5G und 11ac WLAN-Nachfolger 11ax materialisieren sich schneller als erwartet!

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Als der Autor zu Beginn des Jahres äußerte, dass wir spätestens 2018 mit ersten Produkten für 5G und vor allem endlich mit einer neuen WLAN-Generation nach 11ac rechnen könnten, gab es vorsichtig gesagt wenig Zustimmung. Die Prognose war auch nicht ganz korrekt: es könnte nämlich noch etwas schneller gehen! Der Knackpunkt von der Theorie zur Praxis sind schlicht und ergreifend die ersten Chipsets für eine neue Technologie. Von ihnen dauert es im Mittel 18 Monate bis zu kommerziellen Produkten. Mitte Oktober 2016 wurden erste 5G-Komponenten und ein IEEE 802.11ax Draft 1.0 AP-Chipsatz vorgestellt. Es wird ein längeres Fenster für den Übergang zwischen LTE und 5G geben. Hier muss man sich also vor allem mit den entstehenden Möglichkeiten auseinandersetzen. Die Unzufriedenheit mit 11ac in komplexen Umgebungen könnte aber 11ax erheblich beschleunigen. Und damit stellen sich wieder Fragen nach der notwendigen Infrastruktur.

In diesem Artikel sehen wir uns die Möglichkeiten der flammneuen Chips an und werfen Fragen hinsichtlich Nutzung und Infrastruktur auf.

Qualcomm: 5G-Komponenten schon im 1.HJ 2018

Überall auf der Welt gibt es schon mehr oder minder ausgeprägte Versuche und Testinstallationen zu 5G, die mittlerweile auch von der FCC und der EU unterstützt werden. Verizon hat konstatiert, dass sie 5G „irgendwann in 2017“ als Service anbieten werden. Hierzu gab es schon viele Einwände, hauptsächlich den, dass sich Verizon so mit einer Pre-Standard-Lösung auf ein gefährliches Terrain begeben könnte. Nun, im Mobilfunkmarkt herrscht ein fürchterlicher Wettbewerb und es ist durchaus legitim, riskantere Wege einzuschreiten.

Der Chipgigant Qualcomm definiert schon einen erheblich deutlicheren Zeitrahmen.
Auf dem 4G/5G Summit Mitte Oktober 2016 in Hongkong hat Qualcomm drei wesentliche Ankündigungen gemacht:

  • Die Partnerschaft zwischen Qualcomm, Netgear, Telstra und Ericsson
  • Einen noch namenlosen Snapdragon SoC mit dem Snapdragon X16 Gigabit LTE-Modem
  • Das erste 5G-Modem von Qualcomm: Snapdragon X50

Das Snapdragon X50 Modem unterstützt Download-Geschwindigkeiten bis zu 5 Gbps, eine höchst eindrucksvolle Zahl, wenn man bedenkt, dass wir uns mit LTE und den aktuellen WLANs grade einmal Richtung Gigabit vortasten. 4G LTE schafft in der Spitze heute 300 oder 450 Mbps, üblich sind aber eher 100 – 150.

Qualcomm gibt die kommerzielle Verfügbarkeit (in Stückzahl) für die erste Hälfte von 2018 an. Da könnten aber auch schon die ersten internationalen Standards fertig oder zumindest in stabilem Draft-Stadium sein. Das Modem arbeitet im Millimeterwellen-Bereich und ist auch eher für Testumgebungen gedacht, für die Muster schon deutlich früher verfügbar sein werden. Man sollte aber jetzt noch keine Smartphone Ankündigungen mit diesem Modem erwarten.

Es wird immer klarer, dass es eine gewisse Zeit dauern wird, bis das volle Potential von 5G entfaltet werden kann. Übergangslösungen mit LTE, LTE Advanced und 5G-Teil-Lösungen werden uns also lange beschäftigen. Deshalb sehen wir uns jetzt zunächst auch die anderen Ankündigungen genauer an, die genau in diesem Kontext stehen.

Um den Übergang zwischen heutigen 4G LTE-Netzen und den zukünftigen 5G-Netzen zu vereinfachen, wurde eine Partnerschaft mit Netgear, Telstra und Ericsson angekündigt, deren Ziel die Entwicklung und Auslieferung erster kommerzieller Gigabit-fähiger Geräte und passender Netze ist.

