Wireless Local Area Network

Wireless Local Area Network [ˈwaɪəlɪs ləʊkl ˈɛəɹɪə ˈnɛtwɜːk] (deutsch: wörtlich „drahtloses lokales Netzwerk“ – Wireless LAN, W-LAN, WLAN) bezeichnet ein lokales Funknetz, wobei meistens ein Standard der IEEE-802.11-Familie gemeint ist. Für diese engere Bedeutung wird in manchen Ländern (z. B. USA, Großbritannien, Kanada, Niederlande, Spanien, Frankreich, Italien) weitläufig bzw. auch synonym der Begriff Wi-Fi verwendet.

Im Gegensatz zum Wireless Personal Area Network (WPAN) haben WLANs größere Sendeleistungen und Reichweiten und bieten im Allgemeinen höhere Datenübertragungsraten. WLANs stellen Anpassungen der Schicht 1 und 2 des OSI-Referenzmodells dar, wohingegen in WPANs z. B. über eine im Netzwerkprotokoll vorgesehene Emulation der seriellen Schnittstelle und PPP bzw. SLIP eine Netzverbindung aufgebaut wird. Bei WLAN kommt heute meistens das Modulationsverfahren OFDM zum Einsatz.

Betriebsart

WLANs können – je nach Hardwareausstattung und Bedürfnissen der Betreiber – in verschiedenen Modi betrieben werden:

Infrastruktur-Modus

Der Infrastruktur-Modus ähnelt im Aufbau dem Mobilfunknetz: Ein drahtloser Router oder ein Access Point übernimmt die Koordination aller anderen Netzknoten (Clients). Dieser sendet in einstellbaren Intervallen (üblicherweise zehnmal pro Sekunde) kleine Datenpakete, sogenannte „Beacons“ (engl. „Leuchtfeuer“), an alle Stationen im Empfangsbereich. Die Beacons enthalten u. a. folgende Informationen:

• Netzwerkname („Service Set Identifier“, SSID),
• Liste unterstützter Übertragungsraten,
• Art der Verschlüsselung.

Dieses „Leuchtfeuer“ erleichtert den Verbindungsaufbau ganz erheblich, da die Clients lediglich den Netzwerknamen und optional einige Parameter für die Verschlüsselung kennen müssen. Gleichzeitig ermöglicht der ständige Versand der Beacon-Pakete die Überwachung der Empfangsqualität – auch dann, wenn keine Nutzdaten gesendet oder empfangen werden. Beacons werden immer mit der niedrigsten Übertragungsrate (1 MBit/s) gesendet, der erfolgreiche Empfang des „Leuchtfeuers“ garantiert also noch keine stabile Verbindung mit dem Netzwerk.

Da WLAN auf der Sicherungsschicht (Schicht 2 im OSI-Modell) dieselbe Adressierung wie Ethernet verwendet, kann über einen Wireless Access Point mit Ethernet-Anschluss leicht eine Verbindung zu kabelgebundenen Netzen (im WLAN-Jargon „Distribution System“, DS) hergestellt werden. Eine Ethernet-Netzwerkkarte kann folglich nicht unterscheiden, ob sie mit einer anderen Ethernet-Netzwerkkarte oder (über einen Access Point) mit einer WLAN-Karte kommuniziert. Allerdings muss zwischen 802.11 (WLAN) und 802.3 (Ethernet) konvertiert werden.

Der Aufbau großer WLANs mit mehreren Basisstationen und unterbrechungsfreiem Wechsel der Clients zwischen den verschiedenen Basisstationen ist im Standard vorgesehen. In der Praxis kommt es dabei allerdings zu Problemen:

• Die Frequenzbereiche der Basisstationen überlappen sich und führen zu Störungen.
• Da – anders als in Mobilfunknetzen – die „Intelligenz“ komplett im Client steckt, gibt es kein echtes Handover zwischen verschiedenen Basisstationen. Ein Client wird im Normalfall erst nach einer neuen Basisstation suchen, wenn der Kontakt zur vorherigen bereits abgebrochen ist.

Eine Lösung für dieses Problem steckt in der Verlagerung der Kontrollfunktionen in die Basisstationen bzw. das Netzwerk: Eine zentrale Instanz kann Frequenzen, Sendeleistung etc. besser steuern und z. B. auch einen Handover initiieren. Da die Basisstationen in einem solchen Szenario einen Teil ihrer Funktionalität verlieren und direkt mit der zentralen Instanz kommunizieren können müssen, wird an entsprechenden Geräteklassen (Lightweight Access Point) und Protokollen gearbeitet. Proprietäre Lösungen existieren bereits seit einigen Jahren, offene Standards (z. B. das Lightweight Access Point Protocol) sind dagegen immer noch in Arbeit. Diskussionen entzünden sich vor allem an der Frage, welches Gerät welche Funktionen übernehmen soll.

Ad-hoc-Modus

Im Ad-hoc-Modus ist keine Station besonders ausgezeichnet, sondern alle sind gleichwertig. Ad-hoc-Netze lassen sich schnell und ohne großen Aufwand aufbauen, für die spontane Vernetzung weniger Endgeräte sind allerdings andere Techniken (Bluetooth, Infrarot) eher gebräuchlich.

Die Voraussetzungen für den Ad-hoc-Modus sind dieselben wie für den Infrastruktur-Modus: Alle Stationen benutzen denselben Netzwerknamen („Service Set Identifier“, SSID) und optional dieselben Einstellungen für die Verschlüsselung. Da es in einem Ad-hoc-Netz keine zentrale Instanz (Access Point) gibt, muss deren koordinierende Funktion von den Endgeräten übernommen werden. Eine Weiterleitung von Datenpaketen zwischen den Stationen ist nicht vorgesehen und in der Praxis auch nicht ohne weiteres möglich, denn im Ad-hoc-Modus werden keine Informationen ausgetauscht, die den einzelnen Stationen einen Überblick über das Netzwerk geben könnten. Aus diesen Gründen eignet sich der Ad-hoc-Modus nur für eine sehr geringe Anzahl von Stationen, die sich wegen der begrenzten Reichweite der Sender zudem physisch nahe beieinander befinden müssen. Ist das nicht der Fall, kann es vorkommen, dass eine Station nicht mit allen anderen Stationen kommunizieren kann, da diese schlicht kein Signal mehr empfangen.

