Im Maschinenraum: Die Funktechnik hinter WLAN

Immer neue Standards und höhere Bandbreite: Wir erklären die technischen Grundlagen moderner Funkkommunikation.

Artikel von Johannes Hiltscher veröffentlicht am 20. April 2022, 12:00 Uhr

Wir schauen dem Wi-Fi-Router unter die Haube. (Bild: Martin Wolf / Golem.de)

Aktuelle WLAN-Adapter übertragen Daten kabellos schneller als die in den meisten Computern verbauten kabelgebundenen Netzwerkadapter, zumindest theoretisch. Wie das funktioniert, welche Techniken genutzt werden und wie sich der Standard IEEE 802.11 seit seinen Anfängen 1997 entwickelt hat, zeigt dieser Artikel.

Dabei stehen weniger die - zum Zeitpunkt, als dieser Text geschrieben wurde - 56 Ergänzungen des Standards im Fokus. Vielmehr geht es um die grundlegende Signalverarbeitung, wie sie auch in anderen Kommunikationsstandards wie 5G/LTE oder DVB-T genutzt wird. Zunächst soll es um die Erzeugung der Funksignale, um Modulation und Synchronisation gehen. Zu Mehrantennensystemen, Fehlerschutz und -korrektur dann mehr in einem weiteren Text.

Im Juni dieses Jahres wird der Standard IEEE 802.11 25 Jahre alt, in dieser Zeit ist er auf über 4.000 Seiten angewachsen. Er definiert, wie WLAN-Geräte funktionieren und ein Funksignal erzeugen.

Funknetzwerke haben die Art, wie wir Computer benutzen, entscheidend verändert. Der Durchbruch kam mit der Nutzung des lizenzfreien 2,4-GHz-Bands. Apple nahm das Funknetz früh als Airport in sein Portfolio auf, die breite Masse erreichte es mit Intels Centrino-Plattform. Bei der schrieb Intel Notebookherstellern den Einbau eines WLAN-Moduls vor - nicht ganz uneigennützig.

Wo fängt man bei einem so umfangreichen Standard an? Am besten mit dem trivialsten: der Art, wie Geräte auf das geteilte Sendemedium zugreifen.

Grundsätzlich gilt: Wer etwas zu senden hat, darf das tun - mit zwei Einschränkungen. Zuerst einmal muss jeder Sender prüfen, ob gerade jemand anders sendet. Dazu befindet sich jedes Gerät standardmäßig im Empfangsmodus. Erkennt es den Beginn einer Übertragung oder überschreitet die über die Antenne empfangene Leistung einen bestimmten Wert, wartet es. Erst wenn die Übertragung beendet oder die Eingangsleistung unter den Schwellwert gefallen ist, beginnt es zu senden.

Wie in der Videokonferenz: erst hören, dann reden

Diese Rücksichtnahme der einzelnen Geräte aufeinander wird als Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA, grob übersetzt: geteilter Zugang mit Medienbeobachtung und Kollisionsvermeidung) bezeichnet. Damit soll verhindert werden, dass sie sich quasi ins Wort fallen, denn dann wäre für einen Empfänger nichts mehr zu verstehen. In diesem Fall überlagern sich die von den Sendern erzeugten elektromagnetischen Wellen, sie können nicht mehr getrennt und die übertragenen Daten nicht decodiert werden. Alle an dieser sogenannten Kollision beteiligten Sender müssen einen weiteren Anlauf zur Datenübertragung starten.

Passieren zu viele Kollisionen, sinkt die mögliche Datenübertragungsrate erheblich. Daher gibt es einen weiteren Mechanismus, den Sender einhalten müssen: das sogenannte Backoff-Verfahren. Nach jeder Übertragung wählen alle Geräte eine zufällige Zeit, die sie zusätzlich nach dem Ende der Übertragung warten. Erst dann versuchen sie selbst zu senden.

Eine Übertragung dauert meist einige hundert Mikrosekunden. Während dieser Zeit können mehrere Geräte Nachrichten erzeugen, danach sind Kollisionen am wahrscheinlichsten. Durch das Backoff wird das Senden entzerrt, es ist ein statistisches Verfahren zur Kollisionsvermeidung.