WLAN-Reichweite erhöhen

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Die meist einfachste Möglichkeit: Bessere Antennen

Eigentlich ist es schon seit 100 Jahren eine Binsenweisheit: Die Antenne ist der beste Hochfrequenzverstärker. Das gilt auch in WLANs. Wer also die Reichweite seines WLAN erhöhen möchte, sollte vor allem bei den Antennen ansetzen.

Die Reichweite eines WLAN hängt natürlich von weiteren Randbedingungen ab, die hier kurz erwähnt sein sollen:

Hindernisse auf dem Übertragungsweg: Viele Herstellerangaben sind hier ausgesprochen optimistisch, weil sie sich auf amerikanische Verhältnisse beziehen: Bürogebäude in Stahlskelett-Bauweise (keine Betonwände), riesige Großraumbüros. Da sind u.a. die deutschen Arbeitsplatzvorschriften vor, die z.B. einen maximalen Abstand von Schreibtisch zu Fenster vorschreiben. Pappdeckel-Stellwände sind viel schwächere Hindernisse als Betonmauern.
Elektrische Störungen: Die meisten WLAN arbeiten im 2,4-GHz-Band. Hier können Hochfrequenzanwendungen anmelde- und gebührenfrei betrieben werden, sind aber vor Störungen durch andere Nutzer nicht geschützt - z.B. vor Mikrowellenherden.

Es kann also durchaus passieren, daß jeden Freitag pünktlich um 8:35 h das WLAN zusammenbricht, weil in der Kaffeeküche der traditionelle Leberkäse erwärmt wird. Nachdem sich hier garantiert niemand für die Sauberkeit zuständig fühlt, ist vermutlich die Türdichtung des Mikrowellenherds verschmutzt. Ergebnis: Der Mikrowellenherd ist mit großem Abstand der stärkste Sender im 2,4-GHz-Band weit und breit. Schließlich liefert sein Sender 600.000 mW Hochfrequenzleistung, eine WLAN-Karte nur typisch 25 mW. Das ist das gleiche Größenverhältnis wie zwischen dem Gewicht eines Schokoriegels und dem Gewicht eines Kleinwagens. Bekommt man ersteren an den Kopf geworfen, kann das durchaus ein Liebesbeweis sein :-)

Um mal Butter bei die Fische zu tun: In Fachzeitschriften findet man meist Reichweitenangaben in Büroumgebungen von 20 bis 30 m. Unter idealen Bedingungen sollen die meisten Gerätschaften eine Reichweite von 300 m haben. Diese Angabe ist schon deshalb irreal, weil man eine solche Reichweite nur im Freien erzielen könnte und die wenigsten Gerätschaften Regen, Hitze und Kälte abkönnen. Die Dämpfungen durch Antennenkabel, Wände usw. kompensiert man am besten durch bessere Antennen und günstigere Antennenstandorte.

Warnung: Eine größere Reichweite des Accesspoints erleichtert auch das Einbrechen in das Netz. Die hier beschriebenen Maßnahmen machen es noch wichtiger, das WLAN abzusichern - siehe z.B. [12].

...auf zur WLAN-Antenne

Die Leistung einer Antenne hängt von mehreren Einflußgrößen ab:

