Gigabit-Wireless: erste Produkte angekündigt, es geht los, aber wohin?

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IEEE 802.11n hat die lange erwartete solide Basis für Wireless LAN Lösungen gelegt. Es ging um einen riesigen Markt, so dass die Streitereien zwischen den Beteiligten den Standard um Jahre unnötig verzögert haben. Nun geht das ganze Spiel wieder los. Zwei verschiedene Wireless-Standards streiten um die Gunst des Kunden, beide sind grundverschieden, beide sind rückwärts-kompatibel. Bisher war das ein Wettkampf hinter den Kulissen, aber die gerade in Las Vegas laufende Consumer Electronic Show CES hat den Knoten platzen lassen. Nachdem bisher nur einige kleinere Anbieter Ankündigungen platziert hatten, ist jetzt Broadcom auf das Parkett getreten und hat seine ersten 802.11ac-Chips noch für dieses Jahr angekündigt. Hersteller wie Netgear haben dann auch sofort Produkte für das zweite Halbjahr angekündigt.

Stellen wir also fest:

  • Die Gigabit-Wireless-Welle läuft los.
  • Produkte kommen noch in 2012, obwohl der Standard noch nicht verabschiedet ist.
  • Die wesentlichen Marktteilnehmer bringen sich in Position.
  • Die Entscheidung über den Weg in die Zukunft fällt auf jeden Fall im Konsumer-Markt, hier liegen die Stückzahlen.

Aber worum geht es und wieso brauchen wir überhaupt einen neuen Standard? Sollen wir das ganze Getöse ignorieren und gelassen abwarten?

Fangen wir mit dem Bedarf aus der Sicht eines normalen Unternehmens an. Der ist identisch mit den Mängeln von 802.11n:

  • Das benutzte Medienzugangsverfahren ist eines der schlechtesten jemals in einem Standard definierten, es skaliert nicht mit hohen Teilnehmerzahlen pro Zelle, im theoretischen Extremfall kann der Verkehr in einer Zelle zusammen brechen.
  • Die Übertragungs-Kapazität pro Zelle ist bezogen auf die typische Abdeckung von 150 bis 200 qm in Büroumgebungen (je nach Dämpfung und Reflexion durch Wände oder Metall) deutlich zu klein, theoretisch sind Rohdatenraten bis 600 Mbit/s im Standard möglich, doch bisher sind nur 450 Mbit/s-Systeme auf dem Markt und deren reale Nutzdatenrate liegt bedingt durch die geringe Effizienz des Medienzugangsverfahrens deutlich darunter (eine gute Faustformel sind 50%).
  • Eine Lösung für mehr Parallelität der Kommunikation innerhalb einer Zelle wäre ideal.
  • Die Service-Qualität innerhalb einer Zelle schwankt extrem je nach Entfernung zum Access-Point. Teilnehmer mit Sichtkontakt zum AP und Entfernungen unter 2m haben sehr gute Durchsatzraten, Teilnehmer am Rande der Zelle können froh sein, wenn sie stabil kommunizieren können, auf jeden Fall haben sie deutlich niedrigere Durchsätze.

Das war für viele Unternehmen bisher ok, war doch die Teilnehmerzahl überschaubar. Probleme gab es eher bezogen auf die Umsetzung von Wireless-Switch-Systemen und den damit verbundenen Produkteigenschaften bei beweglichen Teilnehmern.

Warum reicht IEEE 802.11n denn nun mit den genannten Mängeln als Basis für eine Zukunftssichere Installation nicht mehr aus?

Wir stehen vor einer bisher noch nie da gewesenen Welle von mobilen Teilnehmern. Die Marktvorhersagen für die nächsten 5 Jahre sind so erschütternd, dass wir nur hoffen können, dass sie nicht eintreffen. Aber wir alle kennen iPhones, iPads, Androids und beobachten gleichzeitig die Entwicklung bei den Laptops, wo gerade die Ultrabooks als Kopie des MacBook Air mal wieder den Markt anzuschieben versuchen. Wir müssen also davon ausgehen, dass die Anzahl mobiler Teilnehmer in den Unternehmen zunimmt. Was bedeutet das für die Planung von WLAN-Installationen?

