Wie wird WLAN getestet?

Gerade im Bereich des digitalen Zeitalters ist die Nutzung des Internets sowie der Anschlussmöglichkeiten ein wichtiger Aspekt und gehört damit zum allgemeinen Gut. Die Zeiten des Netzwerkkabels sind vorbei. In Kombination mit SMART-Home wird die drahtlose Übertragung mittels WLAN immer wichtiger. Die WLAN-Verbindung sollte im gesamten Haus zur Verfügung stehen, am besten ohne jegliche Einbußen wie zum Beispiel eine stockende, unflüssige Übertragung von Videos in Teilen des Hauses. Schließlich soll sowohl die digitale Kommunikation für Arbeit und auch für Vergnügen (SMART-Home, Video on Demand und Co.) überall im Haus nutzbar sein.
Aber was bedeutet WLAN überhaupt und wie funktioniert es? Diese und weitere Fragen werden in diesem Blogpost näher erklärt.

Abb. 1: Das Thema WLAN näher gebracht

1. Was bedeutet WLAN und wie funktioniert es?

In einem ersten Schritt wird betrachtet, was WLAN überhaupt bedeutet und wie die Kommunikation dabei genau funktioniert. Diese Grundlagen bilden das Fundament für weitere und tiefergehende Details rund um das Thema drahtlose Kommunikation für Privat und Business.

1.1 Was ist WLAN?

Die Abkürzung WLAN steht für „Wireless Local Area Network“ oder auf Deutsch „drahtloses lokales Netzwerk“. Die Verbindung wird über einen Funkstandard realisiert. Die klassische Netzwerkkarte wird schematisch durch die Addition einer Antenne zu einer Funknetzwerkkarte. Die klassischen Netzknoten (Austauschpunkte für den Datenverkehr) werden somit zu kleinen Funkzellen. Die Funkzellen können, solange sich diese in Reichweite befinden, miteinander kommunizieren.

1.2 Wie kommunizieren die Geräte über WLAN?

Beim Aufbau eines WLAN wird in der Regel mit der Installation eines Access-Points (oftmals in Form eines Routers) begonnen. Der Router dient innerhalb des Netzwerks als Basisstation. Dieser definiert über die SSID (Service Set Identifier) den Netzwerknamen und kombiniert den Zugriff im besten Fall mit einem Passwort. Die Endgeräte können sich über diese SSID und das zugehörige Passwort als Client anmelden. Der Router verwaltet als Basisstation die angemeldeten Clients. Damit letztere die Informationen des Routers (SSID, Verschlüsselung, Übertragungsarten) sehen können, sendet dieser in regelmäßigen Abständen sogenannte „Beacons“ aus. Bei Beacons handelt es sich um Informations- und Managementpakete. Sie erhalten alle notwendigen Informationen zur Identifikation zwischen Basisstationen und Teilnehmern. Die Basisstation informiert so alle Teilnehmer im Radius, über ihre eigene Anwesenheit und bietet den Teilnehmern im gleichen Zuge den Aufbau einer Verbindung an. WLAN-Beacons werden in der Regel zehnmal pro Sekunde versendet.

Abb. 2: WLAN 2,4 GHz, Spektrum und Nachleuchtespektrum, Einzelkanäle sichtbar (SignalShark – Narda Safety Test Solutions GmbH)
Screenshot: Dennis Jäger

1.3 Was sind WLAN-Kanäle und wofür werden diese benötigt?

WLAN kann nach aktuellem technischem Standard in zwei Frequenzbereichen genutzt werden. Der Frequenzbereich von 2400 MHz bis 2483,5 MHz wird beispielsweise von WLAN 2,4 abgedeckt. In diesem Bereich können bis zu 14 Kanäle genutzt werden. In Deutschland werden hiervon jedoch nur maximal 13 Kanäle in Anspruch genommen. Der Kanal 14 liegt im Frequenzbereich oberhalb von 2483,5 MHz. Für Deutschland gibt die Bundesnetzagentur für die Funkübertragung per WLAN den Frequenzbereich von 2400 MHz bis 2483,5 MHz frei. Dementsprechend kann der Kanal 14 nicht verwendet werden.

