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Erstellt: April 2004 - Letzte Modifikation: Mai 2004

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Grundlagen der Wireless LAN Technologien

Bänder und Frequenzen

Das Radio-Frequenz Spektrum

Das Medium der Signalübertragung bei WLANs sind elektromagnetische Wellen. Der für Radio- TV- und Funk-Übertragung wichtige bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt zwischen 3 kHz und 300 GHz ( Radio Frequenz Spektrum). Dieser Bereich wird in 8 Hauptbänder unterteilt: VLF - EHF.

VLF 3 kHz - 30 kHz Marine    
LF  30 kHz - 300 kHz Marine, Luftfahrt
MF 300 kHz - 3 MHz Radio und Sprechfunk (AM)
HF 3 MHz - 30 MHz Sprechfunk und Satelliten 
VHF 30 MHz - 300 MHz Radio und TV (FM)
UHF 300 MHz - 3 GHz TV, WLAN, Mobil
SHF 3 GHz - 30 GHz Satelliten, WLAN, Wetterradar
EHF 30 GHz - 300 GHz Satelliten und Weltraumforschung

Das elektromagnetische Spektrum ist da natürlich nicht zuende, es geht mit den Mikrowellen (100 kHz - 300 GHz) und dem Infrarot (300 GHz - 10^15 Hz) gefolgt von Ultraviolett und Röntgenstrahlung (X-Ray).

Zum Vergleich die Frequenzen von Infra-Schall (0 Hz - 12 Hz) und Schall (10 Hz - 10 kHz) - wobei das natürlich keine elektromagnetischen Wellen sind.

Bänder: Sind generische Einteilungen des Frequenz Spektrums.

ISM Band: nichtlizensiertes Band in UHF und SHF.
Besteht aus 3 (Unter)- Bändern:
902 - 928 MHz
2.4 - 2.4835 GHz
5.725 - 5.875 GHz

U-NII: nichtlizensiertes Band in SHF. Überlappt mit dem ISM Band.
Besteht aus 3 Blöcken:
5.15 - 5.25 GHz
5.25 - 5.35 GHz
5.725 - 5.825 GHz

Jedes Band ist weiterhin in Kanäle eingeteilt. Das hängt vom Frequenzbereich des Bandes ab, hier als Beispiel für VHF. Dieses Band wird für Fernsehen benutzt:
VHF Band: 54 MHz - 88 MHz
==> TV also 34 MHz breit.
Ein TV Kanal braucht 6 MHz
==> also 5 Kanäle in diesem Band.

Die Kanäle werden nach der mittleren Frequenz benannt (Center Frequency), sind aber breiter. Das ist die Channel Bandwidth (Bandbreite des Kanales).

Zwischen den Kanälen befindet sich ein Guard Band (Pass Band): Eine Spalte zwischen den Kanälen, die Interferenzen der benachbarten Signale verhindert.

Je nach benutzter Technologie sind die Bänder verschieden stark. Als Beispiel das ISM Band:
ISM Band (Industrial, Scientific and Medical)
Ein Band von 2.4 GHz - 2.4835 GHz.

Wird im ISM Band FHSS betrieben, so wird das Band in 79 Kanäle zu je 1 MHz eingeteilt.

Wird im ISM Band DSSS betrieben, so wird es in 13 Kanäle zu je 22 MHz eingeteilt.

RF Kommunikation ist in der Regel Half-Duplex (man kann auf einem Kanal nur senden *oder* hören). Für Voll-Duplex Betrieb muß man einen Secondary Channel zuschalten.

Modulation des Radio-Signales zur optimalen Übertragung und Signal-Interferenz. Moduliert werden:
Amplitude
Frequenz
Phase

Man braucht eine Trägerwelle, die dann mit einem Signal moduliert wird. Die Trägerwelle entspricht einem Kanal.

Moduliert man eine niedrige Frequenz auf eine Hochfrequente Trägerwelle, so wird auch die benötigte Antenen-Länge *geringer*. Die Antennen-Länge hängt direkt von der Wellenlänge ab.

Trägerwelle
                  ==>   moduliertes Signal
Signal(welle) 

Die Amplituden-Modulation (AM) wird in Volt oder Watt gemessen.
Die Frequenz-Modulation (FM) wird in Hertz gemessen.

Bei digitaler Übertragung heißt die Frequenzmodulation Frequency Shift Keying (FSK). Bei der FSK bedeutet eine höhere Frequenz binär "1".
Die Amplitudenmodulation wird als Pulse Amplitude Modulation (PAM) bezeichnet: eine höhere Amplitude ist eine binäre "1".

