WLAN IoT

Wie WLAN in Verbindung mit KI und Lokalisierung eingesetzt werden kann

21 Min
02. Mai 2024
WLAN Technologie

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Die Abkürzung WLAN steht für Wireless Local Area Network. Auf Deutsch bedeutet der Begriff drahtloses lokales Netzwerk. Häufig wird auch der Begriff Wi-Fi verwendet. Diese Bezeichnung ist jedoch nicht korrekt, da der Begriff auf die Zertifizierung durch die Wi-Fi Alliance (IEEE-802.11) zurückgeht und kein Oberbegriff ist.

Der folgende Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Sicherheitsstandards, Übertragungsmethoden, Reichweiten.

1. Status Quo

WLAN – was ist das?

Jedes Gerät wie Computer, Smartphone oder Fernseher, das drahtlos mit dem Netzwerk verbunden ist, kann auf das Internet zugreifen. Ein WLAN-Passwort genügt, um den zentralen WLAN-Router (Wireless Access Point) anzusprechen und sich für die Nutzung des Internets zu autorisieren. Sehr häufig werden solche WLAN-Infrastrukturen im privaten Bereich eingesetzt. Sie eignen sich aber auch überall dort, wo keine kabelgebundene Internetleitung, also kein kabelgebundenes Netzwerk (LAN), zur Verfügung steht.

Was bedeutet drahtlos im Zusammenhang mit WLAN? Die Geräte kommunizieren mit dem Router drahtlos über elektromagnetische Funkwellen. Das gesamte Netzwerk funktioniert also wie ein Funknetz. Auf welchen Frequenzen das Funknetz arbeitet, hängt ganz von der Nutzung ab. Für drahtlose Netzwerke wurden bisher zwei lizenzfreie Frequenzblöcke aus den ISM-Bändern freigegeben: Möglich sind Frequenzen zwischen 2400 und 5725 MHz.

Die Kommunikation zwischen Router und Endgeräten erfolgt über Funksysteme, die auf einer Frequenz liegen. WLAN bildet häufig die Basis für Heimnetzwerke. Auch viele Unternehmen sind auf WLAN-Netze angewiesen. Außerdem gibt es öffentliche WLAN-Netze, zum Beispiel in Museen, Bussen oder Bahnen. Als Modulationsverfahren wird in den meisten Fällen das Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) verwendet.

Was sind WLAN-Tags?

WLAN-Etiketten, auch WLAN-Tags oder WLAN-Tracker genannt, bieten eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die Bewegung und den Standort von Assets zu überwachen. WLAN-Tags sind in der Lage, drahtlose Signale zu senden und zu empfangen, um ihre Position in einem WLAN-Netzwerk zu bestimmen.

Wie funktioniert das? Diese Tags nutzen die Signalstärke von WLAN Access Points (APs) in ihrer Umgebung, um ihre Position durch Triangulation oder andere Verfahren zu berechnen. WLAN-Tags können daher verwendet werden, um die Position von Objekten oder Personen in Innenräumen zu verfolgen, um Anwendungen wie Asset-Tracking oder Indoor-Navigation zu unterstützen.

WLAN-Tags können unterschiedliche Formen und Größen haben und verschiedene Technologien wie Wi-Fi, BLE oder RFID verwenden. Sie senden regelmäßig Signale an WLAN-Zugangspunkte im Gebäude, die dann die Position der Tags bestimmen können. Diese Funketiketten eignen sich besonders für das Asset-Tracking und die Bestandsverwaltung in Umgebungen wie Lagerhäusern, Fabriken, Krankenhäusern oder Bürogebäuden, in denen die genaue Lokalisierung und Verfolgung von Objekten wichtig ist. In einigen Fällen können RFID-Tags auch mit WLAN zusammen agieren,wenn sie beispielsweise in Geräten verwendet werden, die über WLAN kommunizieren, um eine einfache Bestandsverfolgung oder Identifizierung zu ermöglichen.

Welche WLAN-Standards gibt es?

Ein kurzer Überblick zeigt sofort, dass unterschiedliche Standards zwischen 2009, dem Jahr der Einführung von Wi-Fi (IEEE 802.11n), und 2019, auch unterschiedliche Datenraten bedeuten. Während 2009 eine Datenrate von 300 Mbit/s erreicht wurde, waren es 2013 bereits 650 Mbit/s. Ab 2019 sind bis zu 3 Gbit/s über einen mobilen Computer oder einen Router mit 1 Gbit/s möglich.

