Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 5/8: Hintergrund-Rauschen

Immer und überall finden wir ein gewisses Mass an Rauschen, welches unsere WLAN-Übertragungen beeinflusst.
Ich kenne leider nur den englischen offiziellen Begriff: “Black Body Noise”, wobei es sich um ein thermisches Rauschen handelt.

Analogie:
Stellt Euch ein Stück Eisen vor, dass in einem Feuer zum Glühen gebracht wird.
Dieses Glühen können wir sehen – aufgrund der Temperatur sendet das Eisen Licht aus.
Licht kann aber auch als elektromagnetische Welche bezeichnet werden.
Kühlt das Metall ab, wird das Glühen dunkler – sprich die Frequenz der elektromagnetischen Welle verändert sich.
Aber auch bei Zimmertemperatur wird das Stück Eisen noch weiter elektromagnetische Wellen erzeugen.
Und nicht nur das Eisen, alles um uns herum tut dies.

Um wieviel Rauschen handelt es sich?Wieviel Energie dabei freigesetzt wird, kann man mit Hilfe der Boltzmann-Konstante berechnen.
Über die Details dieser Berechnungen darf man sich gerne mit einem Physikprofessor unterhalten – uns genügt an dieser Stelle die Erkenntniss, dass die “Black Body Noise” im Bereich unserer Normaltemperatur –174dBm/Hz beträgt.
(PS: Die zugrundeliegenden Formeln zeigen, dass der Unterschied der Temperatur zwischen Winter und Sommer den obigen Wert nur äusserst Gering beeinflusst)

Effektiver Einfluss auf das WLAN
Als Beispiel rechnen wir mit einem 802.11g-Kanal, welcher 20MHz breit ist. Ich muss nun also denn Wert von –174dBm/Hz auf eine Kanalbreite von 20MHz hochrechnen. Glücklicherweise lässt sich das Verhältniss zwischen 20MHz und 1Hz auch mit dem Faktor 73dB darstellen.
Somit beträgt das Hintergrund-Rauschen für ein 20MHz breiten Kanal also –174dBm +73dB = –101dBm.
Um ihn uns besser zu merken und da wir sowieso bei der Berechnung mit der Boltzmann-Konstante gerundet haben,
merken wir uns einen Wert von –100dBm.

Was bedeutet nun dieser Wert von –100dBm in der Realität?
Es heisst:
a) je näher ein Signal dem Pegel von –100dBm kommt, desto schlechter wird das Signal-Rausch-Verhältniss
b) jedes Signal das unter einen Pegel von –100dBm fällt, kann nicht mehr vom Hintergrundrauschen unterschieden werden und ist damit verloren!

Wenn wir uns moderne WLAN-Standards wie 802.11n oder 802.11ac anschauen, stellen wir fest, dass deren Kanalbreite sich laufend weiter verdoppelt. Für jede Verdoppelung verdoppelt sich selbstverständlich auch das Hintergrundrauschen.
Bei 802.11ac mit 160MHz breiten Kanälen wäre bezüglich Black Body Radiation also mit einem Wert von –91dBm zu rechnen.

Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 4/8: Fresnel-Zone

WLAN-Übertragungen funktionieren grundsätzlich aufgrund von Sichtverbindungen.
Natürlich geht das Signal auch mal durch eine Wand durch, jedoch nicht ohne massive Auswirkungen auf Empfangspegel etc.
MIMO-Technologien helfen uns heutzutage in Gebäuden diese Effekte im Griff zu behalten.
Für lange Punkt-zu-Punkt-Verbindungen helfen uns MIMO-Technologien jedoch nur bedingt und die physikalische Ausbreitung der Radiowellen spielt eine wichtige Rolle.
Der wichtigste Aspekt dabei ist die Fresnel-Zone.
Ich möchte hier nicht alle physikalischen Grundlagen im Detail erörtern – wer daran interessiert ist, findet im Internet massenweise entsprechende Seiten – ich möchte mich hier auf die wichtigsten Fakten begrenzen.
Die Fresnel-Zone kann man sich als langgezogene Elippse zwischen zwei Antennen vorstellen.

