Who invented WLAN? This question takes a fascinating look at the beginnings of a technology that is now ubiquitous. The development and introduction of Wi-Fi has had a significant impact on the way we communicate with each other and access the internet. In this context, it is worth taking a closer look at the pioneers and their innovations to gain a full understanding of the evolution of this wireless form of communication.
You can read about WLANs everywhere these days, and installations can be found on almost every corner. But only on almost every corner, because physical laws, spatial conditions and legal regulations prevent unrestricted distribution.
The latter cannot usually be changed. However, making optimum use of the technical possibilities can eliminate a large number of problems, and in some cases even make wireless networks possible in the first place.
One of these technical possibilities is the targeted use of antennas. It is widely known that this can increase the range, and that it can also increase the bandwidth and therefore the performance. However, the fact that antennas are also suitable as security mechanisms is usually less so.
Basics of antenna technology
A little basic knowledge of physics and high-frequency technology is helpful for a better understanding of WLAN systems.
The frequency f of an AC voltage system is the number of oscillations (periods) per second with the unit Hertz (Hz).
Electromagnetic waves propagate at the speed of light c. Without attenuation, the propagation speed is 300,000 km per second. For a wave with a frequency of 1 Hertz, the beginning would already be 300,000 km away when the end is emitted. This distance is referred to as the wavelength l (pronounced lambda).
l [m] = c / f [Hz] mit c = 3*108 m/s oder l [m] = 300 / f [MHz]
Bei 2,4 GHz = l = 300 / 2400 = 0,125m = 12,5 cm.
The power of a system is usually specified in two different scales. On the one hand, the actual or maximum power is of interest, e.g. 200 mW. However, as values with large differences cannot be represented well, especially graphically, conversions to a logarithmic scale are very often used in physics. At the same time, only the gains (amplification) or losses (attenuation) in relation to a defined reference value are of interest. In the case of power, the ratio is usually used in relation to 1 watt (Bel=B) or 1 mW (Bel-milli=Bm). As these values are quite small, they are multiplied by 10 and the unit is expanded accordingly (d=dezi, dB/dBm).
The gain vp between output power P2 and input power P1 is calculated as:
vp = lg P2 / P1 [B] = 10 lg P2 / P1 [dB]
1 mW (related to 1 mW) corresponds to 0 dBm, twice the power, i.e. 2 mW corresponds to 3 dBm, 10 times the power corresponds to 10 dBm, 100 times the power corresponds to 20 dBm. For antenna systems
range doubling requires approximately 4 times the power, which corresponds to 6 dB(m).
Circular antenna with radiation diagrams (factory photo Huber + Suhner)
The polarization of the antenna indicates the course of the radio wave in relation to the earth's surface. Linear-vertical antennas are standard for WLAN systems. The waves run in a constant vertical direction. In contrast, circular right/left rotating antennas are also available. The radio waves rotate 360° clockwise or counter-clockwise during a wavelength. These antennas are mainly used in areas with a high risk of reflection, as linear reflections are reduced by this technology. Transmitting and receiving antennas always need the same polarization to communicate with each other. Otherwise, losses must be expected.
The radiation pattern of an antenna is decisive for its intended use. It indicates how the power of the signal attenuates depending on the direction of propagation. These are illustrated in diagrams, both for the vertical and the horizontal range.
Another characteristic of an antenna is its beam angle. This can also be seen in the radiation diagram and is formed by the points at which the radiated power has dropped by half. This is referred to as the 3 dB points. If a straight line is drawn from the center of the radiation diagram through one of the 3 dB points, this results in an intersection point on the angle axis, e.g. 30°. If you now draw a second straight line from the center of the radiation diagram through the second 3 dB point, this results in another intersection point on the angle axis, e.g. -30°. This results in an opening angle of 60°. In this way, the (main) opening angle for the horizontal or vertical plane can be determined.