Eine digitale Übertragung kann auch durch Modulation der Phase (Startpunkt der Welle) erfolgen: Phase Shift Keying (PSK). Eine Phasenumkehr von 180 ° ist eine binäre "1".

Es gibt kompliziertere Methoden der Phasenverschiebung, wo die Phase in 90° Segmenten verschoben wird. Das führt zu 4 binären Zuständen: 00, 01, 10, 11 in einem Zyklus.

Man kann die Trägerfrequenz zugleich nach Amplitude und nach Phase modulieren. Das entspricht einer Kombination der Methoden PAM und PSK.
Highspeed WLANs nutzen:

QPSK Quadrature Phase Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
So ergeben sich höhere Datenraten.

Signalübertragung

Das Signal wird bei der Übertragung durch die Luft geschwächt. Gründe dafür sind:

Die Signalübertragung erfolgt entweder über ein schmales Band, oder über ein Spread Spectrum, ein gespreizter Frequenzbereich.

Schmalband Übertragungen können durch Rauschen (Noise) oder künstlich (Jamming) gestört werden.

Breitband Übertragung nutzt mehr Frequenzen, es ist also extrem schwer, eine solche Übertraung zu stören.

Das Schmalband-Signal wird über ein weites Band gespreizt. Die Leistung ist dabei die gleiche, die einzelnen Signale des gespreizten Signales sind also schwächer.

Es gibt grundsätzlich zwei Arten, das Spektrum zu spreitzen:
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
DSSS - Direct Sequenz Spread Spectrum

FHSS bietet guten Schutz gegen:
schmalband Interferenz
Hintergrund-Rauschen
Allerdings braucht es mehr Bandbreite.

Der Frequenz-Bereich wird in Kanäle eingeteilt. Pro Kanal wird das Signal moduliert Übertragen. Nach einer kurzen Zeit wird der Kanal gewechselt (Hopping). Die Dwell Time ist dabei die Zeit, für die gesendet wird. Das Hopping Pattern beschreibt, wie zwischen den verfügbaren Kanälen gewechselt wird. Das Hopping Pattern müßen daher Sender und Empfänger kennen. Sonst kann das Signal aus den einzelnen Blöcken nicht rekonstruiert werden.

Schmalband Interferenzen treffen nur einen geringen Teil der Daten. Diese Daten können aus den restlichen Daten rekonstruiert werden.

Da das Hopping Pattern pro Session festgelegt ist, können mehrere Geräte mit denselben Kanälen operieren. Man kann entweder ein anderes Pattern nutzen, oder ein unterschiedliches Zeitverhalten festlegen.

FHSS wird in WLAN und WPAN Technologien eingesetzt (ISM Band, 2.4 GHz).

WPAN: 79 Kanäle, 1 MHz breit. 1600 Hops/Sekunde (Bluetooth, pseudo Random Hopping Pattern).

DSSS: bei dieser Technik werden die Daten um Prüfbits erweitert und dann parallel über das breite Spektrum übertragen. Über die Prüfbits ist es möglich, korrupte Daten zu rekonstruieren.

Dabei wird jedes Bit der Daten durch einen längeren Code ersetzt (Chipping Code). Der Chipping Code muß Sender und Empfänger bekannt sein. Aufgrund der parallelen Übertragung bestimmt die Länge des Chipping Codes die Frequenzbreite des Signales und somit die Zuverlässigkeit der Übertragung.

Mit einem 11 Bit Chipping Code können bis zu 40% der Daten verloren gehen - die Nutzdaten können trotzdem noch rekonstruiert werden.

DSSS ist eine WLAN Technik: IEEE 802.11 (ISM 2.4 GHz) Dabei werden die 83.5 MHz in 14 Kanäle zu je 22 MHz eingeteilt.

Vergleich FHSS - DSSS

FHSS: Wird ein Kanal gestört, so wird auf dem folgenden Kanal (nach dem Hopping Schema) das Paket neu übertragen. Kanäle mit Problemen werden dynamisch übersprungen. Die Position (Frequenz) des Kanals wird dabei verlagert.

DSSS: Hier sind die Kanäle festgelegt. Es wird darauf gebaut, das ein oder mehrere gestörte Kanäle durch die durch den Chipping Code eingeführte Redundanz neutralisiert werden können.

Ist ein Kanal dauerhaft gestört, so kann das System einen anderen Channel bestimmen.

