Gemeinsamer Kanal
APs und Clients müssen denselben Medienzugriffsregeln folgen.
1. Lernziele
- WLAN als gemeinsam genutztes Halbduplexmedium erklären
- CSMA/CA, CCA, Backoff und NAV fachlich unterscheiden
- Airtime statt bloßer Datenmenge als knappe Ressource bewerten
- Co-Channel-Interferenz, Adjacent-Channel-Interferenz und Fremdstörer abgrenzen
- Auswirkungen von Datenraten, Kanalbreite, Zellgröße und Clientanzahl beurteilen
- Netzkonkurrenz mit geeigneten Messwerten und Mitschnitten untersuchen
2. WLAN ist ein Shared Medium
Alle Stationen innerhalb derselben wahrgenommenen Konkurrenzdomäne teilen sich Funkkanal und Übertragungszeit. Ein Radio kann auf einem Kanal grundsätzlich nicht gleichzeitig senden und empfangen. WLAN arbeitet deshalb typischerweise im Halbduplexbetrieb.
Begrenzte Airtime
Innerhalb einer Sekunde stehen höchstens 1.000 ms Übertragungszeit zur Verfügung.
Geteilte Kapazität
Mehr Teilnehmer erzeugen mehr Zugriffsversuche, Wartezeit und Protokollaufwand.
Kernprinzip: WLAN teilt nicht einfach eine feste Datenrate auf Clients auf. Die Stationen konkurrieren zunächst um die Gelegenheit, das Medium für eine bestimmte Zeit zu belegen.
3. CSMA/CA: Medienzugriff mit Kollisionsvermeidung
IEEE 802.11 verwendet Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Eine Station versucht, Kollisionen zu vermeiden, weil sie während des eigenen Sendens eine Kollision nicht zuverlässig erkennen kann.
Medium prüfen→frei abwarten→zufälliger Backoff→senden→ACK erwarten
Die Station prüft über physische und virtuelle Verfahren, ob das Medium belegt ist.
Das Medium muss für den vorgesehenen Zugriffszeitraum frei bleiben.
Die Station wählt eine zufällige Zahl von Slots aus dem aktuellen Contention Window.
Der Zähler läuft nur bei freiem Medium. Bei Belegung wird er eingefroren und später fortgesetzt.
Bleibt das ACK aus, nimmt der Sender einen Fehler an und plant eine Wiederholung mit erweitertem Contention Window.
Wichtig: CSMA/CA verhindert Kollisionen nicht vollständig. Es reduziert lediglich deren Wahrscheinlichkeit.
4. CCA, Carrier Sense und NAV
Clear Channel Assessment bestimmt, ob das Medium als frei oder belegt gilt. Dafür werden physische und virtuelle Informationen kombiniert.
| Mechanismus | Funktion | Auswirkung |
|---|---|---|
| Signal Detect / Preamble Detection | Erkennt ein decodierbares 802.11-Signal. | Die Station wartet entsprechend der erkannten Übertragungsdauer. |
| Energy Detect | Erkennt Energie oberhalb einer Schwelle, auch ohne decodierbaren WLAN-Frame. | Das Medium kann wegen eines Fremdsignals als belegt gelten. |
| Physical Carrier Sense | Bewertet die aktuelle physische Kanalbelegung. | CCA meldet Busy oder Idle. |
| Virtual Carrier Sense | Nutzt Duration-Felder empfangener Frames. | Der Network Allocation Vector reserviert das Medium rechnerisch. |
Medium belegt = Physical Carrier Sense busy ODER NAV > 0
Die konkreten CCA-Schwellen hängen von Standard, Präambeltyp, Kanalbreite und Geräteimplementierung ab. Ein pauschaler einzelner dBm-Wert beschreibt CCA daher nicht vollständig.
5. Airtime als eigentliche Ressource
Airtime ist die Zeit, in der ein Funkkanal durch Übertragungen und zugehörige Zugriffsabläufe beansprucht wird. Nicht nur Nutzdaten belegen Zeit.
