Der künftige WLAN-Standard 802.11ax und was dieser für 802.11ac bedeutet

wlan-3075847_640802.11ax ist ein neuer Wi-Fi-Standard, der wahrscheinlich den aktuellen 802.11ac-Standard auf Basis höherer Datendurchsätze und besserer Leistungen in stark frequentierten Umgebungen ersetzen wird.

Jeder neue WLAN-Standard führt zu erheblichen Leistungsverbesserungen. Der aktuelle WLAN-Standard (802.11ac) ist keine Ausnahme und beeindruckt mit einer theoretischen Maximalrate von 1,3 GBit/s. Leider reicht der Zuwachs an Performance nicht mehr aus, um mit den Bedürfnissen der Nutzer Schritt halten können. Besonders in Umgebungen mit vielen gleichzeitigen Nutzern heißt es immer wieder: „Warum ist das WLAN so langsam?“

Mit einem weiteren WLAN-Standard (802.11ax) versucht die IEEE dieses Problem zu beheben und verspricht eine Vervierfachung des durchschnittlichen Datendurchsatzes pro Benutzer.

Der 802.11ax-Standard wurde speziell für Umgebungen mit einer hohen Nutzerdichte (beispielsweise Züge, Stadien und Flughäfen) entwickelt. Aber der Standard bietet auch eine Basis für die Umsetzung des Internet-of-Things (IoT) in Mehrfamilienhäusern.

Der 802.11ax-Standard eignet sich auch für das Auslagern von Mobilfunkdaten. Hierbei lagert das Mobilfunknetz einen Teil der Verkehrsströme in die WLANs aus und verbessert in vielen Fällen dadurch die Reichweite (besonders innerhalb von Gebäuden).

Obwohl die Fertigstellung des 802.11ax-Standards erst für Anfang 2019 erwartet wird, drängen bereits heute einige Hersteller mit Pre-Norm-Chipsätzen auf den Markt.

 

Welches Problem löst der 802.11ax-Standard?

Die grundlegenden Probleme bei den WLANs bestehen darin, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite zwischen den aktiven WLAN-Endpunkten geteilt wird. Darüber hinaus decken die in einem WLAN integrierten Access-Points überlappende Abdeckungsbereiche ab. Dieses gilt insbesondere in Umgebungen mit einer hohen Nutzerzahl. Auch können sich die WLAN-Nutzer zwischen den verfügbaren Access-Point hin und her bewegen.

Die derzeitige Lösung basiert auf einer alten Technologie aus den Ur-Ethernet-Tagen. Diese wird als „Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) bezeichnet. Dieser Mechanismus fordert die Endpunkte auf, vor einer Übertragung auf ein Mediumfreigabesignal zu warten. Im Falle von Interferenz, Staus oder Kollisionen geht der Endpunkt in einen Back-Off-Prozess, wartet auf die Mediumfreigabe und übermittelt anschließend seine Daten.

In einem überfüllten Stadion, einem belebten Flughafen oder einem überfüllten Zug mit Hunderten oder Tausenden von Nutzern, die versuchen, gleichzeitig Videos zu übermitteln, verliert ein solches System erheblich an Effizienz und Leistung.

Der 802.11ax-Standard soll nicht nur die WLAN-Performance verbessern, sondern auch die WLAN-Funkfeldabdeckung verbessern und für längere Akkulaufzeit sorgen. Der 802.11ax-Standard ist in der Lage, einen Datenstrom mit einer Geschwindigkeit von 3,5 GBit/s zu übertragen und auf Basis einer neuen Multiplextechnologie, die aus der LTE-Welt übernommen wurde, vier gleichzeitige Streams an einen einzelnen Endpunkt mit einer theoretischen Gesamtbandbreite von 14 GbBit/s zu liefern.

 

Wie funktioniert der 802.11ax-Standard?

Der 802.11ax-Standard verwendet eine Vielzahl von bereits bekannten Funktechniken und kombiniert diese auf eine Weise, die einen signifikanten Fortschritt gegenüber früheren WLAN-Standards ermöglicht. Gleichzeitig wird jedoch Abwärtskompatibilität mit den 802.11ac- und 802.11n-Standards gesorgt.

