Multi-Gigabit Wireless nach IEEE 802.11ad und WiGig

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Teil 18 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Aufgrund vielfältiger Probleme, vor allem hinsichtlich der tatsächlich erreichbaren Leistung, ist ein Nachfolgestandard für 802.11n längst überfällig. 11n ist schon seit über zwei Jahren im Consumer-Markt präsent..IEEE 802.11ad definiert eine WLAN-Zellentechnologie mit bis zu 7 Gbit/s. Nominal-Leistung. Funktechnisch liegen die neuen WLAN-Zellen im 60 GHz-Bereich. Durch verschiedene Modifikationen, vor allem hinsichtlich des Zugriffsverfahrens, kann diese Leistung auch tatsächlich genutzt werden. Allerdings hat der Millimeterwellenbereich so seine speziellen Eigenschaften. Chiphersteller entwickeln zurzeit TriBand-Transceiver, spätestens zum Weihnachtsgeschäft 2011 werden viele Geräte der Unterhaltungselektronik damit ausgerüstet sein.

Die weiträumige Verfügbarkeit hochwertiger digitaler Multimedia-Inhalte führt zur Notwendigkeit der Bereitstellung drahtloser Verbindungen mit einer Leistung, die von Produkten nach aktuellen kommerziellen Standards nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Das gilt für den privaten Bereich genauso wie für Corporate Networks.

Am deutlichsten wird dies durch die Tablets, wie das iPad. Wir haben hier extrem leistungsfähige kleine Geräte mit eigentlich nur einem gravierenden Nachteil, nämlich einer mageren Speicherausstattung. Der Grundgedanke bei allen Tablets ist, dass sie eine mehr oder minder dauerhafte Verbindung zu einer Cloud haben, die ihnen alle benötigten Daten zuspielt. Das ist aber eigentlich keine informationstechnisch begründete Idee, sondern brutales Marketing. Schon im ersten Jahr sind die Verbindungskosten für ein Tablet höher als die Kosten für das Gerät selbst. Die Idee der Apps setzt da noch eins oben drauf: für alles, was das Tablet können soll, muss man noch Apps extra hinzukaufen, die natürlich dann wieder wireless ausgeliefert werden. Man kann das Konzept daran verifizieren, dass Hersteller wie Apple immer eine Kontraktierung zu lokalen Providern suchen.

Wenn die Early Adopter „verbraucht“ sind, wird man den Markt für derartige Geräte nur dann ausweiten können, wenn sie auch „normal“ benutzt werden können und die Möglichkeit eines unkomplizierten preiswerten Zugriffs auf die z.B. in einem Haushalt bestehenden Ressourcen (PCs, Notebooks, HDTV, BluRay) möglich ist. Das wissen alle einschlägigen Hersteller, auch die für Unterhaltungselektronik.

Bei den Providern sieht es so aus, dass jetzt schon zu erkennen ist, dass UMTS für die Anbindung von Tablets nicht mehr lange tragfähig sein wird, weil auch die Tablets gemäß der allgemeinen Technologieentwicklung sehr schnell viel leistungsfähiger sein werden. Als Nachfolgetechnologien stehen WiMax und LTE zur Verfügung. LTE ermöglicht im Rahmen einer Verbindung einen Download mit bis zu 500 Mbit/s. Die ersten kommerziell verfügbaren Ausführungen werden sich eher im Bereich von 3-10 Mbit/s. bewegen. Dafür sind die Systeme mit den schon gewohnten Einschränkungen flächendeckend. Für eine wirklich mobile Benutzung ist das sicher ein guter Kompromiss.

Wie sieht es aber im Heimbereich oder in Büros aus? Ein LTE-Link kann, grob gesprochen, im Rahmen einer sog. Femto-Zelle auf mehrere benutzende Geräte herunter gebrochen werden. Es funktioniert, führt aber auch zu dauerhaften Kosten.

