Das ist keine Anleitung um sich eine WLAN-Antenne selber zu bauen, sondern ein Versuch Licht ins Dunkel des Antennenwaldes zu bringen. Oft werden ich bei Veranstaltungen gefragt, welches nun die beste WLAN-Antenne ist. Oder ich habe es auch schon mehrmals erleben müssen, wie "WLAN-Experten" ganz stolz verkündeten, jetzt eine 8dBi-Antenne für Wardriving zu besitzen. Beides zeugt nicht unbedingt von Wissen über Wellenausbreitung und Antennentechnik. Ich möchte das auch auf keinen Fall in allen Punkten und in seiner vollen Tiefe in diesem Text behandeln. Ein Buch wollte ich zwar schon immer mal schreiben, aber nicht unbedingt über WLAN-Antennen.

Wellenausbreitung

WLAN ist letztlich nichts anderes als Funk. Das bedeutet, dass die Funkwellen reflektiert, gebrochen, interferiert und gebeugt werden können. Dazu kommt noch die Dämpfung, die sich je nach Medium unterscheidet. Grundsätzlich gilt, je länger der Weg durch das Medium ist, um so größer ist die Dämpfung. Es gibt einige Medien, die schirmen WLAN sogar regelrecht ab, zum Beispiel Stahlbeton oder engmaschiger Maschendrahtzaun, derem Dämpfung ist also besonders hoch.

Die Ausbreitung von WLAN-Funkwellen erfordert optische Sicht, sprich man muss seinen Partner "sehen" können. Optische Sicht bedeutet, dass WLAN nicht der Krümmung der Erdoberfläche folgt, sondern man wirklich die Gegenseite (theoretisch) sehen können muss. Es darf sich kein Hinderniss zwischen den einzelnen Stationen befinden, egal ob managed mode (Accesspoint) oder ad-hoc mode (Verbindung zwischen zwei WLAN-Stationen). Die Betriebsart des WLANs hat nichts mit seiner physikalischen Ausbreitung zu tun, auch wenn man ab und zu hört, dass Ad-Hoc weiter reichen soll. Das ist Blödsinn.

Im Nahbereich (wenige Meter bis ein paar dutzend Meter) stören Hindernisse zwar, aber es kann durchaus noch eine Funkverbindung durch ein Wohnhaus hindurch zu Stande kommen. Wie groß der Verlust ist, hängt vom Medium ab. Stahlbeton stört mehr als eine Ziegelmauer (bei gleicher Wanddicke), aber auch ein großer Baum kann sehr stark dämpfen. Das liegt übrigens am enthaltenen Wasser, was die WLAN-Frequenz von 2.4GHz sehr stark dämpft.

Gerade im urbanen Bereich kommt es neben stark dämpfender Bebauung, auch Häuser genannt, zu Störungen aus anderen Funkquellen, von der Mikrowelle in der Küche bis hin zu anderen Geräten, die die gleiche Frequenz benutzen (Videolinks, Bluetooth und viele mehr). Während Bluetooth und WLAN nebeneinander recht gut zurecht kommen, kann ein Nachbar, der das Signal seines Videorecorders mittels Billig-Videolink so stören, dass keine Verbindung möglich ist, trotz idealer Bedingungen.

Ein weiterer und immer mehr zunehmender Störfaktor sind benachbarte Funknetze. Zwar funktionieren mehrere Funknetze mit dem selben Kanal an gleicher Stelle, aber sie stören sich gegenseitig, so dass immer wieder Datenpakete verloren gehen und neu übertragen werden müssen. Ein Einbruch der Bandbreite ist die Folge. Leider ist die Kanalaufteilung von WLAN sehr unglücklich gelöst. Die Kanäle überschneiden sich nämlich, so dass Kanal 1 alle Kanäle bis etwa Kanal 3 stört, Kanal 6 stört alle von etwa 3 bis 8 oder 9 und 11 stört von etwa 8 bis 14. Das bedeutet, dass gleichzeitig eigentlich nur drei Kanäle zur Verfügung stehen, ohne die anderen zu beeinflussen. Genaugenommen sind nur die Kanäle 1, 6 und 11 benutzbar, alle anderen zu benutzen ist schlicht asozial. Benutzt man zum Beispiel Kanal 3 sind gleich zwei andere blockiert (1 und 6). Natürlich könnte man dann statt Kanal 6 auf Kanal 9 umsteigen, dann ist aber auch Kanal 11 gestört und man hat effektiv nur 2 Kanäle zur Verfügung. Alles über Kanal 11 sollte man übrigens nicht nutzen, da nicht alle WLAN-Adapter damit zurecht kommen. Das hängt damit zusammen, dass diese Kanäle nicht in alle Ländern benutzt werden dürfen.