Einige Hersteller behaupten sogar, dass 4 Gbit/s erreicht werden können. Dieser theoretische Wert wird allerdings so gut wie nie erreicht, da eine Vielzahl von idealen Umgebungsbedingungen vorhanden sein müssen. Dieser neue Standard wird als Wi-Fi 6 & Wi-Fi 6E (IEEE 802.11ax) bezeichnet.

Wie weit reicht WLAN?

Die Reichweite eines WLAN-Signals in Wohngebieten kann aufgrund verschiedener Faktoren stark variieren. Als Faustregel gilt, dass die optimale Reichweite eines WLAN-Routers oder Wireless Access-Points in einem typischen Wohngebiet etwa 30 bis 50 Meter beträgt. Moderne WLAN-Router oder Access Points können Endgeräte auch noch in einer Entfernung von bis zu 150 Metern mit einem brauchbaren Signal versorgen. Diese maximale Reichweite kann jedoch durch bestimmte Faktoren negativ beeinflusst werden. Auf jeden Fall sollte eine direkte und freie Sichtverbindung bestehen, keine benachbarten WLANs die Bandbreite einschränken und keine abschirmenden Objekte in der Nähe sein.

Was ist Industrial IoT WLAN?

Industrial WLAN und das Internet der Dinge (IoT) sind eng miteinander verbunden, da WLAN eine wichtige drahtlose Verbindungstechnologie für IoT-Geräte ist. WLAN ermöglicht es IoT-Geräten, sowohl innerhalb eines lokalen Netzwerks als auch über das Internet miteinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Aufgrund seiner weit verbreiteten Verfügbarkeit, hohen Bandbreite und Zuverlässigkeit ist WLAN eine beliebte Wahl für die drahtlose Vernetzung von IoT-Geräten in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Ein gutes Beispiel für den Einsatz von WLAN im Internet der Dinge (IoT) ist das intelligente Haus oder Smart Home. In einem Smart Home sind verschiedene Geräte und Systeme miteinander vernetzt, um die Automatisierung und Steuerungen von Abläufen im Haus zu ermöglichen. Im nächsten Abschnitt wird erläutert, wie IIoT WLAN in Industrie 4.0 zum Einsatz kommt.

Zahlen & Fakten

Die steigende Nachfrage nach Smart Homes, digitalen Initiativen und IoT-Geräten trägt zum Wachstum des globalen Marktes für WLAN bei. Einem Bericht der Business-Intelligence-Plattform „Statista“ zufolge wird der globale Markt für WLAN im Jahr 2022 auf 10 Milliarden USD geschätzt. Dies bedeutet ein Wachstum von 31,4 Prozent im Vergleich zu 2021.

Einem Bericht des Marktforschungsunternehmens „Fortune Business Insights“ zufolge treibt die steigende Nachfrage nach Internetnutzung und Breitbandkonnektivität das Marktwachstum von Enterprise-WLAN voran. Die Zahl der WLAN-Teilnehmer stieg zwischen Juni 2020 und Juni 2023 um 64 Prozent. Der globale Markt für Enterprise-WLAN ist in drei Komponentensegmente unterteilt: Hardware, Software und Dienstleistungen. Im Jahr 2023 hält das Hardwaresegment mit 42 Prozent den größten Marktanteil.

WLAN-Produkte

2. In der Praxis

WLAN im Krankenhaus und im Labor

Die mobile Patientenüberwachung mittels WLAN ist eine Lösung, die für die Digitalisierung im Gesundheitswesen ein gutes Beispiel ist. Hierbei werden Patientendaten von Überwachungsgeräten wie EKG-Monitoren, Pulsoximetern und Blutdruckmessgeräten drahtlos an das Krankenhausinformationssystem (KIS) oder das elektronische Patientendatensystem (EPD) übertragen.

Darüber hinaus unterstützt WLAN auch die Telemedizin, indem es Ärzten und medizinischem Personal ermöglicht, drahtlos auf medizinische Bilddaten, Patientenakten und Expertenkonsultationen zuzugreifen. Fernberatung und Diagnosen können ebenfalls durchgeführt werden. Röntgenaufnahmen, CT-Scans oder MRT-Bilder werden ebenfalls drahtlos an Picture Archiving and Communication Systems (PACS) weitergeleitet.
WLAN ermöglicht es medizinischem Personal, drahtlose Geräte wie Tablets und Smartphones zu verwenden, um auf Patientenakten zuzugreifen, Medikationsinformationen abzurufen, Befunde zu dokumentieren und klinische Entscheidungsunterstützungstools zu nutzen. Desweiteren können Assets oder medizinische Geräte über WLAN-Tags getrackt und lokalisiert werden.

