Roadmap für WLAN 11ac

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Wellen gegen Wellenbrecher

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Von Dr. Harald Karcher

WLAN-11ac ist nicht gleich WLAN-11ac. Das Schlagwort definiert einen großen Rahmen mit vielen Stellschräubchen und zeichnet eine mehrjährige Entwicklung in mehreren „Wellen“ vor: Wave-1 bis 1300 MBit/s ist bereits da, Wave-2 bis 3,5 GBit/s gerade mal im Kommen und Wave-x bis 7 GBit/s irgendwie absehbar.

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Von 11n bis 11ac-Wave-1

Das jüngste WiFi-11ac lässt sich am leichtesten erklären, wenn man den Vorgänger 11n betrachtet: Schon dort gab es mehrere Speed-Stufen, die ganz stark mit der Anzahl der verbauten Antennen und der dadurch möglichen Anzahl der Spatial Streams (also der drahtlosen Datenströme) korrelieren:

  • 1×1:1-11n-Geräte schaffen maximal 150 MBit/s brutto,
  • 2×2:2-11n-Geräte maximal 300 MBit/s,
  • 3×3:3 ergibt 450 MBit/s und
  • 4×4:4 schon 600 MBit/s.
Vergleicht man die drei wichtigsten 11n-Varianten von 1SS bis 3SS mit den drei wichtigsten 11ac-Wave-1-Varianten von 1SS bis 3SS, dann hat sich die 11ac-Speed-Entwicklung bis jetzt auf einem dreimal höheren Speed-Niveau als bei 11n abgespielt. Die nächste WLAN-Welle, 11ac-Wave-2, wird den Hahn aber bald noch kräftiger aufdrehen. (Bild: Harald Karcher)

Bei WiFi-11n kann jeder Spatial Stream (SS) bis zu 150 MBit/s brutto transportieren. Typischerweise generieren 11n-Access-Points drei Streams, also 3 × 150 = 450 MBit/s, natürlich nur brutto – und nur dann, wenn sie drei MIMO-Antennen haben und wenn sie drei Funkströme (Spatial Streams) tatsächlich durch die Luft senden und empfangen können. Netto wird in der Regel maximal die Hälfte vom Brutto übertragen, also bis zu 225 MBit/s.

Mittlerweile gibt es vereinzelt auch 4×4:4-11n-WLAN-Router bis zu 600 MBit/s brutto. Sie dürften aber keine allzu große Verbreitung mehr im Markt erlangen, weil der User in vielen Fällen dann lieber gleich den Sprung auf 11ac wagen kann – und weil vier WLAN-Antennen in einem Gerät viel Platz und Energie benötigen.

11n-Access-Points haben zwar meist ein 3×3:3-Design. 11n-Tablets und 11n-Smartphones hatten anfangs aber oft nur 1×1:1, somit maximal 150 MBit/s brutto – und eben keine 450 MBit/s. Das ist das alte WLAN-Leiden: Der maximale Speed zwischen AP und Endgerät wird immer vom schwächsten Glied in der Kette bestimmt.

Sender mal Empfang durch Ströme
Hinter Kürzeln wie 3×3:3-11n oder 3×3:3-11ac verbirgt sich die Formel: T × R : S. T ist die Anzahl der Sendeantennen in einem WLAN-Gerät; R ist die Anzahl der Empfangsantennen und S ist die Anzahl der Spatial Streams, der Datenströme in der Luft. Die Anzahl von T, R und S kann identisch sein, muss aber nicht. Es gibt auch WLAN-Geräte, die mehr Empfangsantennen als Sendeantennen haben oder umgekehrt (was wir hier nicht vertiefen wollen).

Wave-1-APs funken bis zu 1,3 GBit/s

Beim neuen WiFi-11ac-Wave-1 kann jeder Spatial Stream Daten bis zu 433,33 MBit/s brutto transportieren. Typischerweise generieren 11ac-Wave-1-Access-Points drei Streams, also 3 × 433,33 = 1300 MBit/s brutto.

Seit Sommer 2012 sind erste WiFi-11ac-Wave-1-Anbieter mit Consumer-Geräten vorgeprescht, die nominal just diese 1300 MBit/s, d.h. 1,3 GBit/s brutto funken können, wenn folgende Voraussetzungen vorliegen: Erstens müssen beide 11ac-WLAN-Kommunikationspartner, etwa Basis und Laptop, jeweils drei 5-GHz-Antennen unter der Haube haben (3×3-MIMO). Zweitens müssen wirklich drei Datenströme (3SS) im 5-GHz-Band fließen können, kurz gesagt: 3×3-MIMO-3SS, noch kürzer: 3×3:3. Drittens müssen dazu mindestens 80 MHz Bandbreite in der lokalen Luft verfügbar sein. Da 11ac nicht im überfüllten 2,4-GHz-Bluetooth-und-WLAN-Band, sondern nur im relativ leeren 5-GHz-Band funkt, kann man die benötigten 80 MHz auch in der Praxis zurzeit noch relativ gut bekommen.

