Mehr Speed für WLANs
Dank Parallelübertragung mit mehreren Antennen soll der kommende WLAN-Standard 802.11n 300 MBit/s und mehr übertragen.
Für drahtloses Internet mit DSL-Geschwindigkeit reicht das heute gängige WLAN locker aus, selbst quer durch das Firmengebäude. Doch bei größeren Datenfunkmengen kommt immer noch schnell Ungeduld auf, denn die Festplatten- und Dateigrößen kennen nur eine Richtung: aufwärts. Neue Techniken sollen dem bequemen Funknetz helfen, mit dem Kabel Schritt zu halten.
Eigentlich gelten Funknetze nach dem WLAN-Standard nur als Ergänzung zum etablierten Kabelnetz: Mobilen Laptop-Nutzern, die allenfalls sporadischen Zugang benötigen, sollen sie die Suche nach einer freien Netzwerkdose ersparen. Das hält aber weder kleinere Firmen noch private Nutzer davon ab, es gleich als Ersatz heranzuziehen, spart man sich doch das mühsame und die Raumästhetik störende Kabelziehen. Für bestimmte Anwendungen, etwa Handhelds beim Einsatz in einem Warenlager, wäre ein Kabelnetz schlichtweg nicht einsetzbar.
Doch damit die Luftbrücken als echte Alternative zum Ethernet-Kabel durchgehen, braucht man höheren Durchsatz als die aktuellen 20 bis 25 MBit/s auf Anwendungsebene, da Ethernet auf Kupferkabeln längst die Gigabit-Schwelle erreicht hat. Folglich arbeiten Halbleiterhersteller und Forscher an Erweiterungen, die WLANs den nächsten Geschwindigkeitsschub bescheren.
Eine derzeit vehement beworbene Technik trägt das Etikett MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Sie soll mit mehreren Antennen die Datenrate hochtreiben. MIMO ist jedoch ein unscharfer Name, der wegen seiner Griffigkeit für eine Vielzahl von Konzepten herhalten muss. Nach einer recht losen Definition könnte man auch ältere WLAN-Produkte schon als MIMO bezeichnen, die schlicht beim Senden und Empfangen zwischen zwei Antennen umschalten (Diversity). Das können sogar Geräte, bei denen man außen nur eine Antenne erkennt, weil sie eine zweite als Blechstreifen im Gehäuse verstecken.
MIMO verbessert die Funkverbindung zwischen Basisstation und Mobilgerät auf zweierlei Weise. Einerseits liefern mehrere Antennen als Gruppe ein stärkeres Empfangssignal, was größere Distanzen oder dank besseren Empfangs mehr Durchsatz bei gleicher Reichweite bringt. Mit zusätzlicher Elektronik kann die Antennengruppe eine Richtwirkung entwickeln und so die Gegenstelle besser "hören" oder Störer ausblenden (Spatial Diversity). Andererseits liefern mehrere "Ohren" dem Empfänger zusätzlich eine räumliche Information. Das kann MIMO zur Steigerung der Übertragungsrate ausnutzen (Spatial Multiplexing). Dass zwei Antennen besser empfangen als eine, kann man leicht am eigenen Körper feststellen. Hält man sich ein Ohr zu, verändert sich das Klangbild drastisch. Auch die Richtungsortung wird schwerer.
Zwar unterscheidet sich die MIMO-Technik deutlich von der herkömmlichen Funkübertragung, dennoch lässt sie sich mit den gleichen Methoden planen, denn auch bei ihr ist die Streckendämpfung (abfallende Signalstärke mit zunehmender Entfernung) der dominante Einfluss für den Durchsatz [1]. Wo ein herkömmliches WLAN schon nur mäßig funkt, wird auch MIMO nicht seine volle Performance bringen. Die Faustregel "je weiter, desto langsamer" gilt also auch in Zukunft.
Planex' Basisstation CQW-AP108AG beherbergt zwei Funkmodule, die unabhängig voneinander in zwei WLAN-Bändern arbeiten können. Ihre Features machen sie eher für Administratoren größerer Unternehmen interessant.
