WLAN - wichtige Fakten zum selbst nachvollziehen

Die Zahl der Artikel welche Ihnen „fünf einfache Regeln für ein besseres WLAN“ (oder ähnlich) versprechen sind Legion. Die dort genannten Regeln haben durchaus Ihre Berechtigung. Der Hintergrund warum und wann die einzelnen Regeln helfen bleibt aber meist im Dunkeln. Dieser Artikel soll etwas Licht in dieses Dunkel bringen. Im folgenden werden Ihnen wichtige WLAN Fakten erläutert, welche bei dem Verständnis solcher Regeln helfen und die nicht jeder kennt. Mit diesem Wissen sind Sie nicht nur Ihren Bekannten voraus, sondern können noch besser die Leistungsfähigkeit Ihres WLANs einschätzen. Alle Fakten werden durch Messungen untermauert, welche Sie selbst mit einfachen Hausmitteln nachvollziehen können. Damit sind Sie nicht mehr allein auf theoretische Regeln angewiesen, sondern können sich selbst Ihr optimales WLAN ausmessen.

Notiz: Die eingesetzten Geräte und Softwaretools sind im Anschluss an diesen Artikel gelistet.

Der Artikel gliedert sich in folgende Abschnitte:

• WLAN Empfangssignalstärke
  
• Einfluss der Sendefrequenz auf die WLAN Empfangssignalstärke
  
• Leistungsfähigkeit einer WLAN Technologie
  
• Unterschied zwischen brutto und netto Datenrate bei WLAN
  
• Wettbewerb um den Funkkanal
  
• Implementierung von WLAN in Geräten

WLAN Empfangssignalstärke

Die WLAN Empfangssignalstärke ist einer der Hauptfaktoren, welcher bestimmt wie schnell eine WLAN Verbindung ist. Die WLAN Empfangssignalstärke wird in dBm gemessen. Für den Hausgebrauch ist es nicht unbedingt relevant zu wissen, wie genau die Maßeinheit „dBm“ definiert ist. Wichtig ist es, dass je höher die Werte im negativen Bereich liegen, desto schlechter ist der Empfang, bzw. die WLAN Empfangssignalstärke. Selbst bei bestem Empfang liegen die Werte immer noch im negativen Bereich allerdings deutlich niedriger.

Diesen Zusammenhang können Sie mit einem Smartphone sehr einfach nachvollziehen. Installieren Sie hierfür die kostenlose Fritz!WLAN App aus dem Google oder Apple App Store. Starten Sie die App und wählen Sie den Tab „Mein WLAN“. Unter Verbindung sehen Sie die WLAN Empfangssignalstärke an Ihrem Smartphone und die derzeitige brutto Datenrate Ihrer WLAN Verbindung.

Gehen Sie jetzt ein wenig durch Ihr Heim. Sie werden feststellen, dass je weiter Sie sich von Ihrem WLAN Access Point (z.B. Fritz!Box) entfernen, bzw. je mehr Wände und Türen sich dazwischen befinden, desto schlechter wird der Empfang und die brutto Datenrate.

Untenstehend zwei entsprechende Screenshots. Bei beiden Screenshots sind die relevanten Daten rot markiert. Im linken Screenshot befindet sich das Smartphone weiter von der Fritz!Box entfernt (2 Wände, ca. 8m Distanz), als im rechten (direkte benachbart). Der Unterschied ist deutlich erkennbar. Im linken Screenshot hat die WLAN Verbindung eine Signalempfangsstärke von -78dBm und eine brutto Datenrate von 43Mbit/s. Zum Vergleich betragen die Werte in direkter Nachbarschaft zur Fritz!Box -24dBm umd 173Mbit/s.

Notiz: Sendet Ihr WLAN sowohl auf dem 2,4GHZ als auch auf dem 5GHz Frequenzband oder setzen Sie WLAN Repeater ein, dann kann es sein, dass es während der Messung zu Sprüngen in den Ergebnissen kommt. Diese kommen durch den Wechsel der WLAN Funkzelle zustande. Um diesen Effekt zu vermeiden müssen Sie temporär den Namen des auszumessenden WLANs (SSID) eineindeutig vergeben.

Einfluss der Sendefrequenz auf die WLAN Empfangssignalstärke

Neben der Distanz und Hindernissen im Signalweg ist die verwendete Funkfrequenz ein weiterer wesentlicher Faktor, welcher die WLAN Empfangssignalstärke bestimmt. Je höher die Sendefrequenz desto höher die Signaldämpfung durch Distanz, Wände, Schränke etc. .