Im direkten Vergleich (gleiche Antenne etc.) hat DSSS größere Reichweiten (wg. Redundanz und Chipping Code). Das wird als "Processing Gain" bezeichnet, da durch die Nachbehandlung der Daten die Nutzlast wieder hervortritt. Dieser Gain muß mindestens 10 dB betragen - bezogen auf das Signal/Rauschen Verhältnis. Also: das original empfangene Signal/Rausch Verhältnis ist niedrig, nach dem extrahieren der Daten, ist es deutlich besser.

Hier zwei Bildchen......

Bei FHSS mehrere Geräte passen in das Band. FHSS Geräte brauchen weniger Strom und sind billiger.

RF Spektrum Management

In den USA wird das RF Spektrum von der Federal Communications Commission (FCC) und teilweise von der National Telecommunications and Information Administration (NTIA) verwaltet. In Europa und anderen Ländern gibt es nationale Organismen, was teilweise zu Überschneidungen führt.

Unter 9 kHz sind keine Radio Kanäle festgelegt.

ISM Band wird von FCC und NTIA verwaltet.

ISM ist nicht lizenzpflichtig. Allerdings ist der Bereich 2.473 - 2.4835 praktisch nicht nutzbar (Konflikt mit den angrenzenden Bändern).

ISM 2.4 - 2.4835 GHz WLAN IEEE 802.11b

UNII (Unlicenced National Information Infrastructure) UNII 5.5 - 3.35 GHz, 5.725 - 5.825 GHz Schnelle WLAN IEEE 802.11a

RF Strahlung (Emmission)

FCC Bulletin OET 65 ==> Grenzwerte für Emission) Bezieht sich auch auf Antennen.

MPE = Maximum Permissible Exposure bezogen auf Frequenz, Feldstärke, Zeit und Leistung.

SAR Specific Absorption Rate Absoption im menschlichen Körper. Für Geräte, die in 2.5 cm Abstand mehr als 100 mW abstrhlen.

Internationale Körperschaften: ITU International Telecommunication Union UN Organisation, Sitz in Genf. ==> Internationale Standards, Koordination der nationalen Behörden. Alle 2 Jahre World Radiocommunication Conference (WRC).

DOC Department of Communications in Canada. Alle FHSS und DSSS Geräte müssen nach "Class B" geprüft sein. WLAN Geräte: RSS 139-1 (ISM Band): RSS 210

Europa: Open Network Provision (ONP)

IEEE 802 Standards

Die Definition erfolgt auf Grundlage des ISO OSI Schichtmodelles. Es werden auf der Ebene des Media Access verschiedene Access Standards definiert:

802.2 ist dabei der Top Sub-Layer des Data Link Layer im OSI Modell. Der LLC Standard ist bei allen Access Standards gleich. Dieser Standard sorgt für die nötigen Dienste zwischen dem Netzwerk Layer und der Media Access Control Schicht (MAC). Das Übertragungsmedium und die MAC Methode ist dabei egal.

IEEE 802.11 definiert Access Standards und Operations der physikalischen und MAC Layer von WLANs. Es sind mehrere Physikalische Schicht Techniken definiert.

802.11 umfaßt:
- Mehrere Geräte in einem LAN
- Authentification

WLAN Standard

WLAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications 802.11 definiert drei physikalische Access Methoden, 2 auf RF basierende und eine auf IR basierende.

Benutzt wird das ISM Band: 2.4 GHz, 83.5 MHz breit (2.4 - 2.4835 GHz).

Alle 802.11 Physical Layer unterstützten Datenraten von 1 oder 2 Mbps.

FHSS benutzt "two level Gaussian Frequency Shift Keying" (GFSK) Schema für die Modulation bei Datenraten von 1 Mbps.

Ein "4 level GFSK" Schema kommt bei Datenraten von 2 Mbps zum Einsatz.

DSSS benutzt Differential Binary Phase Shift Keying (DBPSK) Modulation für Datenraten von 1 Mbps.

Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) wird für 2 Mbps benutzt.

IEEE 802.11 spezifiziert auch eine MAC Methode. Ein Kanal ist immer Half Duplex. Es wird eine CSMA/CA (Collision Avoidance) Methode benutzt: Distributed Coordination Function (DCF). Damit wird festgestellt, ob das Medium (Kanal) belegt ist. Auf der MAC Ebene werden auch MAC Service Data Units (MsDUs) ausgetauscht.

Weiterhin sind folgende Dienste spezifiziert:

IEEE 802.11b ist eine High Speed Physical Layer Extension. Es handelt sich um eine DSSS Technik. Höhere Datenraten von 5.5 und 11 Mbps sind möglich durch High Rate DSSS (HR/DSSS).

