Aktuelle Entwicklungenbei WLAN – Standards - Institut für Telematik ...

Institut für Telematik | Universität zu Lübeck 

Aktuelle Entwicklungen bei 

WLAN – Standards 

Nico Dudek 

08.06.2010 

Seminar: Kommunikationsstandards in der 

Medizintechnik Sommersemester 2010

Gliederung 

1) Einleitung 

2) Technologien 

3) Related Work 

4) WLAN in der Medizin 

5) Zusammenfassung - Ergebnisse 

Nico Dudek - Aktuelle Entwicklungen bei WLAN‐ Standards 

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1) Einleitung: Motivation und Ziele 

� Jeder kennt und nutzt WLAN! 

� Weiß jeder, was er wirklich 

nutzt? 

� Kennt jeder die Details? 

� Frequenzen, 

Sicherheitslücken, 

Sicherheitsmechanismen 

� Heutiges Vortragsziel 

� Standards heute! 

� Zukunft! 

� Alternativen! 

� WLAN in der Medizin! 


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1) Einleitung: Definition, Standards 

� Definition: 

� WLAN (Wireless Local Area Network) 

- Rechnerverbund 

- AccessPoint 

- drahtloses Lokales Funknetzwerk 

- Medium: Luft 

- Modi: Ad-Hoc & Infrastrukturnetz 

- Mobilität 

� Standards: 

� IEEE 802.11 

� spezifiziert: ISO/IEC 8802-11: 1999 

� überarbeitet: ISO 8802-11: 2005 


Quelle: [3] 

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1) Einleitung: Geschichte 

� 1940 – Grundlage für WLAN: Patent Frequenz – Hopping 

� 1970 – Norman Abramson: ALOHAnet-Inselverbindung (Hawai) 

� 1979 bis 1984 – Amateurfunker, Radiotechnik 

- experimentelle WLANs mit Infrarot – Kommunikation 

- Spreizbandradio für schnurlose Endgeräte 

- erste drahtlose Datenmodems von Amateurfunkern 

� 1991 – erste WLAN IEEE Workshops (WLAN → kommerziell & Start 

Standard) 

� 1997 – erster 802.11 Standard 


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2) Technologien: Standard, Bandbreite, Frequenz 

Standard Bandbreite (Mbit/s) Frequenzband 

netto brutto in Ghz 

802.11 0,9 2 2,4 bis 2,48 

802.11a 23 54 5,2 bis 5,8 

802.11b 4,3 11 2,4 bis 2,48 

802.11g 19 54 2,4 bis 2,48 

802.11n 74 600 2,4 bis 2,48 


Quelle: [1] 

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2) Technologien: 802.11 veröffentlicht 

802.11 Datum Anfragen 

a 06.99 Higher Speed PHY Extension in the 5GHz Band 

b 07.99 Higher Speed PHY Extension in the 2.4 GHz Band 

d 04.01 Operation in Additional Regulatory Domains 

c 2001 Media Access Control (MAC) Bridges -Supplement for Support by IEEE 

802.11 

g 04.03 Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band 

h 06.03 Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 Ghz Band 

in Europe 

i 03.04 MAC Security Enhancements 

j 07.04 4.9 – 5 GHz Operation in Japan 

e 04.05 MAC Enhancements (QoS) 

r 01.08 Fast Roaming 

k 03.08 Radio Resource Measurement 

y 06.08 3,65 – 3,7 GHz Operation in USA 

w 07.09 Protected Management Frames 

n 07.09 High Throughput 

Stand 19.3.2010, Quelle: [3] 


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2) Technologien: Zukunft: 802.11 Bearbeitung 

802.11 Final Anfragen 

p 03.10 Wireless Access for the Vehicular Environment 

(27Mbit/s bei 5,850 bis 5,925 Ghz) 

v 07.10 Wireless Network Management 

u 09.10 Interworking with External Networks 

s 11.10 Mesh Networking 

af 03.11 TV Whitespace 

z 07.11 Extensions to Direct Link Setup 

ae 03.12 QoS Management 

aa 07.12 Video Transport Streams 

ac 07.12 Very High Throughput < 6Ghz 

ad 07.12 Very High Throughput 60Ghz 

Stand 19.3.2010, Quelle: [3] 


