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WLAN-Standards verständlich


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PC Welt - epaper ⋅ Ausgabe 9/2022 vom 05.08.2022

Netzwerk

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Bildquelle: PC Welt, Ausgabe 9/2022

Warum sollten Sie sich für die unterschiedlichen WLAN-Standards interessieren? Sind die nicht alle miteinander kompatibel? Die richtige Antwort auf diese Fragen lautet: Ja – aber ...

„Je besser WLAN-Geräte mit unterschiedlichen Standards zusammenspielen, desto höher das WLAN-Tempo.“

Denn natürlich stimmt es, dass selbst ein top-aktueller Wi-Fi-6-Router sich noch mit einem uralten 11g-Gerät verbinden kann. Andererseits ist ein bunt gemischtes WLAN-Netzwerk die schlechteste Lösung, wenn Sie sich schnelle und stabile Transferraten wünschen. Um Ihr WLAN wirklich zu verbessern, sollten Sie die Besonderheiten der einzelnen Standards kennen und sich mit Details wie zum Beispiel Mimo-Streams beschäftigen. Dabei will Sie dieser Ratgeber unterstützen. Alle technischen Details zu den einzelnen Standards finden Sie in der Tabelle auf Seite 43.

Begrifflichkeiten kurz erklärt: WLAN, Wi-Fi oder IEEE 802.11? ...

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WLAN steht als Abkürzung für „Wireless Local Area Network“ und beschreibt alle

Übertragungstechniken oder -standards, die sich darum kümmern, dass sich mehrere Einzelgeräte kabellos zu einem gemeinsamen, lokalen Netzwerk verbinden. Der Standard IEEE 802.11 und seine zahlreichen Erweiterungen beschreiben dabei die wichtigste und am häufigsten genutzte Übertragungstechnik für ein WLAN.

Die Bezeichnung „Wi-Fi“ ist dagegen kein technischer Begriff, sondern ein Marketingname für IEEE 802.11. Ihn hat die Wi-Fi Alliance (siehe Glossar) erfunden: Er steht als Abkürzung für „Wireless Fidelity“, was mit „Drahtlose Übertragungsqualität“ übersetzt werden kann.

Die Begriffe WLAN und Wi-Fi werden in der Praxis meist gleichbedeutend verwendet, obwohl es eine ganze Reihe weiterer Übertragungsstandards gibt, die sich für drahtlose lokale Netzwerke, also „WLANs“, eignen – zum Beispiel Bluetooth, Z-Wave oder Zigbee.

Doch wer von einem „WLAN“ spricht, meint eigentlich immer die Technik der Funkstandards nach IEEE 802.11. Ein WLAN-fähiges Gerät ist somit immer mit einem Funkadapter ausgestattet, der mindestens einen und meist mehreren IE-EE-802.11-Standards entspricht.

Die Bezeichnung der verschiedenen Standardversionen unterscheidet sich, indem ein bestimmter Buchstaben zu „IEEE 802.11“ hinzugefügt wird – so kommen Namen wie IEEE 802.11g, IEEE 802.11n oder IEEE 802.11ac zustande.

Von IEEE 802.11n/ac/ax zu Wi-Fi 4/5/6

ALLE WLAN-STANDARDS IM ÜBERBLICK

Diese technischen Bezeichnungen sind allerdings weder schön zu lesen noch sofort verständlich. Zudem erklären sie nicht auf den ersten Blick, ob der in einem Gerät verbaute Wi-Fi-Funkadapter aktuell ist oder einer älteren Generation angehört.

Aus diesem Grund hat sich die Wi-Fi-Alliance aussagekräftigere Wi-Fi-Versionsnamen einfallen lassen: Sie lauten Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 und Wi-Fi 6 und sollen die IEEE 802.11-Bezeichnungen auf der Verpackung der Produkte ersetzen oder wenigstens ergänzen. Ein WLAN-Interessierter soll damit sofort erkennen können, ob ein Gerät aus einer älteren oder modernen WLAN-Generation stammt.

