Technologievergleich: Frequency Hopping versus Direct Sequence

27.11.2002
Die Wirtschaftlichkeit entscheidet - Nachdem die Restriktionen der Gesetzgebung wegfielen und sich die Branche zudem auf einen herstellerübergreifenden Standard geeinigt hat, konnte sich der Markt für drahtlose Netze entfalten.

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an Produkten und Herstellern, und der Anwender hat die Qual der Wahl. Nur allzu oft lässt er sich dabei aber von den vermeintlichen Vorzügen der angebotenen Lösungen blenden, anstatt die zugrundeliegenden Techniken und deren mittel- und langfristige Wirtschaftlichkeit eingehender zu beleuchten.

Drahtlose Netze erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, weil sie so flexibel sind und mit ihnen auch Ad-hoc-Netze realisierbar sind. Somit spielen nicht mehr allein bauliche oder baurechtliche Gründe - zum Beispiel in denkmalgeschützten Gebäuden - die ausschlaggebende Rolle für den Einsatz von drahtlosen Netzen.

Auch auf Messen, zur Anbindung mobiler Nutzer oder für kleine und mittlere Unternehmen, die schnell wachsen und deshalb erst zu einem späteren Zeitpunkt auf ein Kabelnetz umsteigen wollen, stellt die Datenübertragung per Funk eine einfache und preiswerte Lösung dar.

Maximaler Durchsatz in MBit/s

Ein Vergleich des effektiven Datendurchsatzes (Payload) zwischen dem Frequenzsprung- und dem Direct-Sequence Spread-Spectrum Verfahren noch IEEE 802.11 Quelle: Lucent Technologies

Anzahl der Basisstationen

Ein Vergleich des effektiven Datendurchsatzes (Payload) zwischen dem Frequenzsprung- und dem Direct-Sequence Spread-Spectrum Verfahren noch IEEE 802.11 Quelle: Lucent Technologies

VORAUSSETZUNGEN GESCHAFFEN

Mitte 1997 machte das Bundesministerium für Post und Telekommunikation (BMPT) mit seiner Verordnung 122 den Weg frei für den grundstücksübergreifenden Einsatz von FunkLANs.

Solche Netze sind damit anmelde- und gebührenfrei. Die Installation darf der Betreiber selbst vornehmen, eine Abnahmepflicht durch Zulassungsstellen besteht nicht.

Die Verordnung 122 verweist darüber hinaus auf den Standard ETS 300328 des ETSI (European Telecommunications Standard Institute). Dieser legt einen Frequenzbereich von 2,4 bis 2,4835 GHz und als Übertragungsverfahren die Spreiztechnik in den Varianten Frequency Hopping (Frequenzsprungverfahren) oder Direct Sequence fest. Jedoch dürfen nur solche Geräte eingesetzt werden, die von anerkannten Testlabors auf der Grundlage der europäischen Richtlinien zugelassen wurden. Da der Standard keine Luftschnittstelle definiert, wurde mit ETS 300328 lediglich das Nebeneinander der von FunkLANs verschiedener Hersteller möglich.

Genau diese Lücke schließt der IEEE-Standard 802.11. Dieser definiert herstellerunabhängig die Luftschnittstellen auf der physikalischen (Physical Layer) und teilweise auch auf der Medienzugriffs- Kanalsteuerungs-Schicht (MAC-Layer) für die beiden FunkLAN Techniken Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) jeweils im 2,4-GHz-Bereich, sowie für Infrarot-Übertragungen mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 1, beziehungsweise 2 MBit/s. Allerdings besteht diese Kompatibilität nur für Produkte, die denselben physikalischen Standard benutzen. Das heißt, DSSS basierende und FHSS-basierende Produkte können nicht in ein und demselben FunkLAN verwendet werden.

Da jedes FunkLAN in räumlich begrenzte Bereiche, sogenannte Zellen, unterteilt ist, wäre es wünschenswert gewesen, wenn der Standard 802.11 auch eine Regelung für die Kommunikation der Basisstationen (Accesspoints) innerhalb einer Funkzelle enthalten hätte.

