WLAN IEEE 802.11ac – Flottes Gigabit-WLAN mit Hürden

Im Jahr 2013 wurde der Standard 802.11ac von der IEEE definiert. Dieser Standard befasst sich mit drahtloser Kommunikation in lokalen Netzwerken (Wireless LAN). Im Gegensatz zum mittlerweile im Heimbereich fest etablierten 802.11n-Standard funkt ein 802.11ac-Modul nur auf 5 GHz und nicht mehr auf 2,4 GHz. Waren bei 802.11n noch im 2,4 GHz und 5 GHz-Band bis zu theoretischen 4 Spatial Streams und praktisch implementierten 3 Spatial Streams mit 150 Mbit/s pro Stream möglich, um auf maximale 600 Mbit/s (Theorie mit 4 Streams) bzw. 450 Mbit/s (praktische Umsetzung mit bis zu 3 Streams), sieht es beim neuen ac-Standard anders aus.
wireless_lan_development
Von 2 Mbit/s im Jahr 1997 mit dem Basisstandard 802.11 bis 2013 mit der Erweiterung des Standards durch
den neuen IEEE-Standard 802.11ac mit bis zu 7 GBit/s : Ein weiter Weg, aber eine deutliche Entwicklung
Nur 5GHz-Band wird von 802.11ac genutzt
Wie bei der 802.11n-Einführung wird auch hier in mehreren Phasen die Standardisierung umgesetzt. Dies ist in zwei Phasen (Wave 1 und Wave 2) aufgeteilt. Größter Unterschied zu 802.11n auf physikalischer Ebene: Kein 2,4 GHz-Band wird mehr genutzt! Es wird nur im 5 GHz-Band gefunkt, was die nominale Ausbreitung erheblich eindämmt, da das 5 GHz-Band breiter ist, höhere Datenraten möglich sind, allerdings auf kürzere Distanz.
Durch das breitere Band, die höheren Datenraten und die wesentlich feinere Modulation des Signals ist der ac-Standard eher als eine Art Nahkommunikationsstandard, wie es beispielsweise bei Bluetooth der Fall ist, zu sehen, da die Entfernung zur ausstrahlenden Einheit für einen optimalen Datendurchsatz je nach Gebäude und Umgebung maximal 15 m betragen darf.

 

