WLAN
Technik Grundlagen

Version: 0.2
Stand: Feb. 2004
Autor: Ekkehard Plicht, Wimo Antennen und Elektronik GmbH

Diese Übersicht erklärt die Hochfrequenzseite der WLAN Verbindung und was man beim Anschluß von anderen Antennen zu beachten hat.

Einleitung

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"HF und Liebe gehen seltsame Wege" - so lautet ein altbekannter Spruch bei den Funkern. Da mit steigendem Einsatz von WLANs auch immer mehr "Datenleute" in Berührung mit der Funktechnik kommen, sollen hier einige funktechnische Hintergrundinformationen und praktische Hinweise gegeben werden.

Die "seltsamen Wege" treffen gerade bei hohen Frequenzen zu, und WLANs benutzen sehr hohe Frequenzen (2,4 bis 2,5 GHz). In diesem Frequenzbereich ändern sich die Ausbreitungsbedingungen im Nahfeld schon mit kleinsten Veränderungen der Antennenposition und des Umfeldes der Antenne. So stören metallische Gegenstände in der Nähe der Antenne teilweise gewaltig. Z.B. kann sich durch einen in der Nähe befindlichen Heizkörper die Richtcharakteristik der Antenne enorm verändern, so sehr das in bestimmten Richtungen in geringer Distanz "nichts mehr geht".

Um die starken Beeinflussungen der Ausbreitung zu verstehen, muß man sich die verwendete Wellenlänge angucken: 2,45 GHz entsprechen etwa 13cm Wellenlänge. Grob gesprochen bedeutet dies das jeder leitende Gegenstand, der ungefähr so groß oder größer ist wie die Wellenlänge, die Abstrahlung der Antenne beeinflussen kann.
Aber auch etwas kleinere Gegenstände können stören: Wassermoleküle (H2O) reagieren bei dieser Frequenz ebenfalls (das ist der Grund warum im gleichen Frequenzbereich unsere Mikrowellenöfen arbeiten). D.h. das Wasser (Nebel, feuchte Luft, Blumen, menschl. Körper usw.) die Sendeenergie aufnehmen und in Wärme umsetzen, diese Energie steht dann nicht mehr für weitere Ausbreitung zur Verfügung.

Ein weiterer Störfaktor sind sog. Reflektionen. HF Energie wird von manchen Oberflächen hervorragend reflektiert, d.h. zurückgeworfen oder abgelenkt. Dabei kommt es zur Überlagerung des Energiefeldes, was zu völliger Auslöschung, oder aber auch zu einer starker Verstärkung führen kann. Das Ganze nennt man Interferenz und ist vielleicht noch aus dem Physikunterricht bekannt. Bei längeren Strecken kann man Reflektionen evtl. gut nutzen, nämlich dann wenn zwischen den beiden zu verbindenden Punkten (Antennenstandorte) keine Sichtverbindung besteht. Hier kann ein größeres Gebäude, das von beiden Punkten gesehen wird evtl. als Reflektor genutzt werden. Am besten gehen Häuser oder alles was eine möglichst glatte, leitende Fläche hat (Lagerhallen, Hochregallager, Stahlbetonbauten usw.)

Ebenfalls durch Reflektionen ausgelöst sind sog. Polarisationsdrehungen (Polarisation: siehe FAQ). D.h. hier verändert sich die Polarisation der Welle durch Reflektion. Idealerweise sollten Sende- und Empfangsantenne die gleiche Polarisation haben, also beide Vertikal oder beide Horizontal. Das lässt sich gerade im Aussenberich nicht immer errreichen, hier bieten Antennen mit zirkularer Polarisation evtl. eine Abhilfe.

Manche Materialien sind für HF-Energie nahezu undurchdringlich. Vereinfacht gesprochen: je besser der Gegenstand leitet, desto weniger Durchdringung. Insbesondere im Innenbereich wirkt sich das aus, nämlich bei Stahlbetonbauten. So mag eine WLAN Verbindung in einem älteren, aus Ziegeln gemauerten Gebäude über viele Meter funktionieren, die gleichen Geräte versagen aber bei gleicher Distanz in einem Stahlbetonbau. Hier kann eine Sektorantenne helfen, oder aber auch nur die Verwendung mehrerer Accesspoints.

