Mehr Reichweite in WLAN-Netzen

Tipps für mehr WLAN Reichweite

Ein häufiges Problem im Bereich Wireless-LAN (WLAN oder auch Wi-Fi) stellt die geringe Reichweite dar. In diesem Artikel möchten wir Ihnen zeigen wie Sie die Reichweite Ihres WLAN Funknetzes erhöhen können. Um der Herausforderung zu begegnen, hilft es zu Verstehen, was die Reichweite Ihres Wireless-LAN überhaupt begrenzt.

Gründe für geringe Reichweite und schlechten Empfang in WLAN-Netzwerken

Frequenzen

Ein Hauptaspekt für die geringe Abdeckung von Wireless-LAN, liegt physikalisch bedingt in der schwachen Ausbreitung von hochfrequenten Wellen. Für WLAN werden je nach IEEE 802.11 Standard 2,4 GHz und/oder 5 GHz Frequenzen verwendet. 2,4 GHz ist rein physikalisch bei der Reichweite im Vorteil gegenüber 5 GHz. Das muss aber nicht unbedingt in der Praxis zutreffen, denn z.B. Bluetooth aber auch viele andere Funktechnologien arbeiten mit 2,4 GHz. Dadurch kann es zu Störungen und geringerer Reichweite kommen. Doch auch regulatorische Unterschiede zwischen 2,4 GHz WLAN und 5 GHz WLAN haben Einfluss auf die Reichweite Ihres Wireless-LAN, das bringt uns zum nächsten Punkt, der Sendeleistung.

Hier finden Sie einen Vergleich zwischen 2,4 GHz und 5 GHz WLAN. Dort finden sich ebenfalls Hinweise um die Reichweite Ihres WLAN zu verbessern.

Sendeleistung

Die geringe zulässige Sendeleistung für WLAN ist ebenfalls eine große Herausforderung, wenn man große Distanzen überbrücken muss. Die Sendeleistung unterscheidet sich je nach verwendeter Frequenz und wird hier in mW EIRP angegeben. EIRP (equivalent isotropically radiated power, e.i.r.p.) steht für die äquivalente isotrope Strahlungsleistung.
Strahlungsleistung bedeutet, dass die in die Sendeantenne eingespeiste Leistung mit dem Antennengewinn multipliziert wird. Dieser Punkt ist zwingend zu beachten, um das WLAN legal innerhalb der Richtlinien zu betreiben, dazu später mehr. Je höher die Sendeleistung bei gleicher Frequenz ist, desto größer ist auch die Reichweite.

Hier sind die in Deutschland gültigen Frequenznutzungsbestimmungen aufgelistet:

Frequenzbereich Maximal zulässige
Strahlungsleistung (EIRP)
Weitere Bestimmungen Gültig bis
2400 – 2483,5 MHz 100 mW / 20 dBm Indoor & Outdoor 31.12.2023
5150 – 5250 MHz 200 mW / 23 dBm Nur Indooor 31.12.2020
5250 – 5350 MHz 200 mW / 23 dBm Nur Indooor
Leistungsregelung
Minderungstechniken
31.12.2020
5470 – 5725 MHz 1000 mW / 30 dBm Indoor & Outdoor
Leistungsregelung
Minderungstechniken
31.12.2020

Die höhere zulässige Sendeleistung von bis zu 1 Watt im 5 GHz Spektrum kann also die geringere Ausbreitung der höherfrequenten Wellen kompensieren. So können auch mit 5 GHz WLAN große Reichweiten erzielt werden.
Die Sendeleistung lässt sich von mW in dBm umrechnen, 200 mW Sendeleistung entsprechen z.B. 23 dBm.
Die Unterschiede zwischen z.B. 14 dBm und 20 dBm mögen auf den ersten Blick gering erscheinen, aber dB ist eine logarithmische Größe. Eine Steigerung um 3 dB ist bereits eine Verdopplung, 6 dB mehr bedeutet also schon eine Vervierfachung. Das entspricht der doppelten Reichweite, da für die Verdopplung der Reichweite, das vierfache der Leistung benötigt wird.
Das gleiche gilt auch für die Empfangsempfindlichkeit, ein Gerät mit -98 dBm erzielt die doppelte Reichweite („durch besseres hören“) im Vergleich zu einem mit -92 dBm. Daher eignen sich Geräte mit hoher Empfangsempfindlichkeit besonders gut für große Funkstrecken, um z.B. zwei Gebäude miteinander zu verbinden.