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2) Technologien: 802.11 Standards im Detail 

� Meshnetze 

� 802.11s – WMN Wireless Mesh Network 

� Netzwerkknoten mit einem oder mehreren verbunden 

� Informationsweitergabe von Knoten zu Knoten 

� Jeder Knoten mit jedem verbunden: vollständig vermaschten Netz 

� Selbstheilend → ausfallsicher und blockadesicher (Umleitung) 

� Vorteil: Dezentrale Verwaltung, gute Lastverteilung, leistungsfähig 

� Nachteil: hoher Energieverbrauch, hohe Aktivität wie Router 

� OLPC 

� One Laptop per Child 

� WLAN 802.11b/g mit 2 Antennen und bis zu 2Mbit/s 

� Integrierter WLAN Router (abgeschaltet: aktiv mit 0,25W) 

� Mesh-Netz Idee: jeder OLPC leitet Datenpakete weiter 

- Basis ist 802.11s 


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2) Technologien: 802.11 Standards im Detail 

� MIMO 

� Multiple Input Multiple Output (mehrere Antennen) 

� Genutzt bei: 802.11n 

� Interressenten: WiMax, HSPA, LTE 

� Vorteil: 

- größere Empfangsleistung 

- Störerunterdrückung 

- bessere Verbindungsqualität 

- höhere Übertragungsraten 

� bisher SISO Frequenz x Zeit → + Raum 

- Raum: durch die Antennen → Geschwindigkeitsvorteil 


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2) Technologien: Probleme 

� Frequenzgleichheit (Geräte im Mikrowellenbereich) 

� Bluetooth 2,4 – 2,48 Gigahertz (Ghz) & ISM Bänder 

� Strahlenbelastung (Quelle: [5]) 

� Spezifische Absorptionsrate (SAR) in Watt (W) vom menschl. Körper (kg) 

� Max: 0,08 W/kg für den Körper und 2 W/kg für Teile des Körpers 

� Strahlungsleistung (Endgeräte, Zugangspunkte) nach Frequenz 

- 100 mW bei 2,4 Ghz, 

- 200 mW bei 5,15 bis 5,35 GHz innerhalb 

- 1000 mW bei 5,47 bis 5,725 GHz innerhalb & außerhalb 

� Zuverlässigkeit (Paketverlust, Verbindungsabbruch) 

� Verschattung → MIMO → nicht komplett gelöst 


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ISM: Industrial, Scientific and Medical Band

2) Technologien: Sicherheit 

� Vorlesung Sicherheit in Netzen und verteilten Systemen 

� WEP (alt, geknackt) 

� Bitstroms ↔ XOR ↔ Bitstrom generiert aus RC4-Algorithmus 

� WPA2 (WiFi Protected Access (2)) 

� Sicherheitsstandard für a,b,g,n und basiert auf den 802.11i 

� Personal & Enterprise Mode 


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� WPAN 

� Wireless Personal Area Network 

� 802.15.1 bis 802.15.4 

- Kommunikation innerhalb eines Personal Operating Space (POS) 

- Reichweite: wenige Meter 

� HomeRF 

- Januar '03 aufgegeben 

� Bluetooth (siehe Vortrag) 

� ZigBee 

- wartungsfreie Funksensoren mit beschränkter 

Energieversorgung 

- Setzt auf dem 802.15.4 Standard auf 

- Router (ZR), Endgerät (ZED), Koordinator (ZC) 

� Infrarot 


Quelle: [6] 

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� UWB – IEEE 802.15.3a (Ultra Wide Band) 

- Arbeitsgruppe aufgelöst → uneinig (Heise: 19.01.2006) 

- Keine IEEE Spezifikation veröffentlicht 

- Funktionsweise wie Morsen / Impulsradio 

- Sendesignal breit im Frequenzspektrum bei geringen Sendeleistung verteilt 

- Signalefilterung NICHT nach Frequenz → Impulsform 

- UWB definiert in Standards: Bspw. ISO/IEC 26907 und 26908 

- Eigenschaften 

– Frequenzbereich: 3,1 – 10,6 Ghz, Sendeleistung: 0,5 mW, 

Reichweite: 10 m bis 50 m, Datenrate: 0,48 – 1,32 Gbit/s 

� Wireless USB 

- Certified Wireless USB, kurz CWUSB basiert auf UWB 

- 480 Mbit/s bei 3m & 110Mbit/s bei 10m (~USB2.0) 

