Wieso ist WLAN oft so langsam?

Der Kauf eines WLAN-Routers / WLAN-Accesspoints hat mit dem eines Autos oder eines neuen Laptops eins gemeinsam: Beworbene Leistungsmerkmale sind gnadenlos geschönt und werden in der Realität nicht erreicht. Das Auto verbraucht mehr Kraftstoff als angegeben, der Laptop-Akku hält nur halb so lange, wie angegeben, und der WLAN-Router lässt nicht die 750 MBit/s Datenübertragungsrate zu, die auf der Packung groß angegeben ist. Manchmal muss man sich mit einem Zehntel der Leistung begnügen. Mindestens von einer Halbierung muss aber in jedem Fall ausgegangen werden. In diesem Beitrag will ich erklären, welche Faktoren zu der erheblich geringeren Übertragungsleistung beitragen.

WLAN ist ein Shared Medium

Um zu verstehen, wieso WLAN meistens wesentlich langsamer ist, als angegeben, ist es wichtig zu verstehen, wie WLAN im Groben funktioniert. WLAN ist ein sog. “Shared Medium”, d.h. das Übertragungsmedium “Elektromagnetische Welle” wird von allen beteiligten Netzwerkteilnehmern in Anspruch genommen. Das Medium kann auf einem Funkkanal (in einem Frequenzbereich) allerdings immer nur von einem Sender belegt werden, um gegenseitige Störung zu verhindern. Der Zugriff aller Teilnehmer auf diesem Funkkanal muss daher über ein sog. Arbitrierungsverfahren geregelt werden. Im Fall von WLAN heißt das Verfahren “CSMA/CA” (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance).

Würden alle Teilnehmer gleichzeitig senden, könnte der Empfänger keine verwertbaren Informationen mehr empfangen. (Man stelle sich einen Marktplatz vor, auf dem alle Händler durcheinander rufen). Der Einsatz von CSMA/CA bedeutet, dass jeder Teilnehmer zuerst auf dem Medium lauscht, ob ein anderer Teilnehmer bereits sendet. Erst, wenn das Medium frei ist, beginnt er, seine Datenpakete zu senden. Dieses geordnete Sendeverfahren führt zwangsläufig dazu, dass ein Großteil der sende-bereiten Teilnehmer warten muss, bis das Medium wieder frei ist. Eine hohe Anzahl von sende-bereiten Teilnehmern führt also zu längeren Wartezeiten für jeden einzelnen.

Übrigens liegt hier auch das Problem mit Nachbarn, deren WLAN auf demselben Kanal funkt: Ein WLAN im selben Frequenzbereich bedeutet, dass der Zugriff auf den Kanal nicht nur mit den eigenen Geräten abgesprochen werden muss, sondern auch mit den Geräten des Nachbarn.

=> Mehr Teilnehmer, längere Wartezeiten beim Senden, weniger Datendurchsatz.

Ergänzung: MU-MIMO (Multi-User Multiple Input / Multiple Output) ermöglicht im Gegensatz zur oben beschriebenen Technik die gleichzeitige Nutzung von mehreren Datenstreams (gleichzeitiges Senden an mehrere Empfänger auf demselben Funkkanal). Dadurch steht jedem einzelnen Client ein Stream längere Zeit zur Verfügung, oder kann sogar dauerhaft genutzt werden (je nach Anzahl der Clients und MU-MIMO Modus). MU-MIMO ist allerdings noch relativ neu und bisher nur in wenigen Geräten verfügbar.

Reduzierung der Nutzdatenrate durch Protokoll-Overhead

Nicht nur die Tatsache, dass sich ein Übertragungsmedium geteilt werden muss, schränkt die Datenrate im WLAN ein - das vorher genannte Arbitrierungsverfahren CSMA/CA erkennt mehrere “unabsichtlich” gleichzeitig sendende Teilnehmer nicht während des Sendevorgangs (anders als CSMA/CD, welches mit WLAN allerdings nicht eingesetzt werden kann). Um Kollisionen durch gleichzeitig sendende Teilnehmer dennoch zu erkennen (und dann eine Sendewiederholung aufzulösen), sendet der Empfänger nach dem Empfang eines Pakets eine Antwort, welche den erfolgreichen Empfang bestätigt. Selbstverständlich nehmen auch diese Bestätigungen einen gewissen Zeitrahmen bei der Übertragung ein, sodass in dieser Zeit von keinem anderen WLAN-Teilnehmer gesendet werden kann.

Datenübertragungen, die nur der Übertragungs-Koordination dienen, werden auch “Protocol Overhead” genannt: Von Ihnen hat der Nutzer eines Netzwerks keinen direkten Nutzen. Dennoch sind sie zur geordneten Nachrichtenübermittlung notwendig. Da digitale Datenübertragungen im WLAN auf mehreren Protokoll-Schichten (logischen Ebenen) stattfinden, und jede Ebene eigenen Overhead zur Absicherung und Koordination der Übertragung mitbringt, summieren sich die für den Anwender “nicht-nutzbaren” Anteile einer Datenübertragung über die Ebenen hinweg auf - bis eine Anwendernachricht “Hallo” auf der höchsten Übertragungsschicht in einer vielfach so langen Nachricht auf unterster Übertragungsschicht (Physical Layer) resultiert.