Das im Sommer 2015 dominierende WLAN-11ac-Wave-1 mit 3×3-MIMO-3SS ist also grob gesagt 118-mal schneller als 11b, 24-mal schneller als 11g und 3-mal schneller als 11n-3SS.

Etliche Mobile-Internet-Devices schmücken sich bereits mit WLAN 11ac. Bei genauerem Hinsehen sind es aber meistens „nur“ 11ac-Wave-1-Clients mit „nur“ einer oder zwei Antennen, somit „nur“ 433 oder 867 MBit/s. Für volles Gigabit-WLAN braucht das Endgerät mindestens drei WiFi-Antennen. Das MacBook Pro ist eine rühmliche Ausnahme mit drei Antennen und 1,3 MBit/s Datenrate – aber nur brutto, nicht netto. (Bild: IHS und Aruba Networks, mittlerweile HP Enterprise)

Wave-1-Clients schaffen 433 oder 867 MBit/s

In der Regel sind bei 11ac-Wave-1 nur die Access-Points und Router mit drei Sende- und Empfangsantennen ausgestattet. Die mobilen 11ac-Geräte sind meist langsamer: 3×3-11ac-Wave-1-Geräte schaffen zurzeit maximal 1300 MBit/s brutto, 2×2-11ac-Wave-1-Geräte maximal 867 MBit/s brutto und 1×1-11ac-Wave-1-Geräte 433 MBit/s brutto.

11ac-Smartphones und Tablets haben zurzeit oft noch ein 1×1-Antennendesign. 11ac-USB-Sticks haben aktuell oft ein 2×2-Design, die meisten 11ac-Laptops ebenso, falls sie überhaupt schon 11ac unter der Haube haben. Zu den rühmlichen Ausnahmen zählt das Apple MacBook Pro mit 11ac-3×3-MIMO bis 1300 MBit/s. Hier ein paar Beispiele für 11ac-Endgeräte:

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Schwarz auf weiß: Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazinreihe. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.

Die Differenz ist ein Platzproblem

Der Grund für die Antennenzurückhaltung liegt auf der Hand: In superdünnen 11ac-Smartphones und Tablets muss man oft mit ein bis zwei Antennen klarkommen, um Platz und Akku zu sparen, was den 11ac-Bruttospeed dann auf 433 oder 867 MBit/s limitiert.

Bei WLAN-Basisstationen hat man dagegen Platz genug für drei und mehr Antennen. Die Stromzufuhr kommt meist aus einem externen Netzteil, ist somit ebenfalls kein größeres Problem. Somit kann man den Access-Point-Speed ganz leicht auf 1300 MBit/s brutto bringen. Auf dem Markt gibt es allerdings auch 11ac-2×2:2-Access-Points mit maximal 867 MBit/s brutto.

Um die Jahrtausendwende waren digitale IP-WLANs und analoge Mobilfunknetze noch zwei sehr getrennte Welten. Heute haben LTE und WLAN technisch gesehen viele Gemeinsamkeiten: Beide nutzen raffinierte MIMO-Antennentechniken zur Durchsatzsteigerung; beide haben zum Sprung in den Gigabit-Speed angesetzt; beide sprechen von der fünften Generation. Und beide werden bald viel enger in ein LTE-WiFi-Convergence-Roaming zusammenwachsen. Der User soll dann kaum noch merken, ob er gerade auf WLAN oder auf LTE surft. (Bild: Qualcomm MWC 2015 Briefing)

Wie gesagt: Bei einer Datenübertragung zwischen zwei WLAN-Geräten wird die maximale Geschwindigkeit immer durch den langsameren Kommunikationspartner begrenzt. Ein 11ac-Handy mit 433 MBit/s kann an einer 11ac-Basisstation mit 1300 MBit/s maximal 433 MBit/s brutto funken. Der Rest wird quasi verschenkt.

Wer also einen 11ac-3×3:3-Wave-1-Access-Point bis zum Speed-Limit von 1300 MBit/s brutto austesten will, nimmt am besten zwei baugleiche AP-Exemplare. Ersatzweise kann man als Kommunikationstestpartner auch ein Apple MacBook Pro mit 3×3:3-11ac verwenden, in der Hoffnung, dass der wunderbare Laptop nicht als begrenzender Faktor im Testaufbau wirkt.

