IEEE802.11ax eine kritische Betrachtung

Der neue WLAN Standard IEEE802.11ax (Wi-Fi 6) nähert sich der Fertigstellung und die ersten Geräte sind schon auf dem Markt verfügbar. Es werden höhere Datenraten, bessere Reichweiten, niedrige Latenzen, mehr Sicherheit und längere Batterielaufzeiten versprochen. Werden die Versprechen gehalten? Lohnt es sich schon demnächst sein WLAN zu aktualisieren? Dieser Artikel analysiert die Verbesserungen von IEEE802.11ax im Hinblick auf die Praxis in einem privaten Heimnetzwerk.

Der Artikel gliedert sich in folgende Abschnitte:

1. IEEE802.11ax - Höhere Datenraten
   
2. IEEE802.11ax - Bessere Reichweiten
   
3. IEEE802.11ax - Niedrige Latenzen
   
4. IEEE802.11ax - Mehr Sicherheit und längere Batterielaufzeiten
   
5. IEEE802.11ax - Fazit

Notiz: ax, ac, n, g, b, all diese Kürzel bezeichneten bisher die verschiedenen WLAN-Versionen. Nicht besonders intuitiv. Somit hat die Wi-Fi Allianz 2018 beschlossen, das für die Kommunikation Richtung Endanwender das Namensschema Wi-Fi x verwendet werden soll. Das „x“ steht dabei für die Wi-Fi Generation. Je höher die Zahl desto aktueller die WLAN-Generation. Wi-Fi 5 bezeichnet z.B. die etablierte WLAN-Generation basierend auf dem IEEE802.11ac Standard. Wi-Fi 6 die kommende WLAN-Generation basierend auf dem IEEE802.11ax Standard.

IEEE802.11ax - Höhere Datenraten

Wie „schnell“ ein WLAN ist, hängt von mehreren Faktoren ab:

1. Dichte der zu übertragenden Bits auf die Luftschnittstelle (Modulation): IEEE802.11ax beinhaltet die 1024QAM Modulation, welche eine höhere Dichte der zu übertragenden Bits ermöglicht und damit eine höhere Datenrate. Die maximale Modulation mit IEEE802.11ac ist 256QAM. In der Praxis hatten manche Hersteller aber auch schon mit IEEE802.11ac Produkten die 1024QAM Modulation unterstützt, nur dann proprietär und nicht einem Standard folgend.

2. Verwendbare Frequenzbandbreite: Je breiter das Frequenzband welches für die Übertragung verwendet wird, desto höher die Datenrate. Hier bleibt IEEE802.11ax bei der maximalen Frequenzbandbreite von 160Mhz, welche auch schon mit IEEE802.11ac möglich ist.

3. Anzahl der gleichzeitig übertragenden Datenströme (MIMO): Durch fortgeschrittene nachrichtentechnische Verfahren ist es möglich mehrere Datenströme zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz zu übertragen (MIMO). Bei 2, 4, oder 8 gleichzeitigen Datenströme vervielfältigt sich die Datenrate dementsprechend. IEEE802.11ax erlaubt die gleichzeitige Übertragung von bis zu 8 Datenströmen. Das konnte IEEE802.11ac auch schon. Allerdings unterstützen nach meiner Kenntnis keine IEEE802.11ac Produkte das sogenannte 8x8 MIMO (8 Datenströme), sondern nur maximal 4. Das scheint sich mit Produkten nach IEEE802.11ax zu ändern und manche Produkte sollen tatsächlich 8x8 MIMO unterstützen.

4. Geringerer Überhang: Übertragungsverfahren benötigen Überhangsdaten um die Kommunikation zu steuern und zu kontrollieren. Je weniger Überhangsdaten verwendet werden, desto mehr Nutzdaten können übertragen werden. Hier wird IEEE802.11ax etwas effizienter. Nach eigenen Schätzungen könnten dadurch die Datenraten in einem einstelligen Prozentbereich steigen.

