Deutsch
Menü

Wi-Fi vs. Bluetooth vs. LPWA: Reichweite, Datenrate, Stromverbrauch, Frequenz und Einsatz

Alle drei verbinden Geräte per Funk, gewichten Reichweite, Geschwindigkeit und Stromverbrauch aber unterschiedlich. Wi-Fi ist das WLAN nach IEEE 802.11, das PCs und Smartphones schnell mit dem Internet verbindet. Bluetooth verbindet Ohrhörer, Tastaturen, Wearables und ähnliche Geräte direkt über kurze Entfernungen von einigen Metern bis einigen zehn Metern, und seine stromsparende Variante BLE (Bluetooth Low Energy) wird auch in Sensoren mit Knopfzellen eingesetzt. LPWA ist der Sammelbegriff für IoT-Funknetze, die auf Geschwindigkeit verzichten, um Entfernungen von mehreren Kilometern oder mehr bei einer Batterielebensdauer von Jahren zu erreichen.

MerkmalWi-FiBluetoothLPWA
StandardsIEEE 802.11 (zertifiziert von der Wi-Fi Alliance)Von der Bluetooth SIG spezifiziert; umfasst das klassische BR/EDR und das stromsparende BLE (Bluetooth Low Energy)Ein Sammelbegriff: LoRaWAN u. a. in lizenzfreien Bändern sowie LTE-M, NB-IoT u. a. in Mobilfunkbändern
Frequenzbänder2,4-GHz- und 5-GHz-Band (ab Wi-Fi 6E auch das 6-GHz-Band)2,4-GHz-BandVor allem Sub-GHz-Bänder (in Japan das 920-MHz-Band) oder Mobilfunkbänder
Typische ReichweiteEinige zehn Meter in InnenräumenEinige Meter bis einige zehn Meter (mit manchen Sendeleistungen und Modi über 100 m)Einige Kilometer bis über zehn Kilometer (je nach Sichtverbindung und Umgebung)
Typische DatenrateEinige zehn Mbps bis mehrere Gbps (je nach Generation und Bedingungen)Bis 1 bis 2 Mbps bei BLE (der tatsächliche Durchsatz ist geringer); bis 3 Mbps bei BR/EDREinige hundert bps bis einige hundert kbps (bei LTE-M bis etwa 1 Mbps)
StromverbrauchHoch; geeignet für Geräte am Netz oder häufig aufgeladene GeräteMittel bei BR/EDR; BLE kommuniziert nur kurz und schläft dann, sodass manche Geräte monate- bis jahrelang mit einer Knopfzelle laufenSehr gering; bei wenig zu sendenden Daten sind einige Jahre bis etwa 10 Jahre mit einer Batterie typisch
TopologieStern um einen Access Point, der mit dem LAN und dem Internet verbunden istDirekte Eins-zu-eins- oder Eins-zu-viele-Verbindungen mit einem Smartphone o. Ä.; außerdem Beacons per Advertising und MeshStern von den Endgeräten zu Basisstationen (Gateways); kleine Datenmengen, hauptsächlich von den Geräten zur Cloud
Nutzung des FunkkanalsVor allem OFDM (ab Wi-Fi 6 zusätzlich OFDMA) und MIMO; CSMA/CA koordiniert die Übertragungen, und RTS/CTS behandelt das Hidden-Station-ProblemFrequenzsprungverfahren (79 Kanäle mit 1 MHz Breite bei BR/EDR, 40 Kanäle mit 2 MHz Breite bei BLE)Senkt die Datenrate, sodass auch Signale nahe dem Rauschpegel noch empfangen werden (Chirp-Spreizspektrum bei LoRa, Schmalbandmodulation u. a.)
Lizenz und NetzzugangKeine Lizenz nötig; man installiert den Access Point selbstKeine Lizenz nötig; Geräte verbinden sich direktLoRaWAN u. a. brauchen keine Lizenz, und man kann eigene Gateways installieren; LTE-M und NB-IoT nutzen das Netz eines Mobilfunkbetreibers per Vertrag
Typischer EinsatzInternetzugang für PCs und Smartphones, Videostreaming, Vernetzung von Haushaltsgeräten und KamerasKabellose Ohrhörer, Tastaturen und Mäuse, Smartwatches, Beacons, GesundheitsgeräteAblesen von Strom-, Gas- und Wasserzählern, Sensoren in der Landwirtschaft und an Anlagen, Ortung von Gegenständen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Wi-Fi
Wenn große Datenmengen schnell übertragen werden müssen oder Geräte sich direkt mit dem Internet verbinden sollen. Geeignet für Geräte am Netz oder Geräte, die aufgeladen werden.
Bluetooth
Zum Anschließen von Peripheriegeräten direkt neben einem Smartphone oder PC. Für Sensoren und Wearables, die lange mit Batterie laufen sollen, nimmt man BLE.
LPWA
Wenn kleine Datenmengen von Orten ohne Stromanschluss über große Entfernungen jahrelang mit Batterie gesendet werden sollen. Für Echtzeitsteuerung oder die Übertragung von Bildern und Videos ist es nicht geeignet.

