Die Reichweitengrenzen von Wi-Fi 5/6/7 und ihre Gründe
Jeder Wi-Fi-Standard verspricht höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Leistung. Allerdings stößt jeder Version auch auf die realen Beschränkungen von Unternehmensnetzwerken.
Die Dinge ändern sich schnell im WLAN-Bereich. Ein neuer Standard, der noch fantastischere Leistungssteigerungen verspricht, steht stets bevor. Gleichzeitig sind die Gesetze der Physik und die Leistungsvorschriften, welche die Reichweite von Wi-Fi 5, Wi-Fi 6(E) und Wi-Fi 7 begrenzen, unvermeidlich.
Eine große Reichweite ist weniger relevant, wenn das WLAN dicht ist, beispielsweise in Büros mit Teppichböden, in denen zahlreiche kleinere Zellen viele Clients versorgen. In diesem Artikel wird bewertet, wie sich aktuelle WLAN/Wi-Fi-Versionen auf die Reichweite auswirken.
Grundlagen zur WLAN-Reichweite
Die effektive Reichweite eines übertragenen Signals wird durch mehrere wichtige Aspekte bestimmt, die die Ausgangsleistung oder den Empfang von Signalen beeinflussen. Zu den Faktoren, die die Reichweite begrenzen, gehören beispielsweise:
Signalfrequenz.
Ausgangsleistung.
Die Leistungsfähigkeit der Antenne, die von ihrer richtigen Konstruktion und von Spezifikationen wie der Apertur abhängt.
Frequenzen
Heutige 802.11-basierte WLANs arbeiten in den Frequenzbändern 2,4 GHz und 5 GHz (Wi-Fi 6) beziehungsweise im 2,4-GHz-, 5-GHz- und 6-GHz-Band (Wi-Fi 6E und Wi-Fi 7).
Je höher der Frequenzbereich, desto geringer sind die Reichweite und die Fähigkeit des Signals, Objekte bei gleicher Ausgangsleistung zu durchdringen.
Leistung
Nationale Regulierungsbehörden reglementieren alle WLAN-Bänder und Kanäle innerhalb dieser Bänder. Die zulässigen WLAN-Sendeleistungen sind in der EU harmonisiert geregelt. Im 2,4-GHz-Band sind maximal 100 mW EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) erlaubt. Im 5-GHz-Band gelten 200 mW EIRP (5150-5350 MHz, meist Indoor) sowie 1 Watt EIRP (5470-5725 MHz mit DFS/TPC). Im 6-GHz-Band (5945-6425 MHz) sind LPI-Geräte (Low Power Indoor) mit maximal 200 mW EIRP (nur Indoor) und VLP-Geräte (Very Low Power) mit maximal 25 mW EIRP zulässig. US-Angaben wie 1 W vor der Antenne oder 4 W EIRP (FCC) sind nicht auf die EU beziehungsweise Deutschland übertragbar.
Antennentechnik
Antennen sind in der Regel omnidirektional oder mit einer gewissen Richtwirkung ausgestattet. Richtantennen können das verfügbare Signal formen und es in eine bestimmte Richtung senden. Stellen Sie sich vor, wie sich die Form eines runden Wasserballons verändert, wenn Sie ihn zusammendrücken. Eine stark gerichtete Antenne erzielt eine größere Reichweite in eine bestimmte Richtung, verringert dafür jedoch die Reichweite in alle anderen Richtungen.
Vergleich der WLAN-Reichweite
Mit steigender Frequenz nimmt bei einer bestimmten Leistungsstufe die effektive Reichweite ab, wenn typische Antennen verwendet werden. Diese Prämisse gilt nicht nur für WLAN, sondern für alle Funktechnologien. Pauschal lässt sich sagen:
2,4 GHz (Wi-Fi 5, Wi-Fi 6, Wi-Fi 7): größte Reichweite.
