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WLAN – Funktionsweise, Möglichkeiten und Einschränkungen der 2
Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Gymnasium an der Stadtmauer Hospitalgasse 6 55545 Bad Kreuznach Seite 1 / 37 Bad Kreuznach, im Juli 2006 BESONDERE LERNLEISTUNG Thema: WLAN – Funktionsweise, Möglichkeiten und Einschränkungen der 2,4 GHz Hochfrequenztechnik Von Daniel Junker Am Hinkelstein 7 55425 Waldalgesheim Email: [email protected] Betreut von Dipl. Phys. Joachim Ehlers Eingereicht am 14.7.2006 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 2 / 37 INHALTSVERZEICHNIS WLAN, WIRELESS LAN, DRAHTLOSE NETZWERKE…..................................................................................................... 3 1. GRUNDLAGEN ZU NETZWERKEN: .................................................................................................................................... 4 1.1 FUNKTIONSWEISE EINES NETZWERKS ............................................................................................................................................ 4 1.2 WAS IST EIN WLAN? ................................................................................................................................................................... 4 1.3 WIRELESS LAN HARDWARE UND STANDARDS .............................................................................................................................. 5 2. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE ASPEKTE ............................................................................................................... 6 2.1 WAS IST EINE ELEKROMAGNETISCHE WELLE? ............................................................................................................................... 6 2.2 WELLENLÄNGE:............................................................................................................................................................................ 7 2.2.1 Frequenzmodulation :.................................................................................................................................................... 8 2.2.2 Amplitudenmodulation:.................................................................................................................................................. 9 2.3 PHYSIKALISCHE GRENZEN .......................................................................................................................................................... 10 3.WLAN ANTENNEN .................................................................................................................................................................. 11 3.1.1 RSSI UND SNR – WAS IST DAS? ............................................................................................................................................... 11 3.1.2 RSSI - RECEIVED SIGNAL STRENGTH INDICATOR ..................................................................................................................... 12 3.1.3 SNR – SIGNAL TO NOISE RATIO ............................................................................................................................................... 12 3.2 ANTENNEN ................................................................................................................................................................................. 13 3.2.1 Rundstrahler-Antennen:............................................................................................................................................... 13 3.2.2 Sektor-Antenne: ........................................................................................................................................................... 14 3.2.3 Richtantennen:............................................................................................................................................................. 14 3.2.4 Beschreibung der von mir genutzten Antennen ........................................................................................................... 15 3.2.5 Selbstbau einer Antenne............................................................................................................................................... 16 4. ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN UND DER EINFLUSS VON WASSER .............................................................. 17 4.1 EXPERIMENT ............................................................................................................................................................................... 17 4.2 ZIELE DES VERSUCHS.................................................................................................................................................................. 17 4.3 VERSUCHSAUFBAU ..................................................................................................................................................................... 18 4.3.1 Skizze des Versuchsaufbau........................................................................................................................................... 20 4.3.2 Fotos der einzelnen Stationen :.................................................................................................................................... 21 4.4 IM VERSUCH VERWENDETE HARDWARE ...................................................................................................................................... 22 4.4.1 Bergstation : ................................................................................................................................................................ 22 4.4.2 Talstation:.................................................................................................................................................................... 22 4.4.3 Zusätzliche Hardware: ................................................................................................................................................ 23 4.4.4 Geliehene Antennen :................................................................................................................................................... 23 4.4.5 Gesponsorte Antennen ................................................................................................................................................. 24 4.5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG : ...................................................................................................................................................... 24 4.6 VERSUCHSERGEBNISSE : ............................................................................................................................................................. 25 4.6.1 Jahres Signalstärkenübersicht :................................................................................................................................... 25 4.6.2 Signalstärke in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit ....................................................................................................... 26 4.6.3. Kondensierende Luftfeuchtigkeit oder Nebel .............................................................................................................. 27 4.6.4 Regen:.......................................................................................................................................................................... 28 4.6.5 Gewitter ....................................................................................................................................................................... 