Maschinendaten aus der Ferne überwachen

WLAN wird zur Ortung von Maschinen, Werkzeugen und anderen Anlagen in großen Fabriken oder Lagerhallen eingesetzt. Durch die Installation von Wireless Access Points und den Einsatz von Positionierungstechnologien kann der genaue Standort ermittelt werden.

Ein weiteres Beispiel ist die Überwachung von Maschinen und Anlagen. Aus der Ferne können Maschinendaten abgefragt und Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
Mitarbeiter können über WLAN auf relevante Informationen zugreifen, Bestände verfolgen oder Aufträge verwalten. WLAN kann auch für die M2M-Kommunikation genutzt werden.
In Verbindung mit RFID werden über WLAN auch Produktionsdaten erfasst, ausgewertet und übertragen.

Auch Industrie 4.0 Lösungen sind mit WLAN möglich. Beispielsweise wird in der Digitalen Fabrik mit WLAN eine vernetzte Produktionsumgebung geschaffen, in der drahtlose Sensoren, Aktoren und Steuerungssysteme vernetzt sind. RTLS mit WLAN wird für Echtzeitlokalisierung verwendet, um die Position von Mitarbeitern, Fahrzeugen, Werkzeugen und anderen Assets im industriellen Umfeld zu verfolgen.

Remote Maschinendaten überwachen

In der Digitalisierung der Logistik und der Digitalisierung der Industrie gibt es eine Vielzahl von Lösungen, die mit WLAN realisiert wurden, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. WLAN-Lokalisierung kann sowohl für Indoor-Navigation als auch für Tracking-Lösungen in Lagern und Distributionszentren eingesetzt werden. Geortet werden Objekte, Waren oder Container. Im Flottenmanagement wird WLAN verwendet, um die drahtlose Kommunikation mit Fahrzeugen und mobilen Assets in der Flotte zu ermöglichen. Dies umfasst die Überwachung des Fahrzeugstandorts und die Erfassung von Telemetriedaten. Zur Anbindung von Wireless RFID Readern in Lagern und Produktionsstätten kann WLAN auch zum Einsatz kommen.

WLAN wird auch verwendet, um drahtlose Sensoren in Maschinen und Anlagen zu integrieren, um Echtzeitdaten über den Zustand und die Leistung zu sammeln. Diese Daten können zur Unterstützung von Predictive Maintenance verwendet werden, die vorbeugende Wartungsmaßnahmen planen, um Ausfallzeiten zu minimieren und die Produktivität zu maximieren.

IIoT Wireless LAN

Der IEEE-Standard 802.11ax, auch bekannt als Wi-Fi 6, ist der neue Standard für drahtlose Netzwerke. Zu seinen Hauptmerkmalen zählen höhere Datenübertragungsraten, verbesserte Leistung in überlasteten Umgebungen, niedrige Latenz und verbesserte Energieeffizienz. Wi-Fi 6 ermöglicht eine effiziente Nutzung des Frequenzspektrums, verbessert den Datendurchsatz für alle Teilnehmer eines Netzwerks und bietet gleichzeitig Flexibilität und Zuverlässigkeit. Der neue Standard wurde entwickelt, um den wachsenden Anforderungen an drahtlose Konnektivität in einer zunehmend digitalen Welt gerecht zu werden.Darüber hinaus könnte diese Methode auch als Ergänzung zum Motion Capturing per Kamera genutzt werden, insbesondere in Situationen, in denen die Sicht der Kamera verdeckt ist oder in denen mehrere Personen gleichzeitig erfasst werden müssen.

Insgesamt könnte diese bahnbrechende Technologie nicht nur die Sicherheitstechnik revolutionieren, sondern auch neue Möglichkeiten für die Anwendung von künstlicher Intelligenz und WLAN-Technologie eröffnen.

WLAN, RFID und Robotik bei Asklepios Kliniken

160 Einrichtungen gehören in Deutschland zur Asklepios-Kliniken-Gruppe. In diesem Verbund nimmt das Asklepios Klinikum Nord in Hamburg eine Vorreiterrolle ein, da in der Aufbereitungseinheit für Medizinprodukte (AEMP) drahtlose IoT-Technologien und -Produkte eingesetzt werden. Es ist geplant, diese Digitalisierungsmaßnahmen auf alle Häuser auszuweiten. Dabei geht es um KI, Robotik, RFID, WLAN und Sensoren. In der AEMP sind bereits erste Lösungen installiert, um die verschiedenen Medizinprodukte dem richtigen Sterilisationsprozess zuzuführen.