(Bild zur Verfügung gestellt von WikiPedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelzone)
Die genaue Form dieser Elippse hängt von der verwendeten Frequenz und dem Abstand der beiden Antennen ab. Je grösser der Abstand und je grösser die Wellenlänge (sprich: je kleiner die Frequenz) desto dicker wird die Elippse der Fresnel-Zone.
Die Frage ist nun aber – wieso interessiert mich dies überhaupt?
Nun, die zu Beginn angesprochene Sichtverbindung ist in Wirklichkeit genau diese Freznel-Zone. Und es sollte idealerweise die ganze Fresnel-Zone frei sein für eine gute Übertragung. Wird die Fresnel-Zone bis zu 40% durch irgendwelche Hinternisse verdeckt (Gebäude, Bäume, Hügel, etc.) wird die Kommunikation in der Regel noch funktionieren, aber es ist bereits mit einem Einfluss auf die mögliche Daten- und Fehlerrate zu rechnen.
Bei mehr als 40% Verdeckung wird es vorerst immer noch funktionieren – hier ist aber bereits eine deutliche Auswirkung auf die Signalqualität zu erwarten.
Ab welchem Punkt – ab welcher Prozentzahl der Verdeckung – die Kommunikation gar nicht mehr funktionieren wird, lässt sich nicht genau vorhersagen – dies hängt sehr stark von der Umgebung ab.
Die verbleibende Frage ist also, wie “dick” wird die Fresnel-Zone maximal und habe ich eventuelle Hindernisse in diesem Bereich – oder kann ich darüber hinweg senden.
Dazu gibt es schöne Formeln, um dies zu berechnen – oder es gibt Webpages im Internet, welche die Berechnung für uns übernehmen.
Eine sehr schöne Webpage ist die folgende:
http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/
Füllen wir das Tool mal gemeinsam aus.
1. Die Einheit stellen wir auf “km, meters” um.
2. Als Frequenz wählen wir erstmal die 2440 MHz, die per default vorgeschlagen sind.
3. k-factor belassen wir auf dem Standardwert.
4. “Percent of 1st  FZ” gibt an, wieviele Prozent der Fresnel-Zone frei seien soll. Standardmässig ist hier bereits das Minimum von 60% angegeben. Wir werden 100% verwenden, um die ganze Fresznel-Zone zu “sehen”.
5. “Link Distance” ist der Abstand beider Antennen und wir wählen hier mal 20km.
Bereits jetzt kann ich auf der rechten Seite unter “Equal Antenna Height Solution” ablesen, welchen Radius meine Fresnel-Zone haben wird und die Angabe auf welcher Höhe beide Antennen zu montieren wären.
In unserem Beispiel erkenne ich, dass die Fresnel-Zone einen Radius von rund 25m haben wird … aber wieso muss ich nun die Antennen auf einer Höhe von 31m montieren? (wieso nicht 25m?)
Nun, ich muss auch den Einfluss der Erdkrümmung einrechnen, die bei einer Distanz von 20km doch immerhin schon knappe 6m beträgt.
Interessant an diesem Online-Tool ist jedoch auch die 2. Hälfte, wo ich jetzt manuel angeben kann, auf welcher Höhe meine Antennen tatsächlich montiert sind und in welchem Abstand ein Hinterniss welcher Grösse zu suchen ist.
Ich habe oben zwei Hochhäuser angenommen, wo die Antennen auf 50m bzw. 70m Höhe montiert sind und in 7km Entfernung gibt es ein weiteres Hochhaus im Weg, dass jedoch deutlich kleiner ist (35m) – ich kann da also sehr gut darüber hinweg sehen.
Ist dies aber auch für die Fresznel-Zone so?
Nun, sie können es unten rechts erkennen – dieses dritte Hochhaus ragt doch tatsächlich in die Fresnel-Zone hinein.
Drehe ich nun die Prozentzahl wieder auf die minimalen 60% zurück, so sehe ich, dass das Gebäude doch kein Problem ist – ich habe diesbezüglich noch 2m “Luft”.
Nun, die Realität von WLANs spielt sich üblicherweise nicht im Distanzbereich von 20km ab; eher so um die 1-2 km.
Das Prinip bleibt das Gleiche – allerdings kann üblicherweise die Erdkrümmung in diesem Distanzbereich ignorieren und natürlich bleibt die Fresnel-Zone deutlich schlanker.
ABER es sollte trotzdem nicht unterschätzt werden – verändere ich obiges Beispiel auf nur 1km Distanz, so wird die Fresnel-Zone immerhin einen Radius von 5.5m haben – 60% frei heisst also immer noch 3.3m Radius.
Fazit:Die Fresnel-Zone wird öfters bewusst oder unbewusst ignoriert.
”Komische” Verbingungs- und Performance-Probleme können aber immer wieder auf die Verletzung der Fresnel-Zone zurückgeführt werden.

Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 3/8: Free Space Path Loss

Es ist eine physikalische Gegebenheit, dass sich Radiowellen über eine bestimmte Distanz abschwächen.
Selbst wenn wir keinerlei Dämpfung voraussetzen, wird das Signal schwächer.

Folgend der Versuch einer Alltags-tauglichen Erklärung:
Stellt Euch einen Luftballon vor, der nur leicht aufgeblasen ist. Der Gummi hat in diesem Zustand eine bestimmte Wandstärke.
Blasen wir den Ballon jetzt weiter auf, wird er logischerweise grösser - aber Menge des Materials bleibt gleich.
Entsprechend nimmt gezwungernermassen die Wandstärke des Gummis ab.

Auf unsere Radiotechnik übertragen entspricht die Wandstärke des Luftballons der Signalstärke und der Radius des Ballons der Entfernung vom AP.

Also, dass das Signal über Distanz schwächer wird, ist rein schon von der Geometrie vorgegeben.
Aber wie sieht es in der Praxis aus?

Um den genauen Free Space Path Loss für eine bestimmte Frequenz und Distanz auszurechnen, gibt es im Internet mehr als genug Online-Tools.
Ich möchte Euch hier lieber einen Trick für eine grobe Abschätzung weitergeben – ist massiv schneller, kann auch mal im Kopf gerechnet werden und bewährt sich in der Realität relativ gut.

Auf dem ersten Meter könnt Ihr mit einer Abschwächung des Signals um:
- 40 dB im 2.4GHz-Band
- 46 dB im 5GHz-Band
rechnen.
Pro weitere Verdoppelung der Distanz kommen jeweils zusätzliche 6 dB Dämpfung dazu.

Beispiel 1: 5 GHz Signal in 8m Distanz
Für 5GHz würde sich also in 8m Distanz folgende Dämpfungsberechnung ergeben:
1 Meter = 46 dB
2 Meter = +6 dB
4 Meter = +6 dB
8 Meter = +6 dB

==> 46 dB + 6 dB + 6 dB + 6 dB = 64 dB
Auf 8 Meter Distanz muss ich also mit einer Dämpfung von 64 dB für 2.4GHz-Signale rechnen.

Beispiel 2: 2.4 GHZ Signal in ~1km Distanz
1 Meter = 40 dB
2 Meter = +6 dB
4 Meter = +6 dB
8 Meter = +6 dB
16 Meter = +6 dB
32 Meter = +6 dB
64 Meter = +6 dB
128 Meter = +6 dB
256 Meter = +6 dB
512 Meter = +6 dB
1024 Meter = +6 dB

