Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD)
IEEE 802
WaveLAN
802.11 b
802.11 b Frame Struktur
WLAN Netzwerk
WiFi
HIPERLAN und 802.11 a
802.11 a Physical Layer und Frame Struktur
802.11 g

Wireless Local Area Networks

Neben dem Mobilfunknetz entwickelte sich ab den späten neunziger Jahren eine weitere Funk-Technologie. Sie war jedoch nicht getrieben von der Telefonie sondern getrieben von dem Bedürfnis Computer und deren Peripherie zu verbinden, zunächst drahtgebunden später dann auch drahtlos. Das bekannteste Ergebnis dieser Entwicklung ist das WLAN, die bis zum heutigen Tag am meisten genutzte Technologie zur drahtlosen Datenübertragung. Es entstand aus der sogenannten Ethernet Technologie.

Ethernet

Networks

Seit den Arbeiten der DARPA am späteren Internet beschäftigt sich die Industrie mit der Vernetzung von Computern und ihren peripheren Geräten wie Drucker und Speicher. DARPA ging es dabei zunächst um die Vernetzung von Computern welche weit voneinander entfernt waren.

Im Laufe der Entwicklung gab es jedoch auch das Bedürfnis mehrere Computer (später vor allen PCs) lokal, also innerhalb eines Gebäudes miteinander zu vernetzen. Man spricht von von Netzwerken mit unterschiedlichen Reichweiten.

• WAN: Wide Area Networks
  Dies sind Netzwerke welche über ganze Länder reichen, etwa die nationalen Mobilfunknetze
• MAN: Metropolitan Area Networks
  Diese Netze verlaufen über ganze Städte und ihre Umgebung. Die frühen Mobilfunknetze in den USA waren üblicherweise MAN.
• LAN: Local Area Networks
  Dies sind Netzwerke innerhalb eines Gebäudes.
• PAN: Personal Area Networks
  Dies sind kleine Netzwerke rund um Endgeräte. Z.B. Bluetooth Pico Netzwerke

Ende der siebziger Jahre richtete sich der Fokus vor allen auf die LAN. Wie kann man auf einfache Art und Weise kleine Rechner innerhalb eines Gebäudes oder eines Campus miteinander vernetzen.

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD)

Anfangs verband man Computer untereinander oder Computer mit Peripheriegeräten direkt: „Point to Point“. Es gab also eine Verbindung in Form einer seriellen oder parallelen Schnittstelle. In einem Netzwerk sollte es jedoch einen „gemeinsamen Draht“ oder Medium zur Übertragung geben den alle Geräte nutzen können und über welche mit der Packet Switching Technologie Daten übertragen werden können. Wie kann man sich jedoch ein solches Medium teilen.

Ein amerikanischer Ingenieur namens Robert Metcalfe hatte hierzu in den siebziger Jahren eine Lösung erarbeitet den Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection.

Um dieses Prinzip zu verstehen, stelle man sich eine Gruppe von Menschen vor, die alle um einen Tisch herumsitzen. Jeweils zwei Menschen können jeweils miteinander reden. Wenn nun zwei Personen miteinander sprechen wollen müssen sie höflich warten, bis die Vorgänger ihr Gespräch beendet haben. Sobald eine ausreichende Pause entsteht, beginnen sie das Gespräch. Problematisch wird es jedoch, wenn ein anderes Paar ebenfalls auf eine Pause gewartet hat und zeitgleich ein Gespräch beginnt. Nun werden das Paar, oder die Paare sofort feststellen, dass sie sich gegenseitig gestört haben und sofort verstummen. Nach kurzer Pause kann dann eins der Paare einen neuen Versuch starten und hoffentlich nicht noch einmal mit dem anderen Paar zusammenfallen.