Diesen Zusammenhang kann man sich wunderbar veranschaulichen, wenn man die WLAN Empfangssignalstärke auf dem 2,4GHz und dem 5GHz Frequenzband direkt miteinander vergleicht. Der folgende Screenshot wurde mit dem kostenlosen WLAN Tool „Homedale“, mit einem Notebook, aufgenommen. Das Signal auf dem 2,4GHz und dem 5GHz Frequenzband wird von einem Gerät (die Fritz!Box) gesendet und ein anderes Gerät (ein Notebook) empfängt beide Signale. Damit ist der Signalweg identisch. Im Screenshot ist gut zu sehen, dass die Empfangssignalstärke des WLAN Signals auf dem 5GHz Frequenzband (blaue Linie) im Vergleich zum 2,4GHz Signal (gelbe Linie) niedriger ist.

Notiz: Die Sendeleistung auf dem 5GHz Frequenzband ist im obigen Beispiel sogar ca. doppelt so hoch wie auf dem 2,4GHz Frequenzband (ca. 200mW zu ca. 100mW). Durch die höhere Dämpfung ist die Signalstärke im Empfang dennoch niedriger.

Ein wesentliches Fazit, welches Sie aus diesem Zusammenhang ziehen können ist, dass über das 2,4GHz Frequenzband eine WLAN Verbindung über eine längere Distanz und mehr Hindernisse möglich ist.

Sie können allerdings noch nicht direkt daraus schließen, dass WLAN Verbindungen über 2,4GHz schneller sind. Warum das so ist wird im nächsten Abschnitt erläutert.

Leistungsfähigkeit einer WLAN Technologie

Auch bei WLAN blieb und bleibt die technologische Entwicklung nicht stehen. Angefangen mit dem ursprünglichen WLAN Standard IEEE802.11, gab es immer wieder neue Standards, welche schnellere und leistungsfähigere WLAN Varianten eingeführt haben. Jetzt könnte man folgern, dass man einfach die aktuellste Variante einsetzt und damit automatisch das beste WLAN bekommt. Ganz so einfach ist es leider nicht, denn manche WLAN Varianten sind auf ein bestimmtes Frequenzband beschränkt.

Notiz: Die Beschränkung auf ein bestimmtes Frequenzband ist nicht willkürlich sondern hat durchaus gute Gründe. So wurde am Anfang WLAN nur für das 2,4GHz Frequenzband entwickelt, das 5GHz Frequenzband kam erst später hinzu. Dafür steht auf dem 5GHz Frequenzband insgesamt eine größere Bandbreite zur Verfügung. Dadurch ist es nur hier praktikabel mehr Frequenzen für eine einzelne WLAN Verbindung zusammenzufassen.

Im folgenden eine Tabelle der WLAN Varianten und ihre Frequenzbänder chronologisch geordnet (Quelle: Wikipedia).

Notiz: Die max. brutto Datenrate von 802.11ac wurde auf 1733Mbit/s beschränkt, da es kaum Geräte auf dem Markt gibt, welche eine höhere Datenrate ermöglichen. Der IEEE802.11ac Standard sieht aber durchaus noch höhere Datenraten vor.

Notiz: Die Hersteller von WLAN Geräten setzen nicht immer direkt einen bestimmten WLAN Standard komplett um, sondern verteilen auch mal die Funktionen über zwei oder mehr Geräte-Generationen. So geschehen bei dem IEEE802.11ac Standard, welcher in zwei Schritten auf dem Markt eingeführt wurde. Für eine einfache und grundsätzliche Unterscheidung reicht es aber zu wissen, dass WLAN nach IEEE802.11ac leistungsfähiger ist als z.B. nach IEEE802.11n.

Der folgende Screenshot ist von der Bedienoberfläche einer Fritz!Box aufgenommen (WLAN -> Funknetz). Zwei Endgeräte sind gleichzeitig über WLAN mit der Fritz!Box verbunden. Das eine (ein Notebook) über das 2,4GHz Frequenzband, das andere (ein Smartphone) über das 5GHz Frequenzband. Beide Funken jeweils über die, für das jeweilige WLAN Frequenzband, aktuelleste WLAN Variante. Das Notebook kommt hierbei auf deutlich niedrigere Datenraten als das Smartphone. Grund ist schlicht, dass sich das Smartphone per IEEE802.11ac verbunden hat und damit wesentlich höhere Datenraten realisieren kann.

