WLAN-Technik: Diese Bedeutung haben die Fachbegriffe
Telekommunikationstechnik ist schwierig zu verstehen. Wir zeigen Ihnen die wichtigsten Fachbegriffe in Bezug auf WLAN-Router, damit Sie beim Einkauf den nötigen Durchblick haben.
WLAN-Verbindungen: ganz einfach - oder?
Eigentlich ist WLAN-Technologie für den Endverbraucher so ausgelegt, dass bei der Konfiguration kaum Fehler auftreten können. Zum Beispiel könnte ein brandneues Modell, das Wi-Fi 6 als Standard unterstützt, durch Abwärtskompatibilität noch immer Verbindungen mit zehn Jahre alten Geräten aufbauen. Aus Sicht des Verbrauchers ist das praktisch, denn so ist Technikverständnis gar nicht erst notwendig.
Es kann jedoch problematisch werden, wenn Sie in Ihrem Haushalt mehrere oder gar Dutzende von Geräten haben. Bei vierköpfigen Familien und zahlreichen Endgeräten ist dieses Limit schnell erreicht. Durch das bunt gemischte Netzwerk können Transferraten einbrechen oder Verbindungen instabil sein. Dann heißt es, an die Fehlersuche zu gehen - aber das kann kompliziert sein, wenn Sie die notwendigen Fachbegriffe nicht verstehen. MIMO-Streams sind ein Buch mit sieben Siegeln? Dann sollten Sie jetzt weiterlesen.
WLAN, Wi-Fi, IEEE: Was heißt das alles?
Das WLAN an sich beschreibt ein Wireless Local Area Network - also ein auf die lokale Umgebung beschränktes Netzwerk, das drahtlos erreicht wird. Wie dies umgesetzt wird, steckt in dem Begriff jedoch nicht drin, weshalb WLAN alle Techniken und Standards umfasst, die dazu dienen können, ein solches Netzwerk aufzubauen. Damit diese Verbindung aufgebaut wird, kommt der Standard IEEE 802.11 (in seinen verschiedenen Klassen) zum Einsatz. IEEE 802.11 ist mit weitem Abstand die weltweit wichtigste Technik, um WLAN-Netzwerk aufzubauen und sich mit ihnen zu verbinden.
Wi-Fi hingegen ist ein Begriff aus der Marketingabteilung und existiert in technischen Dokumentationen nicht. Es handelt sich schlicht um einen einfacher zu merkenden Namen für IEEE 802.11. im Sprachgebrauch werden Wi-Fi und WLAN oft synonym verwendet, obwohl dies technisch nicht korrekt ist. Beispielsweise könnte ein WLAN auch durch andere Techniken aufgebaut werden, wie zum Beispiel Bluetooth oder das in Smart-Home-Geräten vorhandene Z-Wave.
WLAN-fähige Geräte für Endverbraucher sind immer mit Adaptern ausgestattet, die den IEEE 802.11-Standard verstehen. Innerhalb dieses Standards existieren jedoch Erweiterungen, die jeweils ihre eigenen Wi-Fi-Äquivalente für das Marketing erhalten. Um das zu verstehen, hilft diese Tabelle:
• IEEE 80211.g entspricht Wi-Fi 3 und ging 2003 an den Start.
• IEEE 80211.n entspricht Wi-Fi 4 und ging 2009 an den Start.
• IEEE 80211.ac entspricht Wi-Fi 5 und ging 2013 an den Start.
• IEEE 80211.ax entspricht Wi-Fi 6 und ging 2019 an den Start.
Kunden, die mit den kryptischen Bezeichnungen des IEEE-Standards nicht viel anfangen konnten, können nun also auf einen Namen zurückgreifen, der leichter über die Zunge geht. Kaufen Sie zum Beispiel einen WLAN-Router, auf dessen Packung Wi-Fi 6 steht, besitzt dieser garantiert einen Funkadapter für den Standard IEEE 802.11ax.