NutzdatenOverheadWartezeitRetries
- Präambeln und PHY-Header
- MAC-Header und Sicherheitsfelder
- Interframe Spaces und Backoff
- ACK- oder Block-ACK-Frames
- Beacons, Probe-, Authentication- und Association-Frames
- Wiederholungen fehlerhafter Übertragungen
Airtime für Nutzdaten ≈ Datenmenge ÷ tatsächlich verwendete PHY-Rate + Protokollaufwand
Folge: Ein langsamer Client benötigt für dieselbe Datenmenge mehr Airtime als ein schneller Client. Er reduziert damit die verfügbare Übertragungszeit für alle Teilnehmer derselben Konkurrenzdomäne.
6. Kollisionen und konkurrierende Stationen
Gleichzeitiger Backoff-Ablauf
Wählen zwei Stationen denselben verbleibenden Backoff-Slot, können sie nahezu gleichzeitig senden. Der Empfänger kann dann möglicherweise keinen Frame korrekt dekodieren.
Hidden Node
Zwei Clients hören einander nicht, erreichen aber denselben AP. Beide können das Medium als frei bewerten und gleichzeitig zum AP senden.
Exposed Node
Eine Station wartet wegen einer gehörten Übertragung, obwohl eine eigene Übertragung einen anderen Empfänger möglicherweise nicht gestört hätte.
Capture Effect
Bei ausreichendem Leistungsunterschied kann ein Empfänger unter bestimmten Bedingungen den stärkeren überlagerten Frame trotzdem dekodieren.
RTS/CTS
Request to Send und Clear to Send können insbesondere Hidden-Node-Probleme reduzieren. Sie reservieren das Medium über den NAV, erzeugen aber zusätzlichen Overhead. RTS/CTS ist deshalb keine pauschale Leistungssteigerung.
7. Formen der Interferenz
| Art | Beschreibung | Typische Wirkung |
|---|---|---|
| Co-Channel-Interferenz | Mehrere WLAN-Zellen verwenden denselben Kanal und können einander wahrnehmen. | Geordnete Konkurrenz und geteilte Airtime; nicht zwingend Framezerstörung. |
| Adjacent-Channel-Interferenz | Überlappende oder unzureichend getrennte Kanäle beeinflussen sich. | Signale lassen sich schlechter koordinieren und können Frames beschädigen. |
| Non-Wi-Fi-Interferenz | Andere Funktechnologien oder Störer erzeugen Energie im WLAN-Band. | CCA Busy, reduzierte SNR, Fehler oder Wiederholungen. |
| Self-Interference | Eigene APs oder Radios erzeugen durch Planung, Leistung oder Nähe unnötige Konkurrenz. | größere Contention Domains und geringere Wiederverwendung. |
Abgrenzung: Co-Channel-Interferenz ist primär ein Kapazitäts- und Airtime-Problem, weil 802.11-Stationen sich koordinieren können. Adjacent-Channel- und Fremdinterferenz können zusätzlich die Dekodierung direkt beeinträchtigen.
8. Faktoren, die Netzkonkurrenz verstärken
| Faktor | Mechanismus | Folge |
|---|---|---|
| Viele aktive Stationen | Mehr Zugriffsversuche und Backoff-Prozesse | mehr Wartezeit und Kollisionswahrscheinlichkeit |
| Niedrige PHY-Raten | Frames benötigen länger auf dem Medium | höherer Airtime-Verbrauch |
| Hohe Retry-Rate | Frames werden erneut übertragen | Nutzdurchsatz sinkt, Airtime wird mehrfach belegt |
| Breite Kanäle | Weniger nicht überlappende Kanäle und größere spektrale Belegung | geringere räumliche Wiederverwendung |
| Hohe Sendeleistung | Zellen werden unnötig groß und sind weiter hörbar | größere Konkurrenzdomänen |
| Niedrige Basic Rates | Management- und Kontrollverkehr dauert länger und reicht weiter | mehr Overhead und größere Zellgrenzen |
| Viele SSIDs | zusätzliche Beacons und Probe Responses je BSS | mehr Management-Airtime |
| Kleine unaggregierte Frames | hoher Overhead pro Nutzdatenmenge | geringere Effizienz |
| Multicast/Broadcast | häufig robuste Rate, keine normale individuelle Bestätigung | hoher Airtime-Anteil je Nutzbit |
| Legacy-Clients | robuste Raten und Schutzmechanismen möglich | zusätzlicher Protokollaufwand |
| Uplink-lastige Clients | jeder Client konkurriert selbst um den Kanal | mehr verteilte Zugriffsversuche |
| Schlechte RF-Qualität | niedrigere MCS und mehr Fehler | doppelter Effekt auf Airtime und Retries |
9. EDCA und priorisierter Medienzugriff
Enhanced Distributed Channel Access stellt vier Access Categories bereit. Unterschiedliche AIFS-, Contention-Window- und TXOP-Parameter verändern die Wahrscheinlichkeit und Dauer des Medienzugriffs.