Qualcomm betrachtet Gigabit LTE als notwendigen Baustein und die Grundlage für 5G um mehr Bandbreite auf einem größeren Bereich verfügbar zu machen bis 5G-Systeme auf den Markt kommen, die noch mehr Bandbreite auf einem noch weiteren Bereich bereitstellen können. Telstra ist ein australischer Telekommunikations-Provider, der aktuell das erste Gigabit LTE Netz aufbaut und testet. Equipment und Software kommen dabei von Ericsson. Ziel ist in diesem Falle die Versorgung von Haushalten mit mehr Internet-Bandbreite, ohne dafür neue, teure Kabel verlegen zu müssen. Diese ist international offensichtlich das erste Ziel von 5G-Entwicklungen, denn auch Verizon und AT&T arbeiten in den USA an ähnlichen Systemen. Telstra möchte einen kommerziellen Launch schon in den nächsten Monaten vornehmen.

Die Kunden von Telstra werden mit dem mobilen Router MR-100 von Netgear versorgt. Das ist ein Gigabit LTE Endpunkt und WiFi Router, der Download-Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbps ermöglichen soll. Dabei wird eine Kombination von Carrier-Aggregation mit bis zu drei Carriern, MIMO-Technologie mit 4X4-MIMO für zwei aggregierte Carrier und 2X2-MIMO für den dritten zusammen mit 256-QAM-Modulation benutzt. Es sei an dieser Stelle zum Verständnis bemerkt, dass die Verwendung von 256-QAM bei LTE im Gegensatz zur Nutzung in WLANs erheblich stabiler ist. Im Router sind eine WiFi-Lösung, ein Snapdragon X16 LTE-Modem zusammen mit einem WTR5975-Transceiver verbaut, alle Komponenten von Qualcomm.

Das ist der erste Einsatz eines Snapdragon X16, das im Februar 2016 vorgestellt wurde. X16 ist die sechste Generation eines diskreten LTE Modems hergestellt mit einem 14nm FinFET-Prozess. Er ist in der Lage, 1 Gbps im Downlink (LTE Advanced Kategorie 16) und 150 Mbps im Uplink (Kategorie 13) zu verarbeiten.

Das Snapdragon X16 LTE Modem wurde entworfen, um LTE Geschwindigkeiten im Gigabit-Bereich mit dem gleichen spektralen Aufwand wie ein LTE Kategorie 9 Modem zu erreichen. Durch die Nutzung von Carrier Aggregation und 4X4-MIMO kann das Modem unter Nutzung von lediglich drei 20 MHz-Kanälen 10 individuelle Datenströme empfangen. Die Unterstützung von 256 QAM bringt jeden dieser Datenströme auf eine Geschwindigkeit von 75 … 100 Mbps, wobei durchaus noch weitere Gewinne möglich sind, wenn man die Modem-Kompression aktiviert.

Das Modem unterstützt die – heute noch durchaus umstrittenen – Verfahren zur Auslagerung von LTE Datenströmen auf lizenzfreie Bereiche, die sonst den WLANs vorbehalten sind. Diese Verfahren sind LTE-U (LTE Unlicensed) und LAA (Licensed Assisted Access) und der Unterschied ist, dass LAA mehr Funktionen zum Schutz evtl. in den Bereichen ebenfalls arbeitender WLANs enthält, wie LBT, DFS oder TPC. Dies wurde in einem früheren Artikel ausführlich beleuchtet. Die Kombination von Sendungen im lizensierten und unlizensierten Bereich reduziert (aus der Perspektive von LTE-Betreibern) die notwendige Anzahl der (wertvollen und knappen) LTE-Kanäle bzw. des benötigten Spektrums. So könnte man durchaus für die Übertragung von 1 Gbps mit 40 MHz oder weniger auskommen, der Rest geht dann über Bänder im unlizensierten Bereich.

Das aktuell noch diskrete X16 LTE-Modem wird in naher Zukunft auch in einem noch nicht mit einem Namen versehenen SoC integriert. Dieses SoC der nächsten Generation wird schon 2017 in führenden „Flagship“ Smartphones verbaut werden, damit diese bereits innerhalb der nächsten 12 Monate die neuen, hohen Ladegeschwindigkeiten nutzen können, die in den weltweit entstehenden Gigabit LTE-Netzen führender Provider nutzen zu können.

