WLANs nach IEEE 802.11n

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Teil 17 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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WLANs nach IEEE 802.11n sind heute Stand der Technik. Im Heimbereich kann man sie einfach auspacken, anschließen und benutzen. Im professionellen Umfeld sollte man jedoch etwas mehr darüber wissen. MESH-Networks stellen einen anderen Ansatz dar und basieren auf dem Prinzip der kooperativen Autonomie.

Es ist vollkommen klar, dass die WLANs nach IEEE 802.11 a, b, g und h einfach zu langsam sind. Maximal 54 Mbit/s. in einer Funkzelle, die durch ein wirklich schreckliches Medienzugangsverfahren günstigstenfalls zur Hälfte erreicht werden und dann auch noch unter einer Anzahl von Benutzern aufgeteilt werden müssen, sind schlicht und ergreifend und ohne jede Diskussion einfach viel zu wenig. Der Standard IEEE 802.11n wird die Gestaltung von WLANs in den nächsten Jahren maßgeblich beeinflussen.

Die Frage, die sich natürlich brennend stellt, ist, ob eine Erhöhung der Übertragungsleistung in einer Zelle zwangsläufig wiederum mit einem neuen Zellendesign zwingend einher geht. Die Antwort von IEEE 802.11n eindeutig: NEIN. Das Zellendesign nach IEEE 802.11a kann weiter benutzt werden.

Die HTSG von IEEE 802.11 (Higher Throughput Study Group) untersuchte Möglichkeiten für WLANs mit mehr als 100 Mbps in der Funkzelle Die HTSG hat dann den Gruppennamen IEEE 802.11n erhalten und sich schon sehr früh auf Konformität zu IEEE 802.11a und auf den 5 GHz-Bereich festgelegt.

Diese Festlegungen bedeuten aber vor allem:

  • 802.11n-Systeme sind nach außen hin völlig konform zu allen Bestimmungen nach IEEE 802.11a und IEEE 802.11h
  • 802.11n-Funkzellen können genauso designt werden wie IEEE 802.11a Funkzellen
  • 802.11n-Funkzellen arbeiten im Rahmen der IEEE 802.11a Spektralmaske

Das kann für die Planung gar nicht hoch genug bewertet werden, denn

  • IEEE 802.11a-Funkzellen können zu jedem späteren Zeitpunkt zu 802.11n-Funkzellen aufgerüstet werden
  • Funktionen wie die automatische Kanalwahl und die automatische Leistungsanpassung werden in beiden Sorten Zellen arbeiten
  • IEEE 802.11a-Funkzellen und 802.11n-Funkzellen können in einem Umfeld, z.B. Bürohaus, zusammen betrieben werden und stören sich nicht
  • Wie man IEEE 802.11 einschätzen kann, wird es noch ein System zur automatischen Ratenanpassung geben. Dann können IEEE 802.11a Endgeräte in 802.11n-Zellen betrieben werden, allerdings mit max. 54 Mbps
  • IEEE 802.11a und 802.11n bilden dann ein harmonisches zweistufiges Werk, wie wir es schon von 100 Mbps Ethernet und Gigabit Ethernet kennen

MIMO-OFDM

Den unvoreingenommenen Betrachter verwundert bei den neuen Standards ganz besonders, dass offensichtlich mit mehreren Sendeantennen (bis zu vier), aber (zu mindestens bei kleinen Geräten) nur einer Empfangsantenne gearbeitet werden soll.

Man hat sich, um es kurz zu fassen, eines genialen Tricks bedient, auf den man erst einmal kommen muss. Den werde ich gleich erläutern, es sei aber vorausgeschickt, dass dieser Trick nachrichtentechnisch absolut sauber ist und dennoch nichts mit den möglichen Weiterentwicklungen mit dichterer Codierung, die ich in dem früheren Artikel vorgestellt hatte, zu tun hat. Wenn man die technischen Dokumente durcharbeitet, erschließt sich das übrigens nicht sofort. Normalerweise unterscheidet man drei verschiedene Möglichkeiten, Informationen auf einem Kanal zu multiplexen, nämlich Zeit, Raum und Codemultiplex.

OFDM ist ein Raum-Multiplexverfahren, weil sich eine Vielzahl orthogonaler Unterkanäle den Übertragungskanal teilen. „Orthogonal“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Unterkanäle senkrecht aufeinander stehen, sondern dass sie sich gegenseitig nicht stören.

Aus der GSM-Technik kommt aber der Gedanke, Multiplexverfahren einzusetzen, die gleichzeitig die Raum- und Zeitdimension aufteilen. Nur so kann man hinreichend viele Telefongespräche auf den engen Kanälen unterbringen.

Die Grundlage der neuen schnellen MIMO-OFDM-Technik ist es, dem OFDM-Raummultiplex eine Zeitkomponente hinzuzufügen und damit den Kanal besser zu nutzen. Die Zeitkomponente sorgt dafür, dass Unterkanäle in zwei Dimensionen zueinander orthogonal sein können, nämlich im Raum und in der Zeit.