Im Prinzip sind wie immer schon drei Kernfragen zu beantworten:

  • Wie groß soll die Zellabdeckung sein (inklusive der notwendigen Überlappung mit Nachbarzellen für bewegende Teilnehmer)?
  • Wie viele Teilnehmer pro Zelle werden erwartet?
  • Wie viel Bandbreite soll jedem Gerät zugewiesen werden?

Die subjektiven Antworten dazu aus meiner Sicht:

Die bisherige Zellgröße hat sich eigentlich in der Praxis bewährt. Eine bessere Ausleuchtung und eine stabilere Service-Qualität wären wichtiger als noch größere Zellen. Auch die Schaffung von Parallelität würde helfen.

Unter normalen Umständen sollte von maximal 10 bis 20 Teilnehmern pro Zelle ausgegangen werden. Dieser Wert ist in der Tat kritisch, da das Zugangsverfahren nicht skaliert und zu viele Teilnehmer das Netzwerk theoretisch destabilisieren können.

Bei der Kalkulation der Bandbreite sind fünf verschiedene Aspekte zu berücksichtigen:

  • Die zunehmende Bedeutung von Video inklusive mobiler Video-Konferenzen. Hier wird die notwendige Datenrate weiter sinken. Der SVC-Standard wird Konferenzen mit 512 Kbit/s möglich machen, das heutige Maximum ist bei 2 Mbit/s für mobile Geräte anzusiedeln. Theoretisch stellen Video-Übertragungen in Blueray-Qualität noch höhere Anforderungen, aber das macht für mobile Teilnehmer eigentlich keinen Sinn.
  • Die mobilen Teilnehmer werden in Zukunft in Private oder Public Cloud-Infrastrukturen eingebunden sein. Dies kann dazu führen, dass beim Betreten des Unternehmens mit Zugang zum WLAN umfangreiche Synchronisationen statt finden (sogenanntes „rapid sync-and-go file-transfer“). Die Teilnehmer werden hier nicht warten wollen, dies sollte zügig gehen. Allerdings werden die meisten zu synchronisierenden Dokumente nicht übermäßig groß sein.
  • Die Gerätepflege mobiler Teilnehmer wird in der Regel über Admin-Server und App-Shops gesteuert werden. Eine komplette WLAN-basierte Software-Pflege wird auch für Laptops normal werden. Wer MAC OS Lion aus dem App-Shop installiert hat, weiß was das bedeutet. Die Vorstellung eine Adobe Master Collection wireless zu installieren ist sicher interessant. Die Frage ist hier, wie robust die Installationsverfahren sind und ob Unterbrechungen toleriert werden, ob also die ganze Installation an einem Stück erfolgen muss oder nicht. Tatsächlich müssen viele Unternehmen geeignete Betriebskonzepte für diverse Gerätetypen inkl. BYOD (Bring Your Own Device) erst noch entwickeln.
  • Speziell Laptops werden in die lokalen Infrastrukturen eingebunden sein wie normale Desktop-PCs. Im Prinzip gelten deshalb ähnliche Bandbreiten-Anforderungen wie für diese.
  • Da der Bedarf in jedem Fall die zu einer Zeit gegebene Kapazität überschreiten kann, sind WLANs einer der wenigen Bereiche, in denen Quality of Service wirklich gebraucht wird. Dies betrifft auch die Garantie der Übertragung wichtiger Daten im Falle von Funkstörungen.

Tatsächlich berücksichtigen die Standardisierungs-Gremien deutlich mehr Szenarien wie den Einsatz von hochauflösendem Video in der Medizin, der Versorgung eines Flugzeugs mit parallelen Videoströmen und individueller Steuerung durch die Passagiere, die Nutzung von Wireless im Rahmen von Gebäudeüberwachung, der Einsatz in der Fertigungshalle. Im Kern wird dabei davon ausgegangen, dass ein sinnvoller Standard sowohl die parallele Verteilung von Videoströmen als auch eine hohe Punkt-zu-Punkt Datenrate unterstützen muss.

Fassen wir also an dieser Stelle zusammen: der bisherige IEEE 802.11n-Standard ist nicht schlecht, aber er wird für die nächsten Jahre nicht ausreichen.

