Wi-Fi 6: die Faktendatei

Wi-Fi² ist eine drahtlose Netzwerktechnologie, die es Computern und anderen Geräten ermöglicht, über ein drahtloses Signal zu kommunizieren. Sie beschreibt Netzwerkkomponenten, die auf einem der 802.11 vom IEEE entwickelten und von der Wi-Fi Alliance übernommenen Standards basieren.

Fast alle modernen Computer verfügen über integrierte WLAN-Chips, mit denen Benutzer drahtlose Zugangspunkte finden und sich mit ihnen verbinden können. Die meisten mobilen Geräte, Videospielsysteme und andere eigenständige Geräte unterstützen auch WLAN, sodass sie sich auch mit drahtlosen Netzwerken verbinden können. Wenn ein Gerät eine WLAN-Verbindung mit einem Router herstellt, kann es mit dem Router und anderen Geräten im Netzwerk kommunizieren. Der Router muss jedoch mit dem Internet (über ein DSL oder Kabelmodem) verbunden sein, um einen Internetzugang für angeschlossene Geräte bereitzustellen.

Mobilfunk und Wi-Fi haben seit Jahrzehnten koexistiert und bisher hat keins von beiden das andere ersetzt. Im Gegenteil, beide sind floriert, und es wird allgemein akzeptiert, dass die Notwendigkeit mehrerer drahtloser Technologien weiter besteht. Während WLAN- und Mobilfunktechnologien ähnlich sind, unterstützen sie größtenteils unterschiedliche Anwendungsfälle. Dadurch sind sie oft eher zu Ergänzungen als zu Substituten geworden.

Mobilfunk

Mobilfunk, der im lizenzierten Spektrum betrieben wird, impliziert das Vorhandensein eines Eigentümers des Spektrums, in Form eines Mobilfunknetzbetreibers (MNO). Für den Teilnehmer besteht der Vorteil darin, dass die Verbindung zum Netzwerk automatisch, universell und allgegenwärtig ist. Die Mobilfunktechnologie bietet auch eine größere Reichweite für große Räume und ist von Natur aus mobil, was bedeutet, dass die Sitzungen der Benutzer auch dann beibehalten werden, wenn sie zwischen Funkgeräten wechseln. Mobilität ist eine der Funktionen, die das Mobilfunknetz für Sprachanrufe geeignet macht, da die Sprachanruf-Benutzererfahrung durch Sitzungsunterbrechungen gestört wird, während viele Datenerfahrungen (z. B. E-Mail) dies nicht tun. Mobilfunk ist auch die Technologie, mit der Rettungsdienstorganisationen (Feuer, Polizei, Krankenwagen) ihre Kommunikation im Allgemeinen standardisiert haben.

Wi-Fi

Im Gegensatz dazu arbeitet WLAN im nicht lizenzierten Spektrum und ermöglicht es einem privaten Unternehmen oder Hausbesitzer, ein Netzwerk zu erstellen, ohne sich auf einen kommerziellen Dienstleister zu verlassen. Als solches ist es der Standardzugriff auf das Unternehmens- oder Heimnetzwerk. Es wird für seine Fähigkeit zur Selbstbereitstellung und das Fehlen von Abonnementkosten geschätzt. Die Wi-Fi-Technologie stellt eine unbeobachtete Hochgeschwindigkeits-Konnektivität bereit und ermöglicht die Erfassung von Benutzerdaten durch andere Entitäten als eine MNO. Beachten Sie jedoch, dass der Zugriff auf WLAN nicht für alle automatisch ist – nur für reguläre autorisierte Benutzer. Neue oder besuchende benutzer müssen sich, falls zulässig, anmelden.

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WLAN wurde 1997³ erfunden und wurde in diesem Jahr für Verbraucher verfügbar, aber seine Ursprünge gehen noch viel weiter zurück.

Ab Anfang 2020 heißt die neueste Version von WLAN Wi-Fi 6, ein verbraucherfreundliches Rebranding des technischen Formats 802.11ax. Frühere Versionen von Wi-Fi, wie 802.11ac und 802.11n, werden nun als Wi-Fi 5 und Wi-Fi 4⁶ bezeichnet.

Die 802.11 Standards beziehen sich auf:

• Wie weit Funksignale reichen (indirekt, da sie mit Leistungspegeln zusammenhängen)
• Wie viele Daten das Signal übermitteln kann

Dieses Diagramm zeigt den Namen der Standards und neue Wi-Fi-Namenskonventionen:

*Die Wi-Fi Alliance hat nur offiziell Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 und Wi-Fi 6 genannt. Wi-Fi 1-3 ist die angenommene Namenskonvention.