The right solution for every purpose
The task of the antenna is to radiate high-frequency energy in the form of an electromagnetic field or, conversely, to intercept an electromagnetic field and convert it into high-frequency energy, which is fed to the receiver via a high-frequency cable. The optimum antenna would be a spherical radiator with a diameter of one wavelength. This would allow a complete wave to be transmitted at the same time, regardless of the angle from which the signal is received. This antenna, which cannot be realized in practice, is called an isotropic omnidirectional antenna. Gains related to this reference antenna are specified in dBi. The simplest
A practically feasible antenna, on the other hand, is a rod of half the wavelength, the so-called half-wave dipole. Gains related to this are given in dBd. The conversion factor is dBi = dBd + 2.14 dB.
Antenna technicians have by no means invented a perpeduum mobile. Nevertheless, they also talk about gain with passive antennas. In reality, however, no energy is gained here.
Instead, the field propagation is redistributed as required. The energy of a directional antenna is concentrated on certain angular segments of space, whereby the antennas have a preferred direction of radiation, the so-called main beam direction.
The isotropic omnidirectional antenna can be compared to a balloon. If you press it from above and below, the typical characteristic of the omnidirectional antenna is created.
If the left oval is now "folded" into the main beam direction by reflectors, the typical characteristic of the directional antenna is created. Directional antennas can achieve correspondingly greater ranges while maintaining the same overall performance.
Indoor antennas
The needs in the indoor area are relatively easy to define:
Um optimale Abstrahlung zu erhalten, muß von der Antenne aus gesehen der abzudeckende Bereich möglichst ungehinderte Ausbreitung erlauben. Ausgehend vom Accesspoint oder Gateway ist meist die Montage der Antenne an der Decke die optimale Position, zumal hier auch die Verlegung der Antennenkabel am problemlosesten ist. Von der Decke ausgehend muß die horizontale Abstrahlung 360 ° rundum erfolgen, vertikal hingegen sollte die Charakteristik eine Ausbreitung von 180° nur nach unten ermöglichen. Die Größe der Antenne spielt nur eine untergeordnete Rolle, sofern sie nicht störend in den Raum ragt. Nach der Faustformel „Durch eine Wand geht’s durch“ ist meist der Flur die optimale Position, sofern sich rechts und links nur je ein Raum anschließen. Marktüblich sind hier Omni-Antennen mit bis zu 7 dBi und entsprechendem Montagematerial.
Auf der Clientseite, dem PC, Laptop oder PDA, sollte die Antenne nahezu gleiche Charakteristik aufweisen, nur vertikal gespiegelt. Einziger Unterschied ist die Größe. Dazu sind in den WLAN-Karten Standard-Antennen integriert. Reichen diese nicht mehr aus, weil z.B. durch massive Wände die Übertragungsraten sinken, oder der Fest-PC die Einbauslots genau entgegen der Antenne weisend plaziert hat, kommen Extender-Antennen zum Einsatz. Mobile User müssen dabei auf die Größe bedacht sein, die Antennen sollen auch ohne zusätzliche Montage einen festen Stand besitzen und zwischenzeitlich auch optisch ansprechend wirken. Zum Einsatz kommen hier ebenfalls Onmi-Antennen, meist mit Gewinnen von 2-5 dBi. Kleinste Vertreter dieser Gattung sind Mini-Antennen, die direkt auf die PC-Karte aufgesteckt werden.
Sicherheit durch gerichtete Antennen
Durch die Forderung nach Empfang an jeder beliebigen Stelle innerhalb eines Gebäudes lassen sich, unter Verwendung von Omni-Antennen, Abstrahlungen außerhalb der Räume nicht oder kaum verhindern.
Entsprechend ist auch ein Hack-Angriff auf das WLAN möglich. Für dieses Problem kann man allerdings einen komplett anderen Ansatz wählen. Anstatt global alles in allen Richtungen auszuleuchten, auch Bereiche die praktisch nicht benötigt werden, wird ein individuelles Design, unter Verwendung von gerichteten Antennen, erstellt. Antennen mit Öffnungswinkeln von 60°-75° horizontal und vertikal, im Eckbereich montiert, erlauben auch eine weitestgehende Abdeckung des Raumes. Befindet sich dieser noch in einem höhergelegenem Stockwerk, kann von der Straße aus, im Vorübergehen, auf dieses Netz kaum mehr zugegriffen werden. In Kombination mit Zellgrößenoptimierung, die bei guten Accesspoints zum Featureset gehören sollte, oder leistungsreduzierten Karten, optimiert auf die Gegebenheiten, kann ein Fremdzugriff in vielen Fällen komplett unterbunden werden. Hier ist manchmal weniger (Leistung) mehr, zumal damit eine erhöhte Störfestigkeit gegenüber Reflexionen einhergeht.