Dieser Standard gilt nur für DSSS. Geräte, die verschiedene physikalische Layer benutzten, können nicht miteinander kommunizieren. FHSS Geräte sind nicht kompatibel mit 802.11b Geräten.

DSSS Geräte 802.11 sind mit 802.11b Geräten kompatibel - bei niedrigen Datenraten.

Im 802.11b WLAN Standard wird "Dynamic Rate Switching" angewandt. Wenn ein Gerät aus der optimalen Zone für 11 Mbps herausläuft, so wird automatisch auf 5.5 Mbps geschaltet. Das wiederholt sich Stufenartig.

Um die höheren Datenraten von 5.5 und 11 Mbps mit denselben 22 MHz breiten Kanälen erreichen zu können, wird das sogenannte Complementary Code Keying (CCK) angewandt (ein Modulations-Schema).

Der 802.11b Standard ergänzt die Eigenschaften des physikalischen Layers von 802.11. Die MAC Layer Eigenschaften sind unverändert.

IEEE 802.11a High Speed Physical Layer im 5 GHz Band. Nutzt "Orthogonal Frequency Division Multiplexing" (OFDM). Im original 802.11 wird das 2.4 GHz Band spezifiziert.

Das OFDM System nutzt Datenraten von 6,9,12,18,24, 36,48 und 54 Mbps. Die Raten 6,12,24 sind zwingend. 802.11a nutzt das UNII Band. Der 5 GHz Teil wird von FCC verwaltet. UNII besteht aus 3 Bändern:

Insgesamt also 300 MHz RF Bandbreite.

Jedes dieser Bänder ist in 4 Kanäle eingeteilt. Es gibt also 12 Kanäle zu je 20 MHz. Die FCC hat die Ausgangsleistung der Kanäle beschränkt.

Die Datentragenden Teile eines jeden Kanales überlappen sich nicht. In einem Mehrzellennetz können so mehrere Access Points (AP) geplant werden.

Zum Vergleich: 802.11b spezifiziert 14 Kanäle, aber nur 3 überlappen sich nicht.

802.11a benutzt verschiedene Modulations-Techniken, um auf die hohen Datenraten zu kommen.

Binary Phase Schift Keying (BPSK) wird bei 6 und 9 Mbps eingesetzt.

Quadrate Phase Shift Keying (QPSK) wird bei 12 und 18 Mbps eingesetzt.

Quadrate Amplitude Modulation (QAM) wird bei 24, 36, 48 und 54 Mbps Datenrate eingesetzt.

Ein Problem gibt es mit dem 5 GHz Band: In vielen Ländern (Europa) ist die Benutzung reguliert (Militär für Radar und Sateliten).

Daher wird das Europäische Telecomunications Standards Institute (ETSI) die sog. Dynamic Channel Selection (DCS) Methode einführen (wie DFS). Damit können einzelnen AP Frequenzen zugewiesen werden - und somit festgelegte Frequenzen ausgespart werden. Ausserdem wird noch Transmit Power Control (TPC) eingeführt. Damit passt das Gerät seine Sendeleistung dem Abstand zum AP an.

802.11a ist also nicht kompatibel zu 802.11 und 802.11b.

Wieder wird nur das physical Layer geändert. Der MAC Layer bleibt unberührt.

IEEE 802.11g Erweiterung zu 802.11b - High Speed Datenraten für ISM (2.4 GHz): Datenraten von 20 - 54 Mbps. Für 54 Mbps wird "Orthogonal Frequency Division Multiplexing" (OFDM) eingesetzt (ähnlich 802.11a).

802.11g und 802.11b Geräte arbeiten im selben Band. Die 802.11g Geräte sind zu den niedrigeren Datenraten abwärtskompatibel (1,2,5.5,11 Mbps).

Neben den genannten Ergänzungen gibt es noch 9 weitere Aufgabenfelder:

WiFi Alliance: Testet und Zertifiziert WLAN-Geräte nach unabhöängigen Kriterien. Achtet besonders auf Hersteller-Interoperabilität.

Tests:

Dual Band: Geräte, die sowohl im 2.4 GHz sowie im 5 GHz Bereich arbeiten können.

ISM
....................................................................
100 MHz                900           2.4 GHZ         5.8 GHz       10 GHZ
.                                    802.11,b,g

UNII
.              Lower    Middle                  Upper               Band
.....................................................................
5 GHZ      5.15     5.25     5.35            5.725   5.825          6 GHz

802.11a Lower: 50mW Ausgangsleistung nach FCC (40 mW IEEE), Indoor. Middle: 250 mW Ausgangsleistung, Indoor/Outdoor. Upper: 1 W FCC (800 mW IEEE), Outdoor.

