Wi-Fi 6/6E / IEEE 802.11ax / 10-GBit-WLAN

IEEE 802.11ax ist ein Standard für ein High Efficiency WLAN mit Übertragungsgeschwindigkeiten im Gigabit-Bereich. An diesem Standard wurde ab 2014 gearbeitet.
Es handelt sich um den sechsten WLAN-Standard nach 802.11, 802.11b, 802.11g/11a, 802.11n und 802.11ac. IEEE 802.11ax ist der direkte Nachfolger von 802.11n für den Frequenzbereich 2,4 GHz und 802.11ac für 5 GHz.
Die Wi-Fi Alliance (WFA) zertifiziert IEEE 802.11ax seit 2019 als Wi-Fi 6.

Bei der Entwicklung von IEEE 802.11ax stand die Steigerung der Effizienz im Vordergrund. Mit ausgeklügeltem und parallelen Senden von Daten soll der Summendurchsatz in den WLAN-Funkzellen steigen.

Das Einsatzgebiet der WLAN-Technik erstreckt seit deren Anfängen nicht mehr nur auf den Konsum von textbasierten Webseiten und die E-Mail-Kommunikation, sondern auch auf Video-Streaming, Cloud-basierte Dienste und Home-Office. Das größte Datenvolumen entsteht dabei durch Video-Daten, die schnellere Übertragungsraten fordern, und Audio-Daten, die eine geringe Latenz benötigen. Mit dem Vorgänger-Standard IEEE 802.11ac hatte man bereits die Grenze, was die technische Machbarkeit bei Kanalbreite und Modulationsverfahren angeht, erreicht.

Eine noch höhere Geschwindigkeit zu realisieren, ist also nicht so einfach. Deshalb ist man daran interessiert, den Unterschied zwischen der rechnerischen Datenübertragungsrate (Brutto) und der vom Anwender gefühlten Geschwindigkeit zu reduzieren. Es geht also um die Erhöhung der Effizienz beim Betrieb vieler WLAN-Clients am gleichen Ort. Genau genommen geht es um die Erhöhung des flächenbezogenen Durchsatzes in Bit pro Sekunde bezogen auf einen Quadratmeter (Bit/s/qm).

Vergleich: IEEE 802.11ac und IEEE 802.11ax

Eigenschaften IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax
2,4 GHz nein ja
5 GHz ja ja
6 GHz nein geplant
Kanalbreite 20/40/80/160 MHz 20/40/80/160 MHz
Streams, max. 8 8
Modulation 256QAM 1024QAM
OFDMA-DL nein ja
OFDMA-UL nein ja
MU-MIMO-DL ja ja
MU-MIMO-UL nein ja

Übertragungsgeschwindigkeit

Wie schnell ist ein WLAN mit IEEE 802.11ax?

Die Entwickler von IEEE 802.11ax strebten eine Vervierfachung des Durchsatzes gegenüber IEEE 802.11ac an. Folgende Merkmale haben dabei Einfluss auf die Geschwindigkeit.

  • Modulationsverfahren 1024QAM (bei optimaler Verbindung und kurzer Distanz)
  • Kanalbreite: 20, 40, 80 und 160 MHz (je nach Frequenzbereich)
  • Anzahl der Antennen und nutzbaren MIMO-Streams
Frequenzbereich 2,4 GHz 5 GHz
Kanalbreite 20 MHz 40 MHz 80 MHz 160 MHz
1 Antennen 144 MBit/s 287 MBit/s 600 MBit/s 1.201 MBit/s
2 Antennen 287 MBit/s 574 MBit/s 1.201 MBit/s 2.402 MBit/s
3 Antennen 432 MBit/s 861 MBit/s 1.800 MBit/s 3.603 MBit/s
4 Antennen 574 MBit/s 1.144 MBit/s 2.402 MBit/s 4.804 MBit/s
5 Antennen 718 MBit/s 1.435 MBit/s 3.000 MBit/s 6.005 MBit/s
6 Antennen 861 MBit/s 1.722 MBit/s 3.600 MBit/s 7.206 MBit/s
7 Antennen 1.005 MBit/s 2.009 MBit/s 4.200 MBit/s 8.407 MBit/s
8 Antennen 1.144 MBit/s 2.288 MBit/s 4.804 MBit/s 9.608 MBit/s
  • Bei einer Kanalbreite von 160 MHz (nur bei 5 GHz möglich) und dem Modulationsverfahren 1024QAM ergibt sich rein rechnerisch eine Übertragungsrate von 1.201 MBit/s pro Antenne bzw. MIMO-Stream. Bei 4 MIMO-Streams erreicht man theoretisch eine maximale Übertragungsrate von rund 4.804 MBit/s, von der in der Berichterstattung häufig die Rede ist.
  • Im 2,4-GHz-Band erreicht man maximal 300 MBit/s bei einer Kanalbreite von 40 MHz pro Antenne bzw. MIMO-Stream.