Von 3Play mit WLANs im Heimbereich und Corporate WLANs im Unternehmensumfeld sind wir etwas anderes gewohnt: nach einer Investition für die Geräte fallen keine weiteren Kosten für die Datenübertragung an.

Also, wir brauchen wieder WLAN-Technik, nur schneller als mit 11n. Das Leistungsversprechen von 11n wird nicht eingelöst. Selbst wenn rein von der Funktechnik die angegebenen 600 Mbit/s. erzielt werden, bleiben davon höchstens 150 – 200 Mbit/s. übrig, die unter den Nutzern aufgeteilt werden. Das funktioniert ja im Heimbereich sehr gut, vor allem weil die Anzahl der Stationen klein ist. Das Problem an 11n ist weniger die Übertragung, sondern vielmehr das DCF-Steuerungsverfahren. Wie schon in allen Vorgängerversionen sorgt es dafür, dass die Leistung sehr gering ist.

Ein weiteres Problem ist das 5 MHz-Band. Es ist stellenweise so überfüllt, dass kein vernünftiger Verkehr mehr möglich ist. Der Autor wohnt in einem größeren Mehrfamilienhaus. Es gibt 16 Wohnungen und 20 WLANs. Die meisten für T-Home. Direkt unter dem Autor ist aber ein Knotenpunkt für ein studentisches Mesh-Network. Das sind alleine 3-5 WLANs. Kurz und gut, der Autor kann mit 11n höchstens 3-5 k (Kilo!!) bit/s. Übertragungsrate erreichen.

Schließlich gibt es noch den Bereich HDTV. Nachdem das jetzt fast alle haben, sucht die Industrie nach Steigerungsmöglichkeiten. Das sind noch höhere Auflösung und/oder 3D. Noch 2010 kommen die ersten 3D-HDTV-Geräte in den Markt. Weil es noch keine ausgestrahlten Programme dafür gibt, braucht man einen 3D-BluRay-Player. Auch diese Geräte wird man mittelfristig drahtlos vernetzen wollen. Ich möchte hier keine Diskussion über mögliche Kompressionsverfahren beginnen, am Ende brauchen wir aber auch hierfür mehr Leistung.

Ziele einer jeden Standardisierung müssen sein:

  • Schaffung einer WLAN-Technik, die sich „anfühlt“ wie bestehende WLANs, aber deutlich schneller ist, mindestens um den Faktor 10
  • Erschließung eines neuen lizenzfreien Frequenzbereiches
  • Abwärtskompatibilität zu bestehenden Lösungen
  • Schaffung neuer, einfach zu nutzender Schnittstellen für HDMI- und PCIe-Kommunikation

Der letzte Punkt mag überraschen, wo wir doch eigentlich gewohnt sind, alles in Ethernet-Päckchen zu packen. Aber erstens haben WLANs ohnehin eigene Datenformate und zweitens sind HDMI bzw. PCIe wichtige Standard-Schnittstellen der interessantesten Gerätegruppen für eine Wireless Gigabit-Kommunikation, nämlich (3D)-HDTV bzw. Notebooks und Tablets.

Maßgeblich für alle Entwicklungen ist jetzt der Standard IEEE 802.11ad. Er bleibt allerdings völlig unverständlich, wenn man nicht vorher Einiges aus dem Umfeld erläutert.

IEEE 802.11ad, WiGig und WiFi

IEEE 802.11 ist die bekannte Standardisierungsgruppe, WiGig ist ein Herstellerkonsortium. IEEE kümmert sich traditionell um die Übertragungstechnik, hat aber Defizite hinsichtlich der Schaffung von Schnittstellen und Ausführungsempfehlungen. Dann gibt es noch WiFi, die für die Kompatibilität von WLAN-Komponenten zuständig sind und ohne deren Arbeit heute gar nichts laufen würde.