Damit sind wir bei der Frage, was danach kommen kann oder sollte. Tatsächlich haben wir zwei verschiedene Gigabit-Wireless-Standards, die um die Zukunft kämpfen:

  • IEEE 802.11ad: bis zu 7 Gigabit im 60 GHz-Band
  • IEEE 802.11ac: bis zu 6,93 Gbit/s im 5Ghz-Band, aber realistisch werden wir eher 1 bis 2 Gbit/s-Produkte sehen

Vereinfacht ausgedrückt räumt der ad-Standard komplett mit den Mängeln der Vergangenheit auf, bringt ein neues Medienzugangsverfahren und nutzt die technisch gegebenen Funkeigenschaften voll aus. Er ist zudem ein Tri-Band-Standard und integriert die anderen 802.11-Standards in einem Chip. Seine Kerneigenschaften sind:

  • 60 GHz-Frequenzband
  • Polling- und Zeitslot-basiertes Medienzugangsverfahren
  • Ack für mehrere Pakete möglich
  • Direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern durch DLP ohne über den AP zu gehen
  • Beamforming für robuste Kommunikation über 10 m hinaus
  • AES integriert
  • Direkte Unterstützung von HDMI und Display-Port, kann also auch Kabelersatz im Wohnzimmer oder am Arbeitsplatz sein (A/V PAL)
  • Direkte Unterstützung für USB und PCIe über Funk, also Ersatz für entsprechende Computer-Kabel (I/O Pal)

Wir haben uns innerhalb von ComConsult-Study.tv intensiv mit diesem Standard befasst, ein entsprechendes Video von Dr. Kauffels ist dort verfügbar (setzt Abo voraus). (siehe Bild 2)

Der 802.11ad-Standard soll in 2012 verabschiedet werden, erste Chiphersteller haben die Verfügbarkeit von Chips angekündigt. Trotzdem muss der Einsatz innerhalb von Unternehmen mit Fragezeichen gesehen werden. Auch wenn Beamforming Freiluft-Entfernungen von mehr als 10m erlaubt (was in der Praxis abzuwarten bleibt und zum Beispiel von Experten wie Dr. Kauffels bestritten wird), ist bei 60GHz-Signalen an jeder Wand oder jedem anderen festen Objekt Schluss. Der Standard ist ohne Frage ideal für einen Besprechungsraum oder ein Wohnzimmer, aber für die heutige Zellauslegung ungeeignet. Er hat zwar die Tri-Band-Eigenschaft und damit die Integration von 11n, aber das ist mehr ein Feigenblatt.

Diesem revolutionären Ansatz von 11ad steht der evolutionäre Ansatz von 11ac gegenüber. 11ac ist defakto eine Verbesserung von 11n, wobei allerdings leider das schlechte Medienzugangsverfahren mit der geringen Effizienz beibehalten wird. Die Eckwerte von 11ac sind:

  • 80 MHz-Kanäle, für Sonderanwendungen auch 160 MHz
  • 8 MIMO-Streams anstelle von 4 bei 11n (pro Stream 433 Mbit/s im Vergleich zu 150Mbit/s)
  • Spezieller Multicast-Mode (Downlink MU-MIMO), interessant zur Verteilung von HD-Videos zum Beispiel, könnte auch spannend zur parallelen Installation von Software sein
  • 256 QAM-Modulation anstelle von 64-QAM bei 11n
  • Beamforming zur besseren Zellausleuchtung.

Die angegebene maximale Bandbreite von 6,93 Gigabit muss als theoretisch angesehen werden, sie setzt 160 MHz-Kanäle und eine aufwendige Übertragungs-Konstruktion voraus.

Der theoretische Nutzen von 802.11ac für Unternehmen liegt in der Verdreifachung der typischen Bandbreite bei gleichzeitiger Stabilisierung der Ausleuchtung durch Beamforming. In der Praxis würde man vermutlich bei dem bisherigen 11n-Zell-Layout bleiben, aber die Zellen würden leistungsfähiger. Dies entspricht auch genau dem zu Beginn genannten Bedarf.

