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802.11n und 802.11ac tragen zur Erweiterung der WiFi-Kanalkapazität um das Hundertfache gegenüber 802.11 a/b/g bei. Da ein typisches WLAN jedoch in der Regel aus einem „starken AP“ besteht (z. B. 4x4/8x8, 80/160 MHz) und mehreren „Thin Client STAs“ (z. B. 1x1/2x2, 20/40/80 MHz), kann die Kapazität des AP und der Client-Stationen aus „räumlichen“ und „Spektrum“-Bereichen natürlich unausgewogen sein. Es ist ausserdem sehr ineffizient, den grossen Datenkanal mit der alten „SU-MIMO“-Methode zu nutzen. Im schlimmsten Fall, wenn beispielsweise ein 8x8/160 MHz AP einen 1x1/20 MHz Client bedient, kann es sein, dass „SU-MIMO“ nur 6,25% der Datenleitung belegt. Daher wird die „Erhöhung der Wireless-Effizienz“ richtungsweisend bei der Verbesserung des WLAN der nächsten Generation, wobei für die gleichzeitige Nutzung des grossen Datenkanals „MU“ (Multi User) sinnvoller ist als „SU“ (Single User). Der WiFi 5 (11ac) Standard eröffnete die „MU“-Ära für WLAN, denn er führte erstmals „DL MU-MIMO“ ein. WiFi 6 (11ax) folgt dieser Entwicklung von WiFi 5 und nutzt die weiterentwickelten Techniken „UL MU-MIMO„ „DL & UL OFDMA“ und „DL & UL MIMO-OFDMA“, um die Grenzen noch weiter auszureizen.

Inwieweit kann Ihr Unternehmen von MU-MIMO und OFDMA profitieren?

