802.11n - fakten und mythen

ich hab im zuge meiner beruflichen tätigkeit ständig mit wireless networks zu tun. die hier dargestellten infos sind zusammengetragen aus erfahrungen, tests, schulungen, herstellerinfos, wikipedia, uvm. das alles ist aber natürlich kein garant, dass alle infos fehlerfrei sind. anmerkungen nehme ich deswegen gerne entgegen. tippfehler sind sicher zuhauf drin

802.11n (oder der "high throughput-standard") wurde mit dem ziel geschaffen, zumindest 100 Mbit/s datendurchsatz über wireless zu erreichen. in 6-7 jahren wurde von der projektgruppe ein standard erarbeitet, um dieses ziel zu erreichen, bzw zu übertreffen. warum ist ein standard so wichtig? gerade die geschichte der IT hat gezeigt, dass es hinderlich ist, wenn jeder sein eigenes süppchen kocht. dank der gruppen, die standards im netzwerkbereich erstellen, funktioniert alles in netzwerken (und auch im internet) so gut, wie es das heute tut - egal von welchem hersteller man seine komponenten und endgeräte kauft.

wie erreicht 802.11n die höhere bandbreite?

802.11n bedient sich mehrerer verfahren, kniffen und tricks, um die bandbreite zu erhöhen. diese wären: MIMO, 40 MHz channels, small guard interval und packet aggregation, um die effizienz zu erhöhen.


MIMO ('mi-moh' oder 'my-moh')
steht für 'multiple input, multiple output'. im grunde bedeutet es nur, dass es mehrere sender und empfänger gibt - im falle von 802.11n mindestens 1 sender und 2 empfänger - bis zu 4 sender und 4 empfänger. momentan wird meistens mit 2 sendern und 3 empfängern gearbeitet (3 antennen, 2 davon send/receive, 1 nur receive).

was bringt das?

zuerst ein kleiner einwurf - SNR bedeutet signal-to-noise ratio, also signal zu rauschen. man stelle sich ein grosses büro vor, in dem typischer bürolärm stattfindet - das ist unser rauschen. wenn ich einem kollegen am anderen ende etwas sagen will, muss ich das rauschen deutlich übertönen - also das signal muss so weit über dem rauschen liegen, dass er es noch wahrnehmen kann. steigt der lärm (das rauschen), muss auch das sigal lauter werden, da es sonst untergeht. das lauteste signal bringt aber nichts, wenn das rauschen genauso laut ist. aus diesem grund sagt ein hoher empfangspegel nicht viel aus ("ich hab ja 88% signal!"), wenn das rauschen ebenfalls sehr hoch ist (niedrige SNR).

ein typischer "legacy"-2 antennen empfänger wählt das aus seiner sicht beste signal. gehen wir von einem gesendeten beispielsignal SIG1 aus. dieses wird über diverse wände und gegenstände reflektiert und es sind deshalb 3 (sehr vereinfacht gesprochen) signale unterwegs - SIG1(a), SIG1(b) und SIG1(c). alle signale unterscheiden sich leicht, keine ist wirklich wie das original. diese signale kommen jetzt an den 2 antennen an. durch den multipath-effekt sieht jede der 2 antennen einen "mix" aus allen 3 signalen, an antenne 1 SIG1(d) und an antenne 2 SIG1(e). das radio switcht zu der antenne, bei der der multipath-effekt am wenigsten sichtbar ist, zB SIG1(e) und arbeitet mit diesem signal. dadurch, dass SIG1(e) sich von SIG1 sehr unterscheidet, sinkt die SNR. ist die SNR noch hoch genug, wird das signal korrekt empfangen, ansonsten wird versucht mit geringeren datenraten zu arbeiten (wenn ich langsamer spreche, werd ich auch bei lauter umgebung noch eher verstanden).

