WLAN-Reichweite

Rahmenbedingungen

Die Reichweite von WLAN-Netzen hängt von vielen Faktoren ab:

• Sendeleistung + Empfangsempfindlichkeit der WLAN-Geräte
• WLAN-Modus
• verwendete Antennen
• "Umgebung", v.a. alles, was sich zwischen den WLAN-Geräten befindet (z.B. Wände)

WLAN-Geräte

Die Sendeleistung ist gesetzlich begrenzt (in Deutschland: 100mW/20dBm EIRP). Höhere Sendeleistungen als 100mW -- bzw. mit etwas Puffer für Kabelverluste 200mW -- sind also völlig wert- und nutzlos! Viele "Long Range" WLAN-Adapter besitzen dennoch (zumindest für Deutschland) völlig sinnlose Sendeleistungen von 500mW, 1000mW oder gar 2000mW. Einige WLAN-Router erreichen jedoch nicht mal 100mW.
Zudem sollte es möglich sein, bei den Geräten die Sendeleistung einstellen zu können, um auch bei Verwendung anderer Antennen die Grenzwerte einzuhalten.

Bei der Empfangsempfindlichkeit gibt es zwischen verschiedenen WLAN-Adaptern gravierende Unterschiede. Gute Geräte besitzen bei 11 Mbit eine Empfindlichkeit von bis zu -97 dBm; schlechte teils nur -85 dBm. Viele Hersteller geben die Empfangsempfindlichkeit ihrer Geräte nichtmal an, was keine sonderlich guten Werte vermuten lässt. Wenn man bedenkt, dass ein Unterschied von 6 dB eine Verdopplung der Reichweite bedeutet, heißt dies im Klartext: Die Wahl eines empfindlichen WLAN-Geräts kann -- im Vergleich zu einem "schlechten" WLAN-Gerät -- zu einer 4-fach so hohen Reichweite führen!

Für eine hohe Reichweite sollte man also ein Gerät mit möglichst hoher Empfangsempfindlichkeit und einstellbarer Sendeleistung verwenden.

WLAN-Modus

Die Empfangsempfindlichkeit ist zudem abhängig vom gewählten WLAN-Modus (b,g,n) und der eingestellten Geschwindigkeit. Grob gesagt ist die Reichweite um so höher, je niedriger die eingestellte Geschwindigkeit ist.

WLAN-Gerät	1 Mbit	11 Mbit	54 Mbit
Zioncomm WL0162	-101 dBm	-95 dBm	-76 dBm
Alfa AWUS036NEH		-97 dBm	-76 dBm
Alfa AWUS036H		-92 dBm	-76 dBm

Die höchsten Reichweiten erzielt man also mit 802.11b und 1 Mbit

Antennen

Die max. (Sende-)Leistung ist ja entspr. EIRP begrenzt, d.h. es darf nirgends eine höhere Strahlungsleistung entstehen, als ein Isotropstrahler bestimmter Leistung abgeben würde. Dies bedeutet:

• Senderichtung:
  Verwendet man eine bessere Antenne (z.B. eine Richtantenne), so muss man im WLAN-Gerät die Sendeleistung entsprechend dem Antennengewinn verringern, um die Grenzwerte nicht zu überschreiten! In Senderichtung ist eine bessere Antenne also praktisch "nutzlos". (Allerdings reduziert man die WLAN-"Strahlung" in "uninteressanten" Richtungen, und stört damit z.B. andere WLANs weniger.)
  
  Kabelverluste sind beim Senden ebenso irrelevant, da sie durch die Einstellung einer höheren Sendeleistung im WLAN-Gerät kompensiert werden können.

• Empfangsrichtung:
  In Empfangsrichtung sieht dies anders aus, denn hier wirken sich Antennengewinn und Kabelverluste direkt auf die am WLAN-Gerät ankommende Signalstärke aus. Kabelverluste sollten also möglichst gering gehalten werden.

Das "Senden" kann (bzw. darf) man durch Antennen also nicht verbessern, das "Empfangen" dagegen schon.

Umgebung

Die Umgebung -- wie Wände, Gebäude, Bäume usw. -- spielen bei der Reichweite von WLAN-Netzen eine große Rolle. Jedoch ist diese Umgebung bei jeder Anwendung unterschiedlich, so dass hier nur ein "Ausprobieren" vor Ort verlässliche Werte ergibt.

