802.11n: Turbo-WLAN mit Tücken

11.10.2007
Von Mathias Hein 
Geschwindigkeiten im 100-Mbit/s-Bereich versprechen neue WLANs nach dem IEEE-Standard 802.11n. Eine erfolgreiche Migrationsstrategie erfordert jedoch mehr als den einfachen Austausch der Access Points.
Mit der Einführung von 802.11n-Access-Points steigt die Last im kabelgebundenen Backbone überproportional. Meist ist deshalb eine Migration auf Gigabit Ethernet erforderlich.
Mit der Einführung von 802.11n-Access-Points steigt die Last im kabelgebundenen Backbone überproportional. Meist ist deshalb eine Migration auf Gigabit Ethernet erforderlich.
Der hohe Datendurchsatz der 802.11n-WLANs bringt die Switches an ihre Leistungsgrenze, so dass der User kaskadieren oder stacken muss.
Der hohe Datendurchsatz der 802.11n-WLANs bringt die Switches an ihre Leistungsgrenze, so dass der User kaskadieren oder stacken muss.

WLANs auf Basis des neuen IEEE-Standards 802.11n versprechen drastisch höhere Durch-satzraten. Diese Raten werden durch eine noch komplexere Technologie als bei bisherigen WLANs und das Zusammenspiel einer Vielzahl unterschiedlicher Funktionen erreicht. Deshalb ist ein Umstieg in Enterprise-Umgebungen im Gegensatz zum heimischen Umfeld meist nicht mit dem einfachen Austausch der Access Points erledigt. Um optimal von der neuen WLAN-Technik zu profitieren, kommen Netzverantwortliche in den Augen von Stephan Walder, Systems Engineer beim WLAN-Anbieter Colubris Networks, nicht umhin, sich mit den technischen Besonderheiten des neuen Funkstandards zu befassen. Ferner sollten sie laut Walder bei der Migration einige Besonderheiten beachten.

Besonderheiten der 802.11n-Migration

Ältere MIMIO-Geräte können 802.11n ausbremsen.

Die neue Funktechnik wartet mit einer anderen Ausleuchtungscharakteristik auf.

Neues Modulationsverfahren kann zur Verknappung der verfügbaren Kanäle im 2,4 Gigahertz-Band führen.

Störungen im 2,4-Gigahertz-Band können das schnelle WLAN ausbremsen.

Prüfen Sie den Aufbau eines separaten 802.11n-WLAN im 5 Gigahertz-Band, um die Leistung voll auszuschöpfen.

Achten Sie bei der Anschaffung neuer Notebooks darauf, dass diese 802.11n auch im Gigahertz-Bereich unterstützen.

Mit 802.11n steigt der Datendurchsatz auf das Zehnfache verkraften die WLAN-Switches diesen Verkehrszuwachs?

Mit 802.11n deutet sich ein Paradigmenwechsel an. Zentrale WLAN-Intelligenz wird wieder nach außen verlagert.

Die schnellen Access Points erfordern eine Gigabit-Ethernet-Verkabelung im Backbone.

Beherrschen vorhandene Gigabit-Ethernet-Switches Power over Ethernet? Sonst benötigen die Access Points eine eigene Stromversorgung.

Hier lesen Sie ...¶

welche Veränderungen mit dem Turbo-WLAN 802.11n auf ihre Netzarchitektur zukommen;

was 802.11n im Unternehmensumfeld bringt;

worauf bei Investitionen zu achten ist;

auf welche technischen Besonderheiten zu achten ist;

was bei der Migration zu berücksichtigen ist.

Fazit

Mit neuen Techniken wie MIMO und besserer Geschwindigkeitsanpassung etc. haben die 802.11n-WLANs durchaus das Potenzial, die bisherige Desktop-Verkabelung abzulösen. Allerdings sollte sich gerade im professionellen Umfeld niemand von Marketing-Versprechen, wie dass es mit einem einfachen Austausch des Equipments getan sei, täuschen lassen. Wer von Vorteilen der neuen Funktechnik wirklich profitieren will, der kommt um eine genauere Planung nicht herum. Nimmt er das auf sich, dann eröffnet ihm 802.11n neue Freiheitsgrade, wie sie mit den bisherigen Funkverfahren nicht möglich waren.

