Funkstandards

So funktioniert Wi-Fi 6 alias WLAN 11ax

| Autor/ Redakteur: Harald Karcher / Andreas Donner

Mehr Speed für alle – auch in überfüllten Funknetzen. Jährlich werden etwa drei Milliarden neue Geräte mit integrierten WLAN-Funkmodulen weltweit verkauft. Das bringt bisherige 11ac-WLAN-Access-Points noch weiter an ihre Grenzen. Da kommt das neue Wi-Fi-6 alias WLAN-11ax gerade recht. Wir haben uns den neuen Standard genauer angesehen.

Wi-Fi 6 bzw. 802.11ax ist der WLAN-Nachfolgestandard von 802.11ac (Wi-Fi 5). Wir haben uns angesehen, was den neuen Standard ausmacht.
Wi-Fi 6 bzw. 802.11ax ist der WLAN-Nachfolgestandard von 802.11ac (Wi-Fi 5). Wir haben uns angesehen, was den neuen Standard ausmacht.
( Bild: Pixabay / CC0 )

Neben Smartphones und Laptops gehören vor allem IoT-Devices zu den neuen WLAN-Wachstums-Treibern. Doch auch der Datenverkehr auf mobilen Geräten wird immer anspruchsvoller und vielfältiger: Zu herkömmlichen Office-Programmen kommen AR, VR, 4K und 8K in Wirtschaft, Medizin, Forschung, Hotels und Hotspots sowie in Smart Cities, Smart Buildings und in Smart Homes.

Daher will das neue Wi-Fi-6 alias WLAN-11ax nicht nur den nächsten Speed-Rekord aufstellen, sondern eine viel effizientere Nutzung des knappen WLAN-Luftraumes für viele Clients in dichten Umgebungen garantieren.

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Wi-Fi-6 ist im Markt angekommen

WLAN-11ax hat das Stadium der grauen Theorie verlassen. Seit 2018 kann man Pre-Standard-11ax-Geräte kaufen, testen, ausrollen oder in Pilot-Projekten evaluieren:

Aerohive, Alcatel-Lucent Enterprise, Asus, HPE-Aruba, Huawei, Netgear und Ruckus Wireless können 11ax bereits liefern. Cisco, D-Link, Extreme Networks, Lancom Systems und TP-Link haben 11ax-Produkte zumindest schon mal avisiert oder offiziell angekündigt. AVM macht noch keine Aussage zu einem 11ax-Start, nimmt das Thema aber ebenfalls ernst.

Alte WLAN-Bänder bei 2,4 und 5 GHz

Das neue 11ax muss vorerst mit den gleichen Frequenzbändern zurechtkommen, die bisher auch schon durch 11a, 11b, 11g, 11n und 11ac stark übervölkert sind.

11ac hat bislang nur im großen 5GHz-Band funktioniert. Im 2,4GHz-Band mussten 11ac-Geräte noch auf 11n oder 11g oder 11b zurück schalten. Das ist jetzt besser, denn 11ax-Geräte können beide Bänder bei 2,4 und bei 5GHz mit einer Gesamtbreite von derzeit 538,5 MHz einheitlich bespielen.

Im 83,5MHz-schmalen WLAN-Bändchen bei 2,4GHz darf in Gebäuden und im Freien gefunkt werden, so lange kein WLAN-AP, kein WLAN-Router und kein WLAN-Client stärker als 100 Milliwatt alias 20dBm sendet.

Im 5GHz-Bereich darf WLAN immerhin 455MHz nutzen, aber nur die untersten 100MHz im UNII-1 sind relativ konfliktarm, siehe Tabelle in Abbildung 2. In den weiteren 355MHz müssen WLAN-Geräte diversen Radar-Wellen ausweichen oder die Sendestärke herunter fahren. Das begrenzt die Leistung und Zuverlässigkeit von 11ac und 11ax beträchtlich. Die lästige Technik zur Radar-Kollisions-Vermeidung nennt sich DFS alias Dynamic Frequency Selection. Eine weitere Regelung für die abgestrahlte Sende-Leistung heißt TPC aka Transmit Power Control. 11ac und 11ax müssen DFS und TPC beherrschen, wenn sie die vollen 455MHz im 5GHz-Band nutzen wollen. Ansonsten dürfen sie nur die untersten 100MHz bespielen. Doch Besserung ist schon in Sicht durch neue Bänder.