Die High Speed Study Group von 802.11 arbeitet schon seit über fünf Jahren an einem Nachfolgestandard für 11n. Die Gruppe hat jetzt die Bezeichnung 11ad, unter der die Drafts laufen. In 802.11ad fließt eine Reihe von Ideen ein, die in 802.11n nicht aufgenommen wurden, wie DLC. Zusammengenommen kann man die Ziele von 802.11ad und WiGig so formulieren:

  • Unterstützung von Datenraten bis zu 7 Gbps. Alle 11ad/WiGig-Geräte müssen Datenraten im Gigabit-Bereich liefern können
  • Konstruktive Berücksichtigung von stromsparenden Methoden z.B. für Mobiltelefone von Anfang an. Dies umfasst auch intelligentes Power Management.
  • Strenge Verankerung in 802.11. Nativer WiFi-Support und transparentes Umschalten zwischen Geräten in den Frequenzbereichen 2, 4, 5 und 60 MHz
  • Unterstützung von Beamforming und maximaler Signalstärke für die robuste Kommunikation auch über Distanzen von mehr als 10 m.
  • Erhöhte Sicherheit durch die Benutzung des Galois/Counter-Modus des AES-Verschlüsselungsverfahrens
  • Unterstützung hochperformanter Implementierungen drahtloser HDMI, DisplayPort, USB und PCIe-Schnittstellen

Nachdem sich 11ad und WiGig geeinigt haben, sprechen sie im September mit WiFi.

Eigenheiten der Übertragung im mm-Wellenbereich jenseits 50 GHz

Das so genannte 60 GHz-Band, welches ursprünglich von der FCC vor vielen Jahren freigegeben wurde, geht von 57 – 64 GHz und ist ein lizenzfreies Band nach den Regelungen von “part 15.225”. Durch O2 Absorption entsteht ein grundsätzlicher Verlust von 15dB/km. Eine PHY Layer kann sehr robust gestaltet werden. Durch die beschränkte Reichweite gibt es eine große Wiederverwendbarkeit von Frequenzen. Ein System im 60 GHz-Band trägt bis zu 10 Gbps mit herkömmlichen Modulationsverfahren. Solche Systeme werden für Richtfunkstrecken schon lange in MAN und Campus Netzen benutzt. Die neuen kommerziellen Anwendungen sind mmWLAN und PAN. Die Aktivitäten von 802.15 PAN wollen wir hier nicht weiter betrachten, weil sie im betrachteten Zusammenhang eher unwesentlich sind. FCC öffnete im Oktober 2003 auch die Bänder 71 – 76 GHz, 81 – 86 GHz und 92 – 95 GHz für die kommerzielle Verwendung , primär für Richtfunkanwendungen Eine Lizenz basieret auf nachweislichem Schutz vor Interferenzen auf der Basis von Links.
In Europa ist vor allem der Bereich zwischen 59 und 62 GHz interessant, für die höheren Frequenzbereiche gibt es noch keine Freigaben.

Die FCC-Anforderungen für das 60 GHz-Band sind wie folgt:

  • Mittlere Leistungsdichte ≤ 9 μW/cm2 bei 3 m
  • Leistungsdichte in der Spitze ≤ 18 μW/cm2 bei 3 m
  • Leistungsdichte ≤ 1 mW/cm2 auf der generellen Population im Mittel über 30 Minuten
  • Spitzen-Ausgangsleistung des Transmitters darf 500 mW nicht überschreiten
  • Spezifikationen für Out-of-Band
  • Bei Indoor-Anwendungen muss jede Sekunde der FCC Identifier des Transmitters, seine Seriennummer und 24 Bytes Daten gesendet werden

Das wurde für Europa mit zwei Unterschieden übernommen: der Frequenzbereich beginnt bei 59,4 GHz und die Ausgangsleistung darf einschließlich der Berücksichtigung der Verstärkungseffekte in der Antenne 57 dBm (EIRP) nicht überschreiten. Das kennen wir ja schon von den anderen WLANs.

Wie kann man nun trotzdem unter diesen Bedingungen ein stabiles Funknetz aufbauen? Mit MIMO-Antennentechnologie, wie wir sie schon teilweise aus 11n kennen und Beamforming.

