Wireless Local Area Network

Grundidee und Funktionsweise

Ein Wireless Local Area Network (WLAN) ist ein lokales Funknetz, das meist auf einem Standard der IEEE-802.11-Familie beruht. WLAN bezeichnet das Netzwerk selbst; Wi-Fi bezeichnet dagegen eine Zertifizierung der Wi-Fi Alliance anhand dieser Standards. Gegenüber einem Wireless Personal Area Network (WPAN) bietet WLAN gewöhnlich größere Reichweiten, höhere Sendeleistungen und höhere Datenraten. Es verändert vor allem die physikalische Schicht und die Sicherungsschicht, also die Schichten 1 und 2 des OSI-Modells. Heute wird meist das Mehrträgerverfahren OFDM eingesetzt.

Im Infrastruktur-Modus koordiniert ein Wireless Access Point, häufig Teil eines Routers, alle Endgeräte. Er sendet üblicherweise zehnmal pro Sekunde sogenannte Beacons. Diese enthalten unter anderem den Netzwerknamen SSID, unterstützte Übertragungsraten und die Verschlüsselungsart. Beacons werden mit der niedrigsten Rate von 1 Mbit/s übertragen; ihr Empfang beweist daher noch keine stabile Verbindung mit höherer Geschwindigkeit. Über einen Access Point kann WLAN mit einem Ethernet-Netz verbunden werden, wobei zwischen IEEE 802.11 und Ethernet nach IEEE 802.3 umgewandelt wird.

Das Verbergen der SSID bringt keinen zuverlässigen Schutz. Endgeräte suchen dann aktiv nach gespeicherten versteckten Netzen, was Angreifer ausnutzen können, indem sie einen Access Point vortäuschen. Bei großen WLANs können sich Funkzellen gegenseitig stören. Ein nahtloser Wechsel zwischen Access Points ist außerdem schwierig, weil die Verbindungssteuerung überwiegend im Client liegt. Zentrale Steuerungen können Frequenzen, Sendeleistung und Übergänge besser koordinieren.

Im Ad-hoc-Modus sind alle Stationen gleichberechtigt; ein Access Point fehlt. Alle Geräte verwenden dieselbe SSID und gegebenenfalls dieselben Verschlüsselungseinstellungen. Da normalerweise keine Pakete zwischen Stationen weitergeleitet und keine umfassenden Netzinformationen ausgetauscht werden, eignet sich dieser Modus nur für wenige, nahe beieinanderliegende Geräte. Mit Routing-Funktionen kann daraus ein mobiles Ad-hoc- beziehungsweise Mesh-Netz entstehen. Genannte experimentelle oder standardisierte Ansätze sind AODV, OLSR, B.A.T.M.A.N. und IEEE 802.11s. WDS, Wireless Bridging und Repeating dienen dazu, Funknetze zu erweitern oder kabelgebundene Netze drahtlos zu verbinden.

Frequenzbereiche und Kanäle

WLAN nutzt vor allem lizenzfreie Bereiche bei 2,4 GHz und 5 GHz; IEEE 802.11ad arbeitet bei 60 GHz. Nationale Behörden wie die Bundesnetzagentur in Deutschland, die RTR in Österreich und das BAKOM in der Schweiz regeln die Frequenznutzung im Rahmen übergeordneter Vorgaben von ETSI und ITU. Zulässige Kanäle, Leistungen und Einsatzbedingungen unterscheiden sich je nach Land.

Das 2,4-GHz-Band reicht von 2400 bis 2483,5 MHz und ist in 14 Kanäle eingeteilt. In Europa sind gewöhnlich die Kanäle 1 bis 13, in den USA 1 bis 11 und in Japan zusätzlich Kanal 14 nutzbar. Der Kanalabstand beträgt meist 5 MHz, ein WLAN-Signal benötigt aber 20 MHz beziehungsweise bei 802.11b 22 MHz. Deshalb überlappen benachbarte Kanäle. Für 20-MHz-Verbindungen werden in Europa die Kombination 1, 5, 9 und 13 und in den USA 1, 6 und 11 genannt. Bei 802.11b mit 22 MHz Breite sind in Europa 1, 6 und 11 üblich. Die Kanäle 9 und 10 können durch die Leckfrequenz von Mikrowellenherden um 2,455 GHz gestört werden. In Europa stehen insgesamt 83,5 MHz Bandbreite zur Verfügung. Die maximale EIRP, also die auf eine ideale Rundstrahlantenne bezogene Strahlungsleistung, beträgt dort im 2,4-GHz-Band 100 mW; Kanal 14 ist verboten.