Outdoor-WLANs
Im Outdoor-Bereich gelten generell natürlich die gleichen physikalischen Gesetze. Hier kommen jedoch einige zusätzliche Parameter zum Tragen. Eine Outdoor-Verbindung kann, auf Grund der höheren Entfernungen, nicht mit dem üblichen LAN-Verfahren arbeiten, da durch die höhere Laufzeit des Signals alle Verbindungen durch timeouts abgebrochen würden. Entsprechend setzen die Hersteller von WWAN-Produkten auf eigene Protokolle, die i.d.R. nicht herstellerübergreifend benutzbar sind. Dies stellt in der Praxis aber kein Problem dar, da solche Netze nicht fortlaufend geändert oder erweitert werden. Im Gegenteil, durch nicht standardisierte Verfahren wird das Eindringen solcher Netze erschwert.
Weiterhin sind die Verluste durch längere Kabel und Zubehör, wie Blitzschutz, leistungsmindernd. Ein Standard HF-Kabel mit einem Dämpfungswert von 0,8 dB/m würde bei der üblichen Sendeleistung der WLAN-Karte von 15 dBm bei 19 m Länge nur noch 1mW Leistung an Ende zur Verfügung stellen. Bei Verwendung einer 14 dBi Richtantenne und einem Low-Loss Kabel mit 0,2 dB/m würde andererseits die maximal zulässige EiRP von 100 mW oder 20 dBm überschritten (+15 dBm – 0,2 dB*19m = 3,8 dB + 14 dBi = 25,2 dBm. Hier ist ein leistungsoptimiertes Design des Gesamtsystems erforderlich, damit einerseits die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten werden, andererseits die maximal erforderliche Übertragungsbandbreite noch zur Verfügung steht.
Ebenfalls leistungsbeeinflussend wirken sich Reflexionen aus. Im Indoor-Bereich lassen sich diese in der Praxis weder berechnen noch kalkulieren. Outdoor sieht es hier völlig anders aus, die theoretischen Gesetzmäßigkeiten stimmen mit der Praxis weitestgehend überein. Funksignale breiten sich, bedingt durch Streuung, nicht nur auf direktem Wege zwischen Sender und Empfänger aus. Nimmt das Signal einen längeren Weg und wird es wieder in Richtung Empfänger abgelenkt (deflektiert), so kommt es zeitlich später, phasenverschoben, beim Empfänger an. Liegt diese Phasenverschiebung innerhalb einer halben Wellenlänge, so addieren sich beim Empfänger beide Signale.
Ist die Phasenverschiebung größer als eine halbe Wellenlänge, so mindern sich beide Signale gegenseitig, im Extremfall kann sogar eine Totalaufhebung (Reflexion) möglich sein. Die Differenz bei 2400 MHz beträgt dabei nur 6 cm.
Dieser Kurve, an der durch Deflexion und Reflexionen bedingt, die Signale phasenverschoben beim Empfänger ankommen, wird als Fresnel-Zone (´Frenel-Zone`) bezeichnet. Die Hüllkurven die dabei eine Verstärkung bewirken werden als Fresnel-Zone ungerader Ordnung bezeichnet (1. Fresnel-Zone, 3., 5….), die, die eine Schwächung bedeuten als Zonen gerader Ordnung (2. Fresnel-Zone, 4., 6….).
In der Praxis gilt es nun, das Gesamtsystem so zu konzipieren, dass eine maximale Verstärkung erfolgt, Störungen aber nach Möglichkeit komplett reflektiert werden. Dies erreicht man vor allem durch Höhenverschiebung der Antenne, soweit, dass der Bereich der ersten Fresnel-Zone frei von Hindernissen ist, der Bereich der 2.ten Fresnel-Zone aber durch Hindernisse möglichst die Wellen komplett reflektiert.