Um dieses Problem zu beheben, können die teilnehmenden Stationen mit Routing-Fähigkeiten ausgestattet werden, so dass sie in der Lage sind, Daten zwischen Geräten weiterzuleiten, die sich nicht in Sendereichweite zueinander befinden. Erhebung und Austausch von Routing-Informationen ist Teil der Aufwertung eines Ad-hoc-Netzwerks zum mobilen Ad-hoc-Netzwerk: Softwarekomponenten auf jeder Station sammeln Daten (z. B. zur „Sichtbarkeit“ anderer Stationen, Verbindungsqualität etc.), tauschen sie untereinander aus und treffen Entscheidungen für die Weiterleitung der Nutzdaten. Die Forschung in diesem Bereich ist noch nicht abgeschlossen und hat neben einer langen Liste von experimentellen Protokollen (AODV, OLSR, MIT RoofNet, B.A.T.M.A.N. etc.) und Standardisierungsvorschlägen (Hybrid Wireless Mesh Protocol, 802.11s) auch einige kommerzielle Lösungen (z. B. Adaptive Wireless Path Protocol von Cisco) hervorgebracht. Siehe in diesem Zusammenhang auch: Freies Funknetz.

Wireless Distribution System (WDS) und Repeating

Zur Reichweitenerhöhung bestehender Funknetze bzw. Verbindung kabelgebundener Netze via Funk (Wireless Bridging) existieren verschiedene Methoden, siehe dazu Wireless Distribution System.

Frequenzen

Für drahtlose Netzwerke sind bisher zwei lizenzfreie Frequenzblöcke aus den ISM-Bändern freigegeben worden:

Standard	Frequenzen	Kanäle
IEEE 802.11a/h	5,15–5,725 GHz	Kanäle: 19, alle überlappungsfrei, in Europa mit TPC und DFS nach 802.11h
IEEE 802.11b/g	2,4–2,4835 GHz	Kanäle: b: 11 in den USA, 13 in Europa und 14 in Japan. g: 11 in den USA, 13 in Europa und Japan. Davon überlappungsfrei nutzbar: b: USA und Europa 3, in Japan maximal 4 Kanäle. g: 3 in den USA, 4 in Europa und Japan (durch geringere Kanalbreite bei OFDM)
IEEE 802.11n	2,4–2,4835 GHz und 5,15–5,725 GHz

Die Kanalbandbreite beträgt bei 802.11a,b,g und h 20 MHz und bei 802.11n 40 MHz.

Datenübertragungsraten

Standard	Datenübertragungsraten
IEEE 802.11	2 Mbit/s maximal
IEEE 802.11a	54 Mbit/s maximal (108 Mbit/s bei 40 MHz Bandbreite proprietär)
IEEE 802.11b	11 Mbit/s maximal (22 Mbit/s bei 40 MHz Bandbreite proprietär, 44 Mbit/s bei 80 MHz Bandbreite proprietär)
IEEE 802.11g	54 Mbit/s maximal (g+ = 108 Mbit/s proprietär, bis 125 Mbit/s möglich)
IEEE 802.11h	54 Mbit/s maximal (108 Mbit/s bei 40 MHz Bandbreite)
IEEE 802.11n 2,4 und 5 GHz	600 Mbit/s maximal (Verwendung von MIMO-Technik)

Bei der Betrachtung der Datenübertragungsraten ist zu berücksichtigen, dass sich alle Geräte im Netz die Bandbreite für Up- und Download teilen. Weiterhin sind die angegebenen Datenübertragungsraten Bruttowerte, und selbst unter optimalen Bedingungen liegt die erreichbare Nettoübertragungsrate nur wenig über der Hälfte dieser Angaben. Im Mischbetrieb (802.11b + g) kann die Übertragungsrate gegenüber dem reinen 802.11g-Betrieb deutlich einbrechen. Die folgenden Netto-Datenübertragungsraten sind unter optimalen Bedingungen in der Praxis realistisch erreichbar^[1]:

Standard	Netto-Datenraten
IEEE 802.11a	20–22 Mbit/s
IEEE 802.11b	5–6 Mbit/s
IEEE 802.11g	20–22 Mbit/s
IEEE 802.11n	100–120 Mbit/s

Übertragungsart: Einzelträger (DSSS)

Bei den folgenden Raten wird sowohl Frequenz- als auch Codespreizung eingesetzt. Die Raten mit PBCC sind optionale Erweiterungen und werden meistens nicht unterstützt.

Übertragungsrate	Modulation	Kodierung	Kommentar
1 Mbit/s	DBPSK	CBC	wird für Beacons verwendet
2 Mbit/s	DQPSK	CBC
5,5 Mbit/s	DQPSK	CCK
5,5 Mbit/s	BPSK	PBCC	optional
11 Mbit/s	DQPSK	CCK
11 Mbit/s	QPSK	PBCC	optional
22 Mbit/s	8-PSK	PBCC	optional
33 Mbit/s	8-PSK	PBCC	optional

Übertragungsart: Mehrträger (OFDM, 20 MHz Kanalbreite)

Bei den folgenden Raten wird ein Faltungscode mit einer Informationsrate von 1/2 eingesetzt. Die Informationsraten 2/3 und 3/4 kommen durch nachträgliche Punktierung des zuvor generierten Bitstroms mit der Informationsrate von 1/2 zustande, d.h. die Redundanzen werden teilweise wieder gelöscht.

