WLAN High-Power USB-Geräte - der große Trugschluß

Viele haben ein Problem mit ihrer Reichweite und wollen mit ordentlich Power Abhilfe schaffen
Die Hersteller haben auf den Bedarf an solchen Geräten reagiert und bieten sogar USB-Geräte bis über 1000mW Leistung an

Ist das sinnvoll oder nicht?
Bringt es überhaupt mehr Reichweite?
Bis zu welchen Leistungen macht es Sinn?
Gleich zum Ergebnis

 Wir betrachten die technischen Hintergründe und informieren, was solche Geräte bringen und worauf bei der Gerätewahl zu achten ist

Eine Info des
e-shop von Brennpunkt S.R.L./ Ing. Friedrich Rappl
Brennpunkt S.R.L., Valea Cernatului 47, RO-505600 Sacele, E-Mail: brennpunkt-srl@web.de
Friedrich Rappl, Wannenstr. 16, D-74889 Sinsheim, E-Mail: f.rappl@web.de


Was liegt näher bei WLAN-Verbindungsproblemen, als Geräte mit höherer Leistung zu kaufen.

Der Begriff "High Power" ist so vielversprechend und so verlockend, daß schon gar keiner auf die Idee kommt, daß dies nichts nützen könnte. Je mehr Leistung etwas hat umso begehrter ist es bei vielen Kunden.
Als Hersteller von Antennen kennen wir dies nur zu gut. Der uns bekannteste Satz aus Anfragen lautet: "Bieten sie mir bitte ihre leistungsstärkste Antenne an."

Dabei sind die Zusammenhänge aber etwas komplizierter um eine Lösung des Reichweitenproblems nur mit max. Leistung von Antennen und Geräten zu suchen.

Ein Angebot eines WLAN-Geräteherstellers über ein USB-Gerät mit einer Leistung von 800mW (sogar zu einem sehr günstigen Preis) veranlaßte mich, diese Web-Seite zu dem Thema zu verfassen.

Was bestimmt die Reichweite einer Datenverbindung per WLAN?

Das wichtigste Statement!
Eine Datenverbindung funktioniert nur, wenn die Übertragung in beide Richtungen funktioniert!
Daten werden in Datenpaketen übertragen. Für jedes Datenpaket, das der Empfänger erhält, muß dieser dem Sender eine Bestätigung senden (d.h. auch der Empfänger sendet!), daß er dieses Datenpaket fehlerfrei (dies wird mit Checksummen über das gesamte Datenpaket geprüft) erhalten hat. Bleibt diese Bestätigung aus, so wird der Datenverkehr (nach mehreren Versuchen) mit einer Fehlermeldung abgebrochen.
Es ist daher erforderlich, daß sich bei der Datenübertragung Sender und Empfänger !gegenseitig! hören.

Zwei Dinge sind wichtig für die Reichweite.
1) Empfangsempfindlichkeit der Geräte
2) Sendeleistung der Geräte

Daß ich die Empfangsempfindlichkeit an erste Stelle gestellt habe, ist kein Zufall. Bei der Empfangsempfindlichkeit gibt es weitaus höhere Unterschiede zwischen den Geräten verschiedener Herstellern als bei der Sendeleistung.
Auch ist vielen Anwendern gar nicht bewußt, daß es neben der Sendeleistung noch dieses äußerst wichtige Merkmal für die Übertragung gibt. Der Blick nur auf die Sendeleistung, ist eine fatale Fehleinschätzung der Leistungsfähigkeit von Geräten (betrifft auch Antennen mit eingebauten WLAN-Geräten, z.B. Antennen mit USB-Anschluß oder LAN-Kabelanschluß).

1) Empfangsempfindlichkeit der Geräte
Was ist die Empfangsempfindlichkeit?
Das ist der Signalpegel, den das Gerät mindestens von der Antenne erhalten muß, um die im Signal enthaltenen Daten verstehen zu können.
Denken sie dabei an einen Rundfunkempfänger. Wenn das Signal schwach ist, hören sie ein starkes Rauschen und verstehen das gesprochene nicht mehr. Erst wenn das Signal stärker wird, ist das Rauschen stärker im Hintergrund und die Sprache verständlich.
Diesen Signalpegel, bei dem es anfängt ausreichend gut zu funktionieren gibt man in dBm an (dezi Bel Milliwatt). Dezibel ist ein logarithmisches Maß (siehe Tabelle am Ende).

