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Die Funkschnittstelle von WLAN

Die Nutzung der Funkschnittstelle für die Datenübertragung ist bei WLAN Stärke und Schwäche zugleich. Sie ermöglicht es in den meisten Fällen vergleichsweise einfach ein Netzwerk zu erstellen, welches nicht nur die Geräte untereinander und mit dem Internet verbindet, sondern dabei auch eine hohe Mobilität bietet. So können Sie mit Ihrem Tablet oder Notebook entspannt auf Ihrer Terasse oder ihrem Balkon sitzen und trotzdem alle Daten verfügbar haben, welche Sie benötigen. Doch hat die Datenübertragung per Funk vergleichsweise komplexe Eigenschaften und es kann schneller zu Problemen kommen, als z.B. mit der kabelgebundenen Ethernet Datenübertragung. Die grundlegendsten Eigenschaften der Funkschnittstelle von WLAN, potentielle Probleme und wie man diese löst, werden hier in diesem Kapitel beschrieben.

WLAN Frequenzen und Kanäle

WLAN nutzt 2 Frequenzbänder:

  1. Das ISM (Industrial, Scientific, Medical) Frequenzband von 2400 bis 2484Mhz.
  2. Das UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) Frequenzband von 5150 bis 5350Mhz und 5470 bis 5725Mhz.

Jedes Frequenzband ist in 5Mhz breite Kanäle unterteilt und nummeriert. WLAN selbst nutzt Kanäle in 20Mhz breiten Blöcken. Als Resultat ergeben sich folgende mögliche Kanäle für WLAN.

Bild: Frequenzen und Kanäle für WLAN
Bild: Frequenzen und Kanäle für WLAN

Notiz: Im 2,4Ghz Frequenband ist es eine Option jeden einzelnen 5Mhz Kanal (1 bis 13) als Mittelfrequenz für Ihren WLAN Kanal zu konfigurieren. Da die ältere WLAN Variante IEEE802.11b dieses auch benötigte (die Kanalblöcke sind 22Mhz breit) und auch aktuelle WLAN Varianten durch Seitenstreuung im Ausnahmefall direkt benachbarte Kanäle stören können, wird in der Praxis neben dem Kanalbelegungsschema 1,5,9,13 auch das Schema 1,6,11 angewandt. Dafür geht allerdings die Möglichkeit verloren über Kanal 13 zu übertragen.

Welches Frequenzband und welcher Kanal ist jetzt für Sie der beste?

Für die Vorauswahl des Frequenzbandes gilt es zu bedenken, dass gerade das 2,4Ghz Frequenzband auch für viele andere Anwendungen genutzt wird. Funkübertragung für die Heimautomatisierung, Telefonie über DECT, Bluetooth sind nur 3 Beispiele. Des Weiteren bietet das 5Ghz Frequenzband im Vergleich zum 2,4GHz Frequenzband mehr Bandbreite. WLANs können sich hier besser verteilen und für die Erreichung höherer Geschwindigkeiten mehrere 20Mhz Kanalblöcke bündeln. Somit ist das 5Ghz Frequenzband gerade in Ballungsräumen eine gute erste Empfehlung. Spätestens wenn Sie WLAN nach IEEE802.11ac betreiben möchten, dann bleibt ihnen ohnehin keine Wahl, da diese Variante nur das 5GHz Frequenzband unterstützt. Hintergrund ist das mit IEEE802.11ac 2, 4 oder sogar 8 20Mhz Kanalblöcke gebündelt werden können und diese Bündelung das 2,4Ghz Frequenzband über Gebühr beanspruchen oder dessen Grenzen sprengen würde. Dies ist der Grund für die Empfehlung eine potentielle Kanalbündelung mit IEEE802.11n über 2 Kanalblöcke (40Mhz) nur im 5GHz Frequenzband zu betreiben, auch wenn IEEE802.11n dies im Prinzip für das 2,4Ghz Frequenzband erlaubt. Wenn Sie nur IEEE802.11n über einen 20Mhz Kanalblock betreiben möchten und Sie sichergehen wollen, dann können Sie natürlich auch über beide Frequenzbänder nach dem optimalen Kanal scannen (siehe nächster Abschnitt) und damit sowohl Ihren Kanal als auch das Frequenzband festlegen.

Sie mögen jetzt vielleicht einwenden das die Signaldurchdringung von Wänden und Decken im 5Ghz Frequenzband schlechter ist als bei 2,4Ghz und das ist auch korrekt. Doch dafür darf im 5Ghz Frequenzband mit einer höheren Leistung gesendet werden, welches diesen Effekt kompensiert.