Das Snapdragon X50 5G-Modem arbeitet zunächst nur im 28 GHZ-Millimeterwellenbereich und unterstützt dabei die Verizon 5GTF und KT 5G-SIG-Spezifikationen. In diesem Bereich stehen deutlich breitere Frequenzbänder zur Verfügung. Daher verkraftet dieses neue Modem die Aggregation von acht 100 MHz breiten Kanälen und damit den Zugang zu einem 800 MHz breiten Spektrum im Vergleich zum maximal 80 MHz breiten Spektrum beim X16 (4X20 MHz). Aktuell erreicht dieses Modem somit Download-Geschwindigkeiten von bis zu 5 Gbps.

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Generell wird man sich mehr an die Nutzung von Millimeterwellen-Bereichen gewöhnen. In früheren Artikeln wurden die Besonderheiten dieser Frequenzbereiche ausführlich dargestellt. Vorteile sind die hohe Verfügbarkeit (diese Bereiche werden heute noch kaum praktisch benutzt) und die schon von sich aus sehr breiten Kanäle, in denen man ohne großen Aufwand für die Modulation zu betreiben, erhebliche Datenmengen übertragen kann. In Zukunft kann man natürlich mit verbesserter Modulation auch diese Bereiche noch wesentlich effizienter nutzen. Nachteilig sind die geringe Reichweite und die hohe Empfindlichkeit der Wellen gegen Reflexionen, Störungen, Feuchtigkeit usf. Normalerweise wird man nur auf Sichtlinie kommunizieren können. Das diskutieren wir bei den WLANs ja auch (IEEE 802.11ad). Es zeichnet sich aber ab, dass grade die so entstehenden kleinen Zellen in bestimmten Szenarien sehr nützlich sein können. So reicht im Gegensatz zu heutigen „normalen“ WLANs bereits eine einfache Wand, damit sich zwei Zellen nicht mehr stören. Die Abbildung 1 zeigt den Unterschied zwischen üblichen LTE-Bandbreiten und den für 5G angestrebten im Millimeterwellen-Bereich sehr anschaulich:

Die geringe Reichweite ist aber ein schon sehr lange bekanntes Problem. Qualcomm möchte das mit Feldern vieler kleiner Antennen und adaptivem Beamforming und Beam-Tracking lösen um auch einen Betrieb ohne direkte Sichtlinie zu ermöglichen und dabei auch Oberflächen-Reflexionen zu nutzen, um Objekte zu umgehen und „um die Ecke“ sehen zu können.

Das Snapdragon X50 Modem kommt mit zwei ebenfalls neuen Millimeterwellen-Transceivern SDR051 und dem PMX50 Power Management IC, um zukünftige Fixed Wireless Anwendungen unterstützen zu können. Da es nur Millimeterwellen-Übertragung unterstützt, wird noch ein zusätzliches 4G-Modem für Daten-Uplink, Voice-Kommunikation und 4G/5G Handover (abhängig von der Verfügbarkeit) benötigt.

Qualcomm erwartet wie gesagt, Muster des Snapdragon X50 Modems ab Mitte 2017 liefern zu können, so dass in der ersten Hälfte 2018 kommerzielle Produkte mit diesem Modem möglich sind.

Quantenna: 802.11ax Draft 1.0-Compliant WiFi Chipset

Ebenfalls Mitte Oktober 2016 hat Quantenna den ersten kommerziell verfügbaren 802.11ax Draft 1.0-compliant WiFi Chipsatz für Access Points vorgestellt. Der QSR10G-AX ist Pin-kompatibel mit der bereits länger lieferbaren 802.11ac Wave3-WiFi-Plattform und kann daher leicht in bestehende Access Points oder Router integriert werden. Der 802.11ax WiFi-Standard verspricht eine deutliche Verbesserung der spektralen Effizienz von WiFi-Systemen in dichten Installationen und auch eine Steigerung der maximalen theoretischen Bandbreite von WiFi-Zellen auf rund 10 Gbps.