Kurz gefasst: Bei den verwendeten kurzen Wellenlängen sind viele Umgebungseinflüsse von großer Bedeutung für die Ausbreitung der HF-Energie. Was an einem Ort funktioniert kann an einem anderen Ort scheitern. Ein konkrete, 100%ig zuverlässige Vorhersage welche Antennen welche Reichweiten bringen ist ohne genaue Betrachtung der Umgebung nicht machbar.

Antennenformen

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Es gibt Antennen mit und ohne Richtwirkung. Stellen Sie sich eine rundumstrahlende Antenne wie eine Kerze vor, eine Richtantenne wie einen Autoscheinwerfer, bei extremer Richtwirkung (Spiegel) liegt der Vergleich mit einer Taschenlampe nahe.

Rundum-Antennen

Die bei Accesspoints und PC-Karten mitgelieferten Antennen sind kleine Strahler die i.d.R. eine Rundumstrahl-Charakteristik haben, d.h. die HF-Energie wird gleichmässig rund um die Antenne abgestrahlt. Dabei sollte die Antenne vertikal stehen. I.d.R. haben diese Antennen keinen Gewinn (0 dB, siehe FAQ: Was ist ein dB?). Es gibt von manchen Herstellern Austauschantennen mit Gewinn, andererseits bietet WiMo entsprechende Ersatzantennen an. Dabei kommt es aber sehr auf den verwendeten Antennenstecker an (siehe Steckerformen).

Um größere Innen- oder Aussenbereiche (Hotelanlagen, Firmengelände usw.) zu versorgen gibt es teilweise recht große Rundumstrahl-Antennen mit Gewinn. Diese Antennen werden immer mit einem Kabel vom Accesspoint bzw. vom Client abgesetzt und an der Wand oder an einem kleinen Mast befestigt.
Rundum-Antennen mit Gewinn erzielen den Gewinn durch die Bündelung der HF-Energie in der vertikalen Ebene. Eine einfache Rundum-Antenne strahlt einen gewissen Teil der Energie auch immer nach oben ab, man kann sich das Strahlungsdiagramm wie eine abgeplattete Kugel vorstellen. Je mehr Gewinn eine solche Antenne hat, desto geringer wird der nach oben abgestrahlte Anteil, das Strahlungsdiagramm ähnelt immer mehr einem plattgedrückten Autoreifen o.ä.


Idealer Rundstrahler mit kugelförmiger Abstrahlung

Realer Rundstrahler mit abgeflachter Abstrahlung

Realer Rundstrahler mit etwas mehr Gewinn und dadurch flacherer Abstrahlung

Richtantennen

Richtantennen sind Antennen die die HF-Energie in eine bestimmte Richtung bündeln. Der Gewinn ergibt sich daraus das der Großteil der Energie bevorzugt in eine Richtung abgestrahlt wird. Das heisst nicht, das hinter der Antenne (in Gegenrichtung zur Strahlrichtung) nichts mehr zu hören wäre, auch nach "hinten" und zu den Seiten wird immer noch ein geringer Anteil der Energie abgestrahlt.
Je stärker die Antenne bündelt, desto höher ist der Gewinn, angegeben in dB. Mögliche Werte sind ca. von 5 bis über 20 dB (siehe FAQ: Was ist ein dB?). Bei Richtantennen wird der Öffnungswinkel angegeben, das ist i.d.R. der Winkel in dem die Energie von der Mitte der Strahlrichtung (100%) bis auf 50% abgefallen ist.
Das Problem bei stark bündelnden Antennen ist, das man sie genau auf die Gegenstelle ausrichten muß. Das kann insbesondere bei dem angebotenen Spiegel mit sehr kleinem Öffnungswinkel dazu führen, das man etwas probieren muß bis man die Gegenstelle optimal eingepeilt hat.
Richtantennen gibt es für den Innen- und Aussenbereich (wetter- und UV-fest).

Sektorantennen

Sektorantennen sind ebenfalls Richtantennen, meist nur mit einem etwas größeren Öffnungswinkel. Hiermit werden im Innen- oder Aussenbereich größere Bereiche (Sektoren) ausgeleuchtet, z.B. von dem Randbereich einer Hotelanlage in den innen gelegenen Teil.

Kabel und die liebe Dämpfung

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Je dünner das Kabel desto länger das Gesicht. So wünschenswert dünne Kabel wegen ihrer größeren Flexibilität sind, umso schlechter sind sie in ihren Dämpfungswerten. Die Kabeldämpfung wird in dB je 100m angegeben (siehe FAQ: Was ist ein dB?). Je höher die Dämpfung, desto mehr Leistung geht verloren, sowohl beim Empfang als auch beim Senden.