Dem Wirkungsgrad der Antenne, d.h. welchen Teil der eingespeisten elektrischen Leistung sie wirklich in Strahlung umwandelt. Je kleiner die WLAN-Einheit ist, um so kritischer wird dieses Problem. Gute Wirkungsgrade lassen sich vorzugsweise mit Antennen erzielen, die wenigstens eine halbe Wellenlänge lang sind. Die Wellenlänge von 2,4 GHz ist rund 12 cm. Antennen unter 6 cm Länge können also keinen guten Wirkungsgrad haben. Noch kritischer sind Antennenkabel: 1 m dünnes Kabel (RG-174) dämpft bei 2,4 GHz um etwa 1,7 dB, d.h. rund 30% der Leistung gehen da schon verloren. Aber wer will hier schon starres Kabel mit weit über 1 cm Durchmesser benutzen? Dafür gibt es schon aus mechanischen Gründen keine passenden Stecker.
Dem Standort der Antenne. Im optimalen Fall können sich alle Antennen des WLAN gegenseitig sehen. Auch sollten die Öffnungen (Tür in Betonwand...) leidlich groß sein, durch die sich die Antennen sehen. Im Richtfunkbereich gehört zu den Grundsätzen, die erste Fresnelzone freizuhalten. Das ist jener Bereich, in dem eine Reflexion den Weg um eine halbe Wellenlänge verlängert.
Dem Antennengewinn. Antennengewinn entsteht dadurch, daß man die Strahlung in bestimmte Richtungen konzentriert. Auch Rundstrahlantennen können einen Gewinn haben, wenn sie z.B. ihre Strahlung in der Horizontalen konzentrieren. Dann geht z.B. direkt unter der Antenne gar nichts. Die höchsten Gewinne erzielt man natürlich, wenn man die Strahlung auf eine möglichst kleine "Keule" konzentriert. Bekanntestes Beispiel solcher Antennen sind die allgegenwärtigen Satellitenschüsseln, die alle Strahlung auf einen wenige Grad kleinen Ausschnitt konzentrieren und so Antennengewinne von 30dB (1:1.000) erzielen. Das gilt übrigens sowohl sende- als auch empfangsseitig. Von einer vernünftigen Antenne am Accesspoint profitieren also alle Teilnehmer, z.B. durch eine größere Reichweite.

Einfache Maßnahmen zur Reichweitenerhöhung

Eine vernünftig Reichweite erreicht man nur durch vorherige Planung oder Basteleien eines Hochfrequenztechnikers.

Hochfrequenzmäßig besonder schlecht sind PCI-Steckkarten. Entweder ist die Antenne hinter dem Rechner versteckt und strahlt nur die Wand an. Oder das Antennenkabel schluckt den größten Teil der Leistung. WLAN-Anschlüsse im Rechner sind eigentlich nur bei Laptops akzeptabel.
In den meisten Fällen ist USB die Anschlußtechnik der Wahl: Leicht zu installieren und wenig "Strippensalat", wenn die USB-Stromversorgung ausreicht. Die WLAN-Einheit kann mehrere Meter vom Rechner entfernt so aufgestellt werden, daß sich die besten Verbindungen ergeben. Nachteil, falls der Rechner schon an der Leistungsgrenze ist: Das USB-Protokoll ist vergleichsweise komplex, eine PCI-Karte erzeugt wohl weniger Prozessorlast.
Wenn auch das nicht hilft und die WLAN-Einheit einen Antennenanschluß hat, kann man Antennen kaufen oder selber bauen. Mit "2,4 GHz Antenne" oder "2.4 GHz antenna" findet man über Suchmaschinen sowohl kommerzielle Angebote als auch Bastelanleitungen, z.B. aus einer leeren CD-Spindel und AOL-CD als Reflektor - endlich gibt es eine sinnvolle Verwendung dafür :-) Eine der ernst zu nehmenden Bauanleitungen erschien in der Zeitschrift c't [22]. Hier wird ein WC-Bürstenhalter aus Edelstahl zur durchaus wetterfesten WLAN-Antenne.
In der Literaturliste [18] finden Sie einen einschlägigen Anbieter, dessen Website ich überzeugend fand. Natürlich will auch diese Firma leben, aber hier ist man offensichtlich in kompetenten Händen. Nein, ich kriege keine Provision oder so...

Die Sendefeldstärke für anmeldefreie Anwendungen im 2,4-GHz-Bereich ist auf 100 mW beschränkt - bezogen auf die Feldstärke, die ein idealer Rundstrahler am gleichen Platz erzeugen würde. Die meisten WLAN-Anschlüsse senden mit typisch 25-30 mW, der Antennengewinn ist also auf Faktor 4 (= 6dB) plus Kabelverluste begrenzt. Abgesehen von Schüsseln dämpft das Kabel wohl meist genügend, um die Sendeleistung nicht reduzieren zu müssen. Schließt man die Antenne mit 1 m RG-174 an, sind 1,7 dB + 6dB = 7,7 dB Antennengewinn zulässig. Für Eigenbauantennen ist das schon ein ambitioniertes Ziel.