Wie wir gesehen haben, wird ein bestimmtes nicht lizenziertes Spektrumband Wi-Fi-Systemen zugewiesen. Derzeit stehen drei Frequenzbänder zur Verfügung: 2.4 GHz (Wi-Fi 1*, 3*, 4 und 6), 5 GHz (Wi-Fi 2*, 4, 5 und 6) und 6 GHz (Wi-Fi 6E). Aufgrund unterschiedlicher Vorschriften kann man sich eine allgemeine Faustregel als je niedriger die Frequenz, desto länger die Reichweite und desto niedriger die Höchstgeschwindigkeit vorstellen (die Sendeleistung für jeden Kanal spielt ebenfalls eine Rolle). Wenn Sie mehr WLAN-Abdeckung wünschen, können Sie das 2.4-GHz-Band verwenden. Wenn Sie schnellere Geschwindigkeiten wünschen, können Sie das 5-GHz- oder 6-GHz-Band verwenden.

Innerhalb dieser WLAN-Frequenzbänder befinden sich kleinere Bänder, die als WLAN-Kanäle bezeichnet werden. Kanäle sind die Mittel, mit denen viele Geräte im gleichen Frequenzband in der gleichen Umgebung betrieben werden können. Je nach Land verfügt das 2.4-GHz-Band über 11 bis 14 Kanäle und das 5-GHz-Band über 17 bis 25 Kanäle⁷.

Stellen Sie sich WLAN-Kanäle als Fahrspuren auf einer Autobahn vor, obwohl sie unterschiedliche Breiten haben können:

• Vordefinierte Frequenzbereiche innerhalb eines Bandes (2.4, 5 und 6 GHz)
• Standardgrößen: 20, 40, 80 und 160 MHz
• In der Praxis überlappen sich die Kanäle (5 MHz Abstand) im 2.4 GHz-Band, sodass weniger nicht überlappende Kanäle für einen Access Point (AP) zur Auswahl stehen

Genau wie Autobahnen können auch WLAN-Kanäle überlastet werden, und die Verwaltung des richtigen Kanals kann die Netzwerkleistung erheblich verbessern (mehr dazu in Teil II dieses Artikels).

5 GHz-Kanalisierung

Beispiel für Kanalauslastung

Heute ist fast jedes Gerät WLAN-fähig. Weltweit sind mehr als 13 Milliarden WLAN-Geräte installiert, und diese Zahl steigt jeden Tag.

WLAN nach Nummern

Die Verbraucher waren mit durchschnittlich 6.5 Geräten pro Person in 2017.⁸ verbunden und es wird nicht langsamer. Es wird erwartet, dass es bis zu 2030 auf 15 verbundene Geräte pro Person anwachsen wird.⁹

Während einige dieser Geräte 5G-Mobilfunktechnologie verwenden, glauben Branchenexperten, dass WLAN mit 5G koexistieren und ein wichtiger Bestandteil vieler 5G-Anwendungsfälle sein wird. Mehr gebrauchte Geräte bedeuten eine höhere Nachfrage nach Netzwerken. Hier kommt WLAN 6 ins Spiel.

Audio- und Videonetzwerke

Viele Netzwerke verwenden Echtzeit-Transportprotokoll (RTP), um Audio- und Videodienste bereitzustellen.

 Der Sprachverkehr hat zwei Netzwerkanforderungen:

• Der Sprachverkehr wird ohne Erwartung gesendet, eine Bestätigungsantwort vom empfangenden Client zu erhalten.
• Sprachverkehr ist in Bezug auf den Datenverbrauch gering. Basierend auf dem in Geräten verwendeten Kompressor/Dekompressor beträgt die Nutzlast etwa 64 Kilobyte – und etwa 264 Kilobyte mit zusätzlichen Management-Headern.

Sprachverkehr stellt nur sehr wenig Nachfrage nach Netzwerkbandbreite. Wenn Latenz jedoch ein Problem ist, können unterbrochene Anrufe und Störungen auftreten.

Videokonferenzen haben die gleichen Anforderungen wie Sprachverkehr, mit der zusätzlichen Nachfrage nach Audio. Wi-Fi 6 adressiert Latenz und Jitter für Audio und Video und verbessert so die Anwendungsleistung.