Die Bandbreite der jeweiligen Kanäle hängt vom genutzten Standard ab und reicht von 20 MHz über 22 MHz bis hin zu 40 MHz. Zu beachten ist die Breite des zur Verfügung stehenden Frequenzbereichs. Dieser liegt für WLAN 2,4 bei 83,5 MHz. Die nutzbaren Kanäle überlappen sich dementsprechend. Für eine störfreie Übertragung muss der richtige Abstand der Kanäle gewählt werden.

Überlappungsfreie Kanäle auf Basis der Kanalfrequenzen sind in diesem Beispiel die Kanäle 1, 5, 9 und 13.

Der WLAN-5GHz-Bereich teilt sich in zwei Frequenzbereiche auf. Es gibt einen Bereich von 5150 MHz bis zu 5350 MHz und einen zweiten Frequenzbereich von 5470 MHz bis zu 5725 MHz. Im Bereich des WLAN-5GHz-Netzes sind je nach Standard Bandbreiten zwischen 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz und 160 MHz möglich. Die Bündelung der Kanäle zur Generierung von mehr Bandbreite ist im Vergleich zu WLAN 2,4 GHz also deutlich erhöht worden. Innerhalb des WLAN-5GHz-Netzes sind in Europa folgende Kanäle nutzbar:

Je nach Frequenzbereich und Kanalnummer ist der Abstand der Trägerfrequenzen zueinander 10 MHz bzw. 20 MHz groß. Dies ermöglicht die Verwendung von Kanälen mit niedrigeren Abständen zueinander und somit die Bündelung von mehreren Kanälen als im WLAN-2,4GHz-Netz.

2. Wie groß ist die Reichweite von WLAN?

Sowohl bei der privaten als auch bei der betrieblichen Nutzung ist die Reichweite des WLAN ein Schlüsselelement. Das Internet gehört mittlerweile zu einem Standardgut. Wenn der Empfang des Endgeräts schlecht ist und sich der Aufbau einer Internetseite gefühlt über Stunden zieht, kommt bei den Usern schnell Frust auf. Um diesem Frust entgegenzuwirken folgen Faktoren,  die Einfluss auf die Reichweite haben und somit unbedingt zu beachten sind.

2.1 Was ist der Unterschied zwischen WLAN-2,4GHz und WLAN-5GHz?

WLAN-2,4GHz und WLAN-5GHz besitzen auf Basis Ihrer Kanäle und Frequenzbereiche unterschiedliche Wellenlängen. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge. Die Wellenlänge kann über folgende Formel berechnet werden:

𝛌 entspricht der Wellenlänge, c der Lichtgeschwindigkeit und f der Frequenz. Die genutzten Wellenlängen des WLAN-Bereichs bringen sowohl Vor- als auch Nachteile mit sich. Je kleiner die Wellenlänge, desto unempfindlicher ist diese gegenüber hindernisreicher Umgebung. Gleichzeitig steigt aber auch die Dämpfung. Das bedeutet also, dass bei gleicher Sendeleistung  die Reichweite sinkt.

2.2 Wie hoch ist die Strahlungsleistung und resultierende Reichweite?

Um die Reichweite im WLAN-5GHz auf ähnlichem Niveau wie bei WLAN 2,4 GHz zu halten, muss also dessen Sendeleistung erhöht werden. WLAN 2,4 GHz arbeitet mit einer Strahlungsleistung von 100 mW (EIRP), bei WLAN 5 GHz sind maximal  1000 mW erlaubt. Der Abkürzung „EIRP“ steht für „equivalent isotropically radiated power“ oder auf Deutsch „äquivalente isotrope Strahlungsleistung“. Die EIRP gibt die eingespeiste Sendeleistung multipliziert mit dem Antennengewinn an. Die maximale Strahlungsleistung wird durch die Bundesnetzagentur je Frequenzbereich vergeben.