OFDM 20 MHz	Informationsrate
Modulation	1/2	2/3	3/4
BPSK	6 Mbit/s	n/a	9 Mbit/s
QPSK	12 Mbit/s	n/a	18 Mbit/s
16 QAM	24 Mbit/s	n/a	36 Mbit/s
64 QAM	n/a	48 Mbit/s	54 Mbit/s

Frequenzen und Kanäle

Kanal	Frequenz (MHz)	Nutzungsbedingungen
		Europa	USA	Japan
1*	2412	100 mW	100 mW	100 mW
2	2417	100 mW	100 mW	100 mW
3	2422	100 mW	100 mW	100 mW
4	2427	100 mW	100 mW	100 mW
5*	2432	100 mW	100 mW	100 mW
6	2437	100 mW	100 mW	100 mW
7	2442	100 mW	100 mW	100 mW
8	2447	100 mW	100 mW	100 mW
9*	2452	100 mW	100 mW	100 mW
10	2457	100 mW	100 mW	100 mW
11	2462	100 mW	100 mW	100 mW
12	2467	100 mW	100 mW, wenn das Signal bis 2483,5 MHz um 50 dB abfällt	100 mW
13*	2472	100 mW	100 mW, wenn das Signal bis 2483,5 MHz um 50 dB abfällt	100 mW
14	2484	verboten	verboten	nur DSSS (802.11b)
*Ab 802.11g sollten nur noch die Kanäle 1, 5, 9 und 13 verwendet werden, um dem überlappungsfreien 20-MHz-Kanalschema gerecht zu werden, das aus 802.11a übernommen wurde.

Kanalnummer	Frequenz (GHz)	Erlaubt in
36	5,180	EU, USA, Japan
40	5,200	EU, USA, Japan
44	5,220	EU, USA, Japan
48	5,240	EU, USA, Japan
52	5,260	EU, USA
56	5,280	EU, USA
60	5,300	EU, USA
64	5,320	EU, USA
100	5,500	EU
104	5,520	EU
108	5,540	EU
112	5,560	EU
116	5,580	EU
120	5,600	EU
124	5,620	EU
128	5,640	EU
132	5,660	EU
136	5,680	EU
140	5,700	EU
147	5,735	USA
151	5,755	USA
155	5,775	USA
167	5,835	USA

Der Bereich 5150–5350 MHz darf in Deutschland nur in geschlossenen Räumen genutzt werden. Der Bereich 5470–5725 MHz kann mit einer äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (EIRP) von bis zu 1,0 W genutzt werden, wenn die automatische Leistungsreglung (TPS) und das dynamische Frequenzwahlverfahren (DFS) verwendet werden.^[2] In Österreich existieren noch weitere Einschränkungen bei der Strahlungsleistung bei „Indoor“-Anwendungen. Dort darf die maximale Strahlungsleistung von 200 mW EIRP nicht überschritten werden.^[3]

Kanalbreiten, überlappungsfreie Kanäle und Spektralmasken

Spektralmasken für 802.11a/b/g/n

Überlappungsfreie Kanäle im 2,4-GHz-Band

Gemäß den Vorgaben des Normungsinstituts ETSI steht der WLAN-Anwendung im 2,4-GHz-Band eine Gesamtbandbreite von 83,5 MHz zur Verfügung (mit geringfügigen Unterschieden in den einzelnen Ländern der EU).

802.11

Der ursprüngliche, nicht mehr gebräuchliche WLAN-Standard 802.11 aus dem Jahr 1997 sah zwei Übertragungsarten vor. Die eine war das Frequenzsprungverfahren (FHSS), bei dem das verwendete Spektrum in viele kleine Kanäle zerteilt wird. Sender und Empfänger springen synchron nach vordefinierten Abfolgen von Kanal zu Kanal. Dies reduziert die Störungsempfindlichkeit erheblich. Die andere Übertragungsart war DSSS. DSSS ist ein Einzelträgerverfahren, bei dem die Sendeenergie auf einen breiten Frequenzbereich verteilt wird. Schmalbandige Störungen – wie etwa durch Bluetooth, ZigBee oder Modellflug – können dadurch praktisch "geschluckt" werden. Das Signal in einem DSSS-Kanal erstreckt sich über 22 MHz. Die störenden Ausläufer der Modulation am oberen und unteren Ende des Kanals müssen gedämpft werden. Daraus ergibt sich ein Kanalabstand von ebenfalls 22 MHz, wenn sich die für das Signal genutzten Bereiche nicht überlappen sollen. In den USA und Europa waren somit 3 überlappungsfreie Kanäle möglich, in Japan 4. Üblicherweise verwendete man die Kanäle 1, 6 und 11 sowie in Japan zusätzlich Kanal 14. Mit Leistungseinbußen war auch ein Betrieb mit geringerem Kanalabstand möglich.

802.11a/b

a

Bei der Entwicklung von 802.11a und 802.11b war aus technischer Sicht die Modulation OFDM die erste Wahl. Es handelt sich um ein Mehrträgerverfahren. Man entschied sich Kanäle von 20 MHz Breite zu verwenden. Ein Kanal besteht aus 52 Zwischenträgern (engl. sub-carrier) zu je 0,3125 MHz, also insgesamt 16,25 MHz, die tatsächlich für das Signal verwendet werden. Vier von diesen Zwischenträgern sind Pilotträger, übermitteln also keine Daten. Zur Robustheit des Signals tragen die Verfahren Subcarrier-Interleaving, Scrambling und Faltungscode bei. Subcarrier-Interleaving ist ein Frequenzsprungverfahren auf Ebene der Unterträger.

b

Da OFDM noch nicht für das 2,4-GHz-Band zugelassen war, als 802.11a (5 GHz) und 802.11b (2,4 GHz) entworfen und standardisiert wurden, musste man für 802.11b wieder auf DSSS mit 22 MHz Kanalbreite zurückgreifen, jedoch konnte durch eine neue Kodierungsart die Übertragungsrate auch mit DSSS erhöht werden.

802.11g

Nachdem OFDM auch für 2,4 GHz freigegeben wurde, hat man das 20-MHz-Kanalschema von 802.11a (5 GHz) auf 2,4 GHz übertragen. Im 2003 veröffentlichten Standard 802.11g wurde auch ein Kompatibilätsmodus für 802.11b-Geräte eingebaut. In Europa sind nun durch die geringere Kanalbreite 4 statt 3 überlappungsfreie Kanäle im 2,4-GHz-Band möglich (1, 5, 9 und 13). Dieses Kanalschema wird auch von der österreichischen Rundfunk und Telekom Regulierungs-GmbH (RTR) empfohlen.^[4] In Japan hat man darauf verzichtet Kanal 14 für OFDM freizugeben, sodass mit der Abnahme der Nutzung der inzwischen veralteten Übertragungsart DSSS der Kanal 14 wieder für andere Nutzungen frei wird.

