Das Alohanet wurde 1970 unter der Leitung von Norman Abramson an der Universität von Hawaii entwickelt.

Dem WLAN wurde das lizenzfreie Frequenzband bei 2,4 GHz zugesprochen.

Ein ZigBee-Netzwerk besteht aus Routern ( Full Function Devices ) die eine Baum- oder Meshtopologie bilden. Ein Router innerhalb dieses Netzwerks übernimmt die Rolle des Koordinators.

Mit dem Trend zu mehr Mobilität und flexiblen Arbeitsbedingungen verbreiten sich Drahtlosnetzwerke auch zunehmend in der Industrie. Dabei sind Aspekte wie Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit oder hohe Datenraten besonders wichtig. Der erste Teil dieses Artikels behandelt die Grundlagen verschiedener Funktechnologien. (Artikel als ePaper lesen)

Die Idee von Funknetzwerken ist nicht neu. Die Entwicklung von Ethernet, der heute weit verbreiteten drahtgebundenen LAN-Technologie basiert auf dem experimentellen Funknetzwerk Aloha. 1970 machte sich Norman Abramson Gedanken um die Vernetzung der einzelnen Institute der Universität von Hawaii. Diese lagen auf vier Inseln verteilt, was das Verlegen von Telefonkabeln wegen Kostengründen ausschloss. Abramson verteilte Funkmodems auf den Inseln und baute eine sternförmige Netzwerkstruktur, die er Aloha taufte. Dabei sendete die Basisstation auf einer Frequenz und die Clients auf den umliegenden Inseln teilten sich eine andere Frequenz.ion]

Vom Pionier zum 802.11-Standard. Anfang der neunziger Jahre folgten die ersten kommerziellen Funklösungen, die nun auch für die Industrie interessant wurden. Diese Systeme hatten jedoch die Nachteile, dass sie nur geringe Distanzen und Datenraten erzielten und untereinander nicht kompatibel waren. Erst 1997 verabschiedete ein IEEE-Komitee (Institute of Electrical and Electronics Engineers) den einheitlichen Funkstandard 802.11. Dem WLAN (siehe Glossar) wurde das lizenzfreie Frequenzband bei 2,4GHz zugesprochen. Ausserdem führte der zunehmende Konkurrenzdruck zwischen den Herstellern dazu, dass Wireless-Netzwerkprodukte erstmals für kleinere Unternehmen und Privatleute erschwinglich wurden. Die Entwickler des 802.11-Standards legten grossen Wert auf Mobilität, Abhörsicherheit und Energieverbrauch. So schaffte 802.11 auch den Einzug in die Welt der Notebooks und PDAs. Die Verringerung des Energieverbrauchs stellt noch immer eine Herausforderung dar. Während das Alohanet noch 9600Bits pro Sekunde übertrug, schaffte der neue 802.11-Standard 1997 bis zu 2Mbit/s. Die kontinuierlichen Verbesserungen haben für die Zukunftstauglichkeit des Funkstandards gesorgt.

Aufbau eines Netzwerkes. Ein WLAN kann in verschiedenen Formen, je nach Bedarf und Ausdehnung, aufgebaut werden. Die einfachste Form bilden zwei Clients, die miteinander über denselben Kanal kommunizieren. Nun können weitere Clients in die Reichweite der ersten beiden gebracht werden, die ebenfalls auf demselben Kanal kommunizieren. Diese zellulare Struktur kann theoretisch bis zu etwa 20 Clients (Zellen) sinnvoll fortgeführt werden. Systeme, deren Zellen sich überlappen und auf demselben Kanal arbeiten, können untereinander Daten austauschen und bilden wiederum eine gemeinsame Zelle. Die gebildeten Zellen stehen für sich alleine und besitzen keine Anbindung an ein vorhandenes Netzwerk. In der IEEE-Nomenklatur wird diese Grundform als Independent Basic Service Set (IBSS) bezeichnet. Zudem hat das IEEE den Begriff «Ad-hoc-Netzwerk» eingeführt, da es sich um eine spontane drahtlose Vernetzung handelt, die in der Praxis kurzfristig und ohne Planung umgesetzt werden kann. Für eine flächendeckende Versorgung können mehrere BSS (Zellen) platziert werden, die über ein gemeinsames Verteilersystem (DS: Distribution System) vernetzt werden. Dabei entsteht ein Extended Service Set (ESS). Diese Form des WLAN lässt sich theoretisch unbegrenzt ausbauen und setzt in der Regel eine Planung voraus.ion]

Accesspoint. Das Bindeglied zwischen dem Distribution System und einer BSS ist der Acess-Point. Für eine Flächendeckende Versorgung werden mehrere Access-Points platziert, die miteinander über das DS verbunden sind. Diese werden so angeordnet, dass sich die einzelnen BSS überlappen und so eine lückenlose Versorgung sicherstellen. Im Gegensatz zum ad-hoc-Netzwerk arbeiten benachbarte BSS auf unterschiedliche Kanälen. Beim Datenaustausch von zwei WLAN-Clients, die sich nicht im selben BSS befinden, werden die Daten über das Distribution System an den entsprechenden Accesspoint weitergeleitet, der sie wiederum an seine BSS leitet, damit sie letztendlich den WLAN-Client erreichen.

Bluetooth. Ein weiterer Standard, der sich bei der drahtlosen Datenübertragung etabliert hat, ist Bluetooth. Es handelt sich dabei um eine Nahbereichsfunktechnologie für kleine Übertragungsstrecken bis etwa 10m. Man spricht hier vom Personal Area Network (PAN). Was bei der Entwicklung von Bluetooth im Vordergrund stand, war die Funkanbindung von mobilen oder feststehenden Geräten über geringe Distanzen, wobei dies über eine robuste, wenig komplexe und kostengünstige Lösung erfolgen soll. Die eigentliche Bluetooth-Hardware ist kompakt und zeichnet sich durch eine geringe Leistungsaufnahme aus, sodass sie sich gut in portable Geräte implementieren lässt.

