Erstmals seit 15 Jahren erhält die WLAN-Technologie jetzt auch in Europa zusätzliche Frequenzen. Damit dürfte sich Wi-Fi 6 als Funktechnik noch deutlicher am Markt durchsetzen. Wir geben einen Überblick über den neuen Standard und erklären dabei unter anderem Technologien wie OFDMA und BSS-Coloring.
Am 14.07.2021 hat die Bundesnetzagentur die Allgemeinzuteilung für die WLAN-Nutzungen im 6-GHz-Bereich veröffentlicht. Die Öffnung des 6-GHz-Bandes dürfte WLAN in den nächsten Jahren enormen Vortrieb geben. Die Kombination aus stabileren Verbindungen, deutlich mehr Bandbreite und sehr geringen Latenzzeiten ermöglicht in künftigen Wi-Fi-6E-Netzwerken ein Vielfaches der heutigen Nutzerzahlen. Erste Tests lassen Übertragungsraten von bis zu 2 GBit/s erwarten, bei Latenzzeiten von unter 2 Millisekunden. Letztere dürften vor allem für IoT- oder VR-Anwendungen hochspannend sein und könnten sich als ernsthafte, kostengünstige Alternative zu lokalen 5G-Campusnetzen in der Industrie entpuppen.
Nach der Verabschiedung der Wi-Fi-6-Spezifikation (IEEE 802.11ax) erarbeitete die Wi-Fi Alliance mit Wi-Fi 6E bereits eine Erweiterung des Standards. Mit dem in den USA beschlossenen Ausbau des WLAN-Spektrums um 1200 MHz im 6-GHz-Band (5925 bis 7125 MHz) stand dort ein Vielfaches der bisherigen Kanalbreite für WLAN zur Verfügung. Hierdurch ergaben sich zusätzlich 59 Kanäle mit einer Breite von 20 MHz. Dadurch erhöht sich die Anzahl der 40 und 80 MHz breiten Kanäle um 29 beziehungsweise 14. Selbst von den extrem breiten 160-MHz-Kanälen standen in den USA nun sieben zusätzliche zur Verfügung.
In Europa erfolgte die Erweiterung des für WLAN nutzbaren 6-GHz-Bands um nahezu 500 MHz (5925 bis 6425 MHz) erst im Jahr 2021. Ein größerer Konsens für ein zusammenhängenderes exklusives Spektrum war aufgrund der vielen bereits vorhandenen Nutzer im 6-GHz-Band nicht zu erreichen. So verwenden bereits heute digitale Richtfunkstrecken, Satellitenfunk und teilweise das Militär höhere Bereiche des Bands. Dennoch sind innerhalb des neuen Frequenzbereichs ganze 480 MHz für den WLAN-Betrieb verfügbar und stellen die erste Erweiterung des WLAN-Frequenzbereichs in Europa seit über 15 Jahren dar. Sie entsprechen mehr als einer Verdoppelung des WLAN-Spektrums. Die Kanalanzahl erhöht sich um 24 für WLAN nutzbare 20-MHz-Kanäle, entsprechend stehen durch Bündelung dieser Kanäle zwölf zusätzliche 40-MHz-Kanäle, sechs mit 80 MHz und potenziell noch drei extrem breitbandige 160-MHz-Kanäle zur Verfügung.
Am 14.07.2021 hat die Bundesnetzagentur die Allgemeinzuteilung für die WLAN-Nutzungen im 6-GHz-Bereich veröffentlicht. Die Öffnung des 6-GHz-Bandes dürfte WLAN in den nächsten Jahren enormen Vortrieb geben. Die Kombination aus stabileren Verbindungen, deutlich mehr Bandbreite und sehr geringen Latenzzeiten ermöglicht in künftigen Wi-Fi-6E-Netzwerken ein Vielfaches der heutigen Nutzerzahlen. Erste Tests lassen Übertragungsraten von bis zu 2 GBit/s erwarten, bei Latenzzeiten von unter 2 Millisekunden. Letztere dürften vor allem für IoT- oder VR-Anwendungen hochspannend sein und könnten sich als ernsthafte, kostengünstige Alternative zu lokalen 5G-Campusnetzen in der Industrie entpuppen.