Ähnlich verhält es sich mit CSMA/CD. Ein Gerät „lauscht“ auf dem Medium, um zu sehen, ob es frei ist. Ist es für eine bestimmte vorgegebene Zeit unbelegt, beginnt es von sich aus zu senden. Gleichzeitig prüft es sofort, ob es zu einer Störung gekommen ist, also zu einer Überschneidung mit einem anderen Teilnehmer. Ist dies der Fall. Unterbricht es sofort seine Übertragung und wartet eine zufällige Zeit ab, bevor es einen neuen Übertragungsversuch startet.

Metcalfe nannte sein System Ethernet, nach dem (nicht vorhandenen) Äther der die elektromagnetischen Wellen überträgt. Er gründete eigens eine Firma namens 3COM und kontaktierte die führenden Firmen der Computerindustrie, Intel, Xerox und DEC um sein Ethernet zu standardisieren.

IEEE 802

Die Hauptorganisation welche sich um Standardisierung von elektronischen Geräten kümmerte war das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Die 1962 gegründete global agierende IEEE hatte sich als die führende Standardisierungsorganisation weltweit etabliert. Neben den Standardisierungen veranstaltet die IEEE auch führende Konferenzen in unterschiedlichen Schwerpunkten der Technik (39 verschieden Societies). Besonderer Schwerpunkt der Standardisierung liegt vor allen im Bereich Computertechnologie.

Standardisierungsprojekte bzw. Organisationen werden bei IEEE durchnummeriert. Als IEEE von DECT, Xerox und Intel bezüglich Ethernets angesprochen wurde, erhielt die Standardisierung die Nummer 802. Ziel von 802 war es Local Area Networks (LAN) zu spezifizieren. Dies war wohl die nächste verfügbare Nummer aber viele sehen auch einen Zusammenhang darin, dass das Projekt im Februar 1980 (80/2) begonnen wurde.

Die Spezifikation des Ethernets entstand in einer Untergruppe namens 802.3. Hier wurden neben dem Ethernet auch zwei andere Methoden spezifiziert die sich jedoch in den kommenden Jahren nicht durchsetzten. IEEE standardarisierte das Ethernet schließlich im Juni 1983 als 10BASE5. Es enthielt den CSMA/CD Zugangsmethode und eine Übertragungsrate von 10 Mbit/s was 1983 sehr hoch war. Die Übertragung erfolgte seinerzeit noch mit Koaxialkabel. Erste Ende der neunziger Jahre setzte sich das Ethernetkabel mit seinem speziellen Stecker durch, wie wir es noch heute kennen. (802.3i).

Wireless Ethernet

WaveLAN

National Cash Register (NCR) war eine amerikanische Firma welche seit 1884 Registrierkassen baute. Tatsächlich hatte der Gründer von NCR die Registrierkasse erfunden. NCR war innovativ und es gelang ihr in den sechziger Jahren in die Datenverarbeitung einzusteigen. NCR lieferte in den achtziger Jahren sogar Computer.

Ende der achtziger Jahre beschäftigte sich ein kleines Team von NCR in den Niederlanden mit der Frage ob man Kassiersysteme drahtlos mit einem Netzwerk verbinden könnte. Angeregt wurde das Team durch das 2,4 GHz ISM Band und neuen Regeln welche das FCC für Direct Spreading Spread Spektrum (DSSS) vorgegeben hatte.

DSSS haben wir bereits unter CDMA besprochen. Es geht hierbei darum, ein eher schmalbandiges digitale Signal zu spreizen und damit robust gegen Interferrenz und Störungen zu machen.

Zu dieser Zeit arbeitete das Ethernet noch mit 1 Mbit/s. Diese Bitrate wollten die Ingenieure auch für ihre drahtlose Übertragung beibehalten. Dadurch war jedoch die Grunddatenrate bereits recht hoch und man wählte daher eine eher kurze Spreadingsequenz nämlich sogenannte Barkercodes. Barker Codes haben, wie Welsh Codes sehr gute Eigenschaften was Autokorrelation angeht. 