Wir konkretisieren das jetzt weiter. Im Abbildung sehen wir die orthogonalen Kanäle für das „einfache“ OFDM. Die einzelnen Frequenzen stören sich nicht wenn man sie überlagert. Dies ist die Basis für das Raum-Multiplex-Verfahren OFDM

Der wesentliche Schritt bei der Erzeugung eines stabilen Funksignals ist die inverse Fourier-Transformation. Sie synthetisiert aus den Unterträgern ein Ausgangssignal, welches über die Antenne herausgeschickt werden kann.

Kommen wir jetzt zum genialen Trick des MIMO-OFDM. Grundgedanke des MIMO-OFDM ist das Versetzen der orthogonalen Unterträger derart, dass auch bei zwei oder mehr sich überlagernden Signalströmen die Summe der zu einem Zeitpunkt auf dem Kanal befindlichen Unterträger zueinander orthogonal ist, sozusagen in „der anderen Dimension“. Dadurch können mehrere Sende/Empfangswege unmittelbar benachbart sein, aber die Signale stören sich untereinander dennoch nicht. Voraussetzung: sehr strenge Synchronisation, aber das ist ja ganz unproblematisch, weil ein MIMO-OFDM-Transceiver nur „ganz am Ende“ einzeln arbeitende Komponenten für die Ansteuerung der Antennen hat, der überwiegende Teil der Verarbeitung der unterschiedlichen Signalwege aber in gemeinsamen Komponenten vorgenommen wird. Wir kennen so etwas schon lange: beim Gigabit Ethernet über Twisted Pair haben wir auch vier „Transceiver“, die aber auch aus gemeinsamen Quellen angesteuert und kompensiert werden.

Wir sehen uns dazu die Abbildung 5 an: wir haben jetzt zwei Gruppen identischer Unterkanäle. Wir versetzen jetzt aber die zweite Gruppe in der Zeitdimension genau um die Zeitdauer, die für den ersten Unterkanal vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich, dass alle Unterkanäle, die jetzt zu einem Zeitpunkt zusammentreffen, orthogonal zueinander sind, weil es sind ja jetzt paarweise solche, die vorher auch orthogonal zueinander waren. Die gescrambelten und vorverarbeiteten Nutzdatenbits werden in zwei Gruppen aufgeteilt. Aus den Bits dieser Gruppen werden dann mit entsprechender Dichte die analogen QAM-Signale hergestellt.

Die analogen QAM-Signale werden sodann auf zwei Gruppen OFDM-Unterträger aufgeprägt. Die zweite Gruppe wird gegenüber der ersten Gruppe ein Stück in der Zeit versetzt, damit die zweidimensionale Orthogonalität erreicht wird. Über die Größe des „Stücks“ kann man streiten, aber es sollte nicht zu groß sein, weil sonst die ganze Mühe umsonst wäre. Normalerweise gibt es 54 Unterträger. Ein Versatz um die Zeitdauer für 2-4 Unterträger ist hinreichend, um die Orthogonalität zu erzielen.

Schließlich werden die orthogonalen Unterträger jeweils mittels iFFT in zwei verschiedene Ausgangssignale synthetisiert. Diese dürfen sich dann ruhig überlagern, weil sie nach Konstruktion ebenfalls orthogonal zueinander sind. Es ist eine schöne Eigenschaft der iFFT, dass sie die Orthogonalität von den Eingangssignalen auf das synthetisierte Ausgangssignal „vererbt“.

Das Prinzip natürlich nicht nur für zwei Antennen nutzbar, sondern auch für mehr, die theoretische Grenze ist die Anzahl der orthogonalen Unterträger in einem OFDM-Signal. Die mögliche Leistung entspricht der Leistung eines einzelnen OFDM-Transceivers multipliziert mit der Anzahl der Wege abzüglich des Overheads durch den Zeitversatz. Dieser Zeitversatz kann sehr klein gehalten werden. Der Verlust durch den Zeitversatz kann außerdem durch verschiedene Maßnahmen vor der OFDM-Stufe kompensiert werden. Eine gute Möglichkeit: wäre: nur der erste OFDM-Frame führt Funktionen für die Kanalsteuerung aus, die anderen eines Zyklusses laufen einfach hinterher. Die tatsächliche Leistung ist dann auch sehr vielfältig und abhängig von vielen Parametern.

Derzeit definiert: sind Möglichkeiten für 20 MHz und 40 MHz-Kanäle. Ein 40 MHz-Kanal besteht aus zwei benachbarten 20 MHz-Kanälen, wobei nur einer Steuerungsfunktionen durchführt. Wir brauchen die 40 MHz-Kanäle aber nicht genau zu betrachten, denn erstens würden sie sämtliche Planungen, die wir bislang mit 20 MHz-Kanälen gemacht haben, völlig über den Haufen werfen und zweitens ist die Verwendung von 40 MHz-Kanälen in Europa und Japan durch die Regulierung z.Zt. schlichtweg untersagt.