Sie erinnern sich an den vorherigen Abschnitt und den Fakt, dass die Signaldämpfung auf dem 5GHz Frequenzband höher ist als auf dem 2,4GHz Frequenzband. Jetzt lesen Sie aber, dass das 5GHz Frequenzband mittels IEEE802.11ac die schnellsten WLAN Verbindungen ermöglicht. Wie passt das zusammen?

1. Auf kurze Entfernungen schlägt das 5GHz Frequenzband das 2,4GHz Frequenzband deutlich, wenn eine aktuelle und leistungsfähige WLAN Technologie, wie IEEE802.11ac, eingesetzt wird.

2. Mit steigender Distanz schwindet dieser Vorteil. Mit den vorgestellten Tools (Fritz!WLAN App, Fritz!Box Bedienoberfläche) können Sie für sich genau nachmessen, ob es besser ist sich über das 5GHz oder das 2,4GHz Frequenzband zu verbinden.

Notiz: Die Hersteller von WLAN Geräten schlafen nicht, sondern versuchen Ihnen das Leben so einfach wie möglich zu machen. Dazu gehört auch eine Funktion, mit welcher ein WLAN Access Point (z.B. Fritz!Box) versucht ein Endgerät auf das beste Frequenzband zu steuern. Diese Funktion nennt sich „Band-Steering“. Sie haben jetzt aber fast alle Informationen an der Hand, um selbst zu ermitteln, welches Frequenzband für Ihr Endgerät das beste ist. Fast, da ein weiterer großer Faktor für die Leistungsfähigkeit eines WLAN die Konkurrenzsituation ist. Mehr im Abschnitt über den „Wettbewerb um den Funkkanal“.

Unterschied zwischen brutto und netto Datenrate bei WLAN

Die Datenraten auf den Verpackungen von WLAN Geräten klingen meistens absolut phantastisch, z.B. WLAN mit bis zu 2300Mbit/s. Um diese Angaben einschätzen zu können sollte man folgendes wissen.

• Manche WLAN Geräte unterstützen zwei oder mehr Funkmodule gleichzeitig. Die Angabe der Datenrate für ein WLAN Produkt bezieht sich oft auf die Summe der Datenrate aller Funkmodule zusammen. Z.B. 600Mbit/s auf 2,4GHz und 1733Mbit/s auf 5GHz, macht zusammen 2300Mbit/s.

• Die Datenrate bezieht sich auf eine Verbindung unter besten Bedingungen, wie z.B. eine sehr gute Empfangssignalstärke.

• Die Datenrate bezieht sich auf die WLAN Verbindung an sich (brutto). Die Datenrate für die Nutzdaten, also die welche Ihre Anwendungen auf Ihrem Smartphone oder Notebook in der Praxis sehen, ist deutlich geringer (netto).

Letzten Punkt können Sie selbst mit der Fritz!WLAN App nachmessen. Einfach App starten, im Reiter „Mein WLAN“ auf „WLAN-Durchsatz messen“ tippen und dort eine Messung starten. Die Ergebnisse stellen die Datenrate im Downlink dar. Oft ist man spätestens jetzt überrascht was von z.B. vollmundig beworbenen 600Mbit/s übrig bleibt.

Für Messungen der Datenrate mit Notebooks und PCs eignet sich das Tool „iPerf“. Sie benötigen allerdings 2 PCs / Notebooks. Der Messaufbau ist in untenstehender Grafik dargestellt. Einer der PCs sollte per 1000Mbit/s Ethernet / LAN mit dem WLAN Access Point verbunden sein, denn es gilt ja das WLAN zu vermessen und nicht irgendeinen anderen Engpass.

Das Tool iPerf muss, nach dem herunterladen, nicht installiert werden. Rufen Sie auf dem per Ethernet / LAN angebundenen PC „iPerf“ mit dem Kommandozeilenbefehl iPerf3 -s auf. Der Befehl sollte aus dem Verzeichnis erfolgen, in welchem Sie iPerf (Version 3) gespeichert haben. Der Befehl selbst startet den iPerf-Server, welcher jetzt auf Anfragen von einem iPerf-Client wartet.

Auf dem über WLAN verbundenen PC geben Sie iPerf3 -c x.x.x.x ein. x.x.x.x steht dabei für die IP Adresse des PC welcher als iPerf-Server dient. Der Client verbindet sich jetzt mit dem Server und startet die Messung der Datenrate im Uplink. Für die Messung im Downlink hängen Sie einfach ein -R an den Befehl an (iPerf3 -c x.x.x.x -R).