In der Tabelle auf Seite 43 sehen Sie, welcher Versionsname der Wi-Fi-Alliance für welchen IEEE-Standard steht. Die älteren IEEE 802.11-Standards mit den Erweiterungen a, b oder g fehlen in der Liste. Für sie gibt es keine offiziellen Versionsbezeichnungen der Wi-Fi-Alliance.

Doch ganz ohne Kenntnis der IEEE-Standards kommen Sie in der WLAN-Praxis nicht aus, denn viele Einstellungen im Routermenü verwenden weiterhin die IEEE- 802.11-Erweiterungen (a/b/g/n/ac/ax).

Das Ur-WLAN: Die Standards 802.11 und 802.11b

Der IEEE-802.11-Standard hat in der Vergangenheit zahlreiche Entwicklungsstufen durchlaufen. Die WLAN-Geschichte zeigt, dass es bei Neuerung immer um einen Kompromiss aus besserer Verbindungsqualität und Kompatibilität zum bestehenden Standard ging. Das erklärt auch, warum es auch jetzt immer noch zu Problemen kommen kann, wenn Sie ältere WLAN-Geräte gemeinsam mit aktuelleren im Heimnetz betreiben.

WLAN-STANDARDS: DIE WICHTIGSTEN FACHBEGRIFFE

IEEE: Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (www.ieee.org) ist ein globaler Berufsverband von Ingenieuren, Wissenschaftlern und Technikern aus den Bereichen IT und Elektrotechnik. Er befasst sich unter anderem mit der Standardisierung von Technik, Hardware und Software.

Mimo (Multiple Input Multiple Output) beschreibt die Fähigkeit eines WLAN-Geräts, Daten über mehrere räumlich getrennte Streams an ein anderes WLAN-Gerät zu übertragen. MU-Mimo (Multi-User Multiple Input Multiple Output) bezeichnet die Funktion eines WLAN-Geräts, Daten über mehrere räumlich getrennte Streams gleichzeitig an mehrere WLAN-Geräte zu übertragen.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) ist ein Modulationsverfahren, das die Wi-Fi-Standards 802.11a/g einführte. Es unterteilt den verfügbaren Frequenzbereich (Kanalbreite) in mehrere kleine Trägereinheiten (Mehrträgerverfahren), was unter anderem zu einer deutlich stabileren Übertragung führt.

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ist eine verbesserte Modulation, die kleine Trägereinheiten („Subcarrier“) der verfügbaren Kanalbandbreite dynamisch unterschiedlichen Clients zuweisen kann. Das verbessert die Übertragungseffizienz und -geschwindigkeit bei hoher Clientanzahl und verringert die Latenz der Verbindung.

QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation) bezeichnet die Komplexität und damit die Informations- oder Datendichte eines Funkübertragungssignals. Je höher der QAM-Wert, desto mehr Daten kann das WLAN-Signal transportieren. Aufgrund der hohen Datendichte lassen sich hohe QAM-Werte nur bei ausgezeichneter Verbindungsqualität mit minimaler Signaldämpfung und ohne Störsignale erreichen.

WLAN (Wireless Local Area Network) steht inzwischen gleichbedeutend für Wi-Fi und bezeichnet damit alle IEEE-802.11-Übertragungsstandards. Wi-Fi (Wireless Fidelity) ist eine Marketingbezeichnung für den Standard IEEE 802.11 und seine zahlreichen Erweiterungen wie IEEE 802.11 b/g/a/n/ac/ax …).

Wi-Fi Alliance ist ein globales Konsortium großer Hersteller von Netzwerkhardware, das die Entwicklung und Einführung neuer Wi-Fi-Hardware vorantreibt und deren Interoperabilität mit Geräten anderer Hersteller sicherstellt.