Problematisch kann es wiederum werden, wenn Sie sich in die Anleitungen der Router oder in deren Softwareoberflächen vorwagen. Dann werden die praktischen Wi-Fi-Bezeichnungen nämlich manchmal über Bord geworfen, stattdessen werden nur die IEEE-Nomenklaturen verwendet. Ärgerlich, aber ein guter Grund, unsere Tabelle auszudrucken.
Die kurze Geschichte von IEEE 802.11
Im Laufe der Entwicklung der verschiedenen Verbindungsstandards wurde immer versucht, eine höhere Qualität zu erreichen, während gleichzeitig mit alter Kompatibilität nicht gebrochen werden sollte. Das ist zunächst für einen längeren Zeitraum praktisch, bringt aber langfristig Probleme mit sich, da immer mehr technische Workarounds gefunden werden müssen, um alte Geräte mit ins Boot zu holen.
Der erste Standard, noch ohne Buchstabenzusatz, hieß schlicht IEEE 802.11. 1997 erlaubte er eine Datenübertragung von maximal 2 Mbit/s, die Geräte wurden dazu über das heute noch immer häufig im Einsatz befindliche 2,4 GHz-Frequenzband verbunden. Dieser Kanal hatte eine Breite von 20 MHz. Aus heutiger Sicht kurios war die Implementierung einer kabellosen Verbindung, die mit Infrarottechnik realisiert werden sollte. In der Praxis war dies äußert untauglich, da die beiden Geräte sich "sehen" mussten - schließlich ist Infrarot einfaches Licht.
Zwei Jahre später wurde der Standard IEEE 802.11b verabschiedet. Für Anwender war dies ein großer Sprung:
• Die Datenübertragungsrate wuchs durch HR-DSSS, eine Modulationstechnik, auf 11 Mbit/s an.
• Notebooks und ähnliche Geräte dieser Zeit verbauten erstmalig auf breiterer Fläche WLAN-Adapter, sodass ein Verbindungsaufbau erfolgen konnte.
Heute kommt IEEE 802.11b nur noch selten zum Einsatz, die meisten WLAN-Router verstehen den Standard aber noch - obwohl er mehr als 20 Jahre alt ist. Von einem Einsatz heute würden wir Ihnen trotzdem abraten, da Endgeräte mit dieser Verbindungsart das gesamte Netzwerk deutlich ausbremsen können. Zudem ist deren Datenverschlüsselung nicht mehr aktuell, sie basiert auf dem veralteten Standard WPA-PSK TKIP, der heute unsicher ist. Falls bei Ihnen noch Geräte auf diesem Standard funken, sollten Sie sie ersetzen oder deaktivieren.
Das 5-GHz-Frequenzband
1999 wurde nicht nur IEEE 802.11b verabschiedet, sondern auch IEEE 802.11a, der aus heutiger Sicht vielleicht relevanter war. Die Daten wurden über ein neues Modulationsverfahren von A nach B gesendet, die Datendichte erhöhte sich dadurch. Dadurch wurden Datenraten von 54 Mbit/s erzielt, was für damalige durchschnittliche Dateigrößen absolut ausreichend war. In Europa kam es dennoch nicht zu einer weiten Verbreitung: Das benötigte 5-GHz-Band wurde von Wetterdiensten, dem Militär und Radarstationen genutzt.
Erst mit IEEE 802.11h kam etwas Schwung in die Sache, denn dadurch wurden Router gezwungen, den Funkkanal zu wechseln, wenn diese bemerkt haben, dass ein Radar aktuell auf dieser Frequenz arbeitet. Dieser fliegende Wechsel nennt sich Dynamic Frequency Selection (DFS) und ist bis heute in jeden modernen Router integriert.
Ein weiteres Problem von IEEE 802.11a ist, dass es nicht abwärtskompatibel ist. Ältere Geräte konnten sich also nicht verbinden, Neuanschaffungen nur wegen einer etwas höheren Geschwindigkeit kamen für die meisten Personen aber nicht in Frage. Hybridrouter, die ältere und neuere Standards unter einem Dach beherrschten, waren teuer.
