Die Stecker- und Kabelfrage ist schnell geklärt. Es gibt allerdings, was die Wellenausbreitung angeht, kein Patentrezept. Hochfrequenz geht bekanntlich seltsame Wege. Deshalb ist es auch nicht leicht, genaue Ferndiagnosen zu erstellen.

Die folgende Betrachtung soll Ihnen helfen, die Zusammenhänge ein wenig besser zu verstehen. Ich möchte hier erst einmal hauptsächlich auf die Freifeld-Bedingungen eingehen.

Für Bedingungen in geschlossenen Räumlichkeiten gelten wiederum eigene Gesetze. Es würde hier zu weit führen, die Dämpfungswerte von verschiedenen Baumaterialien wie Mauern, Türen und Fenstern aufzuführen. 
©  2007ff Günter Oelschläger, Steckerprofi®
Behinderungen können u.A. generell auftreten durch: 
 

Selbst vorbei fahrende Autos, die von der Antenne durch eine Fensterscheibe «gesehen» werden, können die Hochfrequenz beeinflussen. Wenn wir von Behinderungen sprechen, gilt das natürlich auch im Freien.©

Die sogenannte Fresnelzone ist eine gedachte Zone zwischen zwei aufeinander ausgerichteten Antennen. Sie wird in einer dreidimensionalen Ellipse (Rotationsellipsoid) dargestellt und hat annähernd die Form eines  Amerikanischen Footballs. 

Die Größe ist abhängig vom Abstand der Antennen und  von der Frequenz. Der Durchmesser der «dicksten» Stelle lässt sich berechnen, darauf möchte ich aber hier nicht weiter eingehen.

Es sollen im Idealfall keine Hindernisse, wie z.B. Bäume, Berge, Häuser usw. hineinragen.
Durch eine Behinderung von 50% wird das Signal schon um 6 dB gedämpft, was einer Halbierung der Reichweite gleichkommt. Hier heißt es, die Leistung innerhalb des Erlaubten erhöhen oder eine reduzierte Datenrate in Kauf nehmen, falls der Abstand der Antennen nicht verringert werden kann. 

Bei einer freien Sicht von 80% kann man die Dämpfung getrost vernachlässigen.©Steckerprofi®

Antennen:
Bei Antennen ist es wichtig, dass diese exakt aufeinander ausgerichtet werden. Auch die Polarisation (vertikal oder horizontal) muss stimmen.
Eine Antenne vertikal, die andere horizontal, bringt schon 20 dB Verlust. Werden Antennen nicht exakt aufeinander ausgerichtet, ist der Misserfolg vorprogrammiert.

Bevor man zwei Antennen allerdings fixiert, sollte man die Positionen der bestmöglichen Datenübertragung überprüfen, da durch eventuelle statische Reflexionen eine Drehung der Polarisationsebenen durchaus möglich sein kann.

Eine Rundstrahl-Antenne mit schmalem, vertikalen Abstrahlwinkel (Öffnungswinkel, ca. 10°) hat sicher durch die vertikale Stockung einzelner Elemente einen höheren Gewinn, sollte aber vorzugsweise für Verbindungen in einer Ebene eingesetzt werden; denn außerhalb der Strahlungsebene ist kaum eine Verbindung möglich, wenn auch noch die Entfernung dazu kommt. Hier sind Rundstrahler mit größerem, vertikalen Öffnungswinkel (ca. 30°) vorzuziehen.

Für den Nahbereich sind also Antennen mit größerem Öffnungswinkel sicher zu favorisieren. Hier funktionieren zwar auch die mitgelieferten «Rubber-Duckies», die sich aber meist nachteilig zwischen Rechner und Wand verstecken und standardmäßig nur einen Gewinn von ca. 2 dBi bringen. Handliche Tischantennen erfüllen hier ihren Zweck.

Für die Überbrückung von Haus zu Haus, also mehr oder weniger im Freien, sind  Richtantennen mit einer Vorzugsstrahlrichtung, dazu zählen u.A. die Yagies und Flat-Patch-Antennen, sicher die bessere Lösung, ausgehend von 2 «Stationen» lassen sich sicherlich Reichweiten von bis zu einigen km erreichen. 

Yagies und Flat-Patch-Antennen sind also vorzugsweise im Point-to-Point-Modus einzusetzen.

Treten allerdings Verbindungsprobleme bei großer Entfernung und hoher Datenrate (Bitrate) auf, wird automatisch die Datenrate reduziert. Umkehrschluss: Schalten 2 Stationen ihre Datenrate herunter, kann dadurch die Reichweite erhöht werden.

Sind mehrere Stationen beteiligt, wird die Datenrate des APs (Access-Point) auf die zugreifenden Stationen aufgeteilt. Die Verringerung der Datenrate bewirkt einen langsameren Datenaustausch.

