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26.11.1993

Funkuebertragung erfordert genaue Sicherheitsmassnahmen Drahtlose Techniken ergaenzen den Datentransfer ueber Kabel

Eigentlich begann es vor mehr als 100 Jahren digital: Nach der Entdeckung der elektromagnetischen Welle im Raum wurde schnell ein Weg gefunden, Informationen mit Hilfe des Morse-Alphabets drahtlos zu uebermitteln. Seitdem haben sich die Moeglichkeiten der drahtlosen Uebertragung erweitert. Wolfgang Riegelmayer* gibt einen Ueberblick zum Stand der Technik.

Die Entwicklung im Funk ging einher mit der Erschliessung des elektromagnetischen Spektrums, so dass auch der Grenzbereich der optischen Uebertragungen mit Laser und Infrarot einzuschliessen ist. Der gesamte Bereich an unterschiedlich zu belegenden Frequenzen der elektromagnetischen Welle - die Schwingungen pro Sekunde werden in Hertz angegeben - wird je nach Wechselwirkung mit der Umwelt und Ausbreitungsmerkmalen sowie spezifischen Sende- und Uebertragungstechniken unterteilt in Kategorien von Lang- ueber Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwelle in Kilohertz und Megahertz bis hin zu Mikrowellen in Gigahertz.

Von Anfang an stand die Mehrfachnutzung des Nachrichtentraegers Aether im Vordergrund, von der es heute prinzipiell drei Formen gibt, auch in Kombination miteinander, naemlich die der Frequenz-, Zeit- und der "raeumlichen" Unterteilung und Wiederverwendung. Das Ergebnis sind sowohl bidirektional nutzbare Kanaele zwischen paarweisen Benutzern als auch omnidirektionale Ausbreitungen wie im Rundfunk beziehungsweise unidirektionale wie im Richtfunk. Aehnlich verhaelt es sich auch bei den Buendeltechniken (Multiplexing) der Drahtnetze.

Das Traegermedium Aether ist und bleibt unzuverlaessig

Ein Funkkanal selbst kann niemals als ein Stueck Draht betrachtet werden, auch nicht als ein besonders schlechtes. Allgegenwaertig sind Stoerungen wie natuerliches Rauschen und Rauschen von Nachbarkanaelen durch Wiederverwendung und Gleichwellensender, Verluste durch Abschattungen, Schwund und Signaleinbrueche durch Interferenzen und schliesslich die allgemeine Ausbreitungsdaempfung in der Luft. Kurzum, das Traegermedium Aether ist und bleibt unzuverlaessig (vgl. Abbildung 1).

Es sind im Funk also immer weitergehende Massnahmen zur Sicherstellung und Aufrechterhaltung der Kommunikation zu treffen.

Hier bedient man sich heutzutage vorauswirkender Fehlerschutzverfahren, die allesamt ohne Uebertragungswiederholungen auskommen, also auch fuer Richtungsuebertragungen verwendbar sind. Allerdings sind sie nicht sehr effektiv, das heisst, sie liefern nur eine reduzierte Fehlerrate, so dass auf zusaetzliche Methoden bei wichtigen Datenuebertragungen nicht verzichtet werden sollte. Die Fehlerschutzverfahren reduzieren ausserdem die Bandbreite, was gerade bei den spaeter noch vorgestellten Funk-LANs die Bruttouebertragungsrate erheblich geringer ausfallen laesst als bei Draht.

Die Reichweite ist - aehnlich wie bei Drahtnetzen natuerlich relativ: Mit entsprechendem Aufwand im Empfangsgeraet laesst sich ein noch so schwacher Sender aufspueren beziehungsweise mit grosser Sendestaerke ein weniger empfindlicher Empfaenger erreichen, was in beiden Faellen mit Kosten verbunden ist. Umgekehrt wird so irgendwann jeder Sender zum Stoerer von anderen Kommunikationsbeziehungen. Es kommt auch ein weiterer Aufwand an Kanaltrennung, Rauschfilterung etc. hinzu.