Für diese "Roaming" genannte Kommunikation gibt es bislang nur eine Teillösung der Hersteller Aironet, Digital Ocean und Lucent Technologies für Direct-Sequence Lösungen. Sie haben sich auf das auch für andere Hersteller offene Inter-Access-Point-Protocol (IAPP) geeinigt.

Die Anstrengungen der Unternehmen Breezecom, Netwave Technologies, Proxim, Raytheon Wireless Solutions und Symbol Technologies, auch für das Frequency Hopping einen gemeinsamen Roaming Standard zu definieren, haben hingegen noch zu keiner ausgereiften Lösung geführt.

DIE TECHNIKEN IM VERGLEICH

Obwohl DSSS und FHSS beide auf der Streuspektrumtechnik basieren - ein Verfahren, das die Schauspielerin Hedy Lamarr bereits 1940/41 für die datensichere Funkübertragung entwickelt hat und 1942 patentieren ließ (www.hedylamarr.at/f-erfindung.html) - bestehen doch signifikante Unterschiede zwischen den beiden Varianten hinsichtlich Frequenzbereichsnutzung, Interferenzenresistenz, effektiver Datenübertragungsgeschwindigkeit und Reichweite.

Beide Verfahren verwenden ein Frequenzband zur Übertragung der Daten und vermeiden so, das eine gestörte Frequenz für die gesamte Übertragung genutzt werden mus.

Beim Frequenzsprungverfahren wird die Frequenz deshalb nach jeder Übertragung eines Datenpakets gewechselt. Tritt ein Fehler bei der Übertragung auf, wird das Datenpaket nochmals auf einer anderen Frequenz versendet. Das Direct-Sequence-Verfahren verschlüsselt ein zu übertragendes Bit nach einem Pseudo-Zufalls-verfahren und codiert es mit mehreren Bit.

So wird aus einem schmalbandigen Eingangssignal ein breitbandiges Ausgangssignal, das über den gesamten zur Verfügung stehenden Frequenzbereich übertragen wird. Deshalb kommt es bei diesem Verfahren selbst bei schwachen Signalen nicht zu Übertragungsverlusten.

Solch schwache Signale, meistens Echos von Wänden, Decken oder sonstigen Hindernissen, treten vor allem in großen Gebäuden wie Supermärkten oder Lagerhäusern auf. Beim Frequenzsprungverfahren müsste das Signal so lange wiederholt gesendet werden, bis das System eine Frequenz erwischt, die das Originalsignal vor dessen Echo beim Empfänger ankommen läst. Durch die Nutzung des gesamten Frequenzbands ermöglicht das Direct-Sequence-Verfahren somit eine höhere effektive Übertragungsgeschwindigkeit.

Bei Funk-LANs mit mehreren Basisstationen koordiniert ein spezielles Zugriffsverfahren die Sendeberechtigungen der einzelnen Funkstationen. Dabei registrieren sendewillige Stationen, ob derzeit eine Übertragung stattfindet und senden nach einer gewissen Zeit ein Ready-to-Send Signal (RTS) an alle anderen Stationen im Funk-LAN. Sobald diese das RTS-Signal empfangen haben, antworten sie mit einem Clear-to-Send-Signal (CTS) und unternehmen keinen eigenen Sendeversuch mehr. Beim Frequenzsprungverfahren können bereits diese vorbereitenden Signale durch Kollisionen verloren gehen. Und es kommt um so häufiger zu Sendewiederholungen, je mehr Basisstationen ein FunkLAN enthält.

Das Problem der schwachen Signale und der daraus resultierenden Sendewiederholungen macht sich aber auch hinsichtlich der Sendereichweite bemerkbar, die bei Direct-Sequence-Lösungen im Schnitt etwa doppelt so hoch ist wie bei Frequenzsprungsystemen. Das heißt, letztere benötigen mehr Basisstationen für denselben Datendurchsatz und dieselbe Übertragungsqualität wie Direct-Sequence-Netze.