ac-Implementierung
Fast in jedem Büro ein Access Point: WLAN 802.11ac
Das wiederum bedeutet bei einer Planung in einer mittleren bis großen WLAN-Infrastruktur-Grundfläche einen erheblichen Multiplikator bei der Anzahl an Access Points. Hat man bei einem Referenzgebäude mit ca. 160qm WLAN-relevanter Grundfläche bei einer Ausrichtung auf eine optimale Ausleuchtung mit n-Standard 6 Access Points im Einsatz, kann als Daumengröße der Multiplikator 6 verwendet werden, um einen ungefähren Überblick zu erhalten, wie eine Ausleuchtung auf ac-Standard-Basis aussehen wird. Nimmt man die Anzahl von 6 Access Points für n-W-LAN an und überträgt dies mit dem Multiplikator 6 in eine ac-Schätzung, landet man schnell bei 36 ac-Access Points. Hintergrund für diesen hohen Multiplikator ist zudem das verwendete Modulationsverfahren, sprich die Granularität des Signals. In der nachstehenden Tabelle sind die für W-LAN gängigen Modulationsverfahren aufgeführt und die Mindestsignalstärke in dbm, die gewährleistet sein muss, um eine stabile Datenverbindung aufzubauen. Diese Tabelle bezieht sich dabei auf asymmetrische Kommunikation, sprich Mailen, Surfen, Chatten. Möchte man Echtzeitdienste, VoIP-over-W-LAN oder Ähnliches einsetzen, ist hier nach Bedarf eine entsprechende Anpassung nach unten (ca. -15dbm bis -20dbm) zu empfehlen. Der ac-Standard verwendet das Modulationsverfahren 256-QAM (Quadrat-Amplituden-Modulation), welches bereits für das 80 MHz breite Band die Untergrenze bei -51 dbm hat. Auf dem einen verfügbaren Kanal in Wave 2, der 160 MHz breit ist, sinkt dieser Wert erneut auf -48 dbm. Bei W-LAN-Implementierungen des n-Standards nach erfolgter Ausleuchtung des Gebäudes geht man meist von 80 dbm als allerunterste Schmerzgrenze und meist als empfohlene Untergrenze von -70dbm bis -65dbm aus. Insofern reagiert das ac-Modul deutlich sensibler und muss infolge dessen sorgsam geplant und implementiert werden. Eine passive wie auch aktive Ausleuchtung der zu planenden Gebäude (-teile) im professionellen Umfeld ist deshalb dringend zu empfehlen. Kommt bei Bedarf auf mich über das Kontaktformular zu,  schreibt mir eine Nachricht bei twitter oder hinterlasst bei Fragen gerne auch einen Kommentar.
Minimale Signalstärke für Daten-Verbindungsaufbau nach Modulationsverfahren
Modulation
Kodierung
Signalstärke
20 MHz (min.)
Signalstärke
 40 MHz (min.)
Signalstärke
80 MHz (min.)
Signalstärke
160 MHz (min.)
BPSK
1/2
-82
-79
-76
-73
QPSK
1/2
-79
-76
-73
-70
QPSK
3/4
-77
-74
-71
-68
16-QAM
1/2
-74
-71
-68
-65
16-QAM
3/4
-70
-67
-64
-61
64-QAM
2/3
-66
-63
-60
-57
64-QAM
3/4
-65
-62
-59
-56
64-QAM
5/6
-64
-61
-58
-55
256-QAM
3/4
-59
-56
-53
-50
256-QAM
1/2
-56
-54
-51
-48
Mehr Speed, mehr oder andere Ports – schon in der ersten Welle
Da die Sprache dazu neigt, in Umgangssprache abzudriften: Der besagte Standard beschäftigt sich mit dem selben Inhalt wie der umgangssprachliche Begriff „Gigabit-W-LAN„. Doch 802.11ac kann weit mehr als ein Gigabit. Pro Spatial Stream stehen ca. 433 Mbit/s zur Verfügung. Da in Wave 1 bereits drei Streams genutzt werden können, ergibt das ca. 1,3 Gbit/s pro ac-Modul bzw. pro Access Point. Aus Kompatibilitätsgründen gegenüber den Endgeräten und um eine höhere Grundabdeckung mit einem Access Point im 2,4 GHz-Bereich zu erhalten, ist gewöhnlich in einem modernen Access Point weiterhin das n-Modul verbaut, was ebenfalls bis zu 450 Mbit/s liefert. Nach Adam Riese und Eva Zwerg kommt man nun bei einem Access Point auf  fast 2 Gbit/s in Wave 1. Da die meisten Access Points der vorherigen Standards mit weit unter 1 Gbit/s auskamen, konnte man völlig unproblematisch einen 1 Gbit/s-Uplink mit PoE (Power over Ethernet) via Kupfer einsetzen. Bei dem nun aufkommenden Datenverkehr würde ein Gigabit-Uplink einen unschönen Flaschenhals in der Übertragung bilden. Unterschiedliche Lösungsansätze der Hersteller zu diesem Thema sind noch in der Praxiserprobung. So gibt es beispielsweise Hersteller, die das Problem mit einem (noch) sehr teuren 10 Gbit/s-Uplink via Kupferkabel mit PoE gelöst haben, ein anderer setzt zwei Gigabit-Ethernet-Interfaces (davon eins mit PoE) ein, um zumindest den Anforderungen der Wave 1 gerecht zu werden, wieder andere Hersteller setzen bereits auf eine Kupfer/LWL-Kombination mit in Summe 11 Gbit/s Uplink und PoE auf den Kupferadern.
In jedem Fall bedeutet das Upgrade auf ac-WLAN Kosten. Kosten aufgrund deutlich höherer Anzahl an Access Points, Kosten aufgrund von mehreren, teils deutlich teureren (10 Gbit/s Kupfer, 10 Gbit/s LWL) Switchports auf Distributions- und Access-Ebene. Zudem muss der gesamte Backbone den Anforderungen angepasst werden. Das erhöhte Datenflussaufkommen betrifft auch Server, Load-Balancer, Firewalls und Access Gateways, Core-Switche und W-LAN-Controller. Diese sind die vermutlich höchsten Kosten. Jeder muss für sein Einsatzgebiet selbst entscheiden, ob Kosten und Nutzen, also Kosten vs. Bandbreite im Verhältnis stehen. Fest steht: Wireless-Lösungen sind gesucht und ein Ende des Wireless-Wahns ist nicht in Sicht.
Es ist sicherlich interessant, die Entwicklung in Hinblick auf Wave 2 zu verfolgen, da sich noch einmal eine erhebliche Leistungssteigerung darin versteckt: Bis zu 7 Gbit/s (theoretisch) über WLAN. Für mehrere Clients gleichzeitig. Fast unvorstellbar. Zumindest heute. Ebenfalls kommt ein 160Mbit breiter Kanal hinzu und ein weiterer 80MHz breiter Kanal wird ergänzt. Spätestens in Wave 2 muss bei einer Implementierung auch auf Radar-Signale (z.B. Wetterradarstationen) geachtet werden, da diese die Frequenzbereiche erheblich einschränken bzw. manche Frequenzen komplett belegen. Wir können gespannt sein!
MIMO? Schnee von gestern! MU-MIMO ist angesagt!
Die zweite Welle der ac-Standardisierung bringt Multi-User-MIMO mit sich. Das ist die technische Möglichkeit, das Senden und Empfangen von mehreren Stationen auf dem gleichen Kanal zur gleichen Zeit zu unterstützen (802.11n nur eine Station per Zeitslot). Dies erhöht ebenfalls erheblich die Performance in Multi-User-Enviroments, wie Konferenzräumen, Veranstaltungssälen und weiteren vielbesuchten Örtlichkeiten.
Mehr Spatial Streams, mehr Power
Mit dem neuen Standard sind theoretisch bis zu 8 Spatial Streams möglich. Verglichen mit 4 Spatial Streams bei 11n (kein Hersteller setzte bisher mehr als 3 Streams um) ist dies eine Verdopplung der Streams. Wave 1 unterstützt drei Spatial Streams. Somit sind bereits pro Stream die Datenraten erreicht, die mit dem n-Standard maximal mit drei Streams erzielt werden können. Die kompliziertere Modulation mit 256bit-QAM trägt da einen erheblichen Teil zu bei. Wichtig ist bei einer Gesamtbetrachtung ebenfalls, dass nur auf sehr kurze Distanz zur sendenden Einheit diese Übertragungsraten erreicht werden können, da die Modulation zu fein ist, um aus weiterer Entfernung vom Modul dechiffriert zu werden.

Was denkt Ihr? Lohnt sich der Umstieg auf 802.11ac oder (noch) nicht? Was hindert Euch ggf. an einer Umsetzung? Wie könnten weitere Lösungsansätze der Hersteller aussehen?

Schreibt´s in die Kommentare!

Euer
– nugaxstruxi
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© by nugaxstruxi

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