WLAN Optimierung:
So erhöhen Sie die WLAN-Reichweite

von magnus.de

09.05.2011

Drahtlose Netzwerke gehören inzwischen in den meisten Haushalten und Firmen zur Grundausstattung. Doch die begrenzte Reichweite des hochfrequenten Funk-LANs hat ihre Tücken. Wir zeigen Ihnen, wie Sie die Reichweite deutlich erhöhen können.

Netzzugang im ganzen Haus per WLAN ist eine praktische Sache. Es erlaubt Notebooks, Smartphones oder Webradios den kabellosen Datenzugriff und ist inzwischen in Geschwindigkeitsbereichen angekommen, die den Wunsch nach einer Kabellösung oft erst gar nicht aufkommen lässt – und das überall im Haus. Oder fast überall.

Denn bereits in einem durchschnittlichen Reihenhaus oder einer weitläufigen Wohnung kann sich das eine oder andere Funkloch auftun. Ein Einfamilienhaus vom Keller bis zum Dachboden oder eine ganze Firma lückenlos mit einen einzigen WLAN-Access-Point zu versorgen, ist in der Regel ein hoffnungsloses Unterfangen.

Noch schwieriger wird die Situation, wenn man größere Entfernungen – z.B. bei einem Bürgernetz oder einer Netzverbindung zum nächsten Firmengebäude um die Ecke – überbrücken will. Selbst unter optimalen Bedingungen – sprich bei unverstellter Sichtverbindung im freien Gelände – sind mit Standard-WLAN-Equipment allenfalls wenige 100 Meter machbar. Dabei wird schon ein Laubbaum oder eine Ziegelwand zum unüberwindlichen Hindernis.

Ausgebreitet

Neben der Kanalnummer der WLAN-Netze zeigt das Gratis-Tool „InSSIDer“ an, wer mit 40 MHz funkt (hier Intellinet_AP) und so besonders viel Bandbreite verbraucht.

Usache der Problematik sind die hohen Funkfrequenzen, die WLAN benützt. Bei 2,4 oder gar 5 GHz ähnelt die Ausbreitung der Funkwellen immer mehr der des Lichtes. Jedes Hindernis, das sich zwischen Sender und Empfänger befindet, führt folglich zu einer deutlichen Abschwächung – der Nachrichtentechniker spricht von Dämpfung – des Signals.

Zwar durchdringen die WLAN-Funkwellen im Gegensatz zu Licht durchaus auch massive Barrieren wie Wände und Decken, die Stärke des Signals nimmt dabei aber ab und somit auch die Güte der Verbindung. Das hat wiederum ein Absinken der Datenrate zur Folge. Gips- und Ziegelwände durchdringen WLAN-Wellen noch einigermaßen gut – zumindest solange sie trocken sind.

Holzwände können auf Grund der unvermeidlichen Restfeuchte des Naturwerkstoffes schon ein stärkeres Hindernis darstellen. Noch hinderlicher wirkt sich Beton, bzw. die darin befindliche Stahlarmierung aus. Entsprechend sind Stahlbetondecken, wie sie im Hausbau üblicherweise Verwendung finden, ernsthafte Hindernisse für eine brauchbare WLAN-Verbindung.

Innerhalb der eigenen vier Wände stören zudem Reflexionen an Wänden, Möbeln oder Personen, die spontan zur Verstärkung oder Abschwächung bis hin zur völligen Auslöschung des Signals führen.

MIMO machts möglich

WLAN-Router bzw. Accesss-Points mit MIMO-Antennentechnik sind bezüglich störender Reflexionen weit weniger anfällig. Viemehr kann MIMO (Multiple In Multiple Out) sogar die durch Reflexionen verursachten, unterschiedlichen Ausbreitungspfade der Funkwellen zur Erhöhung der Datenrate nutzen. Dazu verwenden die Geräte mehrere Antennen gleichzeitig.

MIMO-Antennentechnik findet sich bei manchen WLAN-Routern und -Access-Points (APs) bereits seit dem 802.11g-Standard, normiert ist sie jedoch erst seit dem WLAN-Standard 802.11n. Bei schwierigen Empfangsverhältnissen in den eigenen vier Wänden kann der Umstieg von einem älteren Router, der noch mit 802.11b/g arbeitet, auf ein modernes MIMO-Gerät mit 802.11n durchaus die entscheidende Verbesserung bringen. Nach unserer Erfahrung schließen sich damit die WLAN-Lücken im häuslichen Umfeld.