Automatisierung

Ähnlich wie Sprache und Video ist der Automatisierungsverkehr klein, aber latenzempfindlich. Netzwerke fügen oft Automatisierungsdienste hinzu, ohne zu überlegen, ob sie diese Dienste unterstützen können. Wie bei Audio und Video erfordert Automatisierungsverkehr keine erhebliche Bandbreite, ist aber latenzempfindlich.

 
Wi-Fi 6 unterstützt Hochgeschwindigkeits-Konnektivität mit geringer Latenz und hat eine theoretische Höchstgeschwindigkeit von 9.6 Gigabit pro Sekunde¹¹. Das ist fast 2.6-mal mehr als WLAN 5.

Mit der Erweiterung von Wi-Fi 6 und dem neuen Standard für Netzwerke werden Unternehmen mit der Migration ihrer Infrastruktur zu Wi-Fi 6 beginnen. Dies wird in Umgebungen mit hoher Dichte, wie Stadien, Kongresszentren und Verkehrsknotenpunkten, immer wichtiger.

Die neue Technologie sorgt für Abwärtskompatibilität mit älteren Geräten und erhöht gleichzeitig die Kapazität und Sicherheit, erhöht die Datenraten, reduziert Netzwerküberlastungen und verbessert die Akkulaufzeit für kompatible Geräte.

Wi-Fi 6 APs, die in Umgebungen mit dichten Geräten eingesetzt werden, müssen wahrscheinlich höhere Service-Level-Vereinbarungen für gleichzeitig verbundene Benutzer und Geräte unterstützen – mit vielfältigeren Nutzungsprofilen.

Drei wichtige technologische Updates tragen zur verbesserten Leistung von Wi-Fi 6 gegenüber Wi-Fi 5 bei:

• Multiuser, mehrere Eingänge, mehrere Ausgänge (MU-MIMO): Ermöglicht es einem WLAN-AP, gleichzeitig mit mehreren Geräten zu kommunizieren, was die gesamte WLAN-Erfahrung verbessert. MU-MIMO kann den Durchsatz in Netzwerken mit hoher Dichte erheblich verbessern – selbst in Netzwerken, die bandbreitenintensive Dienste verwenden.
   
• Orthogonale Frequenzteilung mit multiplem Zugriff (OFDMA): Teilt einen WLAN-Kanal in kleinere Frequenzzuweisungen auf, die als Ressourceneinheiten bezeichnet werden. Dadurch kann ein AP mit mehreren Clients kommunizieren, indem er sie bestimmten Ressourceneinheiten zuweist.
   
• 1024-Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM): Ermöglicht eine Erhöhung der Datenrate um 25 Prozent bei Wi-Fi 6-APs und -Geräten. Durch Variieren der Phase und Amplitude von Funkwellen verbessert die Technologie die spektrale Effizienz, indem mehr Daten in jede Übertragung integriert werden.

Während Wi-Fi 6 dank mehr Funkketten und räumlichen Streams die Geschwindigkeit deutlich verbessert, nähern sich die meisten Geräte nicht 9.6 Gigabit pro Sekunde. Bei mobilen Geräten sind die Leistung und Antennen, die erforderlich sind, um die maximale Rate zu erreichen, aufgrund von Batterie- und physischen Platzbeschränkungen unerschwinglich. Darüber hinaus können die meisten Mobilgeräte nicht einmal die Datenmenge verwenden, die von einer Multi-Gigabit-Verbindungsgeschwindigkeit stammt.

Stellen Sie sich eine vierspurige Autobahn vor, die auf acht Fahrspuren erweitert werden könnte und große und voll beladene Lastwagen aufnehmen kann. Stellen Sie sich die gleiche Autobahn mit den LKWs nur zu 20 Prozent vor. In diesem Szenario wird die mögliche Effizienz und Kapazität des Netzwerks verschwendet, da die LKWs die Straße ohne volle Kapazität überqueren. Jeder LKW kann nur Produkte (oder Daten) für einen Kunden (ein Gerät) transportieren.

Die Fahrzeuge (Geräte), die das Autobahnnetz nutzen, sind ein ineffizientes System. Die Lösung? Anstatt einen LKW pro Kunde zu haben, werden LKW-Unternehmen mehrere Pakete von mehreren Kunden abholen lassen, bis der LKW voll ist, bevor er auf der Straße verschickt wird. Dies ermöglicht mehr Produkte (Daten) auf der Straße.

Nutzung von Ressourcen

Die Kombination mehrerer Geräte in einer einzigen Ressource war mit früheren Versionen von WLAN nicht möglich. Es konnte jeweils nur ein Gerät übertragen werden – ob es eine volle Nutzlast (voller LKW) oder die durchschnittliche Nutzlast (nur 20 Prozent voll) hatte. Wi-Fi 6 ändert das.

