2 Drahtlose Technologien
2.1 Drahtlose persönliche Netzwerke (WPAN)

Drahtlose persönliche Netzwerke basieren auf dem IEEE 802.15-Standard [3-4]. Ihre Konzeption erlaubt die Kommunikation über sehr kurze Entfernungen von etwa 10 Metern. Im Unterschied zu anderen drahtlosen Netzwerken brauchen WPAN nur geringe oder gar keine Infrastruktur. Damit können leistungsfähige und billige Lösungen für eine breite Skala von Geräten, wie zum Beispiel Smartphones und PDA realisiert werden.

WPAN-Netzwerke werden durch einen niedrigen Energiebedarf und eine niedrige Übertragungsrate charakterisiert. Dieser Netztyp nutzt Technologien wie Bluetooth, IrDA (Infrared Data Association), ZigBee oder UWB (Ultrabreitband, engl. Ultra Wide Band). Bluetooth ist für Geräte wie schnurlose Mäuse, Tastaturen und Freisprechanlagen bestimmt. IrDA eignet sich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Geräten zur einfachen Datenübertragung und Dateisynchronisierung. ZigBee wurde für die zuverlässige drahtlose Überwachung des Zustandes des Netzwerkes und seiner Steuerung entworfen und UWB wird für breitbandige Multimedia-Verbindungen genutzt.

Die Bitrate ist die Anzahl von übertragenen oder empfangenen Bits pro Zeiteinheit (bps oder bit/s).

Ein Modem ist ein Gerät, das einem Rechner das Senden und den Empfang von Daten ermöglicht.

Bluetooth

Die Bluetooth-Technologie basiert auf dem Standard IEEE 802.15.1. Ursprünglich wurde Bluetooth für die Kommunikation mit einem niedrigen Energieverbrauch, einer kurzen Reichweite und Senden in alle Richtungen (Punkt-zu-Mehrpunkt) für billige Geräte als Kabelersatz entwickelt. Es verbindet die Geräte mittels Ad-Hoc-Netzen. Zurzeit werden Bluetooth-Komponenten und ‑Systeme für eine Reihe von neuen Anwendungen entworfen. Bluetooth spezifiziert drei unterschiedliche Geräteklassen: Klasse 1 (Reichweite bis zu 100 Metern), Klasse 2 (Reichweite bis zu 10 Metern) und Klasse 3 (Reichweite bis zu 1 Meter). Bei einem Band von 2,4 GHz können zwei Geräte innerhalb ihres Signalabdeckungsbereichs bis zu 720 kbit/s ihrer Kapazität oder Übertragungsrate teilen. Die meistbenutzte Klasse ist die Klasse 2.

Ein Bluetooth-Netz wird auch als Piconetz bezeichnet und besteht aus bis zu 8 aktiven Master-Slave-Geräten. Das erste Bluetooth-Gerät im Piconetz ist der Master, alle weiteren Geräte sind Slaves, die im Netz mittels des Masters kommunizieren. Ein Piconetz hat typischerweise eine Reichweite von 10 Metern, unter idealen Bedingungen können jedoch auch Reichweiten von bis zu 100 Metern erzielt werden. Aus Sicherheitsgründen werden alle Verbindungen verschlüsselt und gegen Abhören und Störung geschützt. Zwei Piconetze können in einem Scatternet verbunden werden. Ein Bluetooth-Gerät kann zugleich an mehreren Piconetzen angeschlossen sein und hat damit die Möglichkeit, dass Informationen über die Reichweite eines einzigen Piconetzes hinaus fließen können. Ein Gerät im Scatternet kann als Slave in mehreren Piconetzen, jedoch als Master nur in einem Piconetz arbeiten.

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Bild 1.2 Bluetooth-Scatternet mit zwei Piconetzen. Der Master im Piconetz A ist ein Slave im Piconetz B.

IrDA

Die Assoziation IrDA spezifiziert einen kompletten Satz von infraroten Kommunikationsstandards. IrDA standardisiert drahtlose Verbindungen von Geräten, die normalerweise durch Kabel verbunden werden. IrDA hat einen niedrigen Energieverbrauch, geringe Kosten und einen schmalen Ausgangswinkel (< 30º). Sie stellt unidirektionale Verbindungen (Punkt-zu-Punkt) für Ad-Hoc-Netze mit einer Reichweite von bis zu 1 Meter und Übertragungsraten von 9600 bit/s bis zu 4 Mbit/s (zurzeit) bzw. 16 Mbit/s (in Entwicklung) bereit. Geräte, die IrDA verwenden, sind beispielsweise Notebooks, PDA, Drucker und Kameras.

