Technische Grundlagen eines WLANs

Frequenzraum? WLAN-Standards? Kanalbreite?

 

endoo erklärt die wichtigsten Grundlagen zum Thema WLAN.

Funktionsweise eines Access Points

Access-Points und WLAN funktionieren physikalisch gesehen, ähnlich wie ein Radio. Während ein Radio verschiedene Frequenzen (im MHz-Bereich) nutzt, um Inhalte zu empfangen, so verwenden auch Access Points dedizierte Frequenzen zum Empfangen und Senden von Inhalten (im GHz-Bereich). Eine Frequenz kann dabei in beiden Fällen nur von einem Gerät gleichzeitig verwendet werden. Nutzen zwei Radiosender die gleiche Frequenz, kommt es zu Störungen. Bei nicht professionell konfiguriertem WLAN kann dies auch vorkommen. 

Frequensstörungen Access Points

WLAN - ein geteiltes Medium

Wenn ein Access Point beispielsweise eine Datenrate von 1700 MBit/s unterstützt, ist das nicht automatisch die Datenrate, die bei jedem einzelnen Endgerät, das mit dem Access-Point verbunden ist, ankommt. Man kann WLAN nämlich als sogenanntes geteiltes Medium bezeichnen. Das heißt, dass sich alle Endgeräte, die sich mit einem Access Point verbinden, die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite teilen.

Brutto vs. Nettodatenrate

Der tatsächliche Datenwert, der am Endgerät bei der Nutzung des Netzwerks im TCP-Datenstream (z.B. beim Download im Browser) zur Verfügung steht, ist  wesentlich geringer als die Datenrate, die der Access-Point tatsächlich versenden kann. Er liegt ca. bei etwas weniger als der Hälfte. Dies ist in einem ersten Schritt unabhängig von Hersteller und Modell, sondern rein technisch bedingt und wird durch den WLAN-Standard definiert.

WLAN geteiltes Medium

Frequenzbänder

Für den WLAN-Funkverkehr sind von der Bundesnetzagentur 2,4GHz und 5GHz Frequenzbänder freigegeben. Das 2,4GHz-Frequenzband ist momentan noch das meist Genutzte, da es über eine vergleichsweise hohe Reichweite von ca. 20 Metern verfügt. Das 5GHz-Frequenzband hingegen verfügt über eine wesentlich geringere Reichweite, bietet jedoch höhere Bandbreiten und ist damit leistungsstärker als das 2,4GHz-Frequenzband.

Daraus folgt die Frage, wie man die zur Verfügung stehende Bandreite optimal ausnutzen kann. Während das 2,4GHz-Frequenzband einen Frequenzbereich von insgesamt 80MHz zur Nutzung zur Verfügung stellt, bietet das 5GHz-Frequenzband einen Frequenzbereich von nahezu 500MHz. Um die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite auszuschöpfen, sollten die benutzten Kanäle und Kanalbreiten so konfiguriert werden, dass möglichst der gesamte Frequenzbereich abgedeckt wird.

Ein Kanal ist dabei ein Frequenzbereich, auf dem Daten übertragen werden. Die Kanalbreite ist ausschlaggebend für die Menge der Information, die pro Zeiteinheit darüber gesendet werden kann. Je größer die Kanalbreite gewählt wird, desto mehr Daten können übertragen werden, aber desto weniger Kanäle finden (ohne Überlappungen) im gewählten Frequenzbereich Platz.

Kanalbreiten WLAN

Während die einzelnen Kanäle nur einen Abstand von 5MHz aufweisen, beträgt die zu einer Übertragung genutzten Kanalbreite mindestens 20MHz. Das bedeutet, dass nicht nur der eingestellte Kanal selbst, sondern auch die beiden nächstkleineren und die beiden nächsthöheren Kanäle belegt werden.

Das 2,4GHz-Band bietet bei einem Frequenzbereich von 80MHz in Europa vier überlappungsfreie Kanäle bei einer Kanalbreite von 20MHz (1, 5, 9, 13) und nur zwei bei einer Kanalbreite von 40MHz (3, 11).Um ein gegenseitiges Stören zu verhindern, ist eine ausreichende Anzahl an überlappungsfreien Kanälen erforderlich. Deshalb ist eine Kanalbreite von 40MHz für das 2,4GHz-Band in großen Aufbauten nicht sinnvoll, da sich hier häufig mehr als zwei Access Points überlappen.

Aus diesem Grund wählt man im 2,4GHz-Band bei einem Netzaufbau mit vielen Access Points eine Kanalbreite von 20MHz. Man verhindert so, dass sich einzelne Kanäle überlappen und die Access Points sich gegenseitig stören, da nur ein Access Point auf einer Frequenz senden kann. Da das 5GHz-Band mit nahezu 500MHz ein deutlich größeres Frequenzspektrum bietet, ist es auch deutlich leistungsstärker.

Eine 40 MHz Kanalbreite ermöglicht im 5GHz-Band neun nicht überlappende Kanäle, während bei einer Kanalbreite von 20MHz sogar 19 sich nicht überlappende Kanäle verfügbar sind, insofern die Access Points DFS-fähig sind (ermöglicht den Betrieb von 5GHz-WLAN-Geräten auf Kanälen > 48). Dadurch lassen sich deutlich höhere Bandbreiten im 5GHz Frequenzband erzielen (eine Verdoppelung der Kanalbreite führt zu einer mehr als doppelt so hohen Bandbreite).

Die WLAN-Standards

Für die verschiedenen Frequenzbänder existieren verschiedene WLAN-Standards: 802.11n und 802.11ac. Diese sind ausschlaggebend für die Geschwindigkeit, mit der Daten bei WLAN-Verbindungen übertragen werden.
Weiterhin bieten die beiden WLAN-Standards die Möglichkeit, mehrere Datenströme mit mehrere Antennen auszugeben. So kann ebenfalls die Datenrate erhöht werden.

WLAN-StandardAntennen (Kanalbandbreite)Datenrate 

Nettodatenrate 

 

802.11ac3 / 80 MHz1300 Mbit/s600 Mbit/s
2 / 80 MHz866 Mbit/s400 Mbit/s
1 / 80 MHz433 Mbit/s200 Mbit/s
3 / 40 MHz600 Mbit/s220 Mbit/s
2 / 40 MHz400 Mbit/s180 Mbit/s
1 / 40 MHz200 Mbit/s90 Mbit/s
3 / 20 MHz260 Mbit/s120 Mbit/s
2 / 20 MHz173 Mbit/s80 Mbit/s
1 / 20 MHz86 Mbit/s40 Mbit/s
802.11n3 / 40 MHz450 Mbit/s200 Mbit/s
2 / 40 MHz300 Mbit/s150 Mbit/s
1 / 40 MHz150 Mbit/s75 Mbit/s
3 / 20 MHz