Im Freien Gelände sind Wälder und Wiesen gute Reflektoren. Straßen hingegen reflektieren bei trockenem Wetter weitestgehend. Bei Regen wandelt sich dies komplett, durch die feuchte Oberfläche gleichen diese dann Seen mit fast optimaler Deflexion. Die Antennen- und Systemhersteller bieten meist entsprechende Berechnungstools, auf die jeweiligen Produkte angepasst, an. Die Anwendung dieser Kalkulationsschematas sollte allerdings, bedingt durch eine Vielzahl beeinflussender Faktoren, dem Fachmann überlassen werden.
Letztendlich ist bei der Betrachtung zu Outdoor-Systemen noch die sog. Verfügbarkeit des Systems von Bedeutung. Je höher das Empfangssignal gegenüber der Empfindlichkeit des Empfängers ist, desto störunanfälliger ist das System, z.B. gegenüber Witterungsschwankungen. Eine Fade Margin (oder SOM = System Operatin Margin) von 1 dB kann eine Signalreduzierung, z.B. durch dichten Nebel von ca. 0,02 dB/km auf einer Entfernung von bis zu 50 km auffangen. Allerdings ist in Mitteleuropa dem Wetterfaktor längst nicht die Beachtung zu schenken, wie in Bereichen der USA, da die Schwankungen der Luftfeuchtigkeit hierzulande meist nur zwischen 60% und 85% liegen. Allerdings ist eine hohe Fade Margin auch bei Störsignalen, z.B. durch andere ISM-Anwendungen vorteilhaft.
Um die generelle Verfügbarkeit des Systems zu gewährleisten, sollte unbedingt auf eine mechanisch ausreichende Montage geachtet werden. Hierzu geben die Hersteller die maximal zulässigen Windlasten an. Je größer die Antenne, desto höher die Angriffsfläche, desto geringer die maximal zulässigen Windgeschwindigkeiten. In ungünstigen Fällen müssen die Antennen in speziellen Winschutzgehäusen integriert werden, die allerdings immer einen zusätzlichen Verlust an Signalstärke bedeuten. Bei direkter Außenmontage sollte zusätzlich auf eine wasserfeste Verlegung geachtet werden. Damit die Antenne oder das Anschlusskabel nicht „absäuft“ gibt es im Handel spezielles witterungsbeständiges Klebeband, mit dem die Verbindungsstellen abgedichtet werden können. Dies gilt auch für Blitz- und Überspannungschutzeinrichtungen. Erstere sind teilweise sogar bauseitig verbindlich vorgeschrieben. Der Blitzschutz sorgt dabei für eine Ableitung bei direktem Einschlag. Überspannungen durch in der Nähe einschlagende Blitze sind allerdings wesentlich häufiger. Durch das nur geringe zusätzliche Investment ist ein Überspannungschutz immer empfehlenswert.
Outdoor Punkt-zu-Punkt oder Punkt-zu-Multipunkt
Antennen für den Outdoor -Bereich werden als Richtstrahler mit hoher Verstärkung (20 dBi) und geringem Öffnungswinkel (10° – 20°) angeboten. Für die Vernetzung zweier LANs, z.B. zwischen zwei Gebäuden sind diese Antennen optimiert. Die hohe Verstärkung ermöglich die Überbrückung von großen Entfernungen von mehreren Kilometern, der geringe Öffnungswinkel sorgt für einen fast punktgenauen Übertragungbereich, Störungen durch Fremdsignale müssten im gleichen Winkel einfallen.
Gleiches gilt für mehrfach hintereinander geschaltene P-2-P-Verbindungen, wenn durch Relaisstationen Hindernisse umgangen oder noch größere Entfernungen überbrückt werden sollen.