28 4.7 FAZIT ......................................................................................................................................................................................... 29 5. VERHALTEN VON WLAN-SIGNALEN BEIM DURCHLAUFEN VON VERSCHIEDENEN STOFFEN.................. 29 5.1 VORÜBERLEGUNG ....................................................................................................................................................................... 29 5.2 VERSUCHSAUFBAU ..................................................................................................................................................................... 29 5.3 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: ....................................................................................................................................................... 30 5.4 VERSUCHSERGEBNISSE : ............................................................................................................................................................. 30 5.4.1 Signalstärke : ............................................................................................................................................................... 30 5.4.2 Signalqualität : ............................................................................................................................................................ 31 6. LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................................................................................. 32 6.1 BÜCHER ...................................................................................................................................................................................... 32 6.2 INTERNETSEITEN ......................................................................................................................................................................... 32 6.3 ABBILDUNGSVERZEICHNIS: ......................................................................................................................................................... 32 7. WLAN GLOSSAR: ................................................................................................................................................................... 34 8. PERSÖNLICHES FAZIT ........................................................................................................................................................ 35 9. DANKSAGUNGEN .................................................................................................................................................................. 35 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 3 / 37 WLAN, Wireless LAN, drahtlose Netzwerke… Fast jeder kann heute etwas mit den Begriffen anfangen, aber kaum einer weiß, was sich wirklich hinter diesen vier Buchstaben verbirgt. In dieser besonderen Lernleistung möchte ich das Thema WLAN von der physikalisch informationstechnischen Seite beleuchten und einige Experimente dazu durchführen. Ich selbst beschäftige mich seit Anfang 2000 mit der Technik, Daten kabellos von einem Rechner zum anderen zu übertragen. Anfangs war ich auch zufrieden damit, zwei physikalisch getrennte Rechner kabellos miteinander kommunizieren zu lassen, jedoch machte ich mir sehr bald Gedanken über die genaue technische Realisierung. Somit lag es nahe im Rahmen einer besonderen Lernleistung dieses auf so unterschiedliche Art diskutierte Gebiet einmal selbst zu erforschen und hoffentlich zu verstehen. Da es jedoch den Umfang dieser Ausarbeitung bei weitem sprengen würde, auf jedes Detail im Zusammenhang mit WLAN einzugehen, werde ich mich vor allem auf die physikalischen Aspekte beschränken und nur gelegentlich auf die informationstechnischen Grundlagen zu sprechen kommen. Mir geht es vor allem darum, herauszufinden wie breitgefächert WLAN im legalen Rahmen genutzt werden kann, wo Einschränkungen bestehen und wodurch Probleme auftauchen können. Hierzu habe ich eigenständig eine Reihe von Experimenten geplant und durchgeführt, welche bis zu einem Jahr dauerten und teils sehr unerwartete Ergebnis lieferten. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 4 / 37 1. Grundlagen zu Netzwerken: 1.1 Funktionsweise eines Netzwerks Grundlegend gibt es zwei verschiedene Arten, wie ein Netzwerk arbeiten kann. Zum einen gibt es die Netze, in die genau zwei Clienten eingebunden sind. Hier benötigt man nur ein so genanntes Cross–Over-Kabel, um beide Rechner direkt miteinander zu verbinden. Alternativ gibt es auch die Möglichkeit, zwei Rechner über „Firewire“ oder Betriebsart nennt USB man zu verbinden. Ad-Hoc (aus Diese Abb. 1.1: Schema eines Netzwerkes dem Lateinischen „ad“: zu, an, bei und „hoc“: direkt). Möchte man jedoch drei oder mehr Clienten in das Netzwerk einbinden, benötigt man eine Zwischenstation. Diese ist im kabelgebundenen LAN einfach über einen Hub oder einen Switch zu realisieren. Im WLAN läuft dies ähnlich ab, nur dass man bei mehr als zwei Rechnern einen so genannten Accesspoint benötigt. Dieser Accesspoint (AP) ist der zentrale Punkt im Netzwerk, an dem sich alle Clienten, welche an dem Netzwerk teilnehmen wollen, anmelden. Hier werden auch alle Einstellungen, wie Name des Netzes, Übertragungsrate und vor allem alle Sicherheitseinstellungen vorgenommen. Manche Accesspoints verfügen darüber hinaus noch über eine Routing-Funktion und können programmspezifische Anfragen LAN-intern oder -extern zielorientiert weiterleiten. 1.2 Was ist ein WLAN? Ein WLAN, zu deutsch etwa „kabelloses, lokales Netzwerk“, ist ein Verbund aus zwei oder mehr Rechnern oder Peripheriegeräten, die über Funk miteinander kommunizieren. Die WLAN Hardware wurde Ende 1998 das erste Mal auf dem Markt vorgestellt jedoch kann ich aus eigener Erfahrung sagen, dass die Verbreitung bis 2001 so gering war, dass man trotz langer Suche kaum WLANs fand. Dies lag sicherlich auch an der geringen Sicherheit, die diese Netze beinhalteten, aber darauf möchte ich später näher eingehen. Heute erfreuen sich kabellose Netze einer großen Beliebtheit und in vielen Komplett-PCs ist eine WLAN-Hardware standardmäßig integriert. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 5 / 37 1.3 Wireless LAN Hardware und Standards War WLAN anfänglich noch darauf beschränkt, Rechnerstationen kabellos miteinander zu verbinden, so ist das Anwendungsgebiet heute wesentlich breiter gefächert. So ist es zum Beispiel möglich, Drucker, Kameras oder sogar Lautsprecher via WLAN zu vernetzen. Wo liegen nun aber die Probleme? Nicht alle Geräte sind miteinander kompatibel. Zum heutigen Zeitpunkt gibt es bereits drei verschiedene Funk-Standards, die gar nicht oder nur bedingt miteinander arbeiten. Zum einen gibt es IEEE802.11a, IEEE802.11b und IEEE802.11g wobei IEEE für „Institut der Elektrik- und Elektronikingenieure“ steht, eine Organisation die Funktechnologien normt und 802.11 der Oberbegriff für WLAN ist. Die Präfixe „a“, „b“ und „g“ stehen letztlich für die einzelnen WLAN Revisionen. IEEE802.11a, die erste Version arbeitet im 5 GHz-Band, welches den Vorteil hat, dass es wesentlich weniger überlaufen ist als das 2,4 GHz ISM-Band (Industrial-Scientific-Medical-Band), welches die Standards IEEE802.11b und IEEE802.11g nutzen. Auch überlappen sich die Funkkanäle, entgegen der anderen beiden Standards, beim 802.11a nicht, können jedoch durch das Fehlen eines exklusiven Frequenzbereichs mit anderen Funksignalen interferieren. Vor allem luftfahrttechnische Signale, wie das Radar der Luftraumüberwachung nutzen das 5 GHz-Band. Allerdings liegt der Standard 802.11a bezüglich der Datenübertragungsrate weit vor seinem nächsten Nachfolger, denn 802.11b liegt mit einer maximalen Datenrate von 11 MBit/s deutlich hinter den 54 Mbit/s seines Vorgängers, hat jedoch den großen Vorteil, dass das 2,4 GHz-Band lizenzfrei