WLAN erklärt: So erreichen Funknetzwerke Gigabit-Datenraten

Mehr Antennen, mehr Frequenzbänder, mehr Bandbreite: Hohe Datenraten per Funk brauchen viele Ressourcen - und eine effektive Fehlerbehandlung.

Artikel von Johannes Hiltscher veröffentlicht am 10. Mai 2022, 12:00 Uhr

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

Funknetze wie WLAN haben es erst möglich gemacht, dass Computer uns heute alltäglich umgeben. Sie zogen in immer mehr Geräte ein, gleichzeitig stieg die mögliche Datenrate rasant. In diesem Artikel betrachten wir, wie Datenraten von mehreren GBit/s per Funk erreicht werden - und wie das störanfällige Signal gegen Fehler geschützt wird. Anschauungsobjekt ist der WLAN-Standard IEEE 802.11, dessen Grundlagen wir bereits beschrieben haben.

Aber zuerst einmal zur Datenrate. Sie lässt sich am einfachsten erhöhen, indem man in einem größeren Frequenzbereich sendet, also mit mehr Bandbreite. Die meisten WLAN-Geräte senden und empfangen auf Kanälen mit 20 Megahertz (MHz) Bandbreite. Der Standard IEEE 802.11 sieht auch Bandbreiten von 5 und 10 MHz vor, sie werden aber kaum genutzt. Mit der Standarderweiterung 802.11n wurde die Möglichkeit geschaffen, zwei Kanäle zusammenzufassen.

Damit lässt sich die Datenrate mehr als verdoppeln. Die beiden Kanäle müssen nebeneinander liegen, weshalb mehr Trägerfrequenzen genutzt werden können. An den Rändern des für die Übertragung genutzten Kanals dürfen einige Träger nicht genutzt werden, sie könnten Sender auf den benachbarten Kanälen stören. Nutzt jedoch ein Sender zwei nebeneinanderliegende Kanäle, stören diese einander nicht. Der Grund hierfür liegt in der Orthogonalität der Einzelträger - sie beeinflussen sich gegenseitig nicht, da kein Träger Leistung auf der Frequenz eines anderen erzeugt.

Im 2,4-GHz-Band ist es eng

Wer viele Nachbarn hat, profitiert von der oben beschriebenen Kanalbündelung allerdings wenig - zumindest im 2,4-GHz-Band. Dessen Nutzung durch 802.11b/g machte WLAN populär, allerdings stehen hier in Europa nur 13 Kanäle zur Verfügung. Das klingt zwar nach viel, jedoch sind sie nur 5 MHz breit - da WLAN mit 20 MHz Bandbreite funkt, stehen effektiv nur vier Kanäle zur Verfügung.

Die sind schnell belegt und dass zwei nebeneinanderliegende Kanäle gleichzeitig frei sind, wird zur Glückssache, zumal es immer dieselben sein müssen. Ein Access Point kann sie nicht nach Belieben wechseln, sonst müssten sich alle Geräte neu verbinden. Im 5-GHz-Bereich hingegen steht wesentlich mehr Bandbreite zur Verfügung, ganze 19 Kanäle mit 20 MHz Bandbreite können genutzt werden.

Daher unterstützen viele Geräte seit Standardrevision 802.11n beide Frequenzbänder. Aufgrund der großen nutzbaren Bandbreite ist eine erfolgreiche Kanalbündelung im 5-GHz-Band wesentlich aussichtsreicher. Ein Sender muss nämlich für alle Kanäle, die er bündeln möchte, sicherstellen, dass sie gerade nicht genutzt werden. Ist einer der zu nutzenden Kanäle belegt, muss der Sender warten, und eine Kollision in einem Kanal zerstört die gesamte Nachricht.

Zwei Kanäle sind gut, aber da geht noch mehr

Mit mehr Bandbreite lässt sich die Datenrate also ziemlich einfach steigern. Die Hardware wird etwas aufwendiger, aber dank stetiger Verkleinerung kaum teurer. Daher sind seit 802.11ac bis zu acht Kanäle kombinierbar. Sie müssen nicht mehr komplett zusammenhängen, sondern können auch als 4+4-Kombination realisiert werden. Das ist sinnvoll, da die 19 Kanäle in zwei Blöcken mit einer nicht nutzbaren Lücke liegen. Kann aus beiden gewählt werden, steigt die Chance, nutzbare Bereiche zu finden.

Mit dem 6-GHz-Band, das ab Wi-Fi 6E unterstützt wird, kommen in Europa noch einmal 24 Kanäle mit je 20 MHz Bandbreite hinzu. Zudem können mit der be-Erweiterung alias Wi-Fi 7 bis zu 16 Kanäle gebündelt werden. Auch wird es erstmals möglich, mehrere Frequenzbänder gleichzeitig zu nutzen, was als Multi-Link-Operation (MLO) bezeichnet wird.