Der ursprüngliche Wi-Fi-Standard IEEE 802.11 wurde vor 25 Jahren verabschiedet und ermöglicht Bruttoübertragungen von bis zu 2 MBit/s. Die Verbindung zwischen zwei Geräten erfolgt im 2,4-GHz-Band über einen 20 MHz breiten Funkkanal. Um die Datenpakete für die Funkübertragung aufzubereiten, setzt der Standard auf das Modulationsverfahren DSSS (Dynamic Sequence Spread Spectrum). Neben der Funkübertragung enthält der Ur-WLAN-Standard übrigens auch die Beschreibung einer kabellosen Verbindung per Infrarot. Die stellte sich im Praxiseinsatz aber schnell als untauglich heraus, da sie immer Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger benötigt.

Schon 1999 erschien mit IEEE 802.11b dann der erste für Heimnetzwerke relevante WLAN-Standard. Er erhöht die Übertragungsrate durch eine verbesserte Modulation (HR-DSSS, HR für „High-Rate“) auf 11 MBit/s. Entsprechende WLAN-Module kamen dann erstmalig auch in Notebooks und anderen netzwerkfähigen Geräten für Heimnutzer zum Einsatz. Inzwischen ist der „b-Standard“ längst veraltet, fast alle aktuellen WLAN-Router lassen sich aber immer noch in einen Modus schalten, der zu dem über 20 Jahre alten Standard kompatibel ist. WLAN-Clients mit IEEE 802.11b sollten Sie im Heimnetz aber nicht mehr einsetzen, da sie neuere WLAN-Geräte massiv ausbremsen. Außerdem unterstützen sie lediglich die inzwischen nicht mehr als sicher geltende WPA-PSK TKIP Verschlüsselung. Schalten Sie also in den WLAN-Einstellungen des Routers die Unterstützung für IEEE 802.11b möglichst ab.

5 GHz kommt ins WLAN: 802.11a und 802.11g

Ebenfalls 1999 wurde der im 5-GHz-Band funkende Standard IEEE 802.11a verabschiedet, der die Daten über OFDM mit höherer Dichte auf das Funksignal moduliert und damit höhere Übertragungsdatenraten von bis zu 54 MBit/s (brutto) erzielt. In Europa nutzten nur wenige Geräte 11a-WLAN, da auf dem 5-GHz-Band – wie heute – auch Wetter-, Militär- und Ortungsradar arbeiten. Erst Ende des Jahres 2003 wurde der 802.11a-Standard für Europa über die Erweiterung 802.11h angepasst. Sie regelt unter anderem, dass ein WLAN-Router, der über 5 GHZ arbeitet, seinen Funkkanal automatisch wechseln muss, wenn er erkennt, dass ein Radar auf dieser Frequenz aktiv ist. Diese Technik heißt „Dynamic Frequency Selection“ (DFS) und sollte zu den Standardfunktionen eines aktuellen Routers gehören.

11a-Geräte kamen auch abgesehen von der europäischen Frequenzproblematik vor allem nur in Profi-WLANs zum Einsatz. Denn sie waren nicht abwärtskompatibel zu 802.11b und außerdem sehr teuer, da WLAN-Module, die zwei Frequenzbänder unterstützen, einen hohen Fertigungsaufwand erforderten.

Mit dem Standard IEEE 802.11g, der Mitte 2003 veröffentlicht wurde, führte das IEEE die schnellere OFDM-Modulation auch im 2,4-GHz-Band ein, so dass hier nun ebenfalls bis zu 54 MBit/s brutto möglich waren. Das steigerte die WLAN-Beliebtheit enorm, hatte jedoch zur Folge, dass besonders in dicht besiedelten Regionen sehr viele Geräte über 2,4 GHz funkten, was aufgrund des schmalen Frequenzbandes damals wie heute zu Störungen und geringerem WLAN-Tempo führt.

IEEE 802.11n oder auch Wi-Fi 4: Übertragungsrate verdoppelt

Anfang 2006 veröffentlichte das IEEE mit Draft-N den ersten Entwurf eines erheblich leistungsfähigeren WLAN-Standards. Er wurde erst im Dezember 2009 endgültig als IEEE 802.11n verabschiedet – und hat von der Wi-Fi Alliance nachträglich den Namen „Wi-Fi 4“ erhalten.

