Technische Kniffe beim Gigabit-WLAN

Details des WLAN-Standards IEEE 802.11ac

Praxis & Tipps | Praxis

Statt 600 MBit/s markieren demnächst 6900 MBit/s das Ende der WLAN-Fahnenstange. Die Verelffachung konnten die Entwickler des IEEE-Standards 802.11ac durch lineares Fortschreiben etablierter Techniken erreichen. Obendrein haben sie ein paar raffinierte Erweiterungen in den Standard gepflanzt.

Technische Kniffe beim Gigabit-WLAN

Eine echte Revolution beim WLAN gab es zuletzt anno 2005, als die ersten Geräte erschienen, die die sonst schädlichen Reflexionen in Gebäuden nutzbringend einsetzen. Mit mehreren parallel im selben Frequenzblock funkenden Antennen (MIMO, Multiple Input, Multiple Output) kann man damit nämlich mehrere räumliche Datenströme (Spatial Streams) gleichzeitig übertragen und so den Durchsatz hochtreiben.

Inzwischen hat sich die MIMO-Technik etabliert. Aktuelle Basen – Access Points, auch integriert in Router – schaffen mit drei Antennen bis zu 450 MBit/s brutto, vorgesehen sind sogar 4 Antennen und 600 MBit/s. Der zugehörige Standard 802.11n wurde erst im September 2009 – vier Jahre nach Erscheinen erster Produkte – ratifiziert. Er ist inzwischen in den aktuellen Basisstandard IEEE 802.11-2012 integriert.

Mit der Ergänzung IEEE 802.11ac soll der Durchsatz auf dem Funkkanal nun drastisch steigen, und zwar optional bis auf 6933 MBit/s. Das erreicht 11ac aber nicht mit einer neuen Revolution, sondern durch Weiterdrehen der drei Stellschrauben Kanalbreite, Modulation und MIMO-Streams.

Der erste, simple Trick bringt den größten Durchsatzgewinn. Er besteht in der nochmaligen Verbreiterung des verwendeten Funkkanals: Während die älteren WLAN-Standards 802.11b und 11g sich mit 20 MHz begnügten, belegt 11n wahlweise schon einen 40-MHz-Block aus dem Funkspektrum. 11ac verdoppelt dies auf 80 MHz und kann optional sogar 160 MHz nutzen.

Das klappt aber nur in dem für solche Anwendungen freigegebenen Spektrum bei 5 GHz. Denn nur hier stehen hinreichend große, zusammenhängende Frequenzblöcke zur Verfügung. In der EU sind mit bestimmten Auflagen – dazu gleich mehr – zwei Bereiche nutzbar: 5150 bis 5350 MHz (Kanal 36 bis 64) und 5470 bis 5725 MHz (Kanal 100 bis 140). In anderen Weltregionen liegen die Grenzen eventuell etwas anders, aber stets ist genug Platz für ein oder mehrere parallel funkende 11ac-WLANs. Falls die einzelnen Blöcke nicht groß genug für die Extrabreitspur 160 MHz sind, kann 11ac optional auch mit 2 spektral getrennten 80-MHz-Kanälen laufen (Discontiguous Mode).

IEEE 802.11ac belegt im 5-GHz-Band bis zu 160 MHz breite Kanäle, was in diesem bislang weitgehend freien Funkbereich absehbar zu Gedränge führen wird. Richtig viel Platz wird der Zimmerfunker 802.11ad bekommen: In Europa sind vier 2000 MHz breite Funkkanäle bei 60 GHz erlaubt.
IEEE 802.11ac belegt im 5-GHz-Band bis zu 160 MHz breite Kanäle, was in diesem bislang weitgehend freien Funkbereich absehbar zu Gedränge führen wird. Richtig viel Platz wird der Zimmerfunker 802.11ad bekommen: In Europa sind vier 2000 MHz breite Funkkanäle bei 60 GHz erlaubt.

