Wi-Fi 5 / IEEE 802.11ac / Gigabit-WLAN

IEEE 802.11ac bzw. Wi-Fi 5 ist ein Standard für ein lokales Funknetzwerk, der im November 2013 verabschiedet wurde. Es handelt sich um den fünften WLAN-Standard nach 802.11, 802.11b, 802.11g und 802.11n.
Der WLAN-Standard IEEE 802.11ac sieht eine Übertragungsgeschwindigkeit 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 IEEE 802.11ac nur für 5 GHz spezifiziert ist gilt der Vorgängerstandard IEEE 802.11n weiterhin für den Frequenzbereich 2,4 GHz. IEEE 802.11n gilt also als kleinster gemeinsamer Nenner für alle WLAN-Geräte unter IEEE 802.11ac.

Übertragungsgeschwindigkeit

Wie schnell ist ein WLAN mit IEEE 802.11ac?

In der Theorie lassen sich mit IEEE 802.11ac insgesamt 6.936 MBit/s, also rund 7 GBit/s, übertragen. Doch dazu müssten die beteiligten Geräte alle spezifizierten Leistungsmerkmale vollständig unterstützen und auch miteinander kombinieren. In der Praxis ist das fast unmöglich. Die WLAN-Standards sind an dieser Stelle auf Interoperabilität optimiert und nicht auf die höchstmögliche Leistung.
Die theoretische Übertragungsrate (Brutto-Datenrate) hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Anzahl der gleichzeitigen Antennen/Datenströme mit MIMO (maximal 8)
  • Kanalbreite (maximal 160 MHz, normal 80 MHz)
  • Modulationsverfahren (bestenfalls 256QAM)
Frequenzbereich 5 GHz
Kanalbreite 80 MHz 160 MHz
1 Antennen 433 MBit/s 867 MBit/s
2 Antennen 867 MBit/s 1.733 MBit/s
3 Antennen 1.300 MBit/s 2.600 MBit/s
4 Antennen 1.733 MBit/s 3.466 MBit/s
5 Antennen 2.167 MBit/s 4.335 MBit/s
6 Antennen 2.600 MBit/s 5.200 MBit/s
7 Antennen 3.031 MBit/s 6.062 MBit/s
8 Antennen 3.464 MBit/s 6.936 MBit/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.

Alle angegebenen Werte (gerundet) setzen voraus, dass sowohl der Access Point als auch die WLAN-Clients alle technischen Voraussetzungen erfüllen. Wenn ein WLAN-Client nur 2 Datenströme beherrscht, dann kann auch nur eine Geschwindigkeit von 867 MBit/s erreicht werden. Drei Datenströme erfordern 3 Antennen, die aus Platzgründen nur in einem Notebook möglich sind oder als Erweiterungskarte oder USB mit externen Antennen für Desktop-PCs.

Die erwähnten 8 Sende- und Empfangseinheiten (8x8 MIMO) setzen die entsprechende Anzahl von Antennen und die unterstützende Elektronik voraus. Das ist in mobilen und Akku-betriebenen Geräten kaum 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 kurze Distanzen und ohne Hindernisse ausspielen. Funksignale im 5-GHz-Frequenzband werden von Wänden und Decken viel stärker gebremst als im 2,4-GHz-Frequenzband. Das ist kein Problem, denn WLAN-Geräte mit IEEE 802.11ac können auch den Standard IEEE 802.11n für 2,4 GHz.
In der Praxis sollte man damit rechnen, dass sich die hier genannten Bruttowerte etwa halbieren.

WLAN-Standards im Vergleich

  IEEE 802.11n IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax
Maximale Übertragungsrate 600 MBit/s 6.936 MBit/s 9.608 MBit/s
Theoretische Übertragungsrate 300 MBit/s 867 MBit/s 3.500 MBit/s
Maximale Reichweite 100 m 50 m 50 m
Frequenzbereich 2,4 + 5 GHz 5 GHz 2,4 + 5 GHz
Maximale Sende/Empfangseinheiten 4 x 4 8 x 8 8 x 8
Antennentechnik MIMO (MU-MIMO) MU-MIMO
Maximale Kanalbreite 40 MHz 160 MHz 160 MHz
Modulationsverfahren 64QAM 256QAM 1024QAM

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 (bis zu 8x8 MIMO), eine effizientere Modulation (256QAM) und Multi-User-MIMO.