802.11n

Mit 802.11n wurden 802.11a und g erweitert, sodass nun wahlweise ein Betrieb mit einem Kanalabstand von 40 MHz und einer Signalbreite von 33,75 MHz möglich ist. Das Signal setzt sich in diesem Modus aus 108 Zwischenträgern zu wiederum 0,3125 MHz zusammen. Sechs von diesen Trägern sind Pilotträger. Dadurch ergibt sich eine Steigerung der maximalen Übertragungsrate, jedoch halbiert sich die Anzahl der Überlappungsfreien Kanäle. Dies sind im 2,4-GHz-Band die Kanäle 3 und 11.

Anmerkungen

Es ist zu berücksichtigen, dass die WLAN-Kanäle 9 und 10 nahe am Spitzenwert der Leckfrequenz haushaltsüblicher Mikrowellenherde (2,455 GHz) liegen und dadurch eine starke Störung dieser Kanäle möglich ist.

Die Frequenzzuteilungen im 2,4-GHz-Band und im 5-GHz-Band sind für Deutschland der Webseite der Bundesnetzagentur und für Österreich der Webseite der Rundfunk und Telekom Regulierungs-GmbH zu entnehmen.^[5]

Reichweite und Antennen

Wendelantenne für 2,4 GHz, ca. 18 dBi, Eigenbau

54 MBit WLAN-PCI-Karte (802.11b/g) mit Dipolantenne (links neben dem Slotblech)

54 MBit WLAN-USB-Adapter (802.11b/g) mit integrierter Antenne

Wireless-LAN-Cardbus-Karte Typ II (802.11b/g) mit integrierter Antenne

Access Point, einsetzbar als Bridge und Repeater, mit Dipolantenne

Strahlungsleistung

Die zulässige äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) von 100 mW (2,4 GHz) bzw. 500 mW (5 GHz) handelsüblicher 802.11-Endgeräte lässt 30 bis 100 Meter Reichweite auf freier Fläche erwarten. Einige WLAN-Geräte erlauben den Anschluss einer externen Antenne. Mit externen Rundstrahlantennen lassen sich bei Sichtkontakt 100 bis 300 Meter im Freien überbrücken. In Sonderfällen lassen sich sogar 90 Meter durch geschlossene Räume erreichen. Die Reichweite ist stark von Hindernissen sowie Art und Form der Bebauung abhängig.

Leichtbauwände mindern die Reichweite durch Dämpfung, und können – je nach verwendetem (Metall-)Trägerbau sowie Art der Unterfolie ein großes Hindernis sein. Insbesondere Stein- und Betonaußenwände dämpfen, vor allem durch Feuchtigkeit bedingt, stark – ebenso wie metallbedampfte Glastüren bzw. Brandschutzkonstruktionen. Metalle werden nicht durchdrungen. Je stärker die elektrische Leitfähigkeit des Materials, desto stärker ist die Dämpfung.

Oberflächen können auch als Reflektor wirken, um Funklöcher „auszuspiegeln“ – je höher die Leitfähigkeit und je größer die Fläche, desto besser. Leitende Gegenstände in der Nähe von Antennen können deren Richtcharakteristik stark beeinflussen. Dicht belaubte Bäume dämpfen ebenfalls die Signalstärke bei WLAN-Verbindungen.

WLAN nach IEEE 802.11h (maximal 54 Mbit/s brutto) arbeitet im 5-GHz-Band, in dem ein größerer Frequenzbereich (455 MHz Bandbreite) zur Verfügung steht und damit 19 nicht überlappende Frequenzen (in Deutschland) lizenzfrei nutzbar sind. (Siehe dazu auch: U-NII) Im Normalbetrieb sind in Gebäuden nach IEEE 802.11h 200 mW äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) erlaubt. Jedoch nur ein kleiner Teil des Frequenzbereichs ist ohne strengere Auflagen (TPC, Transmitter Power Control und DFS, Dynamic Frequency Selection) nutzbar. Im Freien ist ebenfalls nur ein kleiner Frequenzbereich mit TPC und DFS erlaubt. In diesem sind auch höhere äquivalente isotrope Strahlungsleistungen bis 1 Watt EIRP gestattet.^[6] TPC und DFS sollen sicherstellen, dass Satellitenverbindungen und Radargeräte nicht gestört werden (World Radio Conference 2003). Das und die höheren Kosten der Hardware aufgrund der höheren Frequenz bewirken, dass sich 802.11a/h noch nicht gegen 802.11b oder g durchgesetzt hat.

Mit speziellen Richtfunkantennen lassen sich bei Sichtkontakt mehrere Kilometer überbrücken. Dabei werden teilweise Rekorde mit Verbindungen über bis zu hundert Kilometer aufgestellt, bei denen keine Sendeverstärker eingesetzt werden, sondern nur Antennen mit hohem Gewinn. Allerdings funktioniert das nur bei quasi-optischer Sicht und möglichst freier erster Fresnelzone. Die zulässige äquivalente isotrope Strahlungsleistung wird dabei aber meist deutlich überschritten.

Antennen bringen sowohl einen Sende- als auch einen Empfangsgewinn (Antennengewinn, angegeben in dBi), indem sie elektromagnetische Wellen bündeln. Daher muss statt der Sendeleistung die sogenannte äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) zur Beschränkung herangezogen werden.

Die effektive isotrope Strahlungsleistung ist diejenige Sendeleistung, die ein Sender mit einem idealen Kugelstrahler als Antenne benötigen würde, um die gleiche Leistungsflussdichte zu erreichen. Wenn man die Strahlung (ähnlich wie bei einem Scheinwerfer) in eine bestimmte Richtung konzentriert, braucht man für die gleiche Leistungsflussdichte in der Hauptrichtung der Antenne eine bedeutend geringere Sendeleistung. Das Verhältnis dieser Leistungen ist der Antennengewinn.