Hier soll kurz erklärt werden, warum die beiden WiFi 6-Mechanismen so viel Aufmerksamkeit erregen und wie Sie damit Ihren Service verbessern können. Wenn Sie an den weniger bekannten Funktionen oder Lösungen interessiert sind, die das WiFi der sechsten Generation bietet, lesen Sie bitte auf unserer Seite für WiFi 6-Lösungen nach, welche die drei wegweisenden 11ax-Funktionenbeschreibt.
MU-MIMO verbessert die Effizienz von WLANs aus der „räumlichen“ Perspektive. Aber was bedeutet hier „räumlich“ genau? Auf einem typischen WLAN-Gerät entspricht die Anzahl der physikalischen Sender im Allgemeinen der Anzahl der Funkstrecken oder Spatial („räumlich“) Streams, die das WLAN-Gerät unterstützen kann, sofern nichts anderes in den technischen Daten angegeben ist. Beispielsweise unterstützt ein 4x4 AP im Allgemeinen vier Spatial Streams. Bei „SU-MIMO“ schränkt das „räumliche“ Ungleichgewicht zwischen AP und Client-Stationen die WLAN-Effizienz ein. So ist beispielsweise bei einem 8x8 AP, der 2x2 Clients mit „SU-MIMO“ bedient, der Wirkungsgrad auf 25% begrenzt. Bedient dagegen der 8x8 AP im Idealfall vier 2x2 Clients (insgesamt acht Spatial Streams) gleichzeitig mit „MU-MIMO“, kann der Wirkungsgrad bis zu 100% erreichen.
„DL MU-MIMO“ und „UL MU-MIMO“ dürften mit der Entstehung von WiFi 6 (11ax) in aller Munde sein, da „DL MU-MIMO“ erstmals mit WiFi 5 (11ac) eingeführt wurde und WiFi 6 (11ax) die Anzahl der MU-Gruppierung von 4 auf 8 erweitert.
  • „SU-MIMO Beamforming“ vs. „DL MU-MIMO“
    Wie beim „SU-MIMO Beamforming“ liegt auch „DL MU-MIMO“ das „Beamforming“ zugrunde. Das ist eine Technologie, mit der Funksignale durch die Verwendung mehrerer Antennen sozusagen geformt und damit gezielt auf einen Client ausgerichtet werden können. Die Hauptprozesse bei der Ausführung von „Beamforming“ umfassen „Sounding“, „CSI Feedback“ (Rückmeldungen zu Kanalzustandsinformationen) und „Precoding“ bevor die Energie-„Strahlen“ zu den Client-Stationen erzeugt werden. Die Vorteile von „SU-MIMO Beamforming“ und „DL MU-MIMO“ unterscheiden sich, obwohl sie die gleiche grundlegende Technologie anwenden. „SU-MIMO Beamforming“ erzeugt einen „einzelnen“ Strahl und lenkt die Funkenergie effektiv auf die eine bediente Client-Station. Der Vorteil liegt in der erweiterten Serviceabdeckung, wobei jedoch keine Effizienzverbesserung erreicht wird. Andererseits erzeugt „DL MU-MIMO“ mehrere orthogonale Strahlen und steuert diese Strahlen auf die „Gruppe“ der gleichzeitig bedienten Client-Stationen. Da „DL MU-MIMO“ die Effizienz deutlich verbessern kann, ist allerdings die Verbesserung der Serviceabdeckung wie bei „SU-MIMO Beamforming“ nicht der Hauptzweck der Technologie.
    In den Begriffen „DL MU-MIMO“ und „UL MU-MIMO“ steckt zwar „MU-MIMO“, sie basieren aber in der Tat auf sehr unterschiedlichen Technologien: „UL MU-MIMO“ funktioniert nicht mit „Beamforming“ wie „DL MU-MIMO“.
  • „Multi-Point-to-Point“ Secret