Wi-Fi 6 APs mit Wi-Fi 5 Clients

Es ist schwierig, die genauen Verbesserungen zu quantifizieren, die Netzwerke mit Wi-Fi 6 realisieren werden. CommScope-Tests haben jedoch gezeigt, dass das Ersetzen eines Wi-Fi 5-AP durch einen Wi-Fi 6-AP die Netzwerkgeschwindigkeit um bis zu 20 Prozent erhöht – selbst in einer Umgebung mit allen Wi-Fi 5-Clients. Dieser Prozentsatz hängt von den Unterschieden bei den verwendeten Clients und Anwendungen ab.

Weitere Verbesserungen werden bei der Einführung einer Mischung aus Wi-Fi 5 und Wi-Fi 6 Client-Geräten beobachtet. Die Verbesserungen rechtfertigen die Verwendung von Wi-Fi 6 APs heute, während sie auf den Zustrom von Wi-Fi 6-Geräten warten, die morgen folgen.

Vor WLAN 6 wurden Kapazitätsbeschränkungen durch die Gesamteffizienz der Ressourcen vorgegeben, mit denen die Geräte verbunden sind. Heutzutage ist die ständige Nachfrage nach drahtloser Konnektivität und Mobilität entscheidend für zusätzliche Kapazität und Effizienz – genau das bietet Wi-Fi 6.

Drahtlose Netzwerke konzentrieren sich nicht mehr auf mobile Geräte. Eine Studie der International Data Corp. schätzt, dass bis zum Jahr 2025 weltweit über 41.6 Milliarden verbundene IoT-Geräte verfügen wird, einschließlich Maschinen, Sensoren und Kameras. Nur wenige davon gelten als mobil. Im durchschnittlichen Unternehmen sind mehr als 30 Prozent aller netzwerkverbundenen Endpunkte IoT-Geräte (ausgenommen mobile). Diese Geräte werden im 2025. Jahr fast 80 Zettabyte an Daten generieren. Als Referenz gilt, dass ein Zettabyte 1,000 x 10 Kilobytes beträgt.

Zusätzliche Clients mit OFDMA

Anstatt die Geschwindigkeit für einzelne Geräte zu erhöhen, geht es bei Wi-Fi 6 darum, das Netzwerk zu verbessern, wenn mehrere Geräte verbunden sind. Client-Geräte haben mehr Möglichkeiten, Daten zu übertragen und zu empfangen, was Latenz und Jitter reduziert.

In früheren Wi-Fi-Standards kam es zu einer zusätzlichen Geschwindigkeit in Form von zusätzlichen Sendefunkgeräten (TX), Empfangsfunkgeräten (RX) und räumlichen Streams (SS), die als „TX x RX: SS“ (4x4:4 bedeutet vier Sendefunkgeräte, vier Empfangsfunkgeräte über vier räumliche Ströme), zusätzliche Kanalbreiten (von 20 MHz bis 320 MHz) oder erhöhte QAM (von 16-QAM bis 1024-QAM). Diese zusätzliche Hardware und die verbesserte Modulation sind nicht der einzige Aspekt, der Wi-Fi 6 dabei hilft, die Netzwerkgeschwindigkeit zu erhöhen. Und die Clients müssen nicht unbedingt Wi-Fi 6-Geräte sein. Die Vorteile gelten auch für ältere Geräte.

Über die verbesserte Modulation: Höhere Datenraten (Netzwerkgeschwindigkeit) implizieren mehr Bits pro Sekunde, was eine anspruchsvollere Modulation erfordert – im Falle von Wi-Fi 6, einer dichteren QAM-Konstellation. Um die Kommunikation ordnungsgemäß herzustellen, müssen die Funkgeräte einen bestimmten Punkt innerhalb der QAM-Konstellation treffen und dies auf Anfrage tun. Während 64-QAM eine langsamere Netzwerkgeschwindigkeit ermöglicht als höhere QAMs, ist es viel einfacher, diese winzigen Punkte in der Konstellation zu erreichen, was das System robuster macht. Wenn sich Wi-Fi 6 ausschließlich auf 1024-QAM verlassen würde, um eine Geschwindigkeitssteigerung zu erreichen, wäre die Verbesserung nicht so groß, wie man erwarten könnte.