Die Empfängerempfindlichkeit ist gesetzlich nicht begrenzt. Von daher kann es durchaus sinnvoll sein, dem Empfänger mit einer leistungsfähigen Antenne beizubringen, wie man das Gras wachsen hört und dafür die Sendeleistung zu reduzieren. Die Empfindlichkeit des Empfängers wird in einer möglichst großen, negativen dB-Zahl ausgedrückt. Die Entwicklungsingenieure müssen hier einen Kompromiß machen zwischen Aufwand, Empfindlichkeit, Störunempfindlichkeit und Leistungsaufnahme. Der optimale Kompromiß für den Internetanschluß in einer Gartenlaube ohne Steckdose sieht also anders aus als für die PCI-Karte eines Rechners im Elektrosmog eines Großraumbüros.

Viele, viele Antennen: MIMO

Eine nach langen Vorwehen endlich genormte Technik hat das Potential, Reichweite und Übertragungskapazität von WLANs deutlich zu verbessern, IEEE 802.11n. Die größte Neuerung gegenüber den früheren Verfahren: Mit Multiple Inputs - Multiple Outputs (MIMO) werden auf elektronischem Weg werden mehrere Antennen so kombiniert, daß sie ihre Richtwirkung jederzeit ändern können. Zu jedem Zeitpunkt können elektronisch sogar mehrere Richtwirkungen gleichzeitig erzeugt werden.

Der Effekt ist so ähnlich wie an einem voll belegten Wirtshaustisch: Je nachdem, auf welchen Sprecher man sich konzentriert, kann man einzelne Stimmen aus dem Stimmengewirr isolieren. Bisherige WLAN-Antennen arbeiten nur mono: Stellt man ein Diktiergerät auf zitierten Tisch, wird man bei der Wiedergabe nur ein unverständliches Stimmengewirr wahrnehmen können.

MIMO kann so gleichzeitig Reichweite und Übertragungskapazität eines WLAN erhöhen. Arbeiten beide Kommunikationspartner mit MIMO-Antennen, können sie womöglich mehrere Übertragungskanäle gleichzeitig nutzen oder genau die auswählen, über die sich gerade Daten übertragen lassen: Einen auf direkte Sicht, einen über eine Reflexion an der linken Wand und einen über die Decke.

WLAN-Reichweite mit technischen Einrichtungen erhöhen

Reichweite mit größerer Sendeleistung erhöhen

Lange Zeit hatten die meisten WLAN-Geräte eine Sendeleistung von 25-30 mW. Mit den üblichen Gummiwürsten ohne Antennengewinn bleibt die erzeugte Feldstärke deutlich unter dem Grenzwert von 100 mW an idealem Rundstrahler. In letzter Zeit gibt es WLAN-Geräte, die durch ihre höhere Senderleistung auch eine etwas höhere Reichweite haben [10]. Das funktioniert aber nur, wenn die Geräte an beiden Enden der Verbindung entsprechende Sendeleistung haben.

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Reichweite mit WLAN-Repeater erhöhen

Manchmal fehlt wirklich nur eine Kleinigkeit, um die gewünschte Reichweite zu erreichen: Im größten Teil des Büros klappt es bestens, aber bis ganz vorne zum Empfang reicht der Accesspoint doch nicht hin. In solchen Fällen kann ein WLAN-Repeater ("Wiederholer") helfen. Der liest den Datenverkehr mit und sendet zumindest die Pakete für die Stationen nochmals, deren Reichweite er erhöhen soll.

So ein WLAN-Repeater mag manchmal recht praktisch sein, weil er außer der Stromversorgung keinerlei Anschlüse benötigt. Allerdings erhöht er den Verkehr im Netz und halbiert die Übertragungsgeschwindigkeit für die Stationen, die über ihn arbeiten. Schließlich muß jedes Datenpaket zweimal übertragen werden.

WLAN-Repeater wie die von Siemens oder der Linksys Range Extender WRE54G funktionieren nur in passenden Umgebungen. Vermutlich bietet auch so mancher Accesspoint entsprechende Möglichkeiten - da hilft nur RTFM (read the "fabulous" manual). Die findet man häufig auch auf den Websites der Hersteller.

