Erweiterte WiFi-Flächenabdeckung mit einem RasPi-AP-Verbund

© Phil Holmes, 123RF

Funkfeuer

Wenn das WLAN im Eigenheim klemmt oder ganz aussetzt – sei es wegen Signaldämpfung durch armierte Geschossdecken oder aufgrund des störenden Funkkanal-Dickichts aus der Nachbarschaft – dann verhilft ein Funknetz aus mehreren RasPis preisgünstig wieder zu voller Wireless Fidelity.

README

Mehrere RasPis mit WLAN-USB-Stick bilden, basierend auf einem Ethernet-Backbone, einen WLAN-Access-Point-Verbund und decken auf mehreren Funkkanälen überlappungsfrei auch schwierig zu versorgende Flächen so ab, dass Sie sich dort selbst mit latenzsensitiven Applikationen wie einem Video-Chat wieder problemlos frei bewegen können.

Immer gerade dort, wohin man sich mit seinem mobilen Videochat-Gerät verziehen will, reicht die WiFi-Datenrate nicht mehr aus, um einen störungs- und ruckelfreien Plausch zu führen – vor allem nicht in mehrgeschossigen Wohngebäuden mit ausreichend stahlarmierten Zwischendecken oder in der stillen Ecke im Garten ganz hinten links. Das liegt dann entweder schier an mangelnder Empfangsleistung, oder daran, dass man sich schon im Kanaldickicht der nachbarlichen Funkbereiche verfängt, deren Access Points dummerweise überlappende Kanäle belegen.

Datenraten

Der derzeit am meisten verwendete WLAN-Funkstandard ist IEEE 802.11g – er dient somit auch als Grundlage für diesen Artikel. Dieser Standard suggeriert bei vollem Ausschöpfen der 20-MHz-Kanalrasterung eine Datenrate von 54 Mbit/s. Im praktischen Betrieb – selbst bei idealen Ausbreitungsbedingungen und ungestört durch örtlich benachbarte, frequenzüberlappende WLAN-Access-Points (APs) – erreicht man jedoch lediglich eine tatsächliche Nutzdatenrate von rund 22 Mbit/s.

Diese effektive Datenrate reduziert sich nochmals, falls benachbarte Funkzellen ganz oder teilweise (in 5-MHz-Schritten) den Kanalbereich des eigenen AP überdecken. Auch die Empfangsleistung an beiden Endpunkten der Funkstrecke führt unterhalb einer empfängertypischen Leistungsschwelle rasch zu deutlich geringeren Datenraten. Dabei nimmt die Empfangsleistung im freien Raum zwischen AP und Endgerät in erster Näherung proportional zum Quadrat der Distanz ab.

Noch dramatischer, oft innerhalb weniger Dezimeter Bewegung, reduziert sich in Gebäuden mit großflächig metallischen und damit reflektierenden Elementen die Empfangsleistung praktisch auf null. Dafür kann zum einen eine destruktive Funkwellenüberlagerung – das sogenannte Fading – verantwortlich sein, zum anderen auch schlichte Abschattung.

Mit dem Nachbarn kann man sich zur Not noch über die Kanalwahl ins Einvernehmen setzen – bei Gebäuden und Entfernungen aber zeigt sich die Physik nicht verhandlungsbereit.

Warum kein Repeater?

Einen raschen Ausweg aus WLAN-Problemen scheinen WLAN-Repeater zu bieten. Dabei handelt es sich um separate Access Points mit Funk- und Sicherheitseinstellungen, die mit jenen des Haupt-APs identisch sind.

Da aber ein solcher Repeater sowohl mit dem Endgerät als auch mit dem primären Access Point per Funk kommunizieren muss, reduziert sich die tatsächlich am Endgerät verfügbare Datenrate um die Hälfte – bei 801.11g also auf rund 11 Mbit/s.

Auch das gilt nur, wenn keine Kanalprobleme mit benachbarten WLANs auftreten und die Sendeleistung des Haupt-APs am Repeater noch mindestens dessen Empfangsschwelle für die maximale Datenrate erreicht. Jeder weitere Repeater treibt die effektive Datenrate dann schnell in den einstelligen Bereich.

Eine weitaus bessere Lösung bieten mehrere untereinander per Ethernet-Backbone verbundene Access Points, die den Datenverkehr nur einmalig drahtlos zwischen dem Endgerät und jenem AP übertragen, auf dem der jeweilige Client eingebucht ist.

Dabei erhält jeder AP eine eigene IP-Adresse, zur Vereinfachung der Netzkonfiguration koppelt eine Netzwerkbrücke (Bridge) WLAN und LAN direkt im Link-Layer (OSI-Schicht 2). Abbildung 1 zeigt schematisch den entsprechenden Netzaufbau.

Dabei decken die RasPis die Funktion der Access Points mit identischer SSID und gleichen Sicherheitseinstellungen (etwa WPA2-PSK) sowie der Netzwerkbrücke ab. Alle weiteren Netzwerkdienste wie etwa DHCP, DNS oder Routing bleiben einem separaten (DSL-)Router überlassen.

Die IP-Adressen für die Netzwerkbrücken sollten Sie statisch vergeben. Sie müssen dies auch dem DHCP-Server des Routers mitteilen, indem Sie die fraglichen IPs aus dessen IP-Lease-Adressvorrat entfernen.

Abbildung 1: Eine schematische Darstellung des angepeilten Netzaufbaus.

Frequenzplanung

Der Standard IEEE 802.11b führte für WLANs im 2,4-GHz-Band (2400 bis 2484 MHz) eine Kanalrasterung von 5 MHz ein, beginnend mit dem Kanal 1 bei einer Mittenfrequenz von 2412 MHz und einer Bandbreite von etwa 22 MHz. Auf diesem Schema baut auch der abwärtskompatible Folgestandard 802.11g auf, der aber seine maximale Datenrate bereits bei einer Signalbandbreite von etwas weniger als 20 MHz erreicht.

Somit stehen in Europa bei einer Aggregation von vier aufeinanderfolgenden 5-MHz-Kanälen genau die Kanäle 1, 5, 9 und 13 überlappungsfrei und daher mit voller Datenrate zur Verfügung. Jede von diesem Schema abweichende Kanalwahl führt zu nur drei überlappungsfreien 20-MHz-Kanalaggregationen und somit an der unteren und oberen Bandgrenze zu ungenutzter Bandbreite.

Abbildung 2 zeigt auf der Frequenzachse die vier Kanäle und darunter, wie sich diese räumlich anordnen lassen, um eine gegenseitige Störung zu minimieren.

Zum Beginn der Frequenzplanung sollten Sie sich zunächst einen Überblick über die WLAN-Nachbarschaft verschaffen – am besten mit einem Notebook, diese verfügen in der Regel über bessere Empfangsantennen. Unter Linux erledigen Sie das auf der Kommandozeile mit dem Befehl iwlist aus dem Paket wireless-tools:

$ sudo iwlist wlan0 scanning

Sie erhalten eine Liste der benachbarten Access Points samt des jeweils verwendeten Kanals und der lokal eingestrahlten Leistung. Wiederholen Sie diese Prozedur an verschiedenen Stellen, dann können Sie über die variierende Empfangsleistung den Standort der benachbarten Funkzellen grob abschätzen – und gegebenenfalls mit dem entsprechenden Nachbarn über eine Optimierung der Kanalwahl sprechen.

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