Wif-Fi 4 oder IEEE 802.11n nutzt eine verbesserte OFDM-Modulation und erhöht die Kanalbandbreite von 20 MHz auf 40 MHz, was die mögliche Übertragungsrate mehr als verdoppelt. Außerdem können Wi-Fi- 4-Geräte mit einem entsprechenden Funkadapter neben dem 2,4-GHz-Band auch das 5-GHz-Band nutzen – die sogenannte Dualband-Funktion. Das größte Tempoplus bringt Wi-Fi 4 aber die Mimo-Technik (Multiple Input Multiple Output). Damit können zwei Geräte über eine Verbindung gleichzeitig zwei Datenströme austauschen – die so genannten Mimo-Streams – und so das WLAN-Tempo theoretisch verdoppeln. Dafür kommen mehrere Antennen zum Einsatz: Die Signale jedes Sender- und Empfängerpaars unterscheiden sich, weil sie zwar über dieselbe Frequenz laufen, dabei aber verschiedene Wege nehmen. An diesem räumlichen Versatz (Spatial Multiplexing) erkennt jede Antenne, welches Signal für sie bestimmt ist. Mit zwei oder mehr Antennen ist außerdem Beamforming möglich: Diese Funktion verbessert die Datenübertragung auch dann, wenn der Empfänger nur eine Antenne hat, weil der Sender die Signalqualität gezielt in dessen Richtung erhöhen kann.

Abhängig von der Anzahl der Mimo-Streams sind 2x2-, 3x3-, oder 4x4-Verbindungen möglich, was die Übertragungsrate verdoppelt, verdreifacht oder gar vervierfacht. Mit den schnellsten 802.11n-Routern ließen sich per 3x3-Übertragung und 40 MHz Kanalbandbreite bis zu 450 MBit/s erzielen – rund neun Mal schneller als die 54 MBit/s des Vorgängerstandards 802.11g.

Trotzdem sind Wi-Fi-4-Module weiterhin abwärtskompatibel zu 802.11g und 802.11b sowie zu 802.11a im 5-GHz-Band. Der Nachteil: Bei einer Verbindung zu den älteren WLAN-Clients muss der Wi-Fi-4-Router auf deren langsamere Datenrate herunterschalten.

Die ersten Wi-Fi-4-WLAN-Module, darunter auch die ersten Draft-N-WLAN-Router, unterstützen als so genannte Singleband-Geräte nur das 2,4-GHz-Band mit lediglich einem 1x1-Stream und kommen damit auf Bruttoübertragungsraten von 72 MBit/s bei 20 MHz beziehungsweise 144 MBit/s bei 40 MHz Kanalbreite. Der Durchbruch für Wi-Fi

4 kam deshalb erst mit den dualbandfähigen Funkmodulen: Sie können auch das weniger genutzte und deutlich breitere 5-GHz-Band nutzen.

IEEE 802.11ac oder Wi-Fi 5: Schneller nur über 5 GHz

Die Neuerungen des vier Jahre später veröffentlichten Wi-Fi-5-Standards (IEEE 802.11ac) beziehen sich im Gegensatz zu Wi-Fi 4 allein auf das 5-GHz-Band: Damit es bei der neuen WLAN-Generation keine Verbindungsprobleme zu älteren, reinen 2,4-GHz-Adaptern gibt, sind alle Wi-Fi- 5-Module immer dualbandfähig, funken aber im 2,4-GHz-Band weiterhin mit den Vorgaben von Wi-Fi 4.