Verringern lässt sich die Kabeldämpfung praktisch nur durch dickere Kabel, das gibt die Physik so vor. Das Problem ist nun das man zwar mit dicken Kabel im Aussenbereich und an einer festmontierten Antenne prima arbeiten kann, ein Notebook oder ein leichter Accesspoint aber vom dicken Kabel einfach weggehoben werden würde. Dadurch wird die liebgewonnene Mobilität des WLANs wieder stark eingeschränkt.

Um dieses Problem zu umgehen wird mit sog. Pigtails gearbeitet. Pigtails sind kurze, hochflexible Kabelstücke mit den entsprechenden Steckern, die vom Notebook oder AP auf das dicke Kabel adaptieren. Dadurch kommt zwar wieder ein etwas stärker dämpfendes Kabel ins Spiel, aber einen Tod muß man sterben - entweder etwas mehr Dämpfung oder die Montage des Notebook an einem festen Kabel mit der Konsistenz eines Wasserrohres. Dazu kommt noch das die üblichen Winzigstecker der Accesspoints oder PCMCIA-Karten gar nicht an ein dickes Kabel montiert werden können. Gängige Kabeltypen finden Sie unter "Praktische Hinweise".

Stecker und Adapter und noch mehr Dämpfung

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Viele WLAN Gerätehersteller befleissigen sich, ihren Geräten einen möglichst individuellen Stecker zu verpassen. Die Gründe mögen im Marketing liegen...

Zunächst muß also erstmal geklärt werden welches Steckersystem ihr Gerät verwendet. Das lässt sich evtl. anhand unserer internen Datenbank herausfinden. Sollten wir Ihr Gerät dort nicht finden gibt es die Möglichkeit uns ein Bild per email zuzusenden, wir versuchen dann den Stecker zu identifizieren.

Bei einigen Steckersystemen bietet sich der Einsatz von Adaptern an. Man sollte allerdings immer versuchen ohne oder mit so wenig wie möglich Adaptern auszukommen, da jede Steckverbindung wieder Dämpfung mit sich bringt. Man rechnet i.d.R. bei einem ordentlich angebrachten Stecker mit etwa 0,2 dB Dämpfung, je Adapter etwa 0,4dB. Ist ein Adapter für das spezielle System nicht verfügbar, kann (muß) mit Pigtails (s.o.) gearbeitet werden.
Wie bei Kabeln schon beschrieben passen nicht alle Stecker an alle Kabel. Insbesondere die bei PCMCIA-Karten und Accesspoints verwendeten Winzigstecker können nur an sehr dünne Kabel angeschlossen werden.


So geht's nicht... MC Card-Stecker an Ecoflex-15 passt nicht :-)

Bei Steckern unterscheidet man noch ob die Stecker angelötet oder angequetscht (angecrimpt) werden. Zum Crimpen sind spezielle Crimpzangen nötig, die wir für ausgewählte Kabel- und Steckertypen ebenfalls anbieten. Beim Befestigen (Anschlagen) der Stecker sollte man mit großer Umsicht vorgehen, denn ein falsch angeschlagener Stecker kann alle niedrige Dämpfung der guten Kabel wieder zunichte machen. Wenn Sie noch nie einen Stecker selbst angebracht haben, empfiehlt es sich zwei bis neun Ersatzstecker zum Üben mit zu bestellen. Oder sie nutzen den Kabelservice von WiMo. Einen einmal falsch angeschlagenen Stecker nicht wiederverwenden, sondern abkneifen und als abschreckendes Beispiel an die Pinnwand hängen.
Gängige Steckersysteme finden sie unter "Praktische Hinweise".

Praktische Hinweise

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Antennen im Innenbereich

Der Abdeckungsbereich von Accesspoints im Innenbereich soll verbessert werden:
  • Antenne mit Gewinn verwenden (ggf. mit Kabel vom Accesspoint absetzen)
  • Antenne an geeignetere Stelle montieren (ggf. mit Kabel). Am besten an/auf ein Holzregal, weg von der Wand, weg vom metallischen Heizkörper, weg vom metallischen Treppengeländer, möglichst frei aufstellen.
  • Rundstrahlende Antennen möglichst in die Mitte des abzudeckenden Bereiches stellen.
Falls mit einer rundstrahlenden Antenne eine vollständige Abdeckung nicht möglich ist
  • Mehrere Accesspoints ins LAN integrieren, strategisch verteilen
  • Einen Accesspoint mit mehreren Antennen ausstatten, diese gut verteilen.
  • Sektorantennen verwenden um gezielt einzelne Bereiche auszuleuchten.