WiFi ist heute eine überall verbreitete Technologie, die von Unmengen unterschiedlicher Geräte genutzt wird. In jedem Bürogebäude oder Mehrfamilienhaus sind durchaus ein oder mehrere Dutzend WiFi-Netze sichtbar und viele Nutzer tragen mehr als ein WiFi-fähiges Endgerät mit sich herum (Smartphone, Notebook, iPad, Smartwatch ..), Tendenz deutlich steigend. Daher wird die Anzahl von Verbindungen, die jeder AP unterstützen muss, von Jahr zu Jahr immer größer. Das erfordert letztlich eine höhere spektrale Effizienz und mehr Kanäle für die Verbindung von Geräten. In den letzten Jahren wurden die WiFi-WLAN-Standards immer weiter verbessert, mit MIMO, MU-MIMO, dichterer Modulation usw.

Allerdings haben sie alle noch den Makel eines für die immer strenger werdenden Anforderungen immer weniger geeigneten Verfahrens für die Steuerung des Zugriffs auf das wechselseitig ausgeschlossen zu benutzende Übertragungsmedium (Luft) benutzt: die Distributed Coordination Function DCF, von der man schon seit rund 30 Jahren weiß, dass sie umso schlechter arbeitet, desto höher die Anforderungen sind. Man hatte sich schon daran gewöhnt, dass von den Brutto-Übertragungsraten der WLAN-Zellen nur die Hälfte oder weniger übrig blieb. Das kann so nicht weiter gehen.

Der wesentliche Schritt bei IEEE 802.11ax ist die Einführung von OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access. OFDM gibt es ja schon bei allen WLANs ab 802.11a, OFDMA ist eine dominierende Steuerungstechnik bei LTE. OFDMA nutzt Eingriffsmöglichkeiten bei der OFDM-Signalsynthetisierung, um eine „Access“-Funktion für den geregelten Zugriff durchzusetzen. Diese Funktion ist bei OFDMA deterministisch. Parameter-bedingte Leistungsabfälle (Gesamtverkehr, Paketlänge, Retransmissionsdauer …) sind daher nicht zu erwarten.

Zusammenfassend könnte man sagen, dass OFDMA ermöglicht, mehrere Geräte systematisch durch einen Kanal zu bedienen, in dem man individuellen Client-Endgeräten verschiedene OFDM-Unterträger zuordnet. Aufgrund der Orthogonalität dieser Unterträger können diese sich schon konstruktionsbedingt nicht gegenseitig stören. Die Abbildung 2 zeigt die Idee hinter OFDMA.

Der QSR10G-AX ist sicher einer der ersten industirellen Chipsets, die IEEE 802.1ax Draft 1.0-compliant sind und unterstützt die wesentlichen neuen Eigenschaften des kommenden Standards wie OFDMA und 1024-QAM. Wegen der Pin-Kompatibilität kann er einfach in bestehende Designs, die den bestehenden QSR10G nuten, integriert werden. Von einem physikalischen Standpunkt aus betrachtet nutzen Geräte, die auf dem QSR10-AX basieren, die zwölfkanalige Wave3 802.11ac Dual-Band WiFi-Plattform, die 8 Streams im 5 GHz-Band und 4 Streams im 2,4 GHz-Band anbietet. Das bedeutet einen recht einfachen Wechsel von der bisherigen auf die neue 11ax-Lösung.

Momentan gibt Quantenna noch nicht an, welche Werte für die Übertragungsgeschwindigkeit denn tatsächlich erreicht werden können, weil das auch vom benutzten Client-Equipment abhängt. Aktuell werden im Bestfall mit der bestehenden Lösung 1,733 und 2,167 Gbps erzielt, wenn man vier 802.11ac Streams mit 600,800 und 1000 Mbps pro Stream nutzt.

Dabei sollte man vielleicht im Hinterkopf behalten, dass es nicht so sehr Ziel von 802.11ax ist, eine möglichst hohe singuläre theoretische Zellenbandbreite zu erzeugen, sondern möglichst viele Endgeräte robust und fair mit einem AP zu bedienen.

Der QSR10G-AX-WiFi-Chipset soll „früh“ in 2017 als Muster an Partner ausgegeben werden. Dann wird es sicherlich noch eine gewisse Zeit dauern, bis man mit Hilfe passender Clients herausgebracht hat, ob alles so funktioniert wie gewünscht. Das wird leider aktuell dadurch erschwert, dass es noch gar kein Client-Equipment gibt. Erst dann können Komponenten auf den Markt kommen.

