Was ist eigentlich WLAN? Welche Möglichkeiten bieten drahtlose Netze?

Im Laufe meines beruflichen Lebens in der Telekommunikation begegne ich oft verschiedenen Sichtweisen auf drahtlose Verbindungen. Das Wort Wi-Fi, „wifina“, ist eher ein Symbol für eine Verbindung außerhalb des teuren Datendienstes des LTE-Anbieters, bei der sich jüngere Familienmitglieder endlich Videos von Freunden ansehen könnten. So die klassische Heim-Verbindung. Also positiv. Auf der anderen Seite höre ich oft von verschiedenen Verkäufern von xDSL-Diensten, dass ein WiFi-Anschluss bei schlechtem Wetter nicht funktioniert, viele „Abers“ hat, und nichts geht über die Nutzung anständiger Kabel.

Zeit für eine technische Anmerkung. Alles dreht sich um zwei Indikatoren, aus denen die Übertragungsrate berechnet wird. Der erste ist die Bandbreite, der zweite das Modulationsschema. Um nicht in zu große technische Details abzudriften, vereinfache ich diese Beziehung stark. Modulation ist die Anzahl der Zustände während eines Signaldurchlaufs. Bei der vierwertigen Amplitudenmodulation kann das Signal 4 Werte annehmen, und das übertragene Datenwort hat eine bestimmte Variation von 4-Bit-Zeichen, etwa 0101, 1101 … Den Rest können Sie sich vorstellen. Je höher die Modulation, desto höher die Übertragungskapazität, aber zugleich wachsen auch die Anforderungen an das Übertragungsmedium. Aus der Praxis kennen Sie es – Sie sind weit vom heimischen WiFi entfernt, und die Geschwindigkeit fällt, bis Sie schließlich getrennt werden. Dasselbe gilt für die Zentrale des Metallnetzes oder die Entfernung von der Basisstation des Mobilfunkbetreibers.

Ein weiterer grundsätzlich wichtiger Faktor ist die Bandbreite. Die Anzahl der Datenworte wächst um den Faktor der verfügbaren MHz. Populär lässt sich das durch die Anzahl der Unterkanäle in einem Medium erklären. Warum ist das so kompliziert?

Dahinter steht die Entwicklung. In der Vergangenheit rechnete niemand mit dem Aufbau eines gesellschaftsweiten Datennetzes. Der Aufbau eines auf Kupferdraht basierenden landesweiten Telefonnetzes lief über mehrere Jahrzehnte. Man rechnete mit Sprachübertragung, sogar analog, und für so kleine Kapazitäten genügten dünne Drähte in breiten Kabelbündeln. In jedes Haus führte ein entsprechend dimensionierter Abzweig, und eine solche Heimleitung endete in einer Zentrale irgendwo im Einzugsgebiet. Vielleicht einige Kilometer vom Haushalt des Teilnehmers entfernt. Für Telefonate reichte es, und auch nach dem Übergang zu digitalen Zentralen war es kein Problem. Wegen Übersprechen in den Drähten verwendete man niedrige Trägerfrequenzen, die nutzbare Bandbreite reichte gerade für Telefonate, und wenn jemand Datendienste nutzen musste, verwendete er den Dial-Up-Wählzugang. Doch um nicht zu detailliert zu werden – durch die schrittweise Entwicklung der Technologien für gerade dieses alte, jahrelang gebaute Telefonnetz kam es zur Erhöhung der Trägerfrequenzen im Medium, dadurch auch zur Erhöhung der Modulationsrate und vor allem der Bandbreite. Heute sind diese Parameter am Ort der digitalen Zentralen recht ausgezeichnet, etwa modernes VDSL2 kann 35 MHz Bandbreite bei recht hoher Modulationsrate nutzen. Sobald Sie Daten über ein hochwertiges Kabel auf kurze Strecke übertragen, etwa bis 300 Meter, kann die Übertragungsrate flotte 100 Mbps betragen. Mit weiteren Methoden zur Verbesserung des Übersprechens, der Berechnung von Übersprechen in Modems und der Steuerung von Vektoren im Kabelbündel hat das xDSL-Netz die Chance, theoretische 250 Mbps zu erreichen.

Das hat zwei bedeutende Abers:

a) Aus dem Prinzip des Metallmediums erhalten Sie keine wesentliche Kapazität zum Hochladen von Daten auf den Server

b1) Die Geschwindigkeit fällt grundlegend, geradezu stürzt sie, mit wachsender Entfernung zur Zentrale

b2) Die Geschwindigkeit fällt grundlegend bei niedriger Qualität des Metallanschlusses

Also auch in modernisierten Teilen des Netzes hat es jemand und ein anderer nie haben wird …

Wie passt WiFi dazu?

