2,4 vs. 5 GHz: Die Wissenschaft hinter Konnektivitätsproblemen bei IoT-Geräten

WiFi hat seit seiner Geburt vor 26 Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Anfangs unterstützte es dürftige 2 Mbit/s bei 2,4 GHz. Die Technologie entwickelt sich weiter und heute sind schätzungsweise 18 Milliarden WLAN-fähige Geräte im Einsatz und über 4 Milliarden neue Geräte werden jährlich ausgeliefert.

Neue Funktionen und Frequenzbänder wurden hinzugefügt, zuletzt das 6-GHz-Band, das eine maximale Verbindungsgeschwindigkeit von 9,6 Gbit/s unterstützt. Das ist das 48.000-fache der ursprünglichen Geschwindigkeit von 1997.

Je schneller desto besser, oder? Dennoch ist 2,4 GHz auch heute noch das beliebteste Band, und die meisten Smart-Home-Produkte unterstützen nur 2,4 GHz. Um zu verstehen, warum, lassen Sie uns die Wissenschaft hinter den Bands erkunden. Da sich 6-GHz-Produkte noch im Anfangsstadium der kommerziellen Verfügbarkeit befinden, konzentrieren wir uns auf den Vergleich von 2,4 und 5 GHz.

Zweifellos überträgt das 5-GHz-Band viel mehr drahtlosen Datenverkehr. Das wird deutlich, wenn man sich die obige Grafik ansieht. Für die Videoübertragung einer Überwachungskamera mag die Geschwindigkeit wichtig sein, aber die Reichweite kann der entscheidende Faktor für einen intelligenten Garagentoröffner sein, der weit vom Router entfernt ist. Der Vorteil von 2,4 GHz besteht in der größeren Reichweite und besseren Abdeckung.

Der Grund dafür ist, dass niedrigere Funkfrequenzen Wände und Möbel besser durchdringen als höhere. Beispielsweise fällt ein 2,4-GHz-Signal um 70 Prozent ab, wenn es durch eine Trockenbauwand geht, verglichen mit 90 Prozent bei 5 GHz. Bei einer Mauer beträgt der Rückgang 63 Prozent bei 2,4 GHz und 83 Prozent bei 5 GHz.

Niedrigere Frequenzen haben auch längere Wellenlängen, wodurch sie sich leichter um Objekte herum biegen können. Das bedeutet weniger Funklöcher im WLAN und eine bessere Abdeckung im Zuhause.

Ein weiterer Vorteil von 2,4 GHz besteht darin, dass es sich um das ursprüngliche Band handelt. Die Abwärtskompatibilität wurde durch sukzessive Iterationen von WiFi aufrechterhalten und aufgrund seiner langen Geschichte und der daraus resultierenden Skaleneffekte sind 2,4-GHz-Chipsätze und -Module kostengünstiger als 5-GHz-Chipsätze. Wenn Sie Produktmanager eines Smart-Home-Produkts sind, ist das oft eine Selbstverständlichkeit.

Allerdings ist das 2,4-GHz-Band ein überfüllter Bereich, der nicht nur von WLAN, sondern auch von Bluetooth-Geräten und Mikrowellenherden genutzt wird. Es kommt häufig zu Überlastungen und Störungen, was zu Verbindungsproblemen bei Smart-Home-Produkten führt – was zu Problemen beim technischen Support und einer schlechten Markenwahrnehmung führen kann.

Ein WiFi-Frequenzband ist in Kanäle unterteilt, ähnlich wie Fernsehkanäle im UHF/VHF-Band und Radiosender im AM/FM-Band. In den USA und Kanada sind die WLAN-Kanäle 1–11 weit verbreitet, 12–13 sind eingeschränkt und 14 wird nicht verwendet.

Ein wichtiger Punkt aus der obigen Abbildung ist, dass 2,4-GHz-Kanäle einander überlappen. Ein Netzwerk, das auf Kanal 1 betrieben wird, sendet und empfängt Daten auf einigen der gleichen Frequenzen wie ein Netzwerk auf Kanal 3.