Da es meist bei mehreren Stationen vorkommt, dass sie nicht immer in einer Antennenrichtung liegen, müßte hier zumindest am AP eine Antenne mit breitem Öffnungswinkel oder ein Rundstrahler eingesetzt werden.©Steckerprofi®

Vergessen Sie aber bitte nicht, daß die Antennen in der selben Strahlungsebene liegen müssen, zumindest müssen sich die Strahlungskeulen der Antennen «sehen», also nicht etwa den Rundstrahler mit kleinem vertikalem Abstrahlwinkel auf dem Dach des Hauses und die Gegenstelle unten auf der Straße gegenüber.©Steckerprofi®
DAS FUNKTIONIERT NICHT!!!

Neben der Luft dämpft natürlich jedes Hindernis. Die Entfernung bzw. die Reichweite von WLAN-Verbindungen hängt  ab von der Ausgangsleistung jeder an der Verbindung beteiligten WLAN-Karte und natürlich auch von deren Eingangsempfindlichkeit. Das Gleiche gilt für alle an der Verbindung beteiligten Geräte, z.B. Access-Points, Router, WLAN-Modems usw.

dBi - dBm - dB
Eine WLAN-Karte hat eine Sendeleistung von ca. 32 mW (Milliwatt) an einem 50 Ohm Abschluss, das entspricht 15 dBm (dB-Milliwatt), man spricht im WLAN-Bereich zwar von dBi, obwohl hier Leistung übertragen wird. Man meint damit, man hat rein rechnerisch 15 dB über dem isotropen Kugelstrahler. Gibt man also 15 dBm auf diesen Kugelstrahler, so hat man 15 dBm EIRP (äquivalente isotrope Strahlungsleistung). 

15 dBm EIRP bedeutet auch, dass man z.B. 10 dBm Sendeleistung (10 mW) an einer Antenne hat, die 5 dBi aufweist, auf deutsch heißt das: 15 dB mehr Gewinn in der Hauptstrahlrichtung als der isotrope Kugelstrahler, der 0 dBi (= Faktor 1) hat.
Bei 2,4 GHz gilt z.Z. eine maximale Strahlungsleistung/Sendeeinheit von 100 mW = 20 dBm EIRP.

Ihre Anlage entspricht  den gesetzlichen Bestimmungen, wenn sie mit maximal  5 dB mehr sendet als Ihre Karte abgibt (15 dBm + 5 dB = 20 dBm). Zusätzlicher Gewinn externer Antennen muss mit Kabeln und Steckverbindern wieder «verbraten» werden.

Ausreichend ist in der Regel ein Antennengewinn von ca. 14-16 dBi bei 2,4 GHz, denn die Einfügedämpfung von Kabeln und Steckverbindern, hier ca. 10 dB, dämpft nicht nur das Ausgangssignal (Sendesignal), sondern auch das Eingangssignal (Empfangssignal). Eine Reichweitenverbesserung durch größeren Antennengewinn ist hier kaum noch möglich. Eine Reduzierung der Datenrate (Verlangsamung des Datenaustausches) wäre die unerwünschte Folge.

Abhilfe könnten sogenannte Empfangsvorverstärker schaffen, die sicherlich auch auf dem Markt angeboten werden. Das ist allerdings mit zusätzlichen Kosten verbunden.

Ein Vorteil einer Richt-Antenne mit höherem Gewinn ist der schmalere Öffnungswinkel. Dadurch wird die Antenne selektiver, so können unerwünschte, störende Signale ausgeblendet werden, dadurch erfolgt zwangsläufig eine stabilere Datenübertragung.

dBm => mW
 

dBm	Milliwatt
0 dBm	1 mW
3 dBm	2 mW
6 dBm	4 mW
9 dBm	8 mW
10 dBm	10 mW
12 dBm	16 mW
15 dBm	32 mW
18 dBm	64 mW
20 dBm	100 mW
30 dBm	1000 mW

Aus dieser Tabelle ersieht man, dass 3 dB Erhöhung eine Verdopplung der Leistung ergibt.
6 dB dem zu Folge entspricht der 4-fachen Leistung und 10 dB der Verzehnfachung.

Dann sind 95 dB Dämpfung (Verlust oder auch negativer Gewinn) des Signals, bevor es den Empfänger erreicht, durch Luft, feste Hindernisse wie Wände, Gebäude, Bäume und dgl. noch zulässig, um eine ausreichende Verbindung zu gewährleisten.
Rechnung: + 15 dBm – (– 80 dBm) = 95 dB

Nicht vergessen sollte man den Antennengewinn und die Einfügedämpfung von Kabeln, Steckverbindern, Pigtails usw. Der Gewinn wird addiert und die Dämpfung wird abgezogen.

Bei Steckverbindern setzt man eine Einfügedämpfung von 0,2 dB an, wobei man die gesteckte  Verbindung zweier Elemente betrachten muss. Einfacher ist die Betrachtung eines einzelnen Steckverbinders mit 0,1 dB.

Bei Antennen mit bereits angeschlossenem Kabel bezieht sich der Antennengewinn auf die Antenne ohne Kabel, d.h. die Kabeldämpfung muss noch abgezogen werden.

Die Reichweite bei freier Sicht der Antennen zueinander lässt sich leicht überschlagen mit folgender Betrachtungsweise:

1 m Luft hat bei 2,4 GHz (Wellenlänge = 0,125 m) eine Dämpfung von 40 dB.