[4] hilft hier weiter: Ein WLAN-Repeater muß WDS (Wireless Distribution System) unterstützen. Dieses Verfahren ist Teil des WLAN-Basisstandards IEEE 802.11. Ursprünglich sollten so nur Basisstationen miteinander verbunden werden. Ob ein Repeater damit auch drahtlose Clients (also die Benutzerrechner) unterstützt, steht hoffentlich in seiner Bedienungsanleitung. Zudem unterstützt WDS von sich aus nur das veraltete und unsichere verschlüsselungsverfahren WEB. Für WPA oder WPA2 ist man auf (chip-) herstellerspezifische Erweiterungen angewiesen.

Normalen WLAN-Rechner zusätzlich zum Repeater machen

Ursprünglich ließ sich WLAN-Elektronik nur in eine von zwei Betriebsarten versetzen: Access-Point oder Client - lassen wir den Adhoc-Betrieb mal außen vor. Mittlerweile gibt es aber Möglichkeiten, beides gleichzeitig zu aktivieren: [25]

Der SyNET WINDY31 USB Wireless Router verhält sich einerseits als normaler WLAN-Anschluss in Form eines USB-Sticks. Gleichzeitig enthält er aber ein Programm, mit dem man ihn zusätzlich als Router tutzen kann.
Windows 7 enthält eine Funktion namens Virtual WiFi, die aber noch nciht mit aller WLAN-Hardware harmoniert und deshalb standardmäßig abgeschaltet ist.

Der Mechanismus ist in beiden Fällen der gleiche: Wenn einer der Rechner gleichzeitig eine gute Funkverbindung zum Accesspoint und zum schlecht angebundenen Rechner hat, kann er nebenbei als Repeater arbeiten. Logisch, dass die Anbindung des entfernten Rechners nur funktioniert, wenn sein Helfer auch in Betrieb ist.

Accesspoint zum Client machen

Manche Accesspoints lassen sich so konfigurieren, dass sie sich zu dem Accesspoint mit dem Internet-Zugang hin als Client verhalten, also wie ein normaler Rechner. Aber auf der drahtgebundenen Seite arbeiten sie wie zuvor. Wenn man also den umfunktionierten Accresspoint in Sichtweite seines großen Bruders aufstellt, kann er ein paar Rechner per Netzwerkkabel mit dem Internet (oder dem Firmenserver) verbinden.

Netzwerke per WLAN-Bridge verbinden

Eine Bridge ("Brücke") ist eine Einrichtung, die zwei Netzwerke miteinander verbindet. Dabei ist es erst einmal gleichgültig, welche Übertragungsmedien auf beiden Seiten der Brücke und ggf. für den "Brückenbogen" benutzt werden:

Nur der "Brückenbogen" benutzt WLAN-Technik, etwa um zwei Teilnetze über eine Straße hinweg zu verbinden. Die Teilnetze werden ganz konventionell verkabelt.
Der "Brückenbogen" ist verkabelt, die beiden WLAN-Teilnetze stehen z.B. auf unterschiedlichen Stockwerken.
Im Extremfall besteht der "Brückenbogen" aus einer Internetverbindung, vorzugsweise wohl als VPN (virtuelles privates Netz) mit Datenverschlüsselung und zur ausschließlichen Verbindung der angeschlossenen Teilnetze.

WLAN-Bridges kann man mit speziellen Geräten wie der Netgear WLAN-Bridge WGE101 aufbauen, oder auch rein in Software. Dazu baut man in einen Rechner z.B. eine normale Ethernet-Karte und eine WLAN-Karte ein und konfiguriert den Rechner so, dass er die Datenpakete jeweils an das richtige Medium weiter gibt. Das Konfigurieren geht aber über meine Kenntnisse auf diesem Gebiet hinaus.

