WLAN-Kollaps 2.0: Die tiefe Netzwerk-Physik

In einem WLAN senden Geräte nicht einfach drauflos. Sie nutzen ein Protokoll namens CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Die Grundregel lautet: „Erst lauschen, dann sprechen.“

Aber in einer großen Menschenmenge entsteht das sogenannte Hidden-Node-Problem. Stell dir vor, du stehst am linken Rand eines Festivals und sendest ein Signal an den Router in der Mitte. Jemand am rechten Rand tut exakt dasselbe. Ihr beide könnt den zentralen Router „hören“, aber aufgrund der Distanz oder Hindernisse könnt ihr einander nicht wahrnehmen.

Da ihr euch gegenseitig nicht hört, denkt ihr beide, der Kanal sei komplett frei. Eure Smartphones senden zeitgleich. Die Datenpakete kollidieren am Router und werden unlesbar.

Der Router schickt daraufhin keine Bestätigung (ACK-Frame). Beide Geräte warten eine zufällige Zeitspanne (Backoff-Timer) und senden blind erneut. Bei zehntausenden Smartphones eskaliert dieser Prozess exponentiell. Das Netzwerk bricht nicht wegen der schieren Datenmenge zusammen, sondern weil Mikrokollisionen die gesamte Airtime (Sendezeit) zerstören.

WLAN-Standards passen sich dynamisch an die jeweilige Signalqualität an. Bei perfektem Empfang nutzt dein Smartphone komplexe Verfahren wie 256-QAM oder 1024-QAM. Dabei werden viele Bits gleichzeitig in einer einzigen Welle kodiert – die Übertragung ist hocheffizient.

Wenn der Signal-Rausch-Abstand (SNR) in einer dicht gedrängten Menschenmenge sinkt, zwingt der Router die Geräte jedoch in einen Fallback. Sie wechseln auf extrem robuste, aber langsame Modulationen wie BPSK (Binary Phase Shift Keying), wo nur noch ein einziges Bit pro Symbol übertragen wird.

Das Fatale daran: Ein Gerät, das auf BPSK herabgestuft wurde, benötigt plötzlich ein Vielfaches an Airtime, um dieselbe winzige Textnachricht zu versenden. Das blockiert den gemeinsamen Funkkanal für alle anderen im selben Netz.

Selbst wenn du direkt neben dem Router stehst und perfekten Empfang hast, musst du warten, bis das stark herabgestufte Gerät endlich fertig ist. Die Airtime-Auslastung schießt auf 100 %, und das gesamte Netz steht still.

Um das Chaos in Menschenmengen zu bändigen, setzen High-End-Netzwerke auf MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und Beamforming. Der Router berechnet dabei winzige Phasenverschiebungen seiner Antennen, um einen fokussierten „Daten-Laserstrahl“ direkt zu deinem Smartphone zu schicken.

Das klingt nach der perfekten Lösung, hat aber einen massiven Haken: Um diese komplexen Strahlengänge zu berechnen, muss der Router ständig sogenannte Sounding Frames aussenden, um die physikalische Beschaffenheit der Umgebung exakt auszumessen.

In einer Menschenmenge bewegen sich jedoch tausende Körper, Hände und Smartphones ununterbrochen. Die physikalische Umgebung verändert sich schneller, als der Router die Mathematik dahinter aktualisieren kann.

Der Overhead für diese ständigen Neumessungen explodiert förmlich. Das System ist so stark damit beschäftigt, die Kanalzustandsinformationen abzufragen und die veränderten Positionen neu zu berechnen, dass es das Netz mit reinen Kontrolldaten verstopft, bevor überhaupt echte Nutzdaten fließen können.