Eigenschaften drahtloser Verbindungen

Drahtlose Verbindungen unterscheiden sich grundlegend von drahtgebundenen: Signale schwächen sich mit der Entfernung ab, leiden unter Interferenzen und Mehrwegeausbreitung und weisen Fehlerraten auf, die zeitlich und räumlich variieren, was drahtlose Protokolle dazu zwingt, sich sehr anders zu verhalten als ihre drahtgebundenen Gegenstücke.

Definition

Eigenschaften drahtloser Verbindungen sind die physikalischen und Kanaleigenschaften der Funkkommunikation – Dämpfung, Interferenz, Mehrwege-Fading und eine variable, oft hohe Bitfehlerrate –, die drahtlose Verbindungen von drahtgebundenen unterscheiden und die Gestaltung drahtloser Protokolle prägen.

Scope

Dieses Thema behandelt die charakteristischen physikalischen und logischen Eigenschaften drahtloser Verbindungen und deren Auswirkungen auf die Vernetzung. Es befasst sich mit Signaldämpfung und Pfadverlust, Interferenzen von anderen Quellen und gemeinsam genutztem Spektrum, Mehrwegeausbreitung und Fading, dem Signal-Rausch-Verhältnis und dessen Verbindung zur erreichbaren Rate, den daraus resultierenden variablen und hohen Bitfehlerraten sowie den Hidden- und Exposed-Terminal-Problemen, die entstehen, weil ein Knoten nicht alle anderen hören kann. Spezifische Zugangstechnologien (Wi-Fi, Mobilfunk), die diese Eigenschaften berücksichtigen, sind ausgeschlossen.

Core questions

• Warum schwächen sich drahtlose Signale im Vergleich zu drahtgebundenen Signalen so stark ab und variieren so stark?
• Wie verschlechtern Interferenzen, Mehrwegeausbreitung und Fading eine drahtlose Verbindung?
• Wie hängt das Signal-Rausch-Verhältnis mit der erreichbaren Datenrate zusammen?
• Was sind die Hidden-Terminal- und Exposed-Terminal-Probleme?
• Warum können drahtlose Systeme drahtgebundene Techniken wie die Kollisionserkennung nicht direkt wiederverwenden?

Key concepts

• Signaldämpfung und Pfadverlust
• Interferenz
• Mehrwegeausbreitung
• Fading
• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
• Bitfehlerrate
• Hidden-Terminal-Problem
• Exposed-Terminal-Problem
• adaptive Modulation und Kodierung

Key theories

Kanalstörungen und Fading

Funksignale verlieren mit der Entfernung an Leistung (Pfadverlust), werden von Objekten reflektiert und erreichen den Empfänger über mehrere Pfade (Mehrwegeausbreitung) und verblassen, wenn diese Pfade interferieren, wodurch eine zeitlich und ortsabhängig variierende Fehlerrate entsteht, die drahtgebundene Verbindungen nicht aufweisen.

Kapazität und Signal-Rausch-Verhältnis

Die Informationstheorie verknüpft die maximale zuverlässige Datenrate eines Kanals mit seiner Bandbreite und seinem Signal-Rausch-Verhältnis, sodass die drahtlose Rate sinkt, wenn Interferenzen und Dämpfung zunehmen, was adaptive Modulation und Kodierung motiviert.

Hidden- und Exposed-Terminal-Probleme

Da jeder Knoten nur nahegelegene Sender hört, können zwei Sender, die außerhalb der Reichweite voneinander liegen, an einem gemeinsamen Empfänger kollidieren (Hidden Terminal) oder unnötigerweise zurücktreten, obwohl sie senden könnten (Exposed Terminal), Probleme, die spezifisch für gemeinsam genutzte drahtlose Medien sind.

Clinical relevance

Diese Eigenschaften erklären, warum sich drahtlose Netzwerke so verhalten, wie Nutzer sie erleben: Raten, die mit Entfernung und Hindernissen abfallen, Funklöcher durch Fading und Verlangsamungen durch Interferenzen in überfüllten Spektren. Sie beeinflussen Designentscheidungen in drahtlosen Systemen – Kollisionsvermeidung statt -erkennung, Link-Layer-Neuübertragung, adaptive Raten und sorgfältige Spektrum- und Zugangspunktplanung in Haushalten, Büros und Mobilfunknetzen.

History

Das Verständnis drahtloser Kanäle basiert auf Shannons Kapazitätstheorie von 1948 und Jahrzehnten der Funkausbreitungsforschung. Als die Datenvernetzung mit Paketfunkexperimenten und dann drahtlosen LANs und Mobilfunkdaten auf Funk umgestellt wurde, sah sich die Netzwerk-Community mit dem Hidden-Terminal-Problem und zeitlich variierenden Fehlerraten konfrontiert, was zur Entwicklung von Zugangsmethoden und Link-Layer-Mechanismen führte, die speziell für den drahtlosen Kanal konzipiert wurden.

Key figures

• Claude Shannon
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• shannon1948

Frequently asked questions

Warum ist Wi-Fi langsamer und weniger zuverlässig als eine drahtgebundene Verbindung?

Drahtlose Signale schwächen sich mit der Entfernung und durch Hindernisse ab, leiden unter Interferenzen von anderen Geräten, die das Spektrum teilen, und verblassen aufgrund von Mehrwegeausbreitung. Dies führt zu höheren und variableren Fehlerraten als bei einer drahtgebundenen Verbindung, sodass die Verbindung sich an niedrigere Datenraten anpasst und häufiger neu überträgt, was den Durchsatz und die Konsistenz reduziert.

Was ist das Hidden-Terminal-Problem?

Es tritt auf, wenn zwei Knoten jeweils einen gemeinsamen Empfänger erreichen können, sich aber gegenseitig nicht hören. Da keiner die Übertragung des anderen wahrnimmt, können sie gleichzeitig senden und am Empfänger kollidieren. Eine reine Trägererkennung kann dies nicht verhindern, weshalb drahtlose Protokolle Mechanismen wie RTS/CTS-Handshakes hinzufügen.