überträgt man das beispiel auf einen mimo-empfänger mit 3 antennen, sieht das so aus: wir haben wieder unsere 3 reflektierten signale SIG1(a), SIG1(b) und SIG1(c). die 3 signale kommen auf den 3 antennen an (natürlich alle signale auf allen antennen) und erzeugen damit am empänger1 den signalmix SIG1(d), am empfänger2 SIG1(e) und am empfänger3 SIG1(f). soweit unterscheidet es sich nicht viel, ausser dass wir ein signal mehr haben. der unterschied ist jetzt aber, dass wir nicht das "beste" signal wählen, sondern alle 3 nehmen und in einen DSP schicken. dieser DSP rechnet mit sexy mathematik in echtzeit eine kombination aus allen 3 signalen und hebt damit signalveränderungen teilweise auf. als effekt bekommen wir ein signal SIG1(h), dass näher an SIG1 liegt, als alle anderen. damit steigt die SNR und die chance auf erfolgreiche übertragungen, vor allem mit hohen bandbreiten.

wichtig: das funktioniert auch einseitig, also zB profitieren 802.11g notebooks von einem 802.11n AP - also zumindest "hört" der AP den client besser.

weiters wird mit MIMO spatial multiplexing betrieben. wenn es die SNR erlaubt, werden 2 (oder zukünftig bis zu 4) parallele streams auf der selben frequenz übertragen. das muss natürlich der AP und der client beherrschen. die beiden signale werden einfach auf die selbe frequenz aufmoduliert, also die hälfte der daten über stream1 und die andere hälfte auf stream2 gesendet - der DSP am empfänger kann es wieder in die 2 einzelnen streams zerlegen.

40 mhz channels
einfachste analogie: ich mach eine 2spurige autobahn zu einer 4spurigen. ich kann in der selben zeit mehr autos darüberschicken.
die channels im wlan sind grundsätzlich 20 mhz breit. was schon einige hersteller früher als "boost" verkauft haben, ist jetzt im standard - ich bündle 2 kanäle zusammen und hab somit einen viel breiteren kanal, eigentlich sogar mehr als doppelt (zwischen den 2 20 mhz kanälen ist ein kleiner kanalabstand, der mitgenutzt wird). der erweiterte channel wird mit +1 oder -1 zum grundchannel angegeben, je nachdem ob der kanal frequenzmässig über oder unter dem grundchannel liegt (also zB: kanal 36+1). der erweiterungschannel muss natürlich direkt an den grundchannel angrenzen, also kanal 36 kann ich nicht mit kanal 112 verbinden.

40 mhz channels sollte man nur im 5 ghz band einsetzen! warum? im 2,4 ghz band habe ich im grunde nur 3 überlappungsfreie kanäle (1, 6 und 11). wenn ich jetzt noch 2 davon bündle... viel spass :-> daheim mag das nicht so viel ausmachen (ausser die nachbarn haben auch wlan), aber in jedem multi-ap-netzwerk handle ich mir damit nur probleme ein. noch dazu, wo das 2,4 ghz band ohnehin schon überbevölkert ist, auch nur nicht-wlan-geräte. im 5 ghz band habe ich (je nach region) zB in unseren breiten die möglichkeit zu 11 überlappungsfreien 40 mhz channels (also schon gebündelt!). damit lässt sich viel einfacher ein vernünftiger frequenzplan erstellen.

small guard interval
vereinfacht gesagt: zwischen der übertragung eines symbols (bei modulationsverfahren werden mehrere bits auf einmal "gesendet", als symbol - details würden das hier vom umfang etwas sprengen, bitte selbst bei modulationsverfahren nachlesen) muss kurz pausiert werden, damit man sieht, dass die übertragung abgeschlossen ist. mit 802.11n ist es möglich, die 800ns auf 400ns zu verkürzen.

packet aggregation
packet aggregation ist ein kleiner kniff, um die verfügbare link-rate besser auszunutzen, also die effizienz zu erhöhen. jedes paket hat ja einen bestimmten overhead und muss von der gegenseite bestätigt werden - ich stelle das mal vereinfach so dar:

[OH | DATA] .ack. [OH | DATA] .ack. [OH | DATA] .ack. [OH | DATA] .ack. [OH | DATA] .ack.

mit packet aggregation ist es erlaubt, mehrere pakete zusammenzuschliessen:

[OH | DATA DATA DATA] [OH | DATA DATA DATA] [OH | DATA DATA DATA] .block ack.

wie man sieht, gibt es auch ein block-ack, mit dem gleich mehrere übertragungen auf einmal bestätigt werden. weniger "steuerdaten", mehr platz für nutzdaten.