2,4 GHz und hohe Übertragungsraten - und neue Probleme
Eine vorerst verfügbare Lösung für das beschriebene Problem war IEEE 802.11g. Dieser Standard kam 2003 auf den Markt, das flotte Modulationsverfahren von IEEE 802.11a kam nun auch auf 2,4 GHz zum Einsatz. Dort wurden nun also ebenfalls die 54 Mbit/s erreicht, die Verbreitung von WLAN in Privathaushalten nahm jetzt deutlich zu. Dies führte jedoch zu einem anderen Problem: In Ballungsgebeten funken sehr viele Menschen über 2,4 GHz, was dieses Frequenzband auslasten kann. Verbindungsstörungen und ein geringes Tempo können die Folge sein. Dieses Problem existiert jetzt, fast 20 Jahre später, noch immer.
Ankunft in der Neuzeit
2006 kam es zu einem großen Durchbruch, denn IEEE 802.11n wurde veröffentlicht. Die endgültige Verabschiedung des Standards verzögerte sich noch bis 2009, dann kam aber sofort passende Hardware auf den Markt. Heute wird IEEE 802.11n als Wi-Fi 4 bezeichnet.
Herzstück der Technik war die Verdoppelung der Kanalbandbreite von 20 auf 40 MHz. Außerdem konnten Router nun auf 2,4 und 5,0 GHz funken - zur selben Zeit. Diese Dualband-Funktion stellte Abwärtskompatibilität sicher, aber war gleichzeitig für brandneue Endgeräte tauglich. Zusätzlich brachte Wi-Fi 4 MIMO mit: Multiple Input Multiple Output. Jetzt war nicht nur ein Datenstrom möglich, sondern gleich zwei von Gerät zu Gerät. Damit das alles technisch umsetzbar ist, werden mehrere Antennen pro Gerät notwendig, was für Endverbraucher aber kein Problem ist. Eine weitere Technik, Beamforming, ermöglicht eine verbesserte Datenübertragung auch mit nur einer Antenne, aber bringt einige Einschränkungen mit sich.
Durch MIMO wurden nicht nur verdoppelte, sondern auch verdrei- und vervierfachte Datenströme möglich. Theoretisch wurde die Datenrate also um 300 % angehoben. Eine vierfache Verbindung mit 40-MHz-Band kann mit IEEE 802.11n somit etwa 450 Mbit/s übertragen. Damit werden die alten 54 Mbit/s des vorherigen Standards um gute 800 % übertroffen. Da in dieser Zeit um 2009 herum auch Smartphones massentauglich wurden, wurde Wi-Fi 4 sehr populär und liefert bis heute gute Dienste.
Ein langer Weg
Abwärtskompatibilität zu 802.11g und 802.11b blieb im neuen Standard bestehen. Außerdem konnte IEEE 802.11n auch Kontakt mit dem exotischen IEEE 802.11a aufnehmen. Nachteilig an der Technik war jedoch, dass verbundene WLAN-Clients mit niedrigerer Datenrate das gesamte Netzwerk ausbremsten: Der Router musste sich an dessen langsame Geschwindigkeit anpassen, und nicht umgekehrt.
Zu Beginn waren die genannten 450 Mbit/s außerdem nicht verfügbar. Die ersten Router mit Wi-Fi 4 waren Singleband-Geräte, funkten nur auf 2,4 GHz und nur in eine Richtung. Dies führte zu etwa 72 Mbit/s bzw. 144 Mbit/s bei Zuschaltung auf 40 MHz Bandbreite. Erst die Dualband-Geräte, die 2,4 GHz und 5,0 GHz verstanden und somit Kompatibilität und Geschwindigkeit gleichzeitig erhöhten, fanden breiten Anklang bei der Masse der Käufer.
Wi-Fi 5: der Performanceboost
2013 erschient IEEE 802.11ac oder Wi-Fi 5. Die Verbesserungen dieser Technik zielten allein auf das 5,0-GHz-Band ab, die Kompatibilität mit 2,4 GHz wurde aber gewahrt. Ausnahmslos alle Router, die sich Wi-Fi 5 auf die Fahne schreiben, sind dualbandfähig.