Die Fehlervektorgröße (EVM) ist ein imaginärer Kasten, der um jeden Punkt in der Quadraturamplitudenmodulations-(QAM)-Konstellation gezeichnet ist. Sie ist gleich weit von jedem Punkt entfernt und stellt die Fehlerspanne dar, die ein Signal hat, wenn es versucht, das Ziel zu erreichen. Da die Perfektion im Wireless schwer zu erreichen ist, muss der Punkt in der Konstellation nicht genau in der Mitte liegen.

Je niedriger das QAM (16 versus 64), desto größer das Ziel (das EVM), aber mit einer Verringerung des Wertes oder der Geschwindigkeit. Je höher das QAM (64 vs. 1024), desto kleiner das Ziel. Stellen Sie sich angesichts der Größe des EVM bei 64 QAM die Größe des EVM bei 1024 QAM vor.

Bei höheren QAM-Raten müssen Geräte sehr „saubere Luft“ (hohes Signal-Rausch-Verhältnis) haben, um jedes Mal EVM zu erreichen. Wenn die Luft nicht „sauber“ ist, werden einige Geräte von 1024-QAM auf 256-QAM, dann auf 64-QAM und schließlich auf 16-QAM herunterschalten – wodurch die Geschwindigkeit für Zuverlässigkeit ausgetauscht wird. Mit abnehmender QAM-Zahl wird das EVM in der Konstellation größer, was es einfacher macht, es zu erreichen.

Selbst bei älteren Clients (Nicht-Wi-Fi 6) wird ein neuer AP sein Ziel, oder EVM, in der QAM-Konstellation viel besser erreichen, was zu einer schnelleren Erfahrung für alle Geräte führt – nicht nur für diejenigen, die Wi-Fi 6 und 1024-QAM können. Mit Wi-Fi 6 können nicht alle Geräte die Vorteile von 1024-QAM nutzen, aber einige werden dies tun. Wi-Fi 6-Clients, die ihre Daten schneller senden – sogar manchmal – machen ein effizienteres Basis-Serviceset (WLAN-Zellen), das das Erlebnis für alle schneller macht.

Da sich WLAN 6 nicht ausschließlich auf schnellere und höhere QAM-Raten verlässt, bringt die zusätzliche Geschwindigkeit eine höhere Effizienz und Kapazität mit sich. Da Geräte das Spektrum effizienter nutzen können, öffnet es Zeitfenster für Geräte zur Übertragung, die als Sendemöglichkeit (TXOP) bezeichnet werden. Durch die Verwendung von OFDMA können Geräte mit kleineren Nutzdaten ihre Daten gleichzeitig übertragen. Mehr Möglichkeiten auf dem Kanal bedeuten, dass alle Geräte natürlich schneller werden, da mehr Zeit für Geräte verfügbar ist, die sie benötigen.

Verbesserung der Ressourcennutzung

Mehr TXOP in Kombination mit Geräten, die höhere QAM-Raten verwenden können, bedeutet, dass Geräte schneller mehr Daten übertragen werden, was zu einer Verringerung der TXOPs führt, die das Gerät benötigt. Mehr TXOP für andere Geräte, einschließlich Wi-Fi 4 und 5, bedeutet, dass sie schneller werden.

Das Endergebnis? Es wird erwartet, dass ein Upgrade auf ein Wi-Fi 6-Netzwerk, auch wenn die meisten Clients nicht Wi-Fi 6-fähig sind, viele der heutigen Netzwerkherausforderungen lösen wird.

Geschützte Managementrahmen

WPA3 erfordert die Aktivierung geschützter Managementframes (PMFs). PMFs verbessern die WLAN-Sicherheit und den Netzwerkschutz vor bösartigen Angriffen wie Spoofing, indem sie Datenvertraulichkeit und Wiedergabeschutz für Managementframes bieten.

Wi-Fi 6E wurde entwickelt, um Staus, Engpässe und eingeschränkte Kanalbreiten von älteren Wi-Fi-Bands zu verringern:

• Weniger Staus: Aktuelles WLAN bietet 28 nicht überlappende 20-MHz-Kanäle; WLAN 6E bietet 59 neue 20-MHz-Kanäle¹⁴. Die hinzugefügten Kanäle werden dazu beitragen, viele der heutigen Herausforderungen bei Überlastungen zu minimieren und eine bessere Unterstützung für mehr vernetzte Geräte und Gerätetypen zu ermöglichen.
   
