Schnelleres WLAN:
So optimieren Sie das WLAN

von magnus.de

17.09.2010

Wireless LAN ist der Standard, wenn es um lokale Datenübertragung geht. Lesen Sie, wie Sie Ihr WLAN schneller machen und was die Zukunft bringt.

Die Zahlen des Branchenverbands Bitkom sind beeindruckend: Im Jahr 2009 nutzten rund 44 Prozent aller deutschen Haushalte einen Internetzugang mit WLAN-Anbindung. Fritzbox-Hersteller AVM meldet sogar, dass nach eigenen Erhebungen über 90 Prozent der Besitzer der weit­verbreiteten Fritzbox Fon WLAN 7270 die Datenfunktechnik der Box tatsächlich einsetzen – damit ist WLAN das mit Abstand am meisten genutzte Feature des Tausendsassas. Das bleibt aber leider nicht folgenlos – denn auch im WLAN staut sich der Datenverkehr. Lesen Sie, wo Probleme lauern und wie Sie Abhilfe schaffen.

Überlastung im 2,4-GHz-Bereich

WLAN funkt derzeit in zwei Frequenzbändern. Einmal wie seit Beginn der Technik bei 2,4 GHz und neuerdings auch bei 5 GHz. Die meisten Kunden allerdings nutzen noch den alten Bereich.

Das Problem: Hier wurden seinerseits die Kanäle überlappend definiert. Das bedeutet: Wenn Ihr Nachbar sein WLAN-Funknetz auf Kanal 3 betreibt und Sie auf Kanal 1, stören sich beide Funknetze gegenseitig – unterbrochene Verbindungen oder langsamer Datentransfer können die Folge sein.

Und die WLAN-Dichte ist groß: Auf Scanfahrten durch Großstädte empfängt man locker über 30 Funk­netze gleichzeitig – gegenseitige Beeinträchtigungen sind hier an der Tagesordnung. Was tun? Funken Ihr Router und Ihre WLAN-Clients wie PC oder Handy auch im 5-GHz-Bereich, empfiehlt sich der Umstieg, denn hier überlappen die Kanäle nicht.

Weitere Lösung für versierte Nutzer: Wenn Sie mit Ihrem WLAN-fähigen Computer die Umgebung des Nutzungsortes abscannen, können Sie sehen, auf welchen Kanälen die anderen Funknetze arbeiten – und Ihren Router auf einen weniger belasteten Kanal einstellen.

Mikrowelle als Störsender

Ein weiteres Problem ist, dass der Funkbereich, in dem sich WLAN tummelt, nicht exklusiv ist. So arbeiten neben Bluetooth und Video­bridges auch Mikrowellen auf diesen Frequenzen und stören WLAN ebenfalls.

Besitzer einer neueren Fritzbox mit der jeweils aktuellen Firmware (ab Modell 7170, Baujahr 2007) sind hier fein raus, denn wenn WLAN aktiviert wird oder die Box aus der Nachtschaltung kommt, sucht sie selbstständig die Umgebung nach anderen WLAN-Netzen ab und wählt automatisch den Kanal, auf dem am wenigsten Störungen zu erwarten sind. Ab dem Modell 7270 erkennt die Fritzbox dank einer Spektrumanalyse sogar Video­bridges und Mikrowellenöfen an den jeweiligen Funksignaturen und bindet diese Informationen in die Autokanalwahl mit ein.

Neue WLAN-Features

Mit Riesenschritten voran geht es beim Tempo: Aktuell ist der WLAN-Standard N mit theoretischen 300 Mbit/s das Maß der Dinge, wovon in der Praxis rund die Hälfte übrig bleibt. Doch derzeit werden von den Kabelnetz­betreibern die ersten Internet­zugänge mit 100 Mbit/s geschaltet – damit wird der Download und die drahtlose Weiter­verteilung von HD-Video­inhalten im Haus zum Thema. Und WLAN 802.11 n, wie der derzeit schnellste Datenfunkstandard offiziell benannt ist, ist noch lange nicht das Ende der Fahnenstange – hier stehen uns noch einige Entwicklungsstufen ins Haus.

