Wireless LAN | Der große Ratgeber

Alle Standards bis zum Turbo WLAN ac & ad


WLAN ist nicht gleich WLAN: Welchen Standard der kabellosen Übertragungstechnik mein Router, Smartphone, Notebook oder Tablet genau nutzt, das hängt auch von seinem Alter ab. Seit der Einführung der WLAN-Spezifikationen 1997 hat sich viel getan, sowohl bei der Technik als auch bei den Übertragungsgeschwindigkeiten. LTE-Anbieter.info gibt einen Überblick über die bisherigen WLAN-Erweiterungen bis hin zum aktuell schnellsten Standard 802.11ac. Worin liegen die Unterschiede der einzelnen Spezifikationen und wo liegen die Leistungsspitzen? Zudem beleuchten wir worin Vor- und Nachteile im Betrieb bei 2.4 und 5 GHz liegen.

1) WLAN IEEE 802.11

Seit das Institute of Electrical and Electronics Engineers, kurz IEEE, im Jahr 1997 die Norm 802.11 für die kabellose Kommunikation in Funknetzwerken festgelegt hat, hat sich dieser Standard - besser bekannt als WLAN (Wireless Local Area Network) - kontinuierlich weiterentwickelt. Im Heimnetzwerk mit PC und Router oder unterwegs mit Smartphone und Hotspot trifft man auf die WLAN-Entwicklungsstufen 802.11 a, b, g, n und ac. Folgend finden Sie alle Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede und die jeweiligen Möglichkeiten der einzelnen Standards.

802.11a (1999): Während die erste WLAN-Spezifikation die Übertragung von Daten per Radiowellen im Frequenzbereich bei 2,4 GHz vorsah, konnte mit der ersten Erweiterung WLAN-a von 1999 auch das 5-GHz-Band genutzt werden. 802.11a funkt mit einer Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) von 64 Symbolen. QAM64 wird auch bei Mobilfunk (LTE) und zur Übertragung von TV-Signalen, wie DVB-T (Antenne) und DVB-C (Kabel) verwendet und bietet eine hohe Effizienz bezüglich Datenübertragungsrate und Bandbreite. Bei WLAN-a beträgt die Bandbreite 20 MHz und die Brutto-Datenrate 54 Mbit/s, wobei netto beim Nutzer etwa die Hälfte an Mbit/s ankommt. Die Reichweite im Haus liegt im Bereich von ca. 35 Metern - abhängig natürlich von der Anzahl und Beschaffenheit der Wände.

802.11b (1999): Im gleichen Jahr wie 802.11a wurde auch 802.11b definiert. Im 2,4-GHz-Band werden auf einer Bandbreite von 20 MHz etwa 5 MBit/s netto erreicht. Im Haus beträgt die maximale Reichweite etwa 38 Meter, im Freien bis zu 140 Meter. WLAN 802.11b wird heute nur noch selten eingesetzt.

802.11g (2003): Mit WLAN-g bei 2,4 GHz im 20-MHz-Kanalschema und einer QAM64-Modulation schafft man netto bis zu 22 Mbit/s bei der Datenübertragung. 802.11g ist abwärtskompatibel zu 802.11b (bei etwa gleicher maximaler Reichweite) und derzeit noch weit verbreitet, wird aber mehr und mehr von WLAN-n abgelöst.

802.11n (2009): Die Erweiterung 802.11n kann als Besonderheit sowohl bei 2,4 als auch bei 5 GHz funken ("Dualband"). Möglich wird dies durch die MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output). Hier kommen vier, sechs oder acht Antennen gleichzeitig zum Einsatz: Bei MIMO 2x2 funken sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite jeweils zwei Antennen parallel, wodurch sich die Datenrate verdoppelt. Da bei 802.11n auch die Bandbreite von 20 auf 40 MHz verdoppelt ist, kommen so Bruttodatenraten von 600 Mbit/s zustande. Netto sind es allerdings maximal 120 Mbit/s bei MIMO 2x2 und bis zu 170 Mbit/s bei 3x3; bei 4x4 sind es etwa 240 Mbit/s. Die maximale Reichweite im Haus beträgt 70 Meter, draußen können es bis zu 250 Meter sein.

802.11ac (2013): Für WLAN-ac, das mittlerweile in immer mehr Geräten zu finden ist, wurden die Bandbreiten bei 5 GHz nochmals erweitert. Können bei 802.11n pro Kanal 40 MHz genutzt werden, sind es bei der Erweiterung 802.11ac 80 oder gar 160 Mhz. Im WLAN-ac werden die Daten mit einer effizienteren Signalmodulation von 256 Symbolen zu je 8 Bit übertragen. Bei einer Multi-Antennenverbindung von MIMO 3x3 wird die Bruttodatenrate so bei einer Bandbreite von 80 MHz auf 1,3 Gbit/s erhöht, was netto etwa 660 Mbit/s ergibt.