Häufige Fragen

Stören sich Wi-Fi und Bluetooth im 2,4-GHz-Band gegenseitig?

Sie teilen sich das 2,4-GHz-Band und können sich daher stören. Bluetooth verringert den Einfluss durch das Frequenzsprungverfahren, das die Frequenz ständig wechselt, und durch adaptives Frequenzspringen, das belegte Kanäle meidet. Nutzt man Wi-Fi im 5-GHz-Band, umgeht man die Überlastung des 2,4-GHz-Bands. Auch Mikrowellenherde strahlen im 2,4-GHz-Band ab, daher kann die Kommunikation in ihrer Nähe gestört werden.

Warum erreicht LPWA mit so wenig Leistung so große Entfernungen?

Es senkt die Datenrate stark, um die Energie pro Bit zu erhöhen, und verengt die Empfangsbandbreite, um das Rauschen zu verringern, sodass auch schwache Signale noch empfangen werden. Zudem hat ein Sub-GHz-Band wie das 920-MHz-Band in Japan bei Antennen gleichen Gewinns etwa 8 dB weniger Freiraumdämpfung als das 2,4-GHz-Band und wird leichter um Gebäude gebeugt. Der Stromverbrauch ist gering, weil die Geräte wenig Daten senden und fast die ganze Zeit schlafen.

Wie unterscheidet sich BLE vom klassischen Bluetooth?

BLE senkt den Stromverbrauch, indem es die Kommunikation sehr kurz hält und die Schaltungen in der übrigen Zeit abschaltet; das passt zu Sensoren und Beacons, die kleine Datenmengen in Abständen senden. Klassisches Bluetooth (BR/EDR) wurde für kontinuierliche Datenströme wie Audio verwendet. Beide nutzen das 2,4-GHz-Band, doch ihre Verfahren unterscheiden sich, sodass sie nicht direkt miteinander kommunizieren können (manche Geräte unterstützen beides).

Wie entsprechen die Namen der Wi-Fi-Standards den Generationsbezeichnungen?

IEEE 802.11n heißt Wi-Fi 4, 802.11ac Wi-Fi 5 und 802.11ax Wi-Fi 6; 802.11ax, erweitert auf das 6-GHz-Band, ist Wi-Fi 6E. 802.11ac nutzt nur das 5-GHz-Band, die Standards 802.11n und 802.11ax nutzen sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band.

Verständnis prüfen

Sende- und Empfangsantenne haben einen Gewinn von 0 dBi. Welcher Wert liegt der Freiraumdämpfung am nächsten, wenn sich eine Funkwelle mit 2,4 GHz (Wellenlänge 0,125 m) 100 m weit im freien Raum ausbreitet?