5. Konkurrenz durch andere WLAN-Teilnehmer und WLAN-Netzwerke: Die Ressource Funk müssen sich alle WLAN-Teilnehmer und WLAN-Netzwerke teilen, welche auf der gleichen Frequenz und im gleichen räumlichen Bereich senden. Es ist leicht nachzuvollziehen das bei mehreren WLAN-Teilnehmern und WLAN-Netzwerken die effektive Datenrate für den einzelnen sinkt. Hier führt IEEE802.11ax gleich ein ganzes Bündel an Neuerungen ein, um Besserung zu erzielen. IEEE802.11ac konnte schon MIMO für die gleichzeitige Übertragung zu verschiedenen Teilnehmern nutzen (MU-MIMO), das führt IEEE802.11ax fort. Zusätzlich kann IEEE802.11ax durch die Einführung des OFDMA Übertragungsverfahren, innerhalb eines Datenstromes verschiedene Frequenzen verschiedenen Teilnehmern zuweisen. Das nicht nur im Downlink zu WLAN-Clients, sondern auch Uplink von WLAN-Clients zu den WLAN-Access-Points. Ferner ermöglicht IEEE802.11ax eine höhere Toleranz zu Nachbarnetzwerken, welche auf der gleichen Frequenz funken. Sehr vereinfacht ausgedrückt werden Nachbarnetzwerke mit schwachem Signal ignoriert und nicht mehr als störend betrachtet.

Bringt mir als Heimanwender nun IEEE802.11ax deutlich höhere Datenraten?

Die kurze Antwort ist „erst einmal wohl nicht“, später „eventuell“. Warum?

Wie für alle bisherigen WLAN-Generationen gilt, das der gemeinsame Nenner beider Teilnehmer die Möglichkeiten einer WLAN-Übertragung bestimmt. Setzen Sie den neuesten IEEE802.11ax WLAN-Acccess-Point mit 8x8 MIMO ein, der WLAN-Client unterstützt aber „nur“ den alten IEEE802.11ac Standard mit 2x2 MIMO, dann bestimmt der WLAN-Client die zu erzielende Datenrate. Sie haben keinen Gewinn. Es dürfte eine Zeit dauern bis die im Einsatz befindlichen WLAN-Clients ersetzt werden und den neuen WLAN-Standard unterstützen. Es ist ferner damit zu rechnen das die meisten WLAN-Clients weiterhin kein oder nur MIMO mit maximal zwei Datenströmen unterstützen.

Wenn mit der Zeit mehr und mehr WLAN-Clients IEEE802.11ax unterstützen, dann können sich durch die Punkte 1 (höhere Modulation) und 4 (geringer Überhang) echte Vorteile ergeben. Hier muss man aber wissen, das sich hohe Modulationen nur über kurze Reichweiten erzielen lassen, da das WLAN-Signal empfindlicher wird. Sprich die höhere Datenrate durch höhere Modulation erreicht man nur wenn sich der WLAN-Client verhältnismäßig nah am WLAN-Access-Point befindet. Der Vorteil des geringeren Überhangs lässt sich realisieren, erhöht die erzielbare Datenrate aber nur relativ wenig.

Für Szenarien mit sehr vielen WLAN-Teilnehmern und Netzwerken ist der fünfte Punkt sehr interessant. Hier dürfte sich die Datenrate spürbar erhöhen. Voraussetzung ist allerdings das eine hohe Konkurrenzsituation tatsächlich gegeben ist. Das kann in einem Stadtzentrum der Fall sein, im Randbereich einer Stadt schon eher nicht und auf dem Land kann man diesen Fall fast ausschließen. Ferner realisieren sich auch hier die Gewinne erst mit der Zeit, wenn mehr und mehr Geräte die neusten Standards unterstützen.

Notiz: Für Unternehmen ist IEEE802.11ax sehr interessant. WLAN ist schon heute Realität, in Bus und Bahn, im Cafe, auf Messen und bevölkerten Fußgängerzonen. Das große Problem ist aber, dass die Vielzahl der Teilnehmer die Datenrate für den einzelnen verkümmern lassen. Hier spielt IEEE802.11ax seine Stärken aus und kann signifikante Verbesserungen bringe. Aber auch hier gilt, das sich die Vorteile erst realisieren wenn mehr und mehr WLAN-Clients den neuen Standard unterstützen.