Damit das ganze 5-GHz-Band nutzbar wird, müssen WLAN-Geräte zwei Techniken beherrschen, die Störungen anderer Funksysteme minimieren: Mit DFS (Dynamic Frequency Selection) soll eine WLAN-Basis unter anderem Radarsysteme – insbesondere Wetterradare bei 5,6 GHz – erkennen und ihnen durch Wechsel auf andere Kanäle ausweichen. Mit TPC (Transmit Power Control) steuern WLAN-Stationen ihre Sendeleistung dynamisch, schicken also beispielsweise Daten an Gegenstellen mit guter Funkverbindung mit reduzierter Leistung. Geräte, die DFS und TPC nicht beherrschen, dürfen hierzulande nur den 80-MHz-Frequenzblock 5150 bis 5250 MHz (Kanal 36 bis 48) nutzen. Das wird absehbar zu Nachbarschafts-Problemen führen, weswegen DFS und TPC essenziell für sinnvollen 11ac-Einsatz sind.

Der Übergang auf die höheren Frequenzen zieht ferner nach sich, dass 11ac-fähige WLAN-Router ein zweites Funkmodul mitbringen sollten, das ältere 11g/11n-Clients – unter anderem die meisten Smartphones und Tablets – bei 2,4 GHz bedient. Das war bei den in c't 19/2012 getesteten Routern der Fall; sie liefern im 2,4-GHz-Band bis zu 450 MBit/s brutto.

Wie seine Vorgänger 11a, 11g und 11n sowie etliche andere Digitalfunksysteme – etwa DVB-S/T oder Tetra – verwendet 11ac das Übertragungsverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Es nutzt mit zahlreichen, individuell modulierten Subträgern das Funkspektrum besonders effizient.

802.11n kodiert mit 64-stufiger Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM64) maximal 6 Bit pro Übertragungsschritt. Bei jedem Schritt muss das Empfangssignal die I/Q-Koordinate mit minimalem Fehler treffen. 802.11ac nutzt gar QAM256 mit 8 Bit pro Schritt, was ein 16-fach besseres Signal – 12 dB höheres Signal-Stör-Verhältnis – voraussetzt und weniger Raum für Abweichungen lässt.
802.11n kodiert mit 64-stufiger Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM64) maximal 6 Bit pro Übertragungsschritt. Bei jedem Schritt muss das Empfangssignal die I/Q-Koordinate mit minimalem Fehler treffen. 802.11ac nutzt gar QAM256 mit 8 Bit pro Schritt, was ein 16-fach besseres Signal – 12 dB höheres Signal-Stör-Verhältnis – voraussetzt und weniger Raum für Abweichungen lässt.

Im zweiten Kniff zur Durchsatzsteigerung führt 11ac mit QAM256 (Quadratur-Amplituden-Modulation mit 256 Stufen, auch als 256QAM bezeichnet) nun eine höherwertigere Modulation ein. QAM256 transportiert pro Übertragungsschritt 8 Bit, während die bei 11n maximal verwendetete QAM64 lediglich 6 Bit trägt. Da die Schrittrate konstant bleibt, steigt der Durchsatz mit QAM256 also um 33 Prozent.

Je nach Signalqualität verwendet 11ac wie seine Vorgänger eines von mehreren Kodierschemata (MCS, Modulation and Coding Scheme): Die robusteste Version MCS 0 transportiert 6,5 MBit/s brutto, wenn man einen räumlichen Datenstrom über einen 20-MHz-Kanal bei regulärem Guard-Intervall (GI, zeitlicher Schutzabstand zwischen WLAN-Frames) von 800 µs schickt.

Mit breiteren Kanälen, verkürztem GI und – bei hinreichend guter Funkverbindung – höheren MCS bis 7 klettert wie bisher die Bruttorate. Gegenüber 11n kommen nun mit MCS 8 und 9 zwei neue MCS-Stufen hinzu, die bei exzellenter Funkverbindung QAM256 anwenden. Dann liegt der maximale Bruttodurchsatz für einen MIMO-Stream bei 866,7 MBit/s.

