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Die Kommunikationstechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht. Endlich mal ein Buch, das kurz und bündig die moderne Informationstechnik beleuchtet.

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WLAN-Frequenzen und -Kanäle

WLAN Frequenzbereich
Für WLANs nach IEEE 802.11 stehen drei Frequenzbereiche zur Verfügung. Der meistgenutzte Bereich liegt bei 2,4 GHz, der zweite bei 5 GHz und der dritte bei 60 GHz. Alle Frequenzbereiche sind weltweit Lizenz-frei nutzbar. Das bedeutet, dass auf privatem Grund und Boden für die Nutzung keine Gebühren bezahlt werden müssen. Das bedeutet aber auch, dass sich in diesen Frequenzbereichen auch andere Funktechniken und Funknetze tummeln. Die Geschwindigkeit und Stabilität eines Funknetzwerks mit IEEE 802.11 hängt maßgeblich von der Intensität der Nutzung anderer Funktechniken im gleichen Frequenzband ab.

Frequenzbereich 2,4 GHz 5 GHz 60 GHz
Frequenzen Von 2,3995 bis 2,4845 GHz Von 5,150 bis 5,350 GHz
Von 5,470 bis 5,725 GHz
Von 57,0 bis 66,0 GHz
Reichweite akzeptabel (Haus) begrenzt (Wohnung/Stockwerk) gering (Raum)
Kanalbreite 20 und 40 MHz 20, 40, 80, 160 MHz 2 GHz
Nutzung stark überfüllt gering selten

Hinweis: Weltweit ist die Nutzung der Frequenzbereiche für WLAN nach IEEE 802.11 unterschiedlich geregelt. Die hier gemachten Angaben beziehen sich auf Europa.

2,4 GHz (ISM)

Im Frequenzband um 2,4 GHz, das als ISM-Frequenzband (Industrial, Scientific, Medicine) bezeichnet wird, und für Anwendungen in der Industrie, Wissenschaft und Medizin reserviert ist, konkurrieren viele Standards und proprietäre Funktechniken der unterschiedlichsten Hersteller. Unglücklicherweise auch Geräte des täglichen Gebrauchs. Zum Beispiel Funkfernbedienungen und AV-Funksysteme.

Kanal Trägerfrequenz Frequenzbereich Europa USA Japan
1 2412 MHz 2399,5 MHz - 2424,5 MHz × × ×
2 2417 MHz 2404,5 MHz - 2429,5 MHz × × ×
3 2422 MHz 2409,5 MHz - 2434,5 MHz × × ×
4 2427 MHz 2414,5 MHz - 2439,5 MHz × × ×
5 2432 MHz 2419,5 MHz - 2444,5 MHz × × ×
6 2437 MHz 2424,5 MHz - 2449,5 MHz × × ×
7 2442 MHz 2429,5 MHz - 2454,5 MHz × × ×
8 2447 MHz 2434,5 MHz - 2459,5 MHz × × ×
9 2452 MHz 2439,5 MHz - 2464,5 MHz × × ×
10 2457 MHz 2444,5 MHz - 2469,5 MHz × × ×
11 2462 MHz 2449,5 MHz - 2474,5 MHz × × ×
12 2467 MHz 2454,5 MHz - 2479,5 MHz ×   ×
13 2472 MHz 2459,5 MHz - 2484,5 MHz ×   ×
14 2484 MHz       × (11b)

Im 2,4-GHz-Band gibt es 13 Kanäle, die jeweils 5 MHz umfassen. Da man jeweils 4 Kanäle zu einem großen 20 MHz Kanal zusammenfasst, ergibt sich eine Kanalzuteilung von 1, 7 und 13 oder besser 1, 5, 9 und 13. Auf diese Weise sind jeweils zwei Kanäle unterhalb und oberhalb der eingestellten Kanalfrequenz für einen Übertragungskanal belegt.

5 GHz

5 GHz Frequenzband
Weniger in Gebrauch ist das Frequenzband um 5 GHz, mit einer nahezu weltweit verfügbaren Breite von fast 500 MHz. Es dient als Ausweich-Frequenzband, um ein WLAN zu beschleunigen. Allerdings ist dieses Frequenzspektrum weltweit nicht einheitlich geregelt, wodurch sich Unterschiede bei der Nutzung der Frequenzbereiche ergeben. Dazu kommen auch unterschiedliche Sendeleistungen, was auch zu unterschiedlichen Reichweiten führt. In Europa (EU) darf im 5-GHz-Band mit WLAN mit maximal 200 mW Abstrahlleistung gefunkt werden (Ausnahme mit maximal 1 W in Großbritannien).

