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Drahtlose Kommunikation – Ergänzung der Festnetz- und Kabeldienste Grundlagen der netzwerkrelevanten Funktechnologien im Überblick

Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Funktechnologien existieren heute in vielfältigen Ausprägungen für den Einsatz in privaten, kommerziellen und militärischen Anwendungen. Dafür werden sowohl lizenzfreie als auch lizenzpflichtige Technologien eingesetzt. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die bekannten Drahtlos-Technologien und beleuchtet die Grundlagen funkfeldgestützter Kommuinikation.

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Ein exponierter Antennenstandort ist Voraussetzung für die bestmögliche Versorgung eines bestimmten Bereichs; Bild: Pixelio
Ein exponierter Antennenstandort ist Voraussetzung für die bestmögliche Versorgung eines bestimmten Bereichs; Bild: Pixelio
( Archiv: Vogel Business Media )

Zur lizenzfreien Gruppe funkfeldgestützter Kommunikations-Endgeräte und -Technologien zählen Fernsteuerungen, schnurlose Telefone, CB-Funk, Bluetooth und WLAN. Lizenzpflichtig sind dagegen Richtfunk, Bündelfunk, GSM, UMTS und WiMAX.

Der Einsatz von Funktechnologien bringt im Vergleich zur leitungsgebundenen Kommunikation eine Reihe von Vor- und Nachteilen mit sich, die im Einzelfall jeweils sorgfältig gegeneinander abgewogen werden müssen.

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Die Vorteile:

  • Schnelle Implementierung
  • Entsprechende Antennen erlauben sowohl Punkt-zu-Punkt- (Richtantenne) als auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen (Rundstrahler)
  • Kommunikation auch ohne direkte Sichtverbindung möglich
  • Verbindung auch bei (sehr) schneller Bewegung gewährleistet
  • Überbrückung auch großer Entfernungen mit geringer Energie

Die Nachteile:

  • Funksignale können leicht abgehört werden
  • Standort der Sendeantenne ist durch Peilung feststellbar (kritisch für gezielte Störungen und militärische Anwendungen)
  • Ortung von Endgeräten einschließlich Mobiltelefonen möglich
  • Frequenzen lassen sich nicht vervielfachen, deshalb ist eine sorgfältige Planung erforderlich, um ein vorgegebenes geografisches Gebiet optimal zu versorgen
  • Bei lizenzfreien Technologien (ISM) keine Gewähr gegenüber Störungen
  • Abhängigkeit von atmosphärischen Verhältnissen
  • Frequenzen können durch Störsignale beeinflusst werden
  • Empfang der Funksignale nicht überall garantiert (Funklöcher).

Drahtlose Technologien sind im Unterschied zu drahtgebundenen Systemen abhängig von einer Reihe kritischer Parameter, verschiedenen Komponenten und aktuellen Umwelteinflüssen. Dazu zählen u.a.: Wellenausbreitung, Antennen, Codierung, Modulation, Störeinflüsse, Verfügbarkeit, Roaming, synchrone Funkfelder mit mehreren Basisstationen (nahtloses Handover), Sicherheit und Dienstegüte (QoS).

Ein wichtiger Aspekt von Funkverbindungen ist in deren Reichweite. Und diese ist wiederum abhängig vom Standort der Sende- und Empfangsantennen, von der Sendeleistung (zumeist durch Regulierung eingeschränkt), von der Beschaffenheit des Geländes, von der Tages- und Jahreszeit, der Witterung und vom Frequenzbereich. Die Reichweite und somit die Güte des Empfangssignals unterliegt großen Schwankungen, die bei der Planung insbesondere von unternehmenskritischen Anwendungen zu berücksichtigen sind. Nachfolgend werden einige technisches Aspekte und wichtige Grundbegriffe kurz beleuchtet.

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Grundbegriffe

1. Wellenausbreitung: In einer realen Umgebung wird das Nutzsignal während der Übertragung durch verschiedene Einflüsse verändert. Dadurch besteht das empfangene Signal nicht mehr nur aus der ursprünglich gesendeten Information, sondern auch aus Reflexionen, Streuungen und Brechungen. Zusätzlich fügt der Funkkanal dem Nutzsignal noch einen Rauschanteil hinzu. Bewegen sich darüber hinaus Sender oder Empfänger oder beide gleichzeitig, so führt dies zu einer Verschiebung der Trägerfrequenz (Doppler-Effekt). Abbildung 1 verdeutlicht, wie ein Nutzsignal durch Streusignale und Reflexionen beeinträchtigt wird.