Access Points

Verbinden WLAN und LAN. Unterstützen 802.1h (Translational Bridging) und 802.1d (Spanning Tree).

Das RF Interface kann ein FHSS DSSS OFDM Interface sein.

Der AP nützt entweder das 2.4 GHz Band oder das 5 GHz Band. Man muß meist mehrere AP im Haus bzw. Campus unterbringen.

WLAN Adapter -- .. --

Antennen

Richtantennen (directional) Rundumantennen (omnidirectional)

Gain: Leistung einer Antenne. Gibt die Stärke der Richtantenne an. In Dezibel relativ zur isotrophen Antenne.

Rundumantennen:

BSS: Basic Service Set. Die Zone, in der zwei oder mehr WLAN Geräte miteinander kommunizieren können. Das ist eine Zelle.

Zwei Arten von Netz:

Ad hoc Mode: Direkte Kommunikation der Wireless Geräte. Es entsteht ein "Independent BSS". Kein AP nötig. Client muß entsprechend konfiguriert werden.

Infrastructure Mode: Hier ist das WLAN ein Teil eines größeren Netzwerkes. Ein AP als Bridge ist nötig. Der AP ist dann ein Radio Relay. 802.11 bezeichnet das Netz, an welches der AP angeschlossen ist, als Distributed System. Jeder AP definiert ein BSS. Werden über ein Distributed System mehrere AP bzw. BSS zusammengefaßt, sp spricht man von einem Extended Service Set (ESS). Innerhalb eines ESS können WLAN Clients sich frei bewegen, "Roamen".

BSS dürfen überlappen. Läßt man die APs auf verschiedenen Channeln arbeiten, so erhöht man damit die Bandbreite.

Infrastructure Mode Roaming

Es existieren drei Mobilitätstypen:

Notransition: Weiter eingeteilt in Static und Local Movement. Es bezieht sich z.B. auf einen Raum. Man benötigt ein BSS mit einem AP.

BSS Transition: Bewegung von einem BSS ins andere möglich, wenn im selben ESS. Nahtloses Roaming ist möglich, Verbindungen bleiben erhalten.

ESS Transition: Bewegung von einem BSS in ein anderes BSS in einem anderen ESS möglich. Die Verbindungen gehen in der Regel verloren.

Wird ein WLAN Client aktiviert, so sendet er ein Proben-Paket auf allen erlaubten Frequenzen. Er erhält Antwort und wählt nach Signalstärke und Eigenschaften den "besten" AP. Danach wird zu diesem eine Assoziation hergestellt.

Die einzelnen AP senden regelmäßig Testsignale (Beacon Packets), die vom Client ausgewertet werden. Der Client stellt so fest, wenn er eine Zelle/BSS verläßt und ob er sich in einer anderen Zelle einhängen kann (in eine Zelle Roamen).

Dazu wird dem neuen AP ein "Association Request" gesendet. Der Client durchläuft dann die normale Sequenz, um sich an den neuen AP zu assoziieren. Der neue AP sendet über das Distributed System (das verbindende LAN) eine "Reassociation Message" zum alten AP.

Daraufhin löscht der alte AP die Tabelleneinträge für diesen Client und forwarded all eventuell aufgelaufenen Pakete (die gepuffert wurden) über das Distributet Net und den neuen AP an den Client. (Im Standard ist der Austausch von Reassociation Messages nicht eindeutig geregelt. ==> Inkompatibilitäten zwischen verschiedenen Herstellern sind möglich).

Das wird mit 802.11f, dem Inter Accesspoint Protocol (IAPP) herstellerunabhängig gelöst.

Station Services 802.11 definiert 9 verschiedene Services, die von der MAC Ebene angefordert werden können.

2 Katergorien: 1.) Station Services 802.11 definiert 9 verschiedene Services, die von der MAC Ebene angefordert werden können.

- Authentifizierung Verhindert die unerlaubte Benutzung eines WLAN. Stellt nur eine Wireless Link Authentifizierung dar, keine User- oder End-to-End Authtentifizierung.

Es gibt 2 Arten der Auth. Open System Auth.: Keine Sicherheit, jeder Anfrager kann eine Assoziation aufbauen. Shared Key Auth.: Der Client muß einen Teil des Shared Key kennen und auf Anfrage senden.