| Access Category | Typischer Verkehr | Relative Priorität |
|---|---|---|
| AC_VO | Sprache | höchste |
| AC_VI | Video | hoch |
| AC_BE | Best Effort | normal |
| AC_BK | Hintergrundverkehr | niedrig |
AIFS
Kürzere Wartezeit ermöglicht früheren Beginn des Backoff-Verfahrens.
Contention Window
Kleinere Werte erhöhen die Chance auf einen kurzen zufälligen Backoff.
TXOP
Erlaubt einer Station, das Medium innerhalb eines Zeitlimits für mehrere Übertragungen zu nutzen.
Keine Kapazitätserzeugung: QoS priorisiert den Zugriff auf knappe Airtime. Es erzeugt keine zusätzliche Airtime und kann Überlastung nicht beseitigen.
10. Moderne Effizienzverfahren
Frame Aggregation
A-MPDU und A-MSDU bündeln Daten, sodass sich PHY- und MAC-Overhead auf mehr Nutzdaten verteilt.
Block Acknowledgment
Mehrere MPDUs können gemeinsam bestätigt werden, statt für jeden einzelnen Frame ein ACK zu benötigen.
OFDMA
Der AP kann Resource Units koordinieren. Das steigert insbesondere bei vielen kleinen Übertragungen die Effizienz, beseitigt aber die Konkurrenz um TXOPs nicht vollständig.
MU-MIMO
Mehrere geeignete Clients können in derselben Übertragungsphase räumlich bedient werden. Nutzen und Richtung hängen von Standard und Clientfähigkeiten ab.
BSS Coloring
Überlappende BSS lassen sich unterscheiden. Spatial-Reuse-Regeln können unter geeigneten Bedingungen gleichzeitige Übertragungen ermöglichen.
Multi-Link Operation
Kompatible Geräte können mehrere Links koordinieren. Die tatsächliche Konkurrenz bleibt von den belegten Bändern, Kanälen und Betriebsmodi abhängig.
Grundlage bleibt bestehen: Moderne Verfahren verbessern Planung und Effizienz. Sie heben die physikalische Begrenzung des gemeinsam genutzten Spektrums nicht auf.
11. Designmaßnahmen
- Kanalbreite an Dichte, Spektrum und Kapazitätsbedarf anpassen
- Sendeleistung so planen, dass Funkzellen nicht unnötig groß werden
- Basic Rates und Mindestdatenraten anhand der realen Abdeckung validieren
- SSID-Anzahl begrenzen und unnötigen Broadcast-/Multicastverkehr reduzieren
- Clientdichte und Anwendungslast statt bloßer Gerätezahl berücksichtigen
- 5- und 6-GHz-Kapazität sinnvoll nutzen, ohne Clientfähigkeiten zu ignorieren
- RF-Design mit realen Endgeräten und beabsichtigten Anwendungen überprüfen
Kanalbreite als Zielkonflikt
| Breitere Kanäle | Schmalere Kanäle |
|---|---|
| höhere mögliche PHY-Rate pro Übertragung | mehr getrennte Kanäle verfügbar |
| größerer zusammenhängender Spektrumbedarf | bessere räumliche Wiederverwendung möglich |
| größere Wahrscheinlichkeit von Überlappung | geringere Spitzenrate pro Link |
12. Strukturierte Fehlersuche
- Symptom bestimmen: geringer Durchsatz, hohe Latenz, Jitter, Paketverlust oder nur hohe Kanalnutzung?
