High Efficiency Wireless

Was ist Wi-Fi 6?

Wi-Fi 6 bietet gegenüber älteren Standards den Vorteil einer geringeren Latenzzeit pro WLAN-Client. Es geht beim Thema WLAN nicht mehr bloß um mehr Tempo, sondern um die Steigerung des durchschnittlichen Durchsatzes pro WLAN-Client besonders in High-Density-Umgebungen.

IEEE 802.11ax alias Wi-Fi 6

Wi-Fi 6 steht synonym für IEEE 802.11ax und Wi-Fi 5 für IEEE 802.11ac.
Diese Nomenklatur wurde 2018 beginnend mit Wi-Fi 4, das für den IEEE 802.11n-Standard steht von der Wi-Fi Alliance eingeführt.

Anwendungsfelder

Szenarien mit großen Nutzerzahlen

Bild von vielen WLAN-Clients in einem Fußballstadion

Die Schwächen vorangegangener Standards zeigten sich vor allem in sogenannten „High-Density-Umgebungen“, also in Gebieten mit einer hohen Anzahl von WLAN-Clients. Denn viele Clients die gleichzeitig funken, sorgen für Kollisionen der versandten Daten, die es zu reduzieren gilt. Durch einen effizienteren Umgang mit den knappen Bändern und Kanälen, die zur Verfügung stehen, bringt Wi-Fi 6 mehr Stabilität und Zuverlässigkeit in diese hoch beanspruchten WLANs. Demnach liegt der Vorteil von Wi-Fi 6 gegenüber älteren Standards in einer geringeren Latenzzeit pro WLAN-Client. Die verfügbaren Bandbreiten werden den einzelnen Clients also wesentlich effizienter zugeteilt.

Immer mehr IoT-Geräte

Bild einer Smart City mit große Anzahl von IoT-Geräten

Zukünftig werden vermehrt auch noch viele IoT-Geräte ins Spiel kommen, was dazu führt, dass die verfügbaren Bandbreiten noch wesentlich effizienter verwaltet und zugeteilt werden müssen. Gerade die nachfolgend beschriebene OFDMA-Technologie und die möglichen Sub Carrier werden hier einen wesentlichen Beitrag leisten. In Umgebungen mit sehr hoher IoT-Device-Dichte, wie z. B. Smart Citys, spielt ein hoher Durchsatz und eine geringe Latenz eine wichtige Rolle. Die durch IoT-Sensoren generierten Daten müssen schnell weitergeleitet, andererseits dürfen dadurch aber bandbreitenhungrige Anwendungen nicht unterbunden oder stark verzögert werden.

Was sich seit dem Vorgängerstandard Wi-Fi 5 geändert hat

Der Fortschritt von Wi-Fi 5 zu Wi-Fi 6 kommt durch ein enges Zusammenwirken folgender bereits bekannter, aber auch neuer Eigenschaften zustande:

 

  • Multi-User MIMO (MU-MIMO) bringt mehr Effizienz bei dicken Datenpaketen, nicht nur im Download, sondern jetzt auch im Upload. Perfekt fürs 4K-Video-Conferencing.
  • OFDMA kann parallel mehrere kleine Datenpakete in nur einem Stream verarbeiten. Durch bis zu 2 MHz schmale Sub Carrier werden die verfügbaren Funkkanäle sehr effizient ausgenutzt und dadurch das ohnehin überfüllte Spektrum in der Luft entlastet.
  • QAM-1024 bei Wi-Fi 6 bringt durch eine hohe Modulationsdichte pro Datenpaket im Vergleich zu QAM-256 bei Wi-Fi 5 25 Prozent mehr Datendurchsatz.
  • Target Wake Time (TWT) verlängert durch intelligente „Aufwach-Mechanismen“ die Akkulaufzeit bei Wi-Fi 6-Clients.
  • Basic Service Set (BSS) Coloring maximiert die Netzwerkleistung durch störungsfreie Koexistenz bei hoher Clientdichte.

Nachfolgend stellen wir Ihnen diese Technologien, die bei Wi-Fi 6 zum Einsatz kommen, ausführlich vor.

8x8 MIMO

Bei der MIMO-Technik versendet der Access Point mehrere unabhängige Datenströme, sogenannte Spatial Streams, um Datenpakete zwischen Transmitter und Receiver zu transportieren. Je nach Antennenanzahl kann ein Access Point zwei, vier oder sogar acht Spatial Streams gleichzeitig aussenden. In der Welle 2 des Wi-Fi 5-Standards waren bis zu vier gleichzeitige Datenströme möglich. Wi-Fi 6 unterstützt jedoch bis zu acht breite Fahrbahnen.

