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IEEE 802.11ac / Gigabit-WLAN

IEEE 802.11ac ist ein Funknetz-Standard, der manchmal als 5G Wifi bezeichnet wird. IEEE 802.11ac wurde im November 2013 als Standard verabschiedet. Es handelt sich um den fünften WLAN-Standard nach 802.11, 802.11b, 802.11g/11a und 802.11n.
IEEE 802.11ac sieht Übertragungsgeschwindigkeiten im Gigabit-Bereich vor. Genau genommen definiert der Standard eine maximale Datenrate von rechnerisch 6.936 MBit/s. Die Beschleunigung bei IEEE 802.11ac erfolgt durch die Optimierung des Übertragungsprotokolls, breitere Kanäle im Frequenzspektrum bei 5 GHz und bessere Modulationsverfahren. Da 802.11ac nur für 5 GHz spezifiziert ist gilt 802.11n weiterhin für 2,4 GHz und wird parallel genutzt.

Aktuelle WLAN-Standards im Vergleich

  IEEE 802.11n IEEE 802.11ac IEEE 802.11ad
Maximale Übertragungsrate 600 MBit/s 6.936 GBit/s 7 GBit/s
Maximale Reichweite 100 m 50 m 10 m
Frequenzband 2,4 + 5 GHz 5 GHz 60 GHz
Maximale Sende/Empfangseinheiten 4 x 4 8 x 8 1
Antennentechnik MIMO MU-MIMO Beamforming
Maximale Kanalbreite 40 MHz 160 MHz 2.000 MHz
Modulationsverfahren 64QAM 256QAM 64QAM

Technische Merkmale

IEEE 802.11ac bringt im Vergleich zum Vorgänger IEEE 802.11n keine wesentlichen Neuerungen. Statt dessen erreicht man die höhere Übertragungsrate durch breitere Übertragungskanäle (bis 160 MHz), mehr parallele Sende- und Empfangseinheiten (8 x 8), eine effizientere Modulation (256QAM) und Multi-User-MIMO. Ein weiterer Vorteil von 11ac ist die bessere Ausleuchtung.

Frequenzen und Kanäle

WLAN Frequenzbereich
Ein WLAN mit IEEE 802.11ac arbeitet im Funkspektrum von 5 GHz, für das es weltweit eine Allgemeinzuteilungen gibt. In der EU sind folgende Bereiche im 5-GHz-Frequenzband freigegeben.

In anderen Regionen auf der Welt sieht es anders aus. In der Regel dürfte genug Platz für mehrere parallel betriebene 11ac-WLANs sein.
Im Frequenzbereich von 5 GHz sieht die IEEE 802.11ac Kanalbreiten von 20, 40, 80 und 160 MHz vor. Die Kanalbreiten 20, 40 und 80 MHz sind die Mindestanforderungen von IEEE 802.11ac. Typischerweise wird eine Kanalbreite von 80 MHz verwendet. Die Kanalbreite 160 MHz ist optional und der Nutzen in der Praxis eher fraglich. Je breiter ein Kanal, desto weniger WLANs können parallel arbeiten. Ein Kanal mit 160 MHz würde fast das ganze verfügbare Frequenzspektrum belegen. Das wäre nur in Ausnahmefällen sinnvoll.

DFS - Dynamic Frequency Selection

Damit WLAN-Basisstationen in Europa und in vielen anderen Ländern im Freuquenzband um 5 GHz alle 19 Kanäle zu je 20 MHz oder mehr Breite nutzen dürfen, müssen sie die Signale anderer Funksysteme erkennen und durch Kanalwechsel ausweichen können. Ohne DFS (Dynamic Frequency Selection) und TPC (Transmit Power Control) dürfen WLAN-Geräte nur die untersten vier Kanäle 36 bis 48 (5.150 bis 5.250 MHz) verwenden, was einem 80-MHz-Frequenzblock (4 x 20-MHz-Kanäle) entspricht. In Europa ist das deshalb notwendig, um bspw. den Betrieb des regionalen Wetterradars auf den Kanälen Kanäle 120 bis 128 nicht zu stören.

DFS erkennt andere Funksysteme und weicht ihnen durch den Wechsel auf andere Kanäle aus. Mit TPC steuern die Access-Points ihre Sendeleistung dynamisch. So werden bei guter Funkverbindung die Daten mit geringerer Sendeleistung gesendet.
Leider ignorieren einige WLAN-Hersteller DFS und TPC und sparen sich die Zusatzkosten bei der Prüfung. Somit gibt es Geräte auf dem Markt, die nur unvollständig 5-GHz-fähig sind. Diese Geräte arbeiten nur auf den Kanälen 36 bis 48. Dabei ist DFS nichts neues. Es ist bereits in IEEE 802.11h enthalten. Ebenso bei IEEE 802.11n, das sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Band arbeiten kann.

