Was bei Multi-User-MIMO im WLAN zu beachten ist

Multi-User-MIMO ermöglicht es mehreren WLAN-Geräten, gleichzeitig mehrere Datenströme zu empfangen. So kann beispielsweise ein WLAN-Access-Point (AP) Daten an vier verschiedene WLAN-Geräte gleichzeitig senden. Dadurch steigert Multi-User-MIMO (MU-MIMO) den Durchsatz des Netzwerks und bietet Vorteile bei der Realisierung von Netzwerken mit einer hohen Nutzerdichte.

Die MIMO-Technologie (Multiple-Input-Multiple-Output) wurde als sogenannter Single-User-Modus (SU-MIMO) im 802.11n-WLAN-Standard eingeführt. Seit der Verabschiedung des WiFi-5-Standards (802.11ac) wurde optional das Multi-User-MIMO unterstützt. Der neueste Standard WiFi-6 (802.11ax) unterstützt eine Reihe weitere Verbesserungen.

 

Die folgenden 10 Fakten erklären die derzeitig von WiFi-6 bereitgestellten Mu-MIMO-Funktionen:

  • Je nach eingesetztem WiFi-Standard arbeitet MU-MIMO entweder uni- oder bidirektional. MU-MIMO mit WiFi-5 funktioniert im Gegensatz zu SU-MIMO nur in Downlink-Richtung. Nur reine WLAN-Router und Access-Points sind in der Lage, gleichzeitig Daten an mehrere Benutzer zu senden, unabhängig davon, ob es sich um einen oder mehrere Datenströme für jeden Empfänger handelt. Die WLAN-Geräte selbst, z. B. Smartphones, Tablets oder Laptops, müssen nach wie vor abwechselnd Daten an den WLAN-Router oder AP senden. Dies geschieht trotz der Tatsache, dass diese Geräte SU-MIMO individuell nutzen können, um mehrere Datenströme parallel senden zu können, wenn diese Komponenten zur Übermittlung ihrer Daten an der Reihe sind.
    Erst mit dem WiFi-6-Standard können sich auch WLAN-Clients mit dem gleichzeitigen Senden von Datenströmen beteiligen. So erhalten mehrere Clients Daten von einem AP und senden gleichzeitig Daten zurück.
  • Die OFDMA-Technologie (Orthogonal-Frequency-Division-Multiple-Access), wie sie auch in LTE-Netzen verwendet wird, ist Teil von WiFi 6. Die darin integrierten Mechanismen unterteilt die Kanäle in kleinere Segmente und ermöglicht es, mehreren Geräten gleichzeitig zu kommunizieren. Dabei nutzt jeder sendeberechtigte Client sein eigenes Kanalsegment. Dieses wird technisch als Resource Unit (RU) bezeichnet. Obwohl es die Datenraten nicht direkt erhöht, ermöglicht OFDMA den Geräten eine schnellere Koordinierung, wenn sie miteinander sprechen und damit eine effizientere Nutzung der Kanäle insgesamt.
    Obwohl OFDMA und MU-MIMO die gleichzeitige Übertragung mehrerer Geräte ermöglichen, sind sie sehr unterschiedlich. OFDMA kann in Umgebungen mit hoher Dichte und geringem Durchsatz oder bei Anwendungen mit kleinen Paketen, wie IoT-Sensoren, hilfreich sein, während MU-MIMO bei Anwendungen mit hohem Durchsatz non Nutzen ist.
  • WiFi-5 erlaubte bis zu vier Clients in einer MU-MIMO-Gruppe, sodass ein AP nur an vier Geräte gleichzeitig senden konnte. Mit WiFi-6 sind bis zu acht Clients möglich. Dies soll dazu beitragen, die Verbindungen zu beschleunigen und den Durchsatz zu erhöhen.
  • Mit WiFi 6 funktionieren MU-MIMO und OFDMA sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz- und 6GHz-Band. Frühere Versionen unterstützten SU-MIMO und nur im 5/6-GHz-Band. Die Unterstützung aller drei Bänder ist eine der größten Verbesserungen seit der Einführung der WLAN-Technologie im 2,4-GHz-Band. Man bedenke, dass 2,4-GHz-Band nur drei sich nicht überschneidende Kanäle zur Verfügung standen. MU-MIMO in WiFi-6 trägt dazu bei dass auch im 2,4-GHz-Band der Datendurchsatz beschleunigt werden kann.