Räumlicher Multiplex

Während bisher zur Steigerung der Durchsatzraten vor allem mit Frequenzmultiplex oder mit Zeitmultiplex gearbeitet wird – beispielsweise senden UKW-Radiostationen auf verschiedenen Frequenzen, GSM-Handys dagegen auf einem Kanal, aber zu unterschiedlichen Zeiten – kommt bei WLAN 11n die räumliche Komponente hinzu. Sogenannte Spatial Streams (räumliche Ströme) sind Datenströme, die zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz ausgesendet werden, aber unterschiedliche Wege bis zum Empfänger nehmen.

Genau das ist normalerweise bei Funkübertragungen für die Verbindung tödlich, da sich beide Ströme im ungünstigsten Fall wie beim Antischall durch Interferenzen auslöschen. Mit technischen Tricks kann man sich Interferenz aber auch positiv zunutze machen. Dazu später mehr.

Für Spatial Streams müssen die Entwickler mehrere Sende- und Empfangsantennen einsetzen, also MIMO-Technik (Multiple Input Mulitple Output). Im Normalfall nutzt man jeweils eine Sende- und Empfangsantenne je Stream, wobei pro Stream derzeit 150 Mbit/s erreichbar sind. Billige Systeme, aber auch die meisten WLAN-N-Konfigurationen in Mo­biltelefonen sowie im iPad arbeiten mit einer Antenne, derzeit marktübliche hochwertige Systeme wie die Fritzbox Fon WLAN 7270 oder 7390 arbeiten mit 2x2 Antennen und damit zwei Spatial Streams.

Demnächst gehen Systeme mit 3x3 Antennen, also drei Streams und 450 Mbit/s, an den Start. Geschwindigkeitsjunkies sollten deshalb immer auf die Anzahl der Spatial Streams achten, die ein WLAN-Router bietet. In diesem Zusammenhang kommt noch eine Weiterentwicklung ins Spiel.

Vermessung der Funkstrecke

Denn die pure Antennenanzahl bewirkt noch nicht das Maximum an Geschwindigkeit, damit ist erst mal nur die sogenannte Diversity möglich: Das Empfängersystem wertet die empfangenen Ströme aus und schaltet auf die Antenne, die das beste Signal empfängt. Um mit mehreren Spatial Streams die Datenrate zu steigern, müssen die Ingenieure dafür sorgen, dass es nicht zu Interferenzen kommt und dass man die unterschiedlichen Ströme in Kombination nutzen kann.

Das wird unter anderem durch Tx-Beamforming erreicht. Hier darf allerdings der Name nicht wörtlich genommen werden, es findet also keine Antennenausrichtung statt. Vielmehr schickt der Sender vor einer Übertragung erst mal Trainingssequenzen, sogenannte Sounding-Pakete, durch die Luft. Der Empfänger ermittelt die Signalqualität und prüft, ob sich die Ströme gegenseitig auslöschen. Aus diesen Informationen generiert der Empfänger eine Optimierungsempfehlung und schickt diese an den Sender, der die Phasen­lage des Signals entsprechend modifiziert und den momentanen Bedingungen anpasst.

Diese Funkstreckenvermessung erfolgt regelmäßig, da sich die Gegebenheiten beispielsweise durch im Raum befindliche Personen ständig ändern. Der Lohn der Mühe: Durch Tx-Beamforming erhöht sich der Durchsatz bei mittleren Entfernungen um rund 50 Prozent.

Zu Tx-Beamforming gehört auch das Empfangsmerkmal Maximum Ratio Combining (MRC). Dadurch verbessert sich der Empfang bei großen Distanzen. So wird die Reichweite künftiger WLAN-Geräte merklich steigen. MRC ist eine Empfängerfunktion, bei der die MIMO-Signalpfade optimal kombiniert und Zeit sowie Phase der empfangenen Signale zur Verbesserung der Linkzuverlässigkeit abgeglichen werden.