6 GHz (Wi-Fi 6E, Wi-Fi 7): kürzere Reichweite als 2,4 GHz und 5 GHz.
Auch die Kanalbreite beeinflusst die effektive Reichweite. Breitere Kanäle verteilen die verfügbare Leistung auf ein größeres Spektrum und erfordern ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Dadurch verringert sich die effektive Reichweite. Aktuelle Standards erlauben Kanalbreiten, die in der Praxis oft wenig sinnvoll sind.
WLAN-Datenrate vs. -Reichweite
Die höchsten Datenraten werden erzielt, wenn sich die Client-Geräte in der Nähe des Access Points (AP) befinden und über starke, klare Signale verfügen – unabhängig vom Standard. Entfernen sich die Clients vom AP, nehmen die Signalstärke und das SNR ab und die Datenraten fallen in klar definierten Schritten ab.
Betrachten wir den mittlerweile veralteten Standard 802.11b. Seine maximale Datenrate betrug 11 MBit/s. Wenn sich ein Client-Gerät jedoch weiter vom AP entfernte, sank die Rate auf 5,5 MBit/s, dann auf 2 MBit/s und schließlich auf 1 MBit/s. Ein vergleichbarer Abfall tritt auch bei der Reichweite der Standards Wi-Fi 5 und 6 auf, ebenso bei 6E und 7. Da diese Standards jedoch komplizierter sind, gibt es mittlerweile Dutzende, wenn nicht Hunderte von Permutationen.
Mit Permutationen sind die vielen Kombinationen von PHY-Parametern moderner WLANs gemeint, etwa Frequenzband (2,4/5/6 GHz), Kanalbreite (20–320 MHz), Modulations-/Codingstufe (MCS), Zahl der Spatial Streams, Guard-Intervall und OFDMA-RU-Größe. Wi-Fi 5/6/6E/7 wählt diese Parameter je nach Funklage dynamisch, wodurch zahlreiche unterschiedliche PHY-Raten und Reichweiten entstehen. Im Vergleich dazu gibt es bei 802.11b nur vier feste Stufen (11/5,5/2/1 MBit/s). Allein die vier Kanalbreiten, die zwölf MCS-Stufen, die drei Guard-Intervalle und die bis zu vier Streams ergeben Hunderte Varianten, weshalb der Durchsatz heute stufenloser abfällt und sich schwer pauschal beziffern lässt.
Auch wenn Wi-Fi 7 zunehmend Aufmerksamkeit erregt, stellt sich die Branche dieselben Fragen zur Reichweite, die schon während der gesamten Geschichte der 802.11-basierten drahtlosen Netzwerke aufgeworfen wurden.
Lee Badman
In Unternehmens-WLANs ermöglichen Zellen ein Roaming mit hoher Bandbreite. Dadurch befinden sich Clients immer in der Nähe eines APs, so dass das Prinzip niedrigere Geschwindigkeit bei größerer Entfernung nicht gilt. Die einzige praktische Möglichkeit, das Signal in Unternehmens-WLANs zu erweitern, ist die Verwendung von Antennen mit hoher Richtwirkung zur Abdeckung eines bestimmten Bereichs. Im Gegensatz zu privaten Installationen lassen sich Reichweitenverstärker und Repeater nicht gut in Unternehmens-WLANs integrieren.
Auch wenn Wi-Fi 7 zunehmend Aufmerksamkeit erregt, stellt die Branche weiterhin die gleichen Fragen zur Reichweite wie während der gesamten Geschichte der 802.11-basierten drahtlosen Netzwerke. Ähnlich wie frühere Standards unterliegt auch Wi-Fi 7 regulatorischen Beschränkungen hinsichtlich der Ausgangsleistung in allen drei Bändern. Die Auswahl der Antennen ist nach wie vor entscheidend für die Gestaltung von Wi-Fi-7-Zellen, um eine größere Reichweite in eine bestimmte Richtung zu erzielen.
Durch die Nutzung der neuesten Modulationsverfahren und breiterer Kanäle im 6-GHz-Band wird Wi-Fi 7, wie auch Wi-Fi 6 und 6E, die höchsten Datenraten erzielen, wenn sich die Geräte in der Nähe des Access Points befinden. Das könnte dem neuesten Standard die Chance geben, sein Versprechen einzulösen.