==> 40 dB + (10x +6dB) = 100 dB

Soweit, so gut – aber was ist Free Space?
Nun, ganz offiziell ist diese Berechnung nur gültig im Vakuum – allerdings kann man die Atmosphäre ohne schlechtes Gewissen ignorieren.
Bei unserer “Daumen mal PI”-Berechnung sowieso.
Eine andere Geschichte sind jedoch Hindernisse, diese wurden bisher nicht berücksichtigt – die Berechnungen eignen sich also nur für Verbindungen im offenen Gelände.
Für Gebäude eignet sich es nicht wirklich – Räumlichkeiten mit nur sehr dünnen Wänden (Gibswände) oder Grossraumbüros können auf eine ähnliche Art und Weise angenähert werden, wobei pro Distanz-Verdoppelung anstelle von +6 dB ein Wert von +10 dB eingesetzt werden sollte.
In diesen zusätzlichen 4 dB versuchen wir die Dämpfung verursacht durch Personen, Kleiderständern, Gibswänden, Stehlampen, etc. mit zu Berücksichtigen. Aber Achtung, Beton- und Backsteinwände bringen locker mehr Dämpfung.

Aber aus der Aufzählung zuvor kann man sehr einfach schliessen, dass dies bei jedem Gebäude anders sein wird … daher ist dies wirklich nur als Anhaltspunkt zu nehmen – ein Site-Survey wäre hier trotzdem extrem wichtig!

Ok, egal ob freies Feld oder Grossraumbüro - und was tue ich denn nun mit dieser Zahl?
Nun, ich ziehe diesen Wert von der Sendeleistung des Accesspoints ab und bekomme somit den Signalpegel am vorgegebenen Ort.

In einer späteren Folge dieser Serie werde ich auf diesen “Path Loss” zurückkommen.

Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 2/8: Rechnen mit dB-Werten

In der Welt von Radiowellen und Frequenzen wird viel mit Dezibel-Werten gerechnet, weshalb wir uns zuerst mit diesen Werten vertraut machen müssen.

Folgende dB-Werte treffen wir gewöhnlich im WLAN-Umfeld an:

dB	dB ist ein relativer Vergleich zweier Werte mittels 10er-Logaritmus. Die Angabe eines dB-Wertes gibt uns noch keinerlei Hinweis über die grösse der Ausgangswerte, sondern ausschliesslich eine Angabe der Unterschiedlichkeit dieser Werte.
dBm	Die Angabe eines Wertes in dBm vergleicht diesen Wert mit einer Leistung von 1mW. Somit ist es aber kein relativer Wert mehr sondern ein Absolutwert. Jedoch verwendet auch dBm den 10er-Logarithmus
dBi	Auch dBi ist ein Absolutwert – hier wird jedoch der Gewinn einer Antenne mit dem Verhalten eines idealen isotropischen Kugelstrahlers (theoretisches Konstrukt). Aber auch dieser Wert beruht auf dem 10er-Logarithmus.

Da all diese Werte auf dem 10er-Algorithmus beruhen, kann ich diese nun auch direkt miteinander verrechnen.
Also zum Beispiel:
Sendeleistung [dBm] – Dämpfung Antennenkabel [dB] + Antennengewinn [dBi] – Free Space Path Loss [dB] = Signalpegel am Ort [dBm]

Der 10er-Logaritmus hat auch die folgende netten Eigenschaften:
- Eine Verdoppelung des Wertes entspricht +3dB
- Eine Halbierung des Wertes enstpricht –3dB
- Eine Verzehnfachung des Wertes entspricht  +10dB

Daraus lassen sich nun weitere Werte berechnen – zB. eine eine Verfünffachung des Wertes wäre ja eine Verzehnfachung mit anschliessender Halbierung, also +10 dB – 3 dB = +7 dB

Um uns die Sache noch ein wenig weiter zu vereinfachen, gibt es ein paar dBm- und dB-Werte, welche man sich merken sollte.

dB-Werte:

0 dB	Kein Unterschied zwischen den beiden Werten
+3 dB	Verdoppelung
-3 dB	Halbierung
+10 dB	Verzehnfachung
- 10 dB	Zehntel

dBm-Werte:

0 dBm	1mW	Referenzwert
20 dBm	100mW	Max. Sendeleistung für 2.4 GHz
30 dBm	1W	Max. Sendeleistung für 5 GHz (unter bestimmten Voraussetzungen)
17 dBm	50mW	Häufig verwendeter Leistungspegel auf APs
14 dBm	25mW	Häufig verwendeter Leistungspegel auf APs

Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 1/8: Einführung

Immer wieder taucht die Frage auf, welche Distanz mit einem WLAN-Signal überwunden werden kann.
Um diese Frage zu beantworten sind unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen, wie zum Beispiel:
- Abschwächung der WLAN-Signale aufgrund der Distanz
- Erdkrümmung und Fresnel-Zone
- Rauschen und Störsender
- Gesetztliche Vorschriften

Ich beginne also hier eine kleine Serie an Posts, welche das Thema ein wenig ausführlicher beleuchten sollen.
Folge 1: Dieses Einführung
Folge 2: Rechnen mit dB-Werten
Folge 3: Free Space Path Loss
Folge 4: Fresnel-Zone
Folge 5: Hintergrund-Rauschen
Folge 6: Wir sind nicht alleine
Folge 7: Legal? Illegal? Egal?
Folge 8: Fazit und Zusammenfassung
Viel Spass dabei  - und wie immer sind Kommentare sehr willkommen.

WLAN-Grundlagen: Gremien

In früheren Blogs schrieb ich schön öfters von unterschiedlichen Gremien. Erwähnt wurden die IEEE, die WiFi-Alliance, etc.
Doch wer sind diese Gremien und was sind ihre Aufgaben?
Übersicht:

IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers Sie ist das eigentlich Standardisierungs-Gremium. Alle relevanten Standards im Netzwerk-Umfeld und somit auch im Bereich WLAN wurden durch die IEEE erlassen. Die IEEE gruppiert die Standards dabei mit Nummern. 802.3 – diese sind Standards im Ethernet-Umfeld 802.11 – hier findet man die Wireless-Standards
WECA	Wireless Ethernet Compatibility Alliance Alter Name der WiFi-Alliance, welcher aber deutlicher zum Ausdruck bringt, was das Ziel dieser Organisation ist: Die Kompatibilität von WLAN-Geräten unterschiedlicher Hersteller.
WiFi-Alliance	Wireless Fidelity Alliance Um ihr Ziel der Kompatibilität zu garantieren, führte die WECA die “WiFi"-Zertifizierung ein. Alle Geräte, welche diese Zertifizierung besassen konnten miteinander arbeiten, auch wenn sie von unterschiedlichen Herstellern geliefert wurden. Aufgrund des Erfolges des Markennamens “WiFi” taufte sich die WECA im Jahr 2002 in “WiFi-Alliance” um.
FCC	Federal Communications Commission Sie regelt und definiert die gesetzlichen Rahmenbedingungen für den Betrieb von Kommunikationsanlagen in den USA und weiteren Ländern, welche sich an den Vorgaben der FCC orientieren.
ETSI	European Telecommunications Standards Institute ETSI ist das europäische Gegenstück zur FCC und ist für die gesetzlichen Rahmenbedingungen in Europa und weiteren angeschlossenen Ländern zuständig.
IETF	Internet Engineering Task Force Die IETF kümmert sich um die technische Weiterentwicklung des Internet – oftmals in Bereichen, die der breiten Öffentlichkeit verborgen bleiben. Aber die Arbeit der IETF hat auch grossen Einfluss auf Wireless-LANs und ist deshalb hier auch aufgeführt.
Land X	Länderspezifische Vorschriften Jedes Land erlässt eigene Vorschriften bezüglich der Verwendung von elektromagnetischer Strahlung. Diese sind in der Regel abgeleitet von den Vorgaben der FCC, ETSI oder ähnlichen Organisationen – fast jedes Land hat jedoch noch einige ganz spezifische Punkte integriert, welche nur dort gelten.

Es wird wohl noch weitere Organisationen und Gremien geben, welche Einfluss auf die Entwicklungen im Bereich WLAN nehmen – ich kenne nicht alle, aber ich denke, die Wichtigsten habe ich hier erfasst.