Durch die geringen Investitionskosten von WLAN-Systemen z.B. gegenüber Standleitungen, und die entfallenden Verbindungsentgelte setzen zwischenzeitlich auch immer mehr ISPs auf Outdoor-Lösungen. Dabei werden von ein oder mehreren Zentralstationen aus eine räumlich verteilte Anzahl von Kunden ans Internet angebunden. Vorallem in Gebieten mit fehlender DSL-Anbindung sind WLAN-Anbindungen stark im kommen. Hierfür bietet der Markt ebenfalls entsprechende Antennen an. Bei größerem Öffnungswinkel, von meist 60° bis 120° lassen sich von einem Punkt aus ganze Industriegebiete abdecken. Die verringerte Verstärkung und somit eine geringere Bandbreite bei gleicher Entfernung ist meist unproblematisch. Entspricht doch eine 11 MBit-Anbindung ca. 15 DSL-Verbindungen oder fünf 2-MBit-Standleitungen.
Weitere Entwicklungen
Wie bereits Eingangs erwähnt, befindet sich High-Speed WLAN-Bereich in Europa noch in der Entwicklung. Für Produkte nach 802.11g (54 Mbit bei 2,4 GHz) gelten generell die gleichen Bedingungen wie für den erprobten Standard 802.11b.
Etwas anders sieht es im 5 GHz Bereich nach 802.11a aus. Zwar sind die physikalischen Gesetze auch für diese Frequenzen anwendbar, allerdings verändern sich viele Parameter. Als Beispiel sei hier nur die Dämpfung bei starkem Regen (ca. 0,02 dB/km bei 2,4 GHz, ca. 0,4 dB/km bei 5 GHz) im Verhältnis zu der bei dichtem Nebel (ca. 0,02 dB/km bei 2,4 GHz, ca. 0,08 dB/km bei 5 GHz) zu nennen. Ebenfalls enttäuscht wird derjenige sein, der der Meinung ist, dass durch die höhere zulässige Abstrahlleistung im 5 GHz Bereich höhere Reichweiten und gleichzeitig höhere Übertragungsraten ermöglicht werden. Bei doppelter Frequenz steigt auch die Dämpfung in Luft und im Kabel linear an. Um die gleiche Reichweite bei maximaler Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen ist bereits eine vierfach höhere Leistung erforderlich. Trotzdem werden, sobald verfügbar, auch 5 GHz-Produkte zum Einsatz gelangen. Nicht zuletzt, da ein größeres Frequenzband mit mehr Kanälen eine höhere Flexibilität und geringere Überlagerungen und Störungen ermöglichen wird. Mögen die ersten Produkte baldmöglichst zur Verfügung stehen.
Rechtliche Rahmenbedingungen
WLANs nach IEEE 802.11 arbeiten durch Übertragung von Funkwellen innerhalb des ISM-Bandes von 2,4 GHz (2400-2500 MHz, 802.11b/g) oder im 5 GHz-Bereich (802.11a). Da für Nutzung der einzelnen Frequenzbereiche die nationalen Gesetzgeber zuständig sind, ist weltweit derzeit keine einheitliche Freigabe dieser Bereiche erfolgt. Im 2,4 GHz-Band ist dies noch recht übersehbar, Japan hat den Bereich von 2401-2495 MHz (Kanäle 1-14) zugelassen, im Bereich der ETSI (u.a. D/A/CH) sind die Kanäle 1-13 erlaubt (2401-2483 MHz), in USA und Kanada (FCC) dürfen die Kanäle 1-11 benutzt werden (2401-2473 MHz). Für Frankreich gilt der eingeschränkte Bereich von 2401-2473 MHz (Kanäle 10-13). Somit läßt sich weltweit einheitliche Hardware verwenden, die Einschränkung der Kanäle erfolgt i.d.R. per Firmwareprogrammierung und Treiber.