Dies ist notwendig, da die Sterilisation nach unterschiedlichen Methoden erfolgt. Es kommen verschiedene Reinigungs- und Desinfektionsgeräte, Dampfsterilisatoren und Niedertemperatursterilisatoren mit Formaldehyd und Wasserstoffperoxid zum Einsatz. Auch nach der Sterilisation müssen die Instrumente getrennt aufbereitet werden, bevor sie wieder in einer Operation eingesetzt werden. Der Transport der Medizinprodukte wird über WLAN und RFID gesteuert. Sowohl die Transportroboter als auch die Sterilisationsgeräte sind RFID-fähig, die Transportsiebe mit RFID-Tags ausgestattet. Das Klinikpersonal gibt über ein Tablet ein, welche Siebe für welchen Sterilisationsprozess vorgesehen sind.

NFL setzt WLAN zur Unterstützung des Trainings ein

Die American Football League setzt auf die Integration von RTLS (Real-Time Location Systems) in Kombination mit RFID-Tags und Antennen, die für jedes Stadion optimal ausgerichtet sind. Für die RTLS-Lösung werden UWB-Sensoren eingesetzt. Die Strahlungsmuster sind als sich überlappende konzentrische Kreise angeordnet, die jedes Detail des Spielfelds bis hin zu einzelnen Grashalmen erfassen können.
Ziel ist es, Footballspieler in der NFL zu verfolgen, um umfassende Gesundheits-, Bewegungs- und Fitnessdaten zu sammeln. Das Ergebnis sind detaillierte Spielerstatistiken, die die Entwicklung von Trainingszielen unterstützen.

Das individuelle Training soll auf den gesammelten Daten basieren, wobei die spezifischen Bedürfnisse jedes Spielers im Mittelpunkt stehen. Es könnten personalisierte Trainingsprogramme entwickelt werden, die auf die individuellen Stärken und Schwächen eingehen. Dies könnte durch die Analyse von Bewegungsmustern und Leistungsdaten geschehen, um maßgeschneiderte Trainingspläne zu erstellen.
Grundlage für die Trainer ist das Dashboard. Die Trainer können die Leistung der Spieler während des Trainings in Echtzeit auf ihren Geräten über WLAN verfolgen und schnell auf Veränderungen reagieren und das Training entsprechend anpassen. Insgesamt ist die Lösung ein gutes Beispiel für die Digitalisierung des Sports.

„Eines der wirklich praktischen Features der Lösung ist das Dashboard für Trainer. Sie können die Leistung der Spieler während des Trainings in Echtzeit auf ihren Geräten über WLAN verfolgen. Nach einer Verletzung können Teams die aktuelle Leistung mit der vorherigen vergleichen. Insgesamt bietet die Lösung den Teams optimale Bedingungen hinsichtlich Produktivität, Gesundheit und Leistung an Spieltagen.“

Adam Petrus

, Zebra Technologies

Logo Zebra Technologies

WLAN im Einsatz bei der Carnegie Mellon Universität

Forscher der Carnegie Mellon University haben eine neue Methode entwickelt, die die Position und Haltung von Personen in einem Raum durch die Analyse von WLAN-Signalen bestimmt. Diese Technologie bietet eine kostengünstige und datenschutzfreundliche Alternative zu herkömmlichen Systemen wie RGB-Kameras oder LiDAR.

Durch die Nutzung von WLAN-Signalen können Positionen und Haltungen unabhängig von Beleuchtung oder Verdeckung erfasst werden, ohne teure Hardware zu benötigen. Mit nur zwei handelsüblichen TP-Link AC1750 Routern im Wert von je rund 30 Euro wurden erfolgreiche Experimente durchgeführt.
Eine speziell trainierte Deep-Learning-KI analysiert die WLAN-Signale, um grobe 3D-Modelle des Menschen mit 24 Segmenten zu erstellen. Die KI kann die Haltungen mehrerer Personen im Raum abbilden und bis zu fünf Personen erkennen.

Studien zeigen, dass diese Methode die Haltungen und Positionen von Personen ebenso gut abschätzen kann wie aufwändige 3D-Bildanalyse, wobei nur drei WLAN-Sender und -Empfänger erforderlich sind.
Potenzielle Anwendungsfälle reichen von Sicherheitslösungen bis zur Pflege älterer Menschen. Beispielsweise könnte die Technologie zur Fernüberwachung von Wohnungen oder zur Überprüfung gestürzter Personen in Altenheimen genutzt werden.