Problemlösung bei Kurzstrecken

Man sollte es nicht glauben, aber ein starkes Funksignal bedeutet nicht zwangsläufig eine gute Übertragung. Denn je näher Sender (WLAN-Router) und Empfänger (Client) beieinander sind, desto mehr „brüllen“ sie sich auf Funk­ebene an, da das Signal auf kurzen Strecken relativ stark ist. Das führt gerade bei MIMO-Systemen zu Verzerrungen. Diesen wird in künftigen WLAN-Systemen durch die sogenannte Maximum Likelyhood Demodulation (MLD) begegnet. Diese Demodulationsart ist deutlich genauer als die bisher eingesetzte Zero-Forcing-Methode.

Neue Codierung

Vor Kurzem bereits implementiert wurde Space Time Block Coding (STBC), eine neue Codiermethode. Diese bringt keine direkten Geschwindigkeitsvorteile, sondern erhöht die Stabilität von WLAN-Verbindungen. Und zwar vor allem dann, wenn auf der Funkstrecke viele Reflektionen auf­treten und der Router zwar mehrere Sendeketten hat, der Empfänger aber nur eine – was wie gesagt häufig bei billigen WLAN-Systemen oder bei Smartphones der Fall ist.

Neue Systeme bald erhältlich

Mit Ausnahme der bereits jetzt implementierten STBC kommen die vorgestellten Systeme wie Tx-Beamforming, MRC und MLD erst noch auf den Markt. Voraussetzung hierfür sind neue Chipsätze, die demnächst in größeren Stückzahlen verfügbar werden. Vorreiter ist einmal mehr die Berliner Fritzbox-Schmiede AVM, die als einer der ersten Hersteller entsprechende Produkte bringt.

Ab Herbst soll mit der Fritzbox 3370 und brandneuen Atheros-Chipsätzen das nächste WLAN-Zeitalter eingeläutet werden. Die Box bietet drei Sende- und Empfangsketten, entsprechend drei Spatial Streams und damit 450 Mbit/s brutto. Sämtliche erwähnten WLAN-Verbesserungen sind in die Box mit eingeflossen. Leider haben die Berliner noch keinen entsprechenden Empfangsstick angekündigt, den man an den PC anstöpseln kann – aber was nicht ist, kann ja noch werden.

Gigaherz-WLAN

Auf kurzen Distanzen bei Frequenzen um 60 GHz könnten künftig extrem hohe Datenraten im Gigabit-Bereich unterschiedliche Geräte vernetzen.

In einer Division des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts arbeiten Forscher an einer anderen WLAN-Zukunftsentwicklung: der Datenübertragung im Bereich von 60 GHz. Hier ist enorm viel weltweit unreguliertes Frequenzspektrum frei – so viel, dass die Forscher von einem künftigen Datendurchsatz um die 7 Gigabit/s träumen.

Wie von der Mobilfunktechnik bekannt, gilt aber auch hier: Je höher die Frequenz, desto höher die Dämpfung, was die Reichweite stark einschränkt. Zudem haben die Funkwellen bei diesen Frequenzen quasi-optische Eigenschaften: Zwischen Sender und Empfänger muss zwingend eine Sichtverbindung bestehen. Mehrere Zimmer kann man mit Gigahertz-WLAN also nicht versorgen. Dazu ist die Technik aber auch gar nicht gedacht – hier geht es eher darum, extrem hohe Daten­raten über kurze Distanzen von bis zu zehn Metern zu ermöglichen und somit Kabel überflüssig zu machen. Die Technik wird also eher mit Bluetooth als mit dem bisherigen WLAN konkurrieren.

So arbeiten die Berliner Forscher gerade daran, mit der Mehrantennentechnologie MIMO sowie speziellen Raum-Zeit-Codierverfahren (STC; Space Time Coding) das System dahingehend zu verbessern, dass es keine Sichtverbindung mehr benötigt. Zwar werden selbst damit auch künftig wohl keine Verbindungen zwischen Wänden möglich werden; immerhin haben es die Forscher aber schon geschafft, dass man eine Hand in die Funkstrecke halten kann, ohne dass die Datenverbindung zum Erliegen kommt.