Wi-Fi 5, 80 MHz, QAM-256 mit bis zu 4x4 MIMO
1x1 2x2 3x3 4x4
433,3 MBit/s 866,7 MBit/s 1300 MBit/s 1733,3 MBit/s

Tab. 1: Mögliche Downloadgeschwindigkeiten für verschiedene Sender-Empfängerpaarungen bei Wi-Fi 5

Wi-Fi 6, 80 MHz, QAM-1024 mit bis zu 8x8 MIMO
1x1 2x2 3x3 4x4 8x8
600 MBit/s 1,2 GBit/s 1,8 GBit/s 2,4 GBit/s 4,8 GBit/s

Tab. 2: Mögliche Downloadgeschwindigkeiten für verschiedene Sender-Empfängerpaarungen bei Wi-Fi 6

Abb. 1: MU-MIMO
(Down- & Uplink)
MU-MIMO funktioniert nun im Down- und Upload

MU-MIMO im Down- und Upload

Wave 2 des WLAN-Standards Wi-Fi 5 führte das Multi-User-MIMO-Prinzip (MU-MIMO) ein: Durch die Verteilung aller verfügbaren Spatial Streams auf mehrere unterschiedliche Endgeräte gleichzeitig statt wie bisher nacheinander wurde die Effizienz im WLAN massiv erhöht - allerding nur im Downlink.

 

Mit Wi-Fi 6 wird MU-MIMO nun in beide Richtungen möglich. In Umgebungen mit einer hohen Anzahl an WLAN-Nutzern und bandbreitenhungrigen Echtzeitanwendungen ist das besonders hilfreich, weil es zusätzliche Latenz- und Durchsatzverbesserungen bringt.

Erklärung

Mit MU-MIMO können alle Streams auf mehrere Clients verteilt werden. Beispielsweise kann ein Access Point mit 4x4 MIMO vier Spatial Streams nutzen, um Daten parallel an einen 2x2 MIMO-Client und zwei weitere 1x1 MIMO-Clients (z. B. Notebook und Smartphone) zu übertragen. So werden alle verfügbaren Spatial Streams effizient genutzt.

Sender x Empfänger = Anzahl der Sende- x Empfangsantennen
8x8 MIMO = 8 Sende- und 8 Empfangsantennen
8 Streams 8 1x1 Smartphones
8 Streams 4 2x2 Tablets bzw. 2x2 Notebooks
8 Streams 4 1x1 Smartphones + 1 2x2 Tablet + 1 2x2 Notebook

Tab. 3: Zuordnung der Streams zwischen Sender und Empfänger(n)

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

OFDMA bietet große Vorteile für WLAN-Clients mit kurzen Datenpaketen, z. B. IoT-Geräte. Schon bei Wi-Fi 5 gab es Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) als Kanal-Management-Methode: Es belegt den gesamten Frequenzbereich eines WLAN-Kanals pro Zeiteinheit für eine Datenübertragung. Mit der Einführung vom OFDMA bei Wi-Fi 6 werden bis zu 2 MHz schmale Sub Carrier erlaubt, wodurch gerade bei kleinen zu übertragenden Datenmengen ein Paket nicht alleine den ganzen Kanal blockiert. Mehrere Sub Carrier teilen sich also einen 20-, 40- oder gar 80 MHz-Kanal, können jedoch auch nach Bedarf zusammengefasst und gemeinsam transportiert werden. Das schafft eine wesentlich höhere Effizienz bei der WLAN-Kanalnutzung. Es ist wie mit Fahrgemeinschaften: Viele mit nur einer Person besetzte Autos hemmen den Straßenverkehr, während weniger, dafür mit mehreren Insassen besetzte Autos auf den Straßen schneller vorankommen.

Abb. 2: Vergleich OFDM- vs. OFDMA-Technologie
Vergleich zwischen OFDM- und OFDMA-Technologie

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

QAM erhöht den Datendurchsatz durch eine höhere Informationsdichte bei Übertragungsvorgängen. Dabei gilt: Je höher die QAM-Stufe, desto höher der Durchsatz. Im Vergleich zu QAM-256 (8 Bits/Symbol) mit Wi-Fi 5 wird mit Wi-Fi 6 QAM-1024 (10 Bits/Symbol) eingeführt und liefert somit 25 % mehr Durchsatz als der Vorgängerstandard.

Abb. 3: QAM-256 im Vergleich zu QAM-1024
Gegenüberstellung von QAM-256 und QAM-1024
Modulation Bit je Symbol Symbolrate
QAM-16 4 4 Bit / Rate
QAM-32 5 5 Bit / Rate
QAM-64 6 6 Bit / Rate
QAM-256 8 8 Bit / Rate
QAM-1024 10 10 Bit / Rate

Tab. 4: Übertragene Bits pro Symbol bei verschiedenen QAM-Stufen

Höhere Akku-Laufzeiten dank Target Wake Time (TWT)

Bild von Handy mit höherer Akkulaufzeit

Bis Wi-Fi 5 mussten Smartphones, Tablets oder Notebooks ständig empfangsbereit sein. Wer nicht bereit war, verpasste seine ankommenden Datenpakete, was natürlich zulasten der Akku-Ladung ging. Wi-Fi 6 bietet daher nun mit TWT der Stromverschwendung auf der Endgeräteseite die Stirn, weil Access Point und Client nun aushandeln, wann genau der Empfänger aufwachen wird, um den Ruf des Senders zu hören. So manches Smartphone wird dadurch seltener an der Strippe hängen.