Die Entstehung von Bluetooth. 1998 gründeten Ericsson, Nokia, IBM, Intel und Toshiba die Bluetooth Special Interest Group (SIG) mit dem Ziel eine Spezifikation zu erarbeiten, die den drahtlosen Datenaustausch im Nahbereich ermöglicht. Mittlerweile sind mehr als 8000 Firmen Mitglied der SIG. 1999 wurde die erste Bluetooth-Spezifikation veröffentlicht und im Jahr 2000 kamen die ersten Geräte auf den Markt. Eine überarbeitete Spezifikation folgte 2001. Heute ist Bluetooth ein IEEE-Standard.

Bluetooth-Netzwerke. Die einfachste Form eines Bluetooth-Netzwerkes ist das Piconet. Hierbei bildet ein Gerät den Master und das andere den Slave, wobei diese Zuteilung zufällig erfolgt. Es können bis zu sieben aktive Geräte als Slave aufgenommen werden. Die Kommunikation erfolgt immer über den Master, da direkte Verbindungen zwischen den Slaves nicht möglich sind. Neben den sieben aktiven können noch bis zu 255 passive Slaves in einem Piconet vorkommen. Diese horchen die Daten des Masters ab und sind nicht an der laufenden Kommunikation beteiligt. Mehrere Piconets, deren Reichweiten sich überlappen, bilden ein Scatternet. Die Slaves kommunizieren über die jeweiligen Master, wobei jedes Piconet nur einen Master besitzt. Die Slaves können an verschiedenen Piconets partizipieren.

Stromsparmodi. Nachdem ein Bluetooth-Gerät in einem Piconet aufgenommen ist, kann über vier Betriebsmodi bestimmt werden, inwiefern es an der Kommunikation teilnimmt. Der Leistungsverbrauch ist dabei wesentlich vom Betriebsmodus abhängig. Im Aktiv-Modus tauscht ein Bluetooth-Gerät Pakete mit der Gegenstelle aus. Diesen Betriebsmodus nehmen alle normal verbundenen Geräte ein. Die Slaves reagieren regelmässig auf Aufforderung vom Master und senden diesem gewisse Antwort-Pakete, auch wenn eigentlich keine Kommunikation stattfindet. Im Sniff-Modus reagiert der Slave nicht ständig auf Pakete des Masters und dieser akzeptiert, dass auf bestimmte Pakete keine Antworten erfolgen. Während des Hold-Modus werden nur SCO-Verbindungen (siehe Glossar) aufrecht gehalten, die dafür sorgen, dass keine anderen Dienste einen Zeitschlitz belegen können und so Verzögerungen verursachen könnten.ion]

ZigBee. Der offene Funknetzstandard ZigBee ermöglicht eine drahtlose Verbindung auf Kurzstrecken von 10 bis 100m. Diese Technologie wurde entwickelt um Funkschalter und -sensoren an schwer zugänglichen Stellen betreiben zu können. Ende 2002 wurde die ZigBee-Allianz gegründet der bereits über 230 Unternehmen angehören. Die Ziele dieses Standards sind neben einem geringen Energieverbrauch vor allem die Stabilität und Sicherheit der Verbingungen. Aufgrund der geringen Reaktionszeiten ist ZigBee auch für den industriellen Einsatz in Echtzeitanwendungen geeignet. Ein Netzwerk besteht aus Routern (Full Function Devices) die eine Baum- oder Meshtopologie bilden. Ein Router innerhalb dieses Netzwerks übernimmt zusätzlich die Rolle des Koordinators. Er gibt grundlegende Parameter vor und verwaltet das Netz. Einfache Geräte, wie Sensoren, melden sich an einem Router an und bilden mit ihm eine Sterntopologie. Da diese nur einen Teil der ZigBee-Protokolle umsetzen, werden sie Reduced Function Devices genannt.

Adressierungsmodi. Der ZigBee-Standar unterstützt zwei Adressierungsmodi. Wenn Node und Endpoint der Gegenseite angegeben werden, spricht man von direkter Adressierung. Bei der indirekten Adressierung vergibt der Koordinator Adressen an die Nodes. Diese werden mit der dazugehörigen MAC-Adresse in einer Tabelle abgelegt. Wollen Nodes untereinander kommunizieren, so wird eine Anfrage an den Koordinator gesendet, der sie an den entsprechenden Node weiterleitet. Für jede Verbindung wird in einer Tabelle ein Eintrag angelegt. Diese Methode erleichtert die Verwaltung des Netzwerks und macht es flexibler. Funktionen von neuen Geräten können schnell hinzugefügt oder bestehende einfach ersetzt werden. Da der Koordinator alle Informationen in einem flüchtigen Speicher hält, ist bei einem Ausfall das ganze Netz gefährdet. Als Abhilfe können die Router so konfiguriert werden, dass sie im Fehlerfall die Aufgabe des Koordinators übernehmen.

Anwendung. ZigBee eignet sich vor allem für grössere Netze mit hunderten oder gar mehreren Tausend Nodes. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Um dies auf Applikationsebene zu erreichen werden Gerätefunktionen für eine bestimmte Anwendung in Applikationsprofilen definiert. Es gibt von der ZigBee-allianz verabschiedete «Public Profiles» und «Private Profiles», die von Anwendern selbst kreiert wurden. Jeder ZigBee-Knoten beinhaltet ein oder mehrere ZigBee-Applikationsprofile.

Zweiter Teil des Artikels.