Tipp: Wenn Sie im Geschäft einen WLAN-Router sehen, welcher z.B. mit 11000Mbit/s angepriesen wird, dann lassen Sie sich nicht zu sehr blenden. Die beworbene Datenrate ist in der Regel die Summe aller brutto Datenraten der einzelnen Funkmodule, unter besten Bedingungen. Die netto Datenrate welche am Ende des Tages für Sie interessant ist, ist deutlich niedriger. Wer hier den Durchblick haben möchte muss sich ein wenig genauer mit WLAN auseinandersetzen.

IEEE802.11ax - Bessere Reichweiten

Ein großes Problem vieler WLAN-Anwender ist, dass die Reichweite des WLAN zu gering ist. Man behilft sich dann mit WLAN-Repeatern und/oder mehreren WLAN-Access-Points, welche sich seit 2017 auch zu einem WLAN-Mesh Verbund zusammenfinden können. Eine bessere Reichweite klingt verlockend. Schauen wir uns das jetzt genauer an.

Ein wichtiger Faktor für die zu erzielende Reichweite ist natürlich die Stärke mit der ein Signal gesendet wird. Hier ist es aber der Gesetzgeber, repräsentiert durch die Bundesnetzagentur, welcher vorgibt auf welchen Frequenzen mit welche Stärke gesendet werden darf. Hier ändert sich durch IEEE802.11ax nichts.

Ein zweiter großer Faktor ist, dass ein Signal höhere Reichweiten erzielen kann wenn es auf niedrigeren Frequenzen gesendet wird. Das ist der Grund warum man in der Regel mit einem WLAN-Netzwerk auf dem 2,4GHz Frequenzband eine bessere Abdeckung erzielt als auf dem 5GHz Frequenzband. Eine Schwäche des vorherigen IEEE802.11ac Standard war, dass dieser nur für das 5GHz Frequenzband vorgesehen ist. Der IEEE802.11ax Standard erlaubt jetzt auch die Verwendung des 2,4GHz Frequenzbandes und kann damit höhere Reichweiten als der vorherige „ac“ Standard erzielen.

Nicht ganz so bedeutend aber immer noch sehr interessant ist die Tatsache, dass ein schwaches Signal mit geringerer Frequenzbandbreite (z.B. 20Mhz) eher von einem Empfänger detektiert und empfangen werden kann, als ein gleich schwaches Signal mit höherer Frequenzbandbreite (z.B. 80Mhz). Durch die Unterstützung von OFDMA kann jetzt ein einzelnes Signal auch mit einer Frequenzbandbreite kleiner als 20Mhz gesendet werden und damit eine höhere Reichweite erzielen.

Bringt mir als Heimanwender nun IEEE802.11ax eine spürbar bessere Reichweite?

Die kurze Antwort ist „ja, aber“. Warum?

Vergleicht man den „ax“ WLAN-Standard mit dem „ac“ WLAN-Standard, dann kann man bei Verwendung des 2,4GHz Frequenzbandes höhere Reichweiten erzielen. Die erzielte Datenrate sinkt aber, da es anzunehmen ist, das auch in Zukunft auf dem 2,4GHz Frequenzband nur mit 20MHz Bandbreite gesendet wird. Hintergrund ist, dass die gesamte verfügbare Frequenzbandbreite auf dem 2,4Ghz Frequenzband relativ klein ist. Unter sonst vergleichbaren Bedingungen, dürfte ein „ac“ WLAN auf dem 5GHz Frequenzband mit 80MHz Bandbreite schneller sein.

Vergleicht man jetzt den „ax“ WLAN-Standard mit dem alten „n“ WLAN-Standard, dann bleibt die Reichweite gleich, wenn die zur Übertragung verwendete Frequenzbandbreite jeweils 20MHz beträgt. Durch die Verwendung einer höheren Modulation mit IEEE802.11ax sind aber höhere Datenraten gegenüber IEEE802.11n zu erwarten.

Wirklich bessere Reichweiten werden erzielt wenn mit IEEE802.11ax ein Signal nur auf einem z.B. 2MHz breiten Frequenzband gesendet wird. Die Datenraten sinken nun aber weiter. Der Einsatzzweck liegt hier mehr darauf viele kleine Geräte für das Internet-der-Dinge und im Smart-Home Bereich, zu verknüpfen. Für den typischen Heimanwender dürfte diese Möglichkeit nur eher selten von Interesse sein.