Zurück zur Wellenausbreitung. In der Regel findet WLAN im bebauten Bereich statt und da kommt es neben den Störungen durch andere Funkquellen und Dämpfung noch zu Reflexionen, Brechungen und Beugung und als Folge davon zu Interferenzen. Diese Überlagerungen können das Funksignal zusätzlich schwächen. Auf der anderen Seite sind es gerade die Reflexionen, die einem manchmal den Empfang eines Hotspots erst möglich machen. Aber sie können auch dafür sorgen, dass nur noch Wellenslalat ankommt, Phasen- oder Polaritätsverschiebungen auftreten und andere lästige Dinge, mit denen man klarkommen muss.

Auch eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Accesspoints ist nur bedingt sinnvoll, obwohl es oft als Wundermittel beschrieben wird. Zum einen muss auch die Gegenstation mit höherer Leistung arbeiten, damit man etwas davon hat, zum anderen ist die Erhöhung der Sendeleistung nur mäßig effektiv um höhere Reichweiten zu erreichen. Um die Feldstärke und damit die Reichweite zu verdoppeln, ist nach einer Faustformel etwa die 8-fache (2^3) Leistung notwendig. Sicher bringt auch wenig Leistungszuwachs einen Vorteil, vor allem im Grenzbereich, aber es ist deutlich weniger als viele glauben. Der beste Verstärker und wichtigstes Bauteil an einem Sender oder Empfänger ist nach wie vor die Antenne.

Antennencharakteristik

Die ideale Antenne, die man als punktförmige Quelle mit gleichmäßiger kugelförmiger Abstrahlung sehen kann, gibt es nicht. In der Praxis gibt es immer Zonen erhöhter und verminderter Feldstärke. Teilweise ist das sogar gewollt, zum Beispiel bei Richtantennen. Hier sind wir auch schon bei der ersten groben Einteilung von Antennen: Rundstrahl- und Richtantennen. Rundstrahlantennen werden auch als omnidirektionale Antennen bezeichnet.

Eine Rundstrahlantenne sendet in alle Richtungen und ist häufig an Accesspoints und vielen WLAN-Karten zu finden. Ihre Sendeleistung wird in alle Richtungen abgestrahl und sie eignet sich daher gut für Verbindungen, wo die Antennen nicht aufeinander ausgerichtet sein müssen. Nachteil ist die geringere Reichweite. Die Richtantenne strahl nur in einem engen Winkel ab. Dadurch hat sie eine vergleichsweise hohe Reichweite, aber muss dazu ausgerichtet werden. Sie wird oft für Festverbindungen, zum Beispiel bei der Überbrückung von einer Straße zwischen zwei Gebäuden, eingesetzt.

Neben der Richtcharakteristik gibt es noch die Polarisaton der Funkwellen, was bei WLAN horizontal oder vertikal bedeutet. Optimal ist die Übertragung nur, wenn beide Seiten mit gleicher Polarität arbeiten, was vor allem im Grenzbereich bemerkbar ist. Bei eingebauten Antennen hat man oft keine Möglichkeit, die Polarität zu beeinflussen und hat dadurch leichte Verluste.

