Reichweite von Wireless LAN + Meßdaten 11,2km Teststrecke - Theorie & Praxis - was ist max. erreichbar?

Die Reichweite von Wireless LAN ist zum einen bedingt durch die niedrige max. erlaubte EIRP-Leistung von 100mW (20dBm) und zum anderen durch die schlechte Ausbreitung der hochfrequenten Wellen im GHz-Bereich, gering. Die Reichweite wird durch Bauteile (Wände, Betondecken, aber auch schon durch belaubte Bäume und Hecken) bedämpft. Während im Freien bei Sichtverbindung unter Verwendung von Richtantennen zig km überbrückt werden können, sind es innerhalb von Gebäuden oft nur einige 10m. Durch Stahlbetonbauteile hindurch ist es noch viel weniger. Besser durchdrungen werden leichte Gipstrennwände sowie Holzwände.

Goldene Regeln für große Reichweite

Gute WLAN-Geräte wählen - ! enorm wichtig !
Achten sie bei der Wahl ihrer WLAN-Geräte darauf, daß die Sendeleistung nahe am zulässigen Maximum von 20dBm liegt. Es gibt auch preiswerte Geräte, die lediglich 14dBm haben. Diese sind nur für unproblematische kurze Verbindungen geeignet.

Noch weitaus wichtiger ist aber die Empfangsempfindlichkeit der Geräte. Gute Geräte erreichen bis -97dBm (bei 1-2Mbit/s). Je höher der Zahlenwert um so schwächere Signale kann das Gerät noch empfangen (siehe auch weiter unten: Reichweite kontra Datenrate).

In Reichweite umgemünzt bedeutet dies:
Den Reichweitenunterschied aus der unterschiedlichen Sendeleistung und der unterschiedlichen Empfangsempfindlichkeit zusammengenommen ergibt bei dem "guten Gerät" die achtfache Reichweite des "schlechten (meist billigen)" Geräts.

Gute Gerätedaten werden von den Herstellern meist angegeben - ist doch die beste Werbung. Finden sie keine Daten über Empfangsempfindlichkeit, ist zuminest Vorsicht geboten. Hier ein kurzer Überblick über einige Geräte: Empfangsempfindlichkeit

Achten sie darauf, daß das Gerät eine abnehmbare Antenne hat
Nur so hat man bei Empfangsschwierigkeiten überhaupt eine weitere Möglichkeit, durch Ersetzen der vorhandenen Antenne mit einer  leistungsfähigeren, den Problemen zu begegnen. Mit einem mehr oder weniger langem Kabel kann man die Antenne auch abseits vom Gerät an günstiger Position aufstellen.
Bei vielen Geräten ohne abnehmbare Antenne, ist es auf einfache Weise möglich, einen externen Antennenanschluß mit einem vorgefertigten Pigtail nachzurüsten. Auch bei PCMCIA-Karten, USB-Geräten kann dies von Vorteil sein, da die eingebaute Antenne oft wenig Leistung bringt und auch nicht ausgerichtet werden kann (Beispiel-Anleitung für Pheenet-PCMCIA-Karte ist bei uns vorhanden).

Antennen können die Strahlung auf bestimmte Richtungen konzentrieren
Durch die Verwendung von Antennen mit Richtwirkung läßt sich der größte Teil der Energie in eine Hauptrichtung abstrahlen. Aus dieser Eigenschaft kommt auch der Gewinn einer Antenne zustande. Das ganze hat jedoch Grenzen in ihrer Zulässigkeit.