Das NCR-Team nahm einen Barker Code der Länge 11. Jedes bit wird mit dem Code bzw seinem komplementären Code gespreizt. Dadurch wird die Übertragung gleichzeitig sehr robust gegenüber Fehlübertragungen da man viele mögliche Fehler korrigieren kann. Überträgt man die Chips mit einer Chiprate von 11 MHz ergibt sich eine Datenrate von genau einem Mbit/s. 

Man modulierte anfangs mit einfachen Differential Binary Shift Phase Shift Keying (DBSPK). Dadurch entsteht eine Bandbreite des Signals von 20 MHz. Um 2 Mbit/s zu erreichen verwendete man  Differential Quaternary Phase Shift Keying (DQPSK) indem 2 bits pro Übertragung gesendet werden können.

NCR gab dem neuen drahtlosen Übertragungssystem den Namen WaveLAN und brachte es 1990 auf den Markt. Ein Jahr später wurde WaveLAN der IEEE 802 Gruppe vorgestellt und man begann unter dem Namen 802.11 einen Standard zu definieren. Dieser übernahm im Wesentlichen die Technik von WaveLAN. NCR wurde 1991 von AT&T übernommen und vertrieb WaveLAN Technik unter der Namen Lucent. (Lucent Technology war ein späterer Spin Off von AT&T). 

1997 veröffentlichte IEEE als 802.11 den ersten WLAN-Standard basierend auf dem WaveLAN System.

802.11 b

Nach dem erste 802.11 Release arbeite man einer Erweiterung des Standards vor allen hinsichtlich höherer Datenraten. Hierzu brachte vor allen die Firma Lucent Technologies das Complementary Code Keying (CCK). CCK ersetzt hierbei das Spreading mit Barker Codes. Dabei übernimmt CCK die doppelte Aufgabe der Spreizung als auch eine zusätzliche Kodierung der Datenbits. Durch zwei CCK-Modulationen wird die Datenrate auf 5,5 bzw 11 kbit/s erhöht.

Datenrate (Mbit/s)	Code (Length)	Modulation	Symbol Rate	Bits/Symbol
1	Barker (11)	DBPSK	1	1
2	Barker (11)	DQPSK	1	2
5,5	CCK (8)	DQPSK	1,375	4
11	CCK (8)	DQPSK	1,375	8

802.11 b Frame Struktur

802.11 b sendet alle Daten in Frames. Diese werden unsynchronisiert ausgesendet. Es gibt drei Arten von Frames für Management, Kontrolle und zur Datenübertragung. Die Struktur eines Frames ist in der folgenden Abbildung gezeigt.

Ein Frame hat zwei mögliche Datenraten. Da die Datenrate für die Übertragung der Nutzdaten zunächst nicht feststeht überträgt man den ersten Teil des Frames den Physical Layer Conversion Protocol (PLCP) immer mit 1 Mbit/s. Dieser besteht aus der Präambel und einem Header. Die Präambel besteht aus einer PN-Sequenz zur Synchronisation. Jedes „lauschende“ Gerät kann sich auf diese Sequenz synchronisieren und den Beginn des Frames erkennen. Eine 16 bit Sequenz SFD (Start Frame Delimiter) zeigt schließlich den Beginn des folgenden Headers an. Der folgende Header beschreibt u.a. die Datenrate und die Länge der folgenden Nutzdaten. Am Ende des Headers findet sich ein CRC zum Prüfen der korrekten Datenübertragung. Am Ende folgen die eigentlichen Daten in der sogenannten PSDU (PLCP Service Data Unit).

WLAN Netzwerk

802.11 b erlaubt verschiedene Art von Verbindungen.

• Ad-hoc:
  Hierbei können zwei oder mehr Geräte ein Netzwerk/Verbindung herstellen.
• Basic Service Set (BSS)
  Hierbei ein Access Point (AP) ein Netz von mehreren Endgeräten.
• Extended Service Set (EES)
  Im EES gibt es mehrere Access Points die miteinander verbunden sind und z.B. ein ganzes Gebäude oder Campus abdecken. Endgeräte können zwischen den APs wechseln.
• Wireless Bridging
  Hierbei bilden mehrere Endgeräte eine Brücke um Daten weiterzuleiten.