IEEE 802.11ac kam in zwei Wellen auf den Markt, die schlicht Wave 1 und Wave 2 getauft wurden. Wave 1 passte das Modulationsverfahren an und verbreitete den Kanal von 40 MHz auf 80 MHz. Bei der Nutzung von Wi-Fi 4 wurde die Datenrate damit von 150 Mbit/s auf 433 Mbit/s erhöht. Der große Geschwindigkeitszuwachs sollte sich aber erst bei der Nutzung von 5,0 GHz und Wi-Fi 5 einstellen.
Darin sind durch MIMO bis zu acht parallele Datenströme umsetzbar. Dies wurde in Wave 1 aber noch nicht erreicht: Die maximale Datenrate war auf einen dreifachen Stream begrenzt, es kamen im 5,0-GHz-Band also Datenraten von 1.333 Mbit/s zustande (und 450 Mbit/s unter Wi-Fi 4). Addieren wir dies, ergibt sich eine Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 1.750 Mbit/s. Diese Zahl wurde genutzt, um die Router dieser Welle zu kennzeichnen, denn oft tragen sie die Kennung AC1750. AC wegen IEEE 802.11ac und 1750 wegen 1.750 Mbit/s.
Wave 2 von Wi-Fi 5
Die Wave 2-Geräte brachten mindestens vier Datenströme gleichzeitig mit. Wichtiger im Nachhinein ist jedoch wahrscheinlich der Support von MU-MIMO: Multi-User-MIMO. In einem Netzwerk kann ein solcher Router damit über 5,0 GHz Daten an mehrere Nutzer gleichzeitig senden. Dazu wird jeder Datenstream jeweils mit einem spezifischen Endgerät verbunden. Dies ist ein großer Vorteil, da ältere Router immer nur ein Gerät zur selben Zeit ansprechen konnten und daher immer hin und her wechseln mussten. MU-MIMO schaffte dieses Problem aus der Welt. Kleiner Nachteil: Neben dem Router müssen auch die Endgeräte diese Technik verstehen.
An der Geschwindigkeit wurde ebenfalls geschraubt, denn Wave 2 erlaubte diesen Routern, unter 5,0 GHz die Bandbreite auf 160 MHz anzuheben - eine weitere Verdoppelung der Geschwindigkeit. Ein einziger Stream schafft damit schon bis zu 867 Mbit/s. Im Vollausbau mit vier Datenstreams werden damit theoretische Geschwindigkeiten von bis zu 3.167 Mbit/s (5,0 und 2,4 GHz kombiniert) angeboten. In der Realität sind entsprechende Router aber selten - und acht Datenströme, wie spezifiziert, haben diese Router nie erreicht.
Der aktuelle Stand: IEEE 802.11ax bzw. Wi-Fi 6
2019 wurde es Zeit für Wi-Fi 6. 2,4 und 5,0 GHz werden gleichermaßen verbessert. Unter 2,4 GHz wird die Modulation erneut angepasst, sodass in Wi-Fi 4 nun 144 Mbit/s anstelle von 72 Mbit/s pro Stream möglich wird. Wi-Fi 6 zu Hause zu nutzen, kann sich damit selbst mit zahlreichen älteren Endgeräten auf 2,4-GHz-Basis lohnen. MU-MIMO wird ebenfalls unter diesem älteren Frequenzband unterstützt, sofern die Endgeräte Wi-Fi 6 verstehen. Praktisch: MU-MIMO kann nun auch in Upload-Richtung erfolgen, sodass zum Beispiel mehrere Endgeräte gleichzeitig Daten an den Router mit voller Geschwindigkeit senden können.
