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 per PC und Router oder unterwegs am Smartphone via Hotspot, trifft man auf die WLAN-Entwicklungsstufen 802.11 a, b, g, n und ac. Folgend haben wir alle wichtigen Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede und die jeweiligen Möglichkeiten der einzelnen Standards zusammengefasst.

802.11a (1999): Während die erste WLAN-Spezifikation noch für die Übertragung von Daten im Frequenzbereich bei 2,4 GHz vorgesehen war, 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-T2 (Antenne) und DVB-C (Kabel) verwendet. Das Verfahren 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 bei 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. Per 2,4-GHz-Band werden auf einer Bandbreite von 20 MHz etwa 5 MBit/s netto erreicht. Innerhalb von Häusern beträgt die maximale Reichweite etwa 38 Meter, im Freien bis zu 140 Meter. WLAN 802.11b wird heute nur noch selten eingesetzt und gilt als veraltet.

Beispiel: Diverse WLAN-Router von AVM (Fritz!Box)

WLAN Router von AVM


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 (oder neuer) abgelöst. Soweit möglich sollten Nutzer auf modernere Standards umsteigen.

802.11n (2009): Die Erweiterung 802.11n kann als Besonderheit sowohl auf 2,4, wie 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 Frequenzbandbreite von 20 auf 40 MHz verdoppelt wurde, kommen so Bruttodatenraten von maximal 600 MBit/s zustande. Netto sind es allerdings maximal 120 MBit/s bei MIMO 2x2 bzw. bis zu 170 MBit/s bei MIMO 3x3. Mit 4x4 sind gut 240 MBit/s erzielbar. Die maximale Reichweite im Haus beträgt 70 Meter, draußen können es bis zu 250 Meter sein. Auch wenn viele Endgeräte bei Verbrauchern bevorzugt noch mit 802.11n betrieben werden, empfiehlt sich Stück für Stück die Umrüstung auf das deutlich stabilere und leistungsstärkere WLAN ac!

802.11ac (2013): Für WLAN-ac, das mittlerweile in immer mehr Geräten zu finden ist, wurden die Bandbreiten bei 5 GHz nochmals erweitert. Konnten bei 802.11n pro Kanal lediglich 40 MHz genutzt werden, sind es bei der Erweiterung 802.11ac 80 oder sogar 160 MHz. Via WLAN-ac werden die Daten außerdem mit einer effizienteren Signalmodulation von 256 Symbolen zu je 8 Bit transferiert. Kombiniert durch Multi-Antennenverbindung (MIMO 3x3), wird die Bruttodatenrate so erheblich gesteigert. WLAN AC erlaubt aktuell (80 MHz) eine Datenübertragungsrate von auf 1,3 GBit/s, was netto in etwa 500-600 Mbit/s ergibt. Erst mit 802.11ac Heimnetzwerken können daher besonders leistungsstarke Internetzugänge ihre volle Leistung kabellos an alle Endgeräte verteilen. Auch die Reichweite und Stabilität wurde nochmals optimiert. Darüber hinaus funken bisher die meisten noch mit älteren Standards, wodurch es seltener zu gegenseitigen Beeinträchtigungen kommt. Es spricht also viel für eine Umstellung!

WLAN AC Stick von ASUS in Betrieb


Beispiel Belegung auf 5 GHz und WLAN ac | Screenshot FritzBox


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. Liefert ein System 600 MBit Brutto, können also in der Praxis durchaus bis 300 MBit erreicht werden. Bei WLAN AC hängt die maximale Datenrate zudem stark vom eingesetzten MIMO-Type ab. Wie schon oben angedeutet, sind bis zu 8x8 Antennen möglich. Die im Handel befindlichen Geräte leisten aber meist "nur" MIMO 3x3 oder MIMO 4x4. Daher beschränkt sich die Bruttodatenrate momentan in der Regel auf ca. 1300 MBit brutto.

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 per 4x4 MU-MIMO ein einziger Client vom Router mit vier Antennen, auf ebenfalls Frequenzbändern parallel angefunkt werden. Oder der Router kann 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 genannt, welcher in Verbindung mit einem LTE-Stick ein echtes kleines Universalwunder ist.