Leider steht längst nicht überall MIMO drauf, wo MIMO drin ist. Auf der anderen Seite müssen WLAN-Geräte nach 802.11n nicht zwingend MIMO unterstützen. So ist z.B. in kompakten USB-WLAN-Sticks schlicht und ergreifend gar kein Platz für die aufwändige Antennentechnik. Auch diverse preiswerte Router, APs, Repeater und Notebooks sind mangels zwei oder mehr Antennen nicht in der Lage, mehr als einen Datenstrom zu handhaben.

Eine Hilfestellung gibt hier die beworbene Datenübertragungsrate. Steht 150 MBit/s auf der Packung, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit kein MIMO drin. 300 MBit/s lassen sich nur mit zwei Antennen erreichen (2x2 MIMO), für 450 MBit/s braucht‘s deren drei und 600 Bit/s sind nur mit vier parallelen Datenströmen und somit vier Antennen möglich. Das bloße Antennezählen hilft übrigens nur bedingt. Geräte mit zwei Antennen, können sich durchaus auf simples Diversity beschränken.

Empfangsbereich

Selbstverständlich macht es wenig Sinn, den WLAN-Router irgendwo im Heizungskeller in der Nähe der DSL-Dose aufzustellen, auch wenn ihn so manche Dame des Hauses da am liebsten sehen würde. Je zentraler der Router steht, desto größer ist der Empfangsbereich. Dabei sollten die Antennen nicht durch massive oder gar elektrisch leitfähige Gegenstände (z.B. Gefrierschrank) abgeschirmt werden.

Ein interessantes Tool, das Ihnen helfen kann, den optimalen Aufstellungsort zu finden, ist der kostenlose HeatMapper (www.ekahau.com). Einmal mit dem Grundriss Ihrer vier Wände gefüttert, zeigt die Software grafisch die Güte der Funkabdeckung an und zeigt auch, wo möglicherweise andere Funknetze die Empfangsfreude trüben.

Unserem Aufmacher am Beginn des Beitrages liegt so eine HeatMapper-Karte zu Grunde, die wir nachträglich dreidimensional aufbereitet haben.

Kanalarbeiten

Drei Antennen legen nahe, dass der Router bzw. Access Point (AP) MIMO unterstützt. Allerdings gibt es auch Router mit internen Antennen.

Zeigt sich, dass des Nachbars WLAN-AP genau auf Ihrem Kanal munter vor sich hin funkt, ist es ratsam, auf einen anderen, freien Kanal auszuweichen. Sowohl die Reichweite als auch die Datenübertragungsrate leiden bei sich überlappenden WLAN-Netzen ganz erheblich. Zu beachten ist, dass im 2,4-GHz-Band auch vermeindlich freie Kanäle durch Nachbarkanäle beeinträchtigt werden.

Denn hier beträgt das Kanalraster lediglich 5 MHz, während die verwendete Bandbreite gut 20 MHz beträgt. Die Folge: Wirklich überlappungsfrei sind die Kanäle nur dann, wenn mindestens vier Kanäle zwischen ihnen liegen. Das wäre z.B. bei den Kanälen 1, 6 und 11 der Fall. Sendet also Ihr Nachbar z.B. ebenfalls auf Kanal 6, hilft es wenig, auf Kanal 5 oder 7 zu wechseln.

Besonders zu fürchten sind ältere 802.11g-Router mit dem Zusatz "++", die mit der doppelten 802.11g-Datentrate von 108 MBit/s beworben wurden. Um das zu erreichen, belegen derartige Geräte im "Turbo Mode" statt 20 MHz satte 40 MHz und "kleben" so alleine schon 80 Prozent des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes zu.

Gleiches gilt für 802.11n-Router, die im 40-MHz-Modus arbeiten. Auch sie benötigen dann zwei Kanäle (Channel Bonding) gleichzeitig. Wie groß die Kanalabdeckung der gefundenen WLAN-Router- und APs tatsächlich ist, verrät Ihnen das kostenlose Tool "inSSIDer 2.0", das auf www.metageek.net herunter geladen werden kann.

Genug Platz für alle im 5-GHz-Band

Die Lösung für beengte Verhältnisse in überfüllten WLAN-Netzen – und die oftmals daraus resultierenden Reichweitenprobleme – bietet das 5-GHz-Band. Hier stehen 23 Kanäle zur Verfügung, die überdies nicht überlappend angeordnet sind. Zudem ist das 5-GHz-Band frei von vielen Störquellen wie Bluetooth-Geräten, Funkbewegungsmelder, Betriebsfunk, Radarfallen oder Mikrowellenherde.