EIRP-Sendeleistung muß auf 20 dBm limitiert sein!
EIRP ist die Sendeleistung an einem Isostrahler (fiktive Antenne, die in alle Richtungen gleich stark strahlt, diese hat 0dBi Gewinn, das ist ein Gewinn vom Faktor 1). D.h. man darf keine Feldstärke erzeugen, die an irgendeiner Stelle größer ist, als die eines Isostrahlers bei 20dBm Sendeleistung. Hat man nun eine Antenne mit Gewinn im Vergleich zum Isostrahler (der Gewinn kommt daher, daß die der Antenne zugeführte Leistung nicht gleichförmig in alle Richtungen, sondern konzentriert in bestimmte Richtungen gestrahlt wird) so muß man die Sendeleistung entsprechend reduzieren um im gesetzlich zulässigen Rahmen zu bleiben. Die auftretenden Verluste in den Kabeln, Steckern, Splittern usw. können berücksichtigt werden.

Mit dieser Vorschrift ist gewährleistet, daß nicht jemand mit einem stark gebündelten Strahl einen anderen übertönt und diesen damit totmacht. Diese Maßnahme wäre daher vergleichbar mit einer hohen Sendeleistung.

So darf der Zahlenwert aus nachfolgender Formel keinen größeren Wert als 20 ergeben, damit es zulässig ist:
Ausgangsleistung ohne Antenne in dBm + Antennengewinn in dBi - Verluste in Kabel, Stecker, usw. in dB <= 20

Viele Geräte-Hersteller geben die Ausgangsleistung in dBm einschließlich dem Antennengewinn an. Die mit den Geräten meist mitgelieferten kurzen Antennen haben ca. 2dBi, die man bei einer Berechnung mit einer anderen Antenne dann abziehen kann.

Eine kräftige Antenne nützt sowohl dem damit verbundenen Gerät wie auch der Gegenstation
Eine Richtantenne bündelt die Strahlung, wodurch beim Empfänger ein stärkeres Signal ankommt. Aber auch in der Empfangsrichtung hat eine Richtantenne ein stärkeres Signal. Diese Verstärkung ist bei den meisten gängigen Antennen für die Sende- wie auch Empfangsrichtung in etwa gleich und wird als Antennengewinn bezeichnet und in dBi (das "i" kommt vom Bezug auf den Isostrahler) angegeben. 3dBi bedeuten doppelt so leistungsstarkes Signal, 6dBi vierfach usw.

Probleme schrittweise lösen
Bei Verbindungsproblemen kann somit schrittweise vorgegangen werden. Erst mal auf einer Seite eine kräftige Antenne anschließen, wenn dies noch nicht reicht, auch noch auf der anderen Seite eine.

Die Empfangsverstärkung ist unlimitiert, Sendeleistung nicht!
1) Verstärkung per Antenne
a) Viele Geräte haben 2 Antennenanschlüsse, an einen kann man eine passende Sendeantenne anschließen, mit der man das 20dBm Limit nicht überschreitet, am anderen Anschluß kann eine beliebig starke Antenne für den Empfang angeschlossen werden.
b) Bei manchen Geräten läßt sich die Sendeleistung per Software reduzieren (so einstellen, daß EIRP <= 20 ist) - man kommt dann mit einer Antenne aus.
2) Elektronische Empfangsverstärker - eine sinnlose Investition?
Ein Empfangs-Verstärker macht nur bei einem Gerät mit schlechter Empfangsempfindlichkeit Sinn. Hat man jedoch ein WLAN-Gerät, welches bezüglich der Empfangsempfindlichkeit sowieso an der Grenze des machbaren von nahe an -97dBm liegt, bringt eine Verstärkung des Empfangssignals keine Verbesserung mehr, da das Rauschen im Signal die Höhe des Nutzsignals erreicht. Fazit - lieber gleich ein gutes WLAN-Gerät besorgen.

Wichtig: Wenn sie, um legal zu bleiben, nur das Empfangssignal verstärken (sei es per Antenne oder per Elektronik), dann müssen sie dies bei der Gegenstation auch genauso machen. Es nützt nichts, wenn eine Station gut hört, die andere jedoch nicht.