802.11ad (2012) Siehe Ratgeber Gliederungspunkt 4) ...
802.11ah (2016) Siehe Ratgeber Gliederungspunkt 5) ...

1.1 Übersicht der WLAN-Standards und deren wichtigsten Eigenschaften

Die folgende Tabelle zeigt noch einmal übersichtlich, welcher Standard was unterstützt. Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass es in Punkto Reichweite kaum möglich ist plausible Angaben zu machen. Zwar lässt sich eine physikalische Maximalreichweite definieren - diese ist für den Kunden aber kaum hilfreich. Prinzipiell gilt: Die Reichweite in Gebäuden hängt von mehreren Faktoren ab. Zu nennen sind dabei natürlich bauliche Parameter (Wanddicke, Materialien etc.), andere Störquellen in der Nähe, Belegung von Kanälen durch andere Nutzer/Netze und so weiter. Die Reichweite muss daher individuell vor Ort beobachtet werden. Gut möglich dass im eigenen Haus das Signal 30 Meter reicht, bei einem Bekannten aber nur 15 Meter...

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Die angegebene, maximale Datenrate bezieht sich auf die vom Standard und unter Idealbedingungen erzielbare Geschwindigkeit. Um die in der Praxis erreichbare Datenrate zu ermitteln, hat es sich als gute Pi x Daumenregel erwiesen, den Wert durch Zwei zu teilen. Bei 600 MBit Brutto, können also in der Praxis durchaus bis 300 MBit erreicht werden. Bei WLAN AC hängt die Maximale Datenrate stark vom eingesetzten MIMO-Type ab. Wie schon oben angedeutet, sind maximal 8x8 möglich. Die im Handel befindlichen Geräte leisten aber meist aktuell "nur" MIMO 3x3 oder MIMO 4x4. Daher beschränkt sich die Bruttodatenrate momentan auf ca. 1300 MBit.

2) Die WLAN-ac-Erweiterung Wave 2

Die neueste und schnellste Erweiterung von 802.11ac heißt "Wave 2": Sie ermöglicht auch sogenanntes Multi-User-MIMO (MU-MIMO), wodurch mehrere Geräte gleichzeitig mit schnellem WLAN versorgt werden können. So kann beispielsweise mit 4x4 MU-MIMO ein einziger Client vom Router mit vier Antennen auf vier Frequenzbändern parallel angefunkt werden. Oder der Router ist in der Lage vier Mobilgeräte, die jeweils nur eine Empfangsantenne besitzen (1x1), gleichzeitig mit Daten beliefern. Das folgende Schaubild (AVM-Stand Cebit 2015) zeigt noch einmal deutlich die Unterschiede zu Single-MIMO und wo die Vorteile von MU-MIMO WLAN liegen.

Multi-User MIMO Vorteile

2.1) Doppelte Bandbreite bei Wave 2 & Fokussierung durch Beamforming

Außerdem wurde die Frequenzbreite bei Wave 2 auf 160 MHz verdoppelt. Rein rechnerisch sind mit 160 MHz Bandbreite, QAM256 und MIMO 8x8 sogar fast 7 GBit/s brutto erreichbar - allerdings eben nur in der Theorie. Erste Geräte mit WLAN-ac Wave 2 ließen nicht lange auf sich warten: So stellte AVM auf der Cebit 2015 die Fritz!Box 4080 vor, die mit 4x4 MU-MIMO Datenraten bis zu 2,5 Gbit/s schafft. Bald dürften sicher auch mehr LTE-Router herauskommen, die die Technik unterstützen. Bisher hält sich die Auswahl sehr in Grenzen. Welche heute schon ac beherrschen? Zum Beispiel die Speedbox III und Speedbox III mini. Zudem sei an der Stelle noch der Dovado Tiny AC genannte, der in Verbindung mit einem LTE-Stick ein echtes kleines Universalwunder ist.

802.11ac mit Wave 2 setzt zudem auf eine Technik namens Beamforming: Der Sender nutzt seine Antennen, um durch die zeitlich versetzte Übertragung eines Signals den Standort des Empfängers genauer bestimmen zu können. Dadurch kann die Übertragungsleistung optimal ausgerichtet werden, wobei die WLAN-Reichweite erhöht, der Streuverlust verringert und so die Verbindung stabilisiert wird.