In Deutschland ist die effektive isotrope Strahlungsleistung von WLAN-Anlagen auf 100 mW (= 20 dBm) EIRP (bei 2,4 GHz), 200 mW (= 23 dBm) EIRP (bei 5,15–5,35  GHz über 5,25 GHz mit TPC und DFS) bzw. 1000 mW (= 30 dBm) EIRP (bei 5,47–5,725  GHz mit TPC und DFS) begrenzt.

Es besteht inzwischen keine behördliche Meldepflicht mehr für grundstücksüberschreitende Funkanlagen. Der Betreiber trägt die Verantwortung, dass seine Anlage die vorgeschriebenen Grenzwerte nicht überschreitet. In Deutschland dürfen uneingeschränkt auch selbstgebaute Antennen verwendet werden. Dafür ist keine Lizenz notwendig. Die Bundesnetzagentur, früher Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP), noch früher Bundespost, BAPT), hat die entsprechenden Frequenzbereiche in einer Allgemeinzuteilung lizenzfrei gestellt. Reglementiert ist somit lediglich der Sendeweg. Auf der Empfangsseite gibt es keine Beschränkungen. Deshalb kann bei zu geringer Sendeleistung der Gegenstelle auf der Empfangsseite ein beliebig hoher Antennengewinn eingesetzt werden, wenn z. B. der Access Point Lösungen mit getrennten Sende- und Empfangsantennen mit unterschiedlichem Gewinn erlaubt.

Berechnet wird die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) (in dBm) eines WLAN-Gerätes:

+ elektrische Sendeleistung (dBm)

+ Verstärkung eines zusätzlichen Verstärkers (dB) (falls vorhanden)

− Dämpfung der Kabel (dB/m × Länge)

− Dämpfung der Stecker (dB) (meist vernachlässigbar)

− Dämpfung eines Blitzschutzadapters (dB) (falls vorhanden)

+ Gewinn der Antenne (dBi)

__________________________________________________

= EIRP (dBm)

Sendeleistung

Gängige WLAN-Geräte für 2,4 GHz haben Sendeleistungen von 13–16 dBm (20–40 mW). Da 20 dBm (100 mW) EIRP erlaubt sind, hat man bei Verwendung einer Dipolantenne (2 dBi Gewinn) die Möglichkeit, die Sendeleistung bis auf ca. 60 mW zu erhöhen, ohne die EIRP-Grenze zu überschreiten. Das geht bei einigen Access Points mit regulierbarer Sendeleistung.

Man kann auch Rundstrahler mit Gewinn (vertikale Bündelung) oder Richtantennen verwenden. Abzüglich der Kabeldämpfung können diese 5 bis 10 dBi Gewinn haben und eine Verstärkung des Funkfeldes in eine Richtung auf Kosten der anderen Richtungen bewirken. Dabei wird aber evtl. die zulässige EIRP überschritten. Auf diese Weise lässt sich z. B. mit 6 dB Gewinn (vierfache EIRP) die Reichweite verdoppeln.

Einige WLAN-Geräte beherrschen auch einen Antenna-Diversity-Modus. Dafür müssen zwei Antennen am Gerät angeschlossen sein. Übertragungsfehler durch Interferenzen lassen sich dann verringern, indem dauernd zwischen den beiden Antennen umgeschaltet wird und diejenige verwendet wird, die das stärkere Signal liefert. Die zwei Antennenanschlüsse können auch in einer bistatischen Konfiguration genutzt werden, bei der zum Senden und Empfangen getrennte Antennen genutzt werden. Das hat den Vorteil, für den Empfang eine Antenne höheren Gewinns einsetzen zu können, mit der beim Senden die zulässige Strahlungsleistung überschritten würde.

Zur Verbindung eines WLAN-Gerätes mit einer zugehörigen Antenne werden koaxiale Steckverbinder verwendet. Bei WLAN sind das hauptsächlich die sonst selten verwendeten RP-TNC- und RP-SMA-Steckverbinder. Die FCC ordnete für WLAN die Verwendung von besonderen Koaxialsteckern an, um den (versehentlichen) Anschluss von nicht für WLAN gedachten Antennen durch den Endanwender zu verhindern.^[7].

Die Kabeldämpfung spielt bei den verwendeten Frequenzen eine erhebliche Rolle. So hat z. B. dämpfungsarmes H155-Kabel bei 2,4 GHz eine Dämpfung von 0,5 dB/m.

Datensicherheit

Ohne Maßnahmen zur Erhöhung der Informationssicherheit sind drahtlose, lokale Netzwerke Angriffen ausgesetzt, wie zum Beispiel beim Snarfing oder bei Man-In-The-Middle-Angriffen. Es ist daher erforderlich, das mit entsprechenden Mitteln, insbesondere durch die Verwendung von Verschlüsselung und Kennwörtern (Authentifizierung) zu verhindern oder zumindest deutlich zu erschweren.

Verschlüsselung

Teil des WLAN-Standards IEEE 802.11 ist Wired Equivalent Privacy (WEP), ein Sicherheitsstandard, der den RC4-Algorithmus enthält. Die darin enthaltene Verschlüsselung mit einem nur 40 Bit (64 Bit genannt) bzw. 104 Bit (128 Bit genannt), bei einigen Herstellern auch 232 Bit (256 Bit genannt) langen statischen Schlüssel reicht jedoch nicht aus, das WLAN ausreichend zu sichern. Durch das Sammeln von Schlüsselpaaren sind Known-Plaintext-Angriffe möglich. Es gibt frei erhältliche Programme, die sogar ohne vollständigen Paketdurchlauf in der Lage sind, einen schnellen Rechner vorausgesetzt, das Passwort zu entschlüsseln. Jeder Nutzer des Netzes kann den gesamten Verkehr zudem mitlesen. Die Kombination von RC4 und CRC wird als kryptografisch unsicher betrachtet.

Aus diesen Gründen sind technische Ergänzungen entwickelt worden, etwa WEPplus, Wi-Fi Protected Access (WPA) als Vorgriff und Teilmenge zu 802.11i, Fast Packet Keying, Extensible Authentication Protocol (EAP), Kerberos oder High Security Solution, die alle mehr oder weniger gut das Sicherheitsproblem von WLAN verkleinern.