Speedbox III mini mit WLAN ac


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. Durch das Verfahren lässt sich die Übertragungsleistung optimal austarrieren, wobei die WLAN-Reichweite erhöht, der Streuverlust verringert und so die Verbindung stabilisiert wird.

2.2) 802.11ac auf dem Vormarsch

FB 7580 bietet AC Wave 2 und MU-MIMO
Die höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit von WLAN 802.11ac führt, durch die kürzere Übertragungsdauer, auch zu einem niedrigeren Energieverbrauch. Deshalb setzt sich dieser Standard vor allem bei Mobilgeräten immer stärker durch.

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 einige Router, allen voran die Fritz!Box 7490 von AVM, sowie Apples MacBook Air, gehörten zu den Vorreitern. Seit 2017 unterstützt praktisch jedes Mittelklasse-Gerät WLAN ac. Achten Sie beim Kauf auf entsprechende Unterstützung und machen lieber einen Bogen um Modelle, welche nur WLAN-n supporten.

2.3) Abwärtskompatibilität

Geräte welche 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 bieten.

Wichtig: Die volle Leistung von WLAN ac lässt sich nur nutzen, wenn alle teilnehmenden Geräte den Standard bereits supporten. Router, Smartphone, Tablet etc. sollten also fit für 802.11ac sein!

3.) 2,4 und 5 GHz: Vor- und Nachteile

Geräte der Unterhaltungselektronik betreiben 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 nicht selten, gerade beim Streamen von Musik und Filmen, zu Frustration durch Bild- oder Ton-Aussetzer. Bei schwachem WLAN-Empfang sollte man den Standort des Routers überprüfen oder einen WLAN-Repeater oder Powerline-Adapter zu Hilfe 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 der, dass sich im Band von 2.4 GHz die meisten WLAN-Betreiber tummeln. Wer testweise einmal 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 ungestört.

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 beeinflussen. 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 Höhere 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 und anderen Endgeräten 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 gerade einmal 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. für Multimedia-Netze im Haus der Zukunft. Mehr Zukunft für Gigabit-Internet und höhere Reichweiten hat da wahrscheinlich 5G.

4.1 Nutzung im Heimnetzwerk

Anwendungsszenarien für 802.11ad sind beispielsweise das Streamen eines Videos vom Tablet auf den Fernseher. Oder die kabellose Verbindung eines PCs oder Laptops mit einer NAS-Festplatte. 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. Doch selbst Mitte 2017 spielte ad noch keine nennenswerte Rolle...

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 bei 900 MHz funken. Das ist interessant, da neben 800 MHz hier ebenfalls LTE betrieben wird. Durch die niedrige Frequenz erhöht sich gleichsam auch die maximale Reichweite deutlich. Die Rede ist von einer Verdopplung, was letztendlich aber auch primär von der Sendeleistung determiniert 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. 802.11ah wird auch wahrscheinlich nicht für den Heimeinsatz konzipiert. 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...


7. WLAN Hotspots nutzen

Surfvolumen sparen mit Hospots in der Stadt

Die WLAN-Nutzung ist nicht nur zuhause interessant! Alle führenden deutschen Mobilfunkanbieter haben in den letzten Jahren bundesweit ein dichtes Netz an sogenannten „Hotspots“ gespannt. Gerade in Städten kann man so sein kostbares Inklusivvolumen am Smartphone oder Tablet sparen und dennoch schnell surfen. Vodafone betreibt nach eigenen Angaben 1.5 Millionen solcher WLAN-Hotspots. Als Kunde können Sie für 4.99 € monatlich die Hostspot-Flat zuschalten und unterwegs unbegrenzt browsen. Noch günstiger geht das bei der Deutschen Telekom. In allen MagentaMobil-Tarifen ist bereits eine Hotspot-Flatrate inklusive!

8. Wifi Calling

Mit dem sogenannten „Wifi-Calling“ genießen Mobilfunkkunden seit 2017 noch mehr Freiheit wie zuvor. Mit dem Verfahren kann man selbst dann problemlos telefonieren, wenn kein Empfang besteht. Stattdessen wird das WLAN-Netz vor Ort genutzt. Das funktioniert automatisch und ohne App. Im Ausland lässt sich damit sogar teils kostenlos telefonieren. Was die Technik alles kann und welche Voraussetzungen es gibt, zeigt hier unser ausführlicher Wifi-Calling Ratgeber.

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



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