Wireless-LAN - kurz: W-LAN

Letztmalig dran rumgefummelt: 26.06.18 14:06:34

Warum gibt es so viele Protokolle für drahtlose Kommunikation auf dem Markt? Warum können Bluetooth, Bluetooth Low Energy, WLAN, Zigbee, LoRa, Sigfox, Thread, 6LowPan, MiWi, Z-Wave, ANT und noch ein paar andere sich nicht einfach auf das „beste" Protokoll einigen? Hier Vor- und Nachteile der verschiedenen drahtlosen Verbindungen.

1. Physik für WLAN
2. Fragen zum Thema WWW
3. Als E-Mail durch die Welt
4. Background zum Thema E.Mail
5. Linkliste

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Logo für das W-LAN - also das Wireless-LAN

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

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Physik für WLAN

Wir beginnen mit einem klassischen Anwendungsfall der drahtlosen Kommunikation, der Hausautomatisierung. Sie möchten ein System für Ihr Zuhause entwerfen, mit einem zentralen Mikrocontroller-Steuerungssystem (vielleicht einem Arduino oder Raspberry Pi), vielen Sensoren (Temperatur, Licht, Bewegungsmelder und so weiter) und einigen wenigen Relais zur Steuerung von Beleuchtung oder Jalousien. Weil wir im 21. Jahrhundert leben, möchten Sie dieses System mit Ihrem Smartphone steuern und die Temperatur des Aquariums von Ihrer Arbeit aus (natürlich in den Pausen) kontrollieren. Und da Sie Ihr Heim nicht mit Kabeln zuhängen möchten, muss alles per Funk kommunizieren und die Sensoren sollen batteriebetrieben sein. Welches Protokoll wählen Sie für ein solches Netzwerk und warum?

Funk

Beginnen wir mit einigen Grundlagen, damit wir wissen, wovon die Rede ist. Eine drahtlose Funkverbindung benötigt definitiv zwei Antennen, die die Schnittstellen zwischen einem elektrischen Signal und einer elektromagnetischen Welle darstellen. Das elektrische Signal ist eine Sinuswelle (der Träger), die moduliert ist, um Nullen und Einsen zu übertragen. Je nach Art der Modulation belegt das resultierende Signal einen bestimmten Frequenzbereich um die Trägerfrequenz. Warum ist das wichtig? Weil nicht alles erlaubt ist, was man möchte! Die erlaubten Frequenzbänder sind genau festgelegt. In Europa trägt das Referenzdokument für Short Range Devices (SRD) und lizenzfreie Frequenzbänder den Namen ERC/ REC/70-03. Sie können es leicht im Internet finden. In diesem Dokument werden die bekannten Bänder für Anwendungen der Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz und so weiter definiert. Das Dokument legt nicht nur die erlaubten Frequenzen fest, sondern gibt auch die erlaubten Kanalbreiten, die Sendeleistung und die maximale Nutzungsdauer des Kanals an. Ein Wert von 1 % entspricht beispielsweise 36 s Nutzung pro Stunde. Es legt auch die zu verwendenden Protokolle genau fest. Freies Band bedeutet also nicht Müllband - der Gebrauch ist kostenlos, aber nur unter den Einschränkungen, die jeder respektieren muss.

Wellenlänge
Die Trägerfrequenz f (in Hertz) steht in direktem Zusammenhang zur Länge λ (Lambda) der elektromagnetischen Welle im freien Raum, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c = 3x 101 m/s ausbreitet. Die Beziehung ist einfach: λ = c / f

Bild 1 λ-Generierung - die Länge einer Antenne hängt direkt von der Wellenlänge des des Trägers ab - hier dargestellt eine Dipol- und eine Monopol-Antenne mit Masse-Ebene

Die Wellenlänge eines Signals von 868 MHz beträgt beispielsweise 34 cm, für ein Signal von 2,4 GHz liegt die Wellenlänge bei 12,5 cm. Diese Wellenlänge ist physikalisch sehr wichtig, bestimmt sie doch die Größe der Antennen. In der Praxis weist eine klassische Antenne eine viertel Wellenlänge auf (Bild 1), also 3 cm bei 2,4 GHz oder 8,5 cm bei 868 MHz. Antennen, die Materialien wie Keramik verwenden, können kleiner sein, aber das zu berücklsichtigen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Behalten Sie nur im Gedächtnis, dass Antennen umso länger sind, je niedriger die Frequenz ist.
Was ist Leistungsübertragung? Funkfreunde benutzen oft eine etwas exotische Maßeinheit, das Dezibel (dB). Laut Definition ist das Dezibel der Logarithmus eines Verhältnisses zweier Leistungen, multipliziert mit 10:

dB = 10 log(Po~,/P~n)