Mit einem Outdoor-Router können Sie auf elegante Weise auch Außenbereiche mit WLAN abdecken. Die Versorgungsspannung erhält das Gerät über das Ethernet-Kabel (PoE). Alle Steckverbindungen sind wasserdicht ausgeführt.

Bislang tut sich recht wenig im 5-MHz-Band, was nicht zuletzt daran liegt, dass die üblicherweise in Notebooks und Smartphones verbauten WLAN-Adapter nur im 2,4-GHz-Band arbeiten. Auch längst nicht alle modernen 802.11n-Router-bzw. -APs unterstützen das 5-GHz-Band. Hier gilt es, die technischen Daten des Wunschgerätes genau zu studieren bzw. beim Hersteller anzufragen.

Die meisten 5-GHz-fähigen Router/APs können lediglich entweder 2,4 oder 5 GHz – nur einige wenige unterstützen beides. In bereits vorhandenen WLAN-Installationen ist es durchaus ratsam, den vorhandenen 2,4-GHz-Router weiter zu verwenden und an dessen Ethernetport einen 5-GHz-Access Point anzuschließen. Ältere Geräte können so zunächst weiterhin auf dem gewohnten 2,4-GHz-Band funken, während neue, geeignete Hardware ungestört auf 5 GHz arbeiten kann.

Obwohl die Signalabschwächung durch die Luft sowie durch Wände und Hindernisse bei 5 GHz sogar stärker ist als bei 2,4 GHz, ist die Empfangslage dank des geringen "Störteppichs" und des daraus resultierenden besseren Signal-/Rauschabstandes eher besser als im 2,4-GHz-Band. Vor allem in Bereichen mit hoher WLAN-Netzdichte kann also der Wechsel auf 5 GHz entscheidende Reichweitenvorteile bringen.

Netzabdeckung

Gemischte WLAN-Netze, bestehend aus 2,4 und 5 GHz, stören sich gegenseitig nicht. Sehr wohl können aber alte 802.11b/g (2,4 GHz) bzw, 802.11a (5 GHz) Geräte den Datenverkehr einbremsen und die Gewinne durch MIMO zunichte machen. Wer hier Tempo und Reichweite machen will, kann auf Kosten der Abwärtskompatibilität zu alten WLAN-Geräten seinen WLAN-Router/AP in den "Greenfiel-Modus" versetzen.

Die stabförmigen Standard-Antennen von WLAN-Routern/APs strahlen in Stabrichtung kaum ab. Entsprechend stärker ist das Feld senkrecht zur Antenne.

Ein weiterer Weg, die Netzabdeckung zu verbessern, ist der Einsatz von Richtantennen. Anstatt mehr oder weniger in alle Richtungen zu senden und zu empfangen, wird die Sendeleistung gebündelt in Richtung des Empfängers abgestrahlt. Vergleichbar ist das mit einem Megaphon durch das gesprochen, bzw. ein Hörrohr durch das gelauscht wird.

Eine Richtantenne kann man sich entsprechend wie ein kombiniertes Megaphon/Hörrohr vorstellen. Wie stark besagter Megaphon/Hörrohr-Verstärkungseffekt ausfällt, hängt davon ab, wie stark die Antenne die Funkstrahlung bündelt. Als Maß dafür dient der Vergleich zu einer idealen, kugelförmig in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlenden Antenne (isotroper Kugelstrahler).

Bereits die in WLAN-Routern und -APs standardmäßig verbauten Stabantennen besitzen eine Richtwirkung. Senkrecht rund um die Antenne ist die Abstrahlung am stärksten, in Richtung der Antennenenden am schwächsten. Gegenüber einem idealen Kugelstrahler liegt der Gewinn senkrecht zur Antenne bei ca. 2 db.

Da sich der Gewinn auf einen (real gar nicht existierenden) isotropen Strahler bezieht, wird an das Maß ein kleines "i" angehängt. Entsprechend wird der Antennengewinn in der Einheit "dbi" angegeben.

Gemäß der Formel Verstärkungsfaktor = 10 hoch 1/10 des db-Wertes ergibt sich bei 2 dbi näherungsweise eine Verstärkung um den Faktor 1,6. Richtantennen gibt es in allen erdenklichen Ausprägungen und Verstärkungsrichtungen. Die Art, wie eine Antenne abstrahlt (und auch empfängt), nennt man Richtcharakteristik. Je nach Anwendungsfall kann diese sehr unterschiedlich ausgeprägt sein.