Für die Kanalauswahl bieten die meisten WLAN Access Points eine automatische Kanalauswahlfunktion an. Hierzu scannt der WLAN Access Point nach anderen Funksignalen und selektiert den Kanal der die wenigsten Störungen verspricht. Der angewandte Algorithmus ist nicht standardisiert und kann je nach Hersteller eines WLAN Access Points variieren und somit mal besser oder schlechter funktionieren. Wenn Sie jetzt die Kanalauswahl selbst optimieren wollen dann bieten viele WLAN Access Points wie z.B. die Fritz!Box von AVM eine grafische Übersicht über die Kanäle und ihre Belegung.

Bild: WLAN Kanalbelegung auf einer FritzBox
Bild: WLAN Kanalbelegung auf einer FritzBox

Aus der Grafik ist zu entnehmen das in der Umgebung die Kanäle gemäß dem Schema 1,5,9 genutzt werden, und mit jeweils einem WLAN belegt sind. Es gibt zusätzliche Störungen bei Kanal 5 und 13, also sollten Kanal 1 oder 9 benutzt werden.

Aber natürlich kann der WLAN Access Point nur seinen eigenen Standort in Betracht ziehen. Die Bedingungen eines WLAN Clients 2 Räume weiter können sich deutlich unterscheiden. Tools, welche für Ihr Smartphone, Tablet, oder Notebook erhältlich sind, erlauben es ihnen mobil nach der Kanalbelegung und Störsignalen an verschiedenen Standorten zu scannen. Mehr Informationen bezüglich potentieller Tools und wie Sie diese Messungen durchführen, finden Sie in dem Kapitel über das Scannen der WLAN Umgebung. Nach Abschluss der Messungen können Sie den Kanal für sich wählen auf dem die wenigsten Störungen und konkurrierende WLANs zu erwarten sind.

Notiz: Eine Bitte an dieser Stelle. Um das 2,4Ghz Band in der Allgemeinheit so effizient wie möglich zu nutzen und Rücksicht auf andere Nutzer zu nehmen, empfiehlt es sich in diesem Frequenzband einem der schon erwähnten Kanalbelegungsschemas zu folgen. Falls über die Kanalmessungen schon ein Schema ersichtlich ist, welches in Ihrer Umgebung genutzt wird, dann folgen Sie diesem.

Tipp: Auch im 5Ghz Frequenzband gibt es konkurrierende Anwendungen, so z.B. bei 5,6Ghz das Wetterradar. Um solche großflächigen Anwendungen nicht zu stören müssen WLAN Access Points in Deutschland die DFS (Dynamic Frequency Selection) und TPC (Transmit Power Control) Funktionen unterstützen, damit Sie Kanäle von 52 und höher nutzen dürfen. Achten Sie beim Kauf eines WLAN Access Points hierauf.

Tipp: Die Kanäle 12 bis 13 werden nicht immer von allen Geräten unterstützt, da diese Kanäle in den USA nicht für WLAN verfügbar sind. Falls Sie Kanal 13 gewählt haben, sich aber ein Endgerät partout nicht zu Ihrem WLAN Access Point verbinden will, dann prüfen Sie ob dieses Endgerät den Kanal 13 überhaupt unterstützt.

WLAN Signaldämpfung

Eine Eigenschaft aller Funksignale ist, dass Sie mit steigender Entfernung zum Sender mehr und mehr gedämpft werden. Im Extremfall kann dann ein Empfänger das Funksignal nicht mehr ausreichend empfangen und bringt überhaupt keine Verbindung mehr zustande. Doch selbst wenn eine Verbindung hergestellt wurde, sorgt eine steigende Dämpfung dafür das die netto Datenrate mit steigender Entfernung sinkt.

Hindernisse, welche auf dem Weg des Funksignals vom Sender zum Empfänger liegen, dämpfen das Signal zusätzlich. In der Praxis sind dies hauptsächlich Wände, Decken, Türen und Fenster. In kleinerem Umfang auch z.B. Schränke, Pflanzen, also alles was sich auf dem Signalweg befindet. In unten stehender Tabelle finden Sie typische Substanzen und Ihre Dämpfungseigenschaften.

SubstanzDämpfung
Luftsehr gering
Gipswandgering
einfache Türgering
Mehrfach verglastes Fenstermittel
Ziegelwandmittel
Stahlbetondecke/Wandsehr stark

Tipp: Positionieren Sie ihren WLAN Access Point möglichst zentral in ihrer Wohnung. Stellen Sie ihn offen auf und nicht in einen Schrank, schon gar nicht hinter Schranktüren. Ideal ist eine erhöhte Position.