von jedermann genutzt werden darf, solange die maximale Sendeleistung von 100mW nicht überschritten wird. Das einzige Problem dabei ist, dass von den 12 verfügbaren Kanälen von WLAN maximal 3 überlappungsfrei genutzt werden können. Dies wird auch in meinen Experimenten deutlich. IEEE802.11g wiederum ist eine Weiterentwicklung von 802.11b um die Datenrate an die 54 Mbit/s von 802.11a anzupassen. Nun wird auch ersichtlich, wieso ich anfänglich darstellte, dass verschiedene Standards nur bedingt oder gar nicht miteinander arbeiten. Zum einen ist klar, dass ein Funknetz im 5GHz-Band nicht mit einem Netz zusammenarbeiten kann, das im 2,4 GHz Band liegt. Also ist IEEE802.11a mit keinem anderen momentan erhältlichen Standart kompatibel. Betrachtetet man IEEE802.11b und IEEE802.11g so fällt auf, dass die beiden Standards bis auf die unterschiedliche Datenrate gleich sind. Daher rührt auch die Kompatibilität der Netze mit einer wesentlichen Einschränkung: Loggt sich ein 802.11b Gerät in ein WLAN ein, welches ausschließlich von 802.11g Clienten genutzt wird, sinkt Übertragungsgeschwindigkeit des gesamten WLANs auf die 11Mbit/s des 802.11b Standards. die Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 6 / 37 2. Grundlegende physikalische Aspekte 2.1 Was ist eine elekromagnetische Welle? Abb 2.1: Schema einer elektromagnetischen Welle Eine elektromagnetische Welle (ELM-Welle) ist, physikalisch betrachtet, eine sich in den Raum ausbreitende Schwingung des elektromagnetischen Feldes. Elektrisches und magnetisches Feld schwingen hierbei sowohl orthogonal zueinander als auch orthogonal zur Ausbreitungsrichtung x Abb 2.2: Elektrischer Schwingkreis (siehe Abb.2.1). Die Entstehung elektromagnetischer Wellen möchte ich anhand eines Experiments darstellen. Hierzu benötigen wir einen Kondensator hoher Kapazität und eine Spule mit Eisenkern, um eine möglichst hohe Selbstinduktion zu erreichen. Den aufgeladenen Kondensator verbinden wir mit der Spule. Während sich der Kondensator durch die Spule hindurch entlädt, bildet sich um die Spule ein Magnetfeld. Genau zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Kondensator komplett entladen hat, also das elektrische Feld in ihm abgebaut ist, hat das Magnetfeld der Spule seinen Höhepunkt erreicht. Also ist die Energie des Magnetfelds maximal und die des elektrischen Feldes ist minimal. Da nun die Energie fehlt um das Magnetfeld aufrecht zu erhalten, baut es sich ab, wodurch wiederum durch Induktion ein umgekehrter Stromfluss generiert wird. Dieser Strom lädt den Kondensator umgekehrt auf. Auch hier ist das obenstehende Abbildungen dem Verständnis nützlich. Nun ist das Magnetfeld vollständig abgebaut und die gesamte Energie ist wieder im elektrischen Feld des Kondensators. Ab jetzt wiederholt sich das Ganze solange, bis durch den Verlust an Widerständen in Kabeln usw. keine Energie mehr vorhanden ist. Der Verlauf der Spannung in diesem elektrischen Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 7 / 37 Schwingkreis wird mathematisch durch eine Sinus- bzw. Kosinusfunktion beschrieben und ähnelt somit dem Verlauf der Welle in Abb. 2.1. Um nun zu den ELM–Wellen und deren Entstehung zu kommen müssen wir das Experiment in Gedanken etwas modifizieren. Zum einen mindern wir die Kapazität des Kondensators auf wenige Pikofarad und zum anderen nutzen wir eine Spule mit kaum messbarer Induktivität. Das Ergebnis wäre eine sehr viel schnellere Umwandlung der elektrischen Energie in magnetische Energie und umgekehrt, da ja weniger Ladung im Spiel ist. Sicherlich hat unser Gedankenexperiment noch einige Schönheitsfehler, aber grundlegend verläuft eine elektromagnetische Schwingung genauso. Durch Selbstinduktion generieren sich elektrisches Feld (E-Feld) und magnetisches Feld (B-Feld) selbst. Man muss jedoch zwei Arten von ELM–Wellen unterscheiden: Erstens die Nahwellen, welche in der Nähe des Senders zu finden sind und vorangehend beschrieben wurden. Außerdem gibt es noch die so genannten Fernwellen, welche in größerem Abstand zum Sender auftauchen. Letztere weisen insofern einen Unterschied zu den Nahwellen auf, als dass: E- und B-Feld sich nicht mehr phasenverschoben, sondern phasengleich zueinander ausbreiten. Wieso das der Fall ist, lässt sich nur mathematisch aus der Maxwellschen Gleichung herleiten. 2.2 Wellenlänge1: Definition: Als Wellenlänge λ (sprich: Lambda) definiert man den Abstand zweier aufeinander folgender und in Phase schwingender Punkte einer Welle. Die Formel zur Berechnung von λ lautet : c λ= f 1 Gesamtquelle: Metzler Physik (Schulbuch) c = 299792458m / s λ = Wellenlänge f = Frequenz Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 8 / 37 Also lautet die Wellenlänge für 2,427GHz :- 2,99792458m / s λ= = 0,1235cm 9 2, 427i10 Hz 2.2.1 Frequenzmodulation : Bei dieser Modulationsmethode wird die Frequenz f der Trägerwelle durch die Frequenz der Modulationswelle beeinflusst. Wird die Trägerwellen-Frequenz nicht hoch genug gewählt, so wird die Trägerwelle soweit verändert werden, dass die Information nicht wieder demoduliert werden könnte. In diesem schlimmsten Fall könnte die Antenne des Empfängers nicht den ganzen Frequenzgang empfangen, da die Bandbreite der zu empfangenden Frequenzen einer Antenne mit steigender Empfangsleistung abnimmt. Die Information wäre damit auf jeden Fall verloren. Wir dürfen die Trägerwelle also nur geringfügig frequenzmodulieren und müssen trotzdem eine große Menge an Daten in möglichst kurzer Zeit übertragen können. Um dies zu bewerkstelligen, hat man sich bei WLAN eine sehr hohe Frequenz ausgewählt. Es arbeitet auf 2,4 GHz, das sind 2400 MHz. Bei einer solch hohen Trägerfrequenz ist es möglich, durch eine höhere Modulationsfrequenz mehr Daten im Vergleich zu niedrigeren Frequenzen auf die Trägerwelle aufzuprägen. Vergleichsweise arbeitet ein Rundfunkradio auf maximal 106 MHz, also nur etwa auf dem zweiundzwanzigsten Teil der WLAN-Frequenz. Dadurch erklärt sich auch die schlechte AudioQualität der Radiosender, da die relativ niedrige Trägerfrequenz keine so hohe Modulationsfrequenz erlaubt, also weniger Informationen übermittelt werden können. Die untere Zeichnung soll die Frequenzmodulation noch einmal verdeutlichen. Man sieht hier zum einen die modulierte Trägerwelle und zum anderen die Modulationswelle selbst. Trägerwelle Informationswelle Abb. 2.3 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 9 / 37 Man erkennt, dass dort, wo der Momentanwert der Spannung der Informationswelle am niedrigsten ist, die Frequenz des modulierten Signals gleichfalls am niedrigsten ist. 2.2.2 Amplitudenmodulation: Bei dieser schon recht alten Art Signale zu übertragen, werden die Amplituden der Träger- und Modulationsfrequenz addiert. Informationssignal Trägersignal Moduliertes Signal Abb. 2.4 Da es sich bei WLAN um eine Frequenzmodulation handelt, werde ich auf die Erläuterung der anderen Methoden hier verzichten. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 10 / 37 2.3 Physikalische Grenzen In diesem Kapitel werde ich mich mit den naturgegebenen Grenzen befassen, welche in der Umsetzung von drahtlosen Netzwerken eine große Rolle spielen. Zu diesem Thema stelle ich weiter unten meine Experimente vor. Ich erläutere jedoch zuerst die theoretischen Grundlagen, um die Ergebnisse der Experimente vollständig diskutieren zu können. Ein vieldiskutiertes Thema im Zusammenhang mit der Planung von WLAN-Netzwerken ist die Umgebungsstruktur. Sind in der offenen Natur mit verhältnismäßig kleinen Sendeleistungen und Standardantennen schon hohe Distanzen zu überbrücken, kann in urbanen Umgebungen schon nach wenigen Metern nur noch so wenig Signal übrig sein, dass es nicht mehr brauchbar ist. Wie kann man diese Beobachtung physikalisch erklären? Der Schlüsselbegriff heißt „Induktion“. Aber was hat das Prinzip der Stromgenerierung aus sich zeitlich verändernden Magnetfeldern mit der Einschränkung von WLAN zu tun? Nun, wie schon beschrieben, handelt es sich bei WLAN um nichts anderes als eine Form elektromagnetischer Wellen und im Kapitel „Wie entstehen elektromagnetische Wellen“ habe ich erläutert, dass sich elektrisches und magnetisches Feld zeitlich auf- und abbauen. Also haben wir ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, welches mit einem Oszilloskop betrachtet, dem Spannungsverlauf eines Fahrraddynamos ohne Gleichrichter sehr ähnlich ist. Natürlich schwingt die ELM-Welle wesentlich schneller. Doch zurück zu den naturgegeben Einschränkungen von ELM-Wellen: Trifft zum Beispiel eine horizontal polarisierte ELM-Welle auf ein Gitter, deren elektrisch leitende Stäbe parallel zum elektrischen Feld der Welle steht, so induziert das sich zeitlich ändernde Magnetfeld eine hochfrequente Spannung in den Stäben. Ein solches Gitter nennt man Polarisationsgitter. Die Spannung wiederum sendet dann selbst wieder ELM-Wellen in alle Richtungen ab. Die Wellen die zum Sender selbst laufen, überlagern sich mit den ankommen Wellen zu stehenden Wellen. Der Teil der durch das Gitter durchgelassen wird hat eine Phasenverschiebung um 180° gegenüber der Welle, welche von der hochfrequenten Wechselspannung innerhalb der Atome des Gitterstabes ausgesandt wird, und Abb.2.5: Stahlbetongitter vor dem Betongießen Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 11 / 37 interferiert dadurch fast komplett destruktiv. Mit diesem Beispiel lässt sich verstehen, wieso WLAN innerhalb von Stahlbetonbauten oft nur eine Reichweite von einem Stockwerk hat. Die in den Decken befindlichen und der Stabilität dienenden Stahlgitter wirken wie unser Polarisationsgitter, im vorhergegangen Beispiel. Der Verlust des Signals durch solche Decken hindurch hat also wenig mit dem Beton selbst zu tun, sondern viel mehr mit den darin enthaltenen Stahlgittern. Würde man anstatt eines Kreuzgitters nur parallele Stangen verwenden, könnte man die ELM-Wellen orthogonal hierzu polarisieren und hätte hiermit kaum noch Signalverluste. 3.WLAN Antennen Antennen sind das wichtigste Medium zwischen der Sendern und der Luft. Das bedeutet, dass, je besser eine Antenne berechnet und gebaut ist, umso besser kann die Energie in den Äther abgestrahlt werden. Mir wurden freundlicherweise von zwei Herstellern Antennen zum Testen zur Verfügung gestellt. Auf die Experimente, die ich mit diesen Antennen durchgeführt habe, werde ich später eingehen. Um jedoch Antennen genau charakterisieren zu können, benötigt man universelle Messeinheiten, wie RSSI und SNR. 3.1.1 RSSI und SNR – was ist das? Wie oben beschrieben, sind RSSI und SNR Messeinheiten um WLAN-Signale zu vermessen, jedoch auch um Antennen unter gleichen Bedingungen zu vergleichen. Sowohl RSSI (Received Signal Strength Indicator – zu deutsch “Signal Empfangsstärken Indikator”) und SNR ( Signal to Noise Ratio, “Signal – Rausch-Verhältnis” ) beschreiben die Stärke und Qualität des empfangenden Signals. Beide Werte wurden nicht zum Vermessen von WLAN-Signalen entwickelt, sondern stammen aus dem Bereich von Radio und Satellitenfernsehen und wurden in der 2,4 GHz Technologie übernommen. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 12 / 37 3.1.2 RSSI - Received Signal Strength Indicator Der Signal-Empfangstärken-Indikator (RSSI) gibt an, wie stark das ankommende Signal ist, also die Energieübertragung über die Funkstrecke auf die empfangende Antenne minus der Dämpfung innerhalb der Kabel und Bauteile zwischen der empfangenden Antenne und der WLAN–Karte. Dieser Wert ist jedoch nicht nur im Bereich WLAN wichtig, sondern auch in allen anderen Bereichen der drahtlosen Informationsübermittlung entscheidend. 3.1.3 SNR – Signal to Noise Ratio Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beschreibt die Qualität eines ankommenden Signals. Die Feldstärke eines ankommenden Signals kann noch so stark sein. Wenn es vorher verfälscht wurde, wird man es nicht weiter verwenden, bzw. zu weiterverarbeitungsfähigen Daten demodulieren können. Jedoch muss man hier zwischen den Modulationsarten genauer unterscheiden. Bei amplitudenmodulierten Radiosignalen ist es zum Beispiel möglich, auch schwächere Signale noch zu demodulieren und eine, wenn auch stark verrauschte Sendung, zu hören. Bei diesem Beispiel wirkt der Mensch gewissermaßen als SNR-Barriere, indem er das Radio ausschaltet, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis zu schlecht, er also die Radiosendung nichtmehr verstehen kann, weil es zu sehr rauscht. Wenden wir uns nun wieder dem WLAN und seinem frequenzmodulierten Signal zu, so sieht das Ganze etwas anders aus. Verschlechtert sich das SNR einer WLAN Verbindung, kommt es zu so genannten korrupten Paketen. Dies bedeutet, dass die „Nutzlast“ dieser Pakete, die Information, bis zur Unkenntlichkeit verändert wurde. Da aber jedes Paket einen Informations-Baustein enthält, und die Gesamtinformation daraus mosaikähnlich zusammengesetzt wird, ist jedes Paket wichtig. Deshalb muss der Empfangsrechner wieder ein Signal an den Quellrechner senden, indem er die erneute Sendung der korrupten Information anfordert. Daher ist auch verständlich, wieso mit sinkendem SNR–Wert auch die Übertragungsrate sinkt; es müssen einfach zu viele Pakete wiederholt gesendet werden. Der SNR hat jedoch noch eine weitere wichtige Funktion. Wie ich bereits an anderer Stelle erklärt habe, überschneiden sich die Funkkanäle der verschiedenen WLANs, wenn sie nicht mindestes 3 Kanäle auseinander liegen. Kommt man nun in eine dicht bewohnte Stadt, so kann es sein, dass noch wesentlich mehr WLANs aktiv sind, als es überhaupt Kanäle gibt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass jedes Paket Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 13 / 37 vor dem Aussenden eine Adressierung erhält. Diese Adressierung stellt sicher, dass nur der Empfänger ds Paket bekommt. Leider leidet aber die Signalqualität unter diesem „Frequenzsalat“ Dadurch, dass verschiedene Pakete auf der selben Frequenz versendet werden und somit interferieren, sinkt natürlich wiederum die am Empfänger ankommende Signalqualität und die versendete Information verschwindet immer weiter im Rauschen. Stellt man nun also fest, dass trotz Sichtverbindung der Antennen und kurzer Sendedistanz die Signalqualität unterhalb von 60 % liegt, so sollte man mit einem kostenlosen WLAN-Scanner, wie z.B. Netstubler2, untersuchen, ob sich möglicherweise weitere WLANs auf der eigenen Frequenz tummeln. Sollte dies der Fall sein, so könnte ein einfaches Wechseln der Frequenz auf einen von allen existierenden WLANs möglichst weit entfernten Kanal einen drastischen Durchgangsschub erzeugen. 3.2 Antennen Im Folgenden werden die bekanntesten Antennenarten mit ihrer Bauform, Funktion und ihren Einsatzmöglichkeiten vorgestellt. 3.2.1 Rundstrahler-Antennen: Die am häufigsten verwendeten Antennen sind sicherlich die Rundstrahler. Sie werden mit PCI Karten oder Accesspoint geliefert, um eine Rundumabstrahlung, zum Beispiel in Räumen, zu gewährleisten. Bei Rundumstrahlern wird die HF – Energie annähernd gleichmäßig um die Antenne herum abgestrahlt. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Antenne vertikal ausgerichtet ist, da sich das Signal orthogonal um die Längsseite des Dipols ausbreitet. Da diese Antennen dem Isotropstrahler3 sehr ähnlich sind, gibt es bei dieser Bauform nur selten Antennengewinne in Form von Empfangsverstärkung . Anwendungsgebiet : Standardantenne in Heimnetzwerken, die zur gleichmäßigen Ausstrahlung von kleinen bis mittleren Räumen zu verwenden ist (Tipp: möglichst hoch platzieren!). 