• Höhere Geschwindigkeit: 1,200 MHz des zusammenhängenden Spektrums ermöglicht eine Kanalbindung von 80 MHz (14 neue Kanäle) und sogar 160 MHz (7 neue Kanäle). Dies ist eine gute Nachricht für Veranstaltungsorte mit hoher Dichte wie Kongresszentren und Auditorien. Zu Hause bieten WLAN und Wi-Fi 6E Geschwindigkeiten, die die Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten der neuesten Glasfaser- und DOCSIS 3.1-Netzwerke ergänzen. Durch die Kombination mehrerer 20-MHz-Kanäle in einem breiteren Kanal mit höherem Durchsatz von 80 MHz oder 160 MHz können bestehende Wi-Fi 6-Clients ihre maximalen Geschwindigkeiten erreichen, ohne die Grenzen des Betriebs in kleineren Kanalbreiten zu überschreiten. Wi-Fi 6E kann auch mehr kabelgebundene Ersatzanwendungen unterstützen, wie z. B. drahtlose Punkt-zu-Punkt- und Indoor-Mesh-Backbone-Verbindungen.
   
• Geringe Latenz: Wi-Fi 6E unterstützt nur Geräte, die OFDMA, mehrere Benutzer, mehrere Eingänge, mehrere Ausgänge (MU-MIMO), 1024-QAM und 6 GHz unterstützen. Alle anderen älteren Wi-Fi-Geräte sind auf die 2.4-GHz- und 5-GHz-Bänder beschränkt. Es wird erwartet, dass neue APs eine Abwärtskompatibilität bieten, um Wi-Fi 6E und Legacy-Bands zu unterstützen.
   
• Kabelgebundene Ersatzanwendungen: Wi-Fi 6E kann auch mehr kabelgebundene Ersatzanwendungen unterstützen, einschließlich drahtloser Punkt-zu-Punkt- und Indoor-Mesh-Backbone-Verbindungen.
   

Hauptunterschiede zwischen Wi-Fi 5, Wi-Fi 6 und Wi-Fi 6E:

Frühere Modulationsschemata im Wi-Fi verwendeten orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM), das es nur einem Gerät ermöglicht, nacheinander zu übertragen, unabhängig von der Größe der Nutzlast. Wenn ein vollständiger Frame (der Name für ein Paket, während es sich in der Luft befindet) einem Client-Gerät zugewiesen wird – unabhängig davon, ob es den vollständigen Frame benötigt oder nicht – sind die Ineffizienzen offensichtlich.

OFDM auf einem 20 MHz breiten Kanal

Wi-Fi 6 verwendet ein neues Modulationsschema, das als OFDMA bekannt ist, das es nun ermöglicht, bis zu neun Geräte gleichzeitig auf einem 20-MHz-Kanal zu übertragen, wenn ihre Nutzlasten die Anforderungen erfüllen. Wenn die zu übertragende Nutzlast mehr Kapazität erfordert, wird dies von der Infrastruktur spontan angepasst und geplant, damit gleichzeitig die effizientesten Kombinationen von Nutzlasten übertragen werden können.

OFDMA auf einem 20 MHz breiten Kanal

Beim Vergleich der beiden obigen Abbildungen sehen Sie, dass das, was drei Frames für den Transport mit OFDM benötigt hatte, nun in einem Frame kombiniert werden kann. Was eine halbleere Ressource war (Frame #1 für Client A), ist nun mit den zusätzlichen Daten für zwei zusätzliche Clients gefüllt (Frames 2 und 3 für Clients B und C). Beide Figuren verwenden immer noch einen 20 MHz breiten Kanal, aber in Abbildung 3 sehen wir, dass die Einführung der Ressourceneinheit (RU) oder dieses 20 MHz breiten Kanals in neun separate Frequenzzuweisungen unterteilt wird.

Was bei OFDM acht Frames in Anspruch genommen hatte, kann jetzt in nur drei Frames OFDMA erreicht werden. Die neue Effizienz von Wi-Fi 6 bedeutet, dass Clients ab Baugröße 4 durch die Verwendung von OFDMA jetzt mehr Daten senden können – oder, wie in Baugröße 5 zu sehen, können zusätzliche Clients jetzt ihre Daten senden. Durch die vollständige Nutzung der verfügbaren Ressourcen können mehr Daten in derselben Zeit gesendet werden (acht Frames für jedes Beispiel) und mehr Kunden haben die Möglichkeit, ihre Daten zu senden. Mehr Daten von mehr Clients in kürzerer Zeit führen zu einem Netzwerk, das sich schneller anfühlt als frühere Generationen.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Clients OFDMA verwenden (oder in der Lage sein müssen). Die Gruppierung der OFDMA (Wi-Fi 6)-Clients in einem einzigen Frame öffnet die verbleibenden Frames für einen OFDM (Wi-Fi 5)-Client, um die Ressource zu nutzen.