Notiz: Menschen bestehen größtenteils aus Wasser, welches sehr gut die Energie von WLAN Funksignalen absorbiert. Falls Sie sich also gewundert haben, warum bei Ihnen Ihre Gäste einen schlechteren WLAN Empfang haben, als Sie selbst, wenn Sie alleine zu Hause sind, dann kann es sozusagen an den Gästen selbst liegen. Bzw. Ihrer hohen Anzahl und damit der Auswirkung auf Ihr WLAN.

Falls Sie den Verdacht haben das die Leistung Ihres WLAN aufgrund von Dämpfung nicht ausreichend ist oder Sie Ihr WLAN optimieren wollen, dann können Sie auch die Empfangsstärke von einem WLAN Access Point an verschiedenen Stellen in Ihrem Heim ausmessen. Dies können Sie mit den gleichen Tools machen, wie für das Scannen der Kanäle, falls das Tool Ihnen die Signalempfangsstärke anzeigt. Die Signalempfangsstärke ist sozusagen das verbleibende Signal nach erfolgter Dämpfung. Es gibt auch Tools, welche die Signalempfangsstärke abhängig vom Ort messen und grafisch aufbereiten. Mehr Informationen finden Sie in dem Kapitel über das Scannen der WLAN Umgebung.

Bild: WLAN Heatmap basierend auf dem Tool Ekehau Heatmapper
Bild: WLAN Heatmap basierend auf dem Tool Ekehau Heatmapper

Notiz: Smartphones, Tablets und Notebooks sind keine akkuraten Messgeräte und somit sind damit verbundene Messungen eher Abschätzungen, welche aber für den Hausgebrauch ausreichend sein sollten.

Folgende Tabelle zeigt die definierte Signalempfangsstärke in Abhängigkeit von der angewandten Kanalbündelung, welche wenigstens erreicht werden sollte damit eine Verbindung gewährleistet werden kann. Diese Werte sind für IEEE802.11n und IEEE802.11ac gleich.

Bündelung20Mhz40Mhz80Mhz160Mhz
Min. Signalempfangsstärke / dBm-82-79-76-73

Mit solch einer niedrigen Signalempfangsstärke, respektive hohen Dämpfung, werden Sie aber nur niedrige netto Datenraten erzielen. Die schnellsten Datenraten werden erzielt wenn die Signalempfangsstärke gleich oder über folgenden Werten liegt. Hier sind die Werte nach IEEE802.11n und IEEE802.11ac Variante getrennt worden, da Sie sich unterscheiden.

Bündelung20Mhz40Mhz80Mhz160Mhz
IEEE802.11n Signal / dBm-64-61
IEEE802.11ac Signal / dBm-57-54-51-48

Die Werte sind dem IEEE802.11 Standard entnommen und definieren somit das Minimum was WLAN Geräte einhalten müssen. In der Praxis sind WLAN Geräte meist etwas besser. Falls Sie Ihr WLAN Netzwerk basierend auf obigen Werten erstellen, dann hat das somit indirekt den Vorteil das somit automatisch eine Marge (fade margin) gegenüber ungeplanten Störeinflüssen mit enthalten ist.

Falls Sie mit dem Gedanken spielen einen WLAN Repeater einzusetzen, um eine optimale Signalempfangsstärke und damit eine optimale Datenrate zu erreichen, dann lohnt es sich das Kapitel über WLAN Repeater durchzulesen, da diese Geräte die Latenz erhöhen und je nach Bauweise auch die netto Datenrate halbieren können.

Tipp: Für eine möglichst schnelle Verbindung mit hohen Datenraten, kann eine breitbandige Kanalbündelung mittels IEEE802.11ac eingesetzt werden, falls die Dämpfung im Rahmen bleibt. Für eine möglichst stabile Verbindung mit etwas größerer Reichweite und Gebäudedurchdringung, kann die WLAN Variante nach IEEE802.11n mit nur einem 20Mhz Kanal die bessere Wahl sein.

WLAN Antennen und Signalausstrahlung

In handelsüblichen WLAN Geräten für Heimnetzwerke sind omnidirektionale Antennen verbaut, welche rundum in Ausrichtung der Antenne strahlen. Daraus ergibt sich für die Signalabdeckung im dreidimensionalen Raum die Form eines Torus. Bei Affinität zu leckeren Kuchen, kann man auch einen Donut als Gedankenstütze nehmen.

