Was ist eigentlich WLAN? Möglichkeiten drahtloser Netze.

Während meines beruflichen Lebens in der Telekommunikation begegnen mir immer wieder unterschiedliche Vorstellungen davon, was eine drahtlose Verbindung eigentlich ist. Das Wort WLAN, umgangssprachlich „wifina“, steht eher für einen Zugang abseits des teuren Datentarifs eines LTE-Betreibers, über den sich die jungen Familienmitglieder endlich Videos von Freunden ansehen können. Also die klassische Verbindung zu Hause. Also etwas Positives. Andererseits höre ich von verschiedenen Verkäufern von xDSL-Diensten häufig, dass ein WLAN-Anschluss bei schlechtem Wetter nicht funktioniert, viele Einschränkungen hat und dass nichts über ordentliche Kabel geht. 

Zeit für einen kleinen technischen Exkurs. Alles dreht sich um zwei Größen, aus denen sich die Übertragungsgeschwindigkeit berechnet. Die erste ist die Bandbreite, die zweite das Modulationsschema. Um nicht zu sehr ins Detail zu gehen, vereinfache ich diesen Zusammenhang stark. Die Modulation gibt an, wie viele Zustände während eines Signalverlaufs möglich sind. Bei einer vierstufigen Amplitudenmodulation kann das Signal 4 Werte annehmen, und das übertragene Datenwort besteht aus einer Variante von vier Bitzeichen, zum Beispiel 0101, 1101 ... Den Rest können Sie sich selbst vorstellen. Je höher die Modulation, desto größer die Übertragungskapazität, gleichzeitig steigen aber die Anforderungen an das Übertragungsmedium. Aus der Praxis kennen Sie das: Sind Sie weit vom heimischen WLAN entfernt, sinkt die Geschwindigkeit, bis die Verbindung schließlich abbricht. Dasselbe gilt für die Entfernung zur Vermittlungsstelle des Kupfernetzes oder zur Basisstation des Mobilfunkbetreibers. 

Ein weiterer grundlegend wichtiger Faktor ist die Bandbreite. Die Zahl der Datenwörter steigt um so viele Male, wie MHz Ihnen zur Verfügung stehen. Vereinfacht gesagt entspricht das der Anzahl der Unterkanäle in einem Medium. Warum ist das so kompliziert?

Das liegt an der Entwicklung. In der Vergangenheit rechnete niemand mit dem Aufbau eines gesamtgesellschaftlichen Datennetzes. Der Aufbau des Telefonnetzes, das landesweit auf Kupferdraht beruht, dauerte mehrere Jahrzehnte. Man rechnete mit der Übertragung von Sprache, sogar analog, und für so geringe Kapazitäten reichten dünne Drähte in breiten Kabelbündeln. In jedes Haus führte eine entsprechend dimensionierte Abzweigung, und diese Hausleitung endete in der Vermittlungsstelle im Einzugsgebiet, manchmal mehrere Kilometer vom Haushalt des Teilnehmers entfernt. Für Telefonieren genügte das, und auch nach der Umstellung der Vermittlungsstellen auf digitale Technik war das kein Problem. Wegen des Übersprechens in den Drähten wurde eine niedrige Trägerfrequenz verwendet. Die nutzbare Bandbreite reichte gerade für das Telefonieren, und wenn doch einmal Datendienste gebraucht wurden, nutzte man den Wählzugang DIAL-UP. Um nicht zu sehr ins Detail zu gehen: Durch die schrittweise Weiterentwicklung der Technologien für dieses alte, jahrzehntelang gewachsene Telefonnetz stiegen die Trägerfrequenzen im Medium, dadurch die Modulationsgeschwindigkeit und vor allem die Bandbreite. Heute sind diese Parameter an den digitalen Vermittlungsstellen durchaus hervorragend. Das moderne VDSL2 kann beispielsweise 35 MHz Bandbreite bei recht hoher Modulationsgeschwindigkeit nutzen. Überträgt man Daten über ein hochwertiges Kabel auf kurze Distanz, etwa bis 300 Meter, kann die Übertragungsgeschwindigkeit flotte 100 Mbps erreichen. Mit weiteren Verfahren zur Verringerung des Übersprechens, zur Berechnung der Übersprechsignale in den Modems und zur Vektorisierung im Kabelbündel kann das xDSL-Netz theoretisch 250 Mbps erreichen.

Das hat zwei wesentliche Haken: 

a) Aufgrund des Prinzips des metallischen Mediums erhalten Sie keine nennenswerte Kapazität zum Hochladen von Daten auf einen Server

b1) Die Geschwindigkeit sinkt grundlegend, regelrecht im Sturzflug, mit zunehmender Entfernung von der Vermittlungsstelle

b2) Die Geschwindigkeit sinkt grundlegend bei geringer Qualität des metallischen Anschlusses 

Also hat in modernisierten Teilen des Netzes der eine einen Anschluss, und der andere wird nie einen haben... 

Welche Rolle spielt WLAN dabei? 

