04_Funknetzwerke

Question 1

Was ist Funk?

Answer 1

• Breitbandübertragung im Frequenzmultiplex-Verfahren
• modulierte Trägerfrequenz wird verstärkt -> gelangt so zu einer Antenne
• Antenne erzeugt daraus eine Freiraumwelle -> verbreitet sich mit Lichtgeschwindigkeit in großen Raum
• kleiner Teil der Welle kann von einer anderen Antenne aufgefangen werden - erzeugt geringe Spannung -> erneut in eine Wechselspannung umwandeln
• per Demodulation ursprüngliche Daten wieder herausziehen
• -> drahtlose Informationsübertragung möglich

Question 2

Eigenschaften von Funkfrequenzen

Answer 2

• Je höher Frequenz, desto schlechter Objekte durchdrungen.
  
  • nur in Natur: hohe Frequenz - TV per Satellit
  • in Gebäuden: niedrige Frequenz - Radio
  • Handy: mittlere Frequenz
  • WLAN: hohe Frequenz (Dämpfung durch Wände)
• Lang- und Mittelwellen bis zu 2 MHz folgen Erdkrümmung.
• Kurzwellen (5 – 25 MHz) werden an Erde und in hohen Atmosphärenschichten reflektiert -> durch mehrere Reflektionen rund um die Erde transportiert
• Wellen höherer Frequenz benötigen gerade Verbindung von Sender zu Empfänger.
• ab 100 MHz zunehmend an Objekten reflektiert.

Question 3

Funk: Antennen

Answer 3

• Aufgabe: elektromagnetische Wellen abstrahlen o. empfangen
• Isotropstrahler/Punktstrahler = idealisierte Antenne, die in allen Richtungen gleich stark abstrahlt
• Reale Antennen: Abstrahlcharakteristik -> in manchen Richtungen Signal verstärkt, in anderen abgeschwächt = „Antennengewinn“
• Typen: Stabantenne, Dipolantenne, Parabolantenne

Question 4

Funk: Mobiltelefonie

Netze

Answer 4

• Entwicklung: A-, B-, C-Netz (abgeschaltet) -> D- und E-Netz -> UMTS -> LTE
• GSM: A-, B-, C-, D-, E-Netze
  
  • BTS, Base Transceiver Station -> Funkmast spannt Funkzelle auf -> „Cellular Phone“
  • Vermittlungsstellen: SSS, Switching Subsystem -> Identifizierung & Authentifizierung der Teilnehmer + Vermittlung von Gesprächen
• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, 3G) -> Kernnetz arbeitet IP-basiert - Gesprächsdaten in IP-Paketen
• LTE (Long Term Evolution, 4G) -> schnelle Internetverbindung, Verzicht auf SMS/Telefonie möglich

Question 5

Funk: Mobiltelefonie

Datenübertragung im Mobilfunknetz

Answer 5

• GPRS = General Packet Radio Service
• EDGE = Enhanced Data Rates for GSM Evolution
• HSDPA = High Speed Download Packet Access
• selten reines UTMS (dann zeigt Handy 3G), meistens HSDPA („H“)
• GSM auch 2G, LTE 4G

Question 6

Funk: NFC

Answer 6

• sehr kleine Antennen - sehr geringe Sendeleistung
• Geräte praktisch aneinander halten
• überträgt auch Energie
• *Aktiv – Aktiv:** zwei Geräte kommunizieren mit je eigener Stromversorgung -> mind. 1 Mobilgerät
• *Aktiv – Passiv:** Mobilgerät kommuniziert mit einem Chip, der über Antenne mit Strom versorgt wird (RFID-Technik).
• *Anwendungen:** Handy als Zahlungsmittel/ Ticket/ Autoschlüssel, Informationen von RFID-Tags

Question 7

Funk: WLAN

Answer 7

• Wireless Local Area Network
• Familie von Standards zum Aufbau eines drahtlosen Netzwerkes
• Standardisiert als IEEE 802.11 mit diversen Erweiterungen
• nutzt lizenzfreie Frequenzbänder -> müssen nicht abgenommen oder angemeldet werden + verursachen keine laufenden Kosten

Question 8

Funk: WLAN-Standards

Answer 8

Question 9

Funk: WLAN

Frequenzbänder und Kanäle (ISM)

Answer 9

ISM steht für

• Industrial (gewerblich)
• Scientific (wissenschaftlich)
• Medical (medizinisch)

= Frequenzbereiche, die anmeldefrei für die oben genannten
Anwendungsbereiche oder auch privat genutzt werden dürfen.