Der häufigste Anwendungsfall ist das BSS. Ein AP bildet zum einen eine Verbindung zu den Endgeräten als auch eine Verbindung zum (meist über Ethernet verbundenen) Computernetz bzw. dem Internet. Der AP ist das zentrale Element des BSS. Alle Datentransfers auch zwischen den Endgeräten laufen über den AP.

Der AP wählt bei Inbetriebnahme eine Frequenz. Im 2,4 GHz ISM Band stehen hierfür (je nach Land) bis zu dreizehn Kanäle zur Verfügung mit einer Bandbreite von 5 MHz. Da aber WLAN eine Bandbreite von über 20 MHz benötigt überlappen sich die Bänder. Es stehen in Europa nur 3 Bänder ohne Überlappung zur Verfügung (typischerweise Band 1, 6 und 11).

Ist die Frequenz gewählt sendet der AP sogenannte Beacon Frames. (Beacon = Signalfeuer). Beacon Frames geben alle 100 ms Auskunft über den AP. Vor allen der Name bzw. Identitätsnummer, die SSID (Service Set Identification) und Eigenschaften/Funktionen des AP. Ein Endgerät sucht beim Einschalten auf allen Kanälen nach Beacons und listet sie dem Benutzer auf. Wünscht man eine Verbindung, sendet das Endgerät eine Authentifizierungsanfrage. Antwortet die AP positiv stellt das Endgerät stellt eine Verbindungsanfrage, auf die der AP positiv antwortet. Ab diesem Zeitpunkt werde Daten zwischen Endgerät und AP ausgetauscht. Natürlich steht am Anfang dieses Transfers noch die eventuelle Verschlüsselung von Daten bzw. eine „echte Authentifizierung“ mit Eingabe eines Schlüssels.

Hat ein Empfänger eine Übertragung fehlerfrei erhalten sendet er ein „ACK“ Frame zur Bestätigung. Bei einem Fehler wiederholt man die Übertragung. Dies geschieht dann gegebenenfalls mit einer niedrigeren Übertragungsgeschwindigkeit, um die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern.

Ein Endgerät muss, nachdem es sich angemeldet und erste Daten geschickt hat nicht ständig auf ein ankommendes Frame lauschen. Dies würde den Stromverbrauch zu stark belasten. Stattdessen dekodiert es jedes dritte Beacon der Basisstation. Der AP teilt jedem im Netz befindlichen Endgerät im Beacon mit, ob es eine Übertragung im Eingangsbuffer hat.

WiFi

802.11 war zwar durch IEEE spezifiziert aber am Anfang eher ein Nischenprodukt. Was vor allen fehlte war eine Instanz die 802.11 b Geräte prüfte, damit verschiedene Hersteller den gleichen Standards verwenden können. Daher schuf man eine Allianz der führenden Hersteller von WLAN Produkten. Darunter natürlich Lucent Technologies und Harris Semiconductors, 3Com, und Nokia. Die Allianz nannte sich zunächst WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Neben Compatibilitätstest kümmerte man sich auch um einen Marktnamen da 802.11 b DSSS kein guter Name war. So erfand man die Bezeichnung WiFi, wie Wireless Fidelity, angelehnt an HiFi High Fidelity. Der Name WiFi wurde so populär dass man die Allianz später in WiFi Allianz umbenannte.

Apple war die erste Firma welche WLAN in seinen Produkten integrierte.

Die erste Firma die WLAN in ein Produkt einbaute war Apple. Das von ihnen 1999 angebotene iBook hatte optional eine WLAN-Karte. Zusätzlich zu diesen Karten bot Apple einen Accesspoint für den Heimbereich an, den sie AirPort nannten.

Rasch entwickelten mehrere Halbleiterunternehmen WLAN Chips für den neuen Markt. Im laufe der Zeit verkleinerten sich die WLAN Lösungen durch höhere Integration und erlaubten 2002 bereits eine Integration in erste PDAs. 