Gemessen am drahtgebundenen Verkehr wird weniger als ein Prozent der Sprachkommunikation per Funk abgewickelt. Dabei sind die modernen Zellularsysteme fuer Massenverkehr schon drahtgestuetzt, das heisst, nur der Zugang erfolgt ueber Funk, dann erfolgt die Uebertragung meist via Kabelnetz. Es gilt also bei der Ressource Aether unbedingt das Gebot der Frequenzoekonomie und Spektrumseffizienz einzuhalten. Erzielt werden kann dieser Effekt durch maximal vertretbare Kanalauslastung, geringen Daten-Overhead und Bandbreitenbedarf je Uebertragungskanal, spezielle Codiertechniken etc.

Alle konventionellen Funksysteme, die zur Sprachuebertragung bestimmt sind, eignen sich weniger zur Datenuebertragung. Beim Uebertragungsmedium Draht werden naemlich mittels zusaetzlich vorgeschalteter Modulation und Demodulation urspruenglich digitale Datensignale im Sprechfunkkanal uebertragen - mit vielen Problemen: Waehrend etwa die Verstaendlichkeit bei schlechten Verbindungen im Sprechfunk noch gegeben ist, koennen Datenuebertragungen ohne weiteren Sicherungsaufwand vollkommen verfaelscht werden und sind dann nicht weiter verwertbar.

Selbst die ueblichen Protokolle zur Uebertragungssicherung versagen meistens, so dass dem Stoerverhalten des Funkkanals angepasste Verfahren zusaetzlich eingebracht werden muessen. Auch besondere vermittlungstechnische Aspekte wie Verlassen oder Erreichen eines Versorgungsgebietes etwa mit einer anderen Uebertragungsfrequenz in zum Beispiel zellularen Systemen kommen als Hindernis hinzu.

Die ueblichen Protokolle versagen meist im Aether

Daten in eine Richtung ohne Quittung zu uebertragen ist nicht neu. Bekanntestes Beispiel ist der Videotext, wo Fernsehabstrahlungen in ihren sogenannten Austastluecken oeffentlich zugaenglich oder speziell codierte Informationen mit uebertragen. Aehnliches erfolgt beim neuen Radio-Daten-System, kurz RDS, jedoch in Zusatztraegertechnik. Nur ein Meldeempfang, aber dann adressiert an einen bestimmten Empfaenger, wird bei den sogenannten Paging- Systemen durchgefuehrt, die sogar zellenartig und in zyklischer Zeitschlitz-Zuordnung wie beim Cityruf hierzulande und dem zukuenftigen europaweiten Ermes organisiert sind. Schnell brauchen solche Systeme nicht zu sein, da nach dem Empfang die Informationen gespeichert werden und so erst zum spaeteren Zeitpunkt abrufbar sind.

Der umgekehrte Fall sind die Ortungs- und auch Notrufsysteme per Funk. Im wesentlichen handelt es sich dabei um Signallaufmessungen von Aussendungen mehrerer synchronisierter Sender oder Aussendungen eines Mobilsenders durch mehrere Feststationen. Die flaechendeckend wirksamen Satellitensysteme in West (GPS) und Ost (Glonass) ermoeglichen mittlerweile eine Genauigkeit im dreidimensionalen Raum von zehn Metern. Mobilstationen sind so dirigierbar, dass eine Flaechenversorgung schon mit einer geringen Anzahl erzielt wird. Dies fuehrt zu den sogenannten zellularen Systemen, wo die Versorgung mit festen, sogenannten Basisstationen erfolgt. Dabei entstehen zweidimensionale Versorgungszellen, die zu weiteren Einheiten, Cluster genannt, zusammengefasst werden, je nachdem, ab wann eine abstandsbedingte Frequenzwiederholung erforderlich wird. Hier hat sich die Zahl sieben als die frequenzoekonomischste und spektrumseffizienteste erwiesen (vgl. Abbildung 2).