Nach der Verabschiedung der Wi-Fi-6-Spezifikation (IEEE 802.11ax) erarbeitete die Wi-Fi Alliance mit Wi-Fi 6E bereits eine Erweiterung des Standards. Mit dem in den USA beschlossenen Ausbau des WLAN-Spektrums um 1200 MHz im 6-GHz-Band (5925 bis 7125 MHz) stand dort ein Vielfaches der bisherigen Kanalbreite für WLAN zur Verfügung. Hierdurch ergaben sich zusätzlich 59 Kanäle mit einer Breite von 20 MHz. Dadurch erhöht sich die Anzahl der 40 und 80 MHz breiten Kanäle um 29 beziehungsweise 14. Selbst von den extrem breiten 160-MHz-Kanälen standen in den USA nun sieben zusätzliche zur Verfügung.
In Europa erfolgte die Erweiterung des für WLAN nutzbaren 6-GHz-Bands um nahezu 500 MHz (5925 bis 6425 MHz) erst im Jahr 2021. Ein größerer Konsens für ein zusammenhängenderes exklusives Spektrum war aufgrund der vielen bereits vorhandenen Nutzer im 6-GHz-Band nicht zu erreichen. So verwenden bereits heute digitale Richtfunkstrecken, Satellitenfunk und teilweise das Militär höhere Bereiche des Bands. Dennoch sind innerhalb des neuen Frequenzbereichs ganze 480 MHz für den WLAN-Betrieb verfügbar und stellen die erste Erweiterung des WLAN-Frequenzbereichs in Europa seit über 15 Jahren dar. Sie entsprechen mehr als einer Verdoppelung des WLAN-Spektrums. Die Kanalanzahl erhöht sich um 24 für WLAN nutzbare 20-MHz-Kanäle, entsprechend stehen durch Bündelung dieser Kanäle zwölf zusätzliche 40-MHz-Kanäle, sechs mit 80 MHz und potenziell noch drei extrem breitbandige 160-MHz-Kanäle zur Verfügung.
Mehr Leistung durch erweiterte Standards
Soweit die reinen Zahlen und Fakten. Wi-Fi 6 mit seinen Erweiterungen hat jedoch noch viel mehr zu bieten. Der Standard IEEE 802.11ax wurde am 9. Februar 2021 offiziell verabschiedet und beschreibt Erweiterungen in der physikalischen Schicht (PHY) und der Sicherungsschicht (MAC) hinsichtlich zahlreicher Mechanismen, die die Effizienz des WLANs entscheidend erhöhen sollen. Das Ganze nennt sich daher auch "High Efficiency WLAN" (HE) als Abgrenzung zu "Very High Throughput WLAN" (VHT) beziehungsweise IEEE 802.11ac und "High Throughput" (HT) respektive IEEE 802.11n. Der IEEE-Standard 802.11ax deckt dabei den Frequenzbereich von 1,0 bis 7,125 GHz ab.
Natürlich bietet der neue IEEE-802.11ax-Standard eine Erhöhung der maximal möglichen Bitrate. Dies hat seine Ursache in mehr und breiteren Übertragungskanälen, die den Durchsatz erheblich erhöhen. Unter der Annahme, dass die Geschwindigkeit bei der Nutzung von 160-MHz-Kanälen um das Vierfache steigt, beträgt der Durchsatz eines einzelnen 802.11ax-Streams immerhin 3,5 GBit/s. Das Äquivalent einer 802.11ac-Verbindung wäre eine Übertragungsgeschwindigkeit von 866 MBit/s. In einer 4x4-MIMO-Umgebung ließe sich mit 802.11ax-Produkten rein theoretisch eine Gesamtkapazität von etwa 14 GBit/s erreichen. Ein WLAN-Client, der zwei oder drei Streams parallel unterstützt, bringt diese ganz leicht in einer 1-GBit/s-Verbindung unter.
