu 155 Mbps über Entfernungen bis 150 m. Insbesondere soll die Anbindung von HiperLAN/2 und HIPERACCESS über kurze Strecken unterstützt werden. Für das ehemals als HiperLAN Type 4 bezeichnete HIPERLINK ist ein Frequenzband um 17 GHz reserviert.

Es ist vor dem Erscheinen der ersten Produkte noch zu früh, Aussagen über einen möglichen Markterfolg zu treffen. Für den HiperLAN/2-Standard engagieren sich mittlerweile eine Reihe von wichtigen Herstellern, insbesondere aus den USA und Japan. Daher hat HiperLAN/2 gute Chancen, nicht wie sein Vorgänger HiperLAN/1 unterzugehen. Auch im Kampf um die Frequenzen im 5 GHz-Bereich hat es eine gute Ausgangsposition.

Die Möglichkeiten, die sich wie bei ATM aus der Gewährleistung der Dienstgüte ergeben, erscheinen vorteilhaft. Doch der zusätzliche Verwaltungsaufwand und das zusätzliche Verkehrsaufkommen haben bereits den drahtgebundenen ATM -Systemen den Markteintritt erschwert.

Fazit

In der Zusammenschau wird deutlich, dass die Vielzahl der drahtlosen Übertragungsprotokolle sehr unterschiedliche Eigenschaften und Qualitäten aufweist. Dementsprechend differenzieren sich auch die optimalen Anwendungsgebiete und Zielmärkte. Es bleibt aber abzuwarten, ob am Markt eine ausreichende Akzeptanz für verschiedene Lösungen anzutreffen ist und welcher Standard sich in den jeweiligen Zielmärkten durchsetzen wird. (ala)