  • MU-MIMO nutzt das so genannte Beamforming, welches die Signale in Richtung der gewünschten WLAN-Geräte lenkt, anstatt diese wahllos in alle Richtungen zu senden. Da das Signal effizienter genutzt wird, trägt die Technologie zur Erhöhung der WiFi-Reichweite und -Geschwindigkeit bei.
    Obwohl Beamforming bei 802.11n optional verfügbar war, implementierten die meisten Anbieter nur proprietäre Versionen davon. Eine standardisierte Version des Beamforming und MU-MIMO ist inzwischen in allen WiFi-5- und WiFi-6-Produkten implementiert.
  • Wie bei WiFi 5 müssen WLAN-Clients nicht über mehrere Antennen verfügen, um MU-MIMO-Streams von APs zu empfangen. Wenn die Geräte nur eine Antenne haben, können sie immer noch einen MU-MIMO-Datenstrom von einem AP empfangen. Bei Uplink-MU-MIMO müssen drahtlose Geräte jedoch über mindestens zwei Antennen verfügen, um mit MU-MIMO zurück zum AP zu übermitteln.
    Mehr Antennen ermöglichen es einem Gerät mehre gleichzeitige Datenströme bereitzustellen. In der Regel ist das ein Stream pro Antenne. Dies wirkt sich positiv auf die WiFi-Leistung des Geräts aus. Die Integration mehrerer Antennen in ein Gerät erfordert jedoch mehr Strom und Platz und erhöht die Kosten. Man bräuchte acht Antennen, um die Funktionen des WiFi 6-Clients voll nutzen zu können.
  • Bei älteren 802.11n- und WiFi-5-Geräten wirken sich die neuen Features bei der Kommunikation mit WiFi-6-APs nur indirekt aus. Bei WLANs geht es immer nur um die zur Verfügung gestellte Sendezeit: Je schneller ein Gerät bedient wird, desto mehr Zeit bleibt für andere Geräte. Wenn neuere Technologien wie MU-MIMO und OFDMA die im Netz aktiven WLAN-Geräte schneller bedienen, bleibt mehr Sendezeit für andere Geräte übrig.
  • Wird die WLAN-Geschwindigkeiten erhöht, erhöht sich auch die Kapazität des Netzwerks. Da die Geräte schneller bedient werden, steht mehr Sendezeit zur Verfügung, um noch mehr Geräte zu bedienen. So kann MU-MIMO dazu beitragen, Überlastungen in stark ausgelasteten Netzwerken zu verringern.
  • Den Durchsatz eines WiFi-Kanals kann durch das sogenannte Channel-Bonding erhöht werden. Hierbei werden zwei benachbarte Kanäle zu einem einzigen, doppelt so breiten Kanal kombiniert. Dadurch wird die WLAN-Geschwindigkeit effektiv. WiFi-6 unterstützt 40 MHz, 80 MHz und 160 MHz breite Kanäle.
    Selbst wenn das Netzwerk schmalere Kanäle mit einer Breite von 20 MHz oder 40 MHz verwendet, kann MU-MIMO dazu beitragen, dass die Kommunikation im Netz generell schneller abläuft, da einige Clients gleichzeitig bedient werden. Wie viel schneller, hängt davon ab, wie viele unterstützte Geräte im Netzwerk aktiv sind und wie viele Streams jedes Gerät unterstützt. Durch den Einsatz von MU-MIMO kann jedoch auch ohne die Implementierung breiterer Kanäle der Downlink-Durchsatz jedes Geräts mehr als verdoppelt werden.
  • Mathias Hein, Consultant, Buchautor, Redakteur

    Ein interessanter Nebeneffekt von MU-MIMO besteht darin, dass der AP die Daten verschlüsselt, bevor dieser die Daten über den Äther schickt. Daher kann nur der entsprechende WLAN-Empfänger die Daten entschlüsseln. Somit schützt MU-MIMO die Daten vor unberechtigtem Abhören und trägt zur Erhöhung der WLAN-Sicherheit bei.
    Bei WiFi-5 wurde diese Verschlüsselung nur auf den Downlink-Verbindungen realisiert. Mit WiFi-6 profitieren nun auch die Uplink-Verbindungen davon.

Von Mathias Hein, Consultant, Buchautor, Redakteur