Im folgenden Screenshot sehen Sie ein Beispiel einer iPerf Messung.

Neben dem Fakt, dass die netto Datenraten deutlich unter den brutto Datenraten liegen, halten die Messungen eine Überraschung parat. Die Datenrate für Downlink (obere Messung) und Uplink (untere Messung) unterscheidet sich signifikant.

Was ist der Grund?

Die für eine Richtung (Downlink / Uplink) verwendete Datenrate wird jeweils gesondert von den über WLAN verbundenen Geräten behandelt. So senden z.B. Endgeräte manchmal mit einer niedrigeren Sendeleistung als WLAN Access Points. Auch kann der WLAN Treiber/Firmware in einem Gerät schlecht programmiert sein. Entsprechend kann es zu Unterschieden in der Datenrate zwischen Downlink und Uplink kommen.

Zusammengefasst bedeutet das, dass Sie über eine App wie die Fritz!WLAN App einen ersten Eindruck von der netto Datenrate einer WLAN Verbindung bekommen. Wenn Sie es aber genauer wissen wollen, dann müssen Sie die netto Datenrate in beiden Richtungen, Uplink und Downlink, durchmessen. Solch eine Messung ist allerdings etwas aufwendiger.

Wettbewerb um den Funkkanal

WLAN funktioniert im Prinzip wie eine rücksichtsvolle Gesprächsrunde. Während ein Teilnehmer der Gesprächsrunde spricht, schweigen die anderen. Dass der Sprecher fertig ist hören die anderen Teilnehmer. Falls nun jemand anderes etwas zu sagen hat, dann fängt dieser an zu sprechen. Sprechen zwei Teilnehmer gleichzeitig, dann versteht man diese nicht. Beide sind dann kurz still. Meist fängt nun einer etwas schneller an zu sprechen und darf sich jetzt mitteilen.

Das vertrackte mit WLAN ist jetzt, dass sich die „Gesprächsrunde“ nicht nur auf Ihr WLAN bezieht, sondern auch auf alle anderen WLAN Netzwerke in der Nachbarschaft, welche sich sozusagen im gleichen “Raum“ befinden. Der Begriff „Raum“ bezieht sich auf den gleichen WLAN Kanal und einer Entfernung, welche es Ihren WLAN Geräten noch ermöglicht die benachbarten WLANs zu verstehen.

Es ist jetzt leicht nachvollziehbar, dass die Teilnehmer Ihres WLAN nicht so oft zum reden kommen, wenn sich ganz viele WLANs in der Nachbarschaft im gleichen „Raum“ wie Ihr WLAN befinden. Das macht sich letztlich in niedrigen Datenraten und hohen „Pings“ bemerkbar.

Um anderen benachbarten WLANs auf die Spur zu kommen leistet die Fritz!WLAN App und die Bedienoberfläche einer Fritz!Box gute Dienste.

Mit einem Tipp auf den Reiter „Umgebung“ in der Fritz!WLAN App bekommen Sie eine Grafik, welche WLANs Ihr Smartphone auf welchem Kanal sieht. Der Kanal steht dabei sozusagen für den gleichem Raum. Das heißt alle WLANs auf z.B. Kanal 1 können sich gegenseitig hören.

Die prinzipiell gleichen Informationen bekommen Sie, wenn Sie in der Bedienoberfläche Ihrer Fritz!Box WLAN -> Funkkanal wählen und etwas nach unten scrollen. Es kann aber Unterschiede in der genauen Liste der gefundenen WLAN Nachbarnetzwerke geben. Ursache ist, dass sich die Fritz!Box und Ihr Smartphone zum Zeitpunkt der Messung an unterschiedlichen Standorten befunden haben. Je nach Standort befinden Sie sich näher oder weiter weg von anderen WLAN Netzwerken und somit befinden sich diese noch im Empfangsbereich oder auch nicht mehr. Auch durch Unterschiede in der Leistungsfähigkeit der WLAN Hardware, wie verbaute Antennen, können sich Differenzen in gefundenen WLAN Netzwerken ergeben.