Der Wi-Fi-5-Standard kam in zwei Varianten (engl. „waves“) auf den Markt. Geräte der Wave 1 ab 2013 verbessern das Modulationsverfahren von QAM 64 auf QAM 256 und können neben 40 MHZ auch eine Kanalbandbreite von 80 MHz nutzen. Damit erhöht sich die Übertragungsrate eines Datenstreams von 150 MBit/s (Wi-Fi 4) auf 433 MBit/s. Außerdem sind mit Wi-Fi 5 bis zu acht parallele Datenstreams (8x8) möglich. Allerdings setzen die leistungsfähigen Wi-Fi-5-Adapter der ersten Welle maximal 3x3-Streams pro Funkband ein, so dass bei 5 GHz 1300 MBit/s (3 x 433 MBit/s) und bei 2,4 GHz 450 MBit/s (3x 150 MBit/s) möglich sind. In Summe ergibt das 1750 MBit/s, weshalb die schnellen Wi-Fi-5-Router (Wave 1) auch die Kennung AC1750 tragen.

Erst Wi-Fi-5-Geräte der zweiten Welle (Wave 2) ab 2016 besitzen 4x4-Module. Viel wichtiger für das Tempo im WLAN-Netzwerk ist jedoch die neue Funktion Multi-User-Mimo (MU-Mimo). Ein Wi-Fi-5-Wave-2-Router kann damit im 5-GHz-Band Daten gleichzeitig an verschiedene Clients senden, indem er jeden seiner bis zu vier MU-Mimo-Streams mit je einem anderen Wi-Fi-5-Gerät verbindet. Ein älterer Wi-Fi-4-Router hingegen kann immer nur mit einem Partner Daten austauschen und muss bei der Kommunikation mit mehreren Geräten ständig zwischen den einzelnen Clients wechseln, was die Datenrate reduziert. Damit die MU-Mimo-Technik funktioniert, sind neben einem Wave-2-Router auch mindestens zwei Wave-2-Clients erforderlich.

Ebenfalls neu in Wi-Fi 5 Wave 2 ist die Kanalbandbreite von 160 MHz: So sind schon über einen Mimo-Stream bis zu 867 MBit/s möglich. Allerdings unterstützen dies nur wenige Wi-Fi-5-Geräte – beispielsweise die Fritzbox 7590 oder die WLAN-Adapter der Intel-Wireless-9000er-Reihe.

Neuer Stand der WLAN-Technik: IEEE 802.11ax oder Wi-Fi 6

Das im Jahre 2019 veröffentlichte Wi-Fi 6 oder IEEE 802.11ax ist der aktuelle WLAN-Standard. Er verbessert auch die Übertragung über das im Vorgängerstandard missachtete 2,4-GHz-Band, weil er dort ebenfalls die deutlich verbesserte Modulation mit 1024 QAM zulässt. Statt der bestenfalls 72,2 MBit/s je Datenstream unter Wi-Fi 4 verdoppelt sich die Transferrate nun auf 144 MBit/s bei der Übertragung über einen 20-MHz-Kanal. Für Geräte, die vor allem im 2,4-GHz-Band funken, ist Wi-Fi 6 somit ein echter Gewinn. Auch MU-Mimo funktioniert mit Wi-Fi 6 im 2,4-GHz-Band, sofern die beteiligten Geräte mit Wi-Fi-6-Adaptern ausgestattet sind. Zudem geht MU-Mimo in den aktuelleren Wi-Fi-6-Adaptern nun auch in Upload-Richtung, also vom Client zum Router.

Die wichtigste Neuerung in Wi-Fi 6 ist OF-DMA. Diese spezielle Modulationstechnik unterteilt die verfügbare Kanalbandbreite in einzelne Unterkanäle (Subchannels). Damit lässt sich die verfügbare Übertragungsfrequenz erheblich besser ausnutzen, was vor allem dann zum Tragen kommt, wenn besonders viele Clients im Heimnetz gleichzeitig Daten übertragen. Außerdem sorgt OFDMA für geringere Latenzen, wovon zum Beispiel Onlinespiele profitieren.