Technische Kniffe beim Gigabit-WLAN

Wer nun für ein 11ac-System mit drei MIMO-Streams vom aktuell schnellsten 11n-WLAN mit 450 MBit/s brutto hochrechnet, kommt durch den doppelt breiten Funkkanal und die 8/6 Bit/Schritt von QAM256 zu QAM64 nur auf 1200 MBit/s. Die restlichen 100 MBit/s gewinnt 11ac, weil es weniger der keine Daten tragenden OFDM-Pilottöne verwendet (8 statt hochgerechneter 12). So kann 11ac auf seinem 80-MHz-Kanal mit 234 Datenträgern etwas mehr als das Doppelte von 11n (108 Träger) nutzen.

Als dritten Schritt für höhere Datenraten sieht 802.11ac bis zu acht MIMO-Streams vor statt maximal vier wie bei 802.11n. Allerdings werden wahrscheinlich kaum Geräte auf den Markt kommen, die mehr als drei oder vier Streams nutzen.

Schon bei 11n sind 4-Stream-Geräte eine Rarität, weil der relative Durchsatzgewinn (3/2: +50 Prozent, 4/3: +33 Prozent, 5/4: +25 Prozent) bei jedem weiteren MIMO-Stream sinkt, während der Hardware-Aufwand (Sender/Empfänger-Bausteine, Antennen) linear steigt.

Obendrein klettert auch der Rechenaufwand zur Signaltrennung, und das ungünstigerweise sogar im Quadrat der Stream-Anzahl, was zunehmend potentere Rechenkerne bedingt und damit tendenziell mehr Energieumsatz im WLAN-Chip nach sich zieht.

Sinnvoll könnten vier und mehr Antennen trotzdem werden, und zwar bei Basisstationen, die Daten an mehrere Clients gleichzeitig senden müssen. 11ac sieht dafür die Erweiterung Multi-User-MIMO (MU-MIMO) vor. Dabei würden beispielsweise zwei Antennen für einen Stream genutzt, um Client A per Beamforming (siehe unten) gezielt zu versorgen, während zwei weitere Antennen gleichermaßen Client B mit einem anderen Stream bedienen. Damit das klappt, müssen auch die Clients MU-MIMO verstehen.

Ein typischer Einsatzfall für Downlink-MU-MIMO könnten per Multicast gesendete Videostreams werden: Die muss ein Access Point dann nicht als bandbreitenfressende, langsame Broadcasts senden, sondern kann sie als schnelle, parallele Unicasts abschicken.

Beamforming war zwar auch schon bei 11n als optionale Technik definiert. Der Standard ließ den Herstellern aber so viele Freiheiten bei der Umsetzung, dass Beamforming selten markenübergreifend funktionierte. Deshalb wird es in 11ac nun genauer spezifiziert.

Im Unterschied zu MIMO sendet eine Basis beim Beamforming nicht verschiedene Signale über die Antennen, sondern dasselbe, aber mit einem zeitlichen Versatz (Phased Array). Dadurch entsteht eine Richtwirkung, die die Sendeenergie auf die Gegenstelle fokussiert. Die Funkverbindung wird besser und erlaubt höhere Modulationsstufen und damit mehr Durchsatz.

Als Mindestanforderung definiert der dritte Entwurf des 11ac-Standards Unterstützung für 3 Kanalbreiten (20, 40, 80 MHz) und 8 Modulationen (MCS 0 bis 7) mit Binary Convolutional Coding (Vorwärtsfehlerkorrektur). Alles Weitere – höhere Modulation, mehrere MIMO-Streams, verkürztes GI – ist optional. Ein Gerät darf sich also schon 11ac-kompatibel nennen, wenn es maximal 293 MBit/s brutto transportiert.