2.2) 802.11ac auf dem Vormarsch

FB 4080 bietet AC Wave 2 und MU-MIMO
Die höhere Datenübertragungs-geschwindigkeit von WLAN 802.11ac führt durch die kürzere Übertragungsdauer auch zu einem niedrigeren Energieverbrauch, weshalb sich dieser Standard vor allem bei Mobilgeräten derzeit rasch durchsetzt. Ende 2013, als die Spezifikation für 802.11ac offiziell von der IEEE verabschiedet wurde, waren bereits einige kompatible Geräte auf dem Markt. Wie z.B. die Smartphones Google Nexus 5 und das HTC One. Aber auch Router einige Router, allen voran die Fritz!Box 7490 von AVM, sowie Apples MacBook Air.

2.3) Abwärtskompatibilität

Geräte, die WLAN-ac unterstützen, sind abwärtskompatibel zu Geräten mit WLAN-n oder WLAN-a, die ebenfalls bei 5 GHz funken. Und: Da sie meist auch ein weiteres WLAN-Modul an Bord haben, das bei 2,4 GHz funken kann, sind sie gleichsam kompatibel mit WLAN-b und WLAN-g. Die maximale Leistung entfaltet WLAN-ac aber nur, wenn sowohl Sender als auch Empfänger diesen Standard unterstützen.

3.) 2,4 und 5 GHz: Vor- und Nachteile

Die meisten Geräte der Unterhaltungselektronik funken per WLAN entweder bei 2,4 GHz (zwischen 2,4 und 2,4835 GHz, um genau zu sein) und/oder bei 5 GHz (5,15 GHz - 5,725 GHz). Dabei haben beide Bänder sowohl Vorteile als auch Nachteile. Das 2,4-GHz-Band gehört zu den von der Bundesnetzagentur gebührenfrei freigegebenen Frequenzbereichen. Seine Nutzung ist weit verbreitet, was aber auch der entscheidende ein Nachteil ist: Ein Router oder ein Smartphone mit WLAN-b/g/n muss sich den Frequenzbereich möglicherweise mit vielen anderen Geräten und auch Funktechniken teilen. Welche das sind, erfahren Sie im folgenden Abschnitt.

3.1 Viele Störquellen bei 2,4 GHz

So können Störungen bei 2,4 GHz nicht nur durch andere WLAN-Erzeuger, sondern auch durch Geräte wie eine Mikrowelle, ein Babyfon oder auch eine Bluetooth-Maus / -Tastatur auftreten. Sogar Wasser in Heizkörpern oder Vasen stört den WLAN-Empfang. Von Wänden - vor allem aus Stahlbeton - Decken und Böden, womöglich noch mit Fußbodenheizung, gar nicht zu sprechen. Das führt besonders in Zeiten, in denen das Streamen von Musik und Filmen via WLAN immer mehr zunimmt, zu Frustration durch Aussetzer. Bei schwachem WLAN-Empfang sollte man den Standort des Routers überprüfen oder einen WLAN-Repeater oder Powerline-Adapter zuhilfe nehmen.

3.2 Nur vier Kanäle frei

Im 2,4-GHz-Band sind insgesamt 14 Kanäle mit je 5 MHz Bandbreite vergeben. Da der WLAN-Funk aber jeweils mindestens 20 MHz Breite benötigt, stehen nur die vier Kanäle 1, 5, 9 und 13 für eine überlappungsfreie Übertragung zur Verfügung. Es können also nur vier Netzwerke gleichzeitig am gleichen Ort störungsfrei in Betrieb sein. Ein weiterer hemmender Umstand ist folglich einfach der, dass sich im Band von 2.4 GHz die meisten WLAN-Betreiber tummeln. Wer mal auf 5 GHz wechselt, wird oft noch "ganz allein auf weiter Flur" sein. Das folgende Beispiel zeigt exemplarisch ein Praxisszenario: Im Bild oben auf 2.4 GHz herrscht relatives Gedränge, unten auf 5 GHz hingegen funkten wir einsam und ungesört.

Kanalbelegung 2.4 GHz

Kanalbelegung 5 GHz

3.3 Einschränkungen bei 5 GHz

Auch bei der alternativen WLAN-Frequenz bei 5 GHz gibt es potenzielle Probleme durch Störungen, nur dass hier eher der WLAN-Funk andere Geräte stört. So ist WLAN zwischen 5,15 und 5,35 GHz nur in geschlossenen Räumen zugelassen, um Radaranlagen, Ortungs- und Satellitendienste nicht zu stören. Zwischen 5,47 und 5,725 GHz ist WLAN auch im Freien möglich, aber nur mit Einschränkungen: So muss mittels DFS-Technik (Dynamic Frequency Selection) gewährleistet sein, dass das WLAN-Modul unverzüglich auf einen anderen Kanal umschaltet, sobald ein anderes System in der Nähe - beispielsweise ein Wetterradar - auf diesem Kanal arbeitet. Außerdem muss mittels TPC (Transmitter Power Control) die Sendeleistung kontrolliert werden. Dies ist in den Spezifikationen zur WLAN-Erweiterung 802.11h festgehalten.