Für Indoor-Zwecke sind vor allem Antennen mit eher geringer Richtwirkung mit 3 bis 6 dbi Gewinn (zwei bis vierfache Verstärkung) ratsam. Oft finden stabförmige Antennen ohne horizontale Richtwirkung Verwendung, die jedoch in vertikaler Richtung stark bündeln. Ebenso beliebt sind Varianten, die horizontal im 180-, 90- oder 60-Grad-Winkel abstrahlen und so an Wänden oder Decken oder in Zimmerecken platziert ihre Energie vornehmlich in den Raum und nicht in Außenwände oder Zimmerdecken abgeben.

In unseren Tests führten Indoor-Richtantennen in großen Räumen zwar durchaus zu stärkeren Signalen, sobald aber Hindernisse (Möbel, Wände, Personen) ins Spiel kommen, wird auch hier guter Empfang zur Glückssache. Entsprechend lautet unser Rat, eher auf einen modernen WLAN-Router/AP mit effektiver MIMO-Technik zu setzen.

Sinnvoll können externe Antennen aber dann sein, wenn ein WLAN-Gerät an seinem Standort schlechte Empfangsbedingungen vorfindet. Eine besser platzierte Antenne, die per Kabel mit dem WLAN-Gerät verbunden wird, kann hier Wunder wirken.

Außenstrahler

Im Außenbereich, der üblicherweise weit weniger von störenden Hindernissen geprägt ist, sind Richtantennen ein probates Mittel um große Distanzen zu überbrücken. Einsatzgebiete sind Campus-, bzw. Firmengelände, Bürgernetze oder WLAN-Hotspots. Auch hier kommen vornehmlich Antennen mit geringer Richtwirkung, die dafür aber ein weites Areal ausleuchten, zum Einsatz.

Da bei den hohen WLAN-Frequenzen bereits wenige Meter Kabel (sowie die unvermeidlichen Stecker) zu einer beträchtlichen Signalabschwächung führen, empfiehlt sich der Einsatz so genannter Outdoor-Access-Points bzw. -Router. Sie sind nicht nur wetterfest, sondern beziehen überdies ihren Strom per Ethernetkabel (PoE).

So kann der Router dicht an der Außenantenne platziert und lediglich per – längenmäßig unkritischem – Ethernet-Kabel angebunden werden. Wetterfeste Outdoor-APs mit PoE gibt es von Intellinet für moderate 200 Euro, hochwertige aber auch teure Geräte für den Profieinsatz liefert beispielweise Lancom. Kombiniert man zwei Outdoor-Router bzw. APs mit stark bündelden Richtantennen, lässt sich eine Richtfunktstrecke über einige Kilometer Distanz herstellen.

Das lässt sich nutzen, um Ortschaften ohne Breitband-Internet-Zugang mit Ortschaften zu verbinden, die über eine schnelle Internetanbindung verfügen. Damit das klappt, sollte eine ungetrübte Sichtverbindung bestehen. Solch ein Konstrukt – das man als WLAN-Bridge bezeichnet – kann man auch mit handelsüblichen Router bzw. APs aufbauen – falls diese per Firmware-Setup in den Bridge-Modus versetzt werden können.

Dann lassen sich auch mit preiswerten Access Points und selbstgebauten Antennen stattliche Richtfunk-Strecken über mehrere Kilometer bewältigen. MIMO-Technik ist im Outdoor-Betrieb eher hinderlich als förderlich, da dafür brauchbare Reflexionen kaum auftreten.

Gut eingerichtet

Mit zunehmender Richtwirkung der Antenne wird deren Ausrichtung immer diffiziler. Im Extremfall, wie z.B. der von uns getesteten Parabolantenne mit 24 dbi (250fache Verstärkung) entscheidet bereits weniger als ein Winkelgrad über Top oder Flop. Zudem besteht die Gefahr, dass die maximal zulässige äquivalenete Strahlungsleistung (bezogen auf besagten isotropen Kugelstrahler) überschritten wird. Im 2,4-GHz-Band sind das 20 dbm (EIRP).

Im Falle unserer 24-dbi-Antenne dürfte – wenn man für einen Meter Kabel und zwei Steckverbinder 4 db abzieht – der daran hängende AP mit gerade mal 0 db (entsprechend 1 mW) senden. Um sich nicht empfindlichen Geldstrafen auszusetzen, müsste folglich die Ausgangsleistung in der Firmware des Gerätes reduziert werden – falls das möglich ist.