2,4 ghz, 5 ghz, a/b/g/n ????
802.11n funktioniert in beiden frequenzsprektren, also in 2,4 und in 5 ghz. "gscheite" APs haben 2 radios, können also in 2,4 ghz und in 5 ghz gleichzeitig funken - das gabs auch schon vor 802.11n, und hies einfach a/b/g. das 2,4 und 5 ghz radio beeinflussen sich hier NICHT. es ist, also hätte man 2 APs. es gibt APs, die beide netze "beherrschen", aber nicht gleichzeitig können. also entweder 2,4 GHZ (b/g/n) oder 5 GHz (a/n). n und die "alten" standards gleichzeitig (also b/g mit n und a mit n) beherrschen aber ALLE.
achtung: es gibt auch client devices, die nur 2,4 ghz können (zB das iphone 4 - hat zwar n, aber nur im 2,4 ghz bereich).

bei einem dual-802.11n kann ich dann auch auf beiden radios n verwenden - ich stell das mal als 802.11n(2,4) und 802.11n(5) dar.

kann ich n gleichzeitig mit a oder b oder g verwenden?
wenn kein "n-only" mode (auch oft: greenfield-mode) eingeschaltet ist: ja. ich halte von diesen n-only modes nicht viel - ich stör damit auch nebenliegende wireless lans massivst. man muss zwar sagen: ja, der n-only mode bringt etwas mehr speed, aber es ist nicht viel (es wird nur noch ein eigener kleiner header zur kompatibilität eingefügt), dafür kann ich auch mit nicht n-devices (von denen es noch zur genüge gibt, viele handys zB) connecten.

schaltet das wlan zu "g", wenn ich ein "g"-gerät drin habe?
jein. natürlich wird das g-gerät nur g-kompatibel angesprochen, das n-gerät funkt weiterhin im n-standard. (ich geh mal von 802.11n(2,4) aus, wäre das n-gerät im 5 ghz bereich, käme es dem g ohnehin nicht in die quere, sondern nur a).

beeinflusst das die performance?
wieder: jein. grundsätzlich ist unser übertragungsmedium LUFT. das ist ein half-duplex medium und nicht kollisionsfrei, nicht geswitched. im grunde ist es einem ethernet-hub sehr ähnlich. alle stationen teilen sich die verfügbare bandbreite.

nun ist es aber so, dass nicht alle in der gleichen geschwindigkeit senden - alte standards, neue standards, hohe SNR, niedrige SNR, ich kann in einer funkzelle alles bunt gemischt haben. gehen wir von einem extrembeispiel aus: ich hab ein 802.11b gerät, dass sich in grosser entfernung zum AP befindet. die übertragungsrate ist deshalb nur 1Mb/s. am selben AP ist ein modernes 802.11n gerät, gradmal 10 meter vom AP entfernt, ohne wände. damit das beispiel sinn macht, natürlich in der gleichen frequenz (2,4 ghz), und da wir dort nicht kanalbündeln nur 20 mhz channels, also 150 MB/s link rate.

da das medium begrenzt ist, müssen sie sich das frequenzspektrum teilen. solange der uralt-laptop mit 802.11b nichts (oder wenig) sendet, wird er die übertragung nicht grossartig beeinflussen, selbst wenn er am AP assoziert ist. ich kann am 802.11n gerät fast alle timeslots nutzen, und in jedem timeslot mit hoher geschwindigkeit übertragen, also als einfache hausnummernrechnung 1 megabyte pro timeslot, in 10 timeslots 10 megabyte. jetzt fängt aber das uralt-notebook an zu übertragen. da wir von einer fairen aufteilung ausgehen, bekommt jeder die hälfte der timeslots, also jeder 5 timeslots. das gute notebook überträgt deshalb 5 megabyte (also nur noch die hälfte), das alte notebook aufgrund der niedrigen übertragungsrate nur 10 kbyte pro timeslot, also nur 50 kbyte. der gesamtdurchsatz ist also von 10MB auf 5,05 MB gesunken. der 802.11n-client hat trotzdem in 802.11n-raten übertragen, hat aber halt einfach nicht die selbe zeit zur verfügung. dass der 802.11b client nicht mehr daraus macht, ist halt sein pech (wir klammern mal aus, dass sich interferenzen der clients selbst und kollisionen auch noch negativ auswirken).