3a) Verstärkung der Sendeleistung mittels elektronischem Verstärker
3b) Verwendung leistungsstarker Geräte (bis 25dBm ~ 300mW marktgängig)
Beides ist natürlich über das Maß von 20dBm EIRP ncht erlaubt. Man kann damit legal allenfalls die Verluste in längeren Kabeln ausgleichen.
Es nützt nur, wenn beidseits der Übertragungsstrecke die Sendeleistung höher ist, denn jedes Gerät muß das andere hören können.

Nur optimale Gerätewahl bringt max. Reichweite !
Maximale Reichweite erziehlt man nur, wenn die Geräte auf beiden Seiten der Übertragungsstrecke aufeinander abgestimmt sind. Ist ein Gerät "schwerhörig", so nutzt auf der anderen Seite das beste Gerät nichts. Eine Strecke funktioniert nur, wenn jedes Gerät das andere hört, egal in welche Richtung der Hauptdatenstrom fließt.

Die weiteste Stecke macht man mit Geräten, die gleich gut hören (bei gleicher Sendeleistung). Hört ein Gerät  um 2dB schlechter, kann man dies mit einer um 2dB höheren Sendeleistung auf der anderen Seite ausgleichen oder auch mit einer um 2dB besseren Empfangs-Antenne am betreffenden Gerät.

Eine Steigerung der Reichweite erreicht man, indem man nun zusätzlich eine stärkere Antenne auf einer Seite einsetzt (am Antennenanschluß der sowohl sendet wie auch empfängt). Das Gerät hört durch die stärkere Antenne besser und sendet aber auch dem anderen Gerät ein stärkeres Signal, womit die Lage wieder optimal ist.

Eine weitere Steigerung der Reichweite erreicht man, indem man nun auch auf der anderen Seite der Übertragungsstrecke eine kräftigere Antenne einsetzt.

Hat man nun mehrere PCs an einem WLAN-Router/AP, so kann man für die nahegelegenen PCs, problemlos WLAN-Geräte minderer Qualität (= meist niedriger Preis)  wählen.


Wie weit kommt man jetzt maximal
Das ist fast nur vom Aufwand abhängig, denn man betreibt.
1) Mit guten Geräten und 2 Yagis lassen sich 5km, mit Schlitz-Antennen (oder ähnlich leistungsfähigen) 10km bei Sichtverbindung unter Einhaltung des 20dBm EIRP-Limits (Anschluß der Antenne nur empfangsseitig, bzw. Reduzierung der Sendeleistung) erreichen.
2) Schließt man die Antennen am Antennenanschluß an, der sowohl zum Senden wie auch Empfangen verwendet wird, sind Strecken von 20-40km zu erreichen. Allerdings überschreitet man damit das zulässige Limit!
3) Nimmt man einen Parabolspiegel (Satelitenschüssel) den man mit einer WLAN-Antenne statt dem üblichen LNB bestückt, können über 50km erreicht werden. Ein Problem wird dabei die Ausrichtung der Spiegel sein.
In der Praxis ist jedoch auf ausreichende Leistungsreserven zu achten. Die max. erreichbaren Strecken für einen Testversuch sollten nicht Grundlage einer vernünftigen Planung sein, sonst stellt sich bei Regen schnell Frust ein.

Welche Reichweiten möglich sind, wurde mit unseren Antennen getestet und gemessen:
Verwendete Geräte für den Reichweitentest:
ORINOCO Classic Gold PCMCIA-Karte auf beiden Seiten der Strecke (15dBm Sendeleistung, -94dBm Empfangsempfindlichkeit bei 1-2Mb).
Antenne an der festen Station: Yagi mit 17 aktiven Elementen mit 3m H155 Kabel SMA-RP-Stecker + Pigtail SMA-RP-Buchse / 20cm RG174 / Lucent-Stecker
Die Antennen an der beweglichen Station (Laptop) wurden mit 1m Kabellänge und Pigtail SMA-RP-Buchse / 20cm RG174 / Lucent-Stecker an der ORINOCO-Karte angeschlossen.