Innerhalb eines Kanals wird dann eine weitere Aufteilung nach dem Zeit-Multiplexing (Time Division Multiple Access = TDMA) vorgenommen, so dass sich die nutzbare Kanalanzahl vervielfacht. Gehandhabt wird das Ganze einschliesslich der Telefon- Signalisierung ueber einen Organisationskanal, ueber den auch das Weiterreichen von Zelle zu Zelle, das heisst von Basisstation zu Basisstation, und die neue Kanalzuweisung erfolgt. Dazu wird das Funksystem durch eine umfangreiche Vernetzung per Draht, Richtfunk und Intelligenz in sogenannten Mobile-Switching-Centern bereitgehalten. Ferner ist eine Bewegungsverfolgung notwendig, damit ein Mobilteilnehmer beim Anwaehlen auch gefunden werden kann (Roaming). Zur Datenuebertragung lassen sich zellulare Systeme wie das C-Netz und spaeter folgend die digitalen D1- und D2-Netze nach GSM-Standard sowie das E1-Netz nach DCS1800 ebenfalls mittels Modem benutzen. Doch ist hier neben den die Netto- Uebertragungsraten reduzierenden Quantisierungsverzerrungen auch mit Zelleneffekten zu rechnen, vor allem in der Bewegung. Dies sind zum Beispiel kurzfristige Un- terbrechungen wegen Hand- over, die als Knacken ein Funkgespraech nicht stoeren wuerden.

Deshalb wurden von Anfang an bei der Normung von GSM spezielle Kanaltechniken fuer reine Datendienste vorgesehen, einschliesslich solcher, die den wenig ausgelasteten Organisationskanal fuer Datenuebertragungen mitbenutzen. Hierzu soll es naechstes Jahr erste Angebote geben, die sich an den Festnetzloesungen der Telekom orientieren.

Quasizellular sind die modernen digitalen Buendelfunk-Systeme nach dem MPT1327-Standard und der von der Telekom derzeit eingefuehrte Modacom-Dienst zur reinen Datenuebertragung. In beiden Faellen wird mittels Grossfunk-Zellen eine Flaechenversorgung erzielt, wenn auch eine lueckenhafte, und deshalb auch kein funkvermitteltes Handover vorgenommen. Fuer begrenzt mobile Stationen, vor allem waehrend der Uebertragung, ist dies ausreichend. Ferner kann entsprechende Vorsorge in den Uebergaengen sowie Protokollen der Anwendungen getroffen werden.

Im zuerst genannten, nichtoeffentlichen Buendelfunk unterschiedlicher Betreiber wird ein sogenannter Short-Message- Service angeboten, welcher in Form 184 KB grosser Funktelegramme im Organisationskanal ablaeuft. Dieser Kanal dient eigentlich der Steuerung von kommandoartigen Halbduplex-Wechselgespraechen von begrenzbarer Dauer fuer bestimmte Bedarfstraeger in Wirtschaftsregionen. Weitere Uebertragungsformen zum Beispiel mittels Modem fuer Spezialanwendungen sind denkbar beziehungsweise befinden sich in der Standardisierung.

Bei Modacom wird auf paketweise Funkuebertragung und Vermittlung von Daten gesetzt, was natuerlich die Sprachuebertragung mit ihrem Echtzeiterfordernis ausschliesst. Fuer den Uebergang aus dem Datex-P- Netz stehen Gateways zur Verfuegung, so dass neben dem bekannten, einfachen PAD-Zugang auch per X.25 und mit logischer Mehrfach- Kanalbildung einzelne oder Gruppen angefunkt werden koennen. Dies erfordert allerdings eine spezielle Endgeraetetechnik, da hier eine andere, systemspezifische Schnittstelle vorgesehen ist. Diese "Luft-Schnittstelle" beinhaltet eine Erweiterung im Funkprotokoll, die spezielle Anwendungen wie etwa zu Flottensteuerungen zulaesst.