Dieser Protocol-Overhead ist auch der Grund, wieso wir bei einer Gigabit-Leitung die volle Leistung scheinbar nie ausschöpfen können: Wer schon einmal eine große Datei über Gigabit-LAN auf einen anderen Rechner kopiert hat, wird festgestellt haben, dass die Datei nicht mit den maximalen 120 MB/s übertragen wird, sondern deutlich weniger. Tatsächlich ist die Leitung aber voll ausgelastet - und zwar mit einer Mischung aus Metadaten für die Übertragung (Protocol-Overhead) und den eigentlichen Nutzdaten (der Datei).

=> Neben der Nutzdaten müssen auch Steuerdaten übertragen werden

Sendewiederholungen durch Störquellen und schlechten Empfang

Bei schlechtem Empfang und daraus resultierender schlechter Verbindungsqualität müssen fehlerhafte oder unvollständige Datenpakete neu versendet werden. Das mindert den Datendurchsatz zwischen Sender und Empfänger und blockiert den Funkkanal, sodass auch andere Teilnehmer in dieser Zeit nicht senden können. Rauschen tritt auf, denn nicht-WLAN-Geräte im selben Frequenzbereich senden, wie es z.B. bei Bluetooth der Fall ist. WLAN-Chipsätze enthalten bereits leistungsstarke Filter, die das Rauschen “herausrechnen” sollen. Das gelingt aber nur bis zu einem bestimmten Punkt - irgendwann muss auch der Filter kapitulieren und ein ungestörter Empfang ist nicht mehr möglich. Eine große Rolle spielen auch Funk-Interferenzen, die beispielsweise durch die Raumgeometrie verursacht werden. Funkwellen werden von Wänden und anderen Objekten im Raum anteilig reflektiert, überlagern sich selbst, und verstärken oder vermindern damit ihre Energie abhängig vom Standort selbst. Im freien Feld wird man also immer bessere Übertragungsraten messen können, als in Gebäuden.

Marketing-Tricks

Der Käufer eines WLAN-Routers ist auf große Zahlen fixiert, deshalb versuchen Hersteller alles, um mit großen Zahlen zu locken. So wird von vielen Herstellern die Leistung aller verfügbaren WLAN-Betriebsmodi aufsummiert: Der Router kann zwar beide Frequenzbänder (2,4 GHZ und 5 GHz) dank zweier separater Funk-Transceiver problemlos gleichzeitig bedienen - aber kein Endgerät beherrscht die Aggregierung der beiden Frequenzbänder und kann deshalb nur entweder 2,4 GHz WLAN oder 5 GHz WLAN nutzen. Beides gleichzeitig funktioniert nicht.

Mittels MU-MIMO lassen sich zwischen zwei Teilnehmern zwar theoretisch sehr hohe Datenraten erreichen, doch nur dann, wenn ein WLAN-Client einige Streams für sich einnehmen kann. Das kann nur gelingen, wenn beide WLAN-Teilnehmer (Sender und Empfänger) über mehrere Antennen verfügen und MU-MIMO -fähig sind. Bisher sind allerdings nur sehr wenige MI-MIMO-fähige Geräte auf dem Consumer-Markt erhältlich. Zudem profitiert man von MU-MIMO nur, wenn sich entweder viele Geräte im WLAN befinden, oder ein Gerät mehrere Antennen besitzt und so mehrere Streams gleichzeitig verarbeiten kann.

Zusammenfassung

Hersteller berechnen die Übertragungsleistung für den Aufdruck auf der Verpackung rein theoretisch und ohne Berücksichtigung von real auftretenden Effekten wie Störungen in Form von benachbarten Funkstationen, Interferenzen oder sonstige Quellen. Um eine möglichst hohe Zahl aufdrucken zu können, werden sogar die Einzelleistungen der verbauten WLAN-Transceiver addiert, obwohl diese für Endgeräte wie z.B. ein Laptop nicht kombiniert nutzbar sind. Der neueste Liebling der Hersteller ist MU-MIMO: Damit lassen sich theoretisch viel höhere Datenraten zwischen WLAN-Teilnehmern erreichen. Allerdings sind Endgeräte wie Laptops, Smartphones und Tablets meist noch nicht MU-MIMO-fähig und profitieren nur eingeschränkt von der neuen Technik.

Lasst euch also nicht von theoretischen Werten im Datenblatt oder auf der Packung in die Irre führen: Die Tatsächlich erreichbaren Übertragungsraten sind allein technisch begründet schon deutlich geringer. Abzüglich der Marketing-bedingten Übertreibungen und Tricksereien bleibt dann meist nicht mehr viel übrig.