Sie werden sich bis zu einem gewissen Grad gegenseitig stören. Störungen verringern die Qualität des drahtlosen Signals, wodurch die Reichweite, Bandbreite und Leistung des Netzwerks verringert werden.

Schlimmer noch: Die meisten Router verwenden standardmäßig die Kanäle 1, 6 oder 11 (in der Abbildung oben blau dargestellt). Dies liegt daran, dass sie sich nicht überlappen und sich daher nicht gegenseitig stören. Aber in einem großen Mehrfamilienhaus oder einer Eigentumswohnung könnten Sie problemlos von zehn oder mehr WLAN-Netzwerken abgedeckt sein.

Denken Sie daran, dass 2,4 GHz eine größere Reichweite hat, sodass das WLAN eines Nachbarn Ihr Zuhause eher abdeckt. Einige von ihnen werden den Kanal wie Sie nutzen, da es nur drei nicht überlappende Kanäle gibt, die umgangen werden müssen.

Im Vergleich dazu verfügt das 5-GHz-Band über 21 nicht überlappende Kanäle, sodass die Wahrscheinlichkeit von Störungen viel geringer ist.

Wenn auf Ihrem Kanal viel Datenverkehr herrscht und alles langsamer wird, spricht man von einer Überlastung. WLAN ist ein gemeinsam genutztes Medium, das heißt, wenn ein Gerät spricht, kann kein anderes dies tun. Je ausgelasteter der Kanal ist, desto schwieriger ist es, einen Gesprächsplatz zu bekommen, was zu schlechter Qualität oder stockenden Videos und sogar zu Datenverlusten führt.

Darüber hinaus kommunizieren intelligente Geräte mit einer geringeren WLAN-Signalstärke oder -qualität – beispielsweise solche am Rand der Netzwerkabdeckung oder -reichweite – langsamer als Geräte in der Nähe des Routers und verbrauchen effektiv mehr Bandbreite. Es ist möglich, dass Ihr Heimnetzwerk Videos an zwei Geräte streamen kann, die sich in der Nähe des Routers befinden, aber nur an ein Gerät, das sich am Rande der Abdeckung befindet.

Im Allgemeinen gilt: Je mehr Geräte und Datenverkehr in Ihrem Netzwerk vorhanden sind, desto größer ist die Überlastung. Intelligente Produkte wie Glühbirnen und Rasensprinkler verbrauchen nicht viel Bandbreite, es kann jedoch zu Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten kommen. Produkte, die Videos streamen, werden am stärksten betroffen sein, insbesondere wenn die ganze Familie zu Hause und aktiv ist.

Überlastung ist ein zeitweise auftretendes Problem, das von der gesamten Netzwerknutzung und der Platzierung von WLAN-Routern und Repeatern/Extendern abhängt und ein schwierig zu behebendes Problem sein kann.

Um die Überlastung im 2,4-GHz-Band zu verringern, versuchen viele Router und Mesh-WLAN-Systeme heutzutage, Geräte so zu steuern, dass sie stattdessen eine Verbindung im 5-GHz-Band herstellen. Bei Smart-Home-Produkten, die nur 2,4 GHz nutzen, kann dies problematisch sein.

Band Steering ist nicht Teil des WLAN-Standards, daher macht es jeder Hersteller anders, was die Fehlerbehebung erschwert. Viele der neueren Mesh-Systeme stellen ein zusammengeführtes Netzwerk mit einer einzigen Netzwerk-ID dar, was eine Aufteilung in separate 2,4- und 5-GHz-Netzwerke unmöglich macht.

Konnektivitätsprobleme bei Smart-Home-Produkten sind oft komplex, nicht nur aufgrund von Problemen mit dem 2,4/5-GHz-Band, sondern auch, weil sich die WLAN-Umgebung ständig ändert. Neue Geräte werden hinzugefügt, alte Geräte ersetzt und ein Video-Streaming-Abonnement auf 4K aktualisiert.

Verkehrsmuster ändern sich. Das gilt nur für Ihr eigenes Zuhause – wie steht es mit Ihren Nachbarn, deren Geräte und Nutzung sich auf Ihre auswirken können? In Verbindung zu bleiben ist eine Sache, in Verbindung zu bleiben eine andere.