Was ist heute technisch machbar?
Um Daten empfangen zu können, muß das Nutzsignal deutlicher als das Rauschen zu hören sein. Man spricht vom Signal-Rauschabstand.
Alle Bauteile in der Elektronik haben ein mehr oder weniger starkes Eigenrauschen. Für hochwertige Empfänger werden daher sehr rauscharme Bauteile verwendet. Und damit kommt man zum technisch machbaren.
Es ist nach derzeitigem Stand der Technik für WLAN eine Empfangsempfindlichkeit von -101dBm erreichbar. Alles was man darüber hinaus zu verstärken versuchen würde, ergäbe nur ein lauteres Rauschen. Dies ist auch gleichzeitig der Grund, warum bei einem hochwertigen Empfänger ein zusätzlicher elektronischer Empfangsverstärker keinen Sinn macht (der Empfänger macht ja schon das maximal mögliche). Ausgenommen davon sind nur Verstärker die dazu dienen, die Verluste in Kabeln zu kompensieren (der Verstärker ist dann vor das Kabel zu setzen).
Benötigt man ein stärkeres Signal, so kann man dieses nur !vor! der Elektronik bereitstellen und zwar durch eine leistungsfähigere Antenne.

2) Sendeleistung der Geräte
Die Sendeleistung von Geräten wird in mW angegeben. Es wird häufig das logarithmische Maß dBm benutzt.
Für WLAN ist die zulässige Sendeleistung 100mW = 20dBm EIRP.

Immer häufiger werden in letzter Zeit Geräte mit z.T. erheblich höherer Sendeleistung angeboten und die Hersteller scheinen einen Wettkampf auszutragen, wer das leistungsstärkste Gerät auf die Beine bringt.

Der große Trugschluß - höhere Sendeleistung = höhere Reichweite
Jeder denkt doch automatisch, daß mit höherer Sendeleistung auch eine höhere Reichweite machbar ist. Aber nur in dem einzigen Fall, wenn man auf beiden Seiten der Übertragungsstrecke das gleiche Gerät mit der höheren Sendeleistung einsetzt, ist dies gegeben (z.B. Ad-Hoc (peer to peer) Verbindungen mit 2 WLAN-Geräten).

In der Praxis hat man aber häufig einen vorhandenen, unveränderbaren Router oder AccessPoint auf den man zugreifen will, und da ist höhere Sendeleistung des eigenen Gerätes nur in den Grenzen wirkungsvoll, wie die Empfangsempfindlichkeit des Routers/APs (unter zusätzlicher Berücksichtigung seiner Sendeleistung) schwächer ist als die des eigenen Gerätes (siehe Zahlenbeispiel).

Wie beeinflusse ich mit nur einem Gerät auf einer Seite der Übertragungsstrecke die Reichweite?
Die Reichweite kann man nur so weit vergrößern, solange jedes Gerät das andere gerade noch hören kann.
- Verwende ich ein Gerät mit niedriger Empfangsempfindlichkeit, so ist dies das Limit für die max. Strecke. Eine höhere Sendeleistung des Gerätes bringt dann keine Reichweitenvergrößerung.
- Verwende ich ein Gerät mit hoher Empfangsempfindlichkeit, so ist das Limit für die max. Strecke die Empfangsempfindlichkeit des anderen Gerätes. In diesem (und nur in diesem) Fall kann ich durch Erhöhung der eigenen Sendeleistung die Reichweite steigern. Und zwar !nur so weit!, bis die Entfernung so groß wird, daß das eigene Gerät das andere gerade noch hört.

Ein Zahlenbeispiel:
Empfangsempfindlichkeit eigenes Gerät -96dBm
Empfangsempfindlichkeit Router/AP -90dBm
Sendeleistung Router/AP 18dBm (mit 2dBi-Antenne ergibt dies die erlaubten 20dBm - dies ist das maximale was man bei öffentlichen Netzen und allen nicht modifizierten Geräten erwarten kann)

Die Übertragungsstrecke ist also durch die Schwerhörigkeit des APs begrenzt.
Diese Schwerhörigkeit kann man nun durch höhere Sendeleistung des eigenen Gerätes ausgleichen.
Der Unterschied der Empfangsempfindlichkeit beträgt (-96dBm / -90dBm) 6dB. Man muß daher beim eigenen Gerät die Sendeleistung um 6dB höher haben als beim Router/AP, das sind (18dBm + 6dB) 24dBm. Damit kann dann jedes Gerät das andere auf die gleiche Entfernung gleich gut hören.
D.h. für das gegebene Beispiel ist eine Sendeleistung von 24dBm für das eigene Gerät das maximal sinnvolle.
Eine weitere Erhöhung der Sendeleistung hat keine Reichweitenerhöhung zur Folge.


Verwendet man nun selbst ein Gerät mit schlechterer Empfangsempfindlichkeit als die des Routers/APs so bringt eine höhere Sendeleistung rein gar nichts.
Und paradoxerweise leuchten Geräte mit hoher Sendeleistung nicht gleichzeitig mit hoher Empfangsempfindlichkeit.
Eine hohe Sendeleistung ist dann bei empfangsschwachen Geräten also völlig nutzlos!