Im europäischen 5-GHz-Bereich dürfen 5150–5350 MHz mit bis zu 200 mW nur in geschlossenen Räumen genutzt werden. 5150–5250 MHz sind dabei auch ohne dynamische Frequenzwahl DFS und automatische Leistungsregelung TPC nutzbar. Für 5470–5725 MHz sind mit DFS und TPC bis zu 1 W EIRP erlaubt. Diese Verfahren sollen bevorrechtigte Nutzer wie Regenradar, Satelliten- und Ortungsdienste schützen. 5725–5850 MHz dürfen in Europa auf Grundlage der SRD-Zulassung mit 25 mW verwendet werden. In Deutschland ist 5755–5925 MHz außerdem für meldepflichtige gewerbliche BFWA-Netze vorgesehen; dort sind unter festgelegten Bedingungen bis zu 4 W EIRP und 200 mW/MHz spektrale Leistungsdichte erlaubt.

Die Angaben des Artikels gelten teilweise als veraltet: Wi-Fi 6E, Wi-Fi 7 und das 6-GHz-Band werden nicht vollständig behandelt. Für aktuelle Kanal-, Leistungs- und Landesregeln müssen daher die jeweils gültigen behördlichen Vorgaben beachtet werden.

Standards und Übertragungsverfahren

Die IEEE normiert die WLAN-Familie 802.11. Der ursprüngliche Standard von 1997 sah FHSS, DSSS und Infrarot vor. Beim Frequenzsprungverfahren FHSS wechseln Sender und Empfänger synchron zwischen kleinen Kanälen, was Störungen vermindert. DSSS ist ein Einzelträgerverfahren mit Frequenz- und Codespreizung; sein Signal ist 22 MHz breit. Das damalige Infrarotverfahren arbeitete mit 850–950 nm, erreichte bis zu 16 Mbit/s über höchstens 10 m und war nur im Ad-hoc-Modus möglich.

802.11b erschien 1999 und nutzt bei 2,4 GHz DSSS und CCK mit maximal 11 Mbit/s. Weil reine 802.11b-Geräte kaum noch verbreitet sind, wird vom Kompatibilitätsmodus abgeraten: Er verringert den Durchsatz moderner Geräte. 802.11a von 1999 verwendet im 5-GHz-Band OFDM. Ein 20-MHz-Kanal enthält 52 Unterträger zu je 0,3125 MHz, von denen vier Pilotträger sind. 802.11g übertrug dieses OFDM-Schema 2003 auf 2,4 GHz und erreicht 54 Mbit/s; sein 802.11b-Kompatibilitätsmodus kann das gesamte Netz bremsen.

802.11n, als Wi-Fi 4 bezeichnet und 2009 veröffentlicht, arbeitet bei 2,4 und 5 GHz. Es führte MIMO und optional 40-MHz-Kanäle ein. MIMO nutzt mehrere Antennen und parallele Datenströme. Im 40-MHz-Modus bilden 108 Unterträger zu 0,3125 MHz ein 33,75 MHz breites Signal; sechs davon sind Pilotträger. Pro Datenstrom sind brutto bis zu 150 Mbit/s, insgesamt theoretisch bis zu 600 Mbit/s möglich. Breitere Kanäle halbieren jedoch die Zahl der überlappungsfreien Kanäle.

802.11h erweitert 802.11a um TPC und DFS zum Schutz anderer Funkdienste. 802.11ac beziehungsweise Wi-Fi 5 wurde im Dezember 2013 verabschiedet. Es arbeitet ausschließlich bei 5 GHz mit 80 MHz, optional 160 MHz Kanalbreite, und ermöglicht laut Artikel 1,3 Gbit/s brutto beziehungsweise in der Übersicht mit bis zu acht Antennen theoretisch bis zu 6.933 Mbit/s. 802.11ad erreicht seit 2014 bei 60 GHz auf hindernisfreien Strecken von einigen Metern bis zu 7 Gbit/s; für größere Entfernungen sollen Geräte auf 5 oder 2,4 GHz wechseln.