Die Reichweite gängiger WLAN-Router ist stark herstellerabhängig und liegt im freien Feld in einem Bereich von 30 m bis zu 100 m. In einem Gebäude reduziert sich die Reichweite durch die Umgebungsbedingungen.

2.3 Was beeinflusst die Reichweite?

Die tatsächliche Reichweite hängt von vielen Faktoren ab. Die maximale Strahlungsleistung ist zwar definiert, die resultierende Reichweite aber herstellerabhängig völlig unterschiedlich. Die Reichweite hängt zum Beispiel davon ab, ob die verwendete Antenne innerhalb des Gehäuses oder außerhalb installiert ist. Zusätzlich beeinflusst die Ausrichtung der Antenne die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen. Diese beschriebenen Einflüsse kommen auf beiden Seiten zum Tragen, also beim Sender und beim Empfänger.
Bewegt man sich nun aus dem Freifeld mit keinen oder mit wenigen Hindernissen in ein Gebäude, kommen weitere Faktoren wie Architektur, Wandstärke und Wandmaterial sowie elektrische Störeinflüsse hinzu.

3. Wie kann das WLAN getestet werden?

Bei der Beurteilung des WLANs ist es wichtig subjektive Empfindungen, wie das Öffnen einer Seite auf Basis objektiver Messungen, zu kontrollieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten ein WLAN zu testen. Von der oberflächlichen Betrachtung bis hin zur tiefgehenden Datenanalyse gibt es fast keine Grenzen. Welche Messungen sinnvoll sind, liegt im Auge des Betrachters wie auch am verfolgten Ziel. Im folgenden Kapitel werden ein paar Messungen und Messmöglichkeiten vorgestellt. In der Praxis gibt es natürlich noch viele weitere.

3.1 Wie kann die Schnelligkeit des Internets überprüft werden?

Zur Beurteilung der Internetgeschwindigkeit bietet sich die Verwendung eines Speedtests an. Es gibt verschiedene Anbieter von Speedtests, die grundlegend auf dem selben Prinzip basieren. Für den Speedtest werden Datenpakete in verschiedenen Größen von einem Server heruntergeladen und in umgekehrter Richtung an einen Server gesendet. So wird die Geschwindigkeit des Downloads und des Uploads gemessen. Hierbei wird aktuell die Form des TCP „Transmission Control Protocol“ verwendet. Wichtig ist die richtige Wahl des Servers, die durch den Speedtest selber durchgeführt wird, sodass durch unnötige Strecken keine Zusatzverluste entstehen und die Abweichung des Ergebnisses so gering wie möglich ist.
Es empfiehlt sich zur Beurteilung der WLAN-Internetgeschwindigkeit eine Vergleichsmessung über Netzwerkkabel. Diese kann direkt am Router oder am Modem durchgeführt werden. Dadurch kann der mögliche Verlust der drahtlosen Übertragung ebenfalls dargestellt werden.

Abb. 3: Beispiel Speedtest nach Ookla

3.2 Welche Testverfahren können eingesetzt werden?

Es gibt verschiedene Testverfahren zur Beurteilung eines WLANs. Das Testverfahren sollte auf Grundlage des gewünschten Ziels gewählt werden. Im privaten Haushalt mit mehreren Räumen ist es oftmals ausreichend die Signalstärke mit einem Endgerät an verschiedenen Standorten zu beobachten.
Bei Unternehmen steigt die Anzahl der zu versorgenden Räume und Endgeräte an. Die Arbeitsleistung von Mitarbeiter oder Maschine könnte durch mangelnde WLAN-Versorgung beeinträchtigt sein. Das Ablaufen mit einem Endgerät ist aufwendiger und die Dokumentation ist schwieriger. In diesem Bereich empfiehlt sich zur Beurteilung die Erstellung einer sogenannten Heatmap, welche über den Gebäudeplan die Empfangsstärke farblich angibt. Hierzu wird spezielle Messtechnik benötigt, die zum Beispiel parallel mehrere definierte Endgeräte ansteuert und auswertet. Somit entsteht ein 2D/3D-Bild der Signalabdeckung.
Gibt es zum Beispiel noch tiefergehende und komplexe Störungen, dann ist auch eine detaillierte Betrachtung des WLAN-Signals erforderlich. Hierzu ist unter anderem die Verwendung eines Spektrumanalysators sinnvoll. Mit einem Spektrumanalysator kann das WLAN-Signal im Frequenzbereich betrachtet werden. Bei dieser Analyse sind tiefgehende Einblicke möglich, wie beispielsweise die Beobachtung eines Störsignals.