2. Dämpfung: Als Dämpfung bezeichnet man den Verlust in der Signalstärke, welcher bei der Übertragung von Informationen vom Sender zum Empfänger auftritt. Jedes Objekt, das die direkte Sichtverbindung der kommunizierenden Geräte behindert, kann die Dämpfung verstärken bzw. die Kommunikation total unterbinden (Funkschatten). Die typischen Dämpfungswerte von Bäumen und Gebäuden liegen zwischen 3 und 20 dB.

3. Mehrweg-Effekte: Reflexionen und Streuungen des Nutzsignals treffen stets zeitversetzt zum Nutzsignal beim Empfänger ein. Diese verzögerten Signale führen zu Interferenzen bei den Informationssymbolen. Typische Laufzeiten liegen im Inneren von Gebäuden zwischen 40 und 200 ns sowie im Freien zwischen 1 und 20 µs. Abhilfe schafft hier eine reduzierte Datenrate im Funkkanal oder fehlertolerante Codierverfahren wie z.B. CDMA.

4. Doppler-Effekt: Bewegen sich Sender und Empfänger relativ zueinander, dann verändert sich die empfangene Frequenz gegenüber der gesendeten: entfernen sie sich voneinander, so verringert sie sich, nähern sich beide an, so erhöht sich die Empfangsfrequenz. Dieser Doppler-Effekt bewirkt z.B. bei einer Trägerfrequenz von 1 GHz und einer Objektgeschwindigkeit von 60 km/h eine Frequenzverschiebung von rund 55 Hz.

5. Antennen: Antennen sind Wandler zwischen einer leitungsgeführten Welle und einer Freiraumwelle. Sie strahlen entweder elektromagnetische Wellen ab, die von einem Sender erzeugt wurden, oder empfangen elektromagnetische Wellen und leiten diese an den Empfänger weiter. Es existiert eine Vielzahl von Antennentypen, u.a.: Rundstrahler, Gewinnrundstrahler, Richtantennen als Längs- oder Querstrahler sowie verschiedene Kombinationen davon. Als Fahrzeugantennen eignen sich λ/4-Antennen auf dem Wagendach, Gewinnantennen, Heckantennen, Scheiben-Klebe- oder -Klemm-Antennen für Fenster, verkürzte Antennen sowie spezielle Lokantennen für die Bahn. In mobilen Empfängern kommen λ/4-Antennen, λ/2-Antennen (Gainflex) und verkürzte Antennen zum Einsatz. Mit Hilfe intelligenter Antennentechnik lässt sich das verfügbare Frequenzspektrum besser nutzen. Die dafür geeigneten Verfahren stützen sich im Wesentlichen auf segmentierte Antennen (Diversity), Polarisierung und die MIMO-Technologie.

6. Codierung: Eine optimale Codierung zeichnet sich aus durch möglichst viele Polaritäts- bzw. Flankenwechsel (bessere Synchronisierung von Sender und Empfänger) sowie durch eine gleichmäßige Verteilung von positiven und negativen Zuständen (Gleichstromfreiheit). Spezielle Codierverfahren erhöhen die Redundanz (4B3T) und ermöglichen eine Vorwärtsfehlerkorrektur (Reed Solomon, Trellis). Bei WLANs werden mittels des DSSS-Verfahrens aus einem Bit mit Hilfe des definierten Chip-Codes 11 Bits erzeugt, welche selbst in einer gestörten Umgebung die sichere Erkennung von logisch „0“ und „1“ gewährleisten.

7. Modulation: Mit Modulation wird ein Vorgang bezeichnet, der ein Trägersignal mit einem oder mehreren Signalparametern verändert. Solche Parameter sind z.B. die Amplitude, Frequenz oder Phase (AM, FM, QAM). Als derzeit modernstes Verfahren gilt OFDM, das bereits bei den WLAN-Standards 802.11a und g eingesetzt wird. OFDM benutzt ein Spektrum von orthogonalen Subträgern, die sich gegenseitig überlappen. Die Besonderheit des Verfahrens liegt darin, dass bei der Mittenfrequenz eines bestimmten Subträgers alle anderen Subträger jeweils einen Nulldurchgang aufweisen.