- De-Authentifizierung Abmeldung vom System, führt zum Abbau der Assoziation.

- Privacy Verschlüsselt die übertragenen Daten. Es existiert optional ein "Wired Equivalent PRivacy" (WEP) Algorithmus - dieser stellt dieselbe Sicherheit wie in einem normalen LAN zur Verfügung.

- MSDU Delivery Gleicht anderen 802 Protokollen, in denen Daten-Pakete auf der MAC Ebene ausgetauscht werden.

2.) DS Services Werden nur vom AP zur Verfügung gestellt.

- Association Ein auth. Client kann über diesen Service mit dem AP eine Assoziation aufbauen. Der AP sorgt dafür, daß das DS weiß, über welchen AP ein CLient zu erreichen ist. Daher kann ein Client immer nur mit einem AP assoziiert sein.

- Dis-Association Hebt die Assoziation auf. Kann vom Client und vom AP aufgerufen werden. Folgt auch auf eine De-Authentifizierung.

- Distribution Dient zum Versenden von MAC-Frames über ein DS. Wird vom Client eines ESS benutzt, sowie bei Datenübertragungen innnerhalb eines BSS.

- Integration Dieser Dienst stellt die Verbindung eines WLAN Clients in ein LAN sicher. Der AP stellt sicher, das die Daten dem LAN entsprechend zugestellt werden (Frame Format Translation, Adress Space Translation).

- Reassociation Regelt die Übertragung der Client Information, wenn ein Client durch verschiedene BSS roamt (die über ein DS verbunden sind).

Authentication und Association Process

Sechs Schritte:

Client  ==- Probe    AP AP AP 
        -==
        -==
        -==   Antwort

         ==-  Auth. Request
         -==        Response
         ==-  Assoc. REquest
         -==  Eintrag in die Assoc. Table
              und Antwort

Wenn die Verbindung verloren geht, so wird reauthentification und reassociation durchgeführt.

802.11 Media Access

Ermöglicht mehreren Clients den Zugang zum Medium. ==- CSMA/CD, wird bei 802.11 "Distributed Coordination Function" (DCF) genannt.

Virtual Carrier Sensing Bevor ein WLAN Client sendet, schickt ein ein RTS (Request to Send) Signal (ein kurzer Control Frame) und erwartet ein CTS (Clear to Send) als Antwort. In den RTS/CTS Paketen ist eine Zeitdauer spezifiziert, die die Zeit angibt, die zum Senden der Daten nötig ist.

Alle WLAN Geräte lauschen auf diese Carrier Sensing Pakete. Sie nutzen die angegebene Zeit-Dauer um abzuschätzen, wie lange der Kanal belegt sein wird - eigene Sendungen werden dann zurück gestellt.

Physical Carrier Sensing Hier wird die RF Energie in einem Kanal gemessen. Ist RF Leistung messbar, so gilt der Kanal als belegt. Wenn eine der beiden Methoden den Kanal als belegt anzeigt, so wird der Sendevorgang angehalten (deferred) und ein Backoff Algorithmus wird gestartet.

Kollissionen werden durch einen "positive acknowledgement" Mechanismus festgestellt. Für jedes übertragene Paket wird ein ACK Frame erwartet. Trifft dieser nicht ein, so gilt das Paket als verloren und wird neu gesendet. Eine optionale MAC Methode ist "Point Coordination Function" (PCF). Dabnei pollt ein AP als "Point Coordinator" alle WLAN Clients, um festzustellen, ob diese Daten senden wollen.

Beide Methoden (DCF und PCF) können in einem WLAN eingesetzt werden. Dabei wird bei Netzwerkauslastung DCF angewendet, in Zeiten niedriger Netzlast jedoch auf PCF umgeschwenkt.

Allerdings sind nicht alle Hersteller willens, PCF zu implementieren.

WLAN Service Set Impl. Es gibt 3 Implementationen:

Independent Basic Service Set (IBSS) Peer-to-Peer Ad-Hoc Networking wird eingesetzt. Kein AP ist nötig.

Basic Service Set (BSS) Kann einen AP benutzen. Peer-to-Peer mit AP ist das typische BSS.

Single AP Brigding ist auch ein BSS. Dabei existiert ein AP, das an ein wired Netzwerk verbunden ist.

Der AP muß dabei 802.1d Spanning Tree und 802.1h Translational Bridging beachten.

Mit diesem Set werden WLAN und LAN miteinander verbunden.