Regionale Internetanbieter verwenden für die Verbindung von der Vermittlungsstelle zum Kunden keine alten metallischen Leitungen. Zum einen hatten sie früher keinen Zugang dazu, zum anderen gab es dafür auch kaum einen Grund. Für die Anbindung der Kunden eignete sich das drahtlose Medium gut. Und die oben verwendete Analogie gilt auch für den drahtlosen Zugang zum festen Netz. WLAN ist ein standardisiertes Verfahren für die Kommunikation zwischen drahtlosen Geräten. WLAN steht für Wireless Fidelity (drahtlose Treue) und ist die Bezeichnung der Organisation Wi-Fi Alliance für einen bestimmten Standard bzw. ein Protokoll, das die Hersteller verwenden, damit sich ihre Geräte untereinander verständigen können. Für diese Kommunikation haben die Regulierungsbehörden ein Frequenzband bereitgestellt, in dem solche Geräte unter Einhaltung der Regeln arbeiten dürfen. Zuerst war es das Band bei 2,4 GHz, später ein deutlich breiterer Bereich im 5-GHz-Band. Die Organisation Institute of Electrical and Engineers, IEEE, begann mit der Definition von Standards, die von den damaligen technischen Möglichkeiten abhingen. So entstand der Standard 802.11

Übersicht der Standards IEEE 802.11

Beachten Sie, dass die ursprüngliche Geschwindigkeit des uralten 802.11 bei 2 Mbps lag. Das entspricht ungefähr der Leitungsgeschwindigkeit einer ISDN-Leitung, die in vielen Fällen die einzige Anschlussmöglichkeit an das metallische Netz ist. Im drahtlosen Zugangsnetz sind die Standards 802.11n und 802.11ac eingeführt. (Der Standard 802.11ad darf derzeit noch nicht für Außeninstallationen verwendet werden). 

Und wie sieht es nun mit den Funkverbindungen aus? Die Zugangspunkte selbst, die in Form kleiner Umsetzer wie im LTE-Netz aussehen, nutzen oft zusätzlich eine proprietäre Erweiterung der WLAN-Protokolle verschiedener Hersteller. Das können sie sich leisten, denn es handelt sich um Geräte, die speziell für die Infrastruktur entwickelt wurden. Ihre Konstrukteure setzen verschiedene Methoden ein, um die Kapazität zu erhöhen und die Robustheit gegen gegenseitige Störungen zu verbessern. Sie sind mit Mitigationstechniken ausgestattet, um Kollisionen mit Radarsystemen zu vermeiden, und mit leistungsstarken Prozessoren, die im Betrieb Übersprechen berechnen und korrigieren. 

Bei richtig ausgerichteten Antennen und gut eingestellter Kapazitätssteuerung können die heutigen drahtlosen Netze Dienste mit gleich hohen oder höheren Kapazitäten als das metallische Netz problemlos bereitstellen. Um fair zu sein, gibt es dabei jedoch wieder zwei Bedingungen:

a) Bei belastetem Spektrum darf der Empfänger des Kunden nicht zu weit vom Zugangspunkt entfernt sein

b) Empfänger und Sender müssen mit einem passenden Energiebudget für Regenverluste arbeiten, also mit passenden Antennen

Die Übertragungsgeschwindigkeit im Medium steigt bei gleicher Modulation direkt proportional zur Bandbreite. Die Modulationsgeschwindigkeit in drahtlosen WLAN-Technologien lässt sich kaum noch steigern. Bei Spitzengeräten erreicht sie 256 QAM, und dank der hier nicht beschriebenen Verfahren MIMO und OFDM erzielt das Protokoll 802.11n/ad hohe Übertragungsraten. Die Zukunft drahtloser Netze, ob WLAN oder LTE, liegt in der Erweiterung der Bandbreite. In naher Zukunft werden drahtlose Betreiber auch die Millimeterbänder bei 60 GHz nutzen, wo es dank der Richtwirkung der Antennen keine gegenseitigen Störungen gibt. Gleichzeitig reagieren die europäischen Spektrumsregulierer auf die Anforderungen des Marktes und verhandeln über die Freigabe weiterer Abschnitte im oberen Teil des 5-GHz-Bandes, um die Kapazität der Dienste zu erhöhen. Parallel dazu wird der Ausbau der optischen Netzteile fortgesetzt. 

Aber davon erzählen wir beim nächsten Mal. 

Ausreichende Kapazität bis zum Zugangspunkt

Ein professionell gebautes Netz muss viele Anschlusspunkte haben, und diese Anschlusspunkte müssen mit einer hochwertigen Infrastruktur angebunden werden. Das gehört jedoch zu einem technisch etwas anderen Teil der Internetinfrastruktur, dem Anbindungsnetz. 

Im nächsten Artikel widmen wir uns dem Anbindungsnetz. Ich beschreibe Richtfunkverbindungen in professionellen Frequenzbändern, also solche, die mit WLAN überhaupt nichts gemeinsam haben. Abgesehen vom Wort Funk. Zur Anbindungs- und Backbone-Infrastruktur gehören auch Glasfaserleitungen. 

Fortsetzung folgt... 

Autor: Jakub Moník