    Physisch läuft „DL MU-MIMO“ nach dem „Point-to-Multi-Point“-Verhalten, bei dem Timing, Frequenz und Sendeleistung usw. alle von einem einzigen AP gesteuert werden. „UL MU-MIMO“ läuft dagegen nach dem „Multi-Point-to-Point“-Verhalten. Die Synchronisierung aller unabhängigen Client-Stationen auf ordnungsgemässe Funktion ist das Hauptanliegen von „UL MU-MIMO“. Ausserdem muss „UL MU-MIMO“ einige Themen wie „CFO“ (Central Frequency Offset), „Received Power Variance“ im AP und „Timing Synchronisation“ behandeln. Diese sind sehr wichtig, um die potenziellen ICI- (Inter-Carrier-Interferenz) und ISI- (Inter-Symbol-Interferenz) Effekte durch gleichzeitige Übertragungen von mehreren Client-Stationen zu mindern, wenn diese nicht ordnungsgemäss synchronisiert sind.
  • Der Aufstieg von MIMO
    WiFi 5 (11ac) unterstützt nur „DL MU-MIMO“. Sein Uplink-Traffic erfolgt weiterhin mit „SU-MIMO“. Zum Beispiel bedient ein 11ac 4x4 AP gleichzeitig vier 1x1 Stationen mit „DL MU-MIMO“. Wollen die vier Stationen allerdings eine erfolgreiche Kommunikation bestätigen, so müssen sie um Sendezeit konkurrieren, weil das Zurücksenden von „ACK“-Bestätigungen über „SU-MIMO“ erfolgt. Das ist natürlich ein äusserst ineffizienter Weg. „UL MU-MIMO“ bietet den „gruppierten“ Stationen die Möglichkeit, „ACK“-Bestätigungen gleichzeitig zurückzuschicken. Dadurch wird die Uplink-Effizienz deutlich verbessert und mehr Sendezeit für effektive Datenübertragung reserviert.
    Neben der Effizienzsteigerung kann MU-MIMO auch die Latenzzeit nativ reduzieren – allerdings ist dies kein grosser Vorteil gegenüber dem im nächsten Abschnitt vorgestellten OFDMA.
OFDMA verbessert die Effizienz von WLANs aus der Sicht des „Spektrums“, und UL & DL OFDMA ist eine der bemerkenswertesten und bekanntesten WiFi 6-Funktionen für Service Provider. Seine verschiedenen Anwendungen laufen nun über das WLAN, jedoch benötigen einige der Dienste wie AR-/VR- und 4K-/8K-Streaming höhere Durchsätze, während einige Dienste wie Spiele und VoIP eine geringere Latenzzeit benötigen. Einige Dienste, wie beispielsweise IoT, erfordern eine höhere Zuverlässigkeit. Für die meisten Dienste sind grosse Bandbreiten wie etwa 80/160 MHz oft mehr als notwendig. Bei SU-MIMO/MU-MIMO bedient die gesamte „Spektrum“-Bandbreite jeweils nur eine einzige Station, was in vielen Anwendungsszenarien einer ineffizienten Nutzung des grossen Spektrums entspricht. OFDMA kann eine grosse Bandbreite in mehrere kleinere RUs (Resource Units) unterteilen, um mehrere Dienste für unterschiedliche Anforderungen gleichzeitig zu erbringen. 11ax definiert sieben RU-Grössen, die aus „26“, „52“, „106“, „242“, „484“, „996“ oder „2x996“ SCs (Subcarriers, Subträgern) bestehen. Durch die Kombination von OFDMA, 8x8 MIMO, verschiedenen MCS-Raten und GIs (Guard Intervals) kann 11ax eine Reihe von Datenraten von 0,4 Kbit/s bis 9,6 Gbit/s für unterschiedliche Anwendungsanforderungen unterstützen. Es ist flexibel, RUs in verschiedenen Grössen innerhalb der grossen Bandbreite dynamisch zuzuordnen, entsprechend den zu erfüllenden Anforderungen der Stationen.
11ax definiert maximal 74 RUs (26-SC) in einer Kanalbandbreite mit 160 MHz. Das bedeutet, dass bis zu 74 Stationen verschiedener Dienste gleichzeitig von einem AP bedient werden können. Im Vergleich zu SU-MIMO/MU-MIMO kann OFDMA die Auslastungseffizienz des grossen Spektrums, das ein WLAN bieten kann, deutlich verbessern. Darüber hinaus bringt OFDMA weitere Verbesserungen wie niedrigere Latenzzeiten und höhere Zuverlässigkeit mit sich.