D.h. solche Geräte sind eine Fehlentwicklung an der die Informationspolitik der Hersteller und Händler schuld ist, die den Kunden in dem Glauben läßt, eine höhere Sendeleistung sei automatisch Garant für höhere Reichweite.

Was ist nun sinnvoll?
1) Eine hohe Sendeleistung für ein Gerät ist nur dann sinnvoll, wenn dieses auch eine hohe Empfangsempfindlichkeit hat (ich finde Werte schlechter als -96dBm bei 1Mbps, -90dBm bei 11Mbps IEEE 802.11b,  -91dBm bei 6Mbps IEEE 802.11g für solche Geräte nicht akzeptabel und habe noch nicht viele gesehen, die das erfüllen).
2) Eine höhere Sendeleistung ist nur in dem Maße sinnvoll, wie der Router/AP eine niedrigere Empfangsempfindlichkeit als das eigene Gerät hat. Der Unterschied dürfte in den meisten Fällen, selbst wenn man ein Spitzengerät hat, nicht über 6dB liegen (-96dBm / -90dBm). Ein deutlich schwacher Wert für Geräte ist bereits -88dBm, was 8dB Unterschied bedeutet.
Addiert man diese Differenz zur Sendeleistung von 18dBm erhält man 24dBm = 250mW oder mit dem ganz schwachen Gerät 26dBm = 400mW. Bei einer hohen Empfangsempfindlichkeit von -99dBm (das ist heute max. erreichbar) ergäben sich 800mW.
Es hat also keinen Sinn ein Gerät zu verwenden, das eine deutlich höhere Sendeleistung als 800mW hat. Es gibt inzwischen Geräte mit 2W.

Worauf achten beim Gerätekauf?
Achten sie beim Gerätekauf auf hohe Empfangsempfindlichkeit und kaufen sie kein Gerät bei dem diese Daten nicht angegeben sind oder nicht glaubwürdig sind. Sehen sie dazu bei Bedarf auch auf die Herstellerseite (obwohl auch bei diesen inzwischen z.T. getürkte Daten zu finden sind). Gute Werte wird auch jeder Hersteller gerne veröffentlichen, sind sie doch die beste Werbung. Seien sie skeptisch bei besonders günstigen Angeboten. Nicht selten sind dies dann die leistungsschwachen Geräte (womit in erster Linie die Empfangsempfindlichkeit gemeint ist). Nehmen sie nicht das Gerät mit der höchsten Sendeleistung, sondern nur eines mit soviel, wie auch sinnvoll ist. Erlaubt ist sowieso nicht mehr als 20dBm EIRP.


Was ist erlaubt?
In Deutschland und den meisten EU-Ländern sind für WLAN 20dBm EIRP (effectiv isotropic radiated power) zulässig, das sind 100mW.
20dBm EIRP bedeutet -> Die Strahlungsstärke darf an keiner Stelle höher sein als die, die ein Isostrahler mit einer zugeführten Leistung von 20dBm=100mW erzeugt.
EIRP errechnet sich wie folgt:
EIRP [dBm] = Geräteausgangsleistung [dBm] + Antennengewinn [dBi] - Verluste in Kabel u. Stecker [dB]
WLAN-Geräte mit CE-Kennzeichnung haben deshalb eine maximale Hochfrequenzausgangsleistung von 18dBm und verwenden eine kleine Rundum-Stummelantenne mit 2dBi, das gibt zusammen eine EIRP von (18dBm+2dBi=) 20dBm.
Da die erhältlichen WLAN- wie auch UMTS-Geräte mit ihrer Sendeleistung nahe am zulässigen Maximum liegen, ist auch eine Antenne mit hohem Gewinn (wenn dieser hohe Gewinn nicht wieder durch ein langes Antennenkabel aufgezehrt wird) verboten.
Man sollte bedenken, daß es dieses Limit nicht willkürlich gibt, sondern nur dadurch ein gegenseitig weitgehend ungestörter Betrieb möglich wird.
Es ist der Betreiber (das sind sie) für die Einhaltung dieses Limits verantwortlich. Nur dieser kann auch wissen, welche Komponenten er zusammengeschaltet hat.


Dezibeltabelle für Leistung (Formel: dB=10*log(Faktor)):
soviel dB entsprechen einem  Faktor von
0 1
1 1,26
2 1,58
3 2
4 2,51
5 3,16
6 4
7 5,01
8 6,31
9 7,94
10 10
20 100
30 1000
soviel dB entsprechen einem  Faktor von
0 1
-1 0,79
-2 0,63
-3 0,5
-4 0,4
-5 0,32
-6 0,25
-7 0,2
-8 0,16
-9 0,13
-10 1/10
-20 1/100
-30 1/1000



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