3.4 Hohe Sendeleistung

In Deutschland sind insgesamt 19 sich nicht überlappende Kanäle von der Bundesnetzagentur freigegeben. Da das 5-GHz-Band bisher nur wenig genutzt wird, sind Störungen des WLAN durch andere Geräte noch eher selten. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Sendeleistung. Bei 2,4 GHz ist sie auf maximal 100 Milliwatt festgelegt. Mit dem 5-GHz-Standard 802.11h sind bis zu 1.000 mW Sendeleistung möglich.

4. Wireless Gigabit 802.11ad

Während sich WLAN-ac in immer mehr Smartphones, Routern & Co wiederfindet, ist schon 2012 ein weiterer Standard verabschiedet worden, der weder bei 2,4 noch bei 5 GHz funkt: 802.11ad nutzt das Frequenzband bei 60 GHz. Hier sind insgesamt vier Kanäle nutzbar (zwischen 57,24 und 65,88 GHz), die mit jeweils 2 GHz deutlich breiter sind als in den herkömmlichen Bändern und eine sehr hohe Übertragungsrate ermöglichen.

Theoretisch sind pro Kanal bis zu 7 GBit/s machbar, weshalb man bei WLAN 802.11ad auch von Wireless Gigabit oder kurz "WiGig" spricht. So könnte man beispielsweise ein unkomprimiertes Video in Ultra-HD-Auflösung in kürzester Zeit streamen. Allerdings ist die Reichweite bei 60 GHz stark eingeschränkt, weil der Sauerstoff in der Luft bei derart hohen Frequenzschwingungen die Energie der Welle mehr und mehr absorbiert, je länger sie unterwegs ist. Die maximale Reichweite von WLAN-ad wird derzeit mit 10 Metern angegeben. Hinzu kommt, dass zwischen Sender und Empfänger freie Sicht herrschen muss; dies versucht man durch Beamforming zu kompensieren. Daher ist der Einsatz auf einige wenige Szenarien beschränkt, wie z.B. fürs Multimedia-Netze im Haus der Zukunft.

4.1 Nutzung im Heimnetzwerk

Als Anwendungsszenarien für 802.11ad sind beispielsweise das Streamen eines Videos vom Tablet auf den Fernseher oder die kabellose Verbindung eines PCs oder Laptops mit einem Monitor, einem Drucker oder einer externen Festplatte denkbar. Ob sich WLAN-ad durchsetzen wird, ist noch offen. Mit LG hat allerdings schon ein erster Hersteller den Standard in einem Gerät implementiert, nämlich im 2015 vorgestellten Smartphone G Flex 2.

5. WLAN 802.11ah

Anfang 2016 verabschiedete die „Wi-Fi Alliance“ den neusten Standard für die Zukunft. IEEE 802.11ah (Codename „HaLow“), soll sich erstmals vom Bereich um 2 bzw. 5 GHz entkoppeln und auf einem Frequenzband um 900 MHz funken. Also ähnlich wie LTE bei 800 MHz. Damit erhöht sich gleichsam die maximale Reichweite deutlich. Die Rede ist von einer Verdopplung, was letztendlich aber auch primär von der Sendeleistung determiniert werden wird. Im Fokus steht bei WLAN-ah die Vernetzung von mehreren tausend Endgeräten im Umfeld. Beispielsweise für Smart-Gadgets, Wearables, Smart Home und Stichwort „Internet of things“. 802.11ah soll daher auch besonders Stromsparend konzipiert sein. Mehr Details zur Leistungsfähigkeit sind leider noch nicht bekannt. Allerdings dürfte diese unter WLAN-ac liegen, schon allein aufgrund der viel niedrigeren Betriebsfrequenz und dem mobilen Fokus. Letztendlich wird 802.11ah wahrscheinlich nicht für den Heimeinsatz konzipiert sein. Erste Produkte gibt es den Plänen nach ab 2018.

6. WLAN Hotspot an LTE-Endgeräten einrichten

Sie haben ein Smartphone oder Tablet mit Android als Betriebssystem? Mit wenigen Kniffen können Sie diese Geräte in einen portablen WLAN-Router verwandeln und bis zu 10 zusätzliche Endgeräte darüber ins Internet bringen. Wie das geht, zeigt hier unser Tethering Ratgeber...



Quellen: IEEE.org, c't Magazin, AVM, Wikipedia, PC Magazin, Chip, TechRepublic, Elektronik-Kompendium



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