Basic Service Set Coloring (BSS Coloring) und Spatial Re-Use

Die Theorie:
BSS Coloring mit Spatial Re-Use ist ein Mechanismus zur Maximierung der Netzwerkleistung und der Reduktion von Interferenzen zwischen WLAN-Geräten. In Drahtlosnetzwerken stehen den Access Points eine begrenzte Anzahl Kanäle zur Verfügung. Wenn mehrere benachbarte Access Points denselben Kanal nutzen, stören sie sich zwangsläufig gegenseitig. In bisherigen WLAN-Infrastrukturen bedingt dies, dass einer sendet und alle anderen WLAN-Geräte auf dem Kanal warten mussten, auch wenn ausreichend räumlicher Abstand für eine parallele Datenübertragung besteht. Mit Wi-Fi 6 lernen WLAN-Geräte transparenter miteinander zu kommunizieren. Dies geschieht durch eine "farbliche" Markierung der einzelnen SSID. Wi-Fi 6-Geräte unterscheiden diese Farben, erkennen „andersfarbige“ Funkgeräte auf demselben Kanal und interferieren mit diesen nicht mehr so leicht.

Abb. 4: Vergleich ohne und mit BSS Coloring und Spatial Re-Use
WLAN-Infrastrukturen mit und ohne BSS Coloring und Spatial Re-Use

Hierzu ein Beispiel aus dem Alltag:

Bild von mehreren Personengruppen im gleichen Raum

Vergleichbar ist die Technologie mit einem Restaurant, in dem an verschiedenen Tischen unterschiedliche Gruppen sitzen, die nichts miteinander zu tun haben. Die Gruppe an Tisch A interessiert sich nicht für die Gespräche des benachbarten Tisches B, wodurch die Menschen am Nachbartisch bis zu einer gewissen Lautstärke reden können, ohne dass sich die Tischgruppe A gestört fühlt. Erst wenn eine bestimmte Schwelle (Lautstärke) überschritten wird, müssen beide Tische über die Einhaltung dieser Schwelle verhandeln oder eine Gruppe in einen anderen Raum gehen.

Ausblick

Neue Frequenzen in Sicht

Bild einer Wegbeschilderung mit 6 GHz-Band und EU

Im bisher durch WLAN nutzbaren Spektrum ist nur noch wenig Platz. Es wäre daher wünschenswert, diese Kanalknappheit zu beenden. Die USA haben daher jüngst beschlossen, das 6 GHz-Band zwischen 5925 und 7125 MHz für eine lizenzfreie Nutzung freizugeben. Das wären immerhin 1.200 MHz mehr, die dem WLAN damit zur Verfügung stünden. In der EU wird das 6 GHz-Band auch bereits diskutiert und die Europäische Kommission prüft eine Öffnung des Bandes für die lizenzfreie Nutzung. Jedoch soll lediglich der Bereich von 5925 bis 6425 MHz verfügbar gemacht werden, was Funktechniken wie Wi-Fi 6 immerhin einen um 500 MHz größeren Frequenzbereich verschaffen würde – also statt bisher 538,5 MHz wären es zukünftig 1038,5 MHz. Doch das setzt dann selbstverständlich neue Access Points wie auch Clients voraus.

Die LANCOM Wi-Fi 6-Produktfamilie

Unser erster Wi-Fi 6 Access Point

Im Herbst wird LANCOM mit seinem ersten Wi-Fi 6-Produkt auf den Markt kommen.

Vorschau: Erster LANCOM Wi-Fi 6 Access Point

Ein paar Eckdaten im Überblick:

  • Dual Concurrent WLAN – paralleler Betrieb in 2,4 GHz und 5 GHz in Wi-Fi 6 für bis zu 3600 MBit/s (kombinierte Übertragungsrate)
  • 4x4 MU-MIMO mit internen Antennen
  • 1x 2,5 Gigabit Ethernet (PoE-Port, IEEE 802.3at bis 30 Watt PoE)
  • 1x Gigabit Ethernet
  • Bluetooth Low Energy-Funkmodul (Version 5.0) für innovative Beaconing-Anwendungen
  • USB 3.0-Port für den Anschluss verschiedenster IoT-Funksysteme
  • Betrieb stand-alone mit Hilfe der intuitiv zu bedienenden WEBconfig oder über die LANCOM Management Cloud

Weitere Produkte werden folgen

Das Gerät wird Teil einer neuen Wi-Fi 6-Produktfamilie, die schon bald durch einen weiteren Access Point mit externen Antennen wachsen wird. Zudem sind bereits weitere Modelle geplant z. B. für Anwendungen mit extrem hoher Nutzerdichte mit Wi-Fi 6 und 8x8 MU-MIMO.

Anfrage

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