Definition Was ist 802.11ac?

Bei 802.11ac handelt es sich um einen Standard für drahtlose Netzwerke aus der Familie der 802.11-Standards. Er beschränkt sich auf das 5-GHz-Band und ermöglicht wesentlich höhere Bandbreiten als seine Vorgängerstandards 802.11b, g, a oder n.

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802.11ac wird oft auch als Standard der fünften Generation oder 5G-Wi-Fi bezeichnet, da es sich um den fünften Standard der 802.11-Familie handelt. Die Vorgängerversionen sind 802.11, 802.11b, 802.11g/11 a und 802.11n. Die Verabschiedung durch das IEEE Gremium erfolgte Ende des Jahres 2013.

Mit Hilfe von 5G-Wi-Fi lassen sich Übertragungsraten bis in den Gigabitbereich erzielen. Die rechnerisch und theoretisch maximal mögliche Datenrate beträgt 6.936 Megabit pro Sekunde. Der Standard beschränkt sich rein auf das 5-GHz-Band und erzielt seine hohen Bandbreiten durch breitere Übertragungskanäle, modernere Modulationsverfahren, leistungsfähigere Übertragungsprotokolle und eine fortschrittlichere Antennentechnik. Der maximal pro Übertragungskanal erzielbare Durchsatz erreicht 867 Megabit pro Sekunde. Die Standards des 2,4-GHz-Bandes wie 802.11n sind von 802.11ac nicht betroffen und lassen sich im 2,4-GHz-Bereich parallel verwenden.

Verbesserungen im 802.11ac-Standard im Vergleich zu den vorhergehenden Standards

Um höhere Datenraten in drahtlosen Netzwerken zu erreichen, wurden im 802.11ac-Standard hauptsächlich folgende Verbesserungen vorgesehen:

• Erweiterung der Kanalbreite auf bis zu 80 oder 160 Megahertz

• Nutzung von mehreren gleichzeitigen MIMO-Verbindungen (bis zu insgesamt acht)

• Implementierung von Multi-User-MIMO (MUMIMO) für mehrere simultane Clients

• Nutzung höherwertiger Modulationsverfahren wie 256-QAM mit 3/4 und 5/6 FEC

• bessere Übertragungsleistung durch standardisiertes Beamforming

• ausschließliche Nutzung des 5-GHz-Bandes

Das Problem der begrenzten Bandbreite im 2,4-Gigahertz-Band

Mit der ausschließlichen Nutzung des 5-GHz-Bandes beseitigt der 802.11ac-WLAN-Standard das grundlegende Bandbreitenproblem im 2,4-GHz-Band und kann wesentlich höhere Datenraten bereitstellen. Er sprengt damit die Grenzen, der mit dem 802.11n-Standard im 2,4-GHz-Band erreichten maximalen Kapazität.

Die Einschränkungen der 2,4-GHz-Frequenz sind durch das enge Frequenzband gegeben. Dieses reicht von 2.400 Megahertz bis 2.483 Megahertz und umfasst somit nur etwa 80 Megahertz. Für eine Übertragungsleistung von 450 Megabit pro Sekunde bei drei Antennen ist mit 40 Megahertz bereits die Hälfte des kompletten Frequenzbandes belegt. Befindet sich ein zweiter Router mit 802.11n Standard in unmittelbarer Nähe, ist das komplette 2,4-GHz-Band vergeben. Jeder weitere Router stört die Übertragung der anderen Systeme und vermindert die erzielbare Übertragungsgeschwindigkeit.

Da das 5-GHz-Band wesentlich breiter ist, konzentriert sich der 802.11ac-Standard auf dieses Band. Es stehen insgesamt nicht nur 80 Megahertz, sondern 380 Megahertz an Bandbreite zur Verfügung. Beispielsweise können im 5-GHz-Band für die Kommunikation der Geräte damit 19 Kanäle mit jeweils 20 Megahertz, neun Kanäle mit jeweils 40 Megahertz oder vier Kanäle mit jeweils 80 Megahertz genutzt werden. Selbst mit einer Kanalbandbreite von 160 Megahertz stehen insgesamt zwei Kanäle zur Verfügung.

Erreichbare Geschwindigkeitsstufen mit 802.11ac

Insgesamt sind mit 802.11ac viele verschiedene Geschwindigkeitsstufen realisierbar. Diese hängen von der genutzten Kanalbandbreite, der Anzahl der MIMO-Verbindungen und dem Modulationsverfahren ab. Um die die theoretisch maximal möglichen Übertragungsraten auch tatsächlich zu erreichen, müssen sowohl der Router oder Access Point als auch das Endgerät die einzelnen Leistungsmerkmale unterstützen. Es sind am Markt allerdings überwiegend 802.11ac-Geräte erhältlich, bei denen nur bestimmte Leistungsmerkmale implementiert sind. In diesen Fällen ist die maximale Übertragungsgeschwindigkeit des Standards nicht erreichbar.