Kanal Träger-Frequenz IEEE 802.11a (USA) IEEE 802.11h (EU) IEEE 802.11j (Japan)
36 5,180 GHz ja ja ja
40 5,200 GHz ja ja ja
44 5,220 GHz ja ja ja
48 5,240 GHz ja ja ja
52 5,260 GHz ja ja nein
56 5,280 GHz ja ja nein
60 5,300 GHz ja ja nein
64 5,320 GHz ja ja nein
100 5,500 GHz nein ja nein
104 5,520 GHz nein ja nein
108 5,540 GHz nein ja nein
112 5,560 GHz nein ja nein
116 5,580 GHz nein ja nein
120 5,600 GHz nein ja nein
124 5,620 GHz nein ja nein
128 5,600 GHz nein ja nein
132 5,660 GHz nein ja nein
136 5,680 GHz nein ja nein
140 5,700 GHz nein ja nein
147 5,735 GHz ja nein nein
151 5,755 GHz ja nein nein
155 5,775 GHz ja nein nein
167 5,835 GHz ja nein nein

In den USA werden 3 Frequenzbänder mit jeweils 100 MHz benutzt. Effektiv stehen 12 jeweils 20 MHz breite Kanäle zur Verfügung. In Europa stehen 8 Kanäle im unteren Frequenzbereich und weitere 11 Kanäle im oberen Frequenzbereich zur Verfügung. Insgesamt ist das Frequenzspektrum in Europa 200 MHz groß (in Großbritannien sogar 455 MHz).

Es wird überwiegend von der WLAN-Industrie, aber nicht besonders intensiv genutzt. Viele preisgünstige WLAN-Router, die im 5-GHz-Band funken, nutzen lediglich den Bereich bis Kanal 48, weil darüber die lästige Dynamic Frequency Selection (DFS) zum Schutz des Wetterradars Pflicht ist. Deshalb herrscht bis Kanal 48 manchmal schon so viel Betrieb wie im ganzen 2,4-GHz-Band.
Weil der Frequenzbereich über Kanal 48 so wenig genutzt wird, gibt es bereits Begehrlichkeiten aus dem Bereich des Mobilfunks, diesen Frequenzbereich ebenfalls zu nutzen. Deshalb ist in Zukunft mit der Zunahme der Nutzung durch WLANs und Mobilfunk zu rechnen.

60 GHz

60 GHz
Das Frequenzband um 60 GHz hat einen rund 7 GHz breiten Funkkanal. Allerdings ist die Streckendämpfung für das Funksignal bei 60 GHz enorm. Bei dieser Frequenz erreicht die Absorption durch den atmosphärischen Sauerstoff rund 20 dB pro Kilometer (dB/km). Um genauer zu sein, der Sauerstoff erreicht hier sein Absorbationsmaximum.
Die hochfrequenten Signale haben eine sehr begrenzte Reichweite, die so gut wie nicht durch Zimmerwände dringen. Hohe Geschwindigkeiten erreicht man damit in der Regel nur auf ein paar Meter. Am besten nur wenige Zentimeter und mit Sichtkontakt. Und damit ist ein WLAN bei 60 GHz ein reiner Zimmer-Funker.
Das 60-GHz-Band erstreckt sich von 57 bis 66 GHz und wird in vier Kanäle mit einer Bandbreite von 1.760 MHz unterteilt.

Unter 1 GHz

Die meisten kennen die Frequenzbereich um 2,4 und 5 GHz. Manche auch den Bereich um 60 GHz. Dass es unlizensierte Bänder unter 1 GHz gibt, ist dabei weniger bekannt. Signale unterhalb von 1.000 MHz bzw. 1 GHz durchdringen vergleichsweise leichter Gebäude, weshalb dieser Frequenzbereich sich für das Internet der Dinge eignet, aber eben auch hart umkämpft ist.
Das Frequenzband liegt im Bereich von 863 bis 886 MHz, wobei die exakte Breite regional sehr unterschiedlich ausfallen kann.

Mit IEEE 802.11ah ist die Nutzung der Frequenzen unterhalb von 1 GHz vorgesehen (außerhalb der terrestrischen Rundfunkbänder). Das ist besonders in den USA und in Ländern interessant, in denen Schutzbänder frei oder einzelne TV-Kanäle freigegeben und neu zusammengefasst werden. Ob diese Frequenzbereiche von einer WLAN-Technik genutzt werden dürfen, ist natürlich eine andere Frage.

Tatsache ist jedoch, dass die Reichweite in den meisten Fällen gerade mal 200 Meter beträgt. Außerdem wird empfohlen, dass die Clients Sichtkontakt zur Basisstation haben. Beim Betrieb im Freien ist bei Regen oder hoher Luftfeuchtigkeit mit weiterer Reduzierung der Reichweite zu rechnen.