Neue WLAN-Bänder von 1 bis 7 GHz

Mit geringem Aufwand könnten neue 11ax-APs zusätzliche WLAN-Bänder von einem bis sieben Gigahertz bespielen. Dann gäbe es mehr Platz im Kampf um die knappen Kanäle:

  • In den USA hat die Federal Communications Commission alias FCC schon vorgeschlagen, das 6GHz-Band im Bereich von 5925 bis 7125 MHz für die lizenzfreie Nutzung bereit zu stellen. Das wären satte 1200 MHz mehr für Funkgeräte wie WLAN.
  • In Europa prüft die Europäische Kommission ebenfalls die Öffnung des 6GHz-Bandes im Bereich von 5925 bis 6425 MHz für die lizenzfreie Nutzung durch Funk-Techniken wie WLAN-11ax. Das wäre rinr Bandbreite von 500 MHz. Rechnet man die bisherigen 538,5MHz dazu, dann kämen in Europa 1038,5 MHz für WLAN zusammen.

Dazu Ralf Koenzen, Chef und Gründer von Lancom Systems: „Möchte man WLAN mit seiner großen Bedeutung für die Digitalisierung auch in Europa langfristig erhalten, führt kein Weg daran vorbei, neues Spektrum im 6-GHz-Bereich für die wichtige Drahtlostechnologie zu öffnen.“

8x8-MU-MIMO mit 8 Antennen

Seit 11ac hat sich das Prinzip MU-MIMO durchgesetzt. MU steht für Multi-User. MIMO steht für Multiple Input, Multiple Output.

3-Stream-MIMO seit 11ac-Wave-1 – Seit 11ac-Wave-1 konnte ein WLAN-AP dank 3-Stream-MIMO drei verschiedene WLAN-Geräte über drei verschiedene WLAN-Kanäle gleichzeitig bedienen, allerdings nur im Downstream. Typischer DL-Speed war 1300 Mbps Brutto. Bekanntester Vertreter war die Fritzbox 7490. Marktstart war Sommer 2013.

4-Stream-MIMO seit 11ac-Wave-2 – Seit 11ac-Wave-2 war 4-Stream-MIMO auf vier Kanälen möglich, aber nur im Downstream. Typischer Download-Speed war 1733 Mbps Brutto. Bekannte Vertreter sind die Fritzbox 7580 seit Sommer 2016 und die Fritzbox 7590 seit Sommer 2017.

8-Stream-MIMO seit 11ax – Seit 11ax wird MU-MIMO nun dank 8x8-MIMO auf acht Kanäle ausgedehnt. Und zwar im Downlink, also vom WLAN-AP zum WLAN-Client, und im Uplink vom Client zum AP.

Zu den ersten lieferbaren Vertretern von 8x8-MIMO gehören die 8-Stream-APs Huawei AP7060DN und Ruckus R730. Bald auch der Netgear RAX120 sowie Modelle von Cisco, die noch nicht offiziell angekündigt sind.

3-Stream-Geräte wie die Fritzbox 7490 brauchen 3 Antennen. 4-Stream-Geräte wie die 7590 haben 4 Antennen. 8-Stream-Geräte benötigen 8 Antennen, egal ob diese nun extern sichtbar oder innerhalb eines APs versteckt montiert sind.

Die MU-MIMO-Technik ist besonders hilfreich, wenn mehrere WLAN-Nutzer in dicht gefüllten WLAN-Umgebungen dicke Datenpakete senden wollen. Das passiert im echten Leben tatsächlich immer öfters, etwa beim aktiven Social-Media-Posting mit hochauflösenden Fotos und Videos, oder beim Business-Video-Conferencing via WLAN in HD-720p, Full-HD-1080p, 4K-UHD und bald auch in 8K-Video-Qualität.

Man muss die acht Funkkanäle von 8x8-MU-MIMO übrigens nicht auf acht verschiedene WLAN-Verbraucher verteilen. Man kann sie auch auf weniger Geräte bündeln. Das erhöht dann den Speed pro Gerät, etwa beim Video-Streaming.

11ax-Endgeräte ab Frühling 2019

Um alle MIMO-Streams auf einen einzigen WLAN-Client zu bündeln, braucht man passende Endgeräte mit 4x4 oder 8x8-MIMO. So schnelle 11ax-Endgeräte werden frühestens ab Frühling 2019 erwartet.

OFDMA im Downlink und Uplink

Beim 11ac-WLAN wurde OFDM alias Orthogonal Frequency Division Multiplexing als Kanal-Management-Methode genutzt: Es belegt den gesamten Frequenzbereich eines WLAN-Kanals pro Zeiteinheit für eine Daten-Übertragung.