Weitere Wi-Fi-6-Funktionen sind BSS-Coloring und TWT (Target Wake Time). BSS-Coloring soll Störungen durch benachbarte WLANs reduzieren, weil die Geräte eines gemeinsamen Netzwerks ihre Datenpakete mit einem speziellen Merkmal versehen – sozusagen „einfärben“ – und so fremde Signale auf der eigenen Frequenz ignorieren können. Mit TWT vereinbaren Router und mobile Wi-Fi-6-Clients bestimmte Übertragungszeiten, weshalb das Mobilgerät nicht permanent auf einen Datentransfer achten muss und eine bessere Akkulaufzeit erzielt.

Ganz neu sind Geräte der zweiten Welle von Wi-Fi 6 – sie laufen unter der Marketingbezeichnung Wi-Fi 6E. Der aktualisierte Standard bringt eine kleine Revolution, denn er öffnet mit 6 GHz eine zusätzliche Funkfrequenz für die WLAN-Übertragung. Ihr großer Vorteil besteht vor allem für Eu- ropa darin, dass es im 6-GHz-Band keine bevorrechtigten Nutzer wie die Radaranwendungen gibt, auf die der Router achten muss. Deshalb kann er immer mit der maximalen Kanalbreite von 160 MHz und ohne plötzliche Frequenzwechsel funken. Allerdings fällt die Reichweite des 6-GHz-Bandes aufgrund der kürzeren Wellenlänge geringfügig schlechter aus als die des 5-GHz-Bandes.

WLAN-STANDARDS: SO ERHÖHEN SIE DAS TEMPO IM GEMISCHTEN NETZWERK

Der wichtigste Geschwindigkeitstreiber im Heimnetz ist Ihr WLAN-Router. Dieser sollte im Idealfall Wi-Fi 6 oder Wi-Fi 5 (Wave 2) unterstützen. Wer sich keinen neuen (Modem-)Router zulegen will, schaltet das veraltete WLAN des Routers ab und holt sich einen aktuellen Wi-Fi-6- oder Wi-Fi-5-Wave-2-Access-Point, der dann für die Funkverbindung sorgt.

Grundsätzlich gilt: Je mehr Mimo-Streams Ihr Router hat, desto besser, denn von Mehrfach-Streams können auch ältere Clients ab Wi-Fi 4 profitieren. Bei einem Wi-Fi-6-Router reichen meist 2x2-Streams aus – sofern er 160-MHz-Kanäle unterstützt.

Achten Sie grundsätzlich darauf, keine zu alten WLAN-Geräte zu verwenden. WLAN-Clients mit 802.11b sollten Sie unbedingt ausmustern, zumal sie auch ein Sicherheitsrisiko darstellen. 802.11g-Geräte sollten Sie nur noch einsetzen, wenn sie WPA2-Verschlüsselung mit AES unterstützen. Allerdings bremsen 11g-Geräte auf jeden Fall das WLAN-Tempo, da sie mit nur einem Datenstream und maximal 20 MHz Kanalbreite verhältnismäßig viele Übertragungsressourcen des Routers beanspruchen, die den schnelleren WLAN-Geräten im Heimnetz dann nicht zur Verfügung steht – sie verhalten sich wie ein Traktor auf einer Schnellstraße.

Am besten nutzt jedes WLAN-Gerät im Heimnetz zumindest 802.11n oder Wi-Fi 4. Richtig schnell wird es aber erst, wenn lediglich Geräte ab der zweiten Wi-Fi-5-Generation (IEEE 802.11 Wave 2) funken. Allerdings sind vor allem viele WLAN-fähige Drucker, Smart-Home- und Unterhaltungsgeräte überwiegend mit Wi-Fi-4-Modulen ausgestattet. Bedenken Sie außerdem, dass eine Neuerung wie OFDMA in Wi-Fi 6 erst dann wirklich sinnvoll ist, wenn mindestens zwei Wi-Fi-6-Clients im Heimnetz aktiv sind. Auch für die effiziente MU-Mimo-Technik benötigen Sie neben einem dem passenden Router noch wenigstens zwei MU-Mimo-fähige Clients ab Wi-Fi 5 (Wave 2).

Das sollte inzwischen aber kein großes Problem mehr sein, da vor allem viele mobile Geräte inzwischen diesen Standard nutzen.