Kanalbreite

Bei WLAN gilt, dass sich alle Teilnehmer das Übertragungsmedium teilen müssen. Aufgrund der Allgemeinzuteilung darf das zur Verfügung stehende Frequenzband nicht vollständig belegt werden. Deshalb teilt man das Frequenzband zusätzlich in Kanäle ein, die aber auch nicht exklusiv genutzt, sondern mit anderen Netzen geteilt werden müssen.

Im 2,4-GHz-Frequenzband existieren insgesamt 79 schmalbandige Kanäle, die in mehrere breitbandige Kanäle zusammengefasst sind. In Europa gibt es 13, in den USA 11 und in Japan 14 solcher Kanäle. Diese Kanäle sind allerdings eng aneinandergereiht und überlappen sich. Deshalb kann man nicht alle der 11, 13 oder 14 Kanäle verwenden, sondern je nach Kanal-Verteilung nur 3 oder 4. Und das bei einer Kanalbreite von 20 MHz. Bei einer Kanalbreite von 40 MHz würde sich die Anzahl parallel nutzbarer Kanäle halbieren.

Kanal-Verteilung

Bei der Konfiguration eines oder mehrerer Access Points muss darauf geachtet werden, dass die Kanäle nicht zu breit und nicht zu dicht beieinander liegen, um eine ungewollte Überlappung zu vermeiden. Überlappungen führen zu einem engeren Kanal und damit zu einer geringeren Übertragungsrate.

Um das zur Verfügung stehende Frequenzband möglichst optimal zu nutzen, gilt es, die WLAN-Kanäle und Kanalbreite richtig zu wählen. Sinnvoll ist es, dies dem Wireless Access Points (WAP) zu überlassen.
Die folgende Beschreibung geht darauf ein, wie die Frequenzbereiche um 2,4 und 5 GHz von den verschiedenen WLAN-Standards aufgeteilt werden, um das Frequenzspektrum möglichst optimal auszunutzen.

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11b (2,4 GHz mit 22 MHz Kanalbreite)

Frequenzspektrum mit Kanal 1, 7 und 13 (22 MHz Kanalbreite)
Bei einem WLAN mit IEEE 802.11b empfiehlt es sich, die Kanäle 1, 7 oder 13 einzustellen. Hierbei handelt es sich, bei einer Kanalbreite von 22 MHZ (DSSS), um die überlappungsfreien Kanäle, bei denen das Frequenzspektrum um 2,4 GHz optimal ausgenutzt wäre.

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11g und 802.11n (2,4 GHz mit 20 MHz Kanalbreite)

Frequenzspektrum mit Kanal 1, 5, 9 und 13 (20 MHz Kanalbreite)
Bei einem WLAN mit IEEE 802.11g oder 802.11n ordnet man die Kanäle nach der 5er- bzw. 6er-Regel an, um mehrere Access Points optimal nebeneinander betreiben zu können.
Die 5er-Regel verwendet die Kanäle 1, 6, 11 (Kanalbelegung für USA). Die 6er-Regel verwendet die Kanäle 1, 7, 13 (Kanalbelegung für Europa). Damit überschneiden sich die Frequenzbereiche der Kanäle nicht und Verbindungsprobleme bleiben aus. Nur wenn die Access Points über 30 Meter auseinanderstehen, darf sich die Kanalauswahl überschneiden.

Obwohl dei 6er-Regel einen WLAN-Kanal mehr zulassen würde, werden WLANs mit IEEE 802.11g und 802.11n oft auf die Kanäle 1, 7 und 13 eingestellt. Hintergrund ist die Kompatibilität zu IEEE 802.11b. Weil Geräte nach IEEE 802.11b nahezu ausgestorben sein dürften, gibt es keinen Grund mehr die Kanalaufteilung 1-7-13 zu nutzen.
Bei einer Kanalbreite von 20 MHz (OFDM) und 16,25 MHz pro Träger empfiehlt es sich die Kanäle 1, 5, 9 oder 13 einzustellen. Das ermöglicht die optimale Ausnutzung des Frequenzspektrums um 2,4 GHz.