Das Fehlen von DFS ist aus zwei Gründen ein Ärgernis. Wenn ein Router oder Access Point mit 802.11ac und einem breiten 80-MHz-Signal die Kanäle 36 bis 48 komplett belegt. Und dann ein Nachbar auch so einen Router verwendet, dann müssen sich beide WLAN-Betreiber diese Bandbreite teilen. Von schnellem WLAN kann dann keine Rede mehr sein.
Der zweite Knackpunkt betrifft WLAN-Clients und -Adapter, die den Bereich über Kanal 48 nicht nutzen können. Hat ein Access Point das WLAN auf einem höheren Kanal aufgebaut, dann kann ein Notebook oder Smartphone ohne DFS/TPC-Unterstützung keine Verbindung zu diesem Access Point aufbauen.

Modulationsverfahren 256QAM

Wie alle modernen Funksysteme nutzt IEEE 802.11ac OFDM, um den Frequenzbereich in zahlreiche, individuell modulierte Subträger zu unterteilen. Im besten Fall unterstützen die Geräte hochwertige Modulationsverfahren. Zum Beispiel 256QAM mit 256 Stufen. Das sind 8 Bit pro Übertragungsschritt. Im Vergleich dazu überträgt 64QAM nur 6 Bit pro Übertragungsschritt.

Bis zu 8 MIMO-Streams

MIMO sieht vor, mehrere Sende- und Empfangsantennen zu verwenden. Bei IEEE 802.11ac bis zu 8 Stück. Das bedeutet bis zu 8 gleichzeitige Datenströme. Mit jedem Datenstrom wird die Übertragungsrate erhöht.
Es ist jedoch kaum damit zu rechnen, dass Access-Points mit mehr als 3 oder 4 Datenströmen auf den Markt kommen. Der Datendurchsatz steigt mit jedem weiteren Datenstrom nicht zwangsläufig an. Dafür steigt der Hardware-Aufwand, die Anzahl der Antennen, der Rechenaufwand zur Signaltrennung und der Energieverbrauch. Insbesondere mobile Geräte müssen mit einem, höchstens zwei Datenströmen auskommen.

MU-MIMO - Multi-User-MIMO

IEEE 802.11ac sieht auch eine Erweiterung für Multi-User-MIMO (MU-MIMO) vor, bei der mehrere Antennen an unterschiedliche WLAN-Clients Daten senden. Sinnvoll sind hier vier oder mehr Antennen, bei Basisstationen, die mehrere Clients versorgen müssen. Mehrere Antennen versorgen gleichzeitig mehrere Clients. Dazu müssen aber auch die Clients MU-MIMO-fähig sein.

Beamforming

Beamforming ist bereits seit IEEE 802.11n spezifiziert, aber leider zu ungenau. Herstellerübergreifendes Beamforming hat selten funktioniert. In IEEE 802.11ac ist Beamforming genauer spezifiziert.
Per Beamforming kann eine Basisstation das Funksignal in eine bestimmte Richtung senden und so die Verbindung zu einem bestimmten Client deutlich verbessern. Beim Beamforming senden mehrere Antennen das gleiche Signal mit einem zeitlichen Versatz. Dabei entsteht eine Richtwirkung, die die Sendeenergie auf einen Client fokussiert. Dabei verbessert sich die Qualität der Funkverbindung, was eine höhere Modulationsstufe erlaubt und somit die Übertragungsrate erhöht.

Übertragungsgeschwindigkeit

In der Theorie lassen sich mit IEEE 802.11ac fast 7 GBit/s übertragen. Doch dazu müssten die beteiligten Geräte die Maximalwerte aller spezifizierten Leistungsparameter vollständig unterstützen und miteinander kombinieren. In der Praxis ist das fast unmöglich. Die theoretische Übertragungsrate hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Kombiniert man die maximal spezifizierten Leistungsparameter, dann kommt man rechnerisch auf insgesamt 6.936 MBit/s (rund 7 GBit/s).

Berechnung: In der Praxis kommt man mit einem Datenstrom mit einer Antenne, bei einem 80 MHz breiten Kanal und dem Modulationsverfahren 256QAM auf 433 MBit/s. Mit der Mehrantennen-Technik MIMO und zwei räumlich getrennten Datenströmen kommt man auf 867 MBit/s. Mit drei Datenströmen steigt die Datenrate auf rund 1.300 MBit/s brutto. Arbeitet man mit vier Datenströmen auf 4 kommt man auf eine Datenrate von rund 1.700 MBit/s.

Diese Werte (gerundet) setzten voraus, dass sowohl der Access Point als auch die WLAN-Clients alle technischen Voraussetzungen erfüllen. Wenn ein WLAN-Client nur vier Datenströme beherrscht, dann erreicht der Datenaustausch auch nur die Geschwindigkeit, die für den WLAN-Client möglich ist.
Die erwähnten 8 Sende- und Empfangseinheiten (8 x MIMO) setzen die entsprechende Anzahl von Antennen und die unterstützende Elektronik voraus. Das ist in mobilen und Akku-betriebenen Geräten schwer möglich. Doch gerade diese Geräteklassen sind auf schnelle Funktechniken angewiesen. Dem gegenüber steht der mangelnde Platz und begrenzter Energieversorgung. Deshalb werden Übertragungsgeschwindigkeiten im GBit-Bereich bei mobilen Geräten die Ausnahme bleiben.