Mit anderen Worten: Wi-Fi 6-APs sind abwärtskompatibel mit älteren Wi-Fi-Geräten; da jedoch alle Clients ihre Daten jetzt in kürzerer Zeit senden können, wird das Erlebnis schneller sein.

OFDM-Übergang zu OFDMA

Durch die Verwendung eines Wi-Fi 6-Netzwerks und die Nutzung von OFDMA wären Wi-Fi 6-APs in der Lage, mehr Geräte zu verarbeiten, ohne später mehr APs hinzufügen zu müssen, um die Last zu tragen, da die Anzahl der Geräte weiter zunimmt.

1024-Quadratmeter-Amplitudenmodulation (QAM) ist ein hoch entwickeltes Modulationsschema, bei dem Daten über Funkfrequenzen übertragen werden. Bei der drahtlosen Kommunikation ist QAM ein Signal, bei dem zwei Träger (zwei sinusförmige Wellen) – phasenverschoben um 90 Grad (ein Viertel aus der Phase) – moduliert werden und der resultierende Ausgang aus Amplituden- und Phasenvariationen besteht. Diese Variationen sind die Grundlage für die Informationen, die wir auf den Client-Geräten sehen.

MIMO steht für Mehrfacheingabe, Mehrfachausgabe und bezieht sich auf drahtlose Funkgeräte, die mehrere Antennen verwenden, um das Signal zu senden und zu empfangen. Diese Einrichtung ermöglicht es den APs und Client-Geräten, von einer Vielzahl von Ausbreitungspfaden zu profitieren, wodurch schnellere Geschwindigkeiten und größere Reichweiten erzielt werden. Diese Verbesserung trat bei Wi-Fi 4 auf und wird nach wie vor von höheren Standards verwendet.

Zusätzlich zu den MIMO-Vorteilen bietet Wi-Fi 5 auch einen drahtlosen Multistation (MU)-Netzwerkdurchsatz von mindestens 1 Gbit/s und einen Einzelstationsdurchsatz von mindestens 500 Mbit/s.

Die Wi-Fi 5-Implementierung der Multiuser-Multiple-Input-Multiple-Output-Lösung (MU-MIMO) hatte jedoch einige Einschränkungen, die weiter unten erörtert wurden und die Auswirkungen auf die Funktionsweise außerhalb eines Labors hatten – und letztendlich zu fast keinen Vorteilen bei der realen Bereitstellung führten.

Die erste Einschränkung war die Richtung der Daten. Es war nur ein Downlink, d. h. es konnte nur zum Senden von Daten vom AP an die Client-Geräte verwendet werden. Zweitens nutzte es anstelle von Funkgeräten räumliche Ströme. Das bedeutet, dass es nur funktionieren würde, wenn alle Client-Geräte, die an dieser Gruppe teilnehmen, in der richtigen Ausrichtung zum AP wären – das Senden der Daten, um die Trennung der räumlichen Ströme zu ermöglichen.

Wenn sich die Kunden nicht in den grünen Bereichen aufhalten würden, wie unten gezeigt, würde MU-MIMO nicht funktionieren. Darüber hinaus traten bei der Konvergenz der Strahlen immer mehr Probleme auf. Die letzte Einschränkung: MU-MIMO war auf maximal vier Geräte gleichzeitig beschränkt.

Wi-Fi 5 MU-MIMO mit räumlichen Streams

Mit Wi-Fi 6 unter Verwendung von OFDMA-Ressourceneinheiten anstelle von räumlichen Streams (siehe Abbildung 5: OFDM-Übergang zu OFDMA), wurden die Einschränkungen von MU-MIMO in Wi-Fi 5 gelöst. Sie gilt nicht nur im Downlink (DL) vom AP zum Client, sondern auch für den Uplink (UL) vom Client zum AP.

Wi-Fi 5 verwendete räumliche Streams, um die Datenstreams zu trennen, wodurch die Implementierung begrenzt und schwer zu orchestrieren war. Durch die Verwendung der kleineren Kanalbreiten der RUs ermöglicht ein Wi-Fi 6-System der Empfangsstation, ob AP oder Client, ihren Empfänger einfach auf die kleinere Spektrumsscheibe abzustimmen und die an die anderen Geräte gesendeten Daten zu ignorieren.