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11n (2,4 GHz mit 40 MHz Kanalbreite)

Frequenzspektrum mit Kanal 3 und 11 (40 MHz Kanalbreite)
Bei einem WLAN mit IEEE 802.11n mit einer Kanalbreite von 40 MHz (OFDM) und 33,75 MHz pro Träger empfiehlt es sich, die Kanäle 3 (1+5) oder 11 (9+13) einzustellen.
In der Praxis vermeidet man es, ein WLAN mit IEEE 802.11n bei 2,4 GHz mit einer Kanalbreite von 40 MHz einzurichten. Dabei wäre das Frequenzspektrum mit 2 WLANs voll belegt. Damit auch WLANs mit IEEE 802.11g parallel betrieben werden können, sollten WLANs mit IEEE 802.11n auch nur mit 20 MHz Kanalbreite eingerichtet sein.

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11n (5 GHz mit 20 und 40 MHz Kanalbreite)

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11n (5 GHz mit 20 und 40 MHz Kanalbreite)
In der EU sind zwei Bereiche im 5-GHz-Frequenzband nutzbar. 5.150 bis 5.350 MHz (Kanal 36 bis 64) und 5.470 bis 5.725 MHz (Kanal 100 bis 140). In anderen Ländern liegen die Grenzen eventuell anders.
Die Nutzung des 5-GHz-Bandes setzt eine Kanalauswahlautomatik voraus, die dafür sorgt, dass die Basisstation nur die Kanäle belegt, die frei sind. Unter anderem deshalb, weil die Kanäle 120 bis 128 vom Wetter-Radar belegt sind.
Zusammenfassend kann man sagen, dass in der EU im 5-GHz-Frequenzband 16 zu je 20 MHz bzw. 7 zu je 40 MHz breite Kanäle uneingeschränkt genutzt werden dürfen. Hierbei muss man berücksichtigen, dass es lokal ein Wetterradar geben, dass das 5-GHz-Frequenzband etwas begrenzt.

Damit WLAN-Basisstationen in der EU alle Kanäle nutzen dürfen, müssen sie die Signale anderer Funksysteme erkennen und durch Kanalwechsel ausweichen können (DFS). Weiterhin gilt die Anordnung, dass nur mit DFS (Dynamic Frequency Selection) und TPC (Transmit Power Control) die Kanäle oberhalb von Kanal 48 genutzt werden dürfen. DFS ist notwendig, um bspw. den Betrieb des Wetterradars nicht zu stören.

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11ac (5 GHz mit 80 und 160 MHz Kanalbreite)

WLAN-Kanäle bei IEEE 802.11ac (5 GHz mit 80 und 160 MHz Kanalbreite)

Im Frequenzbereich von 5 GHz sieht die IEEE 802.11ac Kanalbreiten von 20, 40, 80 und 160 MHz vor. Die Kanalbreiten 20, 40 und 80 MHz sind die Mindestanforderungen von IEEE 802.11ac. Typischerweise wird eine Kanalbreite von 80 MHz verwendet. Die Kanalbreite 160 MHz ist optional und der Nutzen in der Praxis eher fraglich. Je breiter ein Kanal, desto weniger WLANs können parallel arbeiten. Ein Kanal mit 160 MHz würde fast das ganze verfügbare Frequenzspektrum belegen. Das wäre nur in Ausnahmefällen sinnvoll.

Möchte man im 5-GHz-Frequenzband 80 MHz breite Kanäle nutzen, teilt sich das Frequenzband in 4 je 80 MHz breite Kanäle auf, wovon wegen dem Wetterradar nur 3 störungsfrei nutzbar sind.
Möchte man im 5-GHz-Frequenzband 160 MHz breite Kanäle nutzen, teilt sich das Frequenzband in 2 je 160 MHz breite Kanäle auf, wovon wegen dem Wetterradar nur eines störungsfrei nutzbar ist. Falls das Frequenzband nicht groß genug für einen 160 MHz breiten Kanal ist, kann IEEE 802.11ac auch 2 spektral getrennte 80-MHz-Kanälen zusammenfassen (Discontiguous Mode).

Welche Kanalverteilung um 2,4 GHz ist richtig? 1-6-11, 1-7-13 oder 1-5-9-13?

Optimale Kanalaufteilung bei WLAN

Um das Frequenzspektrum um 2,4 GHz optimal ausnutzen zu können ist eine bestimmte Kanalverteilung notwendig. Der Grund ist, dass die eigentlichen Kanäle im 2,4-GHz-Frequenzband für WLAN zu schmal sind und man deshalb einzelne Kanäle zusammenfasst bzw. einen breiteren Kanal nutzt, als ursprünglich vorgesehen. Das bedeutet aber auch, dass sich die Kanäle überlappen, wenn die Kanalverteilung willkürlich erfolgt. Deshalb gibt es die folgenden Empfehlungen: 1-6-11, 1-7-13 oder 1-5-9-13. Doch welche davon ist die richtige?