Der Antennengewinn

Der Antennengewinn wird in Dezibel (dB) angegeben und bezieht sich relativ zur 0dB-Antenne, welche der oben beschriebenen idealen Rundstrahlantenne am nähesten kommt. Da Dezibel eine logarithmische Skale hat, muss man bedenken, dass eine Steigerung um 3dB eine Verdopplung der Signalstärke bedeutet. Ich habe es schon erlebt, dass Leute die Feldstärkeanzeige in ihrer WLAN-Software auf eine Prozentanzeige umgestalt haben und sich dann gewundert haben, dass sie nur 3-4% Empfang hatten, während ihr Freund gleich neben ihnen dB-Zahlen hatte, die irgendwie viel besser schienen. Prozent sind linear und dB wie gesagt logarithmisch, das sollte man bei der Bewertung von solchen Aussagen immer bedenken und da sind 3-4% ein wirklich guter Wert.

Grundsätzlich gilt, dass je höher der Antennengewinn ist, um so kleiner ist der Abstrahlwinkel der Antenne. Während bei einer 0dB-Rundstrahlantenne die Wellenausbreitung fast kugelförmig erfolgt, ist es bei einer 8dB-Antenne eher eine flache Scheibe. Bei Richtantennen ist es so, dass eine 8dB-Antenne einen Öffnungswinkel von etwa 60-90° besitzt, eine 15dB-Antenne hingegen etwa 10-15°. Alles was ausserhalb dieses Abstrahlwinkels liegt, wird nicht oder nur sehr schwach empfangen. Den wirklichen Abstrahlwinkel kann man aber nur aus dem Datenblatt der Antenne entnehmen, da er sich nur schwer schätzen läßt. Die genannten Werte sind auch nur Richtwerte, die garantiert nur für einen Teil der Antennen gültig sind.

Also gibt es doch die ideale Antenne?

Ja und nein. Es gibt jede Menge Antennen, die sich für den einen Einsatz besser eignen als für einen anderen. Und ob sich eine Antenne für einen Einsatz eignet, hängt von vielen Faktoren ab. Ich erkläre das an verschiedenen Beispielen:

Heimvernetzung

Wer sein Einfamilienhaus mit WLAN versorgen möchte, hat folgendes Szenario. Er hat meistens drei Etagen (Keller, Erdgeschoss, Obergeschoss) und ein wenig Garten, muss also nicht sehr weit senden, aber möglichst rundum. In so einem Fall benötigt man eine Rundstrahlantenne mit 0-3dB wie sie bei den meisten Accesspoints ab Werk geliefert wird. Diese Aussage ist dann richtig, wenn der Accesspoint möglichst in der Mitte des zu versorgenden Hauses installiert ist. Ist er hingegen im Keller kann es vorkommen, dass in der oberen Etage oder im Garten nichts ankommt. Da könnte eine Planarantenne mit 180° Abstrahlungswinkel deutlich besser funktionieren, wenn man sie nach oben richtet, auch wenn dann die Polarisierung nicht ideal ist.

Bei der durchschnittlichen Wohnung kann einem das meistens egal sein. Die sind so klein und vor allem nur auf einer Ebene, dass sie mit den mitgelieferten Antennen versorgt werden. Sollte das nicht der Fall sein, dann ist deine Wohnung so groß und du hast das Geld dir einen Fachmann kommen zu lassen der das für dich richtet. Wenn nicht, bezahlst du zu viel für deine Wohnung. ;-)

Hotspot

Mit einem Hotspot möchte man in der Regel ein möglichst großes Gebiet versorgen, aber trotzdem von allen Richtungen empfangbar sein. In dem Fall sind Rundstrahlantennen mit 5-8dB meistens am sinnvollsten. Deren Abstrahlwinkel ist relativ flach, was für eine Reichweite bis etwa 300m bei direkter Sicht reicht und können trotzdem von allen Richtungen aus benutzt werden. Entgegen der häufigen Annahme, dass Antennen möglichst hoch angebracht sein sollten, ist das in dem Fall unter Umständen kontraproduktiv. Wenn die Antenne zu hoch ist und ihr Abstrahlwinkel sehr flach, geht der Funk einfach über die Leute hinweg und das Ergebnis ist ein schlechterer Empfang als mit einer 0dB-Antenne.