Zusätzlich kann die Methode als Ergänzung zum Motion Capturing per Kamera dienen, insbesondere in Situationen mit eingeschränkter Sicht oder bei der Erfassung mehrerer Personen gleichzeitig.

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3. Panorama

Was ist besser im Smart Home – Zigbee oder WLAN?

Die Antwort hängt von den spezifischen Anforderungen und Anwendungen im Smart Home ab:

Zigbee bringt folgende Voreile mit:

  • Energieeffizienz, z.B. bei batteriebetriebenen Sensoren und Geräten.
  • Eine zuverlässige und stabile Verbindung, die in einem Mesh-Netzwerk benötigt wird.
  • Viele Geräte können in ein Netzwerk integriert werden (Skalierbarkeit).
  • Niedrige Datenraten ausreichen, wie bei Sensoren, Lichtsteuerung, Thermostaten.

WLAN ist besser geeignet, wenn…

  • Hohe Datenraten erforderlich sind, z.B. für Videoüberwachung, Streaming.
  • Geräte eine konstante Stromversorgung haben.
  • Das vorhandene WLAN-Netzwerk genutzt werden soll, ohne zusätzliche Hubs oder Gateways.
  • Die Einrichtung und Verwaltung möglichst einfach und direkt sein soll.

In einem typischen Smart Home werden oft beide Technologien kombiniert verwendet, um die Vorteile beider Systeme zu nutzen. Beispielsweise können WLAN-Kameras und Streaming-Geräte verwendet werden, während Zigbee für Beleuchtung, Sensoren und andere energieeffiziente Geräte eingesetzt wird.

Was ist der Unterschied zwischen einem WLAN-Router und ein Wireless Access Point (AP)

Zwischen einem WLAN-Router und einem WLAN-Zugangspunkt bestehen erhebliche Unterschiede. Der folgende Abschnitt erklärt, worin die Unterschiede liegen und für welche Anwendung welche Hardware geeignet ist. Zunächst ist festzuhalten, dass ein WLAN-Router und ein Wireless Access Point (AP) unterschiedliche Funktionen in einem drahtlosen Netzwerk erfüllen.

Ein WLAN-Router kombiniert typischerweise mehrere Funktionen, darunter die Bereitstellung einer drahtlosen Verbindung, den Zugang zum Internet über eine Breitbandverbindung, die Verteilung von IP-Adressen im Netzwerk über DHCP und das Routing von Datenpaketen zwischen verschiedenen Netzwerken (LAN und WAN). Er fungiert als zentraler Knotenpunkt für die drahtlose Konnektivität und den Internetzugang und wird häufig an einer zentralen Stelle im Netzwerk platziert, um eine optimale Funkabdeckung zu gewährleisten.

Drahtlose Router bieten fast immer eine einfache Firewall-Funktionalität. Mit Hilfe von Network Address Translation (NAT) teilt sich der Router eine Internetadresse mit mehreren drahtlosen Endgeräten. Verfügt der Router über einen Ethernet-Switch mit vier Anschlüssen, kann er kabelgebundene PCs mit dem LAN verbinden. Viele Wireless Router vereinen somit die Funktionen eines Wireless AP, eines Ethernet Routers, einer Firewall und eines Ethernet Switches.

Ein Wireless Access Point (AP) dient dagegen ausschließlich dazu, drahtlose Geräte mit einem kabelgebundenen Netzwerk zu verbinden. Er fungiert als Brücke zwischen drahtlosen und kabelgebundenen Netzwerken, indem er drahtlose Signale in kabelgebundene Daten umwandelt und umgekehrt. Access Points werden in größeren Netzwerken eingesetzt, um die drahtlose Abdeckung zu erweitern oder zusätzliche drahtlose Kapazität bereitzustellen. Sie können strategisch platziert werden, um die Funkabdeckung in bestimmten Bereichen zu verbessern.

Insgesamt ermöglicht ein WLAN-Router eine direkte Verbindung zum Internet über eine Breitbandverbindung und fungiert als Gateway zwischen dem lokalen Netzwerk und dem Internet. Im Gegensatz dazu bietet ein Wireless Access Point keine Möglichkeit, sich direkt mit dem Internet zu verbinden, sondern erweitert lediglich die drahtlose Konnektivität in einem bestehenden Netzwerk. Häufig werden WLAN-Router und Access Points in größeren Netzwerken zusammen eingesetzt, um eine umfassende drahtlose Abdeckung und Konnektivität zu gewährleisten.