Geht man von einem Access Point aus, der für jedes Frequenzband zwei Antennen integriert hat, dann ergibt sich bei 2,4 GHz mit 40 MHz Kanalbreite eine maximale Bruttodatenrate von 600 MBit/s und bei 5 GHz mit 160 MHz Kanalbreite eine maximale Bruttodatenrate von 2.402 MBit/s. Ist die mögliche oder eingestellte Kanalbreite nur halb so groß, dann halbiert sich die Datenrate auf 300 MBit/s und 1.201 MBit/s.

Hinweis: Bei den angegebenen Datenraten handelt es sich um den Summendurchsatz für die WLAN-Funkzelle eines Access Points. In der Praxis erreichen die einzelnen WLAN-Clients in Abhängigkeit der Anzahl der Antennen, unterstützten Frequenzbereiche und Kanalbreite deutliche geringere Datenraten. Außerdem kann IEEE 802.11ax das Versprechen des vierfachen Durchsatzes gegenüber dem Vorgängerstandard nur in WLANs mit vielen Nutzern erfüllen. Und auch nur dann, wenn alle Geräte in diesem WLAN 11ax-kompatibel sind.

Eigenschaften von IEEE 802.11ax

  • OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing: Beschleunigt bei MU-MIMO das gleichzeitige Bedienen vieler Clients und ermöglicht eine individuelle Datenrate für unterschiedlich gut erreichbare Clients.
  • Bidirektionales MU-MIMO: Gleichzeitiges Senden von Daten an mehrere Clients.
  • TWT - Target Wake Time: Optimiert die individuellen Schlafzyklen von Mobilgeräten zugunsten längerer Akkulaufzeit.
  • Spatial Reuse / BSS Colouring: Ermöglicht eine bessere Versorgung bei dichter gepackten Funkzellen.
  • Modulationsverfahren: 1024QAM (10 Bit/Symbol)

Alle Maßnahmen sollen den Summendurchsatz in der WLAN-Funkzellen steigern. So hofft man den Durchsatz für einzelne Clients gegenüber IEEE 802.11ac zu vervierfachen.

OFDM / Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

Eine Access Point kann mit OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) in Kombination mit MU-MIMO gleichzeitig an mehrere Clients Daten senden und dabei die unterschiedlichen Bedingungen der Clients individuell berücksichtigen. OFDM funktioniert für Downlink und Uplink und ermöglicht eine individuelle Datenrate für jeden Client.

Möglich wird das dadurch, dass der Access Point den gesamten Funkkanal per Frequenzmultiplexing in dutzende oder gar hunderte kleinerer Unterkanäle einteilt und jeden Unterkanal einem oder auch mehreren Clients zuordnet. Auf diese Weise kann der Access Point mehrere Clients gleichzeitig bedienen.
Mit OFDMA wird der Funkkanal zusätzlich in Resource-Units (RU) von 2, 4, 8, 20, 40 und 80 MHz unterteilt, die vom Access Point an unterschiedliche WLAN-Clients zugewiesen werden. Im Standard steht aber nicht, nach welchen Regeln das erfolgen soll. Das bleibt den Herstellern überlassen. Die Aufteilung kann sich dann zum Beispiel nach dem Bedarf der einzelnen Clients richten. Oder aber nach der Priorisierung der Daten.
Davon profitieren besonders einfache Clients aus dem IoT- und Smart-Home-Bereich, die Dank geringer Kanalbreite eine größere Reichweite schaffen.

Die OFDMA-Technik (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) ermöglicht eine zentrale Koordination des Medienzugriffs. Der klassische Listen-Before-Talk-Ansatz kommt seltener zur Anwendung. Viele Clients müssen mit CSMA/CA nicht mehr um das Senderecht konkurrieren, sondern bekommen das Senderecht vom Access Point zugeteilt. Insbesondere bei vielen Clients wird der Funkkanal besser ausgeschöpft, im Vergleich mit CSMA/CA.

Die Datenrate ist dann aus Sicht eines einzelnen Clients nicht nur schneller, sondern es ist auch die Latenz der Übertragung geringer. Man spricht davon, die Funkzelleneffizienz zu steigern und dabei das Frequenzspektrum besser auszunutzen.

Multi-User-MIMO, bidirektional

Bereits IEEE 802.11ac konnte Multi-User-MIMO. Allerdings nur vom Access Point zu den Clients (Downlink). Aber nicht gleichzeitig und nicht von den Clients zum Access Point (Uplink).
Durch OFDMA in Kombination mit Multi-User-MIMO, können die Daten an mehrere Clients gleichzeitig mit individueller Datenrate gesendet werden.
Neu ist auch Multi-User-MIMO in Uplink-Richtung, bei dem der Access Point von mehreren Clients gleichzeitig Daten empfangen kann.

TWT - Target Wake Time

Target Wake Time, kurz TWT, kann individuelle Schlafzyklen von Mobilgeräten zugunsten längerer Akkulaufzeit optimieren. In der Praxis einigen sich Access Points mit Sensoren und Aktoren auf optimale Schlafphasen. Dabei können Akku-betriebene Geräte Energie sparen.

