WLAN-Standards und Übersicht der Technik

In den vergangenen Jahren hat sich die WLAN-Technologie derart weiterentwickelt, dass viele inzwischen vollständig auf ein kabelgebundenes Netzwerk verzichten wollen. Die Hersteller überbieten sich mit Angaben zu den Datenübertragungsraten, addieren die verschiedenen Übertragungskanäle und kommen damit zu Angaben wie "WLAN mit bis zu 10 GBit/s". Doch was ist daran? Wie genau sind solch solch schnelle Übertragungen überhaupt möglich und was ist sinnvoll? Diesen Fragen versuchen wir einmal auf den Grund zu gehen.

Schnelle WLAN-Router und Access Points gibt es von den verschiedensten Herstellern. Zuletzt hatten wir den Netgear Nighthawk X10 im Test, der ein WLAN nach 802.11ac und sogar 802.11ad unterstützt. Damit sind auf kurze Strecken theoretische Übertragungsraten von bis zu 7 GBit/s möglich. Wir wollen uns die verschiedenen WLAN-Technologien auch aufgrund des Tests des Netgear Nighthawk X10 noch einmal vor Augen führen, da wir einige Rückfragen zu den WLAN-Standards erhalten haben.

Die Infrastruktur ist entscheidend

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Infrastrukturen, in denen ein WLAN funktionieren kann. Die meisten werden sicherlich nur den Weg über die SSID kennen. Früher eher gebräuchlich und heutzutage nur noch selten im Einsatz ist der Ad-Hoc-Modus, bei dem zwei WLAN-Geräte direkt miteinander kommunizieren, aber keine weiteren Geräte mit eingebunden werden können.

Am gebräuchlichsten ist aber der sogenannte Infrastruktur-Modus. Dabei übernimmt ein Access Point die Koordination der Clients im WLAN an zentraler Stelle. Über bestimmte Datenpakete schaut der Access Point in regelmäßigen Abständen nach neuen Geräten im WLAN und annonciert den Netzwerknamen, also die SSID, die kompatiblen Datenübertragungsraten und Art der Verschlüsselung.

Für den Hausgebrauch reicht den meisten sicherlich ein einfacher Access Point aus. Dieser wird an zentraler Stelle aufgebaut und versorgt einen möglichst großen Bereich mit dem WLAN. Die Reichweite des WLANs ist allerdings von mehreren Bedingungen abhängig. So durchdringt ein WLAN im 2,4-GHz-Band Hindernisse besser als ein 5-GHz-WLAN. Wie gut ein WLAN Blockaden durchdringen kann, hängt aber von eben den Hindernissen und baulichen Bedingungen ab. Wie dick sie die Wände, aus was bestehen diese und wie sind sie bewährt. Gleiches gilt natürlich auch für Decken. Ein direkter Vergleich der Reichweite ist also nur dann möglich, wenn man sich auch in der gleichen Umgebung befindet.

Um die Reichweite zu erweitern, können auch mehrere Access Points verwendet werden. Auch dazu hatten wir uns eine der möglichen Lösungen angeschaut. Das Netgear Orbi ist ein Mesh-Netzwerk, welches den Aufbau von verschiedenen Basisstationen ermöglicht. Natürlich ist es damit auch möglich einen, unterbrechungsfreien Wechsel der Clients zwischen den verschiedenen Basisstationen zu ermöglichen. Im WLAN-Standard ist dies zwar auch prinzipiell vorgesehen, wird häufig aber durch proprietäre Lösungen umgesetzt. Im professionellen Umfeld bieten einige Hersteller dazu sogenannte WLAN-Controller oder Lightweight Access Points an, die dann das Management der Clients im WLAN übernehmen und auch für ein Handover sorgen. Dies soll hier aber nicht das Thema sein.

Es ging zunächst einmal nur grundsätzlich darum zu klären, wie ein WLAN-Netzwerk aussieht und hier bleibt festzuhalten, dass es sich dabei um einen zentralen Aufbau handelt, der von einem Access Point ausgeht und alle Clients an dieser einen Stelle anbindet.

Frequenzen und Modulation

Im Rahmen der Nutzung eines WLANs ist immer von verschiedenen Frequenzbereichen die Rede. Genauer gesagt funkt ein WLAN im Bereich von 2,4 und 5,0 GHz. Dies ist schon seit den ersten WLAN-Standards der Fall, wenngleich zunächst einmal nur 2,4 GHz verwendet wurden. Der Frequenzbereich wurde entsprechend gewählt, da es sich hier um lizenzfreie Frequenzblöcke aus den ISM-Bändern handelt. In diesen Bereichen bedarf es keiner Einzel-Frequenzzuteilung und die Anbieter können die entsprechenden Frequenzen entsprechend der WLAN-Spezifikation frei wählen.