Falls die Bridge zwei WLANs verbindet, sollten die auf unterschiedlichen Kanälen arbeiten und getrennte IP-Adressbereiche benutzen - das eine etwa 192.168.0.xxx und das andere 192.168.254.xxx. Unterschiedliche Kanäle bedeutet übrigens mindestens drei Kanalnummern Abstand, weil sich benachbarte Kanäle im belegten Frequenzbereich überlappen. Effektiv gibt es im 2,4-GHz-Band also nur drei unabhängige Funkkanäle.

WLAN-Access-Point mit alternativer Software betreiben

Jeder Accesspoint enthält ein Prozessorsystem und dabei wird oft frei verfügbare Software eingesetzt, die unter die General Public Licence (GPL) fällt. Die GPL zwingt die Hersteller, die Software dieser Accesspoints im Quellcode zu veröffentlichen. Das ermöglicht entsprechend erfahrenen Programmierern, alternative Firmware zu erstellen. Die wird wie bei einem ganz normalen Firmware-Update eingespielt und verleiht dem Accesspoint neue Eigenschaften - etwa eine Einstellmöglichkeit für die Sendeleistung.

Einige Quellen für alternative Access-Point-Firmware [13]

Wifi Box
OpenWRT (Linksys, nur für Linux-Spezialisten)
Oleg (Asus)
Macsat

Mit etwas Googeln lassen sich weitere solche Projekte finden.

WLAN für Gäste öffnen

Schon aus juristischen Gründen sollte man sein WLAN für unbekannte Nutzer sperren: Wenn solch ungebetenen Gäste Illegales tun wie urheberrechtlich geschützte Musik herunterzuladen oder gar Terroristen sich so unerkannt im Internet tummeln, kann das zu deutlichen Problemen für den Betreiber des WLAN führen. Um so mehr gilt das, wenn man mit den hier beschriebenen Methoden die Reichweite erhöht. Es gibt aber genügend Gründe, Gäste ins eigene WLAN zu lassen. Selbst kleine Pensionen bieten mittlerweile ihren Gästen Internet-Zugänge an, in aller Regel per WLAN.

Wenn man solchen Gästen einfach die Zugangsdaten gibt, können sie alle Ressourcen im eigenen Netz nutzen. Beim Drucker mag das vielleicht sogar erwünscht sein. Aber spätestens bei den eigenen Daten hört der Spaß auf:

Wenn man selbst nur einen einzigen Computer besitzt, kann man den von außen zumachen. Dazu genügt es, keine Freigaben einzurichten und alle Accounts mit einem Passwort zu versehen.
Der klassische Weg ist eine "demilitarized zone" (DMZ). Dazu teilt man das eigene Netz über eine zusätzliche Firewall in einen äußeren Bereich mit Internet-Zugang, wie gehabt, und einen inneren Bereich, der keine Zugriffe von außen zulässt. Was viele ADSL-Router übrigens als DMZ bezeichnen, ist keine, sondern wird als exposted host bezeichnet: Alle Zugriffe auf einen bestimmten Ethernet-Port (etwa 80 für den Webserver) werden an einen bestimmten Rechner im eigenen Netz weitergeleitet. Das hilft uns beim hier betrachteten Thema aber überhaupt nicht weiter!
Den wohl einfachste und für Computerlaien interessanteste Weg bieten WLAN-Router wie der Belkin N1 Vision [23]: Dessen Router leitet Datepakete eines Gastrechners nur Richtung Internet weiter, nicht an die eigenen WLAN-Clients oder das drahtgebundene Netz (LAN).

Literatur:

