Die physikalisch-technischen Besonderheiten der drahtlosen gegenüber den leitungsgebundenen Übertragungsmedien führen zu spezifischen Protokollmechanismen, Systemgestaltungen und Anwendungsweisen, die sich in den wichtigsten Standards für drahtlose Rechnernetze im Nahbereich (W-PAN), Lokalbereich (W-LAN) sowie im Regional- und Weitverkehrsbereich (W-MAN, W-WAN) wiederspiegeln.
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 Belastung durch Elektrosmog 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 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 Erweiterung IEEE 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 hin zum Gigabit/s-Bereich) ermöglicht die verfeinerte, adaptive Richtfunk-Mehrfachantennentechnik MIMO (Mulitple Input and Multiple Output). Sie wird u.a. bei WIMAX als Ergänzung 802.16n eingesetzt.
Die drahtlosen Mobilfunknetze waren zunächst nur für die digitale Mobiltelefonie ausgelegt. Sie basieren auf der Funkzellen-Technologie (SDM, Space Division, Raumteilungs-Multiplex) in räumlich aneinander anschliessenden Zellen = lokalen Einzugsbereichen mit je einer Basisstation. Um mit den niedrigen geforderten Antennenleistungen auszukommen, ist der Zellradius auf die jeweilige lokal erwartete Teilnehmeranzahl zugeschnitten. Die Basisstationen vermitteln Zugang zu Weitverkehr und Festnetzverbindungen in und über die kabelgebundenen digitalen Telekommunikations-Weitverkehrsnetze. Automatische Übergabeverfahren (handoff) ermöglichen volle, zellenübergreifende Mobilität. Die aktuelle dritte Mobilfunk-Generation (u.a. mit UMTS, Universal Mobile Telecommunications System) erweitert den Mobilfunk zum mobilen Breitbandmedium für integrierte Smartphones und PDAs mit multimedialer Kommunikations- und Internetkompetenz.
Drahtlose Weitverkehrsnetze (W-WANs) extremer Reichweite, wenn auch mit dementsprechend 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 drahtlosen Vernetzung. Sie kommt ohne Koordinationhilfe diurch festliegende zentrale Basisstationen aus. Damit werden die Konzepte der Peer-to-Peer-Netzanwendungen nun auch mobil und hardwarebezogen nutzbar. Hierzu gehört die Entwicklung und Anwendung der 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