Der Nachfolger von WEP ist der neue Sicherheitsstandard 802.11i. Er bietet eine erhöhte Sicherheit durch Advanced Encryption Standard (AES) (bei WPA2) und gilt zur Zeit als nicht entschlüsselbar, solange keine trivialen Passwörter verwendet werden, die über eine Wörterbuch-Attacke geknackt werden können. Als Empfehlung kann gelten, mit einem Passwortgenerator Passwörter zu erzeugen, die Buchstaben in Groß- und Kleinschreibung, Zahlen und Sonderzeichen enthalten und nicht kürzer als 32 Zeichen sind.

WPA2 ist das Äquivalent der Wi-Fi Alliance zu 802.11i, das mit dem Verschlüsselungsalgorithmus AES (Advanced Encryption Standard mit Schlüssellängen von 256 Bit) arbeitet und in neueren Geräten meist unterstützt wird. Einige Geräte lassen sich durch Austausch der Firmware mit WPA2-Unterstützung nachrüsten. Jedoch erfolgt hier die Verschlüsselung meist ohne Hardwarebeschleunigung, so dass der Zugewinn an Sicherheit durch eine starke Einbuße an Übertragungsrate erkauft wird.

Eine alternative Herangehensweise besteht darin, die Verschlüsselung komplett auf IP-Ebene zu verlagern. Dabei wird der Datenverkehr beispielsweise durch die Verwendung von IPsec oder durch einen VPN-Tunnel geschützt. Besonders in freien Funknetzen werden so die Inkompatibilitäten verschiedener Hardware umgangen, eine zentrale Benutzerverwaltung vermieden und der offene Charakter des Netzes gewahrt.

Zur rechtlichen Situation siehe weiter unten.

Beim sogenannten WarWalking (oder beim Abfahren ganzer Gegenden mit dem Auto Wardriving genannt) werden mit einem WLAN-fähigen Notebook oder PDA offene WLANs gesucht. Diese können mit Kreide markiert werden (WarChalking). Das Ziel dabei ist, Sicherheitslücken aufzudecken und dem Betreiber zu melden und die Verbreitung von WLAN zu untersuchen, oder diese zum eigenen Vorteil (kostenlos und unter fremdem Namen surfen) auszunutzen.

Authentifizierung

Extensible Authentication Protocol ist ein Protokoll zur Authentifizierung von Clients. Es kann zur Nutzerverwaltung auf RADIUS-Server zurückgreifen. EAP wird hauptsächlich innerhalb von WPA für größere WLAN-Installationen eingesetzt.

Eine Authentifizierung ist auch über die MAC-Adresse der drahtlosen Netzwerkadapter möglich. Die MAC-Adresse ist eine Hardware-Kennung anhand derer sich jeder angeschlossene Netzwerkadapter identifizieren lässt. Die meisten Access Points bzw. Router bieten die Möglichkeit, den Zugriff nur für bestimmte MAC-Adressen zu ermöglichen. Allen nicht zugelassenen MAC-Adressen wird dann keine IP-Adresse zugewiesen, bzw. der Zugriff auf den Access Point ist blockiert. Eine alleinige Sicherung über MAC-Adressen-Filterung ist jedoch nicht sicher, da sich solche Adressen problemlos einstellen lassen. Gültige MAC-Adressen können z. B. durch das Mitlauschen des Datenverkehrs anderer Teilnehmer gefunden werden. Aber auch Verschlüsselungen lassen sich auf diese Weise knacken.

Grundlegende Sicherheitsmaßnahmen

Dazu gehören einige Einstellungen am Router bzw. Access Point:

• Aktivierung der Verschlüsselung mit einer sicheren Verschlüsselungsmethode, d. h. mindestens WPA
• Vergabe eines sicheren Netzwerkschlüssels,
• Ersetzen der werkseitig voreingestellten Router- bzw. Access-Point-Passwörter,
• Änderung des werkseitig voreingestellten, meist den Gerätetyp verratenden SSID-Namens,
• Deaktivierung der Fernkonfiguration des Routers, soweit vorhanden (insbesondere bei privaten Haushalten).

Gesellschaftliche Bedeutung

Die starke Verbreitung von Drahtlosnetzwerken in den letzten Jahren unterstreicht den Trend zu mehr Mobilität und flexibleren Arbeitsbedingungen. Bereits 2005 wurden in der Europäischen Union mehr Notebooks als Desktop-Rechner verkauft, die meisten davon mit eingebautem WLAN-Chip. Öffentliche und kommerzielle WLAN-Access-Points mit Internet-Anbindung, sogenannte „Hot Spots“, ermöglichen an vielen Orten den Zugriff auf das weltweite Datennetz. In den Eigenheimen der privaten Nutzer finden sich meist DSL-Zugangsgeräte mit eingebautem Access-Point, die die Telekommunikationsanbieter oft verbilligt zusammen mit dem Internet-Anschluss anbieten.

Daneben hat die freie Verfügbarkeit von Technik und Frequenzbändern aber auch eine politische Bedeutung: In bestehenden, kabelgebundenen Netzen sind die Endverbraucher um große Provider versammelt, über die der Datenverkehr relativ zentral abgewickelt wird, was diese in eine Machtposition bei der Kontrolle des Datenverkehrs hebt. Der Benutzer tritt relativ konsumorientiert und am Rande der Netzwerke auf. Hat ein Anbieter z. B. aus finanziellen Gründen kein Interesse daran, die Endverbraucher mit seinen Leistungen zu versorgen, sind diese vom Netz abgeschnitten oder müssen auf andere Technologien ausweichen: ISDN, Analog-Modems, GPRS, UMTS oder WiMAX.

Durch Wegfall der Kosten einer teuren kabelgebundenen Infrastruktur können Bürgerschaften mit der WLAN-Technik öffentliche Netze errichten und diese z. B. an einem geeigneten Standort mit dem Internet verbinden. Bildlich wird gerne das Entstehen einer Datenwolke im Äther als frei verfügbares Allgemeingut über einer Gemeinde geschildert. Ihr volles Potenzial entwickelt diese Idee durch Protokolle für Mesh-Netze (MANET, Ad-hoc-Netz). Solche Ansätze funktionieren in kleinen „Wolken“ auch ohne große Koordination befriedigend, größere Netze erfordern eine strukturierte Architektur. Siehe dazu auch: Freies Funknetz.