Mit 11ax zieht nun erstmals eine komplexere Technik namens OFDMA ins WLAN ein. Das Kürzel steht für Orthogonal Frequency Division Multiple Access und ist schon vom LTE-Mobilfunk her bekannt.

2MHz-Unterkanäle für IoT-Devices

OFDMA kann den Frequenzbereich eines WLAN-Kanals pro Zeiteinheit in mehrere Frequenzblöcke unterteilen. Diese Sub-Carrier, quasi Unter-Kanäle, werden auch Resource Unit alias RU genannt. Sie dürfen bis zu 2MHz schmal sein. Damit blockieren kleine Daten-Übertragungen keinen kompletten 20-, 40- oder gar 80-MHz-breiten Kanal mehr für sich alleine. Der 11ax-AP kann aber auch mehrere 2MHz-Kanäle ganz nach Bedarf zu breiteren Datenstraßen zusammenfassen.

OFDMA, der schlaue Daten-LKW

Vor 11ax war es beim WLAN so, als ob ein ganzer LKW pro Fahrt nur ein einziges Paket zu einem einzigen Haus befördert und dafür jedes Mal den kompletten Laderaum samt einer Spur auf einer Autobahn belegt. Mit 11ax und OFDMA wird WLAN nun so effizient wie ein schlauer LKW, der pro Fahrt gleich mehrere Pakete zu mehreren Häusern transportiert.

OFDMA funktioniert bei 11ax im Downlink und im Uplink, vom AP zum Client, und vom Client zum AP, also beim Senden und beim Empfangen. Der Nutzen von OFDMA ist vor allem bei vielen kleinen Datentransporten in sehr dichten Umgebungen beträchtlich. Und: im Gegensatz zu anderen Effizienz-Boostern wie QAM-1024 soll OFDMA nicht nur bei kurzen, sondern auch bei mittleren und großen WLAN-Distanzen funktionieren.

QAM-1024: Speed-Booster bei Sichtkontakt

QAM steht für Quadrature Amplitude Modulation. Dieses raffinierte Modulations-Verfahren kann die damit übertragenen Informationen mit jeder neuen Wi-Fi-Generation immer enger packen:

  • 11ag brachte QAM-64
  • 11ac brachte QAM-256
  • 11ax schafft bis zu QAM-1024

Beim jüngsten Schritt von 11ac auf 11ax wird „die Anzahl der Symbole von QAM-256 auf QAM-1024 vervierfacht. Dies sorgt bereits für eine fast 40-prozentige Steigerung des reinen Datendurchsatzes. Die mögliche Brutto-Datenübertragungsrate mit 2 Antennen und 80 MHz Kanalbreite steigt dabei auf über 1Gbps“, sagt Georg Thoma, CEO beim Netzwerk-Distributor Sysob.

Der jüngste Schritt von 256-QAM auf 1024-QAM erhöht die Zahl der Bits pro Symbol von 8 auf 10. Das bringt, etwa laut HPE-Aruba und laut Ruckus Wireless, einen Speed- und Spektral-Effizienz-Zuwachs von 25 Prozent. Cisco wiederum attestiert dieser jüngsten Verbesserung sogar einen Speed-Zuwachs von über 35 Prozent zwischen 11ax-AP und 11ax-Client.

Der Speed-Booster QAM-1024 braucht keine zusätzlichen Antennen, er funktioniert einfach nur durch das raffiniertere Modulations-Verfahren. Allerdings nur unter optimalen Bedingungen, auf kurze Distanz, bei sehr gutem Signal und sehr geringen Störungen.

TWT verbessert Akkulaufzeiten

In älteren WLAN-Generationen bis 11ac haben WLAN-Clients viel Akku-Power nur dazu verbraten, dass sie ständig lauern konnten, ob Datenpakete für sie ankommen. 11ax will diese Strom-Verschwendung beim Client nun durch TWT alias Target Wakeup Time reduzieren. Mit dieser Technik kann der Client mit dem AP aushandeln, wie oft er überhaupt aufwachen muss, um die Stimme seines Herrn zu hören. Das freut nicht nur die ständig klammen Handy-Akkus, sondern vor allem IoT-Devices, die sowieso nur alle paar Sekunden, Minuten, Stunden, Tage oder gar Wochen mal einen kleinen Messwert mit dem AP austauschen wollen.