802.11ax beziehungsweise Wi-Fi 6 wurde 2020 veröffentlicht. Es nutzt bei 2,4 und 5 GHz OFDMA, QAM mit bis zu 1024 Zuständen und bis zu acht Datenströme. Sein Schwerpunkt liegt auf der zentralen Koordination vieler gleichzeitig aktiver Geräte; genannt werden OFDMA und Coloring. Die theoretische Bruttodatenrate beträgt 9.600 Mbit/s. Wi-Fi 6E ergänzt in der Übersicht das 6-GHz-Band, wird aber nicht näher erklärt. 802.11be beziehungsweise Wi-Fi 7 soll 2,4, 5 und 6 GHz, MLO, Massive MIMO, QAM und bis zu 16 Antennen nutzen; theoretisch werden bis zu 46,1 Gbit/s genannt. Der Artikel kennzeichnet Wi-Fi 7 noch als geplant. Offizielle Bezeichnungen „Wi-Fi 1“, „Wi-Fi 2“ und „Wi-Fi 3“ hat die Wi-Fi Alliance nicht vergeben; Zuordnungen anderer Autoren widersprechen sich.

Datenrate, Durchsatz und Reichweite

Die Bruttodatenrate ist die theoretische Linkrate einschließlich Verwaltungsdaten. Der für Anwendungen verfügbare Nettodurchsatz ist deutlich geringer und liegt selbst unter optimalen Bedingungen nur wenig über der Hälfte der Bruttorate. Alle Geräte auf demselben Kanal teilen sich die Bandbreite für Senden und Empfangen. Zusätzlich beeinflussen Signalstärke, Modulation, Störungen, Paketgröße und die Umwandlung zwischen WLAN-Paketen nach 802.11 und Ethernet-Paketen nach 802.3 das Ergebnis.

Kleine Pakete verursachen relativ viel Verwaltungsaufwand. Bei Messungen in 25 m Abstand erreichte 802.11g mit 64-Byte-UDP-Paketen 2,2 Mbit/s, mit 1460-Byte-Paketen 25,1 Mbit/s. 802.11n erreichte bei 20 MHz 9,3 beziehungsweise 73,0 Mbit/s und bei 40 MHz 9,0 beziehungsweise 100,0 Mbit/s. Anwendungen mit kleinen Paketen wie VoIP haben daher einen schlechteren Datendurchsatz als Übertragungen großer Pakete, etwa HTTP-Transfers.

Bei MIMO gibt die Schreibweise beispielsweise 3×3 an, dass Sender und Empfänger jeweils drei Antennen und damit bis zu drei parallele Datenströme verwenden. Die Station mit weniger Antennen begrenzt die Zahl der Streams. Zusätzliche Antennen steigern die praktische Rate nicht proportional; Sender- und Empfängeraufwand wachsen linear, die Signalverarbeitung sogar überlinear. Geräte mit nur einer Antenne erreichen bei 802.11n meist höchstens 72 Mbit/s brutto und bei 802.11ac 433 Mbit/s.

Handelsübliche Geräte lassen bei freier Fläche typischerweise etwa 30 bis 100 m Reichweite erwarten. In Gebäuden bestimmen Wände, Feuchtigkeit, Metall, Stahlbeton, metallbedampftes Glas und Bauweise die Dämpfung. Oberflächen können Signale auch reflektieren und die Reichweite verbessern. Höhere Frequenzen und Hindernisse begrenzen besonders 60-GHz-Verbindungen; für 802.11ad nennt die Tabelle ungefähr 10 m im Haus.

Richtantennen bündeln Funkwellen und erhöhen sowohl Sende- als auch Empfangsgewinn. Bei freier Sicht und möglichst freier erster Fresnelzone können mehrere Kilometer überbrückt werden. Rekorde bis zu hundert Kilometern überschreiten jedoch meist die zulässige EIRP. Der Antennengewinn in dBi muss deshalb bei der gesetzlichen Leistungsgrenze berücksichtigt werden.

Sicherheit und verantwortlicher Betrieb

Offene WLANs sind unter anderem durch Snarfing und Man-in-the-Middle-Angriffe gefährdet. Verschlüsselung schützt die Funkübertragung, Authentifizierung prüft die Zugangsberechtigung. WEP, WEPplus und WPA gelten Anfang 2024 als technisch überholt, weil Angriffe wie Known-Plaintext-Angriffe mit vertretbarem Aufwand möglich sind. Empfohlen werden mindestens WPA2 und möglichst WPA3. Da ältere Geräte WPA3 oft nicht unterstützen, kann vorübergehend ein gemischter WPA2/WPA3-Modus nötig sein. Offene Netze können Opportunistic Wireless Encryption (OWE) einsetzen. Alternativ kann ein VPN den Datenverkehr auf IP-Ebene verschlüsseln.