DEN BEDARF DEFINIEREN

Der Ansatz der Gesamtnutzungskosten (Total Costs of Ownership) hat sich als Grundlage für Entscheidungen im IT Bereich durchgesetzt. Denn es reicht nicht mehr aus, die Betrachtung auf die vom Hersteller angegebenen Funktionalitäten und den Anschaffungspreis zu beschränken.

Vielmehr sind auch die Kosten für Betrieb und Support sowie die Ausbaufähigkeit, Erweiterbarkeit und Integrationsfähigkeit der jeweiligen Lösung in bestehende und künftige Hardware-Landschaften - kurz: ihre Zukunftsfähigkeit - ins Kalkül mit einzubeziehen.

Bei dieser Betrachtungsweise kommt es auf den tatsächlichen Bedarf eines Unternehmens und die Bedingungen vor Ort an. Und hier liegt der Vorteil klar auf seiten der DSSS Technik. Lediglich im schnell wachsenden SOHO-Bereich (Small Offices, Home Offices) sind die beiden Übertragungstechniken gleichwertig.

Denn dort fallen Interferenzprobleme praktisch nicht ins Gewicht und damit verbunden auch nicht die zusätzlichen Investitionen für die Nachrüstung von FHSS Systemen (zum Beispiel mehr Basisstationen). Aufgrund der hohen Wachstumsraten widmen sich die Hersteller von FunkLAN Systemen verstärkt diesem "Low-End"-Marktsegment.

IDC schätzt in seiner Studie "Wireless LANS: Worldwide Market Review and Forecast 1997 - 2003" (Report Nr. 16377, Juni 1998), daß es bis 2002 allein in den USA rund 50 Millionen Home Offices geben wird. In gut zwölf Millionen davon wird dann mehr als ein Rechner installiert sein. Diese werden erheblich zu dem Wachstum der Zahl an verkauften Funknetzen von knapp einer Million im Jahr 1998 auf etwa vier Millionen bis zum Jahr 2003 beitragen.

Ganz anders ist die Situation hingegen bei der Installation von FunkLANs in großen Arealen, Großraumbüros oder über mehrere Gebäude hinweg oder in schnell wachsenden Unternehmen. Hier kommen die beschriebenen technologischen Vorzüge der DSSS Systeme voll zum Tragen. Außerdem zeichnet sich bis Ende dieses Jahres ein erfolgreiches Ende der laufenden Verhandlungen zu den neuen Standards 802.1 la und b ab. Das betrifft die Frequenzbereiche 5,2 GHz und 2,4 GHz sowie Übertragungsbandbreiten von 30 MBit/s und 11 MBit/s.

Da nur eine begrenzte Anzahl Frequenzen für Frequenzsprünge zur Verfügung stehen, eignet sich dieses Verfahren für diese Datendurchsatzraten nicht mehr. Hersteller, die bislang ausschließlich Frequenzsprungsysteme angeboten haben, erweitern deshalb gerade ihr Angebot um Direct-Sequence Systeme, um mit der Entwicklung Schritt zu halten.

Denn die Hersteller von DSSS basierenden Lösungen haben sich bereits auf die neuen Standards eingestellt. Lucent Technologies soll mit seiner Lösung zum Beispiel im Labor schon Durchsatzraten von bis zu 10 MBit/s pro Sekunde erzielen.

FAZIT

Aufgrund der technischen Unterschiede sind DSSS Systeme schon heute den FHSS basierenden Lösungen in wirtschaftlicher Hinsicht überlegen, wenn sie in großen Arealen oder Umgebungen mit hohen Interferenzen eingesetzt werden.

Grundlage der Kaufentscheidung sollten deshalb der mittel bis langfristige Bedarf eines Unternehmens und die Bedingungen vor Ort sein. Das gilt um so mehr, als auch die bis Ende des Jahres zu erwartenden neuen Standards 802.1 la und b wie ihr Vorgänger die Nutzung ein und desselben physikalischen Standards voraussetzen. FHSS Lösungen können deshalb auf absehbare Zeit nicht in DSSS-Netze integriert werden.

Das heißt für den Entscheider, das er sich für eine der Techniken entscheiden muss und das diese technische Entscheidung weitreichende wirtschaftliche Folgen hat.


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