WLAN-Geräte mit IEEE 802.11ac können ihre Geschwindigkeit auch nur auf kurzen Distanzen und ohne Hindernisse ausspielen. Funksignale im 5-GHz-Frequenzband werden von Wänden und Decken viel stärker ausgebremst als die 2,4-GHz-Frequenzband. Das ist kein Problem, dann WLAN-Geräte mit IEEE 802.11ac können auch die älteren Standards bei 2,4 GHz.

In der Praxis sollte man damit rechnen, dass sich die hier genannten Bruttowerte etwa halbieren. Eine angestrebte Datenrate von über 1 GBit/s ist nur dann möglich, wenn die Funkbedingungen optimal sind. Und das ist selten so.
Ab 1 GBit/s tritt dann eine weitere Begrenzung auf. Bei Access Points und WLAN-Routern würde dann ein Gigabit-Ethernet-Port nicht mehr ausreichen, da der bei 1 GBit/s voll ausgelastet ist. Ein WLAN mit IEEE 802.11ac in vollem Ausbau wäre nur dann möglich, wenn man zwei Gigabit-Ethernet-Ports mit Link Aggregation bündelt oder ein 10-Gigabit-Ethernet-Port vorhanden ist. Letzterer ist in Consumer-Geräten eher unwahrscheinlich.

Übertragungsgeschwindigkeit aktueller WLAN-Access-Points und WLAN-Clients

WLAN-Router, die Daten über bis zu drei räumlich getrennte Datenströme übertragen (3 x MIMO) und somit Gigabit-Niveau erreichen können (IEEE 802.11ac), sind weit verbreitet. Aber bei WLAN-Clients sind 3 und mehr Antennen ziemlich rar. Ob alle WLAN-Clients diese Geschwindigkeit erreichen werden, das ist fraglich.

Hierauf hat der Preis der WLAN-Chips und die Miniaturisierungsbestrebungen der Hersteller einen Einfluss. Dazu muss man wissen, dass jeder zusätzliche Datenstrom (MIMO), den ein Gerät beherrscht, Platz für die Antennen und Elektronik braucht. Und auch zusätzliche Energie. Die geringe Akkuleistung und der knappe Platz sind dabei die begrenzenden Elemente in mobilen Geräten.
In Smartphones ist kein Platz für mehrere WLAN-Antennen. Und die Rechenleistung ist nicht groß genug, um höhere Modulationen und MIMO-Datenströme zu unterstützen. Hier ist meist nur eine Antenne vorhanden und damit nur ein Datenstrom möglich.
Die Minimal-Unterstützung liegt bei den Kanalbreiten 20, 40 und 80 MHz, sowie die Modulationsstufen bis 7 MCS (nur 64QAM). Alles weitere ist optional. Ein WLAN-Client in einem 80-MHz-Kanal mit 64QAM kann theoretisch nur 292,5 MBit/s erreichen. Das Gerät gilt dann bereits als 11ac-fähig.

WLAN-Adapter mit nur einer integrierten Antenne sind meist kompakt und vergleichsweise billig. Mit einer Antenne erreichen sie höchstens 150 MBit/s (IEEE 802.11n) und zusätzlich vielleicht 433 MBit/s (IEEE 802.11ac). Größere WLAN-Adapter arbeiten mit höchstens zwei integrierten Antennen und kosten dann auch etwas mehr. Sie erreichen 300 MBit/s (IEEE 802.11n) und zusätzlich vielleicht 867 MBit/s (IEEE 802.11ac).
Wenn ein WLAN-Adapter, der aber nur mit USB 2.0 angebunden ist, kommt aber nicht über 480 MBit/s hinaus. Das ist die theoretisch maximal mögliche Transferrate eines USB-2.0-Ports.

WLAN-Funkmodule in Notebooks haben in der Regel 2 Antennen. Auch hier ist die Geschwindigkeit auf 300 MBit/s (IEEE 802.11n) und 867 MBit/s (IEEE 802.11ac) beschränkt. High-End-Geräte haben manchmal auch 3 Antennen und erreichen somit rund 1.300 MBit/s.
Das die Hersteller in Notebooks so sparsam sind ist schwer verständlich. Ja, jeder Datenstrom kostet mehr Rechenaufwand und zieht mehr Akkuleistung. Weil Notebooks nach abgeschlossener Übertragung den Akku schneller schonen können, relativiert sich der höhere Energieverbrauch für die höhere Rechenleistung wieder.

In Empfangsrichtung profitieren WLAN-Router mit IEEE 802.11ac vom mehrfachen MIMO indem sie dynamisch die beiden besseren von mehreren empfangenen Funksignalen verwerten (Diversity).

Anwendungen

Neben dem Betrieb eines schnurlosen Netzwerks ist es auch denkbar, zwei kabelgebundene Gigabit-Netzwerke drahtlos zu koppeln, ohne dass dabei ein nennenswerter Flaschenhals durch die Funkverbindung entsteht. Wenn die beiden Gegenstellen aufeinander abgestimmt sind, dann wäre es möglich die theoretische Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen.

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