Was ist drahtlose Kommunikation und wie funktioniert sie?

Eine Funkverbindung ist ein Kanal, über den Informationen von einem Sender zu einem Empfänger übertragen werden. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen über ein gemeinsames Medium sind mit Schwierigkeiten verbunden, die zum Anreiz für die Forschung und Entwicklung wurden. Dies beschleunigte den Übergang von analogen zu digitalen Kommunikationssystemen, was wiederum flexible, effiziente und robuste Lösungen für potenzielle Interferenz- und Ausbreitungsstörungen ermöglichte. Digitale Systeme sind in der Lage, sowohl zeitkontinuierliche Signale zu übertragen, wie z.B. Ton oder Video, als auch zeitdiskrete Signale, d.h. Symbolfolgen eines Textes, der z.B. von einer Tastatur erzeugt wird.

Der Begriff "drahtlos" wird allgemein im Zusammenhang mit allen Geräten, Werkzeugen oder Diensten verwendet, die ohne Kabel kommunizieren und die mit herkömmlichen Kabeln nicht möglich oder unpraktisch wären. Allerdings sind nicht alle drahtlosen Lösungen gleich.

Wi-Fi ist eine weit verbreitete Technologie, die Geräten eine drahtlose Datenübertragung ermöglicht. In der Regel wird das mit Wi-Fi verbundene Netzwerk automatisch von einem speziellen Gerät, einem sogenannten Modem-Router, aufgebaut, der dann wiederum die Verbindung zum Internet sicherstellt. Zu den Geräten, die Wi-Fi nutzen, gehören in der Regel Desktop-Computer, Notebooks, Spielkonsolen, Smartphones, Tablets, Smart-TVs, digitale Audio-Player, Digitalkameras, Drucker, Autos und Drohnen. Je nach verwendeter Frequenz und eventuellen Störungen in der Umgebung können Wi-Fi-fähige Geräte innerhalb von Gebäuden in einem Radius von bis zu einem Dutzend Metern und außerhalb von Gebäuden in einem Radius von bis zu hundert Metern miteinander kommunizieren. Zu den wichtigsten Hardwarekomponenten eines drahtlosen Computernetzwerks gehören Adapter, Router, Antennen und Repeater.

Wi-Fi ist eine Marke der Wi-Fi Alliance, einer Organisation, die Standards für Wi-Fi-Verbindungen definiert und Geräte zertifiziert. Bei Wi-Fi handelt es sich im Wesentlichen um eine Technologie und eine Reihe von Standards, welche die Implementierung von WLAN ermöglichen, einem recht weit gefassten Begriff, der drahtlose Netzwerke von Geräten beschreibt.

Die WLAN-Technologie bietet nur ein unzureichendes Maß an Verschlüsselung, was im heutigen sicherheitsorientierten Kontext ihre größte Einschränkung darstellt. Ein WLAN-Netz besteht aus Netzknoten, von denen jeder eine Funkzelle bildet. Solange sich die Funkzelle überschneiden, ist eine Kommunikation zwischen den Netzknoten möglich. Die Reichweite einer Funkzelle beträgt im Freien etwa 300 Meter, in Innenräumen höchstens 30 Meter; mit Repeaters kann die Reichweite erhöht werden. Die theoretische Datenübertragungsrate liegt zwischen 2 Mbit/s und 600 Mbit/s, wobei Funkstörungen einen begrenzenden Faktor darstellen. In der Praxis liegen die Datenraten zwischen 0,9 und 74 Mbit/s.

Die Wireless Personal Area Networks (WPAN) sind Wireless-Netzwerke mit einer geringen Reichweite von einigen Dutzend Metern. Diese werden in der Regel eingesetzt, um Peripheriegeräte (Drucker, Mobiltelefone, Haushaltsgeräte usw.) an einen Computer anzuschließen oder um eine drahtlose Verbindung zwischen zwei nicht weit voneinander entfernten Endgeräten zu ermöglichen. Obwohl es viele Technologien für WPANs gibt, ist die wichtigste und bekannteste sicherlich Bluetooth, eine Verbindung, die auf einer theoretischen Bandbreitenkapazität von 1 Mbps bei einer maximalen Reichweite von etwa dreißig Metern basiert.