Reduziert sich die Kanalbreite auf 40 MHz, was in überfüllten Funkfeldern (beispielsweise in Fußballstadien oder der Mensa einer Universität) jederzeit passieren kann, stünde nur noch ein einziger 802.11ax-Stream von rund 800 MBit/s bei einer Gesamtkapazität von 3,2 GBit/s zur Verfügung. Unabhängig von der Kanalgröße sorgt die neue 802.11ax-Spezifikation für eine enorme Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit und der Gesamtkapazität. Möglich wird dies hauptsächlich durch die Verbesserung der Modulations- und Codierungsverfahren zur Übertragung der Daten über die Luftschnittstelle.
Die maximal mögliche Bitrate ist jedoch nicht die wichtigste Änderung – sie lässt sich in der Praxis ohnehin meist nicht erreichen. Verfügt ein Access Point beispielsweise über vier Sende- und Empfangseinrichtungen, dann ist das Aussenden von maximal vier parallelen Datenströmen (Spatial Streams) mit einer maximalen realen Bitrate von etwa 3,5 GBit/s möglich. Um die theoretisch möglichen Höchstwerte gemäß Standard zur erreichen, müsste der Access Point jedoch acht Spatial Streams bereitstellen.
Bild 1: Für kurze Datenpakete lässt sich mit Hilfe von OFDMA eine Effizienzsteigerung erreichen.
Mehr Effizienz durch OFDMA
Beim Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) handelt es sich um eine spezielle Implementierung der Multicarrier-Modulation. Dabei kommen mehrere orthogonale Träger zur digitalen Datenübertragung zum Einsatz. Die zu sendende Nutzinformation wird zunächst auf mehrere Teildatenströme mit niedriger Datenrate aufgeteilt. Diese Teildatenströme werden jeder für sich mit einem herkömmlichen Modulationsverfahren mit geringer Bandbreite moduliert und anschließend die modulierten HF-Signale addiert. Um die einzelnen Signale bei der Demodulation im Empfänger unterscheiden zu können, ist es notwendig, dass die Träger im Funktionenraum orthogonal zueinanderstehen. Das bewirkt, dass die Teildatenströme sich möglichst wenig gegenseitig beeinflussen. Dieses Verfahren findet seit dem IEEE-802.11a/g-Standard als Standard-Modulationsverfahren für WLAN Verwendung.
Bei OFDM erfolgt eine Aufteilung des Übertragungskanals in mehrere Unterträger, vergleichbar mit einer parallelen Schnittstelle für Drucker. Über jeden Unterträger läuft dann ein Teil der Daten zwischen Sender und Empfänger. Bezogen auf einen Übertragungskanal mit einer Bandbreite von 20 MHz gibt es bei IEEE 802.11ac 52 und bei IEEE 802.11ax 234 Unterträger. Aus der Perspektive des Netzwerks erscheint der Übertragungsweg dadurch weniger verstopft. Auch lassen sich die 2,4-GHz- und 5-GHz-Bänder miteinander kombinieren und somit den Nutzern noch mehr Kanäle für die Datenübermittlung bereitstellen.
Vergleich der WLAN-Standards
Alter Name
802.11 b
802.11a
802.11g
802.11n
802.11ac
802.11ax
Neuer Name
Wi-Fi 1
Wi-Fi 2
Wi-Fi 3
Wi-Fi 4
Wi-Fi 5
Wi-Fi 6
Veröffentlichungsjahr
1999
1999
2003
2009
2013
2020
Frequenz in GHz
2,4
5
2,4
2,4 und 5
5
2,4, 5 und 6
Modulationsverfahren
DSS/OFDM
DSS/OFDM
DSS/OFDM
OFDM
OFDM
OFDMA
Spatial Streams
1
1
2
4
8
8
Multiple In/Multiple Out (MIMO)
-
-
-
MIMO / SU-MIMO DL
MU-MIMO
UL/DL MU-MIMO
Die 802.11ax-Spezifikation nutzt eine QAM-Kodierung (Quadratur-Amplitudenmodulation), die dafür sorgt, dass die übermittelten Pakete noch mehr Daten enthalten können. Generell ist davon auszugehen, dass die Zellgrößen bei zukünftigen WLAN-Planungen reduziert werden müssen, um von den höheren Datenraten durch das neue Modulationsverfahren QAM-1024 zu profitieren.