  1. A40 dB
  2. B60 dB
  3. C80 dB
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. 80 dB

Die Freiraumdämpfung gibt an, wie stark die Leistung zwischen isotropen Antennen abnimmt, weil sie sich mit der Entfernung kugelförmig ausbreitet; sie beträgt L = (4πd/λ)². Mit d = 100 m und λ = 0,125 m ist 4πd/λ ≈ 1,0×10⁴, also L = 20·log₁₀(1,0×10⁴) ≈ 80 dB. In dB wächst die Dämpfung bei jeder Verdopplung der Entfernung um etwa 6 dB und bei jeder Verzehnfachung um 20 dB. Nach dieser Formel ist die Dämpfung bei gleicher Entfernung umso größer, je höher die Frequenz (je kürzer die Wellenlänge) ist.

Welches Frequenzband nutzt ein WLAN nach IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)?

  1. ANur das 2,4-GHz-Band
  2. BSowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band
  3. CNur das 5-GHz-Band
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Nur das 5-GHz-Band

Jeder Standard der Reihe IEEE 802.11 legt fest, welche Frequenzbänder er nutzt. IEEE 802.11b und IEEE 802.11g nutzen das 2,4-GHz-Band, IEEE 802.11a und IEEE 802.11ac das 5-GHz-Band, und IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) und IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) nutzen sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Band. Die Erweiterung von IEEE 802.11ax auf das 6-GHz-Band heißt Wi-Fi 6E. Auch an einem Access Point, der 2,4 GHz und 5 GHz unterstützt, findet die Kommunikation nach IEEE 802.11ac nur auf der 5-GHz-Seite statt.

Welche Beschreibung des RTS/CTS-Mechanismus, mit dem das Hidden-Station-Problem im WLAN entschärft wird, trifft zu?

  1. AEine Station, die senden möchte, schickt eine Sendeanfrage (RTS), und der Access Point antwortet mit einer Sendefreigabe (CTS); Stationen in der Umgebung, die das CTS empfangen, verzichten für die Dauer dieser Übertragung auf das Senden
  2. BEine Station überwacht beim Senden das empfangene Signal und bricht sofort ab, wenn sie eine Kollision erkennt
  3. CAlle Stationen senden mit maximaler Leistung, damit ihre Signale einander erreichen
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Eine Station, die senden möchte, schickt eine Sendeanfrage (RTS), und der Access Point antwortet mit einer Sendefreigabe (CTS); Stationen in der Umgebung, die das CTS empfangen, verzichten für die Dauer dieser Übertragung auf das Senden

Das Hidden-Station-Problem tritt auf, wenn die Signale zweier Stationen den Access Point erreichen, die Stationen einander aber wegen der Entfernung oder Hindernissen nicht empfangen können. Da keine die Übertragung der anderen bemerkt, halten beide den Kanal für frei, senden gleichzeitig und kollidieren am Access Point. Bei RTS/CTS steht im vom Access Point zurückgesendeten CTS, wie lange die Übertragung dauert, und Stationen, die das CTS empfangen, verzichten während dieser Zeit auf das Senden. Der RTS/CTS-Austausch kostet Effizienz; daher lässt er sich so einstellen, dass er nur beim Senden großer Frames verwendet wird.

  1. Welche Beschreibung von Bluetooth Low Energy (BLE) trifft zu?
  2. Welche Beschreibung der im IoT eingesetzten Funkkommunikation LPWA (Low Power Wide Area) trifft zu?
  3. Für thermisches Rauschen bei 290 K gelte eine Leistungsdichte von −174 dBm/Hz. Ein Empfänger hat eine Bandbreite von 1 MHz und ein Rauschmaß von 6 dB und benötigt zum Demodulieren ein S/N von 10 dB. Welcher Wert liegt der Empfindlichkeit (der kleinsten empfangbaren Signalleistung) am nächsten?

