Multi-Gigabit Wireless LAN nach IEEE 802.11ad und WiGig

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Der Nachfolgestandard für 802.11n

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

Das sog. 60 GHz-Band, welches ursprünglich von der FCC vor vielen Jahren freigegeben wurde, reicht von 57 bis 64 GHz und ist ein lizenzfreies Band nach den Regelungen von „part 15.225”. Durch Luft-Absorption entsteht ein grundsätzlicher Verlust von 15dB/km. Ein PHY Layer kann sehr robust gestaltet werden. Durch die beschränkte Reichweite gibt entsteht eine große Wiederverwendbarkeit von Frequenzen.

Die FCC-Vorgaben wurden 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 unter diesen Bedingungen trotzdem ein stabiles Funknetz aufbauen? Mit MIMO-Antennentechnologie, wie wir sie schon teilweise aus 11n kennen und Beamforming. 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 daher 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. Die Antennen sind keine weihnachtsbaumartigen Gebilde, sondern können z.B. auf Leiterbahnen geätzt bzw. auf Gehäusestrukturen aufgedampft werden.

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 sowie 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 und 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 dabei 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.

Hinsichtlich der eigentlichen Übertragungstechnik und Codierung gibt es nicht viel zu erklären. Die vorzugsweise Modulation ist OFDM. Wegen der Breite eines Kanals kann man jetzt 355 Unterträger benutzen, die mit 2.640 MHz gesampelt werden. Die Datenrate ergibt sich dann daraus, wie jeder Unterkanal moduliert wird. Welche Stufe benutzt werden kann, hängt von den Umgebungsbedingungen ab. Sind sie schlecht, wird so lange heruntergeschaltet, bis eine stabile Kommunikation möglich ist.

Neben OFDM gibt es noch die sog. SC-Modulation (Single Carrier) mit einer Datenrate von etwas über 600 Mbit/s. Sie wird im Stromsparmodus benutzt. Ist eine Station richtig erwacht, schaltet sie auf OFDM um.

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.