WLAN-Geschichte: Sicherheit

Wireless-LANs werden bezüglich Sicherheit oft als unzureichend beurteilt, dabei ist es heutzutage möglich WLANs sehr sicher zu machen.
Allerdings benötigt dies eine korrekte Konfiguration der eingesetzten Gerätschaften.
Aber woher kommt denn der schlechte Ruf von WLANs?
Als erstes müssen wir einen Blick in die Vergangenheit werfen.

WEP – ein schlechter Start
1997 wurde der erste WLAN-Standard definiert und Sicherheit war darin wirklich kein grosses Thema. Die Sicherheit wurde durch ein Verfahren names “Wired Equivalent Privacy (WEP)” sichergestellt.
Es existieren jedoch 2 unterschiedliche Methoden, wie WEP eingesetzt werden kann:
- Open Systems Authentication
- Shared Key Authentication

Leider ist die Sicherheit von WEP nur sehr schwach und damit verschlüsselte Daten können sehr einfach geknackt werden.
Ich möchte hier nur 2 weitere Punkte anmerken:
1. Bitte “Sharded Key Authentication” bitte nicht mit dem Pre-Shared-Key (PSK) unter WPA verwechseln
2. Obwohl beide Methoden als unsicher gelten, muss gemäss Standard eine davon eingesetzt werden. Deshalb setzt man heutzutage “Open Systems Authentication” mit zusätzlichen Sicherheitsverfahren ein.

Weitere Details zu WEP können WikiPedia unter folgendem Link entnommen werden:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wired_Equivalent_Privacy

Der andere Grund für den schlechten Ruf ist die falsche Konfiguration von vielen Heim-WLANs. Aufgrund der Bequemlichkeit der Inhaber ist da auch heute noch oft keine Authentifizierung und keine Verschlüsselung konfiguriert – logisch sind diese Netzwerke unsicher!

Die Wende kam bereits 2004
Am 24. Juni 2004 ratifizierte die IEEE den Standard 802.11i, welcher es erlaubt, WLANs fortan sicher zu konfigurieren.
Bekannter als der IEEE-Standard sind die Industrie-Implementierungen davon: WPA und WPA2
Wirklich sicher wird WLAN durch die im Standard vorgesehene Verwendung von AES als Verschlüsselungsverfahren – dies entspricht auch der Vorgaben von WPA2.

Allerdings waren im Jahr 2004 noch lange nicht alle WLAN-Geräte in der Lage, das rechenintensive AES einzusetzen. Diesem Umstand trugen der Standard und WPA Rechnung, indem dort auch die Verwendung von TKIP zur Verschlüsselung als Option erlaubt bleibt.

2 unterschiedliche Anwendungsmedothen für WPA/WPA2
WPA und WPA2 definiert 2 Varianten, wie der Key für die Verschlüsselung gefunden wird.

Methode 1:

Personal-Mode Dieser ist wird oft als WPA-PSK bezeichnet; aufgrund des Einsatzes eines Pre-Shared Key (PSK). Mit einem PSK wird im Prinzip das “Passwort” für die WLAN-Verbindung auf beiden Seiten manuell eingegeben und damit der WLAN-Verkehr verschlüsselt. Somit bietet sich diese Verfahren für Heimanwendungen an! WPA2-PSK ist sehr sicher, da für AES bisher keine Methode bekannt ist, wie es geknackt werden könnte. Die Schwachstelle ist allerdings der PSK: Wird er bekannt gegeben, kann damit der ganze Verkehr entschlüsselt werden. Ist der PSK hingegen zu einfach, kann er erraten werden.

Methode 2:

Enterprise-Mode Diese Methode ist für den professionellen Einsatz in Firmennetzwerken gedacht. Im Unterschied zum PSK erhält hier jeder Benutzer ein eigenes Passwort für das WLAN. Um diese individuellen Passwörter zu nutzen, wird meist mit einem “Extensible Authentication Protokol (EAP)” und RADIUS-Servern gearbeitet und kommt daher für Heimanwendungen nicht in Frage. Insbesondere die Kombination von AES in WPA2 mit Zertifikaten ergibt eine extrem hohe Sicherheit.