2 3 Bezugsquelle : http://www.netstumbler.com/ Siehe WLAN Glossar am Ende der Arbeit Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 14 / 37 3.2.2 Sektor-Antenne: Bei Sektor-Antennen wird die Energie in einem kleineren Sendestor abgestrahlt. Dieser Winkel liegt meist um 45 Grad. Bis auf den breiten Sendegrad sind sie den Richtantennen sehr ähnlich, jedoch durch die geringere Bündelung überwiegend kleineren Ausmaßes. Sektorantennen haben einen moderaten Gewinn, da sie die Energie auf einen kleinen Winkel bündeln. Abb. 3.1: Biquad-Antenne Anwendungsgebiete: „Ausleuchten“ von Hallen, denn hier können auch größere Gebiete mit einer entsprechend hohen Anbringung der Antenne ausgeleuchtet werden ( DSL – Verteilung via WLAN ) Bauformen: Bi-Quad, einfacher Dipol mit entsprechendem Reflektor 3.2.3 Richtantennen: Richtantennen werden dann verwendet, wenn man möglichst die ganze HF- Energie in einem kleinen Winkel abstrahlen möchte. Dadurch haben Richtantennen zwar von allen Antennenarten den höchsten Gewinn, sind jedoch meistens schwer auszurichten, da der HF – Strahl sehr genau auf die Gegenstelle positioniert werden muss. Bei sehr starken Abb.3.2: Yagi Antennendesign Richtantennen kann es vorkommen, dass wenige Grad Abweichung zum anvisierten Ziel die gesamte Verbindung zerstören. Bei Verwendung von Parabolreflektoren zur Bündelung mit einem geeigneten Feeder können Gewinne von bis zu 28 dBi 4erreicht werden. Anwendungsgebiete: Zuleitungen für Funk-DSL-Systeme, Verbindungen zwischen Verteilerstation und Provider (auch über viele separate Richtfunkstellen möglich), Semifunkstrecken mit einer Richtfunkantenne und einem Rundstrahler über kleinere Distanzen. Bauformen: Yagi, Helix, BiQuad, Parabolic Dish 4 Erklaerung von dBi siehe Glossar am Ende der Arbeit Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 15 / 37 3.2.4 Beschreibung der von mir genutzten Antennen In diesem Teil möchte ich mich mit den mir zur Verfügung gestellten Antennen und deren Leistung befassen. WIMO – 12dBi Yagi Zum einen handelt es sich dabei um eine Yagi Richtfunkantenne mit 12dBi Gewinn, welche mir von WIMO zur Verfügung gestellt wurde. Sie ist die teuerste Antenne im Test und macht auf den ersten Blick durch die gute Verarbeitung und Wettertauglichkeit einen sehr guten Eindruck. Sie besitzt eine Befestigungsvorrichtung, um sie sowohl horizontal als auch vertikal an einem Mast befestigen zu können. Einzigstes Manko ist ihr stolzer Preis von ca. 100 Euro. Benötigt man jedoch eine solide, sehr gut verarbeitete Antenne für den Außenbereich, ist die 12dBi Yagi genau das Richtige. WIMO Helix-23 11dBi Die Helix-23, ebenfalls von WIMO, ist eine zirkularpolarisierte Antenne für Umgebungen mit viel Regen oder Nebel. Sie ist nur in Kombination mit einer weiteren, in gleicher Drehrichtung polarisierten Helixantenne zu verwenden. Bei mir fand sie mehrfach Verwendung in starkem Nebel und Regen, wo sie sehr gute Ergebnisse, verglichen mit den linear polarisierten Yagis, erzielte. Tests im Trockenen zeigten jedoch, dass die Antennen in diesem Gebiet nicht mit den Yagis mithalten konnten, sie zeigte durchschnittlich eine um 2 % geringere Signalstärke. Allgemein ist die Helix-23 eine gute Wahl in regnerischen oder nebligen Gebieten, um über eine lange Distanz noch guten Empfang und Durchsatz zu haben. ING. DIETMAR RESCH ELEKTRONIK – Flavia Open-14 Die Flavia Open-14 besticht vor allem durch ihr Preis / Leistungsverhältnis. Sie ist mit gerade mal 40 Euro die günstigste Antenne im Test, steht der WIMO Yagi aber nur in wenigen Punkten nach. Die Antenne selbst ist aus einem Stück mittels Laser gefräst, was für eine hohe Genauigkeit spricht. Außerdem ist die Idee den Faltdipol auf ein PC – Board zu drucken sehr gut, da er durch das offene Design nicht so leicht verbogen oder beschädigt werden kann. Man muss Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 16 / 37 lediglich darauf achten, dass die Antenne wettergeschützt angebracht wird, da sie dem Wetter schutzlos ausgeliefert ist. Signaltechnisch lieferte sie in etwa die gleichen Werte wie die WIMO Yagi, das Signal war jedoch nicht ganz so stabil wie beim teuerern Kontrahenten. Empfehlen würde ich diese Antenne jedem, der mit geringen finanziellen Mitteln sein WLAN ausbauen, beziehungsweise den Empfang seiner WLAN-Hardware verbessern möchte. Auch ist die Antenne sehr gut geeignet, um sie beispielsweise im Urlaub mitzunehmen um dort nach Hotspots zu suchen. Selbstbauantennen Bei den selbstgebauten Antennen handelt es sich um 17 Elementige Yagi Antennen mit ca. 11dBi Gewinn. Die Antenne wurden mit dem Programm YagiCalc berechnet und mit höchstmöglicher Präzision gebaut, wie ich jedoch im Folgenden noch genauer beschreiben werde. 3.2.5 Selbstbau einer Antenne In diversen Internet – Foren werden Diskussionen geführt, ob man sich die kostenspieligen WLAN- Antennen nicht auch selbst bauen kann. Nach Erkundigungen bei einem befreundeten CB – Funker habe ich erfahren, dass sich der Antennenselbstbau im unteren Frequenzbereich in den letzten Jahren immer weiter verbreitet hat. Jedoch sind die Frequenzen beim CB Funk mit 27 MHz bis 440 MHz weitaus niedriger als WLAN bei 2400 MHz. Da mit steigender Frequenz die Wellenlänge, auf welcher die Antennen basieren, abnimmt, haben WLAN-Antennen wesentlich kleinere Ausmaße als zum Beispiel UKW-Funkantennen. Mit abnehmender Wellenlänge sinken jedoch auch die Toleranzen, welche die Antennen haben dürfen, um noch effektiv zu arbeiten.Beim WLAN liegen diese Toleranzen bei 0,03mm. Dies bedeutet, dass ein Direktor an einer auf 30µm genau berechneten und geschnittenen Stelle angebracht werden muss! Um mich selbst von der Effektivität von selbstgebauten Antennen zu überzeugen, baute ich mir nach Berechnungen des Programmes „Yagi Calc“5 zwei Yagi-Richtfunkantennen. Hierzu benutzte ich einen Dremel (Hochgeschwingkeits – Rotationswerkzeug ) mit Schneide und Schleifaufsatz, sowie eine Vorrichtung, mit der ich den Dremel als Überkopf–Präzisionsbohrer verwenden konnte. Außerdem kamen mehrere digitale Präzisions-Schieblehren zum Einsatz. 5 Kostenlose Bezugsquelle : YagiCalc ( http://vkham.jbo.com.au/Software/downloads.html ) Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 17 / 37 Eine detaillierte Beschreibung meines Vorgehens möchte unterlassen, unter anderem wegen des extrem hohen Zeitaufwandes und der Anzahl an Arbeitsschritten, die ich benötigte. Letztlich hatte ich zwar zwei gut gebaute und abgestimmte Antennen aus Aluminium und Edelstahl für ca. 20 Euro, jedoch musste ich für jede der Antennen ca. 50 Arbeitsstunden veranschlagen. Im Vergleich zu den mir zur Verfügung gestellten, maschinell gefertigten Antennen, hatte ich auf meiner Teststrecke durchschnittlich nur 5 % weniger Signalstärke, was beweist, dass ich fast die Genauigkeit der maschinellen Fertigung erreicht habe. Dies ist sicherlich auch auf die Gerätschaften zurückzuführen, welche ich zur Verfügung hatte. Ohne diese Ausrüstung halte ich es für unmöglich, gute Antennen zu bauen. Die niedrigere Signalstärke außer Acht gelassen, können schlecht gebaute Antennen schlimmstenfalls sogar die gesamte WLAN-Hardware zerstören. Nämlich indem die nicht abgestrahlte Energie zurück zur Hardware läuft, dort den Oszillator verbrennt. 4. Elektromagnetische Wellen und der Einfluss von Wasser 4.1 Experiment Es gibt meines Erachtens kein kontroverser diskutiertes Thema im Zusammenhang mit WLAN als das Verhalten von Funkwellen in Wasser.6 So viele gegensätzliche Informationen zu lesen war verwunderlich, weshalb ich beschloss, ein eigenes Experiment durchzuführen. Im Folgenden werde ich zuerst die Ziele und den Versuchsaufbau des Experiments erläutern, anschließend die Ergebnisse sowie deren Interpretation. 4.2 Ziele des Versuchs Ziel dieses sehr lange angelegten Versuchs war es, das Verhalten von 2,4 GHz Funkwellen unter verschiedenen Umwelteinflüssen zu beobachten und Rückschlüsse darüber zu erlangen, wie sich ELM-Wellen durch Regen, Nebel, Schnee und allgemein hoher Luftfeuchtigkeit ausbreiten und möglichst Gesetzmäßigkeiten zu erkennen. 