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Bild 1.3 IrDA-Kommunikation zwischen PDA und Drucker (Punkt-zu-Punkt)

ZigBee

Die Technologie ZigBee beruht auf dem Standard IEEE 802.15.4 und wurde als ein offener globaler Standard entwickelt, um besondere Bedürfnisse von drahtlosen Netzwerken mit einer einfachen Implementierung und einer hoher Zuverlässigkeit zu erfüllen. Dabei sind Kosten, Energieverbrauch und Übertragungsrate gering. ZigBee arbeitet in unlizenzierten Bändern bis einschließlich 2,4 GHz, 900 MHz und 868 MHz mit einer maximalen Übertragungsrate von bis zu 250 kbit/s, die für drahtlose Übertragungen in Sensoren- und Automatisierungssystemen ausreichend ist.

ZigBee dient auch zum Aufbau großer drahtloser Netzwerke, die keinen hohen Datendurchsatz erfordern. In einem ZigBee-Netz können zwei unterschiedliche Gerätetypen arbeiten – völlig funktionsfähige Geräte FFD (engl. Full-Function Device) und Geräte mit begrenzten Funktionen RFD (engl. Reduced-Function Device). FFD-Geräte können in drei unabhängigen Modi arbeiten: als WPAN-Koordinator, als allgemeiner Koordinator (ZigBee-Router) oder als Endgerät. RFD-Geräte sind für sehr einfache Anwendungen bestimmt, beispielsweise Lichtschalter. ZigBee unterstützt drei unterschiedliche Netztopologien: Stern, Mesh und Cluster-Baum (siehe Bild 1.4). In der Sterntopologie wird die Kommunikation zwischen Geräten und dem zentralen Controller (WPAN-Koordinator) aufgenommen. In der Mesh-Topologie kann jedes Gerät mit einem anderen Gerät kommunizieren, solange sich jedes innerhalb der Reichweite des anderen befindet. Ein Cluster-Baum-Netzwerk stellt einen Sonderfall des Mesh-Netzwerkes dar, in dem die meisten Geräte FFD sind, RFD-Geräte können an das Cluster-Baum-Netzwerk als Endgeräte ohne Möglichkeit weiterer Gabelung angeschlossen werden. Jedes FFD-Gerät kann als Router arbeiten und die Synchronisierung für weitere Geräte und Router sicherstellen. Nur einer dieser Router ist jedoch WPAN-Koordinator.

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Bild 1.4 Struktur eines ZigBee-Netzwerkes

UWB

Die Technologie UWB, die auf dem Standard IEEE 802.15.3 basiert, wird für drahtlose Hochgeschwindigkeits-Kommunikation mit einer kurzer Reichweite in Innenräumen (z. B. Gebäuden, Haushalte) genutzt. Im Unterschied zu den anderen hier genannten Technologien verfolgt UWB einen anderen Zweck. UWB ermöglicht die Übertragung von großen Dateien mit hohen Übertragungsraten über kurze Entfernungen. Die Technologie UWB erreicht Datenübertragungsraten von 110 Mbit/s bis 480 Mbit/s über Entfernungen von bis zu einigen Metern, was den Bedarf der meisten Multimediaanwendungen, wie Audio- und Videoanwendungen für Haushalte, abdecken kann. Sie kann auch als drahtloser Kabelersatz eines seriellen Hochgeschwindigkeits-Busses, wie USB 2.0 oder IEEE 1394 dienen. In Amerika wurde für UWB das Frequenzband ab 3,1 GHz bis 10,6 GHz reserviert. In Europa hat das Frequenzband zwei Teile: von 3,4 GHz bis 4,8 GHz und von 6 GHz bis 8,5 GHz.

Übertragungen mittels UWB geschehen durch Generieren eines Funksignals in gewissen Zeitintervallen, womit jedoch eine große Breite des Frequenzbandes besetzt wird (siehe Bild 1.5). So ermöglichen sie Pulsposition- oder Pulsweitenmodulation. Die Informationen können an UWB-Signale (Pulse) durch Verschlüsselung der Pulspolarität, ‑amplitude und/oder mittels orthogonaler Pulse moduliert werden. UWB-Pulse senden sporadisch mit einer relativ niedrigen Pulsrate, um die Puls‑ oder Positionsmodulation zu unterstützen, aber sie können auch mit Raten gesendet werden, die proportional zu der für die UWB-Pulse reservierten Bandbreite sind.

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Bild 1.5 Gebrauch von UWB-Leistung und ‑Frequenzbandbreite