Einheitsschnitt
Im Frühjahr 2005 scheint es, als habe sich die IEEE-Standard-Arbeitsgruppe TGn auf einen Entwurfsvorschlag geeinigt (siehe Kasten): TGnSync will die Bruttodatenrate dank MIMO-Technik und breiteren Hochfrequenzkanälen im ersten Schritt bis auf 315 MBit/s hochtreiben, später gar auf das Doppelte. Der Durchsatz auf Anwendungsebene dürfte bei einer guten Funkverbindung etwa 160 MBit/s respektive 320 MBit/s erreichen, also ungefähr anderthalb bis dreimal so viel wie Fast Ethernet. Dabei lässt TGnSync jedoch die etablierte Technik nicht in einer Staubwolke hinter sich: Künftige WLANs sollen nach dem Willen des IEEE ältere Stationen nahtlos einbinden.
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Neben MIMO gehören weitere Bestandteile zum TGnSync-Vorschlag, unter anderem eine wählbare Architektur mit zwei bis vier räumlichen Datenströmen, also zwei bis vier Sender- / Empfängerzüge auf beiden Seiten. Eine praktische und ökonomische Obergrenze dürfte bei vier Antennen liegen, denn die Herstellungskosten für das Hochfrequenzteil steigen mit der Antennenzahl. Außerdem müssen diese mit etwas Abstand zueinander montiert sein, damit überhaupt ein Diversity- oder Multiplexgewinn herauskommen kann, was bei kompakten WLAN-Adaptern (USB-Sticks, Notebook-Karten) schwierig werden dürfte.
Je nach Anwendungsfall und lokaler Regulierung sollen unterschiedlich breite HF-Kanäle (10, 20, 40 MHz) zum Einsatz kommen. Die seit längerem praktizierte Frame Aggregation [2], auch als Packet Aggregation oder Packet Bursting geläufig, wird ebenfalls in den Standard wandern. Transmit Beamforming (Sendestrahlsteuerung) und Receive Combining sollen die reine Funkverbindung verbessern und so mehr Durchsatz erlauben.
Ausprobiert
Ob die MIMO-Technik die Erwartungen einlöst, haben wir anhand zweier Testgeräte überprüft. Zum einen vermaßen wir den Belkin-WLAN-Router F5D8230 samt zugehöriger Notebook-PC-Card. Der zweite Kandidat war ein dual-band-fähiger Access Point mit zwei Funkmodulen aus einer Vorserie von Planex, ebenfalls samt passender PC Card. Beide Geräte sind mit dem MIMO-Chipsatz AGN100 von Airgo Networks ausgestattet, sie dürften also ähnliche Performance zeigen, was wir in verschiedenen Umgebungen testeten.
Zwar hatten auch andere Hersteller zur CeBIT 2005 Produkte angekündigt und teils als Prototypen unter Glas gezeigt, doch waren zum Testzeitpunkt von Buffalo, D-Link, Linksys, SMC und Netgear noch keine Geräte erhältlich. Während Erstere anscheinend ebenfalls den Airgo-Chipsatz wählen, hat sich Netgear für eine andere Lösung entschieden: Ein spezieller Controller (BeamFlex von Video54) gebietet über sieben Antennensegmente auf der Platine, die er fallweise zusammenschaltet. Das Gebilde hat ähnlich einer drehbaren Radarantenne eine mehr oder weniger ausgeprägte Richtwirkung. Video54 nennt einen Richtgewinn von sieben bis zehn Dezibel (Leistungsfaktor fünf bis zehn), wozu nochmal ein Diversitätsgewinn von bis zu 10 dB kommen soll. Das führt zusammen zu einer deutlich besseren Funkübertragung, was wiederum höheren Durchsatz bei gleicher Distanz ermöglicht.
Netgear setzt einen Atheros-Chipsatz mit optionalem Channel Bonding ein, was brutto 108 MBit/s auf der Funkstrecke ergibt, allerdings auch einen doppelt so breiten Funkkanal belegt. Dadurch werden Störungen durch Nachbar-WLANs wahrscheinlicher. Eine von Netgear bei VeriTest in Auftrag gegebene Untersuchung an Vorseriengeräten bescheinigt der BeamFlex-Lösung einen zu den Airgo-Produkten vergleichbaren Durchsatz [3].