Leider sind es aber nicht immer nur benachbarte WLAN Netzwerke, welche die Verbindungen Ihres WLANs stören. Bei der Analogie mit dem Gesprächskreis bleibend. Es erschließt sich, dass ein lauter Staubsauger im gleichen Raum, eine Diskussion doch arg erschwert, wenn nicht gar verhindert. Ein WLAN stören kann prinzipiell alles was auf der vom WLAN verwendeten Frequenz strahlt. Beispiele sind für das 2,4GHz Frequenzband, Mikrowellen, Babyphones, DECT Telefone, USB3. Abhilfe können Sie schaffen, indem Sie Ihre WLAN Geräte etwas distanziert von potentiellen Störern betreiben. Circa 1m Distanz reicht üblicherweise.

Notiz: Üblicherweise wählt Ihr WLAN Access Point einen Kanal mit möglichst wenig Konkurrenz. Ist dieser aber wenig Intelligent gewählt oder es ergibt sich für den Standort z.B. Ihres Notebooks ein anderes Bild oder Sie wollen schlicht probieren was eine Änderung bewirkt, dann ist es sinnvoll manuell einen Kanal einzustellen. Benutzen Sie dafür aber bitte im 2,4GHz Band nur einen Kanal nach dem Schema 1, 5, 9 , 13 oder 1, 6, 11, je nachdem was in der Nachbarschaft schon in Verwendung ist. Grund ist, dass sich ein WLAN auf Kanal 1 bis auf den Kanal 3 erstreckt. Der nächste konfliktfreie Kanal ist dann Kanal 5. Konfiguriert man sein WLAN willkürlich auf irgendwelche Kanäle (z.B. Kanal 7) dann führt es dazu, dass unnötig mehr Konkurrenz zwischen WLAN Netzwerken entsteht.

Implementierung von WLAN in Geräten

Ein letzter großer Faktor für die Leistungsfähigkeit einer WLAN Verbindung verbleibt noch, und dass ist die Implementierung von WLAN in den jeweiligen Geräten. Unter Implementierung versteht man die verwendete Hardware und dazugehörige Treiber. So gibt es WLAN Chipsätze von unterschiedlichen Herstellern und auch das Design der Antennen hat einen Einfluss wie gut oder schlecht eine WLAN Verbindung zustande kommt. Wie genau ein Software-Treiber oder eine Firmware einen verwendeten WLAN Chipsatz einstellt, kann ebenfalls einen Unterschied ausmachen.

Um unterschieden in der Leistungsfähigkeit von WLAN Geräten auf die Spur zu kommen, sind externe Vergleichstests in Zeitschriften sehr nützlich. Bei Problemen mit einem WLAN empfiehlt es sich genau auf die Treiberversion zu schauen und zu prüfen ob es eventuell einen aktuelleren Treiber oder Firmware gibt. Bei Produkten für einen PC sollten Sie dafür nicht nur auf die Webseite des Herstellers (z.B. Ihres WLAN Sticks) schauen, sondern auch auf die Webeite des Herstellers des verwendeten WLAN Chipsatzes.

Um an die Information zu dem verwendeten Chipsatz zu kommen hilft meistens nur eine Web-Recherche. Ist die Information nicht zu finden, dann muss man sich mit dem Treiber des Herstellers des WLAN Gerätes zufrieden geben.

Fazit

Sie kennen jetzt die wesentlichen Zusammenhänge und Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit Ihres WLANs bestimmen. Damit verfügen Sie über ein gutes Verständnis welchen Hintergrund so manche Faustregel für ein optimales WLAN hat und können diese zu Ihrem Vorteil besser anwenden. Falls Sie noch mehr über WLAN wissen möchten, dann finden Sie im Anschluss weitergehende Links.

damit Sie auch über Weihnachten eine gute WLAN Verbindung haben,

Matthias (20.12.2017)

Weiterführende Links:

• Eine kompakte Einführung in das Übertragungsmedium WLAN
• Das Einrichten und die Konfiguration eines WLAN Access Point
• Windows 10: WLAN konfigurieren
• WLAN unter Android
• Kriterien für den Kauf eines WLAN Access Points
• Kriterien für den Kauf eines WLAN Repeater
• WLAN installieren
• WLAN Verbindung prüfen
• Die WLAN Umgebung scannen
• Ein WLAN zur Fehlersuche überwachen

Liste der für diesen Artikel verwendeten Tools:

• Fritz!WLAN App
• Homedale
• iPerf
• Fritz!Box
• Smartphone (Android oder iOS)
• Notebook (Windows 10 oder Linux; mit integriertem WLAN Client)
• Desktop PC (mit Ethernet/LAN Schnittstelle)