Weitere Anwendungen

WLAN kann auch als Plattform zur Lokalisierung in Städten und Gebäuden verwendet werden. Seit Anfang 2008 wird dazu vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen auf einer Fläche von 25 Quadratkilometern in Nürnberg eine Testumgebung betrieben. Nach einer ersten Betriebsphase soll das System auf weitere deutsche und europäische Städte wie zum Beispiel Berlin, München, Frankfurt, London, Paris und Mailand ausgedehnt werden.^[8][9]

Google nutzt die Daten von WLANs zur Lokalisierung der Nutzer, und bietet so eine Alternative zur Lokalisierung per GPS.^[10]

Es wird auch intensiv geforscht, inwieweit WLAN auch im öffentlichen Straßenverkehr genutzt werden kann, um die Verkehrssicherheit zu erhöhen.^[11]

Rechtliche Lage in Deutschland

Umstritten war bislang die Frage, inwieweit der Anschlussinhaber eines WLAN für Rechtsverletzungen Dritter haftet, die gleichwohl unter der IP-Adresse des Anschlussinhabers begangen werden. In diesem Zusammenhang steht auch die Rechtsfrage, welche Schutzmaßnahmen ein Anschlussinhaber überhaupt zu ergreifen hat und wo ggf. zumutbare Schutzmaßnahmen enden.

Das Hanseatische Oberlandesgericht entschied, dass ein sorgeberechtigter Elternteil als Störer auch für Urheberrechtsverletzungen haftet, die durch seine Kinder begangen wurden. Den Eltern sei es zumutbar technische Maßnahmen zu ergreifen, um die Nutzung illegaler Tauschbörsen zu verhindern (Beschl. v. 11. Oktober 2006 - 5 W 152/06). Auch das Oberlandesgericht Köln sah die Haftung für Urheberrechtsverletzungen nicht bloß für eine GmbH als Anschlussinhaberin als gegeben an, sondern verurteilte auch gleich den Geschäftsführer der GmbH zur persönlichen Haftung aus dem Gesichtspunkt der Störerhaftung (Beschl. v. 8. Mai 2007 – 6 U 244/06).

Die gegenteilige Ansicht vertrat das Oberlandesgericht Frankfurt am Main. Die Frankfurter Richter entschieden, dass der Inhaber eines Internetanschlusses grundsätzlich nicht als Störer für die unberechtigte Nutzung einer WLAN-Verbindung durch unberechtigte Dritte haftet, die mit ihm in keinerlei Verbindung stehen (Urt. v. 1. Juli 2008 – 11 U 52/07).^[12] Nach Ansicht des Landgerichtes München I besteht jedoch keine Haftung eines Radiosenders für die durch einen Volontär begangenen Rechtsverletzungen, da kein Unternehmen grenzenlose Mitarbeiterüberwachungspflichten einhalten könne (Urteil v. 4. Oktober 2007 - 7 O 2827/07).

Diese uneinheitliche Rechtsprechung führte dazu, dass ein solcher Fall inzwischen beim Bundesgerichtshof anhängig war, der am 12. Mai 2010 eine grundlegende Entscheidung zu den Haftungsfragen verkündete (Az. I ZR 121/08). Privatpersonen können demnach auf Unterlassung, nicht dagegen auf Schadensersatz in Anspruch genommen werden, wenn ihr nicht ausreichend gesicherter WLAN-Anschluss von unberechtigten Dritten für Urheberrechtsverletzungen im Internet genutzt wird. Das hat der u. a. für das Urheberrecht zuständige I. Zivilsenat des Bundesgerichtshofs entschieden. ^[13]

Daneben stellt sich die Frage, ob sich derjenige, der unberechtigt ein offenes, fremdes WLAN nutzt, strafbar macht. Diese unberechtigte Nutzung wird teils in Anspielung auf „Schwarzfahren“ als „Schwarzsurfen“ bezeichnet. Das Amtsgericht Wuppertal hat 2007 entschieden, dass ein „Schwarzsurfer“ wegen eines Verstoßes gegen §§ 89 S. 1, 148 I 1 TKG und §§ 44, 43 II Nr. 3 BDSG strafbar ist.^[14] Nach einer neuen Entscheidung des Amtsgerichts Wuppertal soll „Schwarzsurfen“ nicht mehr unter Strafe stehen.^[15] Das Landgericht Wuppertal bestätigte diese Entscheidung. Schwarzsurfen sei unter keinem rechtlichen Gesichtspunkt strafbar. ^[16]

Diskussion gesundheitlicher Wirkungen

Die von WLAN-Geräten benutzten Funkfrequenzen liegen um 2,4 GHz bzw. 5,4 GHz, also im Mikrowellenbereich. WLAN wird daher im Zusammenhang mit möglichen gesundheitlichen Auswirkungen von Elektrosmog und in Bezug auf Elektrosensibilität diskutiert. Nach mehreren Studien, u. a. des Bundesamts für Strahlenschutz (BfS), gibt es innerhalb der gesetzlichen Expositionsgrenzwerte nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft keine Nachweise, dass diese hochfrequenten elektromagnetischen Felder gesundheitliche Risiken darstellen.

Laut dem Bundesamt für Strahlenschutz kann nichtionisierende Strahlung gesundheitliche Folgen haben: Um möglichen gesundheitlichen Risiken vorzubeugen, empfiehlt das BfS, die persönliche Strahlenbelastung durch eigene Initiative zu minimieren.^{[17] [18]}

Eine Wirkung elektromagnetischer Felder ist die Erwärmung von Gewebe. Der zugehörige Prozess heißt dielektrische Erwärmung. Als besonders gefährdet gegenüber dem thermischen Effekt gelten die Augenlinse und anderes schwach durchblutetes Gewebe, denn zusätzlich entstehende Wärme kann dort nur vermindert durch Blutgefäße abgeführt werden. WLAN erzeugt aber bei den maximal zulässigen Strahlungsleistungen (siehe oben unter EIRP) selbst in unmittelbarer Nähe zur Antenne Leistungsdichten, die unter den Expositionsgrenzwerten, z. B. nach BGV B11,^[19] liegen. Eine nennenswerte Erwärmung kann damit nicht herbeigeführt werden.