  • Kanalbreite: 20, 40, 80 und 160 MHz
  • Modulationsverfahren: 256QAM kodiert pro Übertragungsschritt 8 Bit
  • MIMO: bis zu 8 simultan nutzbare Antennen
  • Multi-User-MIMO: ab 4 Antennen

Frequenzen und Kanäle

WLAN Frequenzbereich
Ein WLAN mit IEEE 802.11ac arbeitet im Frequenzbereich bei 5 GHz, für das es weltweit eine Allgemeinzuteilungen gibt. In der EU sind folgende Frequenzbereiche unter bestimmten Bedingungen 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.
Im Frequenzbereich von 5 GHz sind Kanalbreiten mit 20, 40, 80 und 160 MHz möglich. 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 einen großen Teil des verfügbaren Frequenzspektrums belegen. Das wäre nur in Ausnahmefällen sinnvoll.

DFS - Dynamic Frequency Selection

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

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. 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. Ein Router oder Access Point mit 802.11n oder 802.11ac würde mit einem 80 MHz breiten Kanal die Kanäle 36 bis 48 komplett belegt. Wenn dann ein Nachbar-Router auch kein DFS beherrscht, muss er die selben Kanäle belegen, und beide WLANs müssten sich die 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 zum Beispiel ein Smart-TV 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 4 Antennen (mit 5-GHz-Unterstützung) auf den Markt kommen. Denn 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 optionale Erweiterung mit Multi-User-MIMO (MU-MIMO) vor, bei der mehrere Antennen an unterschiedliche WLAN-Clients Daten senden können. Dazu braucht man mindestens 4 Antennen im Access Point. Außerdem müssen die Clients MU-MIMO-fähig sein.

Beamforming

Beamforming ist bereits seit IEEE 802.11n spezifiziert, aber leider zu ungenau. Beamforming mit Geräten unterschiedlicher Hersteller 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.
Damit das funktioniert, muss vor jeder Übertragung der Kanal zum Client ausgemessen werden. Es geht darum, wo genau die Gegenstelle sich befindet (Aussendewinkel) und wer da noch ist. Außerdem können sich Umgebungsbedingungen jederzeit ändern. Das herauszufinden kostet bis zu 1% Airtime. Wenn sich der Client dann doch bewegt, kann es zu einer Fehlübertragung kommen.

WLAN-Access-Point mit Gigabit-Ethernet-Port

Eine angestrebte Datenrate von über 1 GBit/s ist nur dann möglich, wenn die Funkbedingungen optimal sind. Und das ist sehr selten.
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.

Fazit

  • IEEE 802.11ac gibt es nur im Frequenzbereich um 5 GHz, weil bei 2,4 GHz nur Kanalbreiten von 20 und 40 MHz möglich sind.
  • Im Frequenzbereich um 5 GHz ist DFS Pflicht. Ohne ist die Nutzung dieses Frequenzbereichs auf wenige und nur 20 oder 40 MHz breite Kanäle eingeschränkt.
  • Grundsätzlich haben wir es mit einem Shared Medium zu tun, was bedeutet, dass sich alle WLAN-Clients die Bandbreite teilen müssen.
  • Die angegebenen Datenraten sind in der Praxis in der Regel deutlich niedriger.
  • Viele Leistungsmerkmale des Standards werden von vielen Produkten nicht beherrscht (z. B. MIMO und Beamforming). Sie erfordern eine enorme Rechenleistung und damit Energieverbrauch.
  • Legacy-Clients mit IEEE 802.11n begrenzen den Access Point auf IEEE 802.11n, auch wenn er und andere Clients IEEE 802.11ac können.

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