Und im Gegensatz zu den ersten Versuchen mit der neuen Technik ist es den Forschern inzwischen auch gelungen, dass die Antennen nicht mehr ausgerichtet sein müssen. Ziel ist es, dass beispielsweise der Rechner unter dem Schreibtisch und die Digitalkamera auf demselben drahtlos Kontakt aufnehmen, sodass der Bildertransfer ohne Kabel bequem und schnell funktioniert.

Auch sollen so HDMI-Kabel überflüssig werden und etwa die Verbindung von Kameras zum HD-Fernseher drahtlos über die Bühne gehen. Nach diesem Vorbild gibt es etliche Anwendungen, bei denen Gigahertz-WLAN Sinn macht. Damit gilt die 60-GHz-Funktechnik als aussichtsreicher Kandidat für extrem breitbandige Funkanwendungen im Nahbereich (WPAN, Wireless Personal Area Networks).

Optisches WLAN

Können Sie sich noch an die Zeit vor Bluetooth erinnern? Mittel der Wahl, um beispielsweise das Handy mit dem Computer zu synchronisieren, war neben dem Kabel die Infrarotschnittstelle IrDA, also die Datenübertragung über Licht.

Und genau das ist unter anderem Forschungsschwerpunkt einer weiteren Divison des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts in Berlin. Dabei werden komplett neue Wege beschritten: Die Forscher setzen auf sichtbares Licht von Deckenlampen. Sie arbeiten an einem Verfahren, das über handelsübliche LED-Leuchten an der Raum­decke Informationen übertragen kann – und das mit aktuellen Datenraten von mehreren Hundert Megabit/s.

Künftig will man sogar in den Gigabitbereich vorstoßen. Ein cleverer Ansatz, denn eines ist klar: Ob im Auto, bei Leuchtreklamen oder im Wohnbereich – der Leuchtdiode (LED) gehört die Zukunft. Und genau darin liegt im Vergleich zu Infrarot der Charme: Es können preiswerte Standardkomponenten wie heute schon handelsübliche weißstrahlende LED-Systeme und günstige Empfänger eingesetzt werden.

Bei Licht stellt sich natürlich die Frage der Reichweite. Denn während WLAN-Funk wenigstens noch einige Wände durchdringt, muss bei Licht zwingend eine Sichtverbindung herrschen, im Fachjargon Line of Sight (LOS) genannt. Aber genau das kann auch ein Vorteil sein, denn in Banken oder Rechenzentren stellen die Wände eine natürliche Barriere und damit einen Abhörschutz dar.

Weiterer Vorteil: Die LED-Leuchten könnten direkt übers Stromnetz per Powerline angesteuert werden. Einsatzmöglichkeiten sehen die Forscher an Orten, an denen elektromagnetische Wellen andere Systeme negativ beeinflussen könnten, etwa in Flugzeugen oder Krankenhäusern. Aber auch im Straßenverkehr könnten Autos auf diese Weise über Brems- und Vorderlichter mit anderen Fahrzeugen kommunizieren und Daten über die Verkehrslage austauschen.

Denkbar wäre auch, dass rote Ampeln Signale aussenden, die den Fahrer warnen. Die Übertragung erfolgt dabei über die von DSL bekannte Discrete-Multitone-Technik mit OFDM-Modulation. Das eigentliche Nutzsignal wird dabei auf viele unterschiedliche Einzelträger aufmoduliert. Wird ein Träger dabei gestört, hat das keinen Einfluss auf die anderen Träger. Rein optisch betrachtet funktioniert die Signalübermittlung über geringe und extrem schnelle Helligkeitsänderungen der LEDs.

Doch keine Bange, eine Lightshow im Wohnzimmer muss niemand befürchten: Zu sehen ist davon nichts, wovon sich connect vor Ort überzeugen konnte. Auch unterbewusst soll der Mensch die Lichtblitze nicht wahrnehmen können. Um eventuelle Einflüsse auf das menschliche Wohlbefinden auszuschließen, arbeiten die Entwickler mit Verhaltensforschen zusammen.

Verwandte Artikel