Kompatibilität von 11ac und 11ax

Es versteht sich fast von selbst, dass die 11ax-Hersteller eine weitgehende Rückwärts-Kompatibilität mit Geräten älterer WLAN-Normen wie 802.11a/g/n/ac versprechen. Der volle Nutzen von 11ax kann sich aber nur entfalten, wenn möglichst viele WLAN-Clients alle Raffinessen von 11ax beherrschen: Man denke an MU-MIMO, OFDMA, QAM-1024 und an TWT.

Da 11ax-Clients effizienter mit den knappen Ressourcen umgehen, ist zu erwarten, dass in gemischten Umgebungen mehr Luftraum für „dümmere“ WLAN-Clients frei wird. Dieser neue Platz wird aber sicher schnell durch das rasche Wachstum des Datenhungers aufgefressen.

Woher kommt der neue Speed-Peak?

Der neue Speed-Rekord mit 11ax ergibt sich aus dem Zusammenwirken fast aller zuvor erklärten Faktoren. Ein typischer 11ax-AP mit 4-Antennen schafft in einem relativ sauberen 5GHz-Band bei einer Kanalbreite von 160MHz dank QAM-1024 mit 4 Spatial Streams und 4x4-MIMO brutto 4804 Mbps. Netto konnten wir zwischen zwei identischen Asus RT-AX88U WLAN-11ax-Routern Peaks von knapp 2500 Mbps messen.

Zum Vergleich: Ein typischer 11ac-AP mit 4-Antennen schafft in einem relativ sauberen 5GHz-Band bei einer Kanalbreite von 80MHz mit 4 Spatial Streams und 4x4-MIMO brutto 1733 Mbps. Netto haben wir zwischen zwei identischen AVM Fritzboxen 7590 der Gattung 11ac-Wave-2 knapp 1000 Mbps gemessen. Alles unter optimalen Bedingungen, im gleichen Raum, bei 3 Meter Distanz, zwischen zwei identischen Routern und bei direktem Sichtkontakt.

11ax-APs mit 8-Stream-MIMO bei 160MHz und QAM-1024 hatten wir noch nicht im Test. Rein theoretisch müssten sie eine Linkrate von 9608 Mbps Brutto zustande bringen.

Im Prinzip hätte auch 11ac noch weitere Speed-Reserven bis 6933 Mbps Brutto; siehe Tabelle. Wir vermuten aber, dass die meisten WLAN-Hersteller jetzt nicht mehr das allerletzte Quäntchen aus 11ac herausquetschen, sondern sich auf das neue 11ax konzentrieren.

Last but not least sollen mit 11ax auch die Reichweiten steigen und die Pingzeiten fallen. Natürlich haben die neuen 11ax-Top-Geräte nicht nur schnellere Funkmodule, sondern auch schnellere CPUs und schnellere LAN-Ports als die bisherigen 11ac-Basistationen. Sonst könnten sie den schnellen 11ax-Verkehr ja nicht mehr bremsfrei in die dahinter liegenden Netzstrukturen durchschaufeln.

Fazit

Der Fortschritt von 11ac zu 11ax kommt durch ein enges Zusammenwirken alter und neuer Eigenschaften zustande. QAM-1024 bringt im Vergleich zum älteren 11ac-QAM-256 alleine schon mal 25 bis 35 Prozent mehr Datendurchsatz. MU-MIMO beim Down- und beim Upload (!) bringt mehr Speed und Effizienz bei dicken Datenpaketen – jetzt eben auch beim Senden.

OFDMA managt durch seine granularen Subkanäle vor allem viele kleine Daten-Pakete sehr effizient, etwa jene aus IoT-Sensoren. Außerdem schonen die nur 2MHz-schmalen Subkanäle das ohnehin schon überfüllte Spektrum in der Luft. TWT soll die Akkulaufzeit bei 11ax-Clients verlängern, was ebenfalls ein guter Grund wäre, 11ax bald intensiver zu testen oder zu pilotieren.

Den satten Speed-Sprung von bislang 1733 Mbps Brutto zwischen zwei identischen 11ac-APs auf nunmehr 4804 Mbps Brutto zwischen zwei identischen 11ax-APs stellen wir ganz bewusst nicht in den Vordergrund. Denn 11ax will mehr, als nur den nächsten Speed-Rekord unter optimalsten Bedingungen proklamieren. 11ax will der WLAN-Schwäche in stark bevölkerten WLAN-Umgebungen entgegenwirken. 11ax will die berühmten Kollisionen in überfüllten WLANs reduzieren und durch einen effizienteren Umgang mit den knappen Bändern und Kanälen mehr Stabilität und Zuverlässigkeit in stark beanspruchte WLANs bringen.

Wir sind sehr gespannt!

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Ip-insider.

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