- Frequenzbereich: 3,1 Ghz – 10,6 Ghz 


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4) WLAN in der Medizin 

� Anforderungen / Ziele / Wünsche 

� Kabelminimierung 

� Portabilität 

� Kostenminimierung (nicht XX lokale Geräte sondern 1-2 mobile Geräte) 

� Zentrale Bedienoberfläche für möglichst alle Geräte (OP Erreichbarkeit 

aller Alarmsignale und Einstellungen) 

- Verschiedene Anbieter ↔ verschiedene Schnittstellen 

� Probleme 

� Sicherheit der Patientendaten 

� Schnelle Übertragung großer Datenmengen (Röntgenbilder, CT, MRT) 

� Ausfallsicherheit (OP!!) 

� Anforderungen zur elektromagn. Verträglichkeit (DIN EN 60601-1-2) 


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4) WLAN in der Medizin: Dräger M300 Telemetrie 

� Anwendungsbeispiel: Patientenmonitor, 

Vitalzeichenmonitor 

� Eigenschaften: 

- EKG, Herzfrequenz, SpO2 , Elektrodenstatus, 

demografische Daten (Patientenidentifikation) 

- Alarmquittierung direkt am Gerät 

- Bidirektionale WLAN Kommunikation mit der 

Central Station 


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4) WLAN in der Medizin: Philips 

Quelle: [3] 

� Anwendungsbeispiel: 

� Philips ProScribe WI121XB 

- 512MB SRAM, 2GB CF flash memory 

und MS Windows Xpe SP2 mit WLAN 

802.11 b/g/n, 2 USB ports, PCMCIA 

slot, RGB video out,Ethernet 100 Mbps 

RJ45 Anschluss 

� Philips Cliniscape MCA 104 TEB 

- Windows Vista Business und Intel Core 

Solo processor (1,2GHz), WLAN 

802.11 a/g/n, Digital Kamera (2MP), 

Bluetooth zum drahtlosen Anschluss 

externer Geräte, Abgedeckter, 

geschützter USB Anschluss 


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5) Zusammenfassung 

� Allgemein 

� WLAN: 802.11 /a/b/c/d/e/f/g/h/i/s/n 

� Alternativen: 802.15.1 bis 802.15.4 

� Frequenzband: 2,4 und 5,2 Ghz 

� Fazit 

� Alternative zu LAN / Kabelverbindungen 

� Genaue Analyse des Anwendungsfalls 

� Ausblick 

� Bandbreite wächst 

� Verfügbarkeit wächst (bspw. 802.11p) 

� Standards spezialisieren sich auf Anwendungsgebiete 


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Fragen ??? 

� Gibt es noch andere Alternativen / Standards die hier nicht genannt 

wurden? 

� Welcher Standard ist der bester für welche Anwendung und warum? 


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Quellenverzeichnis 

� [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Wireless_Local_Area_Network 

� [2] http://www.baaske-medical.de/advanced_search_result.php?keywords=philips+proscribe 

� [3] http://www.ieee802.org/11/Reports/802.11_Timelines.htm 

� [4] http://laptop.org 

� [5] http://www.bfs.de/ 

� [6] ZigBee: Angriff der Killerbiene (http://www.heise.de/newsticker/meldung/ZigBee-Angriff-der- 

Killerbiene-948880.html) 8. März 2010 


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Zusatzinformation 

� Related Work 

� 802.16 WiMAX, DECT, iWLAN, WMAN, HiperLAN (High Performance 

Radio Local Area Network) 

� Technologie 

� DEU: 2,4 Ghz in 14 Kanäle → immer 3 Frequenzen überschneiden sich 

� Vorteil 2,4Ghz: 

- Kostenfrei 

- Hohe Verbreitung 

� Nachteil: 2,4 Ghz: 

- Frequenzband muss mit anderen geteilt werden 

� Vorteil 5 Ghz: 

- Stöungsärmerer Betrieb 

� Nachteil: 5 Ghz: 

- Geringe Verbreitung 


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Zusatzinformation 

� Related Work 


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