Hochregale und große Strukturen aus Metall stören das WLAN

Umgebungsbedingungen

Auch die Umgebung, in der das WLAN betrieben wird hat einen Einfluss auf die Reichweite. Innerhalb von Gebäuden sorgen vor allem Decken und Wände für eine begrenzte Reichweite. Doch auch das Material dieser Hindernisse hat einen großen Einfluss darauf wie stark der Signalpegel gedämpft wird. Gips oder Holz haben einen geringeren Einfluss als Metall. Der natürliche Feind von Indoor WLAN Netzen sind Stahlbetondecken oder auch Hochregale aus Metall.
Eine WLAN Richtfunkstrecke im freien, kann bei Sichtverbindung auch über Kilometer hinweg funktionieren, doch auch hier können Bäume und deren Laub oder gar Regen einen negativen Einfluss auf die Reichweite haben. Es kann also passieren, dass eine Funkstrecke im Winter noch funktioniert, im Sommer aber aufgrund von Blättern an den Bäumen keine Verbindung zustande kommt.

Fresnelzone WLAN mehr Reichweite

Ferner sollte man die Sichtverbindung nicht als Linie verstehen, die sogenannte Fresnelzone ist ebenfalls zu beachten. Die Fresnelzone sollte frei von Hindernissen sein, sie beginnt und endet an den jeweiligen Antennen. Genau in der Mitte zwischen beiden Antennen ist die Fresnelzone am breitesten. Jedes Hindernis in der Fresnelzone hat dabei Einfluss auf die erzielbare Reichweite Ihres WLAN.

Möglichkeiten die Reichweite Ihres WLAN Netzes zu erhöhen.

Antennen

Professionelle WLAN Access Points und Router verfügen immer über die Möglichkeit externe Antennen anzuschließen. Dadurch können Sie Ihr Wireless-LAN mit speziellen Antennen, auf die vorherrschenden Bedingungen optimal abstimmen. Eine gute und vor allem für den Anwendungszweck zugeschnittene Antenne am Access Point hilft nicht nur beim Senden, sondern auch beim Empfangen und hat damit einen positiven Einfluss auf alle Teilnehmer im WLAN Netz.

WLAN Rundstrahlantennen und WLAN Richtfunkantennen
schemenhafte Darstellung

Antennentypen

Grundsätzlich kann man Antennen in zwei Kategorien aufteilen, Richtantennen und Rundstrahlantennen auch Omni-Antennen genannt. Für alle Antennen gilt, die Antenne kann nur so viel Energie abstrahlen wie sie vom Endgerät bezieht. Der sogenannte Antennengewinn ergibt sich aus der Bündelung, bzw. Konzentration der Strahlung in eine bestimmte Richtung oder Ebene. Man kann eine Glühbirne wie Rundstrahlantenne betrachten und eine Taschenlampe wie eine Richtantenne. Eine Glühbirne strahlt relativ gleichmäßig in alle Richtungen ab mit weniger Reichweite, eine Taschenlampe hingegen erleuchtet nur einen bestimmten Teil, den allerdings mit einer höheren Reichweite. Je höher der Antennengewinn ausfällt, desto stärker ist die Bündelung. Eine (theoretisch) perfekt kugelförmig strahlende Antenne hätte demnach keinen Gewinn. Diese Antenne wird auch Isotropstrahler genannt und dient in der Antennentechnik als Referenz. Die Angabe dBi (das “i” steht hierbei für die isotropische Antenne) bezieht sich immer auf diesen, nur in der Theorie existenten idealen Kugelstrahler.

WLAN Rundstrahlantennen

Eine Omnidirektional strahlende Antenne mit Gewinn strahlt rundum in der Waagerechten (Azimuth Plane) mit dem angegebenen Gewinn, hat aber eine geringere Leistung in der Senkrechten (Elevation Plane). Typischer Einsatzzweck für eine solche Antenne ist die WLAN Versorgung eines Stockwerks, welches gut ausgeleuchtet wird, die Stockwerke darunter oder darüber aber nicht.
Bei WLAN Rundstrahlantennen mit besonders hohen Gewinnen, sollten Sie darauf achten, dass sich die Antennen des Gesamtsystems annähernd auf einer Ebene befinden. Der hohe Antennengewinn bedeutet im Umkehrschluss eine starke Bündelung und einen kleinen Abstrahlwinkel von zum Teil unter 10°. In diesem Fall macht eine mittelstarke Rundstrahlantenne in Kombination mit Richtantennen häufig mehr Sinn. Darüber hinaus sind Rundstrahlantennen mit hohen Gewinnen sehr anspruchsvoll im Hinblick auf die Umgebung. Wenn der geplante Einsatzort viel Metall (Hochregal, Maschinen, Kabelkanäle, Rohre, Leitungen) aufweist, ist kein homogenes Strahlungsfeld gegeben und die Reflektionen machen einen Großteil der Leistung zunichte. Der ideale Einsatzzweck für diese Antennen ist im freien Gelände.

Allgemein ist eine Rundstrahlantenne am Access Point die beste Wahl, da in der Regel mehrere Clients in unterschiedlichen Richtungen versorgt werden müssen. Bei einer Funkstrecke (Point-to-Point Verbindung) ist hingegen die Richtfunkantenne die bessere Wahl. Hier finden Sie eine Übersicht unserer WLAN Rundstrahlantennen 2,4 / 5 GHz.