Siehe dazu auch: Elektromagnetische Umweltverträglichkeit.

Siehe auch

• HIPERLAN und HomeRF – alternative Standards
• Industrial Wireless Local Area Network (IWLAN)
• WLAN-Sniffer
• WiMAX
• Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)
• Auto Fallback
• Richtfunk für Hintergründe zur Wellenausbreitung
• IEEE 802.11e
• CSMA/CA RTS/CTS
• WLAN-basierte Ortung
• Max-fi

Literatur

• Ulf Buermeyer: Der strafrechtliche Schutz drahtloser Computernetzwerke (WLANs). In: HRRS. Heft 8/2004, S. 285.
• Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Sicherheitstipps WLAN; dasselbe: Drahtlose Kommunikationssysteme und ihre Sicherheitsaspekte (PDF, 2009).
• Armin Medosch: Freie Netze – Geschichte, Politik und Kultur offener WLAN-Netze. (PDF), Heise, Hannover 2004, ISBN 3-936931-10-0.
• Thomas Otto: Netzwerkauthentifizierung im WLAN. (PDF), TU Braunschweig April 2004.
• Stiftung Warentest: PC konkret – WLAN einrichten und absichern. Auflage 11/06, ISBN 978-3-937880-52-5.
• Jörg Roth: Mobile Computing. dpunkt, Heidelberg 2005, ISBN 3-89864-366-2.
• Martin Sauter: Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme. September 2004, ISBN 3-528-05886-2.
• Mathias Hein: Wireless LAN. Funknetze in der Praxis. ISBN 3-7723-6696-1.
• Jörg Rech: Wireless LANs. 802.11-WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail. 2. Auflage. Heise, 2006, ISBN 3-936931-29-1.
• Peter Jöcker: Computernetzwerke, LAN, WLAN, Internet. 3. Auflage. VDE VERLAG GMBH, Berlin und Offenbach 2004, ISBN 3-8007-2739-0.
• Samer Abdalla: Standards und Risiken drahtloser Kommunikation – Risikoanalyse des IEEE 802.11 Standards. ISBN 3-86550-855-3.

Weblinks

• Umfangreiche Informationen zu WLAN, Standards, FAQ und Chipsätzen
• Basiswissen – Wireless LAN Grundlagen auf den Seiten von Netgear
• Große WLAN-Richtfunk-FAQ für 5 GHz-WLAN (802.11a/b/g/h)
• Funk-Nachbrenner – Wie proprietäre Kniffe den WLAN-Durchsatz hochtreiben (von Alfred Arnold, Entwickler bei Lancom Systems, bei heise online).
• Elektra Wagenrad: WiFi Long Shots (zur Physik von WLAN-Weitverbindungen; PDF-Präsentation, 36 Seiten, englisch; 273 kB)
• Wellenfänger – so funktionieren Antennen, Antennentheorie bis zum Antennenbau (inkl. „Dosenantennenrechner“), heise online
• Konrad Lischka: Surfer verschmähen Stadt-W-Lans. In: Spiegel Online vom 6. Juni 2007.
• Wireless Networking in the Developing World – ausführliches englisches Handbuch zu WLANs unter der Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5 license (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ Ernst Ahlers: Funk-Evolution. In: c´t. Nr. 13, 2009, S. 86-89.
2. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/5009.pdf
3. ↑ http://www.rtr.at/de/tk/Spektrum5GHz
4. ↑ Die Nutzung der Kanäle 1, 5, 9 und 13 wird vorgeschlagen.
5. ↑ Frequenzuteilungen im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band bei der Bundesnetzagentur (PDF); sowie im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band bei der RTR
6. ↑ Bundesnetzagentur: WLAN 5 GHz
7. ↑ vgl. FCC Part 15.203
8. ↑ http://www.iis.fraunhofer.de/EN/bf/nl/lik/index.jsp
9. ↑ http://www.focus.de/digital/computer/fussgaenger-navigationssystem_aid_233445.html
10. ↑ http://www.zdnet.de/news/digitale_wirtschaft_internet_ebusiness_google_scannt_bei_street_view_fahrten_auch_wlan_netze_story-39002364-41530928-1.htm
11. ↑ http://www.berlin.de/special/auto-und-motor/news-und-zubehoer/1114477-44850-wlanimstra%C3%9Fenverkehrdiezukunftf%C3%A4hrtsta.html
12. ↑ Oberlandesgericht Frankfurt am Main, Urteil vom 1. Juli 2008, Aktenzeichen 11 U 52/07, Volltext (Gründe) bei RA Dipl.-Physiker Lindinger; vgl. dazu auch: Meldung von heise.de „Gericht: Keine Haftung für offenes WLAN“
13. ↑ Urteil vom 12. Mai 2010, Az. I ZR 121/08
14. ↑ Schwarz-Surfen ist strafbar – Strafbarkeit bei Nutzung eines offenen WLAN-Netzes – Amtsgericht Wuppertal, Urteil vom 3. April 2007, 29 Ds 70 Js 6906/06 (16/07), kostenlose-urteile.de
15. ↑ Unerlaubte Nutzung eines offenen WLAN nicht strafbar – Amtsgericht Wuppertal, Beschluss vom 3. August 2010, 26 Ds-10 Js 1977/08-282/08
16. ↑ „Schwarzsurfen“ in unverschlüsselt betriebenen fremden WLAN-Funknetzwerken ist nicht strafbar – Landgericht Wupptertal, Beschluss vom 19. Oktober 2010, 25 Qs 177/10, kostenlose-urteile.de
17. ↑ Bundesamt für Strahlenschutz – elektromagnetische Felder
18. ↑ http://www.bfs.de/de/bfs/presse/pr06/pr0602
19. ↑ [1] BG-Vorschrift BGV B11 „Elektromagnetische Felder“

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