Achtung: auf jeden Fall muss auch bei 11ac davon ausgegangen werden, dass Access Points nicht mit Gigabit-Links angebunden werden können. 10 Gigabit werden erforderlich werden. Allerdings entspricht das dem generellen Trend, innerhalb der Infrastruktur-Verkabelung auf 10 Gigabit zu gehen. Damit entsteht aber ein Verkabelungsproblem, da die bisherige Lösung auch genutzt wird, um die Stromversorgung der Access Points mit Power over Ethernet zu realisieren. Eine solche Lösung ist für 10 Gigabit bisher nicht existent und es ist fraglich, ob sie jemals kommt. Auch ist zu befürchten, dass der Leistungsbedarf der zukünftigen Access Points höher ist als bisher und es auch in diesem Bereich Probleme mit PoE geben kann.

Also spricht alles für 11ac, oder?

Nun, es gibt einige ernst zu nehmende Einschränkungen:

  • Der offizielle IEEE-Zeitplan sieht eine Verabschiedung im November 2013 vor.
  • Alle angegebenen Leistungswerte sind Papierwerte, die einer Überprüfung in der Praxis bedürfen. Speziell im Bereich Beamforming gibt es seitens unserer Experten auch Zweifel, ob damit überhaupt ein Mehrwert verbunden ist.
  • Bei den jetzt auf der CES angekündig-ten Chips ist unklar, welche Detaileigenschaften der Spezifikation unterstützt werden.

Und vor allem: wer hat jemals behauptet, dass sich das technisch geeignetere Verfahren durchsetzt? Wieso haben wir dann Ethernet?

Wir müssen davon ausgehen, dass die normative Kraft des Faktischen den Streit zwischen 11ac und 11ad entscheidet. Wem es gelingt, sich in den Smartphones und Tablets der Zukunft durchzusetzen, der gewinnt das Rennen. Die konkreten Eigenschaften der Chips, speziell der Strombedarf werden dabei eine Rolle spielen, aber auch strategische Überlegungen. So ist Samsung einer der wesentlichen Android-Anbieter, aber auch gleichzeitig intensiv im TV-Markt tätig. Samsungs-Interesse wird also vermutlich eher auf der ad-Seite liegen. Für Anbieter, die im TV-Markt nicht präsent sind, wird ggf. 11ac eher interessant sein.

Broadcom hat seinen Hut zur CES in der letzten Woche in den Ring geworfen, Netgear ist sofort gefolgt. Im Unternehmensmarkt wird sicher eine große Rolle spielen, welchen Weg Cisco geht.

Was bedeutet das für Unternehmen jetzt und heute? Persönlich würde ich an der heutigen Methode der Zellplanung festhalten. Allerdings werden die 80MHz-Kanäle von 11ac Änderungen in der Frequenzplanung erfordern. Große Fragezeichen entstehen bei der Verkabelung der Access Points und der Einbindung in Wireless Switching Infrastrukturen. Gigabit Wireless erfordert 10 Gigabit-Anbindung der Access Points. Gigabit-Datenströme von den Access Points dürften viele der heute angebotenen Wireless-Switch-Systeme weit überfordern. Und natürlich: mit der nächsten Generation vor der Tür stellt sich die Frage, wie lange man noch große Summen in alte Technik stecken will. Dieser Punkt ist spekulativ, da im Moment unklar ist, wann Produkte, die wirklich Unternehmens-tauglich sind, auf den Markt kommen. Hier sind die Hersteller gefordert, ihre Karten auf den Tisch zu legen.

Wie schon angedeutet wird es darüber hinaus Unmengen an Sonderfällen geben (Medizin, Fernsehstudios, Flugzeuge, Züge, Fertigung, …), die eine sehr spezielle Bedarfssituation haben. Gerade für diese Sonderfälle deutet sich an, dass die neuen Standards eine deutliche Verbesserung bringen werden. Zum Teil wird in diesen Umgebungen erst durch die neuen Standards der Einsatz von Wireless überhaupt erst möglich.

Im Klartext: es wird Zeit, sich mit diesem Thema zu befassen, einen Standpunkt zur Frage der Standards zu entwickeln und eine persönliche Roadmap zu erstellen.

Natürlich helfen wir dabei. Unser Netzwerk Redesign-Forum im April wird diese Diskussion aus der Sicht von ComConsult Research aufgreifen und die anwesenden Hersteller werden sich den Fragen des Publikums stellen.

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