Mögliche Übertragungsraten von 802.11ac sind beispielsweise:

• 433 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 80 Megahertz, 1 x MIMO, 256-QAM)

• 867 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 80 Megahertz, 2 x MIMO, 256-QAM)

• 1.300 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 80 Megahertz, 3 x MIMO, 256-QAM)

• 1.700 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 80 Megahertz, 4 x MIMO, 256-QAM)

• 3.464 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 80 Megahertz, 8 x MIMO, 256-QAM)

• 6.936 Megabit pro Sekunde (Kanalbandbreite 160 Megahertz, 8 x MIMO, 256-QAM)

Neben diesen aufgeführten Übertragungsraten ergeben sich mit den Modulationsverfahren QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM oder BPSK und mit Kanalbandbreiten von 20 oder 40 Megahertz viele weitere mögliche Geschwindigkeitsstufen für ein drahtloses Netzwerk.

DFS und TPC

Die Abkürzung DFS steht für Dynamic Frequency Selection. Das Kürzel TPC bedeutet Transmit Power Control. DFS und TPC stellen eine Voraussetzung dar, damit in Europa und in weiteren Ländern alle 19 Kanäle des 5-GHz-Bandes mit einer Bandbreite von jeweils 20 Megahertz durch WLAN-Geräte nutzbar sind. Nur Geräte, die DFS und TPC unterstützen, dürfen den maximalen Frequenzbereich verwenden.

DFS ermöglicht es, die Funksignale fremder Systeme zu erkennen und automatisch auf andere Kanäle auszuweichen. Mittels TPC können Router und Access Points ihre Sendeleistung dynamisch steuern. Bei guten Funkverbindungen erfolgt die Datenübertragung automatisch mit geringerer Sendeleistung. Sind im Wi-Fi-Gerät DFS und TPC nicht implementiert, dürfen nur die Frequenzen von 5.150 bis 5.250 mit den Kanälen 36 bis 48 verwendet werden. Die maximal erzielbare Datenrate von 802.11ac sinkt dadurch dramatisch und die Beeinflussung der Übertragung durch benachbarte Router steigt. Verwendet ein Router oder ein Access Point dank DFS- und TPC-Unterstützung Kanäle größer 48, aber der WLAN-Client darf diese mangels TPC- und DFS-Implementierung nicht nutzen, ist der Verbindungsaufbau auf diesen Kanälen jedoch nicht unmöglich.

DFS und TPC sind in Europa zwingend vorgeschrieben, um beispielsweise das regionale Wetterradar, das auf den Kanälen 120 bis 128 arbeitet, nicht negativ zu beeinflussen. Bei Routern und Access Points oder WLAN-Clients und -Adaptern ohne DFS- und TPC-Unterstützung handelt es sich um Geräte, die nur sehr beschränkt 802.11ac-fähig sind.

Was hat es mit der Bezeichnung Wave 1 und Wave 2 bei 802.11ac auf sich?

Mit der Verabschiedung von 802.11ac im Jahr 2013 konnten erste Hersteller kompatible Geräte auf den Markt bringen. Allerdings unterstützten die Produkte der ersten Generation nicht alle Features vollständig und erzielten Übertragungsgeschwindigkeiten, die in vielen Fällen kaum schneller waren als die des 802.11n-Standards.

Geräte mit nicht vollständiger Standardimplementierung der ersten Generation erhielten oft die zusätzliche Bezeichnung Wave 1 und unterstützten Kanalbandbreiten von 20, 40 und 80 Megahertz, bis zu drei Streams und Single-User-MIMO. Der maximal erreichbare Durchsatz betrug 1,3 Gigabit pro Sekunde. Geräte der nächsten 802.11ac-Generation erhielten, um sich von den Produkten der ersten Generation zu unterscheiden, die Bezeichnung Wave 2. Sie ermöglichen Kanalbandbreiten von 160 Megahertz, bis zu vier Streams und MUMIMO. Der maximale Datendurchsatz erhöhte sich damit von 1,3 auf bis zu 3,4 Gigabit pro Sekunde.

Das Modulationsverfahren 256-QAM

Das Modulationsverfahren 256-QAM trägt beim 802.11ac-Standard wesentlich zur Steigerung des Datendurchsatzes bei. Die Abkürzung QAM bedeutet Quadratur-Amplituden-Modulation und die Zahl 256 steht für die 256 Stufen des Modulationsverfahrens. 256-QAM ist in der Lage, mit acht Bit pro Übertragungsschritt zu codieren und erreicht damit diese 256 Stufen. Das ist das Vierfache an Stufen im Vergleich zu 64-QAM mit sechs Bits.

Drahtlose Kopplung von kabelgebundenen Gigabit-Netzwerken mit Hilfe von 802.11ac

Dank der erreichbaren Durchsatzraten im Gigabitbereich ist es mit dem 802.11ac-Standard prinzipiell möglich, kabelgebundene Gigabit-Netzwerke drahtlos miteinander zu koppeln, ohne dass ein Engpass auf der Funkübertragungsstrecke entsteht. Beide WLAN-Gegenstellen müssen mindestens 802.11ac Wave 2 unterstützen und aufeinander abgestimmt sein. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass das 5-GHz-Band für die Übertragung mehr oder weniger exklusiv zur Verfügung steht und nicht von benachbarten Funknetzen beeinflusst werden kann.

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