Ein LPWAN ermöglicht die drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite und niedriger Bitrate, z.B. zwischen sehr kleinen IoT-Geräten. Die Popularität von Sub-GHz-LPWANs nimmt ständig zu, z.B. in Smart Cities, zur Überwachung der Landwirtschaft und der Infrastruktur usw. Die Herausforderung besteht darin, Milliarden von IoT-Geräten zu verbreiten und sicherzustellen, dass sie nahtlos miteinander verbunden werden. Dazu braucht es offene Standards und interoperable Hardware um Lieferketten, Infrastrukturen und Sensornetzen effizienter zu gestalten. Die LoRa Alliance ist eine gemeinnützige Vereinigung, die zur Förderung eines Ökosystems für LPWAN-Technologien gegründet wurde. LoRaWAN ist die offene Standard-Netzwerkschicht, die von der LoRa Alliance verwaltet wird und für die ein zugrundeliegender Chip benötigt wird, um ein vollständiges LoRaWAN-Stack zu implementieren. Die LoRa hat zwei Komponenten: Den Chip, also die physikalische Schicht, und den LoRaWAN, also die MAC-Schicht bzw. die Software, die in den Chip eingefügt wird, um die Vernetzung zu ermöglichen.

Das Global Positioning System (GPS) besteht aus einem Netzwerk von Satelliten, die in einem bestimmten Abstand zur Erde positioniert sind und Signale an Empfänger auf dem Boden senden. Um Signale zu erkennen, müssen GPS-Empfänger eine ungehinderte Sicht auf den Himmel haben. Sie werden daher nur im Freien verwendet und können in der Nähe von Bäumen oder hohen Gebäuden Empfangsprobleme haben.

Die GPS-Technologie gliedert sich in drei Hauptbereiche, die als "Segmente" bezeichnet werden:

1. Das "Weltraumsegment", eine Konstellation von Satelliten, die in sechs nicht geostationären, um 55° zum Äquator geneigten Bahnebenen angeordnet sind, mit jeweils mindestens vier Satelliten in einer Höhe von etwa 20’200 Kilometern über der Erdoberfläche, die kontinuierlich ihre Position und die genaue Zeit an die Erde übermitteln, mit Umlaufzeiten von 12 Stunden. Im Juni 2022 waren 31 Satelliten in Betrieb.
2. Das "Kontrollsegment", d.h. fünf Bodenstationen, welche die Umlaufbahnen der Satelliten, ihre Uhren und das ordnungsgemäße Funktionieren der gesamten Konstellation überwachen;
3. Das "Nutzersegment", d.h. die zahlreichen Endgeräte am Boden, die das Signal der Satelliten empfangen und die Informationen aus dem Weltraum zur Berechnung ihrer Position nutzen (GPS-Empfänger, Smartphones usw.).

Jeder Satellit kreist in einer Höhe von etwa 20.000 Kilometern um die Erde und verfügt über eine hochpräzise Atomuhr. In regelmäßigen Abständen werde digitale Signale gesendet, welche die Orbitalposition und den Sendezeitpunkt enthalten. Weil die Satelliten miteinander synchronisiert sind, muss der GPS-Empfänger nur die Zeit berechnen, die das Signal braucht, um ihn zu erreichen.

In der heutigen Informationsgesellschaft, in der jeder immer und überall erreichbar sein möchte oder soll, haben sich primär drahtlose Systeme zum Transport von Informationen als unerlässlich gezeigt. In diesem Leitfaden haben Sie einen Einblick in die Funktionsweise drahtloser Kommunikation erhalten und darüber, welche Formen es gibt. Bluetooth, WLAN, WPAN, LPWAN, GPS, Funk sind die meistverbreiteten drahtlosen Lösungen, denen man im Alltag begegnet. Insbesondere die Funktionsweise der GPS-Technologie wurde im Vergleich zum Wireless-System detaillierter betrachtet. Es bleibt spannend, wie sich der Bereich der drahtlosen Kommunikation weiter entwickeln wird.

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