Im Zusammenhang mit Funktechnologie wird der Begriff MIMO normalerweise eigentlich erst im Millimeterwellenbereich, also ab ca. 50 GHz, verwendet. Hier gibt es sog. Beam Shaped MIMO-Antennen. Im Millimeterwellenbereich besteht wegen der kürzeren Wellenlängen das Problem des Multipath Fadings in völlig anderer Größenordnung als bei den heute bekannten WLANs. Um überhaupt eine sinnvolle Übertragung aufsetzen zu können, benötigt man Antennen mit einer recht starken Richtwirkung. Auch diese erzeugen noch Multipath Fading, aber durch die Richtwirkung wenigstens mit einer begrenzten Anzahl primärer Signalwege recht hoher Intensität und einer hohen Anzahl sekundärer Signalwege mit geringer Intensität, die man dann wegfiltern kann. Je nach Anspruch reicht dies aber immer noch nicht aus, sondern muss mit Antennen Diversity kombiniert werden. Das kennen wir ja schon von den „normalen“ WLANs. Es werden mehrere (mindestens zwei) Antennen verwendet, die gleichartig ein Signal abstrahlen. Dabei wird es durch die Umgebungsbedingungen zu Signalen kommen, die relativ direkt mit relativ hoher Intensität auf dem Empfänger einstrahlen und solche, deren Intensität geringer ist oder die durch längere Wege und Reflexionen verzögert sind. Der Empfänger „nimmt“ sich dann einfach das stärkste und beste Signal heraus.

IEEE 802.11ad definiert einen kontrollierten Prozess zur adaptiven Abstimmung multipler MIMO-Beam Shaped Antennen, der dort als „Beamforming“ bezeichnet wird. Dazu weiter unten mehr. Insgesamt ergeben sich folgende Anforderungen an Modems bzw. Transceiver:

Besondere Funktionen in IEEE 802.11ad

IEEE 802.11ad ist ein „ganz normaler“ WLAN-Standard und wird auch in Form von Ergänzungen zu den bestehenden Standards definiert, eben für WLANs im 60 GHz-Band. Die gesamte Struktur mit Access Points und Stationen und verschiedenen Konfigurationen und Modi, wie wir sie schon aus 802.11b kennen, bleibt erhalten. Insgesamt lassen sich die Änderungen wie folgt zusammenfassen:

  • Erweiterung des 802.11-Universums auf mmWave
  • Spezialitäten für mmWave: Beamforming
  • Unterschiedliche Zugriffsverfahren statt DCF:
    • Polling
    • Beamforming-Trainingsphase (Access Beam Forming Training A-BFT)
    • Kennenlern-Phase (Announcement-Time AT)
    • Service-Periode
    • Contention für Sonderfälle
  • Besonderheiten: Aggregation, Block-ACK, Stromsparmodi
  • Unterschiedliche PHY-Varianten, Schwerpunkt OFDM
  • Leistung mit OFDM bis zu 6,75675 Gbps

Gegenüber seinen Vorgängern hat 802.11ad eine erheblich erweiterte Funktionalität in der Kommunikation durch die unterschiedlichen Phasen. Das grundsätzliche Steuerungsprinzip ist Polling durch einen AP mit Request/Grant. Zunächst müssen sich die Stationen kennenlernen, eben in der Kennenlernphase. Neue Stationen können in dieser Phase aufgenommen werden oder eine solche Phase beim AP „bestellen“. Die Beamforming-Phase dient der Optimierung der Radio-Kommunikation. Sie muss zu Beginn durchlaufen werden und immer dann, wenn sich Geräte bewegen. Daten werden in der Service-Periode übertragen.

Wichtig: nach einer „Vereinbarungsphase“ tauschen die Stationen Daten in einem vereinbarten Kanal direkt untereinander aus, ohne dass immer der gesamte Verkehr über den AP läuft. Basis hierfür ist das DLP (Direct Link Protocol), was schon mit 11n kommen sollte, dann aber nicht kam. Nur bei der Vereinbarungsphase und bei bestimmten Ereignissen wird DFS benutzt.