Wichtig für einen guten Empfang ist eine möglichst freie Fresnelzone zwischen den WLAN-Geräten. Bei 2.45GHz-WLAN berechnet sich der max. Radius der Fresnel-Zone wie folgt:

  r = 0.157m * sqrt(Abstand)

z.B.:

Abstand	Fresnel-Radius
10m	0.55m
100m	1.75m
200m	2.5m
1000m	5.5m

Im freien Feld sollte die Höhe der Antennen also mindestens so groß sein wie dieser Radius, damit der Boden das WLAN-Netz nicht dämpft.

Berechnung

Für den Betrieb eines WLAN-Netzes auf dem freien Feld (mit freier Fresnel-Zone und optimalen Bedingungen) läßt sich die maximal erreichbare Reichweite grob abschätzen. Allerdings sollte man diese Abschätzung durch praktische Messungen überprüfen:

• Die am Empfänger ankommende Leistung berechnet sich zu:

   Sendeleistung - Kabelverluste + Antennenverstärkung
   - "Streckenverlust"
   + Antennenverstärkung - Kabelverluste + Empfangsempfindlichkeit(*-1)

• Um überhaupt WLAN-Empfang zu haben, muss beim Empfänger ein Signal ankommen, das mindestens so groß ist wie die Empfangsempfindlichkeit des Geräts. Für eine stabile Verbindung sollte man jedoch weitere ca. 10dB veranschlagen.
• Für schlechtes Wetter sollte man evtl. eine zusätzliche "Reserve" von ca. 10 dBm einplanen
• Der "Streckenverlust" beträgt auf freiem Feld unter Idealbedingungen ca. 100 dB bei 1000m

Rechenbeispiele für "stabilen Betrieb" bei gutem Wetter:
(ohne Schlecht-Wetter-Reserve, Sendeleistung-Kabelverluste+Antennenverstärkung = 20 dBm, Kabelverluste 3 dB, alle Angaben in dBm)

WLAN-Gerät	Empfangsempf.	Antennengewinn	125m	250m	500m	1000m	Strecke bei ==0
Zioncom WL0162	-101 (1 Mbps)	9 dBi	35	29	23	17	7.08 km
Zioncom WL0162	-101 (1 Mbps)	5 dBi	31	25	19	13	4.47 km
TP-Link TL-WN722N	-90 (1 Mbps)	9 dBi	24	18	12	6	2.00 km
TP-Link TL-WN722N	-90 (1 Mbps)	4 dBi	19	13	7	1	1.12 km
Zioncom WL0162	-95 (11 Mbps)	9 dBi	29	23	17	11	3.55 km
Zioncom WL0162	-95 (11 Mbps)	5 dBi	25	19	13	7	2.24 km
TP-Link TL-WN722N	-85 (11 Mbps)	9 dBi	19	13	7	1	1.12 km
TP-Link TL-WN722N	-85 (11 Mbps)	4 dBi	14	8	2	-4	0.63 km

In der Theorie lassen sich also unter Idealbedingungen -- und wenn die Herstellerangaben zu den Geräten stimmen -- sehr große Strecken überbrücken.

Messung

Zur Messung benötigt man zwei (mobile) Rechner inkl. WLAN-Geräten und Antennen, und idealerweise ein GPS zum Feststellen der Messdistanz. Damit kann man dann bei verschiedenen Entfernungen die Signalstärke und die (Netto-)Übertragungsrate messen.

Für die folgende Messung wurde

• als "Basisstation" ein Alfa AWUS036NEH (Ralink RT3070L) mit originaler 5dBi Antenne und neuem rt2800usb-Treiber
• als "Messstation" ein Alfa AWUS036H (Realtek 8187L), ein Edimax EW-7711USn (Ralink RT2870) und ein eingebauter WLAN-Adapter (Intel 5100 Wifi) mit jeweils den Originalantennen, und am Ende ein Edimax EW-7711USn mit 9dBi-Omni-Antenne
• als Messstrecke ein freies Feld
• als Antennenhöhe ca. 1.5m
• 802.11g

verwendet.

Messergebnis:

Interpretation:

• Der Linux-Treiber des Alfa AWUS036H (rtl8187) scheint noch nicht ausgereift, da das Messergebnis deutlich unter den zu erwartenden Werten zurück bleibt.
• Für eine bessere Auswertung und ein verlässlicheres Ergebnis wären mehr und detailliertere Messungen notwendig.
• Mit einem "mittelmäßigen" WLAN-Adapter und einer 9dBi-Antenne war eine stabile Verbindung über 700m möglich!
• Mit guten WLAN-Adaptern und niedrigeren Geschwindigkeitseinstellungen sollte eine noch deutlich größere Reichweite erzielbar sein.

Weitere Messungen werden in Zukunft folgen.