Höhere Trefferraten bei der Zuweisung können die Latenzzeiten reduzieren.

Kleinere RUs mit schmalerer Bandbreite können nativ bessere SINR-Werte (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) liefern. Im Allgemeinen bedeutet ein besserer SINR-Wert eine breitere Serviceabdeckung bzw. eine zuverlässigere Kommunikation mit weniger erneuten Übertragungen. Davon profitieren auch IoT-Anwendungen und zuverlässige „ACK“-Bestätigungen, die keine hohen Bandbreiten erfordern.
Für einige Echtzeitanwendungen wie Spiele ist aus Sicht der Benutzerfreundlichkeit eine geringere Latenzzeit in der Regel wichtiger als eine grosse Bandbreite. Aus technologischer Sicht ist OFDMA besser in der Lage, höhere Trefferraten für Gruppierung/Terminierung pro Zeitfenster für Stationen zu erreichen, die zeitkritische Dienste anbieten. Neben dem besseren SINR-Wert dank der kleineren RUs wird erwartet, dass 11ax mit OFDMA das Latenzproblem im Vergleich zu SU-MIMO/MU-MIMO deutlich verbessern wird.
Kleinere RUs mit schmalerer Bandbreite können nativ bessere SINR-Werte (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) liefern. Im Allgemeinen bedeutet ein besserer SINR-Wert eine breitere Serviceabdeckung bzw. eine zuverlässigere Kommunikation mit weniger erneuten Übertragungen. Davon können IoT-Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch profitieren.
Ähnlich wie bei DL & UL MU-MIMO laufen die Operationen von „DL OFDMA“ mit „Point-to-Multi-Point“, jedoch laufen die Operationen von „UL OFDMA“ mit „Multi-Point-to-Point“. Bei der Synchronisierung mit „CFO“ ist die „Received Power Variance“ in AP und „Timing“ auch für „UL OFDMA“ notwendig. Genau wie „UL MU-MIMO“ kann „UL OFDMA“ insbesondere die Uplink-Effizienz verbessern, indem es „ACK“-Bestätigungen von mehreren Stationen gleichzeitig gruppiert und mehr Sendezeit für effektive Datenübertragung reserviert.
Bisher haben wir über viele Vorteile von MU-MIMO und OFDMA gesprochen, aber sie haben auch Nachteile. In einem typischen WLAN, das aus einem „starken AP“ (z. B. 4x4/8x8, 80/160 MHz) und mehreren „Thin Client STAs“ (z. B. 1x1/2x2, 20/40/80 MHz) aufgebaut ist, kann MU-MIMO durchaus Ressourcen der „räumlichen“ Domäne nutzen, nicht aber der Domäne „Spektrum“.
Da OFDMA die Ressource „Spektrum“ und nicht die „räumliche“ Domäne flexibel nutzen kann, ist MU-MIMO-OFDMA der Weg, um Vorzüge zu nutzen, Nachteile zu beseitigen und die Ressourcen „räumlich“ und „Spektrum“ bestmöglich zu nutzen. Gemäss IEEE 802.11ax kann MU-MIMO-OFDMA max. 128 RUs zur Bedienung von 128 Client-Stationen in einer Gruppe / einem Zeitplan unterstützen. Leider ist MU-MIMO-OFDMA in der Implementierung zu kompliziert. Es sind keine klaren Roadmaps der Chipsatzhersteller erkennbar, dass MU-MIMO-OFDMA in naher Zukunft realisiert werden wird.

Was ist vorteilhafter für Sie?

Die Mechanismen MU-MIMO und OFDMA in WiFi 6 spielen komplementäre Rollen. Beides sind „MU“-Technologien und konzentrieren sich auf die Verbesserung der Effizienz von WLANs und die Reduzierung der Latenzzeiten für zeitkritische Anwendungen. In einem echten 11ax WLAN werden SU-MIMO, MU-MIMO und OFDMA interaktiv je nach Kanalbedingungen, QoS, Gerätetypen, Servicetypen und mehr eingesetzt. Im Netzwerk optimieren APs die Gruppierung/Planung und wählen die beste Methode für die nächste Aktion basierend auf eigenen oder angepassten Algorithmen. Es ist sehr praktisch, Anwendungen mit niedriger und hoher Bandbreite in einem WLAN zu kombinieren. MU-MIMO und OFDMA haben ihre jeweiligen Vorteile: In Anwendungen mit hoher Bandbreite ist MU-MIMO die beste Lösung zur Steigerung der Verbindungseffizienz, während OFDMA die beste Lösung für Anwendungen mit geringer Bandbreite wie IoT- oder „ACK“-Aggregation ist. OFDMA funktioniert auch gut in „gemischten“ Szenarien, in denen Anwendungen mit niedriger und hoher Bandbreite gleichzeitig arbeiten. 11ax verwendet viele Technologien der neuesten Generation, um eine optimierte Effizienz bei der Nutzung grosser Datenkanäle und verbesserte Benutzerfreundlichkeit für neue Anwendungen zu ermöglichen. Probieren Sie unsere besten Lösungen für das zukünftige Wachstum aus und lassen Sie uns gemeinsam Ihren Erfolg feiern.

MU-MIMO

Anwendungen mit hoher Bandbreite

OFDMA

Anwendungen mit geringer Bandbreite oder gemischte Anwendungen