Ein Wert in dB ist ein Verhältnis und besitzt demzufolge keine Dimension. Wenn Sie eine absolute Größe wie eine Leistung quantifizieren wollen, müssen Sie sie in Bezug auf etwas spezifizieren und einen Kleinbuchstaben nach dem dB angeben. Zum Beispiel bedeutet dBm per definitionem eine Leistung relativ zu 1 mW: dBm = 10 log(P) [mW] Aber warum wird das durch Logarithmen verkompliziert? Weil sich dadurch die Verstärkung einer Schaltungskette leicht berechnen lässt, denn man muss nur die Einzelverstärkungen in dB addieren, weil ja der Logarithmus eines Produkts nur die Summe der Logarithmen der Faktoren ist.
Zurück zur Ausgangsfrage und dem Funk: Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Sender mit der Leistung P_,. Das Signal wird von einer Antenne übertragen, die eine Verstärkung G., aufweist. Das Funksignal wird zwischen den beiden Antennen durch den Dämpfungsfaktor F abgeschwächt, dann erreicht es die Empfangsantenne mit ihrer Verstärkung G.,, bevor es vom Empfänger verarbeitet wird.
Die Dämpfung fließt meist als Freiraumdämpfungsfaktor FFSPL (FreeSpacePathLoss) in die Berechnung ein. Wie stark das Signal ist, das den Empfänger erreicht, lässt sich sehr leicht dank der Dezibel-Notation berechnen (Bild 2):

Prx, dBm - Ptx, dBm + Gcx, dB - F,SPL, dB + G,x, dB Die empfangene Leistung ist ausreichend, wenn sie oberhalb dessen liegt, was die Empfindlichkeit des Empfängers genannt wird.
Die Dämpfung des Signals zwischen zwei Antennen hängt von vielen Faktoren ab: Abstand, Hindernisse, Polarisationen und mehr. Bleiben wir bei dem einfachen Fall des „freien Raums", der zwei gegenüberliegende Antennen im Weltraum beschreibt. Hier hängt der Freiraumverlust nur von der Entfernung zwischen den zwei Antennen ab. Verdoppelt sich die Distanz, vervierfacht sich der Verlust (tatsächlich steigt er um etwas über 6 dB, weil 10 log(4) = 6,02). Warum? Einfach deshalb, weil sich die emittierte Leistung effektiv über die Oberfläche einer Kugel verteilt, deren Fläche sich vervierfacht, wenn sich der Radius verdoppelt. Nur auf den ersten Blick überraschenderweise hängt der Verlust auch von der Frequenz ab, und zwar in der gleichen Größenordnung: 6 dB mehr Verlust, wenn sich die Frequenz verdoppelt. Warum? Einfach deshalb, weil die Antenne mit steigender Frequenz immer kleiner wird. Wer sich für Formeln begeistert, kann dies anhand der Friis-Formel (Internet!) überprüfen.
In der gleichen Entfernung erfasst eine 2,4-GHz-Antenne eine kleinere Fläche als eine 868-MHz-Antenne, einfach weil sie dreimal kleiner ist. Wollen Sie ein Signal über eine weite Strecke übertragen, wählen Sie lieber eine niedrigere Frequenz. Allerdings ist es schwieriger, eine größere Antenne in ein kleines Gerät zu integrieren.

2. Fragen zum Thema E-Mail

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4. Background zum Thema E-Mail

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E-Mail für Schüler

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... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus (das haben wir schon den Salat - und von dem weiß ich!) nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