Befindet sich der Hotspot zum Beispiel in der Mitte einer Straße, auf beiden Seiten Häuser, also die typische Straßenschlucht deutscher Städte, dann ist eine Antenne mit Richtwirkung sinnvoller. Die richtet man entlang der Straße und kann damit locker mehrere hundert Meter der Straße mit WLAN versorgen.

Auf der anderen Seite steht man auch als Nutzer eines Hotspots vor der Frage, welche Antenne die beste ist. Im Nahbereich funktionieren die Rundstrahlantennen, die mit den WLAN-Karten geliefert werden, meistens problemlos. Aber gerade wenn man etwas weiter weg wohnt, wird man wohl oder übel eine Richtantenne brauchen. Vor allem im städtischen Bereich mit seinen vielen Reflexionen haben sich dafür Helixantennen bewährt, die eine zirkulare Polarisation erzeugen und mit dem Wellensalat im urbanen Bereich gut zurechtkommen, vor allem wenn man nicht die direkte Welle sondern eine Reflexion einfängt. Inhouse-Empfang kann man übrigens nur im Nahbereich eines Hotspots erwarten, in den meisten Fällen gilt, dass die Antenne irgendwie aus dem Fenster muss.

Wardriving

Der ganz am Anfang beschriebene Fall mit dem Typen, der sich eine 8dB-Antenne zum Wardriven besorgt hat, ist ein typischer Fall für diese Szene. Die meisten Wardriver rennen (oder fahren) mit ihrem Windows-Notebook und einem schönen Klickibunti-Programm durch die Gegend ohne wirklich zu wissen was sie da eigentlich tun, bzw. wie die Technik funktioniert. Aber 8dB sind nun mal mehr als 3dB und deshalb muss es ja besser sein.

Das typische Wardriving findet in Städten statt, wo man links und rechts der Straße Häuser mit mehr als zwei Stockwerken hat. Der Abstrahlwinkel einer 8dB-Rundstrahlantenne ist so flach, dass man von höherliegenden Accesspoints nicht mehr viel mitbekommt. Man taucht sozusagen unter ihnen hindurch. Sein Gegenargument war, dass er mit der Antenne viel mehr findet als ohne. Das ist logisch, wenn das Notebook im Auto liegt können die Funkwellen nur durch die Teile vom Auto eindringen, die nicht aus Metall sind, sprich die Fenster. Das Dach des Autos schirmt zum Beispiel sehr viel von dem ab, was von oben kommt. Hat man Thermoglas in seinem Auto, was inzwischen zum Standard gehört, dämpft dieses nochmals recht stark, weil es mit einer Metallschicht bedampft ist.

Zum Wardriven in der Stadt eignen sich am besten Rundstrahlantennen mit 2-3dB. Mehr als 5dB sollte man nicht nehmen, es sei denn man macht Wardriving in Husum, wo alles schon flach, niedrig und weitläufig ist. Dort ist eine 8dB-Antenne allerdings ungeschlagen. Grundsätzlich sollte die Antenne ausserhalb des Autos oder wenigstens auf der Hutablage oder dem Amaturenbrett positioniert sein.

Eine andere und von mir bevorzugte Strategie beim Wardriven ist es, ein hohens Gebäude oder Aussichtsturm aufzusuchen und mit einer Richtantenne mit deutlich über 10dB Gewinn sich einfach einmal im Kreis zu drehen. In einer Stadt wie Dresden (500000 Einwohner) hat man von einem Punkt sofort Zugriff auf 50 oder mehr WLANs. Mein bestes Ergebnis hatte ich übrigens in Las Vegas, wo ich auf Anhieb mehr als 300 Netzwerke hatte. Dort sind die Bedingungen allerdings auch ideal: trockene Luft, ein Aussichtsturm mitten in der Stadt, dutzende Hotels und Bürogebäude und zuletzt auch die Lage der Stadt in einem flachen Kessel.

Will man den genauen Standort eines Accesspoints bestimmen, kommt man um eine Richtantenne nicht herum. Je enger deren Abstrahlwinkel ist, um so besser. Mit einer guten Richtantenne kann man teilweise sogar von der Straße aus sagen, in welcher Ecke eines Raumes der Sender steht.

Alexander Heidenreich

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