HI-Speed Wireless IEEE 802.11n – The Next Generation

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Neben der HT-OFDM-Kodierung in 20-MHz- und 40-MHz-breiten Kanälen ist noch ein so genannter „40-MHz Duplicate Modus“ definiert, der allerdings lediglich für spezielle Frames wie Beacons, RTS, CTS oder ACK verwendet werden soll, aber nicht zur Datenübertragung. In diesem speziellen Übertragungsmodus werden zwei 20-MHz-breite Signale (entweder 20-HT oder Non-HT) in beiden betroffenen Kanälen gesendet, um dort assoziierte Systeme zu schützen, die eine bevorstehende 40-MHz-Übertragung nicht erkennen können.

Verbesserung der Effizienz
Das Hauptziel von 802.11n ist aber eine Durchsatzsteigerung im gesamten Funknetz und um dieses Ziel zu erreichen, genügt es nicht lediglich die nominalen Datenraten zu erhöhen, sondern es muss auch die Effizienz der Datenübertragungen im Funk-LAN verbessert werden. Gerade hier liegt ja der Hauptkritikpunkt an aktuellen WLAN-Implementationen: Die erreichbare Nettodatenrate liegt lediglich bei circa 50% der jeweils verwendeten Bruttorate.

Die Bilder 9 und 10 vergleichen die minimalen Übermittlungszeiten, die bei einer Standardtransaktion mit anschließendem SIFS, Acknowledge und DIFS gemäß 802.11a und 802.11n anfallen, am Beispiel von Frames mit 60 Byte und 1500 Byte MAC-Daten.

Wie man sieht, verbessern sich die Werte durch die HT-Kodierung bei 802.11n und die hohen Datenraten keineswegs.

Bei kurzen Frames verlängert sich sogar die gesamte Transaktionszeit und damit die Antwortzeit im Vergleich zu 802.11a und wird bei MIMO-Systemen mit mehreren Antennen mit der Anzahl der Spatial Streams sogar noch schlechter!

Der Grund hierfür liegt in den konstanten Anteilen der Transaktionszeit, insbesondere Inter-Frame Spacing und Frame-Header, die weder durch das verbesserte Coding noch durch Spatial Streams (wesentlich) reduziert werden. Hierdurch wird das Verhältnis Sendezeit des Datenteils zu Sendezeit der Header gerade bei den hohen Datenraten zu Ungunsten des Datenteils verschoben. Bei den hohen MIMO-Datenraten sinkt so die Effektivität solcher „standardmäßigen“ Transaktionen deutlich unter 50%.

Es ist bei 802.11n also gar nicht sinnvoll kurze Frames zu übertragen, erst bei langen Frames kann diese Technologie ihre Fähigkeiten ausspielen – und zwar umso mehr, je länger die Frames sind.

Um die Nettodatenrate zu erhöhen, muss also die Effektivität des gesamten Übertragungskanals verbessert werden. Der neue Standard sieht hierfür eine ganze Reihe weiterer neuer und erweiterter MAC-Verfahren vor:

  • Ein neuer Inter-Frame Spacing unter der Bezeichnung RIFS (Reduced IFS) kann statt SIFS verwendet werden, falls alle Stationen im Funknetz damit zurechtkommen, und reduziert so die Leerlaufzeit.
  • Bereits mit 802.11e (Quality of Service) wurden erweiterte Zugriffsverfahren und ein Block-Acknowledgement-Verfahren eingeführt, welche im Rahmen von Bandbreiten- und Antwortzeit-Zusagen (802.11 nennt dies Traffic Streams) Bursts von dicht aufeinander folgenden 802.11-Frames (PPDUs) erlauben. Im Rahmen einer vereinbarten Acknowledgement-Policy müssen diese Frames außerdem nicht mehr einzeln bestätigt werden, sondern nur noch als gesamter Block (Block Acknowledgement).
    802.11n erweitert hierbei einerseits die Möglichkeiten und Variationen des Block-Acknowledgement-Verfahrens und erhöht anderseits die Packungsdichte im Übertragungskanal durch zwei Möglichkeiten, Frames zusammenzufassen:
    • Aggregierte MSDU (A-MSDU)
      erlaubt die Verbindung mehrerer MSDUs zu einer MPDU. Jede MSDU erhält einen eigenen Ethernet-ähnlichen Header (Destination – Source – Length), die gesamte Kette jedoch nur einen gemeinsamen 802.11-MAC-Header. Daraus ergibt sich, dass nur solche MSDUs zusammengefasst werden können, die im WLAN zum selben Empfänger gesendet werden sollen (das ist auf der Clientseite keine Einschränkung, da von dort sowieso alle Frames an den Access Point gehen) und die der gleichen QoS-Verkehrsklasse zugeordnet sind.
      Die maximale Länge einer solchen MPDU sind 4095 Byte. Diese zusammengesetzte MPDU wird dann wie gewohnt weiter verarbeitet (Verschlüsselung – CRC – PHY-Layer – Acknowledge).
    • Aggregierte MPDU (A-MPDU)
      erlaubt die Übertragung mehrerer MPDUs als einen großen 802.11-Frame (PPDU). Die MPDUs werden hierbei jeweils durch einen vier Byte langen Delimiter voneinander getrennt, der zusammengesetzte Frame in einem Stück übertragen. Auch hierbei können nur solche MPDU-Frames zusammengefasst werden, die im WLAN zum selben Empfänger gesendet werden sollen, weitere Einschränkungen bestehen jedoch nicht, da jeder Teilframe bereits einen vollständigen MAC-Header besitzt – insbesondere können also Frames aus verschiedenen QoS-Verkehrsklassen zusammengefasst werden.
    • Die maximale Länge einer solchen aggregierten MPDU ist auf 65535 Byte vergrößert. Da hierbei quasi als Burst vollständige MAC-Frames übertragen werden, muss eines der Block-Acknowledgement-Verfahren zur einfachen Bestätigung aller (korrekt empfangener) Frames verwendet werden.

Beide Verfahren reduzieren also den systemimmanenten Overhead (Inter-Frame Spacing, MIMO-Overhead etc.).

A-MSDUs haben von beiden Verfahren den geringeren Overhead, sind in ihrer Wirkung jedoch durch die kürzere maximale Länge beschränkt. Sie eignen sich daher eher dafür mehrere kürzere Frames zusammenzufassen und so die durchschnittliche Ant-wortzeit zu verbessern. A-MPDUs können dagegen den Gesamtdurchsatz in der Zelle deutlich vergrößern. Modellrechnungen in Tabelle 11 und 12 zeigen den theoretisch erreichbaren Effekt.

  • Ein neues zeitschlitzgesteuertes Medienzugriffsverfahren PSMP (Power Save Multi-Poll) soll insbesondere Multimedia-Anwendungen unterstützen. Der Access Point vergibt hierbei als zentrale Instanz in regelmäßigen Abständen Zeitscheiben für Downlink- und Uplink-Phasen an alle Teilnehmer. Da das Medium durch den Access Point bereits zentral reserviert wurde, können die Teilnehmer zu Beginn ihrer Uplink-Phase direkt und ohne Carrier Sense auf das Medium zugreifen.

Das ACK-Verfahren (Acknowledgement-Policy) ist hierfür so angepasst, dass eine Bestätigung für einen Downlink-Frame erst in der folgenden Uplink-Phase und umgekehrt gesendet wird.

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