Wireless Network

Eigenschaften und Potenziale

Wireless Networks, zu Deutsch drahtlose Netze, Funk- oder Freiraum-Netze, sind Rechnernetze, die drahtlose Übertragungsmedien verwenden. Verglichen mit der leitungsgebundenen Signalübertragung in Festnetzen kommt es bei der drahtlosen Signalübertragung (Freiraumübertragung) wegen der räumlich verlaufenden und unabgeschirmten elektromagnetischen Wellenausbreitung zu stärkeren Signaldämpfungungsverlusten und weiteren Störungseinflüssen wie Reflektion, Brechung, Überlagerung mit fremden Übertragungssignalen und Rauschen. Dies führt zu erheblich niedrigeren Durchsatzkapazitäten und kürzeren Übertragungsreichweiten. Der große Vorteil besteht im Wegfall sowohl der Kosten als auch der starren Ortsgebundenheit von Leitungsinstallationen. Er geht weit über die Konkurrenz mit Festnetzen im stationären bzw. deren Ergänzung zum geräteportablen ortsflexiblen Einsatz hinaus: drahtlose Netzkonzepte sind konstitutiv für die vielfältigen Arten mobiler verteilter Anwendungen.

Wie bei Leitungsmedien mit mehreren angeschlossenen Teilnehmern sind zur paarweisen uni- oder bidiektionalen Kommunikation im Einzugsbereich Frequenz-, Zeitschlitz- und/oder Kodierungs-Multiplexverfahren sowie Medienzugriffsprotokolle auf der Sicherungsschicht nötig. Allerdings verhindert die starke Signaldämpfung die Anwendbarkeit der leitungsgebunden sehr erfolgreichen Wettbewerbsprotokolle mit senderseitiger Kollisionserkennung. In den derzeit eingesetzten drahtlosen Netzen dominiert noch die indirekte Kommunikation der Teilnehmerknoten über eine zentrale Basistation. Weiterhin gibt es durchaus auch drahtlose physikalische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen in Form dedizierter Richtfunkstrecken oder Laserlicht-Sichtverbindungen, z.B. zwischen benachbarten Gebäuden.

Die fehlende physikalische Abschirmung macht drahtlose Netze leicht abhörbar sowie aktiv störbar. Umso wichtiger ist der konsequente, noch zu wenig gebräuchliche Einsatz geeigneter kryptographischer Methoden für die von den drahtlosen Anwendungen geforderten Sicherheitsfunktionalitäten. Zu den in der öffentlichen Wahrnehmung zunehmend präsenten kritischen Aspekten gehört ferner die von drahtlosen Netzen hervorgerufene Elektrosmogbelastung und die davon möglicherweise ausgehende Gesundheitsgefährdung.

Drahtlose Nahbereichs- und Lokalnetze

Drahtlose persönliche Netze (W-PANs, Wireless Personal Area Networks, Größenordnung Distanz 10m, Durchsatz 2 Mb/s) umfassen die kurzen Verbindungsreichweiten zwischen den Geräten der persönlichen Rechnerumgebung. Die wichtigsten Protokolle hierzu stammen von den Industriekonsortien Bluetooth SIG (IEEE 802.15.1) und ZigBee Alliance (IEEE 802.15.4). Als Alternative zu den dort verwendeten lizenzfreien 2,4-GHz-Mikrowellenbändern kommt für Fernbedienungen und Peripheriegeräteanbindungen bei Innenraum-Sichtverbindungen auch Infrarotlicht in Betracht.

Funknetze mit lokaler Reichweite (W-LANs, Größenordnung 100m, 50 Mb/s) im Gebäude bzw. Gelände, nach den IEEE-Standards 802.11 der WiFi-Alliance konnten sich in jüngster Zeit sehr rasch zum bequemen drahtlosen Zugang über stationäre Zugangspunkte (Access Points als Basistationen) in leitungsgebundene lokale Infrastrukturnetze (LANs) durchsetzen, die als Verteilsystem-Infrastruktur dienen. Um zu vermaschten Lokalfunknetzen zu kommen, deren Knoten als Peers die Kommunikation untereinander aufnehmen und ohne Basisstation steuern können, sind zusätzliche Protokollmechanismen erforderlich, die die besonderen Probleme individuell verteilter, sich teilweise überlappender gegenseitiger Sende- und Empfangs-Reichweiten bewältigen. Dies strebt u.a. die künftige Erweiterung 802.11s an.

Drahtlose Regional- und Weitverkehrsnetze

Die technische Umsetzung drahtloser terrestrischer Breitbandnetze mit regionalen Reichweiten (W-MAN, Wireless Metropolitan Networks, Größenordnung 10km, 5 Mb/s) markieren u.a. der HiperMAN-Standard sowie die Protokolle von IEEE 802.16, genannt WiMAX = Worldwide Interoperability for Microwave Access. Enorme Durchsatzsteigerungen (bis 70 Mb/s) verspricht die verfeinerte, adaptive Richtfunk-Antennentechnik der WIMAX-Ergänzung 802.16n (MIMO), deren endgültige Verabschiedung im Jahr 2009 erwartet wird.

Die zunächst nur für digitale Mobiltelefonie ausgelegten Mobilfunknetze nutzen die Funkzellen-Technologie (SDM, Space Division, Raumteilungs-Multiplex) in aneinander anschliessenden, auf die erwartete Teilnehmeranzahl zugeschnittenen Basistations-Einzugsbereichen, um mit den niedrigen geforderten Antennenleistungen auszukommen. Die Basisstationen vermitteln Weitverkehr und Festnetzzugang über die digitalen Telekommunikations-Weitverkehrsnetze. Automatische Übergabeverfahren (handoff) ermöglichen volle, zellenübergreifende Mobilität. Die kommende dritte Generation (u.a. mit UMTS, Universal Mobile Telecommunications System) soll den Mobilfunk zum mobilen Breitbandmedium für integrierte Smartphone-PDAs mit multimedialer Kommunikations- und Internetkompetenz erweitern.

Drahtlose Weitverkehrsnetze (W-WANs) extremer Reichweite, wenn auch hoher Latenzzeit, bietet die Satellitenkommunikation. Es gibt hierzu inzwischen drei alternative Satellitentypen. Sie unterscheiden sich durch ihre Umlaufbahn-Radien: GEO geostationär oberhalb, MEO zwischen, sowie LEO unterhalb der beiden störungsintensiven Van-Allen-Gürtel der Erdathmosphäre.

Ad-hoc-Vernetzung und drahtlose Sensornetze

Weitreichende neue Möglichkeiten eröffnet die schon in Bluetooth angelegte Fähigkeit der spontanen ortsflexiblen bzw. mobilen Vernetzung, die ohne festliegende zentrale Basisstation auskommt. Zu dieser, der Peer-to-Peer-Netzanwendungssoftware mobil und hardwarebezogenen analogen Entwicklung gehören die mit selbstorganisierenden Protokollmechanismen ausgerüsteten Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) sowie die drahtlosen Sensornetze. Sie werden die künftige Welt des Pervasive Computing prägen.

Literatur

Peterson, Larry L. ; Davie, Bruce S.: Computernetze. Deutsche Ausgabe der 4. amerikanischen Auflage. Heidelberg : dpunkt-Verlag 2008       

Maucher, Johannes ; Furrer, Jörg: WiMAX. Hannover : Heise-Verlag 2007.

Schiller, Jochen: Mobilkommunikation. 2. Aufl., München : Pearson Studium (Prentice-Hall) 2003.