Teststrecke 1
Entfernung der beiden Stationen: 4,22km (per GPS ermittelt).
Baum-Zweige ragen in der Nähe der Feststation in die Fresnelzone.
Messung am 5.Juli, 11h, heiter, 28°
Feststation: Valea Cernatului 47, 45°36,75N 025°41,56E
Bewegliche Station in der Brasover-Ebene Richtung Harman

Meßdaten an der beweglichen Station:


4fachQuad Dose+Trichter
 Yagi-17-Elem.
 Schlitz-Antenne
Abbildung und Beschreibung  der Antennen in unserer Preisliste
 Teststrecke 2
Entfernung der beiden Stationen: 11,2km (per GPS).
Baum-Zweige sowie Baumreihe ragen in die Fresnelzone.
6 Hochspannungsleitungen führen quer durch.
Messung am 7.Juli, 17h, halb bewölkt, 26°
Bewegliche Station: Harman 45°42,94N 025°39,75E

Meßdaten an der beweglichen Station:
Yagi-17-Elem. Schlitz-Antenne


Grün ist das Nutzsignal, rot ist das Rauschsignal, auf der Senkrechten ist der Empfangs-Pegel in dBm angegeben.
Die höchsten Werte sind bei optimaler Ausrichtung, kleinere Werte sind bei unterschiedlicher Drehung / Neigung der Antennen.

Ergebnis der Messung:
Die Antennen sind gemäß ihrer Leistung aufgereiht. Die 4fachQuad liegt nur knapp unter der Dosenerregerantenne mit Trichter, die Yagi ist deutlich besser als die Dose, die Schlitzantenne liegt nochmal deutlich über dem Wert der Yagi (Maximum beachten, war nicht fest montiert sondern wurde nur händisch ausgerichtet - muß genau ausgerichtet werden, da Strahlung sehr schmal).
Teststrecke 1
Die Verbindung ist mit allen Antennen stabil und kann in Relation zur Entfernung als gut bezeichnet werden.
Teststrecke 2
Mit der Yagi ist gerade noch ein ausreichendes Signal vorhanden, für den praktischen Betrieb wegen fehlender Reserven z.B. bei schlechter Witterung nicht mehr geeignet.
Die Schlitz-Antenne liefert jedoch noch ein recht kräftiges Signal (Antennengewinn liegt bei ca.18-19dBi, das ist mehr als eine 1m lange Yagi liefern kann, auch wenn oft unrealistische Werte von 19-20dBi angegeben werden). Die Verbindung zur Feststation über diese Strecke war stabil, die Meßdaten wurden dabei gleich übertragen.

Fazit
Wenn gute Geräte verwendet werden, sind größere Strecken problemlos überbrückbar.
Es gibt nun Geräte mit bis zu knapp 25dBm (300mW) Sendeleistung (in EU nicht erlaubt!) - sogar als kleine PCMCIA-Karte - sowie bis zu -96dBm Empfangsempfindlichkeit. Solche Spitzengeräte beidseitig der Übertragungsstrecke eingesetzt, gibt im Vergleich zu den für den Reichweitentest verwendeten (10dBm mehr Sendeleistung + 2dBm mehr Empfangsempfindlichkeit) nochmal 12dB mehr, was vierfache Reichweite ergibt - 40km! mit den verwendeten Antennen. Reichweite ist von den Geräten abhängig und Antennen vergrößern diese. Eine Antenne alleine hat keine Reichweite! Eine Reichweitenangabe für eine Antenne ist Unsinn!