Beim 802.11ax-Standard heißt diese Funktion nun Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA). Der Multiple-Access-Prozess sorgt dafür, dass alle Unterträger nicht mehr alle Daten zum selben Empfänger transportieren, sondern die Unterträger auf mehrere Empfänger aufteilen. Hierfür werden die Unterträger zu unterschiedlich breiten Resource Units (RU) gruppiert, wobei jede RU einen Teil der Daten für einen bestimmten Empfänger trägt.
Die RU variabler Größen ermöglichen das gleichzeitige Verschicken unterschiedlich großer Datenpakete an mehrere Clients. Das simultane Senden zu mehreren Clients erfordert eine genaue Koordination. Hierfür schickt der Access Point ein Multi-User-Request-to-Send (MU-RTS), das von allen Clients empfangen und von den Stationen, die an der speziellen MU-Übertragung beteiligt sind, mit einem Clear-to-Send (CTS) beantwortet wird.
Die Koordination in Upload-Richtung erfolgt durch den Access Point mithilfe von Buffer Status Report Polls. Hiermit fragt der Access Point alle ax-Clients ab, ob diese Daten senden möchten. Diese antworten mit einem Buffer Status Report. Die Steuerungskommunikation erfordert jedoch eine Erweiterung der Distributed Coordination Function. Dadurch erhalten die Steuerungspakete im WLAN, die sogenannten Control Frames, einen neuen Aufbau. Dies verhindert jedoch eine problemlose Rückwärtskompatibilität zu älteren WLAN-Standards. Beim gleichzeitigen Betrieb von 802.11ax-Geräten mit älteren WLAN-Clients ist daher mit einem erheblich reduzierten Durchsatz zu rechnen.
Bild 2: Die Nutzung der 6-GHz-Kanäle in den USA und Europa.
MU-MIMO und Spatial Frequency Reuse
Ein weiterer Mechanismus zur Erhöhung der Effizienz ist Multiuser MIMO (MU-MIMO). Allgemein bedeutet MIMO der Versand mehrerer paralleler Datenströme. Dies ist die Grundlage für spezielle Codierungsverfahren, die nicht nur die zeitliche, sondern auch die räumliche Dimension zur Informationsübertragung nutzen. Auf Basis mehrerer Sende- und Empfangsverbindungen lassen sich mehrere parallele Datenströme über dieselbe Frequenz versenden. Diese heißen Spatial Streams. Die Access Points müssen hier in der Lage sein, ihre Abstrahlung in die Richtung zu den Clients hin zu fokussieren. Dies wird als Beamforming bezeichnet.
Spatial Frequency Reuse sorgt dafür, dass benachbarte WLAN-Stationen auf demselben Funkkanal gleichzeitig senden dürfen. Normalerweise stören sie sich dabei gegenseitig. Es gibt allerdings Situationen, bei denen der Störabstand und die Signalstärke in den einzelnen Zellen groß beziehungsweise gut genug ist und deshalb trotzdem gesendet werden darf. Diese Funktion sorgt für verbesserte Kanalkapazität, indem die Access Points intelligentere Entscheidung treffen können, wann sich Daten übertragen lassen.
Funkkanäle werden bunt
Das Service Set bezeichnet nach der Norm 802.11 alle Geräte in einem WLAN. Ein Basic Service Set (BSS) entsteht durch Synchronisation grundlegender Parameter mehrerer Geräte, die anhand eines Service Set Identifiers (SSID) ansprechbar sind. Das BSS-Coloring-Verfahren wurde ursprünglich im 802.11ah-Standard eingeführt und dient zur Zuweisung einer anderen "Farbe" pro BSS. Um die Kapazität in dichten WLAN-Umgebungen zu erhöhen, gilt es, die Möglichkeit zur Wiederverwendung von Frequenzen zwischen den BSSs zu erhöhen. Mit den bisher genutzten Regeln für den Medienzugriff wurden jedoch die WLAN-Endgeräte von einem BSS auf einen anderen Co-Channel-BSS verschoben, ohne dass es dabei zu einer Erhöhung der Netzwerkkapazität kam.