Es gibt hierbei nicht DIE richtige Antwort. Es kommt darauf an, welche Geräte eingesetzt werden, wie viele Basisstationen sich das Frequenzspektrum um 2,4 GHz teilen müssen und wer sich um die Kanalverteilung kümmert.

Das absolute Optimum würde man mit der Kanalverteilung 1-5-9-13 erreichen. Dann könnten man 4 WLAN-Basisstationen mit je 20 MHz Kanalbreite parallel betreiben. Leider lässt sich ein Funksignal nicht einfach auf 20 MHz begrenzen. Sondern es streut in die benachbarten Kanäle hinein und stört dort das Funksignal. Deshalb empfiehlt sich die Kanalverteilung 1-7-13. Hier kann man nur 3 WLAN-Basisstationen parallel betreiben. Im Gegenzug ist der Abstand zwischen den Kanälen größer und die gegenseitige Störung geringer.

Dummerweise sind in den USA die Kanäle 12 und 13 nicht für WLAN freigegeben. Dort wird deshalb die Kanalverteilung 1-6-11 verwendet, was uns in Deutschland bzw. EU egal sein könnte. Leider unterstützen die in Deutschland erhältlichen Geräte die Kanäle 12 und 13 nicht immer. Beispielsweise wenn die Geräte für die USA hergestellt wurden. Die Rede ist von ca. 30% der in Deutschland erhältlichen Geräte. In diesen Fällen ist die Hardware und Software nicht auf das Frequenzspektrum in Deutschland und die EU angepasst. Das bezieht sich sowohl auf WLAN-Clients in Notebooks, Smartphones und Tablets, als auch auf WLAN-Basisstationen. Manchmal hilft ein Firmware- oder Treiber-Update. Wenn nicht, dann muss der WLAN-Adapter oder eventuell das ganze Gerät getauscht werden. Im Zweifelsfall muss man mit einem kastrierten Gerät leben.

Um Beeinträchtigungen durch die fehlende Kanalunterstützung (12 und 13) zu vermeiden sollte man im Frequenzspektrum um 2,4 GHz konsequenterweise nur die Kanalverteilung 1-6-11 nutzen. Das Vernünftigste ist jedoch nicht die manuelle Kanalwahl, sondern die automatische Kanalwahl. Standardmäßig benutzen WLAN-Basisstationen 1-11 als Autokanal was dann häufig zu 1-6-11 führt.

Ein Problem ist, dass immer mehr WLAN-Router auf den Markt kommen bei denen Kanalbündelung (20 MHz + 20 MHz = 40 MHz) aktiviert ist. Hier werden die Kanäle 1 und 5 sowie 9 und 13 zu je 40 MHz zusammengefasst, um eine größere Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen. In der Praxis ist das in der Form meist unnötig. Geht man von einer normalen WLAN-Nutzung für den Internet-Zugang aus, dann ist die Übertragungskapazität mit einem 20-MHz-Kanal vollkommen ausreichend. Dummerweise sind die meisten WLAN-Router nicht in der Lage die Kanalbreite automatisch herunterzuschalten. Die Bestimmungen für 40 MHz breite Kanäle im 2,4-GHz-Band sind viel zu freigiebig.

Was bei der manuellen Kanalwahl zu beachten ist

  1. Sofern möglich sollte in der WLAN-Basisstation immer die automatische Kanalwahl aktiviert sein.
  2. Wenn das nicht möglich ist, orientiert man sich an der Kanalverteilung 1-6-11, 1-7-13 oder 1-5-9-13. Hierbei muss man jedoch berücksichtigen, welche WLANs in der Umgebung welchen Kanal benutzen und was die eigenen WLAN-Clients unterstützen. In der Regel wird man eine Kanalverteilung von 1-6-11 vorfinden. Manchmal auch 1-7-13. Oft auch ein Gemisch.
  3. Man sollte es unbedingt vermeiden mehrere Kanalverteilungen miteinander zu vermischen.

Hinweis: Gilt, wenn es im Frequenzspektrum extrem eng zu geht: Zwei WLAN-Netze mit gleichem Kanal stören sich am wenigsten. Liegen die Kanäle halb übereinander, dann nimmt das eine WLAN das andere als Störung war und versucht mit niedriger Modulation und maximaler Sendeleistung das jeweils andere zu übertönen. So stören sich die WLANs gegenseitig. Deshalb lieber einen belegten Kanal benutzen, als irgendwas dazwischen. Einen Kanal außerhalb der üblichen Kanalverteilung zu verwenden ist kontraproduktiv und senkt nur die Übertragungsrate für alle WLAN-Netze in der näheren Umgebung.

Übersicht: WLAN-Technik

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