Oder Multiple AP Seperate Bridging. Jeder AP hängt an einem anderen Netz (LAN). Jeder AP hat eine eindeutige Service Set ID (SSID). Diese AP sind nicht über ein DS verbunden. Jeder AP definiert ein BSS.

Extended Service Set (ESS) Multiple AP Bridging == single AP Bridging. Dabei sind alle AP am selben DS angeschlossen. Es wird eine SSID benutzt. Freies Roaming im Netz ist möglich.

AP Repeater AP-to-AP Kommunikation Dient zum Ausdehnen eines BSS. Die AP kommunizieren miteinander, einer muß ein ein DS angeschlosen sein.

WLAN Power Limitationen FCC Regeln Part 15, CFR Vol. 47

WLAN Operational Ranges Höhere Datenraten == geringere Reichweiten

802.11b Geräte haben in der Regel 100 mW Leistung. Damit ergeben sich grob folgende Reichweiten: 50 m bei 11Mbps 150 m bei 1 Mbps

IEEE 802.11b Channel Allocation Es werden 13 (14) Kanäle unterstützt. DSSS als physikalische Schicht. ISM Jeder Kanal ist 22 MHz breit. Die 13 Kanäle starten alle 5 MHz, die Zentralfrequenz charakterisiert den Kanal. Kanal 14 existiert nur in Japan und macht einen Sprung von 12 MHz.

Die Kanäle überlappen. Werden von zwei WLAN Geräten überlappende Kanäle benutzt, so kommt es zur Interferenz der Signale. |-------| |-------| |-------| 5 MHz 22 MHz Daher müßen mehrere AP den Channeln entsprechend zugeordnet werden. Das kann das WLANJ Design deutlich einschränken.

IEEE 802.11a Channel Allocation ODFM UNII 5 Ghz 12 Kanäle zu je 20 MHz, die nicht überlappen. 3 Unterbänder zu je 4 Kanälen. Jedes Band hat eine andere Leistungsabgabe.

Für Indoor werden die ersten beiden Bänder genutzt. Da die Kanäle sich nicht überlappen, können große Zellen gebaut werden.

Antennen Theorie

Dezibel (1/10 bel wg. Rundungsfehler).

Man mißt Leistungsschwankungen bzw. Leistungsabfall auf der Telefonleitung.

Dezibel = 10 Log10 (P1/P2)

P1 = Ausgangsleistung
P2 = Eingangsleistung

Misst Leistungsverluste oder -gewinne in ein System. Gibt das Verhältnis (logarithmisch) an. Einheit dB.

Bsp.
10 : 1 Eingang - Ausgang
==> 1 bel (10 dB)
100 : 1 
==> 2 bel (20 dB)

Gain = log10 (Verstärkung A * Verstärkung B) / Dämpfung C

Leistungsmessung an Antennen

Leistungsgewinn wird nur durch Richten und
Konzentration im Raum erzielt - also keine
Verstärkung.
Messung erfolgt immer relativ zu einer
idealen, isotropischen Antenne.

Gain = 10 log10 (P1/P2)  P in mW.
6.39 = 10 log10 (0.02/0.1)

dBi, dBd, dBm
isotropic, dipolar, mW

dBi = dbd + 2.15

EIRP Effective Isotropic Radiated Power

Ist das Produkt der Eingangsleistung der
Antenne und des Antennen-Gains relativ zu 
einer isotropischen Antenne.

dBm = 10 log10 (mW)
FCC spezifiziert maximum EIRP = 36 dBm.

EIRP stellt die effektive Radio
Ausgangsleistung des Systemes dar.

EIRP setzt sich aus 
- Ausgangsleistung des AP
- Gain durch Antenne
- Verlust durch Antennenkabel
- weitere Dämfung (Blitzableitung, Dämfper
zur Begrenzung der Ausgangsleistung)

EIRP berechnet sich:
- Ausgangsleistung nach Datenblatt
- mW in dBm umrechnen
  dBm 10 log10 (mW)
- Antennen Gain in dBi
- Verlust durch das Kabel Gerät - Antenne

Antennen werden durch FCC Part 15 behandelt.
Hier wird WLAN Gerät auf 36 dBm begrenzt.
Das bezieht sich auf das System. Daher muß 
die Verbindung Antenne - Gerät mit propietären
Steckern ausgeführt sein (damit die 
Ausgangsleistung nicht überschritten wird).

Signal-Noise Ratio
Signal-Rausch Verhältnis

S/N = 10 log10 (S/N)
in dB.
S = Signalstärke
N = Rauschen

Wireless Verbindungen sind nur möglich,
wenn S/N größer als 10 dB.