Mit dem 802.11ax-Standard steht das BSS-Coloring-Verfahren zur Verfügung, optimiert den Wettbewerbsaufwand der Geräte aufgrund von überlappenden Übertragungskanälen und führt eine räumliche Wiederverwendung dieser Kanäle ein. 802.11ax-Geräte können zwischen unterschiedlichen BSSs unterscheiden, indem sie dem PHY-Header eine Nummer (Farbe) hinzufügen. Das neue Kanalzugriffsverhalten basiert auf der zugewiesenen Farbe. Das Farbbit zeigt beispielsweise ein Intra-BSS (Kommunikation im gleichen WLAN) an, während verschiedene Farbbits auf ein Inter-BSS (Kommunikation zwischen verschiedenen WLANs) hinweisen.
Inter-BSS-Erkennung bedeutet, dass ein WLAN-Empfänger das Medium als besetzt behandeln und seine Übertragung so lange verschieben muss, bis der Kanal frei ist. Eine adaptive Implementierung ist in der Lage, den Schwellenwert für die Signalerkennung für Inter-BSS-Frames zu erhöhen und gleichzeitig einen niedrigeren Schwellenwert für den Intra-BSS-Verkehr beizubehalten. Das BSS Coloring verringert damit das Problem der Kanalkonflikte, das sich aus den bisher gültigen 4-dB-Signalerkennungsschwellen ergibt. Das Ziel von BSS Coloring ist es, die Wiederverwendung von Übertragungskanälen zu ermöglichen, ohne signifikante Interferenzen zu verursachen. Das Entscheidende dabei ist, dass das Medium nur dann als belegt gilt, wenn ein Sender eine Farbe eindeutig erkennt.
Kennzahlen des 802.11ax-Standards
Frequenzbereiche
2,4, 5 und 6 GHz
Kanalbandbreiten
20, 40, 80, 80 + 80, 160 MHz
Abstand zwischen den Unterträgern
78,125 kHz
Anzahl der Unterträger bei 20-MHz-Kanälen
234
Länge der OFDM-Symbole
12,8 μs
Höchstes Modulationsverfahren
QAM 1024
Anzahl der Spatial Streams
1 bis 8
Zwei Geräteklassen im 6-GHz-Band
Wie eingangs erwähnt steht mit der Einführung des 6-GHz-Bandes zusätzlich der Frequenzbereich von 5945 GHz bis 6425 GHz zur Verfügung. Das sind 480 MHz beziehungsweise 24 weitere Kanäle bei einer 20-MHz-Kanalbandbreite. Für die Nutzung des 6-GHz-Bandes unterscheidet die Bundesnetzagentur zwischen zwei Geräteklassen:
- Geräte mit geringer Leistung in Innenräumen (Low Power Indoor / LPI). Beschränkter Innenraumeinsatz, auch in Zügen mit metallbeschichteten Fenstern und Luftfahrzeugen. Kein Einsatz im Außenbereich.
- Geräte mit sehr geringer Leistung (Very Low Power Devices / VLP). In Innenräumen und Außenbereichen. Im Außenbereich sind nur VLP-Geräte mit einer geringen Sendeleistung von 25 mW zugelassen. Kein Einsatz in unbemannten Luftfahrzeugsystemen.
Im 6-GHz-Bereich sind keine großen Überraschungen hinsichtlich der Größe der Funkzellen zu erwarten. Aus diesem Grund sind für die Planung und eine Site Survey vor Ort entsprechende Mess- und Planungstools erforderlich. Diese stellen die Marktführer Ekahau und AirMagnet inzwischen bereit.
Fazit
In der Praxis werden die 6-GHz-WLANs für den weiteren Aufbau im Büroumfeld zum Einsatz kommen. Da sich im 6-GHz-WLAN ausschließlich 802.11ax-Geräte betreiben lassen, muss sich der IT-Planer nicht mit etwaigen Altlasten auseinandersetzen. Darüber hinaus erfordert Wi-Fi 6E den Einsatz von WPA 3, womit sich Gelegenheit bietet, alte Sicherheitsstandards (WEP, TKIP et cetera) loszuwerden. IT-Verantwortliche können sich bei der Planung jedoch noch Zeit lassen, da in Europa momentan nur wenige 6-GHz-Access-Points verfügbar sind. Es dürfte noch einige Zeit dauern, bis ein umfassendes Produktangebot erhältlich sein wird.