IEEE802.11ax - Niedrige Latenzen

Unter Latenz versteht man die Verzögerung eines Datenpakets bei der Übertragung. Im Normalfall kommt es nicht auf die letzte Millisekunde an, doch eine stabil niedrige Latenz hilft vielen Anwendungen ebenfalls stabil zu laufen (z.B. Videoübertragung, Telefonie). Ferner legen Online-Spieler hohen Wert auf eine niedrige Latenz (niedriger „Ping“), weil Sie sich Wettbewerbsvorteile davon versprechen.

Hauptsächlich durch den CSMA/CA Zugriffsmechanismus bei WLAN und potentiellen Störungen während einer Datenübertragung ist die Latenz von WLAN im Vergleich zu LAN extrem hoch und schwankt starkt. Dabei gilt, je mehr Teilnehmer ein WLAN hat und je aktiver die Teilnehmer sind, um so so höher ist die Latenz und um so stärker schwankt sie.

Hier bringt IEEE802.11ax Besserung indem die Konkurrenzsituation innerhalb und zwischen WLAN-Netzwerken verringert wird, siehe Punkt fünf im Abschnitt über höhere Datenraten. Durch die verringerte Konkurrenzsituation geht nicht mehr soviel Sendezeit verloren, um Konflikte aufzulösen. Zusätzlich müssen WLAN-Clients nicht mehr solange warten bis Sie endlich senden dürfen. Beides sollte gerade in WLAN-Netzwerken mit vielen Teilnehmern zu deutlich besseren Latenzen führen.

Bringt mir als Heimanwender nun IEEE802.11ax deutlich niedrigere Latenzwerte?

Die kurze Antwort ist „ja, aber“. Warum?

Schon wieder dieses „ja, aber“, doch das hat seinen Grund. Nach eigenen Erfahrungswerten hat ein typisches WLAN in einem Heimnetzwerk eine einstellige Anzahl von Teilnehmern. Viele davon sind auch noch die meiste Zeit inaktiv und senden eher selten Daten. Betreiben Sie ein WLAN-Meshnetzwerk und/oder setzen Sie mehrere Repeater/Access-Points ein, dann verteilen sich die Teilnehmer über mehrere Funkzellen, was die Konkurrenzsituation entschärft. Ferner verteilen sich WLAN-Teilnehmer oft auch auf das 2,4GHz und das 5GHz WLAN-Frequenzband, wenn Ihr Internet-Router beides unterstützt, was inzwischen die Regel ist.

Sprich eine Konkurrenzsituation existiert, aber im Heimbereich meist nicht in einem großen Umfang. Somit ist zu Erwarten das die Latenzen sinken, aber nicht so deutlich das in einem durchschnittlichen Heimnetzwerk spürbar Verbesserungen eintreten. Am ehesten profitieren Haushalte in Stadtzentren mit größerer Konkurrenzsituation, da sich hier die Verbesserungen schneller bemerkbar machen. Online-Spieler welche Ihren „Ping“ optimieren wollen und nicht auf WLAN verzichten können, dürften die meiste Freude an dem neuen WLAN-Standard haben, da bei Einsatz der entsprechenden Produkte der „Ping“ niedriger ausfallen sollte.

Notiz: Ich habe es nicht mehr erwähnt, doch auch in diesem Abschnitt gilt weiterhin das die Vorteile erst dann eintreten, wenn eine ausreichend große Zahl von WLAN-Geräten IEEE802.11ax unterstützt.

IEEE802.11ax - Mehr Sicherheit und längere Batterielaufzeiten

Zwei weitere Punkte sollen noch kurz erwähnt werden.

Es ist zu erwarten das neuere WLAN-Produkte auch den neuen WLAN-Sicherheitsstandard WPA3 unterstützen. Der derzeitige WPA2 Standard kommt langsam in die Jahre und es werden mehr und mehr Probleme bekannt. Stand heute würde ich WPA2 noch nicht als unsicher bezeichnen, aber es ist durchaus eine gute Idee einen neuen Sicherheitsstandard einzuführen bevor der alte gar nicht mehr ausreicht.