	Wir beginnen mit einem klassischen Anwendungsfall der drahtlosen Kommunikation, der Hausautomatisierung. Sie möchten ein System für Ihr Zuhause entwerfen, mit einem zentralen Mikrocontroller-Steuerungssystem (vielleicht einem Arduino oder Raspberry Pi), vielen Sensoren (Temperatur, Licht, Bewegungsmelder und so weiter) und einigen wenigen Relais zur Steuerung von Beleuchtung oder Jalousien. Weil wir im 21. Jahrhundert leben, möchten Sie dieses System mit Ihrem Smartphone steuern und die Temperatur des Aquariums von Ihrer Arbeit aus (natürlich in den Pausen) kontrollieren. Und da Sie Ihr Heim nicht mit Kabeln zuhängen möchten, muss alles per Funk kommunizieren und die Sensoren sollen batteriebetrieben sein. Welches Protokoll wählen Sie für ein solches Netzwerk und warum?
	Funk Beginnen wir mit einigen Grundlagen, damit wir wissen, wovon die Rede ist. Eine drahtlose Funkverbindung benötigt definitiv zwei Antennen, die die Schnittstellen zwischen einem elektrischen Signal und einer elektromagnetischen Welle darstellen. Das elektrische Signal ist eine Sinuswelle (der Träger), die moduliert ist, um Nullen und Einsen zu übertragen. Je nach Art der Modulation belegt das resultierende Signal einen bestimmten Frequenzbereich um die Trägerfrequenz. Warum ist das wichtig? Weil nicht alles erlaubt ist, was man möchte! Die erlaubten Frequenzbänder sind genau festgelegt. In Europa trägt das Referenzdokument für Short Range Devices (SRD) und lizenzfreie Frequenzbänder den Namen ERC/ REC/70-03. Sie können es leicht im Internet finden. In diesem Dokument werden die bekannten Bänder für Anwendungen der Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz und so weiter definiert. Das Dokument legt nicht nur die erlaubten Frequenzen fest, sondern gibt auch die erlaubten Kanalbreiten, die Sendeleistung und die maximale Nutzungsdauer des Kanals an. Ein Wert von 1 % entspricht beispielsweise 36 s Nutzung pro Stunde. Es legt auch die zu verwendenden Protokolle genau fest. Freies Band bedeutet also nicht Müllband - der Gebrauch ist kostenlos, aber nur unter den Einschränkungen, die jeder respektieren muss.
	Wellenlänge Die Trägerfrequenz f (in Hertz) steht in direktem Zusammenhang zur Länge λ (Lambda) der elektromagnetischen Welle im freien Raum, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c = 3x 101 m/s ausbreitet. Die Beziehung ist einfach: λ = c / f *Bild 1 λ-Generierung - die Länge einer Antenne hängt direkt von der Wellenlänge des des Trägers ab - hier dargestellt eine Dipol- und eine Monopol-Antenne mit Masse-Ebene* Die Wellenlänge eines Signals von 868 MHz beträgt beispielsweise 34 cm, für ein Signal von 2,4 GHz liegt die Wellenlänge bei 12,5 cm. Diese Wellenlänge ist physikalisch sehr wichtig, bestimmt sie doch die Größe der Antennen. In der Praxis weist eine klassische Antenne eine viertel Wellenlänge auf (Bild 1), also 3 cm bei 2,4 GHz oder 8,5 cm bei 868 MHz. Antennen, die Materialien wie Keramik verwenden, können kleiner sein, aber das zu berücklsichtigen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Behalten Sie nur im Gedächtnis, dass Antennen umso länger sind, je niedriger die Frequenz ist. Was ist Leistungsübertragung? Funkfreunde benutzen oft eine etwas exotische Maßeinheit, das Dezibel (dB). Laut Definition ist das Dezibel der Logarithmus eines Verhältnisses zweier Leistungen, multipliziert mit 10: dB = 10 log(Po~,/P~n) Ein Wert in dB ist ein Verhältnis und besitzt demzufolge keine Dimension. Wenn Sie eine absolute Größe wie eine Leistung quantifizieren wollen, müssen Sie sie in Bezug auf etwas spezifizieren und einen Kleinbuchstaben nach dem dB angeben. Zum Beispiel bedeutet dBm per definitionem eine Leistung relativ zu 1 mW: dBm = 10 log(P) [mW] Aber warum wird das durch Logarithmen verkompliziert? Weil sich dadurch die Verstärkung einer Schaltungskette leicht berechnen lässt, denn man muss nur die Einzelverstärkungen in dB addieren, weil ja der Logarithmus eines Produkts nur die Summe der Logarithmen der Faktoren ist. Zurück zur Ausgangsfrage und dem Funk: Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Sender mit der Leistung P_,. Das Signal wird von einer Antenne übertragen, die eine Verstärkung G., aufweist. Das Funksignal wird zwischen den beiden Antennen durch den Dämpfungsfaktor F abgeschwächt, dann erreicht es die Empfangsantenne mit ihrer Verstärkung G.,, bevor es vom Empfänger verarbeitet wird. Die Dämpfung fließt meist als Freiraumdämpfungsfaktor FFSPL (FreeSpacePathLoss) in die Berechnung ein. Wie stark das Signal ist, das den Empfänger erreicht, lässt sich sehr leicht dank der Dezibel-Notation berechnen (Bild 2): Prx, dBm - Ptx, dBm + Gcx, dB - F,SPL, dB + G,x, dB Die empfangene Leistung ist ausreichend, wenn sie oberhalb dessen liegt, was die Empfindlichkeit des Empfängers genannt wird. Die Dämpfung des Signals zwischen zwei Antennen hängt von vielen Faktoren ab: Abstand, Hindernisse, Polarisationen und mehr. Bleiben wir bei dem einfachen Fall des „freien Raums", der zwei gegenüberliegende Antennen im Weltraum beschreibt. Hier hängt der Freiraumverlust nur von der Entfernung zwischen den zwei Antennen ab. Verdoppelt sich die Distanz, vervierfacht sich der Verlust (tatsächlich steigt er um etwas über 6 dB, weil 10 log(4) = 6,02). Warum? Einfach deshalb, weil sich die emittierte Leistung effektiv über die Oberfläche einer Kugel verteilt, deren Fläche sich vervierfacht, wenn sich der Radius verdoppelt. Nur auf den ersten Blick überraschenderweise hängt der Verlust auch von der Frequenz ab, und zwar in der gleichen Größenordnung: 6 dB mehr Verlust, wenn sich die Frequenz verdoppelt. Warum? Einfach deshalb, weil die Antenne mit steigender Frequenz immer kleiner wird. Wer sich für Formeln begeistert, kann dies anhand der Friis-Formel (Internet!) überprüfen. In der gleichen Entfernung erfasst eine 2,4-GHz-Antenne eine kleinere Fläche als eine 868-MHz-Antenne, einfach weil sie dreimal kleiner ist. Wollen Sie ein Signal über eine weite Strecke übertragen, wählen Sie lieber eine niedrigere Frequenz. Allerdings ist es schwieriger, eine größere Antenne in ein kleines Gerät zu integrieren.