Abbildung 1 zeigt die Struktur im Vergleich zu den bisherigen Funktionaleinheiten (links).

In der Kennenlernphase, der lediglich eine Grundkonfiguration vorausgeht, pollt der AP alle ihm bekannten Stationen an. Sie geben dann ein paar Parameter ab und sagen, ob sie in Zukunft senden wollen. Nach dieser Phase können Stationen meckern, die nicht angepollt wurden, und in das Netz aufgenommen werden. Das ist einer der seltenen Momente, wo es im Netz Contention geben kann, die mit DCF gehandhabt wird. Siehe dazu Abbildung 2.

Im Anschluss an diese Announcement-Phase folgt eine Request/Grant Phase. Alle Stationen werden angepollt und müssen sagen, ob sie senden möchten. Danach kommt eine Grant/Service-Phase. Hier gibt der AP für eine Station eine Zeit frei, in der sie ihre Sendung loswerden kann. Das ist ganz deterministisch, siehe Abbildung 3.

Steht nur ein Kanal zur Verfügung, ist das Zugriffsverfahren damit beendet. Bei Verfügbarkeit von mehreren Kanälen geht es dann aber erst richtig los, es kommt DLC, das Direct Link Control Protocol zum Einsatz. Das DLC setzt voraus, dass es einen Access Point und eine oder mehrere DLC-fähige Stationen gibt. Der Access Point hat eine zentrale Steuerungsfunktion.

DLC erlaubt den Austausch von Frames direkt zwischen nicht-AP Stationen im gleichen BSS.

Der AP kontrolliert die limitierte Ressource (d.h. den Kanal), um DLC- Kanäle von der Liste verfügbarer Kanäle zuzuordnen. Dazu macht er grundsätzlich einen Background SCAN, das ist ein periodischer Update der Liste verfügbarer Kanäle durch Prüfung der RSSI der Mittenfrequenz eines jeden Kanals, Zuteilung des DLC Kanals zu DLC Stationen erfolgt mit DLC Request oder DLC Response Frame

DLC Stationen ändern den Kanal zwischen DLC and nicht-DLC. Dabei gibt es verschiedene Betriebsmodi:

  • DLC Mode 1: DLC Stationen teilen sich den Primärkanal.
  • DLC Mode 2: DLC Stationen benutzen entweder den Primärkanal oder den DLC-Kanal oder DCF nach 4-way handshake Transaktion
  • DLC Mode 3: DLC Stationen benutzen nur den DLC-Kanal nach 4-way handshake Transaktion

Damit alles funktionieren kann, muss das Frameformat geändert werden, aber nur wenig. Man braucht drei neue Primitive (DLC Request, DLC Response und DLC Start/End) sowie neue Action Codes auf Grundlage des üblichen IEEE 802.11 Management Frames.

Kommen wir abschließend noch zum erweiterten Kompatibilitätsmodus. Dieser basiert letztlich auf DLC, was ja weiter oben genau beschrieben wurde. Es ist durchaus möglich, die gesamte Zugriffskontrolle für eine 60 GHz-Zelle in ein anderes Band, z.B. 2,4 oder 5 GHz zu verlegen. In diesem Band wird dann gesteuert, die Kommunikation findet unter den Geräten aber direkt statt. Die Abbildung 4 sagt hier mehr als 1000 Worte.

Die WiGig-Alliance erweitert den Standard IEEE 802.11ad in zweierlei Hinsicht. Zum einen wird die TriBand-Struktur als Normalfall zementiert. Zum anderen gibt es spezielle Schnittstellen für HDMI und PCIe, die letztlich nichts anderes machen als die drahtlose Nachbildung solcher Verbindungen. Das schafft vor allem einheitliche Schnittstellen für die Hersteller von Unterhaltungselektronik und Systemen wie Tablets.

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