WLAN Richtantennen

WLAN Richtantennen haben viele Vorteile gegenüber Rundstrahlantennen. Mit einer Richtantenne lassen sich höhere Antennengewinne erzielen. Zudem ist eine Richtantenne bei gleichen Antennengewinnen kleiner als eine Rundstrahlantenne. Die Bündelung der Signale hat neben dem höheren Gewinn auch einen weiteren positiven Nebeneffekt, Signale aus benachbarten Netzen und unerwünschter Richtung werden besser abgeschirmt. Dadurch sind weniger Störungen durch fremde Netzwerke zu erwarten und die erzielbare Übertragungsgeschwindigkeit erhöht sich.
An ortsfesten Clients ist eine Richtantenne stets von Vorteil, die Richtung (zum Access Point) ist immer die gleiche. Wenn die Clients mobil sind macht eine Rundstrahlantenne mehr Sinn.
Viele WLAN Netzwerke werden in Gebäuden oder zumindest in deren unmittelbaren Nähe betrieben, entsprechend beliebt sind daher Antennen zur Wand- oder Deckenmontage. Auch hier sind Richtantennen eine gute Wahl, da die gesamte Strahlung in den Raum und nicht an Wände oder Decken abgegeben wird.

Beim Einsatz von WLAN Richtantennen ist unbedingt die maximale Sendeleistung zu beachten. Wie oben bereits erwähnt bezieht EIRP den Antennengewinn ebenso mit ein, wie die Verluste durch Kabel und Stecker. Für 5 GHz WLAN liegt die maximale Sendeleistung je nach Frequenzbereich bei 200 mW bzw. 23 dBm oder 1000 mW bzw. 30 dBm.
Die Summe aus Sendeleistung des Access Point in dBm, plus Antennengewinn in dBi, minus Kabelverluste in dB, ergibt die tatsächliche Sendeleistung EIRP. Hier ein Beispiel für den 5 GHz Outdoorbereich mit 1000 mW Sendeleistung (30 dBm).

Der Access Point hat 17 dBm Sendeleistung + 22 dBi Antennengewinn - 3 dB Kabelverlust = 36 dBm
In diesem Beispiel ist der maximal zulässige Grenzwert überschritten und die Sendeleistung des Access Points müsste um 6 dBm auf 11 dBm reduziert werden. Warum eine so starke Antenne anschließen, nur um dann die Sendeleistung wieder zu reduzieren? Die Sendeleistung ist zwar limitiert, aber die Empfangsverstärkung ist unlimitiert und die starke Richtantenne kann in Empfangsrichtung ihr ganzes Potential ausspielen.

Hier finden Sie eine Übersicht unserer WLAN Richtantennen 2,4 / 5 GHz.

WLAN MIMO-Antennen

Für die Reichweitenverluste von WLAN Netzen die Indoor betrieben werden, sind meistens die Umgebungsbedingungen wie die Reflektionen von Gegenständen in den Räumen verantwortlich. Mit Access Points und Antennen die MIMO (Multiple Input Multiple Output) beherrschen, machen Sie aus der Not eine Tugend.
Mit MIMO werden mehrere Antennen für das Senden und Empfangen genutzt. Häufig findet man 3x3 MIMO was drei Antennen am Access Point entspricht. Das Maximum liegt derzeit bei 8x8 MIMO was hingegen schon 8 WLAN Antennen bedeutet.
Reflektierte Funkwellen und deren zeitversetztes Eintreffen am Empfänger erhöhen bei MIMO Anwendungen sogar die Datenrate und die Systemkapazität. Das gilt allerdings nur bei korrekter Installation der Antennen. Damit MIMO im WLAN richtig funktioniert, muss der Empfänger die verschiedenen Datenströme auseinanderhalten können. Dazu bedient man sich einer unterschiedlicher Polarisation der Datenströme zum Beispiel vertikal, + 45 ° und - 45 °.
Ebenso ist die Anordnung und Ausrichtung von WLAN MIMO Antennen entscheidend, denn durch falsche Installation stören sich die Antennen gegenseitig. Auf der sicheren Seite sind Sie, wenn Sie auf unsere kombinierten WLAN MIMO Antennen setzen. Die Antennen haben nur ein Gehäuse und mehrere Antennenanschlüsse. Im inneren sind verschiedene Antennenelemente verbaut die perfekt aufeinander abgestimmt und ausgerichtet sind. Dadurch ersparen Sie sich aufwändiges Ausrichten und Ausprobieren einzelner Antennen.
Wenn Sie die einzelnen Antennen selber ausrichten, bedenken Sie, dass die Datenströme parallel auf der gleichen Frequenz laufen. Damit der Empfänger die Datenströme auseinander halten kann, sollten die Antennen mindestens eine halbe Wellenlänge der Frequenz auseinander stehen. Das entspricht bei 2,4 GHz WLAN 12 cm Abstand, bei 5 GHz sind es mindestens 6 cm Abstand.

Hier finden Sie eine Übersicht unserer kombinierten WLAN MIMO Antennen 2,4 / 5 GHz.