HIPERLAN und 802.11 a

Nicht nur IEEE hatte Projekte für die Entwicklung von WLAN. Auch die Europäer waren aktiv einen WLAN-Standard zu definieren. Die europäische Standardisierungsbehörde ETSI war hierbei aktiv und das zugehörige Projekt hiess BRAN (Broadband Radio Access Network). Das entwickelte System nannte sich HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network). Bereits 1996 gab es eine erste Spezifikation: HiperLAN1 Standard. Er basierte wie DAB auf OFDM. ETSI hatte für diesen Standard ein Band im 5 GHz Bereich (5120 – 5300) freigegeben.

HIPERLAN benutzte 52 Unterkanäle mit einem Abstand von 312,5 kHz. Dadurch ergab sich eine Bandbreite von rund 20 MHz und ermöglichte reichlich 9 parallele Kanäle im 5 GHz Band. Für die Synthese des OFDM-Signals reichte eine 64 Punkte FFT. Hoher Quantisierung der Symbole in Frequenzbereich (64 QAM) ermöglichte Datenraten bis zu 54 Mbit/s und somit 5 mal so viel wie für 802.11 b bei gleicher Bandbreite.

HIPERLAN setzte sich jedoch nicht als Standard durch. Die Standardisierung über IEEE hatte global mehr Unterstützung vor allen von amerikanischen Computer- und Kommunikationsunternehmen.

Allerdings schlug Lucent vor, den OFDM basierten Zugang von HIPERLAN, den sogenannte Physical Layer auch für eine 802.11 Standard zu verwenden. Diese Idee reichte man schon kurz nach dem ersten 802.11 Release ein, so dass die Spezifikation die Bezeichnung 802.11a erhielt.

Kurz zuvor hatte auch das FCC also die amerikanische Kontrollbehörde ein 5 GHz Band für WLAN-Anwendungen freigegen, das sogenannte U-NII Band (Unlicensed National Information Infrastructure). So spezifizierte man 802.11 a für 5GHz. Somit war 802.11a nicht mit 802.11 b interoperabel. Der Betrieb bei 5 GHz hatte zunächst zwei wesentliche Vorteile. Erstens gab es keine konkurrierenden Systeme im gleichen Frequenzband wie etwa Bluetooth oder der Mikrowellenherd und zweitens gab es viel mehr verfügbare Bänder und somit höhere Kapazitäten. Allerdings erkaufte man sich diese Vorteile mit den schlechteren Ausbreitungseigenschaften. Wie schon vorher bei den zellularen Systemen besprochen wird die Ausbreitung mit höherer Frequenz schlechter und es gibt mehr Absorption etwa durch Wände.

802.11 a wurde bereits 1999 verabschiedet setzte sich jedoch nicht so schnell durch wie 802.11 b. Dies lag neben den oben genannten Nachteilen auch daran, dass 802.11 a zunächst auf dem amerikanischen Markt beschränkt blieb. In Europa hielt man zunächst am HIPERLAN Standard für das 5 GHz Band fest. Somit blockierten sich die beiden Standards gegenseitig.

802.11 a Physical Layer und Frame Struktur

802.11a benutzt 52 Unterbänder für die Übertragung. Sie haben einen Abstand von 312,5 kHz und belegen somit 16,6 MHz an Bandbreite (sogenannte Occupied Bandwidth). Ein neues OFDM Band kann nicht unmittelbar angrenzen sondern man gibt eine Schutzzone die die Bandbreite auf rund 20 MHz verbreitert. Die Unterbänder sind von -26 bis 26 durchnummeriert. Die „Nullfrequenz“ wird nicht verwendet. Dies hat vor allen technische Gründe, da beim bei der Frequenz Null stehts eine Offsetspannung entsteht (Siehe z.B. Direct Conversion Receiver). Vier Träger (-21, -7, 7 und 21) sind sogenannte Pilotkanäle. Sie senden mit bekannten Symbolen und ermöglichen von Symbol zu Symbol eine die Korrektur von Amplitude, Phase und Zeitverlauf die stets zwischen Sender und Empfänger entstehen.