Eher schon historisch sind die geostationaeren Satellitensysteme. Hier laesst sich eine terrestrische Leitung durch eine gebuendelte Funkstrecke, genauer Up- und Down-Beam, kostenguenstig ersetzen. Dies kann auch bei kleinen Entfernungen fuer grosse Uebertragungsraten interessant werden, wenn das Risiko des Satellitenausfalls tragbar ist.

Beim VSAT-System (Very Small Aperture Terminal) handelt es sich im Prinzip um ein Mehrfach-Zugangsverfahren, aehnlich wie bei LANs. Entsprechend wurden die Technologien weiterentwickelt. Bei den meisten heute angebotenen Produkten senden die Stationen nicht - ungeordnet oder geordnet - auf einem Einheitskanal fuer alle Stationen wie zum Beispiel im Ethernet oder Token Ring. Vielmehr werden normative Netzelemente auf einer Funkstrecke abgebildet, so dass das urspruengliche Draht-LAN erhalten bleiben muss, wenn auch reduziert. Beispiele im Ethernet sind die LAN-Extensions oder Transceiver-Strecken. Eine andere Form sieht ueberbrueckende Ankopplungstechniken vor, wie es bei der logischen Strukturierung von grossen LANs unter Beruecksichtigung der hoeheren Protokolle der Fall ist.

Zu den Radio-LANs gehoeren zum Beispiel solche nach dem Spread- Spectrum-Verfahren, die einen Stationsanschluss direkt im Funkkanal ausweisen und somit ohne versorgende Elemente auskommen. Einem LAN ist dann ein spezifischer Verschachtelungscode zugewiesen, so dass sich die Stationen untereinander per logischem Adressierungsverfahren - wie im gemeinsamen Kabel - paarweise oder auch mehrere gleichzeitig erreichen.

Sogar zu den remoten Workstations und Access-Server-Techniken werden mittlerweile vergleichbare Loesungen angeboten. Nennenswert sind natuerlich auch diejenigen Verfahren mit wenig Aufwand, die ganz offiziell die Fernstrecke zwischen LANs wie fuer jede andere kabelgebundene Datenverbindung per Richtfunkstrecke verknuepfen, auch optisch per Laser oder Infrarot. Offiziell fallen diese unter dasselbe gesetzliche Regulativ wie die Funk-Richtfunksysteme, insbesondere wenn sie outdoor und grundstuecksueberschreitend sind. Sie sind also bei Erfuellung entsprechender Voraussetzungen zumindest als private Uebertragungswege fuer den Ortsbereich zulaessig.

Ein- oder mehrkanalige Richtoptik ist die gleiche, einfach zu installierende Technik, wie sie im extremen Nahbereich fuer die Peripherie-Ankopplung von Drucker, Maus, etc. verwendet werden. Sogar LAN-Ankopplungen sind moeglich, wozu sich das bidirektionale Lobe-Kabel des Stationsanschlusses im Token Ring anbietet. Es ist aber immer wegen der Ausbreitungscharakteristik eine weitgehende Ausrichtung zwischen den Stationen notwendig, wobei mindestens eine fest ist. Gegebenenfalls lassen sich so sogar zellenartige Versorgungen wie fuer Datenfunkterminals der mobilen Datenerfassung realisieren, aber dann nur mit niedrigen Uebertragungsraten, womit wir wieder bei den Datenfunksystemen am anderen Ende des Frequenzspektrums angelangt sind. Diese sind aber inhouse immer strikt dem Regulativ unterworfen.

Bei der Vielzahl von Moeglichkeiten und schwierigen Einflussfaktoren werden also drahtlose Techniken nur eine Ergaenzung zu Uebertragungsformen per Kabel sein, dann aber mit viel Sinn unter Wahrung der Wirtschaftlichkeit fuer den Nutzer.