- Zeitraum eingrenzen: Durchschnittswerte können kurze Überlastungsspitzen verdecken.
- RF-Metriken korrelieren: Channel Utilization, RSSI, SNR, Noise, Retry-Rate und verwendete MCS gemeinsam betrachten.
- Verkehrsrichtung prüfen: Downlink, Uplink, Broadcast/Multicast und Managementverkehr unterscheiden.
- Over-the-Air analysieren: Backoff ist nicht direkt in jedem Frame sichtbar; Framefolge, Retry-Bits, Datenraten, Dauer und ACK-Verhalten auswerten.
- Spektrum prüfen: Bei nicht erklärbarer Energie eine Spektrumanalyse einsetzen.
- Ursache verifizieren: Änderungen einzeln durchführen und Wirkung vor/nachher messen.
| Messwert | Aussage | Grenze der Aussage |
|---|---|---|
| Channel Utilization | Anteil beobachteter belegter Zeit | zeigt nicht allein, wer oder was die Belegung verursacht |
| Retry-Rate | Anteil wiederholter 802.11-Übertragungen | Ursache kann Kollision, Interferenz, schwaches Signal oder Bewegung sein |
| Clientanzahl | Zahl assoziierter Stationen | inaktive Clients erzeugen nicht dieselbe Last wie aktive |
| PHY-Rate/MCS | Übertragungsparameter des Links | ist kein Nettodurchsatz und erklärt keine Wartezeit |
| Noise Floor | gemessener Grundpegel des Empfängers | kurze oder WLAN-basierte Konkurrenz kann darin unzureichend sichtbar sein |
| Airtime | zeitlicher Ressourcenverbrauch | Berechnung und Definition können herstellerspezifisch variieren |
Bewertungsregel: Kein einzelner Dashboard-Wert beweist Netzkonkurrenz. Erst die zeitliche Korrelation mehrerer Metriken, Frames und Anwendungssymptome erlaubt eine belastbare Diagnose.
Häufige Fehlannahmen
| Behauptung | Bewertung | Fachliche Einordnung |
|---|---|---|
| „Mehr Access Points bedeuten automatisch mehr Kapazität.“ | Falsch | Nur mit geeigneter Kanalwiederverwendung, Leistung und Zellplanung entsteht zusätzliche Kapazität. |
| „Ein assoziierter Client verbraucht immer viel Airtime.“ | Falsch | Entscheidend sind Aktivität, Datenrate, Frames, Protokollverhalten und RF-Qualität. |
| „Co-Channel-Interferenz zerstört jeden Frame.“ | Falsch | Hörbare WLAN-Stationen koordinieren den Zugriff. Das Problem ist häufig geteilte Airtime und Wartezeit. |
| „80 MHz ist grundsätzlich schneller als 20 MHz.“ | Falsch | Die mögliche Linkrate steigt, doch Wiederverwendung und Konkurrenz können sich verschlechtern. |
| „QoS beseitigt Überlastung.“ | Falsch | QoS priorisiert bestimmte Zugriffe, erzeugt aber keine zusätzliche Funkzeit. |
| „OFDMA beseitigt Contention.“ | Falsch | OFDMA verbessert die Nutzung eines gewonnenen Übertragungszeitraums; der grundlegende Medienzugriff bleibt relevant. |
Merksätze
- WLAN ist ein gemeinsam genutztes Halbduplexmedium.
- Stationen konkurrieren primär um Airtime, nicht um eine abstrakte Datenrate.
- CSMA/CA reduziert Kollisionen, verhindert sie aber nicht vollständig.
- Niedrige Datenraten und Retries verbrauchen überproportional Airtime.
- Co-Channel-Nutzung teilt Airtime; Adjacent-Channel-Interferenz kann Frames direkt beeinträchtigen.
- Breitere Kanäle erhöhen die mögliche Spitzenrate, reduzieren aber häufig die Wiederverwendung.
- QoS priorisiert knappe Kapazität und erzeugt keine neue Kapazität.
- Eine belastbare Diagnose braucht korrelierte RF-, Protokoll- und Anwendungsdaten.