Übungsfragen zu Grundlagen der Funkkommunikation

Wichtige Begriffe erklärt

Wi-Fi
Gebräuchliche Bezeichnung für WLANs nach den Normen IEEE 802.11; der Name zeigt an, dass ein Gerät vom Industrieverband Wi-Fi Alliance zertifiziert ist. Genutzt werden vor allem die Bänder 2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz, und Geräte werden über Access Points mit einem LAN verbunden. Der Zugriff auf das Funkmedium wird mit CSMA/CA koordiniert; Geschwindigkeit und Effizienz steigern OFDM, MIMO und ab Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA. Die Verbindung wird mit WPA2 oder WPA3 verschlüsselt.
BLE (Bluetooth Low Energy)
Die Variante der Kurzstreckenfunktechnik Bluetooth im 2,4-GHz-Band, bei der eine geringe Leistungsaufnahme im Vordergrund steht. Weil die Kommunikationszeit sehr kurz gehalten und die Schaltungen in der übrigen Zeit abgeschaltet werden, laufen Geräte selbst mit Knopfzellen lange. Eingesetzt wird es in Beacons, die periodisch kurze Signale, sogenannte Advertisements, senden, sowie in Wearables, Sensoren und anderem. Mit klassischem Bluetooth (BR/EDR) kann es nicht direkt kommunizieren.
LPWA (Low Power Wide Area)
Ein Sammelbegriff für Funkkommunikation, die kleine Datenmengen wie Sensorwerte von batteriebetriebenen Geräten mit jahrelanger Laufzeit über mehrere Kilometer oder mehr senden soll. Eine niedrig gehaltene Datenrate ermöglicht den Empfang auch schwacher Signale und vergrößert so die Reichweite. Einige Systeme wie LoRaWAN nutzen lizenzfreie Bänder (in Japan etwa das 920-MHz-Band), andere wie LTE-M und NB-IoT nutzen Mobilfunkbänder.
OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)
Ein Verfahren, das die Daten auf viele zueinander orthogonale Unterträger aufteilt, jeden mit niedriger Symbolrate moduliert und sie parallel sendet. Weil der Unterträgerabstand gleich dem Kehrwert der Symboldauer ist, lassen sich die Unterträger trotz überlappender Spektren ohne gegenseitige Störung trennen. Es ist robust gegen Mehrwegeausbreitung und wird in WLAN, 4G LTE, 5G NR, beim digitalen terrestrischen Rundfunk und anderswo eingesetzt.
Hidden-Station-Problem
Ein Problem im WLAN, das auftritt, wenn die Signale zweier Stationen den Access Point erreichen, die Stationen einander aber wegen der Entfernung oder Hindernissen nicht empfangen können. Da keine die Übertragung der anderen bemerkt, senden beide gleichzeitig und kollidieren am Access Point. Entschärft wird es durch RTS/CTS, bei dem das vom Access Point zurückgesendete CTS die Stationen in der Umgebung vom Senden abhält.
Freiraumdämpfung
Das Maß, in dem die Leistung von Funkwellen zwischen isotropen Antennen im freien Raum ohne Hindernisse und Reflexionen abnimmt, weil sie sich mit der Entfernung kugelförmig ausbreitet. Sie beträgt L = (4πd/λ)² und wächst in dB bei jeder Verdopplung der Entfernung um etwa 6 dB und bei jeder Verzehnfachung um 20 dB. In Link-Budget-Rechnungen dient sie als Bezugswert für die Ausbreitungsdämpfung.
Link-Budget
Eine Rechnung, die Gewinne und Verluste von der Sendeleistung bis zur Empfangsleistung aufsummiert, um die am Empfänger ankommende Leistung und die Reserve gegenüber der für den Empfang nötigen Leistung (der Empfindlichkeit) abzuschätzen. Sie wird in dB und dBm durchgeführt, indem Terme wie Sendeleistung + Antennengewinne − Ausbreitungsdämpfung − Kabelverluste addiert und subtrahiert werden. Dasselbe Vorgehen wird außer im Funk auch für das Leistungsbudget in der optischen Kommunikation verwendet.

Verwandte Vergleiche