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HF-Praxis 3-2012

WLAN Sicher in die

WLAN Sicher in die drahtlose Zukunft Entwicklung und Test von Wireless LAN- Geräten nach IEEE 802.11ac Bild 2: Frequenzbelegung von IEEE 802.11ac für Europa, Japan und globale Regionen Bild 1: Das ISO-OSI-7- Schichten-Modell Der kommende Wireless LAN-Standard IEEE 802.11ac weist den Weg zu drahtlosen Verbindungen mit einem Datendurchsatz zwischen 500 Mbit/s und 1 Gbit/s im Einkanalbetrieb. Spiro Moskov Agilent Techologies www.agilent.com Maximaldatenraten von 6,93 Gbit/s in einem 160 MHz breiten Übertragungskanal und acht voneinander unabhängige Datenströme stellen enorme Herausforderungen an die Design- und Test-Expertise der Hersteller dar. Die Fertigung solcher Geräte für den Konsumgüter-Massenmarkt setzt eine produktionsgerechte Entwicklung voraus. Exzellente Werkzeuge zur Systemsimulation sowie zur Erzeugung und Analyse der breitbandigen Signale sind der Schlüssel zur Realisierung standardkonformer Systemkomponenten. Die ersten weit verbreiteten Wireless-LAN-Standards IEEE 802.11a und b sowie später 802.11g dienten zunächst vor allem dem Anschluss eines Laptops an ein Netzwerk zu Hause oder im Büro, in der Folge auch der Kommunikation unterwegs – etwa in Flughäfen, Hotels, Internet-Cafes oder Einkaufszentren. Ihre Hauptaufgabe war der Aufbau einer Verbindung zu einem leitungsbasierten Breitbandnetz, um im Web surfen und Emails bearbeiten zu können. Limitierender Faktor dabei war die Geschwindigkeit des Breitbandnetzes, so dass eine vergleichsweise langsame drahtlose Verbindung ausreichte. 802.11b leistete bis zu 11 Mbit/s bei 2,4 GHz, dann stiegen die Datenraten auf 54 Mbit/s bei 5 GHz (802.11a) bzw. 2.4 GHz (802.11g), allesamt in freien Frequenzbändern. Neue Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise das Verteilen und gemeinsame Nutzen von Daten zu Hause oder in kleineren Betrieben sowie das drahtlose Drucken im Netz, weckten den Wunsch nach höherem Durchsatz. Aus einem Studienprojekt entstand 2009 der Standardvorschlag 802.11n, der die maximale Einkanal-Datenrate auf über 100 Mbit/s steigerte. Das war auch die Premiere von MIMO (Multiple Input, Multiple Output), einem Streaming-Konzept im Raummultiplex, bei dem bis zu vier getrennte Sende- und Empfangsantennen voneinander unabhängige Datenströme führen können, die in einem Modulations-Demodulations-Prozess zusammengefasst werden. Im modernen “drahtlosen Büro” gibt es weitere Nutzungsmodelle, die noch höheren Durchsatz bedingen. Sie sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zur Realisierung solcher Dienste arbeitet eine neue IEEE-Arbeitsgruppe (TGac) an der Spezifikation von 802.11ac. Ziel ist ein noch höherer Datendurchsatz (“Very High Throughput” – VHT) als Erweiterung von 802.11n mit einem Minimum von 500 Mbit/s und bis zu 1 Gbit/s in Einkanalbertieb im 5-GHz-Frequenzband. Angesichts der großen Anzahl bereits vorhandener Endgeräte – Laptops, Netbooks, Tablets und Smartphones – ist die Rückwärtskompatibilität zu bestehenden Standards im selben Frequenzbereich unabdingbar. Alle Standards der Familie 802.11 sind rückwärtskompatibel und unterscheiden sich nur in den Eigenschaften der physikalischen Ebene des ISO- OSI-Schichtenmodells (Bild 1); 802.11ac soll auf der Medium Access Control-(MAC-) bzw. Data Link-Ebene kompatibel sein. Die endgültige Version von 802.11ac wird für Ende 2013 erwartet. Geräte, die vorläufigen Versionen dieses Standards entsprechen, könnten jedoch bereits vorher auf dem Markt erscheinen. Technische Unterschiede zu 802.11n Die physikalische Ebene von 802.11ac ist eine Erweiterung des vorhandenen Standards 802.11n und rückwärtskompatibel dazu. Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften der physi- 18 hf-praxis 3/2012