[1] Trikaliotis, Spiro: WLAN-Feinschliff - Schnelleres Funknetz mit stabilerem Durchsatz: In: c't 6/2004, S. 216ff
[2] Netzwerkseite - WLAN
[3] Trawny, Michael; Thissen, Rolf: Fünf Kilometer WLAN - Eine Firma muss nicht mehr auf teure Mietleitungen oder Verkabelungen setzen, um eigene Gebäude zu verbinden.: In: PC professionell 11/2004, S. N20ff
[4] Ahlers, Ernst: Geteilte Flut - Breitband-Anschlüsse drahtlos mit Nachbarn teilen: In: c't 21/2004, S. 116ff
[5] Ahlers, Ernst: Weitfunker - WLAN-Richtfunk selbst gemacht: In: c't 25/2004, S. 222ff
[6] WLAN-Skynet: Erfahrungsberichte eines ADSL-losen Heimarbeiters
[7] Vallstedt: ein Dorf wird vernetzt: Erfahrungsberichte eines ADSL-losen Heimarbeiters
[8] Ahlers, Ernst: Perfekte Wellen. MIMO-WLAN-Geräte beschleunigen den Funkdurchsatz: In: c't 8/2005, S. 128ff
[9] Kaiser, Thomas: Rudelfunk - Antennengruppen verbessern Funkverbindungen: In: c't 8/2005, S. 132ff
[10] Endres, Johannes; Ahler, Ernst: Schnellfunker - Acht WLAN-Kits mit vier Beschleunigertechniken: In: c't 21/2005, S. 152ff
[11] Sietmann, Richard: Luftbrücken über Berlin - Vermaschte WLAN-Zellen funken parallel zum Festnetz: In: c't 26/2005, S. 204ff
[12] Tim Beil: Checkliste für mehr WLAN-Sicherheit (offline)
[13] Rehbinder, Julian; Ries, Uli: Pinguin-Funkstation: In: Pc professionell 2/2006, S. 26ff
[14] PC Experience: Linkliste WLAN
[15] WLAN-Linksammlung [Linksys WRT]
[16] Bernds Forum: Linkliste WLAN-Informationen, Antennen-Bauanleitungen und anderes
[17] Bartels, Oliver: Wellenfänger - So funktionieren Antennen: Artikel bei Heise Netze vom 29.03.07. Nicht so ganz ausgegoren und mit irrelevanten Details überfrachtet. Aber vielleicht doch ganz interessant.
[18] Brennpunkt SRL: Wenn ich hier genau einen Internet-Laden empfehle, dann hat das seinen Grund: Die Leute wissen offensichtlich, was sie tun! Dazu haben sie vernünftige Preise und bieten in ihrer Website auch Hilfe zur Selbsthilfe.
[19] Corinna "Elektra" Aichele et. al.: Wireless Networking in the Developing World, 2006: Ein umfangreicher Ratgeber, von (vereinfachter) Theorie über diverse Bau- und Konfigurationshinweise bis zu Fallbeispielen, wie WLAN-Technik auch in der Dritten Welt eingesetzt werden kann. Wer sich etwas mit Linux auskennt und Englisch kann, findet hier das Handwerkszeug auch für umfangreichere WLAN-Installationen.
[20] Configuring the Wireless Distribution System (WDS): Das ist eigentlich Teil einer Produktdokumentation. Aber das einführende Kapitel Understanding the Wireless Distribution System erklärt recht schön diverse Zusammenhänge und Probleme, die beim Zusammenschalten drahtgebundener und drahtloser Netzwerksegmente auftreten.
[21] WDS (Wireless Distribution System): Dieses ORiNOCO Technical Bulletin 046/ A erklärt, wie man mehrere Netzwerksegmente verbinden kann - drahtgebundene und drahtlose.
[22] Rütten, Christiane; Dortmund, Sven: Weitschussdose - WLAN-Richtfunk mit Hausmitteln: In: c't 25/07, S. 216ff. Eine einfache Mikrowellen-Antenne besteht aus einem Stück Hohlleiter - so wie früher praktisch alle Einrichtungen jenseits von 1 GHz in erster Linie aus "Bleckpatscherei" bestanden. Als geeignetes Rohmaterial wurde hier ein WC-Bürstenständer entdeckt.
[23] Schaufenster-Ware. Belkins WLAN-Router N1 Vision spannt zwei getrennte WLAN-Zellen auf.: In: c't 3/08, S. 69
[24] Endres, Johannes: Selbstbau-Strahler - Effiziellte WLAN-Antenne aus Abfällen: In: c't 18/08, S. 176f
Dieser Artikel beschreibt den Nachbau einer Yagi-Antenne für Accesspoints des Funkamateurs DL7AFB.
[25] Zivadinovic, Dusan: Seelenwanderung. WLAN-Adapter als Router und Repeater: In: c't 24/09, S. 188f