Auf die einzelnen Standards kommen wir später noch, an dieser Stelle aber schon einmal die Frequenzbereiche, in denen gefunkt wird.

• WLAN nach 802.11a/h: 5.150 bis 5.725 MHz in 19 Kanälen
• WLAN nach 802.11b/g: 2.400 bis 2.483,5 MHz in 13 Kanälen
• WLAN nach 802.11n: 2.400 bis 2.483, 5 sowie 5.150 bis 5.725 MHz in jeweils 2 Kanälen
• WLAN nach 802.11ac: 5.150 bis 5.350 sowie 5.470 bis 5.725 MHz in 76 Kanälen

Die Anzahl der Kanäle ist in zweierlei Hinsicht wichtig. Zum einen ermöglichen die Kanäle den Betrieb von mehreren WLAN-Netzwerken in gleicher Umgebung, ohne, dass es zu Störungen untereinander kommt. Daher arbeiten diese Kanäle größtenteils überlappungsfrei, was aber nicht immer der Fall ist. Wenn zwei WLAN-Netzwerke in gegenüberliegenden Kanälen arbeiten, stören sie sich beispielsweise gar nicht. Die WLAN-Router wählen die WLAN-Kanäle automatisch, meist abhängig von der WLAN-Umgebung, indem sie scannen, auf welchen Kanälen bereits WLAN-Netzwerk vorhanden sind.

Die Kanäle sind aber auch für die Übertragungsgeschwindigkeit wichtig, denn je breiter die Kanäle sind, desto breiter kann auch die Quadraturamplitudenmodulation erfolgen. Die Kanalbreite setzt sich wie folgt zusammen:

• WLAN nach 802.11a/b/g/h: 20 MHz
• WLAN nach 802.11n: 20 MHz im 2,4-GHz-Band; 40 MHz im 5-GHz-Band
• WLAN nach 802.11ac: 80 MHz oder optional 160 MHz

Diese Kanäle werden in eine unterschiedliche Anzahl an Zwischenträgern aufgeteilt. Diese sogenannten Sub Carrier besitzen dann eine Kanalbreite von beispielsweise 0,3125 MHz, erreichen aber nicht die volle Kanalbreite. Ein Kanal mit 20 MHz kann in 52 Zwischenträger zu jeweils 0,3125 MHz aufgeteilt werden, was dann eine Kanalbreite von 16,25 MHz ergibt. Da sich die Sub Carrier aber nicht überlagern sollen, wird hier etwas Patz zwischen den Trägerfrequenzen belassen.

Je breiter die Kanäle werden, desto mehr Zwischenträger können verwendet werden und dies erhöht natürlich auch die Bandbreite.

Alt, aber noch im Einsatz: 802.11a, 802.11b, 802.11h und 802.11g

Bereits 1997 eingeführte WLAN-Standards sind heute natürlich kaum noch im Einsatz und wenn dann in der Praxis meist einfach nicht mehr den Ansprüchen gewachsen, die ein Nutzer heutzutage an eine WLAN-Verbindung stellt. WLAN nach dem 802.11b-Standard erreicht brutto 2,5 oder 11 MBit/s und arbeitet im 2,4 GHz-Bereich. Schneller kann es bei 802.11a oder 802.11g werden, denn hier stehen maximal 54 MBit/s zur Verfügung. Der G-Standard arbeitet mit 2,4 GHz, während der A-Standard das 5-GHz-Band nutzt. 

Wie gesagt, diese älteren Netzwerkstandards werden von den WLAN-Routern heutzutage zwar noch unterstützt, sind aber kaum noch im Einsatz. Moderne Geräte, egal ob Notebook, Smartphone oder Tablet, sprechen glücklicherweise schon die deutlich schnelleren Standards.

802.11n

WLAN nach 802.11n ist der erste Standard, der sowohl auf 2,4 wie auch auf 5,0 GHz arbeitet. Auch hier entspricht die Quadraturamplitudenmodulation dem QAM64-Standard. Auf einer Trägerfrequenz werden demnach per Phasenverschiebung weitere Signale aufmoduliert.

Bei 802.11n kommt auch erstmals die Multiple Input Multiple Output-Technik zum Einsatz. Beim MIMO kommen mehrerer Sende- und Empfangsantennen zum Einsatz, um die Übertragungsrate zu erhöhen. 802.11n kennt bereits MIMO-Konfigurationen von 1x1, 2x2, 3x3 und 4x4. Zusammen mit breiteren Kanälen (108 Zwischenträgern zu jeweils 0,3125 MHz) kann 802.11n brutto bis zu 600 MBit/s erreichen – netto demnach 240 MBit/s. Dies wird allerdings durch eine Halbierung der überlappungsfreien Kanäle erkauft.