8. Störeinflüsse: Die drahtlose Signalübertragung unterliegt einer Reihe von Umwelteinflüssen, welche sich störend auf das Nutzsignal auswirken. Funksignale werden hauptsächlich durch andere Frequenzen beeinflusst, welche erzeugt werden von anderen Systemen, die im gleichen Frequenzbereich operieren, von gleichen Systemen, die im selben Raum betrieben werden, von Mischfrequenzen und Oberwellen, die von anderen Systemen erzeugt werden und von nicht entstörten bzw. fehlerhaft arbeitenden Systemen. Durch eine sorgfältige Wahl von Codier- und Modulationsverfahren lassen sich die Störeinflüsse reduzieren.

9. Roaming: Roaming ist die bekannte Möglichkeit, sich in öffentlichen zellularen Mobilfunknetzen neben dem eigenen Netzbetreiber auch in Netze anderer Betreiber einzuloggen. Realisiert ist ferner das Roaming zwischen WLAN im privaten Bereich und den öffentlichen Mobilfunknetzen sowie im Bereich von öffentlichen Hotspots.

10. Handover: Unter Handover wird das nahtlose Umherwandern in zellularen Netzen eines Betreibers verstanden. In den öffentlichen Mobilfunknetzen erfolgt das Handover von Basisstation zu Basisstation und in WLAN-Infrastrukturen von AP zu AP.

11.Verfügbarkeit: Die Verfügbarkeit von drahtlosen Kommunikationssystemen wird von mehreren Faktoren bestimmt: im Freien durch atmosphärische Störungen und Witterungsbedingungen, einer direkten Sichtverbindung zwischen den einzelnen Standorten und beweglichen Hindernissen; innerhalb von Gebäuden können diese Störungen von anderen Funksystemen kommen. Die Verfügbarkeit einer drahtlosen Lösung lässt sich durch redundante Gestaltung der Basisstationen bzw. der APs erhöhen.

12. Sicherheit: Funkwellen können von jedermann abgehört werden. Der unbefugte Zugang zu einem drahtlosen Kommunikationssystem kann durch Identifizierung, Authentifizierung und Verschlüsselung der Nutzdaten erschwert werden.

13. Dienstegüte (QoS): Die Dienstegüte wird durch mehrere Parameter beeinflusst. Die wichtigsten Voraussetzungen für eine qualitativ hochwertige Kommunikation sind: Geringe Laufzeit, garantierte Bandbreite, geringes Nebensprechen, Echounterdrückung (bei Laufzeiten >20 ms) und insbesondere bei den Funktechnologien eine Unterdrückung von Störungen durch andere Signale im jeweils benutzten Frequenzband. In paketvermittelten Netzwerken sind ferner noch Paket- bzw. Zellverluste zu berücksichtigen. WLANs der IEEE 802.11-Familie bieten zudem die Möglichkeit, Sprach- und Videoanwendungen zu priorisieren.

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Technologieüberblick

Funktechnologien werden in allen bekannten Kategorien von Netzwerken eingesetzt. Die diesen Kategorien jeweils als Beispiel zugeordneten drahtlosen Lösungen reichen dabei vom körpernahen, persönlichen Bereich bis hin zum weltumspannenden Netz:

BAN – Body Area Network: In der Kleidung integrierte Netze

PANPersonal Area Network für den Nahbereich: Bluetooth, IrDA, NFC, RFID, Zigbee und Z-Wave

LAN – Local Area Network innerhalb von Gebäuden und im privaten Campusbereich: DECT und WLAN nach IEEE 802.11a, b, g und n

MAN – Metropolitan Area Network im städtischen Bereich: WLL und WiMAX

WANWide Area Network im regionalen und nationalen Bereich: analoger und digitaler Bündelfunk, TETRA, Tetrapol, GSM, GPRS, HSCSD, 3GSM, UMTS, HSPA, LTE, LTE+

GAN – Global Area Network Internet für den globalen internationalen Einsatz: Satellit (LEO, MEO und GEO).

Abbildung 2 zeigt die wichtigsten Funktechnologien, positioniert hinsichtlich ihrer Übertragungsrate und Reichweite. Die hohen Datenraten von 300 Mbit/s und darüber werden z.B. von WLANs in einem Umkreis von 10 bis 30 m nach dem 802.11n-Standard erreicht. In Abbildung 3 sind die Funktechnologien nach den Kriterien der Bewegung innerhalb oder außerhalb von Gebäuden und der typischen Bewegungsgeschwindigkeit des Benutzers klassifiziert.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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