IEEE 802.11ac / Gigabit-WLAN
IEEE 802.11ac ist ein Standard für ein WLAN mit Übertragungsgeschwindigkeiten im Gigabit-Bereich. Ein Entwurf des Standards definiert eine maximale Datenrate von 6.933 MBit/s. Während die Geschwindigkeit des Vorgängerstandards IEEE 802.11n bei maximal 600 MBit/s liegt, soll die Beschleunigung bei IEEE 802.11ac durch die Optimierung des Übertragungsprotokolls, verbesserte WLAN-Techniken und die konsequente Nutzung des Frequenzspektrums bei 5 GHz erfolgen. So sollen Datenraten von 300, 450, 867 und 1.333 MBit/s möglich sein.
Hinweis: IEEE 802.11ac ist noch kein fertiger Standard, sondern befindet sich in der Entwurfsphase, in der es jederzeit zu Änderungen kommen kann. Daher gelten die folgenden Angaben und Ausführungen als vorläufig.
Obwohl der Standard noch nicht endgültig spezifiziert ist, gibt es bereits Hardware (so genannte 11ac-Draft-Geräte) in Form von WLAN-Routern und Notebooks. In Tablets und Smartphones wird 802.11ac wahrscheinlich erst im Laufe 2013 auftauchen.
Technische Merkmale
- Kanalbreiten von 20, 40, 80 und 160 MHz
- Modulationsverfahren 256QAM kodiert pro Übertragungsschritt 8 Bit
- bis zu 8 simultan nutzbare Antennen
- Multiuser-MIMO (MU-MIMO) unterstützt mehrere Clients pro Basisstation
Frequenzen
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.
- 5.150 bis 5.350 MHz (Kanal 36 bis 64)
- 5.470 bis 5.725 MHz (Kanal 100 bis 140)
In anderen Regionen auf der Welt sieht es anders aus. In der Regel dürfte genug Platz für mehrere parallel betriebene 11ac-WLANs sein.
Die Nutzung des 5-GHz-Bandes setzt eine Kanalauswahlautomatik voraus, die dafür sorgt, dass die Basisstation nur die Kanäle belegt, die frei sind. Unter anderem deshalb, weil die Kanäle 120 bis 128 vom Wetter-Radar belegt sind.
Nur mit DFS (Dynamic Frequency Selection) und TPC (Transmit Power Control) dürfen 5-GHz-Funksysteme die Kanäle oberhalb von Kanal 48 nutzen. Sonst dürfen sie nur die Kanäle zwischen 36 und 48 nutzen.
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.
Kanalbreiten von 20, 40, 80 und 160 MHz
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. Die Kanalbreite 160 MHz ist optional.
Ob in der Praxis ein 160 MHz breiter Kanal möglich ist, ist fraglich. Wenn wie im 2,4-GHz-Band auch im 5-GHz-Band mehrere WLANs parallel die Frequenzen nutzen, dann wird es eng und führt zu sinkenden Übertragungsraten. 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.
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
Weil IEEE 802.11ac noch in der Entwurfsphase steckt, sind die folgenden Übertragungsgeschwindigkeiten als vorläufig anzusehen. Die traumhafte Übertragungsrate von bis zu 6.933 MBit/s darf jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, das in der Praxis wesentlich niedrigere Werte realisierbar sind.
In der Praxis wurden bereits über 400 MBit/s mit einem Datenstrom und einer Antenne, bei einem 80 MHz breiten Kanal und dem Modulationsverfahren 256QAM erreicht. Die Bruttorate steigt mit der Mehrantennen-Technik MIMO mit zwei räumlich getrennten Datenströmen auf über 800 MBit/s. Mit drei Streams steigt die Datenrate auf 1.300 MBit/s.
Das Ziel ist mindestens 1 GBit/s zu erreichen. Unter guten Funkbedingungen dürfte das eine WLAN-Funkzelle durchaus erreichen. Wenn alle Möglichkeiten ausgenutzt werden, dann ist ein Bruttodurchsatz von 3,5 GBit/s theoretisch möglich.
Berücksichtigt man, dass ein WLAN von mehreren Teilnehmern gleichzeitig genutzt wird, dann steht in der Praxis vielleicht 500 MBit/s bei einem 80-MHz-Kanal für eine Station zur Verfügung. Bei mehreren Stationen sollte zumindest ein Summendurchsatz von 1.000 MBit/s möglich sein.
Ob alle WLAN-Clients diese Geschwindigkeit erreichen ist fraglich. Bei einem Smartphone ist davon auszugehen, dass nur eine Antenne vorhanden und damit nur ein Datenstrom möglich ist. Die Minimal-Unterstützung liegt bei den Kanalbreiten 20, 40 und 80 MHz, sowie die Modulationsstufen bis 7 MCS (64QAM). Alles Weitere ist optional. Ein WLAN-Client in einem 80-MHz-Kanal mit 64QAM kann theoretisch nur 292,5 MBit/s erreichen. Ein Gerät mit 293 MBit/s (brutto) gilt bereits als 11ac-fähig.
In Smartphones wird das üblich sein. Denn dort ist kein Platz für mehrere WLAN-Antennen. Und die Rechenleistung ist nicht groß genug, um höhere Modulationen und MIMO zu unterstützen. Die geringe Akkuleistung und knapper Platz sind die begrenzenden Elemente in mobilen Geräten.
USB-WLAN-Adapter arbeiten höchstens mit 2 Antennen, wobei bestenfalls 867 MBit/s (brutto) möglich sind. Wenn dieser USB-Stick aber lediglich per USB 2.0 angebunden ist dann sind höchstens 480 MBit/s erreichbar. Das ist die höchste Transferraten des USB-Ports.
In der ersten Ausbaustufe ist 1,3 GBit/s im 5-GHz-Band erreichbar. Vorausgesetzt, die Funkverbindung ist einwandfrei. Wenn alle Features zum Einsatz kommen, dann ist eine Bruttoübertragungsgeschwindigkeit von 3,5 GBit/s durchaus vorstellbar.
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.
Zur Zukunft von WLAN
Angesichts der Möglichkeiten, die IEEE 802.11ac mit sich bringt wären optimale Aussichten für die Zukunft vorprogrammiert. Hier kommt nun eine Begrenzung zum Tragen, die nur wenige sehen.
Obwohl man im Optimalfall 1.300 MBit/s und mehr per WLAN erreichen könnte, ist damit auch das Ende der Fahnenstange erreicht. In einem Gigabit-Netzwerk per Ethernet (1.000 GBit/s) liegt die Grenze bei 930 MBit/s. Es ist davon auszugehen, dass in kleinen Netzwerken die Hersteller kein 10GBaseT für 10-Gigabit-Ethernet (10.000 MBit/s) einbauen werden, was aber notwendig wäre, wenn ein WLAN über 1.000 MBit/s betrieben werden soll.
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