Praktische Hinweise

Antennen im Aussenbereich

  • Sicherstellen das die gewählte Antenne für den Aussenbreich gedacht ist (Wetter- und UV-fest).
  • Rundum- oder Sektorantenne? Je nach Gelände und gewünschtem Abdeckungsbereich
  • Wie montieren? In d.R. werden Aussenantennen an einem Mast befestigt. Steht kein Mast zur Verfügung kann WiMo Wandhalter liefern. Für kleinere Vertikalantennen reicht u.U. ein Montagewinkel.
  • Aussenantennen haben i.d.R. eine feste Polarisationsebene, horizontal oder vertikal. Welche man verwendet ist egal (Antenne um 90° drehen), aber beide Seiten sollten die gleiche Ebene verwenden. Sofern eine unerwünschte Polarisationsdrehung auf der Strecke vermutet wird kann man mal probehalber eine der Antennen in die andere Eben drehen und prüfen ob das Problem dadurch verschwindet. Alternativ kann man auf einer oder beiden Seiten mit Helixantennen arbeiten. Diese Antennen erzeugen eine zirkulare Polarisation.
  • Unbedingt Blitzschutz einplanen. Entsprechende Blitzschutzadapter gibts bei WiMo hier.

Praktische Hinweise

Kabel

  • Kabel immer so kurz wie möglich machen, um die Dämpfung zu reduzieren
  • Kabel lang genug machen um mit etwas Spielraum bis zur Antenne zu kommen. Bei der Planung die Verlegung genau ausmessen und dabei immer etwas Aufmaß berücksichtigen.
  • Für Längen bis ca. 3m reichen die dünnen, flexiblen Kabelsorten RG-58 oder zur Not RG-316, darüberhinaus bis ca. 8m (abhängig vom Antennengewinn) H-155 LowLoss, sonst (größer 8m) immer dickes Kabel verwenden (Aircom+, Ecoflex-10, Ecoflex-15).
  • Besonders dicke Kabel dürfen nicht eng geknickt werden. Ein zu eng gebogenes Kabel wird an dieser Stelle nachhaltig beschädigt, u.U. ist das gesamte Kabel durch falsche Behandlung nur noch Müll. Beim Planen und Verlegen den Biegeradius berücksichtigen.
  • Kabel grundsätzlich pfleglich behandeln. Koaxialkabel ist keine 220V Strippe an der man eben mal so den Staubsauger hinter sich her ziehen ziehen kann. Auch nicht auf dem Kabel rumtrampeln, eine Verengung wirkt sich auf die Leistung des Kabels nachteilig aus.
  • Kabel sicher verlegen und befestigen, einfach mit Kabelbindern o.ä., über längere Strecken in Rohre oder Kabelkanäle. Das mindert die Unfallgefahr, wenn man einmal sein teures Notebook mit dem Kabel vom Tisch gezerrt hat rechnet sich jede Investition in Befestigungssysteme.
  • Kabel nicht stückeln. Wenn schon ein (noch so gutes) Kabel liegt, das aber zu kurz ist, lohnt eine Verlängerung kaum, wenn man die sich durch die Stecker ergebenden Verluste (Dämpfung) betrachtet. Besser ein neues Kabel aus einem Stück verlegen.
  • Das bei WLAN verwendete Kabel hat immer 50Ω Wellenwiderstand. Ebenso die Antennen, ebenso die Stecker. Es gibt Kabel und Steckersysteme mit anderen Wellenwiderständen (60, 75Ω): nicht verwechseln, nicht mischen.

Welches Kabel wofür?