Ausgemessen
Zunächst fanden Messungen auf der WLAN-Teststrecke in den Redaktionsräumen von heise mobil statt. Über einen Meter Distanz standen die Geräte im selben Zimmer, hatten aber keinen direkten Sichtkontakt. Die 10 bis 40 Meter entfernten Testpunkte lagen entlang eines Flures, wobei ebenfalls keine Sichtverbindung bestand. Da der Planex-Access-Point auf zwei WLAN-Funkbändern (2,4 und 5 GHz) arbeiten kann, haben wir sein Verhalten für beide Frequenzbereiche überprüft.
Im zweiten Szenario funkten die Kandidaten bei überwiegender Sichtverbindung entlang eines ausgedehnten Flures, was fast Idealbedingungen für WLAN darstellt. Schließlich mussten sie sich in der Wohnung des Autors über drei Distanzen bewähren. Im selben Raum bei einem Meter Abstand bestand Sichtkontakt und damit eine sehr gute Funkverbindung. Der 10-m-Testpunkt lag ohne Sichtkontakt im selben Stockwerk diagonal durch die Wohnung vom Aufstellpunkt der Basisstation entfernt. Die Messwerte fallen hier erwartungsgemäß deutlich schlechter aus als beim vergleichbaren 10-m-Punkt in der Büroumgebung, weil dort überwiegend wenig dämpfende Leichtbauwände zwischen den Stationen liegen, in der Wohnung jedoch stärker dämpfende Steinwände. Die MIMO-Geräte profitierten in der Wohnumgebung anscheinend von Reflexionen, weil ihr Durchsatz etwa sieben- bis vierzehnmal so hoch lag wie jener der 11g-Produkte. Schließlich verfrachteten wir den Laptop in den Keller unterhalb des 10-m-Punkts, wobei als massive Erschwernis eine schräg zu passierende Geschossdecke hinzukam. Dabei ging der Durchsatz wie erwartet weiter zurück, auf dem 5-GHz-Band schafften die Planex-Produkte keine stabile Verbindung mehr.
Die Tray-Anzeige der MIMO-Karten war zu generös: Bei schlechter Verbindung, die für einen Benchmark nicht mehr stabil genug war, meldete sie noch mittlere Empfangsstärke und 108 MBit/s brutto.
Zum Vergleich mit der herkömmlichen Technik haben wir die Versuche auch mit älteren 11g-Geräten durchgeführt (Belkin Basisstation F5D7230 und erste Version der Netgear-PC-Card WG511). Alle Messungen erfolgten bei eingeschalteter Verschlüsselung (WPA-PSK mit AES-Chiffre), da sich in Vorabmessungen über kurze Distanz keine nennenswerten Unterschiede zur Klartext-Übertragung und WEP128 ergaben. Bei TKIP-Verschlüsselung brach jedoch die Performance des Belkin-Gespanns drastisch ein (906 KByte/s gegen 4814 KByte/s mit AES). Das scheint an der TKIP-Implementierung in Belkins WLAN-Router zu liegen, denn gegen den Planex-AP getestet lag der Durchsatz der Belkin-PC-Card mit TKIP deutlich höher (3113 KByte/s). Belkin will dieses Problem in einer kommenden Firmware-Version beheben. Die Basisstationen waren auf Mixed-Mode-Betrieb konfiguriert, mit dem auch ältere 11b-Stationen Zutritt bekommen, da auch hier eine Vorabmessung zeigte, dass kein nennenswerter Leistungsunterschied zum 11g-only-Betrieb (AP bedient nur neuere Geräte) auftritt.
Die Ergebnisse für Belkins MIMO-Geräte fielen besser als bei einem früheren Test aus, bei dem sich im Nachhinein ein benachbartes WLAN als schwacher Störer entpuppt hatte. Dieses lag zwei Kanäle entfernt und funkte mit abgeschalteter SSID (Service Set Identifier, Funknetzname), so dass es beim seinerzeit vorangegangenen Scan nicht ohne weiteres erkennbar war, weil Windows XP Funknetze mit abgeschalteter SSID leider verschweigt. Das bei Belkin und Planex mitgelieferte WLAN-Tool hätte den Störer zwar enttarnt, allerdings ohne Kanalangabe und nicht sicher bei jedem Scan-Vorgang. Das Tool kam nicht zum Einsatz, weil es nur die zu schwache WEP-Verschlüsselung konfigurieren kann und den Benutzer für das sicherere WPA auf die in Windows XP integrierte WLAN-Einstellung verweist.