6 Vgl. Positionen von www.wimo.de , www.wireless-bern.de und www.wireless-forum.ch Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 18 / 37 Erst im Sommer 2005 lagen die ersten Messdaten vor und bis heute habe ich mehrere Terrabyte an Messdaten über die Teststrecke verschickt. 4.3 Versuchsaufbau Da ist der Turm Abb. 4.1: Blick aus meinem Zimmer in Richtung Bergstation Abb. 4.2: Blick aus meinem Fenster mit starkem Digitalzoom Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 19 / 37 Talstation Abb. 4.3: Der Förderturm mit der Bergstation Abb 4.4: Blick über die Antenne zur Talstation Um den Versuch beschreiben zu können muss ich erst einmal auf die örtlichen Begebenheiten zu sprechen kommen. Hierzu sind auch die oben abgebildeten Fotos hilfreich. , Ich wohne in Waldalgesheim, Ortsteil Genheim. Nun habe ich das Glück, dass oberhalb von Waldalgesheim ein altes, nicht mehr genutztes Bergwerk mit einem über 60 Meter hohen Förderturm steht. Auch habe ich von mein Dachgeschosszimmer perfekte Sicht auf diesen Turm. Anfangs erschien es mir utopisch, auf der Aussichtsplattform dieses Turmes eine Funkstation aufbauen zu können, doch waren die Eigentümer des Bergwerks ebenfalls von meiner Idee begeistert und willigten ein . Abb.4.1 und Abb.4.2 zeigen die Sicht aus meinem Fenster mit Blickrichtung auf den Bergwerksturm. Auf dem Turm, welchen man auf Abb.4.3gut erkennen kann, habe ich meine Bergstation aufgebaut. Abb.4.4 zeigt die Sicht von der Plattform des Turmes in Richtung Genheim, wo meine Talstation steht. Des Weiteren sieht man rechts in dieser Abbildung meine selbstgebaute Richtfunkantenne. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 20 / 37 Dieser Turm steht jedoch 2800m Luftlinie von meinem Zimmer weg. In vielen Foren7 habe ich gelesen, dass eine Funkstrecke mit 2,4GHz auf diese Distanz äußerst problematisch sei. Erste Tests, bei denen ich eine 16dBi Richtfunkantenne auf ein Feld unmittelbar neben den Turm richtete und dann mit dem auf meinem Auto aufgebauten Laptop versucht habe, auf diesem Feld Kontakt mit meinem Heimrechner zu bekommen, schlugen fast insgesamt fehl. Hin und wieder bekam ich ein kurzes Signal, jedoch war meine am Laptop genutzte 6dBi Sektor-Antenne zu schwach, um eine vernünftige Verbindung herzustellen. 4.3.1 Skizze des Versuchsaufbau Bergstation Daten Rechner Talstation Webcam Analoge Wetter station Laptop LanHawk X2 Haupt rechner USR8054 Richtfunk 2 2800m Richtfunk 1 Abb. 4.5.: Modularer Aufbau des Langzeitexperimentes 7 Beispiel : www.wireless-forum.ch/forum/ Diverse Versuchsantennen 4 Port Router Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 21 / 37 4.3.2 Fotos der einzelnen Stationen : Abb.4.7 zeigt den Styrodorkasten auf der Plattform des Turmes, in dem sich die Stromversorgung, der Router, der USB-LAN-Adapter und die Webcam befinden. Die Steine auf dem Kasten dienen der Sicherheit, da es in der Höhe immer sehr windig ist. Außerdem sieht man die selbstgebaute Yagi Richtfunkantenne, welche horizontal polarisierte Wellen abstrahlt. Sie ist an einer Satelliten-SchüsselMontur befestigt, welche an der Turmplattform verschraubt ist. Abb 4.6: Die Bergstation im Styrodorkasten Hier die Ansicht der offenen Styrodorbox, man sieht den US-Robotics-Accesspoint, die Stromversorgung und Gewichte zur Stabilisierung. Abb.4.7 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 22 / 37 4.4 Im Versuch verwendete Hardware Die in meinem ersten Experiment verwendete Hardware besteht aus folgenden Komponenten: 4.4.1 Bergstation : Accesspoint US Robotics USR8054 - IEEE802.11g - 54 MBit/s maximaler Durchsatz - 2 Antennen, abnehmbar - RP-SMA Antennenbuchsen Antennenkabel Belden H155 low loss Antennen 2 Selbstgebaute Richtfunkantennen mit ca. 12 dBi USB-LAN- LanHawk X2 Adapter LAN USB-Kamera Adapter USB-Kamera „Creative Live!“ USB-Webcam mit 640 x 480 Bildpunkten Auflösung 4.4.2 Talstation: Rechner: Hauptrechner - Dual Athlon 1100MHz - 1024 MB RAM - D-Link DWL 610 Wireless LAN Karte mit Atheros Treibern8 Datensender - Athlon XP 64 Bit CPU 2,8GHz - 512 MB RAM - 200 GB Festplatte - 2 Gigabit LAN Karten Laptop - Compaq Presario 2700US - 512MB RAM - Orinoco / Proxim 11b/g Wireless PC Card 8470-WD mit Atheros Treibern 8 Kostenlose Bezugsquelle: www.wildpackets.com Daniel Junker Laptop Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 23 / 37 - Sager 5750 - Core Duo 2,16 GHz - 512MB RAM - Intel Centrino implementiertes WLAN Modul 4.4.3 Zusätzliche Hardware: USB–WLAN- T – Sinus 154 Data Adapter 4.4.4 Geliehene Antennen : Antenneart : Beschreibung Bezugsquelle Gekapselte Modellname: YA-2400-12 WIMO Deutschland Yagi-Richtfunkantenne Gewinn lt. Hersteller : 12dBi www.wimo.de Polarisation: Linear Helix-Richtfunkantenne Modellname: Helix 23 WIMO Deutschland Gewinn lt. Hersteller: 11 dBi www.wimo.de Polarisation: Zirkular Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 24 / 37 4.4.5 Gesponsorte Antennen Offene Yagi-Richtfunkantenne Modellname : FlaviaOpen14 www.antennenshop.at Gewinn lt. Hersteller: 14 dBi Polarisation : Linear 4.5 Versuchsdurchführung : Die Versuchsdurchführung musste, auf Grund der sehr langen Dauer, weitestgehend automatisiert ablaufen. Grundlegend verlief das Experiment folgendermaßen: Alle zwei Stunden wurde die analoge Wetterstation auf dem Bergwerksturm von der Webcam fotografiert. Dieses Bild versieht der USB-LAN-Adapter mit dem aktuellen Datum und der Uhrzeit und schickt es via FTP über WLAN zum Hauptrechner der Talstation. Dieser wiederum sendet die Datensätze LAN-intern an den Datenrechner, wo es dauerhaft gespeichert wird. Weiterhin wird zu dem Zeitpunkt, an dem das Bild der Wetterstation genommen wird, auch ein Screenshot des Hauptrechners im Tal genommen, auf welchem die aktuelle Übertragungsrate und die Signalstärke abgebildet sind. Somit musste ich nur die Wetterdaten aus dem Bild der Webcam und die Signalstärke aus dem Screenshot in eine Excel - Tabelle eintragen, um mir später verschiedene Graphen erstellen zu lassen. Besonders interessant sind natürlich Tage mit extremen Wetterlagen, zum Beispiel starke Regenschauer, Gewitter, dichter Nebel wie auch hohe oder niedrige Temperaturen. An solchen Tagen habe ich separat zu den Daten noch die Wetterlage fotografiert, um eine Referenz zu haben. Zusätzlich wurden noch Übertragungsraten-Tests durchgeführt. Insgesamt wurden ca. 9600 Bilder ausgewertet und mehrere Gigabyte an Messdaten über das WLAN übertragen. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik 4.6 Versuchsergebnisse : 4.6.1 Jahres Signalstärkenübersicht : 60% Signalstaerke in % 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% Monat Abb.4.8.: Signalstärkediagramm Abb. 4.9. Klimadiagramm der Stadt Mainz Dec Nov Oct Sep Aug Jul Jun May Apr Mar Feb Jan 20% Seite 25 / 37 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 26 / 37 Abb.4.8. zeigt eine Ansicht der Signalstärke über das Jahr verteilt. Sie entstand aus den Mittelwerten der Messwerte über jeweils eine Woche. Täglich wurden dabei zwei bis vier Messungen durchgeführt. Wie man sieht, handelt es sich um Veränderungen im einstelligen Bereich. Dies kann aber für eine Richtfunkstrecke von großer Bedeutung sein, da die Übertragungsrate stark von der Signalstärke und Qualität abhängig ist. Vergleicht man Abb.4.7. mit den Klimadiagramm der nahen Stadt Mainz (Abb.4.8.), fällt auf, dass in den Monaten, in der die Differenz der Niederschlags und Temperaturkurve am geringsten ist, die Signalstärke am höchsten war. Da es in diesen Monaten generell weniger Luftfeuchtigkeit gibt, lässt es darauf schließen, dass diese in den anderen Monaten negativ auf das Signal eingewirkt haben könnte. 