Beim 802.11ax-Standard werden 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 1 GBit/s, theoretisches Maximum sind 9,6 GBit/s. Die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) ist ein Modulationsverfahren, das Amplitudenmodulation und Phasenmodulation kombiniert. In bisherigen WLAN-Standards wurde OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) genutzt, das den gesamten Frequenzbereich pro Zeiteinheit für eine Übertragung belegt. Das nun erstmals auch bei WLAN zum Einsatz kommende OFDMA ist aus dem LTE-Mobilfunk bekannt und nutzt mehrere Frequenzblöcke pro Zeiteinheit. Dadurch kann jeder MU-MIMO-Stream in vier Streams aufgeteilt werden, wodurch die effektive Bandbreite pro Benutzer um das Vierfache erhöht.

 

Wie unterscheidet sich 802.11ax von 802.11ac?

Der 802.11ac-Standard arbeitet nur im 5-GHz-Bereich, während 802.11ax sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Bereich arbeitet. Dadurch stehen mehr verfügbare Kanäle zur Verfügung. Die ersten 802.11ax-Chipsets unterstützen insgesamt 12 Kanäle, acht im 5-Ghz-Bereich und vier im 2,4-Ghz-Bereich. Beim 802.11ac-Standard beschränkt sich der Einsatz der MU-MIMO-Technik nur auf die Downlink-Übertragungen. 802.11ax ermöglicht ein Vollduplex-MU-MIMO. Dadurch kann ein Access-Point mit einem Downlink-MU-MIMO gleichzeitig an mehreren Empfängern senden. Ein Endpunkt kann auf Basis eines Uplink-MU-MIMOs gleichzeitig an mehrere Empfänger seine Daten übermitteln. 802.11ax unterstützt bis zu acht MU-MIMO-Übertragungen gleichzeitig. Beim 802.11ac-Standard konnten nur vier parallele Übertragungen realisiert werden. Das OFDMA ist neu beim 802.11ax-Standard, ebenso wie einige andere Technologien (Trigger-basierter Random-Access, dynamische Fragmentierung und die Mehrfachnutzung von Kanalfrequenzen), die alle auf eine Verbesserung der Übertragungseffizienz abzielen.

Durch eine verbesserte Target-Wake-up-Time (TWT) ermöglicht der neue Standard eine erhöhte Akkulaufzeit für mobile Clients. Diese können so besser, beziehungsweise länger, „schlafen“, weil sie weniger häufig „aufwachen“ müssen, um auf die Ansprache der Access-Points zu hören.

Wann werden wir die ersten 802.11ax-Produkte im Markt sehen?

Mathias Hein, Consultant, Buchautor, Redakteur
Mathias Hein, Consultant, Buchautor, Redakteur

Quantenna Communications war das erste Unternehmen, das im Oktober 2016 das erste 802.11ax-Chipset angekündigt hat. Der Chipsatz unterstützt acht 5-GHz-Ströme und vier 2,4-GHz-Streams. Im Januar 2017 hat Quantenna einen zweiten Chipsatz in sein Portfolio aufgenommen, der vier Streams in beiden Bändern unterstützt. Andere Anbieter von WLAN-Chipsätzen folgten diesem Beispiel. Qualcomm gab Anfang 2017 seinen ersten 802.11ax-Chip bekannt, gefolgt von Broadcom und Marvell. Der erste 802.11ax-Router wurde im vergangenen August von Asus vorgestellt. Auf Basis des Broadcom-Silizium erzielt der Asus- 4 × 4-MIMO Router in beiden Übertragungsbändern einen maximalen Durchsatz von 1,1 GBit/s im 2,4 GHz Frequenzband und 4,8 GBit/s im 5-GHz-Frequenzband. Huawei hat einen 802.11ax-Access-Point (auf Basis der Qualcomm-Hardware) mit 8 × 8 MIMO angekündigt. Im Januar kündigte Aerohive Networks seine erste Familie von 802.11ax-Access-Points auf Basis der Broadcom-Chipsätze an. Diese werden voraussichtlich Mitte 2018 ausgeliefert werden. Die IEEE hat den 802.11n-Standard im Jahr 2007 und den 802.11ac-Standard im Jahr 2013 veröffentlicht. Dieser sechsjährige Standardzyklus soll auch beim 802.11ax-Standard eingehalten werden. Ein erster Draft des 802.11ax-Standards wird voraussichtlich im ersten Quartal 2018 veröffentlicht. Die endgültige Ratifizierung des Standards ist im ersten Quartal 2019 vorgesehen. Die vorläufige Zertifizierung von 802.11ax-Geräten durch die Wi-Fi-Alliance soll im vierten Quartal 2018 beginnen. Die Massenproduktion von 802.11ax-Produkten wird daher erst im nächsten Jahr ansteigen.

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