OFDM (Wi-Fi 5) vs. OFDMA MU-MIMO (Wi-Fi 6)

Die Target Wake Time (TWT) ermöglicht es Geräten, zu bestimmen, wann und wie oft sie aufwachen, um Daten zu senden oder zu empfangen. 802.11ax¹⁵APs können damit die Schlafzeit des Geräts verlängern und die Akkulaufzeit erheblich verbessern – eine Funktion, die für das Internet der Dinge wichtig ist.

TWT spart Client-seitig nicht nur Strom, sondern ermöglicht es drahtlosen APs und Geräten auch, bestimmte Zeiten für den Zugriff auf das Medium zu verhandeln und zu definieren. Dies hilft, die spektrale Effizienz zu optimieren, indem es die Meinungsverschiedenheiten und Überschneidungen zwischen den Benutzern reduziert. Der TWT-Mechanismus erschien erstmals im IEEE 802.11ah-Standard „Wi-Fi HaLow“.

Der in 2017 veröffentlichte Energiesparstandard wurde speziell für die Unterstützung der groß angelegten Bereitstellung von IoT-Infrastrukturen wie Stationen und Sensoren entwickelt, die die Signalteilung intelligent koordinieren. Die TWT-Funktion wurde mit dem IEEE 802.11ax-Standard weiterentwickelt, da Stationen und Sensoren jetzt nur noch erforderlich sind, um mit den spezifischen Sendeanweisungen für die TWT-Übertragungssitzungen, zu denen sie gehören, zu wecken und zu kommunizieren. Dies ermöglicht es dem drahtlosen IEEE 802.11ax Standard¹⁶, die Energieeinsparung für viele Geräte mit einer zuverlässigeren, deterministischeren und LTE-ähnlichen Leistung zu optimieren.

Bei älteren Wi-Fi-Bereitstellungen mit hoher Dichte wurden typischerweise aufgrund eines begrenzten Spektrums mehreren APs denselben Übertragungskanälen zugewiesen – ein ineffizientes Paradigma, das zu Netzwerküberlastungen und Verlangsamungen beitrug. Darüber hinaus waren IEEE 802.11-Geräte nicht in der Lage, effektiv miteinander zu kommunizieren und zu verhandeln, um die Kanalressourcen zu maximieren.

Im Gegensatz dazu sind Wi-Fi 6 APs so konzipiert, dass sie die effiziente Wiederverwendung von Spektrum in Bereitstellungen mit hoher Dichte mithilfe von Techniken optimieren, die eine Basic Service Set (BSS)-Farbgebung beinhalten. Dieser Mechanismus „farbcodiert“ oder markiert gemeinsam genutzte Frequenzen mit einer Zahl, die im PHY-Header (physische Schicht im OSI-Stack) enthalten ist, der zwischen dem Gerät und dem Netzwerk weitergeleitet wird.

In der Praxis ermöglichen diese Farbcodes APs zu entscheiden, ob die gleichzeitige Verwendung des Spektrums zulässig ist, da der Kanal als beschäftigt und nicht verfügbar angezeigt wird, wenn dieselbe Farbe erkannt wird. Dies hilft, überlappende grundlegende Servicesets (OBSS) zu mildern. Im Gegenzug ermöglicht dieses Protokoll einem Netzwerk, Daten effektiver und gleichzeitig an mehrere Geräte in überfüllten Bereichen zu übertragen.

Dieses Ziel wird erreicht, indem OBSS identifiziert, mittlere Streitigkeiten verhandelt und die am besten geeigneten Techniken für das Störungsmanagement bestimmt werden. Die Färbung ermöglicht es Wi-Fi 6-APs auch, die Parameter der Clear Channel Assessment (CCA) genau anzupassen, einschließlich der Energie (adaptive Leistung) und der Signalerkennung (Empfindlichkeitsschwellen).

Mit Wi-Fi 6 können mehrere APs, die in Umgebungen mit dichten Geräten eingesetzt werden, gemeinsam die erforderliche Servicequalität (Quality of Service, QoS) für mehr Clients mit vielfältigeren Nutzungsprofilen bereitstellen. Möglich wird dies durch eine Reihe von Technologien – wie BSS-Farbgebung –, die die Netzwerkleistung maximieren, indem sie selbst in stark überlasteten Co-Channel-Interferenzumgebungen arbeiten.

Bleiben Sie dran für weitere Wi-Fi 6-Technologieinnovationen im zweiten Teil dieses Artikels.