4.6.2 Signalstärke in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit Um in diesen Themenbereich einzuleiten möchte ich ein Beispiel bringen. Das Haushaltsgerät Mikrowelle. Sie nutzt fast exakt die gleiche Frequenz, die WLAN zum Übertragen von Daten verwendet. Wie arbeitet eine Mikrowelle? Sie erwärmt Speisen mit Hilfe von Hochfrequenzwellen auf, die von den Wassermolekülen resonant absorbiert werden und diese in Schwingung versetzen. Die Mikrowelle versetzt die Wassermoleküle in eine Zitter-Bewegung, was einen Temperaturanstieg bedeutet. Wasser besitzt eine Resonanzfrequenz bei 2,4 GHz. Bedingt durch den Energie Erhaltungssatz verliert die Mikrowelle selbst dabei an Energie. Nun sendet das WLAN seine Datenpakete auch bei 2,4 GHz, nur mit wesentlich weniger Energie, nämlich, gesetzlich bedingt, mit maximal 100 Milliwatt. Nun ist es klar, was passieren wird, wenn ein Datenpaket auf Wasser in jeglichem Aggregatzustand trifft. Die Wassermoleküle werden in Bewegung versetzt, die HF–Welle verliert an Energie. Nun arbeitet ein WLAN so, dass es geringe Verluste recht problemlos kompensieren kann, indem es Daten mehrfach sendet. Befindet sich jedoch zuviel Wasser zwischen Sender und Empfänger, so wird das Signal früher oder später abbrechen. Die Hauptgewichtung meines Experimentes lag darin, zu erforschen, wie viel Wasser sich zwischen der Tal und der Bergstation befinden muss, um das Signal abreißen zu lassen. Außerdem wollte ich herausfinden, wie sich die Datenübertragung bei Regen und Nebel verhält. Zuerst möchte ich sagen, dass mich die Testergebnisse selbst sehr überrascht haben. Das Signal riss nur einmal völlig ab, und das war an einem Tag mit unnatürlich hoher Luftfeuchtigkeit. Da ich keinerlei Gerätschaften zur Verfügung hatte, um die absolute Luftfeuchtigkeit einfach zu bestimmen, musste ich alleine mit den Hydrometern, welche ich an beiden Stationen hatte, arbeiten. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 27 / 37 Folgende Abbildung zeigt die Signalstärke über dem Durchschnitt der relativen Luftfeuchtigkeit an der Berg- und Talstation. Signalstaerke / Rel Luftfeuchte Signalstaerke in % 60 50 40 30 20 10 0 48 58 68 78 88 98 Relative Luftfeuchtigkeit Abb.4.10.:Signalstärke über der realtiven Luftfeuchtigkeit aufgetragen Anhand von Abb.4.10 lässt sich erkennen, dass die nichtkondensierende Luftfeuchtigkeit doch auch schon einen erheblichen Effekt auf das WLAN-Signal hat. Diese Tabelle ergibt sich aus eineinjährlichen Messung und es gab nur wenige Ausnahmen, an denen die Ergebnisse nicht reproduzierbar waren. Von daher halte ich sie - von den ca. 5% Messungenauigkeiten abgesehen - für sehr verlässlich. 4.6.3. Kondensierende Luftfeuchtigkeit oder Nebel Vor allem im Herbst konnte ich an vielen Tagen eine Signalstärke im Bereich von 15 – 25 % beobachten. Tests, bei denen ich eine Datenmenge von 100 MB über das WLAN übertrug, zeigten auch deutlich, dass die Übertragungsrate stark gesunken war. So benötige die Datei bei sommerlich klarem Wetter durchschnittlich 1 Minute und 10 Sekunden um die 5600 Meter zu überwinden. Dies entspricht ungefähr 1500 kb/s. Bei starkem Nebel mit Sichtweite unter 10 Metern erhöhte sich die Dauer auf erstaunliche 7 Minuten und 45 Sekunden. Dies lässt erkennen, wie stark die ultrakleinen Wassertröpfchen, aus Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 28 / 37 denen der Nebel besteht, auf das Funksignal eingewirkt haben. Alle diese Experimente wurden mit vertikaler Polarisation der Wellen und der Yagi-Antenne durchgeführt. Da, der Theorie zur Folge, dass Hochfrequenzsignal bei der Wechselwirkung mit Wasser auch in seiner Phase verschoben werden würde und somit jede beliebige Phasenlagen annehmen könnte, wiederholte ich den Versuch an einem sehr nebligen Tag mit zwei zirkularpolarisierten HelixAntennen, da die linear polarisierenden Yagis nur eine bestimmte Phasenlage senden bzw. empfangen können. Erstaunlicherweise erhielt ich nach langem Justieren der Antenne (im Nebel konnte ich nur erahnen, wo sich die Gegenstation befand) eine Signalstärke von 39 %. Der Übertragungstest ergab für dieselbe 100 MB große Datei eine Zeit von 3 Min und 12 Sunden. Dies sehe ich als Bestätigung, dass die Signalstärke im Regen nicht einfach durch das Wasser „aufgebraucht“ wird, sondern große Anteile der HF-Welle in der Phase gedreht und somit für linear polarisierte Antennen nicht mehr empfangbar ist. 4.6.4 Regen: Die Ergebnisse beim Beobachten der Signalstärke bei Regen gibt genau das wieder, was ich im letzten Kapitel geschrieben habe. Das Signal selbst wurde vom Regen jedoch nicht so stark beeinträchtigt, wie bei Nebel. Daher kam ich zu dem Schluss, dass die Phasendrehung weniger durch die Größe der Wassertröpfchen bedingt sei, als vielmehr durch ihre Quantität. Dies liess sich durch den Versuch verifizieren, indem ich die Helix-Antenne im Regen auf dem Turm anbrachte und die Entwicklung des Signals beobachtete. Schließlich lässt sich noch sagen, dass die Abschwächung des Signals bei Regen bei weitem nicht so stark war, wie bei Nebel, und ich selbst mit einer linear polarisierten Antenne noch Empfang hatte. 4.6.5 Gewitter Da ich leider nur einmal die Möglichkeit hatte, dass Funksignal während eines Gewitters zu beobachten, kann ich hierzu keine genauen Angaben machen. Auffällig war jedoch, dass die Signalstärke während des Gewitters sehr stark schwankte. Dies könnte mit der erhöhten statischen Aufladung der Luft zu tun haben. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 29 / 37 4.7 Fazit Abschließend kann man sagen, dass Wasser sehr wohl eine deutliche Auswirkung auf die Reichweite von WLANs hat, jedoch nicht so extrem, wie oftmals behauptet wird. Durch die Anwendung zweckgemäßer Antennen kann der Verlust weiterhin minimiert werden, so, dass ich zu dem Schluss gekommen bin, dass auf man über eine Reichweite von 3000m mit genau gefertigten Antennen ohne größere Probleme sehr wohl durch dichten Nebel und Regen funken kann. Wie gezeigt, hat das Wetter Auswirkungen auf die Übertragungsrate, aber es ist grundlegend möglich. 5. Verhalten von WLAN-Signalen beim Durchlaufen von verschiedenen Stoffen 5.1 Vorüberlegung Eine ELM-Welle solch hoher Frequenz, wie sie bei WLAN-Signalen genutzt wird, verhält sich teilweise sehr merkwürdig beim Durchlaufen von verschiedenen Stoffen . Daher möchte ich mit dem folgenden Experiment versuchen, Regelmässigkeiten festzustellen und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. 5.2 Versuchsaufbau Für diesen Versuch habe ich zwei Rechner in einem Abstand von 21,5 Metern auf einem Baugrundstück hinter unserem Haus aufgebaut. Beide Rechner waren mit Yagi-Richtfunkantennen via WLAN verbunden. Die Signalstärke sowie Signalqualität lagen an trockenen Tagen bei 99%. Um das WLAN möglichst von den beiden anderen Funknetzwerken in meiner Umgebung abzuschirmen, wählte ich einen Funkkanal aus, welcher mindestens drei Kanäle von jedem anderen existierenden WLAN auseinander lag. Somit musste ich nicht mit Interferenz mit anderen Netzen rechnen. Nachdem die Antennen perfekt aufeinander abgestimmt waren, hatte ich eine 21,5 Meter lange Richtfunkstrecke, in die ich jede Menge Hindernisse einbauen konnte, um die Veränderung der ankommenden Signalstärke, sowie des Signal-Rausch-Verhältnisses, gut beobachten zu können. Mit diesem Aufbau führte ich die folgenden Versuche durch: Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 30 / 37 5.3 Versuchsdurchführung: Für den ersten Versuch positionierte ich zwischen einem und vier Wassersprengern in der Laufstrecke so, dass das Signal praktisch durch eine „Wand“ aus Wasser laufen musste. Ich notierte dann alle vier Stunden drei Mal jeweils den RSSI- und den SNR-Wert in eine Tabelle. Bei diesem Experiment hatte jeder Rasensprenger seine eigene Wasserversorgung mit circe 4 bar Leitungsdruck. Es wurde also nicht eine Leitung durchgeschliffen, denn dies hätte zur Folge gehabt, dass die Menge an Wasser, die ein einzelner Sprenger lieferte, abnehmen würde. 