Die Formel zur Berechnung der Freifelddämpfung a lautet:
 

Pi = Kreisfrequenz = 3,14
d = Abstand der Sende- zur Empfangsstelle in Meter
Lambda = Wellenlänge in Meter

Umrechnung von Frequenz in Wellenlänge:
f = C / Lambda©Steckerprofi®
f = Frequenz in Hz (1/s)
C = Ausbreitungsgeschwindigkeit = 300.000.000 m/s
©  2007ff Günter Oelschläger, Steckerprofi®
Jede Verdopplung der Entfernung ergibt eine weitere Dämpfung von jeweils 6 dB.

Folglich ergibt sich bei:
2 m = 46 dB, 4 m = 52 dB, 8 m = 58 dB, 16 m = 64 dB, 32 m = 70 dB, 64 m = 76 dB, 132 m = 82 dB, 
264 m = 88 dB, 528 m = 94 dB, 1.056 m = 100 dB usw. 

Das alles wiederum im Idealfall, ideale Verbindung ohne Hindernisse und Wetterbeeinflussungen vorausgesetzt.

Ergibt folgende Berechnung:
15,0 dBm – 0,9 dB – 2,7 dB + 8,0 dB + 8,0 dB – 8,0 dB = + 19,4 dBm – Freifelddämpfung = – 80 dBm
19,4 dBm EIRP ist die effektive Leistung, bezogen auf die Empfindlichkeit von – 80 dBm.
Rechnung: + 19,4 dBm – (– 80 dBm) = 99,4 dB
Somit stehen die maximalen Ausbreitungsverluste (Freifelddämpfung) von 99,4 dB zur Verfügung, um wie gesagt eine «theoretische» Reichweite von ca. 1.000 m zu erzielen.

Durch Reflektionen können Signalauslöschungen entstehen, die die Reichweite zusätzlich deutlich reduzieren, insbesondere auch durch Bewegung der Sende-Empfangsstellen.

Geringere Reichweiten erhält man zwangsläufig mit einfachen Antennchen, z.B. den meist mitgelieferten «Rubber-Duckies», längeren Kabeln, Behinderungen in der Fresnelzone und erwähnten Hindernissen.

Die Erdkrümmung sollte bei größeren Distanzen nicht unerwähnt bleiben.

Berücksichtigen Sie auch eine Reserve von ca. 10%, damit es bei schlechten Wetterverhältnisssen nicht zu Signalverlusten kommt.

Da gibt es noch die Beschränkung, daß die Steckverbinder für die winzigen Anschlüsse an den Karten keine Kabel über 2,5 mm Durchmesser aufnehmen. Bei den meisten APs kommen schon Steckverbinder zum Einsatz, die zur Verlängerung auch bis zu 10 mm Kabeldurchmesser aufnehmen. 

Man beachte allerdings die möglichen Biegekräfte an den kleinen Steckerköpfen.
Das Gleiche gilt für den Einsatz von Adaptern, z.B. RPSMA auf N. Auch hier können durch dicke, starre Antennenkabel höhere Biegekrafte an dem relativ kleinen RPSMA-Steckerkopf auftreten.
 
 

Nähere Einzelheiten zu Antennen, Steckverbindern und Kabeln finden Sie auf den entsprechenden Seiten und im Steckerprofi®-Shop.

Bei allen Versuchen und Betrachtungen sollte man die gesetzlichen Bestimmungen nicht außer Acht lassen, die besagen, dass die abgestrahlte Leistung 20 dBm = 100 mW nicht überschreiten darf.

http://www.bundesnetzagentur.de

Sämtliche Angaben und Berechnungsbeispiele beziehen sich auf WLAN bei 2,4 GHz.

Die Berechnungsgrundlagen gelten aber auch bei 5,7 GHz.

Die erlaubte Leistung  bei  5,7 GHz beträgt allerdings z.Z. 30 dBm EIRP, und 1 m Luft hat eine Freifelddämpfung  von 47 dB. Auch hier können die 6 dB bei Entfernungsverdopplung eingesetzt werden, um die Entfernung zu ermitteln.

Mein Dank für Unterstützung und redaktionelle Überarbeitung geht an:
Dipl.-Ing. Jürgen Lepping, DL7EE
Dipl.-Ing. Peter Erfurth, DL4FEP
Dipl.-Ing. Andreas Heister

Diese Betrachtung erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.

Da ich Ihre Hardware-Komponenten und Umgebungseigenschaften nicht kenne, ist neben dieser Betrachtung eine Systemgeräteberatung leider nicht möglich.

Fehler und Irrtum vorbehalten.
© Günter Oelschläger, DL6ZAQ, Steckerprofi®

Weitere Betrachtungen:

wlan.pdf

http://www.ssb.de/pdf/reichweiten_funk_lan.pdf

http://wiki.uni-konstanz.de/wiki/bin/view/Wireless/WlanReichweite

http://weblog.andrefiedler.de/wlan

http://www.dpunkt.de/buecher/2269.html

http://www.bundesnetzagentur.de

http://www.steckerprofi.com/diplomrp.pdf
 

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©2008 Stecker-Profi®Günter Oelschläger, Steckerprofi®