3.3 Welche Signalparameter sind sinnvoll?

Bei den Signalparametern gibt es verschiedene Ansätze. Für einen groben Überblick und eine erste Einschätzung wird mit einem Blick auf die Signalstärke gestartet. Bei geringer Signalstärke nimmt die Datenübertragungsrate ab. Als nächsten Schritt wird die Wahl des Kanals kontrolliert. Gibt es eventuell weitere WLAN-Netze, die auf demselben Kanal arbeiten oder dicht dran sind? Wenn ja, sollte man den eigenen Kanal wechseln und wenn möglich einen Abstand von 3 Kanälen realisieren, damit keine Überschneidungen zum Tragen kommen. Wenn diese einfachen Überprüfungen nicht zum Ergebnis führen, sind tiefergehende Analysen notwendig, welche oftmals nur in Verbindung mit spezieller Messtechnik möglich sind. Eine Möglichkeit ist die Betrachtung des SNR. Die Abkürzung SNR steht für „Signal-to-Noise-Ratio“ oder auf Deutsch „Signal-Rausch-Verhältnis“. Innerhalb der Nachrichten- und Kommunikationstechnik ist dieses ein bewehrtes Mittel zur Analyse eines Signals. Bei der spektralen Ansicht eines Signals oder Frequenzbands ist die Höhe des Grundrauschens ein wichtiger Indikator. Ist das Grundrauschen im Verhältnis zu hoch oder im Gegenzug der Signalpegel zu klein und somit der Abstand zwischen den beiden zu gering, kann es entweder zu Störungen oder zu Kommunikationsabbrüchen kommen.

Abb. 4: SNR WLAN (SignalShark Narda Safety Test Solutions GmbH)
Screenshot: Dennis Jäger

Der SNR wird in dB gemessen. Ein guter oder ausreichender SNR-Wert ist abhängig von vielen Faktoren und der verwendeten Hardware. Nicht jedes WLAN-fähige Gerät arbeitet auf dem gleichen Niveau. Allgemein wird aber davon ausgegangen, dass ab einem SNR-Wert von 10 dB eine grundlegende Kommunikation der Teilnehmer realisierbar ist und somit zumindest E-Mails gelesen werden können. Ab 25 dB sollten dann auch Streamingdienste oder große Downloads sauber funktionieren.

Zusammenfassung

WLAN steht für Wireless Local Area Network und basiert auf einem Funkstandard. WLAN arbeitet derzeit innerhalb zweier Frequenzbereiche, zum einen ist dies der 2,4 GHz-Bereich und der sogenannte 5 GHz-Bereich. Diese sind in Kanäle unterteilt. Nach erfolgreicher Herstellung einer WLAN-Verbindung hängt die Reichweite von unterschiedlichen Faktoren ab. Bei der privaten Nutzung spielt zum Beispiel die Architektur des Hauses, der Aufbau der Zimmer oder die Wandstärke eine wichtige Rolle. Je nach Gegebenheit und verwendeter Hardware sind erzielte Reichweiten zwischen 30 m und 100 m die Regel. Bei schlechter Empfangsqualität, sollte zunächst ein Blick auf die Empfangsstärke geworfen werden. Anschließend ist ein üblicher Speedtest eine gute Hilfestellung.