Fazit: Ein WLAN-Router ist ein Gerät, das Routerfunktionen mit einem integrierten Access Point kombiniert und häufig in Heimnetzwerken oder kleineren Unternehmen eingesetzt wird. Ein Access Point ist ein separates Gerät, das nur die drahtlose Konnektivität bereitstellt und häufig in größeren Netzwerken eingesetzt wird, um die Reichweite oder Kapazität des drahtlosen Netzwerks zu erweitern.

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Was stört WLAN?

Eine WLAN-Verbindung kann durch verschiedene Faktoren gestört werden, die die Signalqualität beeinträchtigen oder die Übertragungsgeschwindigkeit verringern können. Zu den häufigsten Ursachen für Störungen von WLAN-Verbindungen gehören physische Hindernisse wie Gebäude, Wände, Decken, Fernseher, drahtlose Überwachungskameras, Monitore oder große Gegenstände.

Diese Faktoren können das WLAN-Signal abschwächen oder ganz blockieren. Auch andere elektronische Geräte wie Mikrowellen, Telefone, Bluetooth-Geräte oder Babyphones nutzen elektromagnetische Wellen und können so Interferenzen erzeugen, die die Qualität des WLAN-Signals beeinträchtigen.
Außerdem können sich überlagernde WLAN-Netze in dicht besiedelten Wohngebieten oder Büroumgebungen zu Interferenzen führen und die Leistung der WLAN-Verbindung beeinträchtigen.

Um die WLAN-Verbindung zu optimieren und Störungen zu minimieren, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise die Platzierung des Routers an einem zentralen Ort, die Verwendung von Dual-Band-Routern, die Vermeidung von Netzwerküberlastungen und die Aktualisierung von Firmware und Treibern auf den WLAN-Geräten.

Worin liegen die Unterschiede der Sicherheitslösungen WEP, WPA, WPA2 und WPA3?

Da Daten in drahtlosen Netzwerken über Radiowellen übertragen werden, können sie ohne geeignete Sicherheitsprotokolle leicht abgefangen werden. Dies stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Es müssen Sicherheitsmaßnahmen wie Verschlüsselung, Authentifizierungsverfahren oder passwortgeschützte Zugänge getroffen werden. Welche Sicherheitsmaßnahmen gibt es für WLAN-Netze? Angefangen hat alles mit der Wired Equivalent Privacy (WEP) Lösung in den 90er Jahren. Seitdem wurde diese erste Sicherheitslösung ständig weiterentwickelt.

Heute ist WPA 3 die neueste Version. Sie wurde im Juni 2018 von der Wi-Fi Alliance eingeführt. Die Einführung markiert einen Meilenstein in der Entwicklung von Sicherheitsstandards für drahtlose Netzwerke und stellt eine wesentliche Weiterentwicklung gegenüber den Vorgängern WPA und WPA2 dar. Seit seiner Einführung wird WPA3 nach und nach von den Herstellern implementiert und dürfte sich in den kommenden Jahren als neuer Sicherheitsstandard für drahtlose Netzwerke durchsetzen. Ältere Protokolle wie WEP und WPA sind anfälliger für Hackerangriffe, während neuere Protokolle wie WPA2 und WPA3 als sicherer gelten.

Was ist WEP?

Wired Equivalent Privacy (WEP) wurde 1997 als erste drahtlose Sicherheitslösung eingeführt, um WLAN-Netze durch Datenverschlüsselung sicherer zu machen. Es verwendet einen statischen 64- oder 128-Bit-Hexadezimalschlüssel zur Verschlüsselung des Datenverkehrs. Ziel war es, abgefangene Daten für Unbefugte unlesbar zu machen und Man-in-the-Middle-Angriffe zu verhindern. Trotz anfänglicher Erfolge wurden im Laufe der Zeit jedoch zahlreiche Sicherheitslücken im WEP-Standard entdeckt, so dass er 2004 von der Wi-Fi Alliance offiziell eingestellt wurde. Heute gilt WEP als veraltet und wird nur noch gelegentlich verwendet, entweder aus Gründen der Kompatibilität mit älteren Geräten oder weil Netzwerkadministratoren ihre Sicherheitsprotokolle nicht aktualisiert haben.

Was ist WPA?