Spatial Reuse

Normalerweise muss ein Access Point Kanäle meiden, auf denen er andere Netzwerke empfangen kann, auch wenn das Signal nur sehr schwach zu empfangen ist. Spatial Reuse bedeutet, dass benachbarte WLAN-Hosts auf demselben Funkkanal gleichzeitig senden dürfen. Normalerweise stören sie sich dabei gegenseitig, weil sich deren Funksignale überlappen. Es gibt allerdings Situationen, bei denen in den einzelnen Zellen der Störabstand groß genug und die Signalstärke gut genug ist und deshalb trotzdem gesendet werden darf.
Durch Spatial Reuse bekommen Clients in der Nähe von Access Points tendenziell mehr Durchsatz. Zudem wird das knappe Funkspektrum besser ausgenutzt.

Unterstützung für den Frequenzbereich 6 GHz (Wi-Fi 6E)

Die Erweiterung Wi-Fi 6E bringt einige Vorteile:

  • großes, zusammenhängendes Frequenzspektrum
  • breite Kanäle
  • geringere Interferenzen
  • hohe Geschwindigkeit
  • geringe Latenz
  • hohe Kapazität für viele Teilnehmer

Mit Wi-Fi 6E erweitert die Wi-Fi-Allianz den Standard IEEE 802.11ax auf die Nutzung des 6-GHz-Frequenzbereichs. Hier stehen von 5,9 bis 7,1 GHz (regional unterschiedlich) mehr Kanäle zur Verfügung.
Die Spitzendatenraten für die Downlink-Richtung liegen zwischen 4 und 7 GBit/s. In Uplink-Richtung kann man zwischen 1,5 GBit/s bis 3,5 GBit/s erreichen. Die Latenzzeit beträgt weniger als 2 Millisekunden. Damit erreicht Wi-Fi 6E bei deutlich geringeren Investitionskosten Leistungswerte, die Campusnetze mit dem Mobilfunkstandard 5G erreichen können.

Der Frequenzbereich ist nützlich, wenn viele User parallel das gleiche Netz nutzen oder viele WLAN-Netze parallel auf engem Raum betrieben werden. Allerdings ist die bestehende Hardware für Wi-Fi 6E ungeeignet. Dafür sind neue WLAN-Basisstationen und neue Clients notwendig. Wi-Fi 6E kann seine Stärke erst dann ausspielen, wenn die Basisstation und alle WLAN-Teilnehmer diese Erweiterung unterstützen.

Es mag bezweifelt werden, dass sich die Erweiterung Wi-Fi 6E in der breiten Masse der Implementierungen durchsetzen wird. Vermutlich wird sich diese Technik nur in professionellen und industriellen Umgebungen durchsetzen. Zum Beispiel für Campusnetze.

Fazit

Der Standard IEEE 802.11ax hat einige elementare Verbesserungen gegenüber allen Standards davor. Trotzdem fällt der Leistungszuwachs in der Praxis nur geringfügig aus.

  • Die vorgesehenen Funktionen und Leistungsmerkmale sind so zahlreich, dass es viele Jahre dauert, bis diese in der breiten Masse vieler WLAN-Geräte implementiert sind.
  • Einige Leistungsmerkmale werden nie in Access Points und Clients verfügbar sein. Je nach technischem Entwicklungsstand der Hersteller sind diese Leistungsmerkmale integriert oder auch nicht.
  • Manche Leistungsmerkmale erfordern eine erhebliche Rechenleistung, die in mobilen Geräten mit Akkubetrieb oder sehr günstigen Geräten nicht realisierbar ist.
  • Manche Leistungsmerkmale bringen nur unter bestimmten Bedingungen eine höhere Geschwindigkeit. Das schnellere Modulationsverfahren 1024QAM funktioniert nur auf sehr kurzer Distanz zwischen Access Point und Client.
  • Die hohen Datenraten aus der Berichterstattung resultieren aus dem 160 MHz breiten Funkkanal. In der Praxis dürfte ein 80 MHz breiter Funkkanal die Regel sein.
  • Der Nettodurchsatz in der Funkzelle kommt unter idealen Umständen nah an die 2-GBit/s-Grenze (Test in c’t 26/2018). Doch nur dann, wenn mehrere Datenströme gleichzeitig laufen.

Was ist beim Kauf von Geräten mit IEEE 802.11ax zu beachten?

Folgende Erkenntnisse muss man bei der Investition und dem Einsatz von -Geräten berücksichtigen:

  • Die meisten Verbesserung von IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) sind auf WLAN-Funkzellen ausgelegt, in denen viele Clients gleichzeitig Daten übertragen. Zum Beispiel Hotspots und bei Veranstaltungen.
  • Insbesondere bei Billiggeräten muss man aufpassen, dass diese den Frequenzbereich 5 GHz beherrschen, weil viele 11ax-Verbesserungen nur dort wirken, aber nicht bei 2,4 GHz.
  • Die Downlink-Verbindung eines Clients ist kaum schneller als bei IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5).

Weiterentwicklungen

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