Es ist jedoch zu beachten, daß eine derartige Konfiguration, wie sie für den Test verwendet wurde, nicht mehr zulässig ist. Mit einer Sendeleistung des Gerätes von 15dBm - 2dB Kabelverlust + 15dBi Yagi-Antennengewinn ist man bei 28dBm EIRP. 20dbm sind jedoch nur erlaubt (Grenzwert nicht in jedem Land gleich - also informieren!).
Lösung des Problems:
1) Viele Geräte haben 2 Antennenanschlüsse, an einen kann man eine passende Sendeantenne anschließen, mit der man das 20dBm Limit nicht überschreitet, am anderen Anschluß kann eine beliebig starke Antenne für den Empfang angeschlossen werden.
2) Bei manchen Geräten läßt sich die Sendeleistung per Software reduzieren - man kommt dann mit einer Antenne aus.
Beides reduziert natürlich die mögliche Reichweite erheblich. Im Beispiel aus der Meßanordnung ergibt dies 8dB weniger Sendesignal. 6dB weniger ergeben halbe Reichweite - d.h. es sind statt 11,2 nur noch etwa 5km erreichbar - dafür legal. Es wird jedem empfohlen, sich an das zulässige Limit zu halten, da empfindliche Strafen drohen.


Vergleich Theorie und Praxis
Die Dämpfung der Sendeleistung im freien Raum (Antenne zu Antenne) = (4*PI*D/L)^2. Wobei D die Distanz in m ist und L die Wellenlänge in m.

Daraus ergibt sich ein Verlust bei 1000m freie Strecke von ca.100dB. Für jeweils doppelte Strecke, jeweils 6dB addieren (somit bei 2000m 100+6=106, bei 4000m 100+6+6=112) bzw. für jeweils halbe Strecke 6db abziehen.

Wie weit komme ich nun theoretisch?
Es ist der Betrag aus folgender Formel zu errechnen (Daten der verwendeten Geräte-, Kabel- und Antennen eintragen - (bei ungleichen Geräten muß der ungünstigste summarische Wert aus Sendeleistung der einen + Empfangsempfindlichkeit der anderen Seite eingesetzt werden)). Tragen sie üppig ausreichende Werte für die Kabelverluste ein!
Die Empfangsempfindlichkeit ist abhängig von der Datenrate -> höhere Datenrate=niedrigere Empfangsempfindlichkeit. Die Werte sollten sich im Datenblatt des Herstellers finden, gute Werte werden sicher nicht als Betriebsgeheimnis bewahrt.
Empfangsempfindlichkeit

Sendeleistung in dBm - Kabelverluste in dB + Antennenverstärkung in dBi - Verlust bei 1000m freier Strecke von 100dB +
+ Antennenverstärkung in dBi - Kabelverluste in dB + Empfangsempfindlichkeit (Betrag positiv einsetzen) in dBm -10(*)

(*) Um eine Verbindung zustande zu bekommen, sind 4-6 dB erforderlich, für eine zuverlässige Verbindung mindestens10 dB. Diser Betrag ist vom Ergebnis noch abzuziehen.

Das Ergebnis kann nun positiv oder negativ sein.
Für jeweils 6dB positivem Wert ist nun doppelte Reichweite möglich (6dB - 2km, 12dB - 4km, 18dB - 8km, usw), für jeweils 6db negativem Wert ist nur die halbe Reichweite möglich (-6dB - 500m, -12dB - 250m, -18dB - 125m, usw).

Rechenbeispiel mit den Daten aus der oben getesteten Meßstrecke:
15dBm Sendeleistung auf jeder Seite mit jeweils 15dBi Yagis mit 2m Kabel + Pigtail mit Verlusten von 2dB und -94dBm Empfangsempfindlichkeit der Geräte auf beiden Seiten (bei ungleichen Geräten muß der ungünstigste Wert aus Sendeleistung der einen + Empfangsempfindlichkeit der anderen Seite eingesetzt werden) und 1000m Strecke..

15 - 3 + 15 -100 +  15 - 3 + 94 - 10 = 23

Für 4km Meßstrecke ziehen wir 12dB ab, verbleiben 11dB. Dies korreliert aureichend gut mit den Meßwerten für unsere Yagi-Antenne.

Diese Rechnung gilt nur für eine grobe Abschätzung. Durch unterschiedliche Einflüsse kann es Abweichungen von mehreren dB geben.


Dezibel und Reichweite
Man benötigt für doppelte Reichweite eine viermal so hohe Leistung, das sind 6dB. Für vierfache Reichweite 12dB usw...