Standard erst Mitte 2008 erwartet

Obwohl bereits erste Draft-n-Produkte den Markt überschwemmen, ist der neue WLAN-Standard 802.11n noch nicht fertig ausformuliert. Seit März 2007 liegt der Draft 2.0 vor. Die endgültige Verabschiedung des Standards ist für Mitte 2008 vorgesehen. Allerdings ist der Draft 2.0 inzwischen so stabil, dass Hersteller wie Intel, Broadcom, Atheros, Marvell und Qualcomm entsprechende Chipsätze auf den Markt gebracht haben. Diese erfordern nur noch ein Software-Update, um die jeweilige Komponente auf den endgültigen Standard aufzurüsten.

Die neue WLAN-Spezifikation verspricht maximale Bruttodatendurchsatzraten von bis zu 600 Mbit/s. Minimal wird eine Datenrate von 100 Mbit/s garantiert. Dabei hängt der Durchsatz nicht allein von der Taktrate des Interface ab, sondern wird durch zusätzlichen Protokoll-Overhead und Sendewiederholungen, die auf schlechte Signalqualitäten zurückzuführen sind, maßgeblich beeinflusst.

Vierfacher Durchsatz gegenüber alten WLANs

Der Unterschied zwischen alter und neuer Technik beginnt bereits beim Messen der Geschwindigkeit. Durchsatzmessungen werden bei den klassischen WLANs (802.11a/b/g) in der Regel auf dem Funk-Interface beziehungsweise der Funkverbindung vorgenommen. Hier führt natürlich jeder Overhead zu einer Reduktion des Durchsatzes. Der 802.11n-Standard definiert dagegen den Durchsatz als Funktion des MAC SAP (Media Access Control Service Access Point) Interface. Damit kommt dem Parameter "Durchsatz" eine neue Bedeutung zu, denn in diesem Fall wird der echte Datendurchsatz gemessen. Ein Durchsatz von 100 Mbit/s auf dem MAC SAP Interface bedeutet also einen vierfachen Durchsatz gegenüber den älteren WLAN-Technologien.

Die maximale Datenrate von bis zu 600 MBit/s erzielt 802.11n durch neue Modulationsverfahren sowie die (optionale) Verwendung eines 40 Megahertz breiten Übertragungskanals. Ferner werden zwei bis maximal vier Antennen verwendet. Letzteres ermöglicht es, einen Funkkanal im selben Frequenzbereich räumlich mehrfach zu nutzen und somit eine parallele Datenübertragung zu garantieren. Hierdurch wird nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Reichweite erhöht. Dieser Mechanismus wird als "Multiple Input, Multiple Output" (MIMO) bezeichnet.

MIMO übermittelt Signale über mehrere Pfade

MIMO ist eine der Innovationen bei der funkgestützten Datenübertragung. Der Begriff "Multipath" beschreibt das Phänomen der unterschiedlichen Ausbreitungswege eines Funksignals, hervorgerufen durch Reflektionen an Wänden, Einrichtungsgegenständen und Menschen. Dabei trifft das ausgesendete Signal mehrfach, zeitlich verzögert und mit unterschiedlichen Signalstärken beim Empfänger ein; dort werden die empfangenen Signale überlagert und erscheinen als Verwischung des ausgesendeten Signals. Die Standards 802.11a/b/g versuchen die Effekte der Multipath-Übertragung auszufiltern, indem der Empfänger nur das stärkste Signal auswertet. Die in 802.11n festgeschriebene MIMO-Technologie nutzt nun erstmals die Übermittlung der Signale über mehrere Pfade für die WLAN-Übertragung und erreicht dadurch mehrere simultane Datenübermittlungen.

Mehr Kapazitätdurch zwei Antennen

Verwendet man mehrere Antennen (im Abstand einer halben Wellenlänge der Trägerfrequenz), erhält der Empfänger zusätzliche Information über die Einfallsrichtung der Funkwellen. Obwohl die Signale im selben Funkkanal arbeiten, lässt sich dadurch die räumliche Signatur (Spatial Signature) zweier Signale voneinander unterscheiden. So wird die Kanalkapazität gesteigert. Wird das Sendesignal von zwei (oder mehr) Antennen ausgestrahlt, kann durch eine zeitliche Verzögerung eine Richtwirkung an den Antennen erreicht werden. Dieses Verfahren wird als Beamforming bezeichnet. Peilt man mehrere Empfänger mittels Beamforming an, spricht man von räumlichem Multiplexgewinn (Spatial Multiplexing).