Das Extensible Authentication Protocol (EAP) authentifiziert Clients und kann für größere Installationen innerhalb von WPA mit einem RADIUS-Server zur Nutzerverwaltung zusammenarbeiten. Eine MAC-Adresse kennzeichnet einen Netzwerkadapter, ist aber kein sicherer alleiniger Zugangsschutz: Zulässige Adressen lassen sich aus mitgeschnittenem Verkehr ermitteln und anschließend vortäuschen.

Zu den grundlegenden Maßnahmen gehören ein starker Netzwerkschlüssel, das Ersetzen voreingestellter Router-Passwörter, regelmäßige Firmware-Updates und das Deaktivieren von WPS sowie der Fernkonfiguration, wenn sie nicht gebraucht werden. Die Konfiguration sollte möglichst kabelgebunden erfolgen. Ein neutraler SSID-Name verhindert zumindest offensichtliche Hinweise auf Hardware oder Einsatzort, bietet aber nur geringen Sicherheitsgewinn. Nicht benötigte WLAN-Geräte können ausgeschaltet werden. In größeren Netzen lassen sich WLAN und kabelgebundener Bereich durch VLANs und eine Firewall trennen.

In Deutschland wurde die Haftung von Anschlussinhabern lange uneinheitlich beurteilt. Der Bundesgerichtshof entschied am 12. Mai 2010, dass Privatpersonen bei einem unzureichend gesicherten und missbrauchten WLAN auf Unterlassung, aber nicht auf Schadensersatz in Anspruch genommen werden konnten. Eine TMG-Änderung vom 21. Juli 2016 bezog WLAN-Zugangsanbieter in das Providerprivileg ein, beseitigte die Störerhaftung aber noch nicht eindeutig. Erst die Neufassung von § 7 Abs. 4 S. 3 TMG Mitte 2017 stellte klar, dass Zugangsanbieter Dritten nicht mehr für das Verhalten der WLAN-Nutzer haften. Andere Anforderungen, etwa der Datenschutz bei öffentlichen Netzen, bleiben bestehen.

Bedeutung, Anwendungen und Gesundheitsfragen

WLAN ermöglicht mobile und flexible Internet- und Netzwerkzugänge. Öffentliche oder kommerzielle Access Points mit Internetverbindung heißen Hotspots. Die EU-Initiative Wifi4EU unterstützt kostenlose WLAN-Netze in öffentlichen Einrichtungen. Im privaten Bereich sind Access Points meist direkt in den von Internetanbietern bereitgestellten DSL-Zugangsgeräten eingebaut.

WLAN-Signale können außerdem zur Ortsbestimmung in Städten und Gebäuden dienen. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen betrieb dazu seit Anfang 2008 in Nürnberg eine Testumgebung auf 25 km². Auch Google und Apple nutzen WLAN-Daten als Alternative zur GPS-Ortung. Weitere Forschung untersucht den Einsatz im öffentlichen Straßenverkehr zur Verbesserung der Verkehrssicherheit.

Die Frequenzen um 2,4 und 5,4 GHz liegen im Mikrowellenbereich. Nach mehreren Studien, darunter Untersuchungen des Bundesamts für Strahlenschutz, gibt es innerhalb der gesetzlichen Expositionsgrenzwerte nach dem dargestellten wissenschaftlichen Stand keine Hinweise auf gesundheitliche Risiken. Als gesicherte biologische Wirkung gilt die thermische beziehungsweise dielektrische Erwärmung. Zu ihrem Schutz dient ein Grenzwert für die spezifische Absorptionsrate, der bei körperfernem Normalbetrieb weit unterschritten wird. Laptopnutzer können sich dem Grenzwert nähern, wenn das Gerät auf dem Oberschenkel liegt.

Zell- und Tierstudien zeigen einen Trend, dass auch niedrig dosierte Hochfrequenzfelder oxidativen Stress, also eine Störung der zellulären oxidativen Balance, auslösen könnten. Stand 2021 bestand jedoch kein wissenschaftlicher Konsens über Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Das Bundesamt für Strahlenschutz empfiehlt vorsorglich, unnötige persönliche Belastung zu vermeiden und Kabelverbindungen zu verwenden, wenn drahtlose Technik nicht erforderlich ist.