braucht der 802.11b notebook weniger timeslots (zb nur 2), steigt auch die übertragungsrate beim 802.11n wieder (8MB in der selben zeit).

hat man einen AP, der 2,4 und 5 ghz gleichzeitig beherrscht, ist es eine gute idee - da 802.11a-geräte bei uns kaum verbreitet sind - das hoffentlich 5ghz-fähige notebook (der standard schreibt nicht vor, dass ein 802.11n client beide bänder können muss!) dort zu connecten, und alte 802.11b/g geräte alleine im spektrum werken zu lassen. so hab ich dann auch schön breite 40 mhz channels für mein n-gerät.

datenraten, codings

grundsätzlich verwendet 802.11n OFDM als modulationsverfahren (viel spass beim nachlesen zB in wikipedia wens wirklich interessiert was das genau ist). wie das signal dann darauf aufmoduliert wird, kommt auf die MCS-rate (die übertragungsraten wurden auf MCS-rates gesplittet, da es so viele sind und von so vielen sachen abhängig sind - momentan gibt es 0-15, mindestens 8 sind im standard vorgeschrieben) an. bei guter SNR 64-QAM (http://www.google.at/images?q=64%20qam wer sehen will wie das in einem koordinatensystem aussieht), dann sinkt es auf einfachere modulationsverfahren wie 16-QAM, QPSK und schlussendlich BPSK. das hat direkten einfluss auf die übertragungsrate.

die maximale (moment, erklärung kommt gleich) übertragungsrate, die ich da zusammenbringe ist 65 mbit/s link rate. ziemlich mau, 802.11g schafft ja schon 54 mbit/s. das ist allerdings rein die übertragung per 802.11n - wir haben ja vorhin gelesen, dass es eine menge kniffe gibt, um die leistung zu steigern. die 65 mbit/s beziehen sich auf 64-QAM, 1 stream (!), 20 mhz channels (!), und den grossen guard interval. nehme ich den small guard interval, sind wir schon auf ca 72 mbit/s, der zweite stream verdoppelt mir das auf 144 mbit/s. und erweitere ich jetzt noch auf 40 mhz channels, wird es nochmals mehr als verdoppelt - auf 300 mbit/s. eine nette tabelle mit allen aktuellen (und ein paar zukünftigen) MCS rates gibts in der wikipedia ( http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_8...2009#Data_rates ). das geht (theoretisch, noch gibts keine geräte) bis zu 4 parallele streams, was mit 40 mhz channels dann die vielzitierten 600 mbit/s ergibt.

reichweite?
da das signal immer noch nicht "lauter" gesendet werden darf, sollte sich ja auch nichts an der reichweite ändern, oder?
jein. durch MIMO höre ich besser, wenn ich das auf beiden seiten habe, kann ich durchaus etwas mehr reichweite erwarten. zusätzlich gibt es "beam forming" (noch nicht im 802.11n-standard, nicht von allen umgesetzt) - vereinfacht gesagt schicke ich über meine 2 sendeantennen das signal etwas geshifted, um die "signalkeule" (wer sich schon mal mit antennencharaktaristika beschäftigt hat) ein wenig in die richtung des empfängers zu "formen". das bedeutet (in sehr kleinem ausmass), dass ich aus 2 normalen rundstrahlantennen eine art richtantenne mache. natürlich nicht in dem bündelungsausmass und ohne so dramatische ergebnisse, aber genug um die reichweite noch ein wenig zu erhöhen. im grunde wird geschaut, wie das signal eines clients ankommt - und wenn dann an diesen gesendet werden soll, das signal gleich auf die sendeantennen aufbereitet. bestimmte (hochpreisige) hersteller haben hardware integriert, um das auch für legacy (a/b/g)-clients zu verwirklichen. kombiniert man MIMO am AP (womit der AP besser hört, auch nicht-n) mit beamforming für nicht-n (womit der AP "stärker" in die richtung sendet), bringt ein n-AP auch deutliche vorteile für legacy-geräte, zB höhere link-quality, SNR und damit stabilere übertragungsraten zB bei einem g-gerät.