Sechs Jahre später, im Jahr 2003, kam die Lösung Wi-Fi Protected Access (WPA) auf den Markt. WPA ist eine Weiterentwicklung von WEP. Im Wesentlichen bietet WPA Verbesserungen bei der Verwaltung von Sicherheitsschlüsseln und der Benutzerautorisierung. Im Gegensatz zu WEP ändert WPA den Schlüssel dynamisch über das TKIP-Protokoll, um die Sicherheit zu erhöhen und unberechtigten Zugriff zu verhindern. Das WPA-Protokoll überprüft auch die Integrität der Nachrichten, um abgefangene oder veränderte Datenpakete zu erkennen.

Die verwendeten Schlüssel haben eine Länge von 256 Bit, was eine deutliche Verbesserung gegenüber den 64-Bit- und 128-Bit-Schlüsseln von WEP darstellt. Trotz dieser Verbesserungen wurde auch WPA unterwandert, was zur Einführung von WPA2 führte. Ein WPA-Schlüssel ist das Passwort, das benötigt wird, um sich mit einem drahtlosen Netzwerk zu verbinden. Gelegentlich ist eine Standard-WPA-Passphrase auf dem WLAN-Router aufgedruckt. Wenn das Passwort nicht gefunden werden kann, kann es zurückgesetzt werden.

Was ist WPA2?

WPA2 wurde 2004 bereits ein Jahr nach der Veröffentlichung von WPA eingeführt, da schnell klar war, dass Aktualisierungen mehr Sicherheit bieten würden. Es basiert auf dem Robust Security Network (RSN) Mechanismus und bietet zwei Betriebsmodi: den persönlichen Modus (WPA2-PSK) und den Enterprise-Modus (WPA2-EAP). Im persönlichen Modus wird ein gemeinsamer Passwort für den Zugang verwendet, während der Enterprise-Modus eher für Organisationen oder Unternehmen geeignet ist. Im Gegensatz zu WPA3, ist WPA2 anfälliger für Angriffe wie Key Reinstallation Attacks (KRACK), die jedoch durch Patching behoben werden können.

Was ist WPA3?

WPA3, eingeführt von der Wi-Fi Alliance im Jahr 2018, ist die dritte Version des Wi-Fi Protected Access-Protokolls. Es bietet neue Sicherheitsfunktionen für den privaten und geschäftlichen Gebrauch. Dazu gehören individualisierte Datenverschlüsselung mit DPP (Wi-Fi Device Provisioning Protocol), SAE (Simultaneous Authentication of Equals) zur sicheren Authentifizierung und besserer Schutz vor Brute-Force-Angriffen. WPA3-Geräte sind seit 2019 erhältlich und abwärtskompatibel mit WPA2.

Sowohl WPA2 als auch WPA3 verwenden CCMP (Counter Mode Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) für die Verschlüsselung, basierend auf dem Advanced Encryption Standard (AES).

WLAN-Technologien: Was ist Beaming?

Der Standard (IEEE 802.11ax) ermöglicht es, das Prinzip des ‚Shared Medium‘ optimal umzusetzen. Das bedeutet, dass das elektromagnetische Spektrum effizienter genutzt und individueller aufgeteilt wird, indem Signale gezielter und spezifischer ausgesendet werden. Dadurch werden Störungen reduziert und die Datenrate erhöht. Ermöglicht wird dies durch das Messprinzip oder die Methode der Strahlformung (Beamforming). Dabei wird das Signal nicht wahllos in alle Richtungen gesendet, sondern gezielt zum WLAN-Gerät.

Was bedeutet MU-MIMO?

MU-MIMO steht für Multi-User Multiple Input Multiple Output und ist eine Technologie, die in modernen WLAN-Routern und Access Points eingesetzt wird. Auf welchem Standard basiert MU-MIMO? Der Vorgänger von MU-MIMO wurde mit dem Standard 802.11n eingeführt. Dieser Standard ermöglicht den Single-User-Modus (SU-MIMO). Seit der Einführung des Standards WiFi-5 (802.11ac) wird auch Multi-User-MIMO unterstützt.

Der neueste Standard WiFi-6 (802.11ax) bietet weitere Vorteile für die Netzwerkfunktionalität, insbesondere in Bezug auf die Nutzerdichte gegenüber dem Vorgänger, der die Datenübertragungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit für ein einzelnes Gerät ermöglichte. MU-MIMO ermöglicht es einem Router oder Access Point, Daten gleichzeitig an mehrere Endgeräte zu senden, anstatt sie nacheinander zu übertragen. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der verfügbaren Funkkanäle und einer insgesamt verbesserten Leistung und Effizienz des drahtlosen Netzwerks. Mit MU-MIMO kann der Router oder Access Point mehrere Geräte gleichzeitig über mehrere Antennen bedienen. MU-MIMO eignet sich daher besonders für Infrastrukturen, in denen mehrere Geräte parallel Datenströme empfangen wollen.