5.4 Versuchsergebnisse : 5.4.1 Signalstärke : Signalstärke in % 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 1 2 3 Rasensprenger Abb.5.1: Signalstärke über der Anzahl der Rasensprenger aufgetragen 4 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 31 / 37 5.4.2 Signalqualität : 100,0% 90,0% Signalqualität 80,0% 70,0% , 60,0% 50,0% 1 2 3 4 Rasensprenger Abb. 5.2: Signalqualität aufgetragen über der Anzahl der Rasensprenger In den beiden Abbildungen wird deutlich, dass mit steigender Wassermenge in der Luft, sowohl die Signalstärke, als auch die Signalqualität abnimmt. Dies ist so zu interpretieren, dass die Welle Energie an die Wassermoleküle abgibt und die elektromagnetische Feldstärke somit abnimmt. Die Abnahme der Signalqualität ist so zu verstehen, dass die Welle durch die Reflektion am Wasser in ihrer Phase gedreht wird und mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr von der Antenne aufgenommen werden kann. Diese müssen aufgrund der Mosaikstruktur der Pakete neu angefordert werden, die Durchlassrate und Signalqualität nehmen dadurch ab. Ich habe mit dieser Versuchsanordnung weitere Experimente durchgeführt. Jedoch ist der Versuch mit den Rasensprengern der Einzige gewesen, der brauchbare Ergebnisse lieferte. Dies kommt daher, dass Wasser durch seine Resonanzfrequenz bei 2,4 GHz am verlustreichsten durchlaufen wird. Alle anderen Versuche, z.B. mit Palisadenzäunen als Hindernisse, lieferten kaum unterschiedliche Werte für Signalstärke und Qualität, als durch reine Luft. Hinzu kommt, dass bei diesen Versuchen mehr Energie durch die Hindernisse trat, als beim Rasensprengerversuch und die ELM-Welle dadurch eher an den ca. 20 m entfernten Hauswänden reflektierte wurde. Reflektionen konnten natürlich auch beim Rasensprengerversuch nicht ausgeschlossen werden, jedoch war die absorbierte Energie wesentlich höher, was das Reflektionsrisiko mindert. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 32 / 37 6. Literaturverzeichnis: 6.1 Bücher • J.Grehn, J.Krause , Metzler Physik, erschienen im Schroedel Verlag (1998) • Karl Hahn , Hahn Physik , erschienen im Georg Westermann Verlag (1952) 6.2 Internetseiten • Freie Enzyklopädie : www.wikipedia.org • Institute of Electrical and Electronics Engineers : www.ieee.org • Ein sehr gutes Forum zum Thema WLAN : www.wireless-forum.ch • Bundenamt für Sicherheit in der Informationstechnik : www.bsi-fuer-bund.de • Homepage einer meiner beiden Sponsoren mit reichlich Informationen zum Thema WLAN : http://www.wimo.de • Homepage meines anderen Sponsors, Ing.Dietmar Resch Elektronik : www.antennenshop.at • Informationen zu Routern generell : www.informationsarchiv.net • Informationen über WLAN generell : www.wlan-project.com • Herstellerhomepage des verwendeten Routers : www.usr.com • Gute Seite mit vielen Information zum Thema WLAN : www.wireless-bern.de 6.3 Abbildungsverzeichnis: Abbildung Quelle Abb.1.1 www.wikipedia.org Abb.2.1 Metzler Physik Abb.2.2 Metzler Physik Abb.2.3 www.wikipedia.org Abb.2.4 www.wikipedia.org Abb.2.5 www.hunger-engineering.ch Abb.3.1 www.matarowireless.net Abb.3.2. www.ep.com.tw Abb.4.1 Eigenfotografie Abb.4.2 Eigenfotografie Abb.4.3 Eigenfotografie Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Abb.4.4 Eigenfotografie Abb.4.5 Eigene Zeichnung Abb.4.6 Eigenfotografie Abb.4.7 Eigenfotografie Abb.4.8 Selbsterstelltes Diagramm (MS Excel) Abb.4.9 Klimadiagramm : www.fh-bingen.de Abb.4.10 Selbsterstelltes Diagramm (MS Excel) Âbb.5.1 Selbsterstelltes Diagramm (MS Excel) Abb.5.2 Selbsterstelltes Diagramm (MS Excel) Seite 33 / 37 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 34 / 37 7. WLAN Glossar: Bandbreite Als Bandbreite bei Antennen bezeichnet man die Frequenzen, auf die sie abgestimmt ist. Will man eine maximale Empfangsleistung haben, müsste man die Antenne genau auf eine Frequenz abstimmen. Da dies in der Praxis aber nicht möglich ist, wird eine Antenne immer auf die Mittelfrequenz abgestimmt. Somit kann sie, bei geringem Verlust, auch die umliegenden Frequenzen empfangen. dBi Der dBi-Wert beschreibt den Leistungsgewinn in Dezibel gegenüber einem theoretischen Isotopstrahler. Dbi ist ein kein linearer, sondern ein logaritmischer Wert, was bedeutet, dass sich circa alle 3 dBi die Empfangsleistung verdoppelt. Empfangsstärke Die Empfangsstärke setzt sich zusammen aus der Sendeleistung plus dem Gewinn der Sendeund Empfangsantenne minus Verluste durch Kabel und Ausbreitung. Sie gibt an, wie starkt das elektromagnetische Feld des WLANs an der Messstelle ist. Empfangsverstärkung: Die Empfangsverstärkung gibt an, wie empfindlich eine Antenne ist. Desto höher der Wert, desto besser ist der Empfang. Vor allem bei stark gerichteten Antennen findet man hohe Werte, welche in dBi angegeben werden. Isotopstrahler Isotopstrahler, auch „Kugelstrahler“ genannt. Ein rein theoretisches Modell einer Antenne. Diese sendet alle Funkwellen gleichmäßig und verlustfrei in alle Richtungen aus. Da dies in der Realität kaum zu erreichen ist, benutzt man den dBi Wert. Dieser gibt an, wie stark ein Strahler ist. Desto größer der dBi Wert, desto stärker ist die Sende/Empfangsleistung der Antenne. Jedoch bedeutet dies normalerweise außerdem, dass die Antenne einen geringen Streuradius hat, also gerichtet ist. Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 35 / 37 8. Persönliches Fazit Abschließend lässt sich noch sagen, dass die „Besondere Lernleistung“ zwar sehr zeitaufwändig war, mir jedoch auch viele neue Erfahrungen gebracht hat. Ich habe gelernt, selbstständig Probleme zu finden und auch zu lösen. Manchmal war es aber auch sehr frustrierend, wenn ich nach stundenlangem Justieren noch immer kein Signal zur Gegenstation hatte oder die mit viel Aufwand gebauten Antennen ( ich habe insgesamt über 10 verschiedene Arten gebaut ) beim ersten Test total versagten. Meistens hat es mir aber viel Spaß gemacht und ,ehrlich gesagt, macht es mich etwas traurig, dass ich nun eigentlich fertig bin. Ich habe sicherlich noch viele Ideen für weitere Experimente. 9. Danksagungen Dipl. Phys. Joachim Ehlers für die exzellente Betreuung, seine Geduld meine Fragen zu beantworten und die zeitauftreibende Aufgabe meine Besondere Lernleistung zu korrigieren und zu bewerten. Gerhard Merk für seine Bereitschaft sich als Zweitkorrektor zur Verfügung zu stellen. Dipl. Phys. Michael Stellpflug für seine Bereitschaft mir Tipps zur Formatierung zu geben, meine Fragen nach dem Unterricht noch zu beantworten und mir allgemein Beistand zu leisten. Meiner Familie für das Verständnis, das sie für meine Arbeit aufbrachte und michl finanziell sowie seelisch unterstützte. Marie Alice Krone für das Gegenlesen meiner Arbeit und Hilfe bei der Formatierung Jennifer Bauner für ihre Unterstützung bei den Experimenten, dafür das sie mich am Turm gesichert hat und ihre Hilfe beim Fotografieren. Meinen Sponsoren, WIMO und Ing. Dietmar Resch Elektronikt für die bereitgestellen Antennen und die kostenlosen Antennen und Bauteile Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Martin Schnorr und Michael Perger, für die Erlaubnis eine Funkstation auf ihrem Bergwerksturm aufbauen zu dürfen. Seite 36 / 37 Daniel Junker Besondere Lernleistung Fachbereich Physik und Informatik Seite 37 / 37 Eigenständigkeitserklärung Hiermit versichere ich, dass ich die Besondere Lernleistung mit dem Titel: „WLAN – Funktionsweise, Möglichkeiten und Einschränkungen der 2,4 GHz Hochfrequenztechnik“ Selbständig verfasst und nur die angegeben Hilfsmittel verwendet habe. Ich nehme zur Kenntnis, dass die nachgewiesene Unterlassung der Herkunftsangabe als versuchte Täuschung bzw. als Plagiat (”geistiger Diebstahl“) gewertet wird. Ich anerkenne hiermit, dass bei Vorliegen eines Plagiats die Arbeit nicht als selbstständige Leistung gewertet wird.