Die heute verfügbaren 802.11n-Chipsätze unterstützen in der Regel zwei spatiale Streams und sind in der Lage, mehr als zwei Sender und Empfänger zum Trans-port der Streams zu nutzen.

Physical Layer Signalisierung: 802.11n vs. 802.11a/b/g

Bereits bei früheren Versionen des 802.11-Standards wurden relativ komplexe Geschwindigkeitsanpassungen eingesetzt. Diese Mechanismen wirken jedoch im Vergleich zu 802.11n recht trivial. Die klassischen 802.11a/b/g-Komponenten stellen automatisch und dynamisch die jeweilige Datenrate anhand der Bedingungen des Funkkanals ein. Je besser die Qualität des Funkkanals, desto höher die Datenrate. Die bisherigen Funktechniken unterstützen dabei nur einen Datenstrom, entweder auf der Modulationsbasis Direct-Sequence Spread-Spectrum (DSSS) oder mit Orthogonal-Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Die jeweiligen Datenraten werden dabei automatisch ausgewählt.

Die unterschiedlichen Anforderungen und die aus der automatischen Geschwindigkeitsanpassung resultierende Komplexität des 802.11n-Standards führte zur Entwicklung des Modulation Coding Scheme (MCS). MCS definiert eine Reihe von Variablen, die beispielsweise die Anzahl der spatialen Streams, Modulation und die Datenrate jedes Datenstroms festlegen. Beim Aufbau und während des Betriebs einer Verbindung muss die Funkeinheit automatisch die für den jeweiligen Stream optimalen MCS (Basis sind die jeweiligen Kanalbedingungen) finden. Die MCS werden darüber hinaus während des Betriebs bei Veränderungen an die jeweiligen Bedingungen (wie Interferenzen, Bewegung des Senders, Abschwächung des Signals) angepasst. Im veröffentlichten 802.11n-Draft-2.0 wurden 77 MCS spezifiziert, von denen jedes 802.11n-Gerät acht unterstützen muss.

MIMO und die Kanalfunktionenberücksichtigen Doppeleffekt

Der MIMO-Durchsatz, die Anzahl der spatialen Streams, die Wahl der MCS und die Beamforming-Techniken hängen wiederum direkt mit dem physikalischen Kanal zusammen. Als Grundlage für die Entwicklung und für die Tests von MIMO-Produkten hat die IEEE-802.11n-Gruppe sechs MIMO-Kanalmodelle (A bis F) festgelegt. Modell A beschreibt den reinen Testmodus. Modell B repräsentiert typische Umgebun-gen in kleinen Büros. Modell F repräsentiert einen offenen Funkraum (Metro-Netzwerk). Dieser Einteilung liegt ein einfacher Gedanke zugrunde: Alle Funksignale werden von Gebäuden, Wänden, Möbeln und anderen Oberflächen reflektiert. Dabei erreichen mehrere Reflektionen des gleichen Signals mit unterschiedlichen Amplituden und Laufzeiten den Empfänger. Das MIMO-Kanal-modell berücksichtigt diese sowie auch Dopplereffekte, die durch Bewegungen von Objekten (Menschen, Autos) im Funkfeld entstehen und zu einer Veränderung des Signals führen. Anhand dieser Kategorien können nun MIMO-Produkte an die spezifischen Einsatzbedingungen angepasst werden, wobei für Europa nur die hier genannten Modelle relevant sind, da die anderen Szenarien meist nur in den USA anzutreffen sind.

Bessere Ausleuchtung erfordert neue Ausmessung

Um die Vorteile einer besseren Funkausleuchtung im Alltag auch wirklich nutzen zu können, sollten bei der Installation eines 802.11n-Netzes die Access Points nicht einfach anstelle der bereits vorhandenen montiert werden. Mittels einer geschickten, neu vermessenen Ausleuchtung kann nicht nur die Performance gesteigert, sondern auch der eine oder andere Funkknoten eingespart werden.