  • RG-316: Das dünnste und flexibelste Kabel, wird verwendet für Pigtails und kurze Kabelstücke bis max. 2-3m. Geeignet für Winzigstecker (Lucent, MMCX), aber auch größere Stecker (SMA, TNC, BNC, N)
  • RG-58: dünnes Kabel für kurze Strecken, bis ca. 3m. Bei Antennen mit hohem Gewinn u.U. auch noch etwas länger. Winzigstecker (Lucent, MMCX) können nicht montiert werden.
  • H-155: LowLoss-Kabel, etwas dicker wie RG-58, aber nur ein Drittel der Dämpfung. Geeignet für SMA-Kabel bis ca. 8m Länge, je nach dem wieviel Gewinn die Antenne hat.
  • Ecoflex-10: LowLoss-Kabel mit 10 mm Ø, noch recht flexibel, geeignet für Antennenzuleitungen bis 10m. Passende Stecker dazu: "N"-System. Zum AP oder Notebook sollte mit einem Pigtail adaptiert werden.
  • Aircom+: LowLoss, ebenfalls 10 mm Ø, aber weniger Dämpfung als Ecoflex-10. Dafür ziemlich starr und nur für Festverlegung geeignet. Geeignet für Antennenzuleitungen bis 20m. Am besten N-Stecker verwenden, adaptieren mit Pigtail.
  • Ecoflex-15: LowLoss, 15 mm Ø und sehr unflexibel. Noch weniger Dämpfung als Aircom+, dadurch für längere Antennenzuleitungen bis 20m geeignet. Es stehen nur N-Stecker zur Verfügung.

Praktische Hinweise

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Stecker

  • Stecker am Accesspoint oder PCMCIA Adapter genau identifizieren. Es gibt hier mehrere Systeme die sich ähneln, aber untereinander (auch bei größerer Kraftanstrengung) nicht kompatibel sind.
  • Stecker nur dann selber montieren, wenn Sie genau wissen was sie tun.
  • Stecker unbedingt nach Montageanleitung montieren oder gleich WiMo beauftragen. Ein schlecht montierter Stecker kann alles kaputt machen und ist oft schlecht als Fehlerquelle zu finden.
  • Wird der Stecker im Aussenbereich an die Antenne oder an ein anderes Kabel aufgesteckt (schlecht, nicht stückeln sondern ein neues Kabel ziehen), am besten mit selbstverschweissendem Klebeband umwickeln um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Gut montierte N-Stecker sind i.d.R. wasserdicht, aber sicher ist sicher.
  • Nicht auf den Steckern rumtrampeln. Besonders die Kleinen nehmen einem das schnell übel. Das gleiche gilt für die Behandlung der Stecker mit Cola oder ähnlich ätzenden Flüssigkeiten.

Welcher Stecker wofür?

  • Lucent(Orinoco): Dieser Stecker heisst offiziell "MC Card plug". Sehr kleiner Stecker der i.d.R. nur bei PCMCIA Karten o.ä. Verwendung findet. Passt nur an RG-316 oder RG-174 Kabel.
  • MMCX (Microminiature Coaxial Connector, MMCX, nicht verwechseln mit "MCX"): Sehr kleiner Stecker der i.d.R. nur bei PCMCIA Karte o.ä. Verwendung findet. Passt nur an RG-316 und RG-174 Kabel.
  • SMA: Kleiner Stecker für Access Points, PCI Karten o.ä. Kann an RG-316 oder RG-58 Kabel angeschlagen werden.
    Achtung: Es gibt dieses System auch mit umgekehrtem Vorzeichen: Buchse (Kelch) anstatt Stift für den Innenleiter, nennt sich dann Reverse-SMA. Wird sehr oft im WLAN Bereich verwendet. WiMo führt entsprechende Adapter und SMA-Reverse Stecker.
  Aussenleiter Innenleiter
Normaler Stecker Überwurfmutter mit Innengewinde Stift
Normale Buchse Aussengewinde Kelch
Reverse Stecker Überwurfmutter mit Innengewinde Kelch
Reverse Buchse Aussengewinde Stift




SMA-Buchse , Gegenüberstellung normal und reverse (ca. 200kb)

SMA-Stecker , Gegenüberstellung normal und reverse (ca. 200kb)
  • TNC: Etwas größerer Stecker, wird gelegentlich an WLAN Access Points und Clients gefunden. Passt an RG-316 und RG-58 Kabel.
    Achtung: Es gibt dieses System auch mit umgekehrtem Vorzeichen: Buchse (Kelch) anstatt Stift für den Innenleiter, nennt sich dann Reverse-TNC. Wird häufiger im WLAN Bereich verwendet. WiMo führt entsprechende Adapter und TNC-Reverse Stecker.
  • BNC: Etwas größerer Stecker, existiert für praktisch alle Kabeltypen. Wird im WLAN Bereich selten verwendet. Auch hier gibt es Reverse-BNC Typen.
  • N: Der Stecker für professionelle Montage und praktisch alle Kabeltypen. Dicke Kabel zur Antenne sollte man immer mit N ausrüsten, zum Notebook/AP mit einem Pigtail mit N-Buchse adaptieren.