Allerdings, sehr lange wird das auch nicht dauern. Zum einen ist der Konkurrenzdruck unter den Chip-Herstellern sehr groß und Qualcomm oder Broadcom, die ja Vorreiter von 11ac waren, werden sich die Initiative von Quantenna nicht lange tatenlos ansehen. Ein weiterer Punkt ist die große Unzufriedenheit des Marktes mit 11ac. Dieser Standard ist zwar ganz nett für die Versorgung von Haushalten, in komplexeren Umgebungen ist ihm allerdings seine grundsätzlich betagte Herkunft anzumerken. Der Autor ist ganz optimistisch, gegen Ende 2017 bereits sinnvolle Produkte in einer hinreichenden Breite zu sehen. Bisher hat ein wirklich dringender Bedarf immer Wunder gewirkt.

Konsequenzen und Fragestellungen

Was 5G betrifft wäre es schon ein guter Anfang, sich damit auseinander zu setzen, was 5G letztlich sein wird und welche Leistungen, Funktionen und Ausprägungen es geben wird. Viele wollten damit bis 2020 warten. Aber nach sicherlich nicht substanzlosen Aussagen von Qualcomm werden erste Varianten sicher schon 2018 kommen. AT&T, Verizon und andere Provider werden sicherlich als Erstes fixed wireless Lösungen anbieten, einfach um die nicht überall rosige Gesamtversorgung zu verbessern. In diesen Tagen hat AT&T angekündigt, Time Warner kaufen zu wollen. Dadurch würde ein Unternehmen entstehen, welches die gesamte Wertschöpfungskette von Programmerzeugung bis zur Verbreitung an den Endbenutzer kontrolliert. Wir wissen noch nicht, ob die zuständigen Behörden diesen Deal genehmigen. Interessant ist aber die Aussage des AT&T-Chefs: „die Zukunft von Video ist Mobilität und Video ist die Zukunft der Mobilität.“ Ohne den philosophischen Gehalt näher zu diskutieren, kann man daher davon ausgehen, dass es nicht lange bei fixed wireless Lösungen bleibt, sondern das gesamte Spektrum der Mobilität auch erschlossen wird. Damit ist 5G aber noch lange nicht erschöpft. Ein wesentlicher Teil der neuen Funktionalität besteht in der Unterstützung des IoT in all seinen Facetten. Und hier wird es für jedes Unternehmen interessant. Wichtige Fragen wären also:

  • Was können wir in 2, 3 oder 5 Jahren von 5G erwarten?
  • Wie können wir 5G optimal für unsere Zwecke, z.B. IoT-Projekte, nutzen?
  • Welche Möglichkeiten bietet LTE und LTE Advanced bis dahin?
  • Wie wird er Übergang zwischen 4G und 5G aussehen?
  • Was passiert, wenn LTE-U und LAA in lizenzfreien Bereichen auf komplexe WLAN-Infrastrukturen treffen?

Auch wenn 11ax zur großen Freude Vieler deutlich eher kommen könnte als befürchtet, stellen sich dadurch einige Fragen wesentlich dringender als bisher vermutet:

  • Lieferbar ist aktuell nur 11ac. Was kann man wirklich mit diesem System erreichen?
  • Was können wir von den Funktionen der „waves“ wirklich erwarten?
  • Welche Probleme und Lösungen gibt es bei komplexen Umgebungen?
  • Mit 11ac kommen auch Cloud-basierte WLAN-Management-Lösungen. Wie sind diese zu bewerten?
  • Angesichts der Probleme mit 11ac: lohnt sich der Umstieg von 11n immer?
  • Können wir 11ac vielleicht aussitzen?
  • Mit 11ac kamen die Varianten für 2,5 und 5 GbEthernet für die Infrastruktur auf älteren Kabeln. Ist das wirklich sinnvoll? Sind die in DACH real verlegten Kabel wirklich so schlecht? Gibt es überhaupt irgendeinen Vorteil gegenüber einer reinen 10 GbE-Lösung für die Infrastruktur ? Mit 11ax kommt man mit einer 2,5 oder 5 GbE-Infrastruktur ohnehin nicht mehr aus. Wann kommt endlich Po10GBASE-T?

In der Sonderveranstaltung Wireless und Mobility behandeln wir diese Fragen und viele mehr. Nehmen Sie teil und sichern Sie sich den nötigen Informationsvorsprung!

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