ohne mich darauf festzunageln: meist geht man von ca 10% mehr reichweite und ca 20% mehr "high rate coverage" aus (also der bereich, in dems auch wirklich schnell/gut geht).

brauche ich deswegen weniger APs?
jein. grundsätzlich wird empfohlen, bei einem austausch einen 1:1 austausch vorzunehmen, um die cell-size nicht anwachsen zu lassen und damit den clients mehr bandbreite bieten zu können. ordentlich vermessen ist aber immer eine gute idee.

wieviel bring ich jetzt wirklich drüber?
durchsatztests sind immer so eine sache. es kommt auf den adapter, dessen antennen, auf die eigene CPU, auf den CPU gegenüber, auf das netzwerk dazwischen, auf das protokoll, auf interferenzen, auf... an.

ich hab schon diverse tests gemacht, und bin damit zu folgenden resultaten gekommen:

umgebung: 802.11n enterprise AP, geswitchtes gbit netzwerk zu schnellem server, macbook pro, 5ghz, 40 mhz chans, 300 mbit link rate, "iperf" mit mehreren tcp-streams zur messung - 175-185 Mbit/s

das war in einer recht idealen umgebung, zusätzlich ist iperf mit mehreren streams sehr begabt ordentlich was durchzupushen (mit den params muss man sich etwas spielen...). braucht wenig CPU und flows, grosse pakete - ist halt ein idealfall, um zu zeigen, was grundsätlzich möglich ist. im labor sind angeblich bis zu 65% der link rate möglich, das wären 195 mbit/s - da lieg ich ja schon gut dran.

umgebung: 802.11n enterprise AP, geswitchtes gbit netzwerk zu schnellem server, macbook pro, 5ghz, 40 mhz chans, 300 mbit link rate, FTP download mit wget - ca 17 MB/s = 136 mbit/s

ein FTP stream tut sich da schon etwas schwerer.

umgebung: 802.11n enterprise AP, _fette_ internetanbindung, macbook, 5 ghz, 40 mhz chans, 270 mbit link rate, torrent seeding vollgas - peak knapp 16 MB/s = 128 mbit/s



einmal eine echte realworld-anwendung - torrent-seeding (upload) an einer fetten internetleitung. fast 130 mbit rausgeschossen, es waren glaub ich an die 300 peers mit meinem notebook connected, teilweise mit mehreren connections - das ganze war schon sehr CPU intensiv, aber zeigt, was wirklich möglich ist.

zusammenfassend kann man aber sagen: mit gscheiter hardware sollten auf jeden fall >100mbit/s möglich sein. die ca. 70 mbit/s die man oft liest beziehen sich auf die 144 mbit link rate von 2 streams in 20 mhz channels.

tipps
802.11n hat eine wichtige voraussetzung für hohen durchsatz: entweder KEINE verschlüsselung oder WPA2/AES (egal ob per 802.1x oder preshared-key). das hatte unter anderem auch den grund, WEP und WPA(1)/TKIP endlich aussterben zu lassen. also wer nicht per AES verschlüsselt - nicht wundern, dass die übertragungsraten nicht hinhaun.

falls man beim AP WMM ausschalten kann - einschalten. WMM wird benötigt.

falls man beim AP einzelnen datenraten deaktivieren kann - die kleinsten datenraten (zB mindestens 1 mbit und 2 mbit) deaktivieren. broadcasts / beacons müssen mit der kleinsten datenrate gesendet werden, damit sie jeder hört - das bremst das netz aus.

40 mhz chan im 5 ghz bereich verwenden. 5 ghz bereich ist nicht overcrowded.

für die wireless-karten immer aktuelle treiberversion.

eingebaute adapter sind IMMER besser als usb/cardbus.

fragen?

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noledge bringt licht ins dunkel!

vielleicht noch ein paar weiterführende links zum thema wireless allgemein, ansonsten 5*

tolle arbeit, habs mal stickied.

zu hause: die modem/router/switch-kombi von aon

na im ernst

bei uns in der firma haben wir cisco aps (1131 und nachgekauft für den neubau wo wir hinsiedeln 1142) und einen cisco wlc 4402, aber irgendwie is das wlan hier nicht hohe priorität, denn es wurde nicht ausgemessen und wird es auch im neubau nicht

JKU? ach was, die is spitze...