Die wichtigste Neuerung in Wi-Fi 6 ist vielleicht OFDMA. Damit kann die Bandbreite pro Kanal in weitere Unterkanäle unterteilt werden. Dies kann die Datenrate bei Übertragungen deutlich erhöhen, da die Kanäle besser ausgenutzt werden. Der Unterschied wird vor allem deutlich, wenn sich sehr viele Geräte zu Hause mit demselben Router verbinden und Daten übertragen. Die Latenzen werden ebenfalls reduziert, was für zeitkritische Anwendungen - Onlinespiele, Videokonferenzen - wichtig ist. Zwei weitere Funktionen haben es ebenfalls in den Standard geschafft:
• BSS-Coloring beschreibt eine Technik, die dazu führt, dass Datenpakete im Netzwerk leichter identifiziert werden können. Router können also fremde Datenpakete - etwa aus Nachbarwohnungen - ignorieren. Dies erhöht den Datendurchsatz und sorgt für Stabilität.
• Target Wake Time erlaubt es dem Router und allen verbundenen Geräten, bestimmte Zeitfenster für Datenübertragungen zu vereinbaren. Dies kann Vorteile für Geräte wie Smartphones bringen: Sie achten nicht mehr ständig auf einen möglichen Datenverkehr, sondern können sich sozusagen ausruhen, was die Akkulaufzeit erhöht.
Geschwindigkeit unter Wi-Fi 6
Die Performance nimmt vor allem durch Geräte der zweiten Welle von Wi-Fi 6 zu - genannt Wi-Fi 6E im Marketingjargon. Dadurch wird eine neue Frequenz, 6,0 GHz, für die Übertragung von Daten aktiviert. Vor allem in Europa bringt dies Vorteile, da 6,0 GHz eine praktisch leere Frequenz ist: Keine Radaranlagen oder ähnliche Einrichtungen stören den Datenfluss. Die maximale Bandbreite von 160 MHz kann somit immer ohne Kanalwechsel genutzt werden. Durch die kürzere Wellenlänge aufgrund des Sprungs von 5,0 auf 6,0 GHz sinkt allerdings die Reichweite leicht. Geräte können also nicht mehr ganz so weit entfernt vom Router platziert werden.
Geschwindigkeitstechnisch bringt Wi-Fi 6 enorme Vorteile. Die maximale Ausbaustufe mit allen Datenstreams erreicht in der Theorie eine Geschwindigkeit von 10.756 Mbit/s. Im Handel finden Sie diese Router mit der Bezeichnung AX11000 aber noch nicht. Bis entsprechende Geräte verfügbar (und von der Allgemeinheit benötigt) werden, dürfte noch etwas Zeit vergehen.
Das kleine WLAN-Lexikon
Nach der kurzen historischen Exkursion sehen wir uns jetzt einige Begriffe an, die Ihnen bei der Suche nach einem Router eventuell über den Weg laufen:
- IEEE: Das Institute of Electrical and Electronics Engineers besteht aus Wissenschaftlern, Technikern und Ingenieuren, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Dieser Verband kümmert sich vorrangig um die Verabschiedung von Standards aus den Bereichen Hardware und Software und geht weit über WLAN & Co. hinaus.
- WLAN: Ein allgemeingültiger Begriff, der ein lokales Netzwerk beschreibt, auf das drahtlos zugegriffen wird. Häufig verwechselt mit Wi-Fi, was aber technisch nicht korrekt ist.
- Wi-Fi: Wireless Fidelity ist ein Marketingbegriff und wandelt sperrige Bezeichnungen wie IEEE 802.11ax in leichter zu merkende Begriffe wie Wi-Fi 6 um.
- MIMO: Multiple Input Multiple Output bezeichnet eine Technik, die es WLAN-Geräten erlaubt, mehrere simultane Datenströme aufzubauen. Dies erhöht die Übertragungsgeschwindigkeit von Datenpaketen deutlich. MU-MIMO erfüllt denselben Zweck, allerdings können damit Datensignale zwischen mehreren Geräten simultan versendet werden.
- OFDM: Das Orthogonal Frequency Division Multiplex ist ein Verfahren für die Modulation von Datenströmen, das erstmals mit IEEE 80211a und g eingeführt wurde. Der Frequenzbereich, in dem Geräte funken, wird dadurch in kleinere Einheiten unterteilt. Dies stabilisiert die Übertragung von Daten wesentlich und führt seltener zu Übertragungsabbrüchen.
- OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access ist eine Weiterentwicklung von OFDM. Die kleineren Einheiten innerhalb der Kanalbandbreite werden damit dynamisch den verbundenen Endgeräten zugewiesen. Effizienz und Geschwindigkeit der Datenübertragung steigen damit vor allem, wenn eine hohe Anzahl Clientgeräte mit dem Router verbunden ist. Außerdem sinkt die Latenz bei der Datenübertragung.
- QAM: Die Quadratur-Amplituden-Modulation steht für die Komplexität von Übertragungssignalen. Je höher der Wert, desto mehr Daten können Wi-Fi-Signale störungsfrei von A nach B bringen. Wi-Fi 6 zum Beispiel unterstützt maximal QAM 1024.
- Wi-Fi Alliance: Diese Gruppierung umschließt zahlreiche Hersteller von Netzwerkhardware. Ziel ist es, die Entwicklung von Wi-Fi-Hardware voranzutreiben und gleichzeitig sicherzustellen, dass auch Geräte unterschiedlicher Hersteller sich verstehen. Außerdem soll garantiert werden, dass neue Technologie sich in einem bezahlbaren Rahmen für Endanwender bewegt.
Erste Hilfe: Tempo in WLAN-Netzwerken erhöhen
Falls es an der Geschwindigkeit hapert, ist die Ursache zuerst im Router selbst zu suchen. Dieser sollte heute mindestens Wi-Fi 5 unterstützen und aus Wave 2 der Geräte stammen. Falls eine Neuanschaffung nicht in Frage kommt, hilft der Ausweg über Access Points: Diese können sich mit dem Router verbinden, während alle anderen Geräte den Access Point ansteuern. Sofern dieser Wi-Fi 5 oder 6 unterstützt, kann die höhere Geschwindigkeit auch komplett genutzt werden.
Besser für zu Hause sind außerdem Geräte mit möglichst vielen MIMO-Streams. Dieser Vorteil nimmt alle Geräte mit, also auch ältere Modelle, die nur Wi-Fi 4 beherrschen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit ist bei Wi-Fi 6-Routern ein zweifacher Stream meistens ausreichend - noch. Um die Geschwindigkeit generell zu erhöhen, sollten zu alte WLAN-Geräte am besten nicht im Netzwerk vorhanden sein, wenn es sich vermeiden lässt. Geräte mit IEEE 802.11b zum Beispiel bremsen das gesamte Netzwerk aus und sind darüber hinaus ein großes Sicherheitsproblem. Bei IEEE 802.11g ist die Nutzung noch möglich, sofern WPA2-AES zur Verschlüsselung unterstützt wird. Auch hier gilt jedoch: Diese Geräte bremsen den Datenstream aus.
Geräte mit 802.11g (oder älter) belegen einen kompletten Datenstream und können diesen nur mit maximal 20 MHz ansteuern. Der Router braucht also sehr viele Ressourcen für sehr wenig Gewinn. Der verbrauchte Datenstrom steht allen anderen Geräten im Haushalt dann nicht zur Verfügung. Sie nehmen also mit einem Kleinwagen an einem Formel 1-Rennen teil - keine gute Idee.
Um die Geschwindigkeit im eigenen Netzwerk zu erhöhen, sollten alle Geräte mindestens Wi-Fi 4 kennen - besser ist Wi-Fi 5 Wave 2. Vor allem kleinere Geräte wie Drucker können aber oft nur Wi-Fi 4, was für diese Geräteklassen auch ausreichend ist. Eigentlich sinnvolle Neuerungen wie Wi-Fi 6 sollten Sie sich im Vorfeld überlegen. Viele Neuerungen, wie OFDMA, funktionieren nur, wenn auch genügend kompatible Endgeräte im Haushalt vorhanden sind. Achten Sie darauf, dass die Geräte in Ihrem Haushalt auch Funktionen wie MU-MIMO mitbringen, damit alle dort lebenden Personen die volle Geschwindigkeit bekommen.