Wir kommen darauf später natürlich nochmal zurück, aber erst einmal ging es um die Erklärung des generellen zugrunde liegenden Funktionsprinzips.

Mit dem bisher Dargestellten sollte auch völlig klar geworden sein, wieso man nur eine Empfangsantenne benötigt: die via Übertragungsmedium Luft gemischten OFDM-Signale kommen zusammen an und können dann (wie die Akkorde auf dem Klavier) nach der eigentlichem Empfangsstufe zerlegt und einzeln decodiert werden. Dann muss man die decodierten Bitströme wieder zusammenführen, descrambeln, vom FEC-Overhead befreien und erhält schließlich die gewünschte Nutzinformation. Wenn man an einem Empfangsgerät mehr Antennen zur Verfügung hat, kann man die wie gewohnt für das Antennen-Diversity nutzen.

Natürlich könnte man die orthogonalen OFDM-Signale auch direkt von einer einzigen gemeinsamen Antenne abstrahlen. Hier hat man sich aber in den Gremien anders entschieden. Für mehrere Antennen spricht, dass sie sehr billig sind. Außerdem kann man die bereits für 11a,g und h bewährten OFDM-Transceiver Chips einfach weiterbenutzen, man braucht nur jetzt mehr von ihnen. Wie wir aber wissen, kosten die fast nichts.

IEEE 802.11n – MAC-Erweiterungen

Man hat sich bei der Schaffung der MIMO-OFDM-Basis so viel Mühe gegeben, dass es jammerschade wäre, wenn man diese Möglichkeiten nur im Rahmen der von IEEE 802.11 b, a, g und h gegebenen MAC-Funktionen und -Definitionen nutzen könnte. Deshalb gibt es eine Reihe interessanter MAC-Erweiterungen im Standard IEEE 802.11n.

Da der Standard für hohen Durchsatz erweitert wird, gibt es eine Reihe von neuen Funktionen, die ihrerseits natürlich neue Frames nach sich ziehen oder Felder in bisherigen Frames benutzen, die bislang für „spätere Benutzung“ reserviert sind. Die wichtigsten neuen Funktionen sind:

  • Aggregation
  • HTP Burst Transmission
  • Neues Reduziertes Interframe Space Intervall RIFS
  • Erweiterter Multirate Support
  • Erweiterung der Modulationsklassen
  • Block Acknowledgement
  • Erweiterter OFDM-Schutz
  • Verwaltung der 40 MHz-Kanalpaare
  • Größere maximale MSDU-Länge

Für die Aggregation wurde die Architektur der MAC-Teilschicht entsprechend erweitert. Eine aggregierte MAC-Service Dateneinheit A-MSDU enkapsuliert eine oder mehrere MSDUs die zum gleichen Ziel geschickt werden sollen. Die übrigen Funktionen wie Frame-Auslieferung, Frame-Verzögerung im Schlaf-Modus, Sequenznummerierung, Fragmentierung, Verschlüsselung usf. bleiben wie gewohnt.

Eine weitere neue Funktion ist die HTP Burst Transmission. Die PHY mit hohem Durchsatz definiert Formate für die Burst Transmission, die eine bessere Ausnutzung des Mediums ermöglichen sollen. Im Rahmen einer Burst Transmission wird zunächst der Zugriff zum Medium erlangt, wenn die Station den aber einmal hat, kann sie hintereinander verschiedene Frames zu unterschiedlichen (oder der gleichen) Zieladresse schicken. Das ist ein qualitativer Unterschied zur Aggregation. Während einer Burst Transmission kann zusätzlich noch Aggregation benutzt werden.

Für die höheren Datenraten muss der Multirate-Support erweitert werden. Da dieser aber ohnehin auf einer Modulations-Klasseneinteilung basiert, ist das recht simpel. Die neuen Klassen sind 8 „High Throughput PHY 20 MHz“ und 9 dito 40 MHz.

Der Block-Acknowledgement-Mechanismus ist eigentlich schon länger im Standard enthalten und erlaubt jetzt die Übertragung eines Blocks von QoS regulierten MPDUs zwischen Stationen mit QoS ohne Unterbrechung durch ACK Frames (bisher: Unterbrechung durch ein SIFS-Intervall). Der Mechanismus dient der Erhöhung der Effizienz. Es gibt zwei unterschiedliche Block Ack Mechanismen: unverzüglich und verzögert. Unverzügliches Block Ack eignet sich für Verkehr hoher Bandbreite und geringer Latenz, während verzögertes Block Ack für Anwendungen geeignet ist, die eine moderate Latenz vertragen.

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