Parameter wie Durchsatz, Reichweite oder Performance lassen sich bei 802.11n-Komponenten mit Hilfe eines Kanalemulators (Basis sind die IEEE-802.11n-Modelle) messen. Die Kanalemulation arbeitet bidirektional und bildet den Funkkanal nach. Für diesen Test hat die IEEE-Arbeitsgruppe die Testspezifikation 802.11T veröffentlicht. Die jeweilige Kanalinformation wird durch den Sender anhand der vom Empfänger gesendeten ACK-Pakete oder der vom Empfänger ermittelten Signale berechnet. Ein Kanalemulator arbeitet in der Regel auf Basis einer 3x3- oder 4x4-Konfiguration, da 802.11n bis zu vier spatiale Streams unterstützt. Dabei digitalisiert der Kanalemulator das Signal, wendet festgelegte mathematische Regeln (der jeweiligen IEEE-802.11n-Modelle) darauf an und emuliert somit die Kanaleffekte. Das veränderte Signal wird anschließend zurückkonvertiert und an die andere Station am anderen Ende des Emulators übermittelt.

Für den Betrieb der MIMO-Geräte stehen drei Modi zur Verfügung: Legacy (802.11a/b/g), Mixed-Mode (802.11n und 802.11a/b/g) oder Greenfield (nur 802.11n). Befinden sich in einem Netzwerk nur 802.11n-Geräte, so sollte der Greenfield-Modus gewählt werden, denn dieser garantiert die höchsten Durchsätze. Zudem, so Colubris-Techniker Walder, könne bereits eine einzige ältere WLAN-Station den Datendurchsatz in einem MIMO-Netzwerk signifikant reduzieren. Aus diesem Grund sollte bei Durchsatzmessungen immer der jeweilige Betriebsmodus berücksichtigt und darauf geachtet werden, ob dieser später in der Praxis wirklich einsetzbar ist. Bei der Anschaffung neuer Geräte wie etwa Notebooks sollten die Käufer etwa prüfen, ob das Funkteil 802.11n auch im 5-Gigahertz-Band beherrscht. Durch das Ausweichen in diesen Bereich lässt sich meist der Performance-bremsende Mischbetrieb vermeiden.

Stromsparprotokoll für mobile Geräte

Eine weitere Neuerung gegenüber den bisherigen WLAN-Spezifikationen ist ein spezielles Stromsparprotokoll. Damit trägt die 802.11n-Arbeitgruppe der steigenden Verwendung in mobilen Geräten und der Frage der Akkuleistung Rechnung. Dieser PSMP-Mechanismus (Power Save Multi-Poll) sorgt dafür, dass 802.11n-Geräte bei Inaktivität in den Schlafmodus übergehen. Dieser Modus ist unter anderem für VoIP-Geräte wie WLAN-Telefone interessant. Der Sprachverkehr verfügt nämlich über zyklische Verkehrsmuster, die je nach Codec aus kürzeren Paketen (Übertragungsdauer weniger als 100 Millisekunden) und längeren Ruheperioden (Dauer: 20 bis 30 Millisekunden) bestehen. Anhand dieser Verkehrsmuster lässt sich der Funkteil des Geräts gezielt ein- beziehungsweise ausschalten. Geht die Station während der Off-Zyklen in den Schlafmodus, verlängert sich die Akkubetriebszeit signifikant. PSMP wacht nun darüber, dass die mobilen Kommunikationseinheiten zum richtigen Zeitpunkt aufwachen, um mit dem zugeordneten Access Point Pakete auszutauschen. Im Access Point speichert PSMP darüber hinaus die Daten der betreffenden Geräte bis zur periodischen Weiterleitung während der Wach- und Schlafphasen zwischen. Auf diese Weise reduziert sich bei 802.11n der Stromverbrauch trotz der höheren Datenraten dank der verkürzten Sendezeiten.