Was auf den ersten Blick unsinnig klingt – eine Antenne mit starker Richtwirkung verwenden und dafür die Leistung drosseln - macht durchaus Sinn, da besagte 250fache Verstärkung unserer Beispielantenne auch in Empfangsrichtung wirkt. Und da darf die Antenne so viel verstärken, wie sie will.

Im 5 GHz-Band sind lediglich 11 Kanäle im Frequenzband zwischen 5470 und 5725 MHz für den Outdoor-Bereich zugelassen. Dafür darf dann mit bis zu 1 Watt EIRP (30 dbm) gesendet werden. Voraussetzung ist allerding, dass die Anlage per DFS (Dynamic Frequency Selection) bei Bedarf anderen Funksignalen – vornehmlich Radar – ausweicht. Für WLAN-Richtfunkstrecken eignet sich das 5-GHz-Band hervorragend.

Wiederholungstäter

Mit WLAN-Repeatern können Sie die Ausleuchtzone Ihres WLANs erweitern. Achten Sie darauf, dass der Repeater mit dem WLAN-Router WPA2-verschlüsselt kommunziert.

Egal wie man es auch dreht und wendet – ab einer gewissen räumlichen Ausdehnung reicht ein einzelner WLAN-Zugang nicht mehr aus. Für schnelle Hilfe sorgen WLAN-Repeater, die innerhalb der Reichweite des WLAN-Routers/APs plaziert, ihrerseits die Ausleuchtung erweitern. Das Netz wird dementsprechend um den Sende-/Empfangsradius des Repeaters erweitert.

Der Vorteil: Alles, was man benötigt, ist eine Steckdose für die Stromversorgung. Repeater haben allerdings auch zwei gravierende Nachteile: Zum einen halbiert sich – bestenfalls – die Geschwindigkeit des Netztes, sobald über den Repeater gefunkt wird. Schließlich muss der ja sowohl der Datenverkehr zwischen dem WLAN-Client und dem Repeater als auch der identische Datenverkehr zwischen Repeater und WLAN-Router über den selben Kanal abgewickelt werden.

Entsprechend ist es wenig ratsam, das Netz durch kaskadisch angeordnete Repeater noch weiter zu vergrößeren. Zwar funktioniert das prinzipiell, jeder weitere Repeater (Hop) auf dem Weg zum AP halbiert aber wiederum die Datenrate, so dass bei zwei Repeatern maximal noch ein Viertel, bei dreien nur mehr ein Achtel der Datenrate übrig bleibt.

Zudem sollte man Repeater auf keinen Fall nahe der Reichweitengrenze des Access Points aufstellen, da dann die Datenrate zwischen Repeater und AP schon von Hause gering ist.

Der zweite Nachteil an Repeatern ist, dass der zu Grunde liegende WDS-Standard (Wireless Distribution System) nur die Verschlüsselung per unsicherem WEP vorsieht. Lediglich herstellerspezifische Erweiterungen ermöglichen hier das sichere WPA2. Die Alternative ist der Universal Repeater Modus, bei dem sich der Repeater als ganz normaler Client beim WLAN-Router/AP anmeldet und seinerseits wiederum als AP auftritt.

Dieser Modus, den auch viele Access Points unterstützen, ist zwar sicher, erlaubt dafür aber kein automatisches Roaming zwischen Router/AP und Repeater. Für all jene, die nicht datenverarbeitenderweise mit Handy oder Notebook von einem AP zum anderen wandern, ist diese Einschränkung aber zu verschmerzen.

Repeater sollten niemals an der Reichweitengrenze des WLAN-Routers/APs aufgestellt werden. Sonst halbiert sich die dort ohnehin geringe Geschwindigkeit nochmals.

Kann man auf automatisches Roaming verzichten, ist es in jedem Fall die bessere Lösung, das WLAN durch mehrer Access Points zu erweitern, die ihrerseits per Ethernet-Kabel (Backbone) an einem DSL-Router hängen. Vor allen bei Stockwerk-übergreifenden WLANs, die sonst durch Betondecken eingebremst würden, bietet sich diese Lösung an. Jedes Stockwerk erhält seinen eigenen AP – die einzelnen APs werden per Kabel miteinander verbunden.

Wer partout keine Strippen ziehen kann/darf, kann sich per Vernetzung über das Stromnetz (PowerLAN) weiterhelfen, wenngleich hier mit deutlichen Einschränkungen der Bandbreite durch das PowerLAN zu rechnen ist. Sinnvollerweise lässt man die einzelnen APs auf verschiedenen Kanälen arbeiten. So stören sich die einzelnen WLAN-Segmente nicht gegenseitig.

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