Im 5 GHz Band unterscheiden sich die nationalen Vorschriften dagegen wesentlich. Die USA haben diesen Bereich bereits seit längerem zugelassen. Hier sind im Bereich 5250-5350 MHz 1 Watt Abstrahlleistung (EiRP) zulässig, im Bereich von 5725-5825 MHz 4 Watt. Europa hat diesen Bereich erst aktuell in Zulassung. Entsprechend sind die nationalen Regularien noch uneinheitlich. Die ETSI hält in Erweiterung des IEEE-Standards 802.11a noch zwei weitere Funktionalitäten für erforderlich: TPC (Transmission Power Control), eine automatische Anpassung der Sendeleistung von mindestens 6 dB in Abhängigkeit der Signalstärke und DFS (Dynamic Frequency Selection), ein automatischer Frequenzwechsel im Falle von Überlagerungen. Die entsprechende Norm dazu (802.11h) ist in Vorbereitung. Die deutsche RegTP hat diese beiden Funktionen verbindlich in ihre Allgemeinzulassung bereits übernommen. Ebenfalls abweichend vom 802.11a Standard wurden andere Frequenzbereiche erlaubt: 5150-5350 MHz für Indoor-Produkte mit 200 mW EiRP und 5470-5725 MHz mit 1W für Indoor- und Outdoor-Anwendungen. Ohne DFS darf im unteren Frequenzbereich nur mit 60 mW gesendet werden, ist auch TPC nicht integriert nur noch mit 30 mW.
Weiterhin Gesetze, die in diesem Bereich zu berücksichtigen sind: Das FTEG (Gesetz über Funkanlagen und Telekommunikationsendeinrichtigen) und das EMVG (Gesetz über die Elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten. Bei Verwendung von WiFi-kompatiblen Geräten stellen diese beiden Gesetze in der Praxis keine Probleme dar.
Anders sieht es, gerade bei Outdoor-Systemen, unter Umständen mit erforderlichen Genehmigungsverfahren bau- oder umweltrechtlicher Art aus. Das Aufstellen von Masten oder das Anbringen von, vor allem komplexeren, Antennenanlagen auf oder an bestehenden Gebäuden ist nicht uneingeschränkt erlaubt. Hier sind Kommunen und Land zuständig.
Last but not least gilt, unabhängig ob (W)LAN oder (W)WAN, ist das Telekommunikationsgesetz (TKG) zu berücksichtigen. In § 4 heißt es dort: „Jeder, der Telekommunikationsdienstleistungen [Anm.: für Dritte] erbringt, muss die Aufnahme, Änderung und Beendigung des Betriebes innerhalb eines Monats bei der Regulierungsbehörde schriftlich anzeigen. Die Regulierungsbehörde veröffentlicht regelmäßig den wesentlichen Inhalt der Anzeigen.“ Speziell bei ISPs und HotSpot-Betreibern trifft dies regelmäßig zu und ist damit anmelde- und z.T. auch gebührenpflichtig.
Letztendlich und ausschließlich ist für die Einhaltung dieser Vorschriften immer der Benutzer der Frequenzen zuständig, also der Betreiber.
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dBi – Gewinn einer Antenne bezogen auf den isotropischen Kugelstrahler
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dBd – Gewinn einer Antenne bezogen auf den Halbwellen-Dipol
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dBm – Leistung bezogen auf 1mWatt
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dB – Logharithmische Einheit
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+/- 3 dB – entspricht Leistungsverdoppelung bzw. -halbierung
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6 dB – entspricht ~ Reichweitenverdoppelung
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EiRP – Equivalent isotropic Radiated Power, Abstrahlleistung eines Systems an der Antenne in Bezug zu einer isotropen Antenne. Diese Leistung setzt sich zusammen aus der abgegebenen Leistung des Gerätes/der WLAN-Karte abzüglich aller Dämpfungsverluste, z.B. durch Kabel, Adapter, Blitzschutz zuzüglich aller Gewinne z.B. durch Antenne oder Verstärker.
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ISM-Band – Industrial Scientific and Medical, Abkürzung für Hochfrequenzgeräte in Industrie, Wissenschaft und Medizin. ISM-Frequenzen sind international zugewiesene Frequenzen, die von Hochfrequenzgeräten und Hochfrequenzanlagen genutzt werden dürfen. Beispiele hierfür sind: Funkenerosionsmaschinen, Mikrowellenherde, Kurzwellenbestrahlung in der Medizin. Der Betrieb von Geräten innerhalb dieser Frequenzbänder ist zulassungfrei, unterliegt aber nationalen Vorschriften.Outdoor-Systeme außerhalb der Grenzen des eigenen Grundstückes sind ebenfalls zulassungsfrei aber anmeldepflichtig.