Wahl der Kanalfrequenzkann zu Problemen führen

Der 802.11n-Standard unterstützt die lizenzfreien Frequenzbänder in den Bereichen 2,4 und 5 Gigahertz (GHz). Während die 802.11a/b/g-Netze bislang ausschließlich 20 Megahertz (MHz) breite Kanäle nutzen, können beim 802.11n entweder 20 oder 40 MHz breite Kanäle verwendet werden. Ein 40-MHz-Kanal besteht aus zwei angrenzenden (Primary und Secondary) 20-MHz-Kanälen. Weil im 2,4-GHz- Band nur 70 MHz zur Verfügung stehen und dieses Frequenzband von vielen anderen Funkgeräten (etwa Bluetooth, 802.11b/g-Geräte) bereits stark belegt ist, würde ein Betrieb mit 40 MHz breiten Kanälen in den meisten Fällen zu einer Störung der bestehenden Netze führen. Entsprechend kontrovers diskutierte die IEEE das Thema 40-MHz-Kanäle im 2,4-GHz-Band. Im Januar 2007 fand die Arbeitsgruppe eine Lösung in Form der Koexistenzprotokolle. Die Koexistenzfunktionen definieren Methoden zur Erkennung von WLAN-Aktivitäten im Frequenzband. Dadurch ist das System in der Lage, den zweiten Kanal mit anderen Basic Service Sets (BSS) zu teilen und bei Bedarf den Kanal zu wechseln, um Interferenzen zu vermeiden. Die Koexistenz unterschiedlicher Standards ist in der Regel aber nur ein Problem im 2,4-GHz-Band. Im 5-GHz-Band stehen dagegen genügend Spektrum und mehr Kanäle zur Verfügung. Aus diesem Grund kommt es hier weniger zu Konkurrenzsituationen, in denen sich verschiedene Funktechniken und Geräte eventuell stören. Deshalb sollte sich der IT-Verantwortliche überlegen, ob es nicht sinnvoll ist, zwei Funknetze aufzubauen: eines für ältere Geräte, also 802.11b/g, und ein neues Netz im 5-GHz-Band für 802.11n. Damit schlägt der Entscheider laut Colubris-Manager Walder gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Er umgeht die Konkurrenzsituation bei der Kanalwahl und verhindert gleichzeitig, dass ältere WLAN-Stationen das schnelle 802.11n-Funknetz ausbremsen.

Größere Datenpaketedurch Aggregation

Der Datendurchsatz in einem Funknetz ist jedoch nicht nur von den physikalischen Funkbedingungen, sondern auch vom Verhältnis zwischen Nutzdaten und Paket-Headern abhängig. Je länger ein Paket ist also je mehr Nutzdaten es enthält , desto höher ist der Durchsatz. Der 802.11n-Standard vergrößert die maximale Paketgröße durch Aggregierungstechniken und erreicht so höhere Durchsatzraten als die bisherigen WLAN-Standards. Um davon in der Praxis auch wirklich zu profitieren, muss die Anwendung die entsprechenden Mechanismen unterstützen beziehungsweise mit großen Paketen zurechtkommen.

Die neue WLAN-Technik mit ihren hohen Durchsatzraten sorgt zudem noch in einem anderen Bereich für Probleme: Das Backbone der WLAN-Infrastruktur muss dieses Datenaufkommen auch verkraften. Während bisher verwendete WLAN-Systeme mit ihren rund 20 Mbit/s Datendurchsatz die vorhandene Kabelinfrastruktur nicht sonderlich belasteten, sieht dies bei 802.11n ganz anders aus. "Hier steigt das Datenaufkommen um den Faktor zehn", rechnet Colubris-Systems-Engineer Walder vor.

Mehr Leistung im Backbone erforderlich

In der Praxis hat dies unter anderem folgende Konsequenz: Versorgte ein WLAN-Switch bislang beispielsweise 100 klassische Access Points, so reicht seine Leistung in 802.11n-Umgebungen nur noch für zehn Funkknoten. Der Anwender muss also bei seiner Netzplanung ein Kaskadieren beziehungsweise Stacken berücksichtigen. Erschwerend kommt hinzu, dass der mit dem WLAN-Switching propagierte Ansatz einer zentralen Schaltstelle zu einem hohen Verkehrsaufkommen in zentralen Teilen der Infrastruktur führt. Deshalb ist in jüngster Zeit bereits ein Paradigmenwechsel zu beobachten, der weg von einer zentralen Intelligenz hin zu einer verteilten Intelligenz in den Außenbereichen einer WLAN-Infrastruktur führt.

Die höheren Geschwindigkeiten im 802.11n-WLAN bergen noch ein weiteres Problem: Zur Anbindung an das Unternehmens-Backbone reicht in der Regel Fast Ethernet nicht mehr aus vielmehr ist nun Gigabit Ethernet gefordert. Während die Kabel, vor allem wenn hochwertige Exemplare verlegt wurden, dies noch mitmachen, lauert an einer anderen Stelle eine Kostenfalle: Viele ältere Switches unterstützen über Gigabit Ethernet kein Power over Ethernet (PoE) zur Stromversorgung der Access Points. Der Anwender steht nun vor der Wahl, extra Stromkabel zu den Funkknoten zu verlegen oder aber seine Switches auszutauschen.

(hi)