Die Korrektur der zu übertragenden Datenbits erfolgt bei 802.11 a mit eine Forward Error Correction (FEC) Code. Hierbei sind je nach Kanalqualität unterschiedliche Redundanz möglich. 1/2, 2/3 und 3/4. (1/2 bedeutet 2 bits pro Daten bit, 2/3: 3 bits für 2 Daten bits und 3/4: 4 bits für 3 Daten bits.

Wie erwähnt wird der I und Q Kanal bei OFDM amplitudenmoduliert. Es gibt hierbei 4 Modulationsarten. Die einfache Binary Phase Shift Keying (BPSK) mit nur zwei Zuständen, weiterhin 4, 16 oder 64 QAM, wobei I und Q in jeweils 2, 4 oder 8 Stufen quantisiert werden. Hierbei ist BPSK gegenüber Rauschen sehr robust, während 64 QAM nur mit sehr guten Kanaleigenschaften möglich ist.

Die Pilotenkanäle sind stets nur mit BPSK moduliert. Die somit möglichen Datenraten sind:

Modulation	Kodierung	Bits pro Unterkanal	Bits pro  OFDM-Symbol	Datenbits pro OFDM-Symbol	Datenrate (Mbit/s)
BPSK	1/2	1	48	24	6
BPSK	3/4	1	48	36	9
QPSK	1/2	2	96	48	12
QPSK	3/4	2	96	72	18
16-QAM	1/2	4	192	96	24
16-QAM	3/4	4	192	144	36
64-QAM	2/3	6	288	192	48
64-QAM	3/4	6	288	216	54

Somit bietet 802.11a eine Reihe von Datenraten, die sich je nach Kanalqualität einstellen lässt.

Wie 802.11 b überträgt auch 802.11 a seine Daten in Frames (oder auch Bursts genannt) mit variabler Länge. Die Bursts beginnen mit zwei Trainings Phasen damit sich der Empfänger mit dem Sender synchronisieren kann. In dem ersten Teil werden Amplitude, Phase und Zeit grob eingestellt. Im zweiten Teil ist es möglich auch noch die Verzerrungen des Kanals für die folgenden OFDM Symbole zu korrigieren. Schließlich überträgt man in einem OFDM-Symbol welche Kodierung im Folgenden verwendet wird und wie lang der Burst ist. 

802.11 g

Wie gesagt blockierten sich 802.11 a und HIPERLAN gegenseitig und es gab nur wenige Produkte für beide Systeme. Wenn, dann wurde 802.11 a lediglich im professionellen Bereich eingesetzt also in großen Büroräumen bzw. Bürogebäuden. Lediglich 802.11 b setzte sich bei Privatanwendern schnell durch vor allen, weil durch das 2,4 GHz Band die Verbreitung weltweit möglich war.

Der Drang nach höheren Datenraten auch für 2,4 GHz führte dazu, dass man den Physical Layer von 802.11 a auch auf 2,4 GHz übertrug. Allerdings mussten man dafür sorgen, dass dieses System rückwärtskompatibel zu 802.11 b war. Dies führte zu Kompromissen vor allen in der Frame Struktur, die dazu führten, dass die tatsächlich erreichbare Datenrate niedriger war als 802.11 a. Das neue hochratige WLAN erhielt den Namen 802.11 g.

802.11 g setzte sich sehr schnell im Markt durch, getrieben durch die hohen Datenraten, die von den neuen PCs und dem Internet mit DSL-Anschluss gefordert wurden. DSL (Digital Subscriber Line) wurde ab 1999 eingesetzt und ersetzte die alten Internetanschlüsse, die noch über normale Telefonleitungen geleitet wurden. Bei DSL handelt es sich übrigens auch über ein Verfahren welches auf OFDM beruht.