Die Hälfte vom Brutto, gerecht verteilt

Bei den ersten WiFi-11b-Geräten stand anno 2001 ein Speed-Maximum von 11 MBit/s brutto auf der Schachtel. Als Nettodurchsatz konnte man damals knapp 6 MBit/s messen. Die „andere Hälfte“ wurde im Funk- und Protokoll-Overhead verbraten. Diese knapp 6 MBit/s kamen aber nur, wenn AP und Client im gleichen Raum standen, bei kurzer Distanz von maximal zwei bis drei Metern zwischen AP und Client und wenn nur ein einziger Client (z.B. ein Laptop mit 11b-WLAN-Karte) am Access-Point aktiv war. Reden zwei Clients gleichzeitig aktiv mit dem AP, dann bekommt jeder nur noch knapp 3 MBit/s. Das heißt: Die Kapazität wird halbwegs redlich auf alle Nutzer verteilt, sofern keine gewollten Priorisierungsmechanismen zum Einsatz kommen.

Grob gesagt gelten diese 11b-Relationen auch noch anno 2015 bei 11n und bei 11ac-Wave-1. Machen wir ein Beispiel für eine 11ac-2×2:2SS-Wave-1-Funkzelle: Ein Zellspeed von brutto 867 MBit/s geteilt durch 2 ergibt 433 MBit/s netto. 433 MBit/s netto bleiben bei einem einzigen Client 433 MBit/s. Teilen sich zwei Clients die 433 MBit/s netto, bleiben 216 MBit/s pro Client und bei drei Clients sind es nurmehr 144 MBit/s pro Client.

Und: Diese Werte gelten meist nur im gleichen Raume. Schon im Nebenzimmer fällt der Nettospeed pro Client meist noch weiter ab. Wenn also auf der 11ac-Access-Point-Schachtel ganz groß „Gigabit“ draufsteht, heißt das noch lange nicht, dass auch auf allen 11ac-Clients schon Gigabit ankommt.

Trotzdem reicht eine 11ac-Wave-1-Basis-Station locker, um mehrere Power-User auf kurze Distanz gleichzeitig mit (komprimierten) Videostreams zu versorgen, wenn man davon ausgeht, dass der einzelne User selten mehr als 20 MBit/s für einen solchen Stream benötigt.

Das seit 2015 anrollende WiFi-11ac-Wave-2 nutzt vorerst bis zu vier Antennen pro Gerät (4×4-MIMO) und schafft bei 160 MHz Bandbreite bis zu 3470 MBit/s brutto, also fast 3,5 GBit/s. Eine weitere Steigerung auf acht Antennen pro WLAN-Gerät (8×8-MIMO mit 8SS) und Bruttospeed-Werten bis fast 7 GBit/s ist angedacht. (Bild: Harald Karcher)

Wave-2 bis 3,5 GBit/s und Wave-x bis 7 GBit/s

WiFi-11ac-Wave-2-Produkte kommen seit 2015 mit vorerst bis zu vier Sende-und-Empfangs-Antennen pro Gerät (4×4-MIMO) und vier Spatial Streams: Bei 80 MHz Bandbreite sollen sie 4 × 433,3 = 1733 MBit/s brutto transportieren können. Bei 160 MHz soll sich der Durchsatz nochmals verdoppeln, auf circa 3466 MBit/s, also grob gesagt auf 3,5 GBit/s, brutto.

In weiteren 11ac-Innovationsschritten sind 11ac-Geräte auch mit acht Antennen pro WLAN-Gerät (8×8-MIMO) und acht Spatial Streams (8SS) angedacht. Der Bruttospeed dürfte sich dann nochmals verdoppeln – auf knapp 7 GBit/s. Ob die Hersteller diese Geräte dann immer noch als Wave-2 oder als Wave-3, 11ac-Turbo oder völlig anders bezeichnen werden, bleibt abzuwarten.

Das größte Hindernis für 7-Gigabit-WiFi könnten die acht benötigten Antennen werden. Das ist ja schon ein kleines Wäldchen. In großen, stationären WLAN-Geräten, in Access-Points und Routern kann man sich acht WLAN-Antennen leichter vorstellen als in superschlanken Mobilgeräten wie Smartphones und Tablets.

WLAN-11ac-Wave-2 soll rückwärtskompatibel zu Wave-1 und älteren WiFi-Normen bleiben. Wave-2 ist allerdings kein Software-Upgrade, denn viele Features benötigen neue Hardware mit neuen Wave-2-Chipsets, und zwar sowohl im Access-Point als auch im Client-Gerät. Es wird also eine Weile dauern, bis komplette Wave-2-Umgebungen im Markt angekommen sind. Wer bereits 11ac-Wave-1 gekauft hat, kann seine Hardware nicht auf Wave-2 hochrüsten.

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