Auch die automatische Kanalwahl der Basisstationen hilft in solchen Fällen nur eingeschränkt weiter, denn sie kann nur die Situation an ihrem Aufstellungsort feststellen. Stehen die Clients weit davon entfernt, können dort andere Funknetze einstrahlen, von denen die Basisstation nichts weiß. Beim Test wählte die Automatik der Belkin-Basisstation übrigens den gleichen Kanal wie der Tester. Für optimalen Durchsatz kommt man trotz Automatik um versuchsweise Kanalwechsel nicht herum.
Wer anhand der Tray-Anzeige des Belkin- und Planex-Treibers die optimale Platzierung für den Client suchen will, sollte sich übrigens nicht auf dessen Durchsatzanzeige verlassen: Bei der mitgelieferten, bei beiden Karten gleichen Treiberversion 1.2.0.80 meldete das Tray-Tool stets 108 MBit/s, selbst bei schwacher Funkverbindung.
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Digitalvideo drahtlos
Die MIMO-Geräte lieferten in gleicher Situation fast immer einen höheren Durchsatz als die zum Vergleich mitgetesteten 11g-Produkte, ausgenommen die stockwerkübergreifende 5-GHz-Verbindung. In der getesteten Wohnumgebung sollte die Datenrate auch für nicht heruntergerechnete DVD-Wiedergabe ausreichen, die in der Spitze bis zu 10 MBit/s (rund 1,2 MByte/s) fordert. Das überprüften wir anhand einer Sequenz aus dem Film "Eiskalte Engel". Sie fordert die Übertragungsstrecke durch schnelle Kamerafahrten und detailreiche Bilder mit 5 bis 8 MBit/s.
Mit den älteren Geräten gab es über zehn Meter und in den Keller hinunter erwartungsgemäß heftige Ruckler. Lediglich über eine Entfernung von rund fünf Metern durch eine Wand vom Arbeits- ins Wohnzimmer war die Wiedergabe brauchbar, zeigte aber dennoch gelegentlich kurze Aussetzer. Anders dagegen die MIMO-Produkte: Sie lieferten selbst über die 10-m-Strecke eine fließende Wiedergabe. Schräg durch die Geschossdecke in den Keller funkten sie jedoch schon wieder nicht mehr so gut. Die Datenrate schwankte zu heftig, es gab starke Video-Stockungen.
Fazit
Zumindest innerhalb eines Stockwerks können wir der heutigen Vor-Standard-MIMO-Technik schon Videotauglichkeit attestieren, wenn nicht zu viele Wände zwischen Sender und Empfänger liegen. Mit MIMO und weiteren Verbesserungen im kommenden IEEE-Standard 802.11n werden drahtlose Netzwerke mittelfristig das Kabel-LAN auf Fast-Ethernet-Niveau einholen. Notebook-Nutzer können damit auch dann das Patchkabel im Rucksack lassen, wenn sie einmal größere Datenmengen übertragen wollen. Wer sichergehen will, dass die neuen WLAN-Komponenten auch später optimal funken, sollte bis zur Ratifizierung des IEEE-Standards warten. Darauf zu hoffen, dass das Upgrade allein mit neuer Firmware zu bewerkstelligen sein wird, könnte sich als Vabanquespiel herausstellen. (ea)
Literatur
| [1] | H. Özcelik et. al.: "How MIMO capacity is linked with single element fading statistics"; Presentation: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin 2003; in: "International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications" (2003), S. 775-778. Weitere Veröffentlichungen siehe Inst. für Nachrichten- und Hochfrequenztechnik, TU Wien |
| [2] | Spiro Trikaliotis: WLAN-Feinschliff c't 6/2004, S. 216 |
| [3] | Netgear: 802.11g MIMO Wireless Router Performance Study |
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