Warum eignet sich das Modulationsverfahren OFDM für WLAN?

In der WLAN-Technik wird am häufigsten das Modulationsverfahren Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) eingesetzt. Im Deutschen bedeutet der Begriff Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren.

(OFDM ist ein Verfahren, das in WLAN-Funknetzen, aber auch in Breitband-Funkübertragungssystemen eingesetzt wird, um in Umgebungen mit hohem Rauschen oder Fading trotzdem eine hohe Datenübertragung zu erreichen. Die Grundidee von OFDM besteht darin, das verfügbare Frequenzspektrum in viele schmale Subträger aufzuteilen, die jeweils mit einer geringeren Datenrate übertragen werden können.

Diese Subträger sind orthogonal zueinander, was bedeutet, dass sie sich nicht gegenseitig stören, selbst wenn sie im gleichen Frequenzband übertragen werden. Durch die Verwendung vieler Unterträger können die Daten effizient übertragen werden, da die Bandbreite jedes Unterträgers reduziert wird, was zu einer geringeren Anfälligkeit für Interferenzen und einer höheren Robustheit gegenüber Störungen führt. Daher ist das OFDM-Modulationsverfahren robust gegenüber Mehrwegeausbreitung, kann hohe Datenraten übertragen, reduziert Interferenzen, ist flexibel in Bezug auf verschiedene Kanäle und interoperabel in Bezug auf Geräte.

Richtfunk mit paarweise ausgerichteten Antennen

WLAN sendet kilometerweit? Ist das überhaupt möglich? Auch beim Richtfunk ist die freie Sichtverbindung von großer Bedeutung, weshalb Richtfunkantennen häufig auf Masten oder erhöhten Punkten von Gebäuden montiert werden. Oberhalb und unterhalb der direkten Sichtlinie dürfen sich keine abschirmenden Objekte in der Nähe befinden.

WLAN mit Richtfunkantennen basiert auf paarweise ausgerichteten Antennen. Im Wesentlichen ermöglichen Richtfunkantennen eine gezielte und fokussierte Übertragung von WLAN-Signalen in eine bestimmte Richtung, im Gegensatz zu Rundstrahlantennen, die Signale gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlen. Die kilometerweite Übertragung von WLAN-Signalen hängt also mit der Antennentechnik zusammen, indem Richtfunkantennen die elektromagnetische Energie noch stärker in eine bestimmte Richtung abstrahlen. Das funktioniert in beide Richtungen, so dass die Signale auch über viele Kilometer noch schwach hörbar sind. Da die Richtantenne genau in eine Richtung sendet, ist sie zudem unempfindlich gegen Störsignale. Auch über große Entfernungen können so Datenübertragungsraten von mehreren 100 Mbit/s erreicht werden.

Der Einsatz von WLAN mit Richtantennen erfordert die Auswahl und Installation geeigneter Antennentypen wie Sektorantennen, Parabolantennen (Satellitenschüsseln) oder Yagi-Antennen, die eine hohe Richtwirkung und Bündelung aufweisen. Diese Antennen müssen genau ausgerichtet werden, um eine optimale Signalübertragung zu gewährleisten, indem sie in die Richtung zeigen, in die die Verbindung hergestellt werden soll.

Diese Technologie wird typischerweise für zwei Hauptanwendungen eingesetzt: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen. Bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wird eine direkte Verbindung zwischen zwei Standorten hergestellt, wobei an jedem Ende eine Richtfunkantenne installiert wird und die Antennen genau aufeinander ausgerichtet sind. Bei Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen hingegen sendet eine zentrale Antenne Signale an mehrere entfernte Standorte.

Durch den Einsatz von Richtfunkantennen können WLAN-Verbindungen über größere Entfernungen hergestellt und die Leistung in bestimmte Richtungen verbessert werden. Dies ist besonders nützlich in Umgebungen mit hohen Anforderungen an die Reichweite oder in städtischen Gebieten mit vielen Interferenzen. WLANs mit Richtfunkantennen werden häufig in Telekommunikationsnetzen, bei Internet Service Providern, in Unternehmen und an öffentlichen WLAN-Hotspots eingesetzt, um drahtlose Netzwerkverbindungen mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit bereitzustellen.

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