S/N definiert die Qualität der Verbindung.

- Signalstärke
- Rauschen
- Multiple Distortion
- Antennen Polarisation
- Interferenz

* Hintergrundrauschen
* Impulsstörung (Blitz)


ifconfig ndis0 10.0.0.1 netmask 0xffffff ssid  media autoselect up
==> Infrastructure Mode

ifconfig ndis0 10.0.0.1 netmask 0xffffff ssid  media adhoc up
==> ad-hoc Mode

Scannen nach Netzwerken: 
wicontrol -i ndis0 -l

Service Set Identifier SSID
Logische Netzwerk ID, die ein WLAN identifiziert.
Auch NEtID, Domain Name, Extended Service Set ID (ESSID, WLAN Areaname).

Differenziert verschiedene WLAN voneinander. Dient als Passwort
und ermöglicht dem Client die Assoziation mit einem AP. Die 
SSID kann konfiguriert werden. 32 ASCII Zeichen, Case-Sensitive.

Setzt man auf dem Client keine SSID, so requestiert der Client
die SSID als Broadcast. Ein entsprechend eingerichteter AP
(der Clients mit leerer SSID akzeptiert) antwortet.

Synchronisation
Die Kommunikation zwischen Client und AP ist an feste 
Zeitintervalle gebunden. Dieses "Timing" wird während der
Syncronisation abgestimmt.

Scanning
Suchen eines Netzwerkes. Dann bezieht der Client Syncronisations-Info
von einem AP oder einem anderen Client. Der AP sendet Beacons
(beacon frames) die Informationen über den Beacon Intervall und die 
Uhr des AP enthalten.
Die Clients konfigurieren die eigenen Uhren nach diesen 
Informationen. 

BSS
der AP sendet Beacons zu den Clients.

IBSS 
Beacons werden von einem Client zum Anderen geschickt.
Daher sehr Komplex.

BSS - Infrastructure Mode
*Aller Verkehr geht durch den AP*

Der AP sendet nach seiner Initialisierung (TBTT, Target
Beacon Transmission Time) regelmäßig Beacons.
Gesteuert wird das durch die TSF (Timer Syncronisation 
Function). Diese Syncronisiert alle Stationen in einem
BSS.

IBSS Ad Hoc Mode
Kein AP, der die Syncronisation übernimmt. In so einem Fall
sendet die erste initialisierte Station. Jede weitere Station,
die sich ins Netz einbindet, sendet ihrerseits einen Beacon.
Der Beacon Intervall ist aber immer anders (per Zufall 
bestimmt).

Client Adapters
Power Save Polling (PSP)
spart Strom

BSS Der Client teilt dem AP seinen Mode mit. Der AP
speichert Pakete, bis der Client sie holt.
Der AP sendet regelmäßig eine Traffic Indicator
Map (TIM) in den Beacon Frames. Diese Liste enthält 
alle Clients, die Pakete auf dem AP gespeichert haben.

Da die Clients mit dem AP synchron sind, wachen sie für
diese Pakete auf und prüfen, ob für sie Daten da
sind.

Wenn der AP Broadcast oder Multicast Pakete speichert,
so sendet er eine DTM (Delivery Traffic Indication
Message). Dieser Broadcast weckt alle Clients auf.
Dann überträgt der AP den Broadcast.

Constantly Awake Mode (CAM)


IBSS: Hier muß ein Client mit dem anderen Client
ein "Power Save Mode Handshake" durchführen. Dann
kann der Client in den PSP Mode schalten. Der Client
muß für jede Ad Hoc Traffic Indication Map (ATIM)
aufwachen. Wenn er aus der ATIM entnimmt, das ihm Jemand
Daten senden will, dann muß er wach bleiben.

PSP in BSS spart mehr Energie als PSP in IBSS.
Bss und TIM sparen mehr Energie als IBSS und ATIM.

CAM Geräte sind immer wach. Daher starten 
Datenübertragungen sofort, die Performance ist etwas
besser. 

WEP Wireless Equivalent Privacy 
Spezifiziert in IEEE 802.11
64 oder 128 Bit Schlüßel entstehen, wenn man
einen 24 Bit Initialisations Vector zu den 40 bzw.
104 Bit Keys des 802.11 Standards hinzunimmt.

Openkey Authentifizierung
Client und AP kennen passende Schlüssel.
Shared Key.

Active Scanning: Client sendet Probe Request Frames
und empfängt Response Frames.

Passive Scanning: Client lauscht auf die Beacons.

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