Question 10

Funk: WLAN

Einteilung des ISM-Bandes - 2,4 GHz

Answer 10

• 13 Kanäle
• Mittenfrequenz von Kanal 1 ist 2,4 GHz
• Kanalabstand: 5 MHz
• WLAN-Kanäle sind 21 MHz breit
• Frequenzband sehr schmal -> Kanäle überlappen sich, benachbarte Kanäle sind nicht gleichzeitig nutzbar
• z.B. nur 3 volle Netze (rote Linien) möglich
• Bandbreite 20 MHz - gilt bis g-Standard -> danach 40 MHz Bandbreite (hier nur Kanal 6 mit kompletten Frequenzspektrum möglich)

Question 11

Funk: WLAN

Einteilung des ISM-Bandes - 5 GHz

Answer 11

• 8 Kanäle ab 5,180 GHz (Nummern 36, 40, 44, …, 64)
• 11 Kanäle ab 5,500 GHz (Nummern 100, 104, …, 140)
• Kanalabstand: 20 MHz
• WLAN-Kanäle sind ebenfalls 21 MHz breit
• Kanäle überlappen sich kaum, alle Kanäle sind gleichzeitig nutzbar
• besser geeignet für WLAN als 2,4 GHz Band

Question 12

Funk: WLAN

Problem des Abhörens

Answer 12

• Problem: WLANs sind prinzipiell abhörbar
  
  • Funksignale können in Ausbreitung nicht z.B. auf ein Gebäude eingeschränkt werden
  • Fremde WLAN-Empfänger im näheren Umfeld empfangen Signale ebenfalls
• Einschränkung des Mithörens:
  
  • Access Points kennen die Hardwareadressen der eigenen Stationen und lassen keine fremden zu -> mit Software umgehbar
  • Access Points kommunizieren Ihre Adresse nicht
  • Verschlüsselung der Datenübertragung -> einzig Nützliche
• ursprünglich Verschlüsselung (WEP - Wired Equivalent Privacy) wurde geknackt
• Nachfolgestandard „WPA“ (Wifi Protected Access) oder „WPA-2“ -> bis heute nicht geknackt

Question 13

Funk: WLAN

Technik von IEEE 802.11n

Answer 13

• Kann beide Frequenzbänder verwenden
  
  • erst nur das 2,4 GHz-Band benutzt
  • inzwischen 5 GHz-Band bevorzugt
• Verwendet mehrere Antennen (MIMO)
• mehrere Kanäle gleichzeitig nutzbar
• breitere Kanäle (40 statt 20 MHz)

Question 14

Funk: WLAN

IEEE 802.11n im Vergleich mit Ethernet

Answer 14

bei 300 Mbit/s müsste 802.11n performancemäßig zwischen Fast-Ethernet und Gbit-Ethernet liegen

aber:

• viele Geräte implementieren Standard nur mit 150 Mbit/s
• größere Entfernung oder Wand: < 100 Mbit/s realisitisch
• Defensive Kollisionsvermeidung kostet bei hoher Last viel Performance (bis zu 50%)
• in geswitchten Ethernet steht die Leitungskapazität jedem Gerät zur Verfügung, im WLAN nur allen gemeinsam
• Ethernet arbeitet vollduplex, bei WLAN abwechselnd

-> WLAN statt Ethernet nur bei kleinen Firmen mit geringen Datenvolumen

Question 15

Funk: WLAN

MIMO

Answer 15

• Multiple In, Multiple Out
• Endgeräte arbeiten statt mit einer mit mehreren Antennen
• durch zeitlich versetzte Ansteuerung der Antennen kann Richtwirkung (Sendekeule) erzeugt werden (Beamforming)
• Reduzierung der Mehrwegeausbreitung durch geeignete Abstrahlcharakteristik
• Empfänger kann aus den zeitversetzten Eingangssignalen entweder stärkste Empfangsrichtung extrahieren oder mehrere Empfangswege rechnerisch vereinigen
• -> größere Reichweiten bei gleicher Sendeleistung
• oder: Nutzung der Antennen für mehrere Bitströme -> größere Übertragungskapazität

Question 16

Funk: WLAN

MIMO - Beispiel

Answer 16

2 Antennen:

• teilweise Überlagern -> Abschwächen bis kein Signal (Tal trifft auf Berg)
• teilweise Verstärken (Tal trifft auf Tal, Berg trifft auf Berg)
• durch zeitlich versetztes Ansteuern auswählen, in welche Richtung der Access Point am meisten ausstrahlen soll

Question 17

Funk: WLAN

MIMO - Mehrwegeausbreitung

Answer 17

• Grundriss eines Gebäudes
• Wege des Signals von Sender zu Empfänger
• Signale kommen zeitlich verschoben an
• Verstärken oder Abschwächen möglich
• von MIMO durch Stärken einer Richtung entgegengewirkt

Question 18

Funk: WLAN

Medienzugriff

Answer 18

• CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
• Defensive Kollisionserkennung
• Kollisionserkennung nicht zuverlässig möglich
  
  • ohne Kabel Erkennung und Vermeidung schwieriger - vom Access Point geregelt
  • große Datenpakete vorher angekündigt und von Access Point bestätigt
• Jedes Paket mit Bestätigungspaket („ACK“) beantwortet
• Mindestwartezeit + zufälliger Zusatzpause, bevor sendebereites Gerät Übertragung beginnt
• Anmeldung von längeren Übertragungen per „RTS“-Paket, das der Empfänger mit einem „CTS“-Paket beantwortet