Was beeinflusst die Datenrate oder Bandbreite im WLAN?

Was verbirgt sich hinter den Datenraten in Datenblättern der Hersteller und wie kommen diese theoretischen Werte zu Stande. Wir zeigen heute welche Signal- und Protokollparameter Einfluss auf die Datenrate haben. Wir haben die Einflussgrößen nach der Stärke ihres Einflusses auf die Datenrate geordnet und beginnen gleich mit den wichtigsten.

EinflussgrößeEinflussmögliche WerteStandard
802.11
Herausforderung
Kanalbreite hoch 20, 40, 80, 160MHz a/b/g/n/ac/ax begrenztes freies Spektrum
Spatial Streams hoch 1 bis 8 n/ac/ax Abstand Antennenelemente
Modulation mittel B/QPSK, 16-QAM, 64-QAM,
256-QAM, 1024-QAM
a/b/g/n/ac/ax Störempfindlichkeit
Codierung mittel 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 a/b/g/n/ac/ax Fehlerkorrektur
Guard Interval gering 0,4µs; 0,8µs; 1,6µs; 3,2µs a/b/g/n/ac/ax Kollisionen
Resource Unit hoch 26-Tone, 52-Tone, 106-Tone,
484-Tone, 996-Tone 
ax ähnlich Kanalbreite

Kanalbreite

Die Kanalbreite bestimmt wieviel des verfügbaren elektromagnetischen Spektrums man für die Datenübertragung beansprucht. Im 2,4GHz Band sind 20 und 40MHz Kanäle möglich. Jedoch belegt man mit einem 40MHz Kanal schon 2/3 des verfügbaren Spektrums. Also sind nur 20MHz Kanäle sinnvoll. Im 5GHz-Band sind 20, 40 und 80MHz Kanäle gebräuchlich. 160MHz Kanäle werden kaum verwendet. 40MHz bilden einen guten Kompromiss aus Datenrate und verbrauchtem Spektrum.

Verdoppelt sich die Kanalbreite, verdoppelt sich auch die Datenrate.

Weiterführender Artikel: 5GHz Kanäle für WLAN in Deutschland

5GHz Kanäle in Deutschland

Spatial Streams - MIMO

Durch mehrteilige Antennen ist es möglich phasenverschoben mehrere räumliche Datenströme parallel zu übertragen, wenn der Empfänger auch über mehrere Empfangsantennen verfügt. Dabei kommt es unter anderem auf den Abstand der Antennenelemente an, um die ursprünglichen Einzelsignale gut herausrechnen zu können. In der Praxis sind Antennen in mobilen Endgeräten oft zu eng beieinander, so das nur bedingt mehrere Datenströme genutzt werden können.

Verdoppelt sich die Anzahl der Spatial Streams, verdoppelt sich auch die Datenrate.

Weiterführender Artikel: Was ist MU-MIMO?

Phasenverschiebung

Modulation – QAM Quadraturamplitudenmodulation

Die Signalmodulation beschreibt wie komplex das Signal ist, das auf die elektromagnetische Welle aufmoduliert wird. Durch Veränderung der Amplitude und der Phase können in 2 Dimensionen (Quadrat) die Signale abgestuft werden und so mehr Bit an Information in einer Welle übertragen werden. Komplexe Signale (256-QAM und höher) können nur bei exzellenter Signalqualität (SNR) verwendet werden.

4-QAM / BPSK: 2 Bit
16-QAM: 4 Bit
64-QAM: 6 Bit
256-QAM: 8 Bit – erst mit 802.11ac
1024-QAM: 10 Bit – erst mit 802.11ax

Steigt die Komplexität der Modulation, steigt auch die Datenrate. Das Signal wird jedoch deutlich störanfälliger.

Weiterführender Artikel: Geringe Bandbreiten im WLAN – Was kann ich tun?

QAM Modulation

Codierung – Verwendeter Code mit Fehlerkorrektur

Codierungen unterscheiden sich nach Ihrem Verhältnis zwischen Nutzdaten und redundanten Bits für die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC). Treten bei der Übertragung Fehler auf, dann können diese mit Hilfe der redundanten Bits ggf. korrigiert werden.

Die verwendeten Codierungen reichen von 1/2 bis 5/6. Bei 1/2 müssen für jedes Netto-Bit zwei Brutto-Bits übertragen werden. 5/6 hat eine höhere Coderate, da in 6 Brutto-Bits 5 Netto-Bits enthalten sind.

Steigt die Coderate, dann steigt auch die Datenrate. Die Fehlertoleranz nimmt jedoch ab.

Guard Interval - Schutzintervall

Das Guard Interval ist der Sicherheitsabstand zwischen zwei Übertragungs-Symbolen. So werden Kollisionen durch das gleichzeitige Senden mehrerer Stationen eingeschränkt und Echos und Reflexionen stören das Signal weniger. Bei Richtfunkverbindungen im Freien kommen auf Grund der längeren Signallaufzeiten auch längere Guard Intervals zum Einsatz.

Ein längeres Guard Interval reduziert die Datenrate, macht das Signal aber weniger störanfällig.

Resource Units

Mit 802.11ax (Wi-Fi 6) hielt MU-OFDMA Einzug. Das ist die zeitgleiche Übertragung von Daten durch mehrere Stationen, die durch die Unterteilung des Kanals in Unterfrequenzen (Subcarriers) ermöglicht wird. Eine Resource Unit ist ein Paket solcher Unterfrequenzen. Resource units sind vergleichbar mit der Kanalbreite. Da sie jedoch nur Auswirkungen auf die Datenrate des einzelnen Endgerätes haben, tauchen Resource Units erst hier unten auf.

Verdoppelt sich die Größe der Resource Unit, verdoppelt sich auch die Datenrate des Endgerätes, dem diese Resource Unit zugewiesen wurde.

Weiterführender Artikel: 802.11ax – WLAN mit hoher Effizienz

OFDMA 802.11ax

Theorie und Praxis

Nicht alle der hier aufgeführten Einflussgrößen lassen sich konfigurieren oder aktiv bestimmen. Die Kanalbreite kann in allen professionellen WLAN-Systemen konfiguriert werden. Durch die Wahl des APs bestimmen Sie auch die maximale Anzahl der Spatial Streams. Die restlichen Größen werden im Allgemeinen zwischen dem Access Point und dem Endgerät ausgehandelt. Dabei ist es maßgeblich, wie gut die Signalqualität zwischen beiden Parteien ist. Bei guter Signalqualität können komplexe Modulationen, geringe Schutzintervalle und Codes mit geringer Fehlerkorrektur verwendet werden. So ergeben sich hohe Datenraten. Doch oft ist das Signal durch Störeinflüsse oder schlicht den Abstand der Geräte zu schlecht und ein Großteil der Kapazität muss für Redundanz und Fehlertoleranz verwendet werden. Dann sinken die Datenraten recht schnell.

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Übersichtstabelle mit 802.11ax Datenraten von SemFio Networks

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