802.11ac

Eine weitere Ausbaustufe ist das WLAN nach 802.11ac. Hier wird nur noch im 5-GHz-Band gefunkt, wer also noch Geräte verwendet, die ausschließlich im 2,4-GHz-Band arbeiten können, wird 802.11ac nicht verwenden können. 802.11ac führte das MIMO mit einer 8x8-Antennenkonfiguration ein. Dies spielt natürlich nur dann eine Rolle, wenn Router und Endgerät dies unterstützen. Hinzu kommt eine Quadraturamplitudenmodulation nach QAM256. Je nach Antennenkonfiguration beträgt die Kanalbreite 20 bis 160 MHz und damit steigt die Bruttodatenrate auf theoretische 6,9 GBit/s an. Die Nettodatenrate beträgt bis zu 3,5 GBit/s.

An dieser Stelle ein paar Leistungsmessungen mit dem Netgear Nighthawk X10 im 2,4- und 5,0-GHz-Band.

802.11ad

Vorerst letzte Entwicklung in diesem Bereich ist WLAN nach 802.11ad. Damit sollen die Datenraten noch einmal gesteigert werden, allerdings wird auch ein Wechsel auf ein höheres Frequenzband vollzogen. 802.11ad arbeitet im 60-GHz-Band zwischen 57 und 66 GHz, je nach Freigabe in den unterschiedlichen Ländern. Unterteilt wird in ein Kanalraster von 2.160 MHz in vier Kanäle mit einer Bandbreite von 1.760 MHz. Die Reichweite im sogenannten WiGig-Netzwerk beträgt nur wenige Meter, dies ergibt sich aus der hohen Absorption des Sauerstoffs bei 60 GHz. Die theoretische Datenübertragungsrate beläuft sich auf 6,7 GBit/s.

Bisher unterstützen nur wenige WLAN-Router und Endgeräte WLAN nach 802.11ad, unter anderem der von uns getestete Netgear Nighthawk X10.

Zusammenfassung

Wer nicht gerade die Netzwerkinstallation im eigenen Haus oder der eigenen Wohnung selbst planen kann, ist auf ein WLAN angewiesen. Dass das WLAN dabei möglichst schnell sein sollte, ist offensichtlich. Dies verlangt aber alleine schon die Tatsache eines immer höheren Datenaufkommens. Internetverbindungen erreichen Datenraten von 50 bis 100 MBit für glückliche DSL-Anschlussinhaber und mehreren hundert MBit/s, wenn eine Glasfaserverbindung vorhanden ist. Diese Datenraten sollten bestenfalls auch über das WLAN zur Verfügung gestellt werden, damit das eigene Netzwerk nicht zum Flaschenhals wird.

WLAN ab 802.11ac in der Lage diese Datenraten anzubieten. Rounter und Endgeräte verwenden mehrere Datenstreams gleichzeitig, um die Datenraten immer weiter zu erhöhen. Die Übertragung von UHD-Filmmaterial wird damit zumindest theoretisch möglich. Zudem ermöglicht die MIMO-Technologie die Übertragung hoher Datenmengen an mehrere Geräte gleichzeitig – in einem Haushalt überträgt der Vater vielleicht gerade die Urlaubsbilder auf ein NAS, die Mutter streamt das Nachmittagsfernsehen und der Sohn schaut sich YouTube-Videos an.

WLAN ist aber nicht in jedem Fall ein Ersatz für Ethernet. Die Zuverlässigkeit ist dabei weitaus entscheidender als die Theorie von Datenübertragungsraten und Geschwindigkeit der gleichzeitigen Datenstreams. Je nach Umgebung kann ein WLAN nicht die geplante Leistung und Reichweite erreichen. Je nach Haus oder Wohnung können bereits 80 Quadratmeter nicht mehr von einer Basisstation abgedeckt werden. Eine Hürde können auch mehrere WLAN-Router mit gleicher SSID bei der Einrichtung sein. Daran können auch Alternativen wie PowerLine wenig ändern, denn auch diese Techniken können keine festen Datenraten versprechen.

Ein gutes und vor allem schnelles WLAN ist aber dennoch Pflicht, denn heutzutage bewegen sich zu viele Geräte im heimischen Netzwerk, die darauf angewiesen sind. Das eine Smartphone pro Familienmitglied ist nur der Anfang. Wearables binden sich ebenso verstärkt in das WLAN ein und machen es damit zur technischen Notwendigkeit.