Durch die Einführung einer Steuerungfunktion für die Zugriffskontrolle ist ein IEEE802.11ax basierender WLAN-Access-Point in der Lage einem WLAN-Client mitzuteilen, das er erst einmal für eine bestimmte Zeit ruhen darf. Erst nach Ablauf der Zeit fängt der WLAN-Client wieder an aktiv am WLAN Geschehen teilzunehmen. Das spart Energie und verlängert damit die Laufzeit von Geräten welche durch eine Batterie betrieben werden.

Bringt mir als Heimanwender nun IEEE802.11ax bessere Sicherheit und längere Batterielaufzeiten

Sie werden stöhnen, denn die Antwort ist schon wieder “ja, aber”.

Zu einem ist WPA3 nicht Bestandteil von IEEE802.11ax sondern ein separater Standard. Neuere noch auf älteren WLAN-Standards basierende Produkte dürften in Zukunft ebenfalls WPA3 unterstützen. Somit ist die Unterstützung von WPA3 kein Alleinstellungsmerkmal von IEEE802.11ax.

Zum anderen sind längere Batterielaufzeiten vor allem für Geräte aus dem Bereich Internet-der-Dinge (IOT) und Smart-Home interessant. Setzen Sie kein Smart-Home basierend auf IEEE802.11ax ein, dann ist der niedrigere Energiebedarf beim Senden nicht mehr so relevant. Bitte beachten das sich die Batterielaufzeiten im Vergleich zu z.B. dem „ac“ oder „n“ Standard verlängern. Es ist keine Aussage über den Energiebedarf im Vergleich zu anderen Funkstandards, welche im Smart-Home Bereich gebräuchlich sind.

IEEE802.11ax - Fazit

Wenn ich mir die Neuerungen von IEEE802.11ax Revue passieren lasse, dann drängt sich der Eindruck auf, das die meisten Vorteile dort entstehen wo viele WLAN-Teilnehmer unterwegs sind oder wo man viele Geräte für das Internet-der-Dinge (IOT) verbinden möchte.

Beides Einsatzfelder die eher im Unternehmensbereich zu finden sind, als den im heimatlichen Umfeld. Evtl. wird durch IEEE802.11ax der Einsatz von WLAN für das Smart-Home interessant, doch das muss sich erst beweisen. Ein potentiell lohnendes Gebiet für IEEE802.11ax im privaten Einsatz könnten Stadtzentren werden, wenn dadurch die Konkurrenzsituation entschärft wird. Auch der ambitionierte Online-Spieler dürfte mit konsequenter Verwendung von IEEE802.11ax seinen „Ping“ drücken können. Doch wer wirklich optimale Latenzen sucht, setzt auf eine Ethernet-Kabelverbindung (LAN) und auch mit IEEE802.11ax nicht auf WLAN.

Für alle anderen ist mein persönliches Fazit, nett, aber nichts warum man jetzt unruhig werden muss. Mit der Zeit und dem „natürlichen” Ersatz von Geräten, wird sich IEEE802.11ax verbreiten. Irgendwann muss ich, aus welchen Gründen auch immer, meinen Internet-Router mit integriertem WLAN ersetzen. Wenn der neue Internet-Router dann IEEE802.11ax unterstützt, wunderbar, es wird dann immer noch früh genug sein.

Man sollte auch nicht vergessen das bei brandneuen Technologien eher Fehler und Probleme zu erwarten sind als bei älteren ausgereiften Technologien. Ein weiterer Grund ruhe zu bewahren, außer die neue Technologie bietet einem einen wirklich hohen Mehrwert.

auf weiterhin gute WLAN-Verbundenheit,

Matthias (22.01.2019)

Notiz: Noch ein kleines Schmankerl. Der IEEE802.11ax Standard ist, Stand heute, noch nicht zur gänze verabschiedet, dennoch erscheinen schon Produkte basierend auf dem IEEE802.11ax Standard. Wie kulant und zuvorkommend sind die Hersteller wenn es nachträglich zu Problemen kommt?

Notiz: Die Schlussfolgerungen und das Fazit sind Ergebnis theoretischer Überlegungen durch Erfahrung und eigener Kenntnis in der Funktechnik und der bisherigen WLAN-Technik. Gemessene Werte liegen in Ermangelung von Testobjekten nicht vor. Haben Sie Interesse an einer Analyse von IEEE802.11ax Geräten in der Praxis und können mir entsprechende Geräte zur Verfügung stellen? Dann Schreiben Sie mir doch.