Sichtverbindung und Fresnelzone

Maximale Reichweite erhält man bei Sichtverbindung. Dabei ist es jedoch nicht ausreichend, wenn man z.B. durch einen schmalen Schlitz zwischen zwei Hindernissen auf die Antenne der anderen Seite sehen kann., sondern es ist ein Mindestabstand zwischen den Hindernissen erforderlich, wenn die Strahlung ungestört ans Ziel gelangen soll. Dieser Bereich in dem sich keine Hindernisse befinden dürfen, nennt man Fresnelzone. 
Die Fresnelzone kann man sich vereinfacht wie ein Rohr vorstellen durch welches die Energie fließt, das an der einen Antenne mit kleinem Durchmesser beginnt, bis zur Mitte zwischen beiden Antennen immer dicker wird und bei der gegenüberliegenden Antenne wieder mit kleinem Durchmesser endet. Der Durchmesser der Fresnelzone auf halber Strecke, ist abhängig von Frequenz und Entfernung und beträgt bei 2,45GHz bei einer Entfernung von z.B. 1km nur etwa 3,3m (bei 100m 1m, bei 10km 10,4m). Deckt man von diesem Durchmesser die Hälfte ab, so verliert man 6dB was die Reichweite auf die Hälfte reduziert.


Die baulichen Gegebenheiten
Starke Einschränkungen in der Reichweite hat man innerhalb von Gebäuden durch Wände und Decken, insbesondere, wenn diese aus Stahlbeton bestehen. Im Freien ist man durch Bauwerke, Bäume, Wald, hügeliges Gelände beschränkt.
Beste Chancen hat man immer, wenn man mit einem längeren Antennenkabel ein im Weg stehendes Hindernis umgehen kann. So kann man in einem Haus mit Stahlbetondecke z.B. ein offenes Treppenhaus nutzen oder die Antennen für die verschiedenen Stockwerke an der Hausfront anbringen (z.B. ein Studentenwohnheim versorgt alle Zimmer über eine an der Hausfront waagrecht abstehende Rundumantenne. Die Studenten haben dann jeweils eine (Richt-)Antenne vor ihrem Fenster).
Es kann auch eine glatte Hausfront als Reflektor (wie ein Spiegel) verwendet werden, um eine Stelle zu erreichen, zu der man keine Sichtverbindung hat. Dies geht dann jedoch nur für kurze Strecken, da die Reflektion keine optimale ist.

Reichweite kontra Datenrate
Maximale Reichweite erreicht man nur mit der niedrigsten Datenrate, d.h. mit 1-2Mbit/s. Das ist für einen DSL-Zugang zumindest ausreichend. Dies wird auch der Fall sein, für den man die größten Strecken zu überwinden hat, sofern man selbst keinen Anschluß, aus welchen Gründen immer; im Haus hat. Für höhere Datenraten ist ein kräftigeres Signal erforderlich. Diese Tatsache findet sich auch in den Datenblättern der Geräte bei der Angabe der Empfangsempfindlichkeit für unterschiedliche Datenraten. Häufig sind nur noch Empfangsempfindlichkeits-Angaben bei Datenraten von wenigstens 11Mbit/s zu finden. Technisch machbar sind zur Zeit -97dBm bei 1Mbit/s (z.B. mit neueren MAXIM-Chips). Gute Werte haben z.B. manche 3Com Geräte mit -96dBm (aber auch andere wie z.B. Cisco, Senao NL 2511, Z-Com XI 325, NEC Warpstar Aterm WL54, Proxim Orinoco Gold), auch die ältere Orinoco Classic PCMCIA-Karte bringt es auf stolze -94dBm. Finden sich keine Angaben darüber im Datenblatt, sind wenigstens mäßige Werte zu befürchten. Es gibt kaum einen Grund, sich ein Gerät ohne bekannte Daten zu kaufen, es gibt genug gute, preiswerte Geräte.