Kategorie Nutzungsmodell 1. Drahtlose Präsentation * Speichern und Darstellen von Daten auf dem Desktop * Projektion auf Fernsehbildschirmen oder Videoprojektoren in Konferenzräumen oder Vortragssälen * Spielhallen * Streaming von Videokameras zu einem Display * Professionelle HDTV-Übertragungsfahrzeuge 2. Distribution von HDTV * Video-Verteilung zu Hause * Interne Anwendungen in Großfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen, z.B. Fähren * Drahtlose Vernetzung im Büro * Medizinische Unterstützung 3. Schneller Upload/Download * Schnelle Übertragung und Synchronisierung von Daten * Sichten von Bildgalerien * Flugzeug-Bodendienste (Protokolle. Treibstoff, Catering….) * Download von Videoinhalten in mobile Endgeräte * Datentransfer für öffentliche Überwachungssysteme 4. Rückkanal (Backhaul) * Rückkanäle in Multimedia-Netzen * Punkt-zu-Punkt-Rückkanäle 5. Lehre und Forschung, * Video-Demos und Live-Fernsehübertragungen in Vortragssälen öffentlicher Raum * Öffentliche Sicherheit, Unfallmeldung 6. Produktionsstätten * Automatisierung Tabelle 1: Neue WLAN-Nutzungsmodelle kalischen Ebene von 802.11n, Tabelle 3 die Erweiterungen zu 802.11ac. Die theoretische maximale Datenrate von 802.11n ist 600 Mbit/s bei 40 MHz Bandbreite und vier räumlich getrennten Datenströmen. Die meisten Endgeräte der Konsumelektronik sind jedoch auf zwei Streams limitiert. Bei 802.11ac beträgt die theoretische maximale Datenrate 6,93 Gbit/s bei 160 MHz Kanalbandbreite mit acht Streams, MCS9 mit 256QAM-Modulation und verkürztem Schutzintervall (Short Guard Interval). Eine gut realisierbare Datenrate für Consumer-Endgeräte wäre 1,56 Gbit/s, das würde einem 80-MHz-Kanal mit vier Streams, MCS9 und normalem Schutzintervall entsprechen. Bild 2 zeigt die neuen vorgeschriebenen Kanalbandbreiten. Obgleich 160 MHz als auch 80+80 MHz als optionale Leistungsmerkmale im Standard 802.11ac vorhanden sind, werden die ersten Endgeräte voraussichtlich nur 80 MHz Bandbreite nützen und maximal vier Streams verwenden. Die Anzahl der Subcarrier und Piloten und ihre Lage für die Kanäle mit 20 und 40 MHz Bandbreite entspricht exakt der in 802.11n. 802.11ac definierten erweiterten Anzahl der Subcarrier und Piloten sowohl für einen 80-MHz-Kanal, als auch für einen 160-MHz- bzw. 80+80-MHz-Kanal. Innerhalb der Datenrahmenstruktur ermöglichen die Präambel- und Trainings-Felder dem Empfänger das automatische Erkennen des verwendeten Standards für die physikalische Ebene. Bild 3 zeigt die Präambel-Rahmen für 802.11n und 802.11ac. Die ersten drei Felder beider Präambeln WLAN sollen aus Gründen der Rückwärtskompatibilität von Non- HT- und Non-VHT-Stationen empfangen werden. Die ersten Legacy Short- und Long Training-Felder (L-STF und L-LTF) sowie das Signalfeld (L-SIG) entsprechen denselben Feldern in 802.11a/b/g. Das unterschiedliche vierte Feld (Zeichen 6 und 7) identifiziert den Rahmen als entweder 802.11n oder 802.11ac. Ein genauerer Blick auf die VHT-Präambel zeigt, dass für Kanäle breiter als 20 MHz die Legacy-Felder für jedes 20-MHz-Subband mit entsprechender Phasendrehung dupliziert werden. In bestimmten Subbändern werden die Subcarrier um 90 oder 180 Grad verschoben, um das Verhältnis der Spitzen- zur mittleren Leistung (Peak-to-Average Power Ratio – PAPR) zu reduzieren. Um eine VHT-Übertragung anzuzeigen und die automatische Erkennung zu ermöglichen, ist das erste Zeichen des VHT- SIG-A BPSK-codiert, während das zweite BPSK mit 90 Grad Rotation (QBPSK) aufweist. Das unterscheidet es vom HT-SIG in 802.11n, wo beide Zeichen QBPSK-Modulation verwenden. Das VHT-SIG-A-Feld enthält die für das Interpretieren von VHT- Paketen erforderlichen Informa- Leistungsmerkmal vorgeschrieben optional Übertragungsverfahren OFDM Kanalbandbreite 20 MHz 40 MHz FFT-Größe 64 128 Daten-Subacarrier / Pilots 52 / 4 108 / 6 Subcarrier-Abstand 312.5 kHz OFDM-Symboldauer 4 ms (800 ns Guard Interval) 3.6 ms (Short Guard Interval) Modulationsarten BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Vorwärts-Fehlerkorerktur BCC – Binary Convolutional Coding Codierraten 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 Unterstützte MCS 0 to 7, 0 bis 15 für Zugangspunkte Räumliche Streams und MIMO 1, 2 für Zugangspunkte Direct Mapping Betriebsmodus / PPDU-Format Legacy/non-HT (802.11a/b/g) Mixed/HT-mixed (802.11a/b/g/n) Tabelle 2: Schlüsselspezifikationen von IEEE 802.11n LDPC – Low Density Parity Check 8 to 76, 16 bis 76 für Zugangspunkte 3 oder 4 Streams Tx-Beamforming, STBC Greenfield/HT-Greenfield (nur 802.11n) hf-praxis 3/2012 19

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