Das kann beispielsweise bei Smartphones Sinn ergeben, die typischerweise nicht genug Platz haben, um mehrere WLAN-Antennen unterzubringen. Mit einer Antenne sind sie auf 11ac-Modi mit einem MIMO-Stream – genauer SISO: Single Input, Single Output – festgelegt. Dennoch könnten künftige 11ac-Smartphones mit einem 160-MHz-Kanal und QAM256 maximal 867 MBit/s brutto erreichen, also eine deutlich höhere Bruttorate als heute üblich (typisch 72 MBit/s).

Neben dem aktuellen Hype um 11ac tritt der parallel auf Kiel gelegte Standardentwurf IEEE 802.11ad ungerechtfertigterweise etwas in den Hintergrund. Er entstand aus der Spezifikation für „Wireless Gigabit“ (WiGig) für schnelle drahtlose Verbindungen zwischen digitalen Videosysteme, etwa dem TV-Gerät und einem Medienzuspieler.

11ad arbeitet simpler als 11ac, und zwar bei 60 GHz mit einem superbreiten Funkkanal, der 2000 MHz überstreicht, also das 12,5-fache dessen, was die breiteste 11ac-Variante nutzt. Dafür verzichtet 11ad auf MIMO mit räumlichen Datenströmen. Es nutzt stattdessen gesteuerte Antennenfelder, um per Beamforming die Gegenstelle gezielt anzupeilen.

Dass die Regulierungsbehörden bei 60 GHz so freigiebig waren und einen mehrere Gigahertz breiten Frequenzblock für 802.11ad und andere Gigabit-Funktechniken spendierten, liegt unter anderem an der hohen Absorption durch den atmosphärischen Sauerstoff bei dieser Frequenz: Das Signal schwindet durch O2 bei 60 GHz zusätzlich zur regulären Streckendämpfung um rund 20 dB pro Kilometer (Leistungsfaktor 100). Bei 50 beziehungsweise 70 GHz liegt die Gasdämpfung schon wieder unter 1 dB/km, und bei 5 GHz sind es nicht mal 0,01 dB/km. Wegen der erheblich höheren Material- und Streckendämpfung wird 11ad wohl ein reiner Zimmerfunker bleiben.

Die erste Welle von 11ac-Geräten wird sich auf dem Funkkanal mit 1300 MBit/s bescheiden, obwohl der Standard mehr hergibt. Der logische nächste Schritt dürften WLAN-Basen sein, die die optionalen 160-MHz-Kanäle unterstützen und damit 2600 MBit/s brutto erreichen.

Damit wird vorerst das Ende der Fahnenstange erreicht, denn der Nettodurchsatz dürfte dann – zumindest unter optimalen Bedingungen – deutlich über die 930 MBit/s klettern, die Gigabit-Ethernet per Kabel schafft. Dass die Hersteller von Routern für kleine Netze in naher Zukunft 10GBaseT für 10-Gigabit-Ethernet im LAN integrieren, steht nicht zu erwarten.

Aus den mageren 2 MBit/s der ersten WLAN-Generation sind inzwischen 1,3 GBit/s geworden. Wenn die Gerätehersteller mitspielen, verdoppelt sich die Datenrate bald nochmal.
Aus den mageren 2 MBit/s der ersten WLAN-Generation sind inzwischen 1,3 GBit/s geworden. Wenn die Gerätehersteller mitspielen, verdoppelt sich die Datenrate bald nochmal.

Mittelfristig dürfte sich die WLAN-Landschaft dreiteilen: 802.11n bei 2,4 GHz und 11n sowie 11ac auf 5 GHz werden wohl vorwiegend der Internet-Weiterverteilung und dem Streamen nieder- und mittelratiger Medien dienen (Musik, mehrere Standard-Definition-Videos, einzelne HD-Videos).

Der Transport größerer Datenklopse wie Backups oder Images verlagert sich zu 11ac bei 5 GHz oder gleich dem Patchkabel-Ersatz 802.11ad im 60-GHz-Band. Und Letzteres wird wohl auch der Spezialist fürs Streamen von HD- oder 3D-Videos im Wohnzimmer werden. (rek)

Kommentare

Kommentare lesen (40 Beiträge)