Bild: WLAN Abdeckung einer Omnidirektionale Antenne
Bild: WLAN Abdeckung einer Omnidirektionale Antenne

Diese Form der Signalabstrahlung hat interessante Konsequenzen. Wenn die Antenne im 90Grad Winkel nach oben steht, dann bedeutet dies, dass die Antenne hauptsächlich in der horizontalen Ebene strahlt und damit eine Wohnung oder ein Stockwerk gut abdecken kann. Dafür ist die Abstrahlung in vertikaler Ebene sehr niedrig, was bedeutet, dass in höheren oder niedrigeren Stockwerken eines Hauses gar kein oder nur ein schlechter Empfang des WLAN Signals vorhanden ist. Möchte man nun mit WLAN über Stockwerke hinweg eine Verbindung aufbauen, dann kann man die Antenne in eine horizontale Ausrichtung bringen. Damit wird aber naturgemäß die Abdeckung im gleichen Stockwerk schlechter. Es ist empfehlenswert, falls möglich, die Anbindung eines Stockwerkes mit Ethernet zu bewerkstelligen und dann dort einen separaten WLAN Access Point zu betreiben.

Tipp: Falls Ihre Gerät MIMO fähig ist, damit über mehrere Antennen verfügt und die Lage der Antennen einzeln veränderbar ist, dann können Sie die Hälfte der Antennen in die horizontale Ausrichtung bringen, um eine gute Abstrahlung auch in der vertikalen Ebene zu erreichen. Das geht allerdings zu Lasten der Datenrate, da die WLAN Clients nun nur noch die Signale von der Hälfte der Antennen empfangen (außer Sie befinden sich sehr nah am WLAN Acess Point) und damit das MIMO Prinzip nicht voll ausnutzen können.

WLAN MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Schon die Variante IEEE802.11n hat damit angefangen MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs) für WLAN einzuführen und die Variante IEEE802.11ac setzt diesen Weg konsequent fort.

Für WLAN wird dabei zwischen zwei MIMO Varianten unterschieden. Dem Singleuser MIMO (SU-MIMO) und dem Multiuser MIMO (MU-MIMO).

SU-MIMO ist eine Technologie in welcher auf der gleichen Frequenz, aber über mehrere Antennen, unterschiedliche Signale mit individuellen Datenströmen gesendet werden. Durch die räumliche Trennung der Antennen, Signalreflexionen und andere Effekte entstehen unterschiedliche Signallaufzeiten zwischen Sender und Empfänger. Damit kann der Empfänger die Signale unterscheiden und einzeln dekodieren. Faktisch bedeutet dies eine Vervielfachung der Datenrate, je nachdem welche MIMO Variante zum Einsatz kommt. Eine Verdoppelung mit 2x2, eine Vervierfachung mit 4x4 und eine Verachtfachung mit 8x8 MIMO. Geräte welche SU-MIMO unterstützen sind seit Jahren auf dem Markt, die unterstützten MIMO Ausbaustufe steigen dabei über die Zeit.

Notiz: Um den vollen Nutzen aus SU-MIMO ziehen zu können, müssen sowohl der Sender als auch der Empfänger auf die Verarbeitung von mehreren Signalen ausgelegt sein. Gerade bei WLAN Clients gibt es jedoch eine hohe Vielfalt. Wenn Sie Wert auf den Nutzen von SU-MIMO mit entsprechend hoher Datenrate legen, dann prüfen Sie beim Kauf ob der WLAN Client SU-MIMO an sich und wenn ja, bis zu welcher Ausbaustufe unterstützt.

MU-MIMO basiert auf den gleichen Prinzipien wie SU-MIMO, nur das hier unterschiedliche Signale mit gleichen Datenströmen zu einem WLAN Client gesendet werden. Die Signal werden dabei so ausgebildet das Sie sich am Zielempfänger gegenseitig verstärken und in anderen räumlichen Örtlichkeiten schwächen. Dadurch kann ein WLAN Access Point nach dem gleichen Prinzip gleichzeitig weitere WLAN Clients bedienen. Durch die gleichzeitige Unterstützung von mehreren WLAN Clients wird die Gesamtdurchsatzrate einer WLAN Funkzelle erhöht. Wie bei SU-MIMO muss bei MU-MIMO sowohl der WLAN Access Point als auch die WLAN Clients MU-MIMO, bzw. die MU-MIMO zugrundeliegende Technologie des Transmit Beamforming (TxBF) unterstützen.

Wenn Sie das Thema MIMO interessiert dann finden Sie hinter diesem Link ein Kapitel, welches MIMO etwas ausführlicher als hier erläutert

Nächstes Kapitel: Vergleich von WLAN Varianten