Regionale Internetanbieter nutzen für die Verbindung von der Zentrale zum Kunden keine alten Metallleitungen. Einerseits hatten sie in früheren Zeiten keinen Zugang dazu, andererseits gab es auch kaum Grund. Zum Anschluss von Kunden diente das drahtlose Medium gut. Und die oben im Artikel verwendete Analogie gilt auch für den drahtlosen Zugang zum Festnetz. WiFi ist eine standardisierte Kommunikationsmethode zwischen drahtlosen Geräten. WiFi bzw. Wireless Fidelity (drahtlose Treue) ist der Name der Organisation Wi-Fi Alliance, die einen bestimmten Standard bzw. ein Protokoll bezeichnet, das als Standard für Hersteller verwendet wird, damit sich ihre Geräte miteinander verständigen können. Für solche Kommunikation hat die Gemeinschaft der Regulatoren ein Frequenzband ausgewiesen, in dem solche Geräte unter Einhaltung der Regeln arbeiten können. Zunächst war es das Band 2,4 GHz, später ein viel breiterer Abschnitt im Band 5 GHz. Und die Organisation Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE, begann mit der Definition von Standards, abhängig von den Möglichkeiten der damaligen Technologien. So entstand der Standard 802.11.

Übersicht der IEEE-802.11-Standards

Beachten Sie, dass die ursprüngliche Geschwindigkeit des betagten 802.11 2 Mbps sind. Das ist etwa die Linkgeschwindigkeit einer ISDN-Leitung, die in vielen Fällen die einzige Möglichkeit der Verbindung mit dem Metallnetz ist. Im drahtlosen Zugangsnetz haben sich die Standards 802.11n und 802.11ac etabliert. (Der Standard 802.11ad darf vorerst nicht für Außeninstallationen verwendet werden.)

Wie ist es nun also mit den Drahtlosen? Die Zugangspunkte selbst, die wie kleine Repeater wie im LTE-Netz aussehen, nutzen oft zusätzlich proprietäre Erweiterungen der WiFi-Protokolle verschiedener Hersteller. Das können sie sich leisten, es sind speziell für Infrastrukturzwecke hergestellte Geräte. Ihre Konstrukteure verwenden verschiedene Methoden zur Kapazitätssteigerung, zu höherer Robustheit gegen gegenseitige Störung. Sie sind mit Mitigationstechniken ausgestattet, um Kollisionen mit Radarsystemen vorzubeugen, und mit leistungsstarken Prozessoren zur Berechnung von Korrekturen von Übersprechen im Betrieb.

Im Betrieb mit den richtigen Antennen und gut eingestellter Kapazitätssteuerung sind heutige drahtlose Netze in der Lage, Dienste mit denselben oder höheren Kapazitäten als das Metallnetz problemlos bereitzustellen. Um aber fair zu sein, gilt das wieder unter zwei Bedingungen:

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

b) Empfänger und Sender müssen mit einem entsprechenden Energiebudget für Regenverluste arbeiten, also passende Antennen haben

Die Übertragungsrate im Medium wächst bei gleicher Modulation proportional zur Bandbreite. Die Modulationsrate in drahtlosen WiFi-Technologien lässt sich nicht mehr stark steigern. Bei Spitzengeräten erreicht sie 256 QAM, und dank der hier nicht beschriebenen Methoden MIMO und OFDM erreichen wir im Protokoll 802.11n/ac hohe Übertragungsraten. Die Zukunft drahtloser Netze, ob WiFi oder LTE, liegt gerade in der Vergrößerung der Bandbreite. In naher Zukunft werden drahtlose Betreiber auch Millimeterbänder 60 GHz nutzen, wo dank der Richtwirkung der Antennen keine gegenseitige Störung droht. Gleichzeitig reagieren europäische Spektrumregulatoren auf Marktanforderungen und verhandeln über die Ausweisung weiterer Abschnitte im oberen Teil des 5-GHz-Bands zur Erhöhung der Dienstkapazität. Gleichzeitig läuft die Erweiterung der optischen Teile der Netze.

Aber davon das nächste Mal.

Ausreichende Kapazität zum Zugangspunkt

Ein professionell aufgebautes Netz muss viele Anschlusspunkte haben, und diese Anschlusspunkte müssen mit hochwertiger Infrastruktur verbunden werden. Aber damit befinden wir uns in einem technisch etwas anderen Teil der Internet-Infrastruktur, im Zubringernetz.

Im nächsten Artikel widmen wir uns dem Zubringernetz. Ich beschreibe Funkverbindungen in professionellen Bändern, also solche, die mit WiFi überhaupt nichts gemeinsam haben. Mit Ausnahme des Wortes Funk. Und Teil der Zubringer- und Backbone-Infrastruktur sind auch Glasfasern.

Fortsetzung folgt …

Autor: Jakub Moník