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Definition Was ist 802.11n?

802.11n ist ein IEEE-Standard für drahtlose Netzwerke. Er ermöglicht Übertragungsraten von bis zu 600 Megabit pro Sekunde. Die Geschwindigkeitssteigerung im Vergleich zu den Vorgängerstandards wird unter anderem durch die Mehrantennen-Technik erreicht.

(© aga7ta - Fotolia)

Die maximalen Bruttoübertragungsraten in einem IEEE 802.11n-WLAN betragen 150, 300, 450 oder 600 Megabit pro Sekunde und sind abhängig von der Anzahl der verwendeten Antennen und Signalverarbeitungseinheiten. 802.11n nutzt die MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output), die es erlaubt, mehrere Datenströme gleichzeitig über unterschiedliche Antennen zu senden und zu empfangen.

Die Arbeit des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) am WLAN-Standard begann im Jahr 2003. Ziel war es, eine Spezifikation zu schaffen, die ähnlich wie im kabelgebundenen Fast-Ethernet Nettoübertragungsraten im drahtlosen Netz von 100 Megabit pro Sekunde und mehr ermöglicht. Neben der MIMO-Technik nutzt der WLAN-Standard die Verdopplung der Kanalbreite für Funksignale von 20 auf 40 Megahertz.

Den ersten Entwurf des Standards veröffentlichte IEEE am Ende des Jahres 2006. In den Jahren 2007 und 2008 erschienen weitere Entwürfe. Diese nannten sich Draft 2.0 bis Draft 7.0. Da viele Hersteller dringend auf eine Spezifikation für höhere Bandbreiten für drahtlose Netzwerke warteten, wurde der Standard, obwohl es sich lediglich um einen Entwurf handelte, in zahlreichen Hardwarekomponenten wie Access Points, Router oder Netzwerkkarten implementiert. Viele Endgeräte im WLAN-Umfeld stützten sich auf die Draft-2.0-Version. Aufgrund diverser Verzögerungen verabschiedete IEEE die offizielle Version von 802.11n erst Ende 2009. Die vor diesem Datum am Markt erhältlichen standardkonformen Endgeräte erhielten in der Regel die Bezeichnung 802.11-Draft-n-kompatibel.

Dank der verbesserten Übertragungstechnik und der Verwendung der Mehrantennentechnik erreicht 802.11n gegenüber älteren Standards bei gleichen Datenraten größere Reichweiten oder bei gleicher Reichweite größere Übertragungsraten. Access Points oder WLAN-Router verwenden bis zu vier Antennen. Ein weiteres wesentliches Merkmal von 802.11n ist, dass sowohl die Übertragung im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Band möglich ist. Damit werden die Inkompatibilitäten und Einschränkungen der Vorgängerstandards wie 802.11, 802.11b, 802.11g oder 802.11a, die jeweils nur ein Frequenzband erlaubten, beseitigt.

Als Modulationsverfahren ist im 802.11n-Standard die Orthogonal Frequency Division Multiplex Modulation (OFDM) vorgesehen. Die einzelnen Träger lassen sich bei OFDM abhängig von der Qualität der jeweiligen Verbindung mit 2-PSK, 4-PSK, 16-QAM oder 64-QAM (Phase-Shift Keying, Quadrature Amplitude Modulation) modulieren.

Im Folgenden kurz zusammengefasst die wesentlichen Merkmale des IEEE 802.11n-Standards:

  • IEEE Standard für drahtlose Netzwerke im 2,4- und 5-GHz-Band
  • offiziell verabschiedet Ende 2009
  • größere Kanalbandbreiten (40 MHz) und Mehrantennentechnik (MIMO) für höhere Übertragungsraten
  • theoretische Bruttodatenrate von bis zu 600 Megabit pro Sekunde
  • Modulationsverfahren: Orthogonal Frequency Division Multiplex Modulation (OFDM)
  • Ablösung durch den Nachfolgestandard 802.11ac

Eingesetzte Verfahren und Techniken zur Erhöhung der Datenrate

Um eine grundlegende Verbesserung der Übertragungsrate für ein drahtloses Netzwerk nach 802.11n-Standard zu erreichen, kommen zahlreiche neue Techniken und Verfahren zum Einsatz. Diese sollen Nettodatenraten von über 100 Megabit pro Sekunde ermöglichen und das drahtlose Netzwerk in puncto Geschwindigkeit und Performance mit einem Fast-Ethernet vergleichbar machen. Wesentlich für die Steigerung der Datenrate sind, wie bereits erläutert, die MIMO-Technik und größere Kanalbandbreiten von bis zu 40 Megahertz. Hier ein Überblick der für die Geschwindigkeitssteigerung implementierten weiteren Verfahren und Techniken:

  • mehrere Antennengruppen mit MIMO-Technik
  • bis zu 40 MHz Kanalbandbreite und Kanalbündelung
  • verbesserte OFDM-Modulation mit bis zu 65 MBit/s im 20-MHz-Kanal gegenüber nur 54 MBit/s beim IEEE 802.11g-Standard
  • Möglichkeit der Abschaltung der 11a-, 11b- und 11g-Kompatibilität dank Greenfield Mode
  • Unterstützung von Transmit Beamforming
  • Packet Aggregation, RIFS (Reduced InterFrame Spacing) und Spatial Multiplexing mit Space Time Block Coding (STBC)

Frequenzbereiche und Geschwindigkeitsstufen von IEEE 802.11n

IEEE 802.11n ist der erste WLAN-Standard aus der 802.11-Familie, der sowohl das 2,4- als auch das 5-GHz-Band unterstützt. Für ein drahtloses Netzwerk nach 802.11n stehen deshalb zwei unterschiedliche Frequenzbereiche zur Verfügung. Dennoch haben viele Hardwarehersteller in ihren Geräten nicht beide Funkbänder implementiert. Es sind WLAN-Router, Access Points oder Netzwerkkarten am Markt erhältlich, die zwar 802.11n standardkonform unterstützen, aber jeweils nur ein Frequenzband beherrschen.

Im 2,4-GHz-Band existieren insgesamt 13 Kanäle mit jeweils fünf Megahertz Bandbreite. Fast man vier Kanäle zu einem 20-MHz-Kanal zusammen, sind nur noch vier sich nicht überlappende 20-MHz-Kanäle im Frequenzband nutzbar. Das 5-GHz-Band besitzt eine sehr viel größere Bandbreite und bietet bis zu 19 verschiedene, sich nicht überlappende 20-MHz-Kanäle.

Je nach verwendeter Kanalbreite und Antennenanzahl sind im drahtlosen Netzwerk Bruttodatenraten von 150, 300, 450 und 600 Megabit pro Sekunde möglich. Die Nettodatenrate bei 300 MBit/s beträgt circa 120 MBit/s und bei 600 MBit/s circa 240 MBit/s. Gegenüber dem Vorgängerstandard 802.11g mit einer Bruttodatenrate von maximal 54 MBit/s und einer Nettodatenrate von höchstens 20 MBit/s stellt dies eine wesentliche Steigerung der Performance dar.

Bei 802.11n können die lokalen Gegebenheiten wie Wände, benachbarte Funkstörer oder signaldämpfende Gegenstände die maximalen Datenraten, wie bei den anderen Funkstandards auch, stark beeinflussen. Dualband-WLAN-Basisstationen, die nach 802.11n arbeiten, bieten in der Regel eine maximale Bruttodatenrate von 300 Megabit pro Sekunde und erzielen damit Nettodatenraten von circa 70 oder 120 Megabit pro Sekunde.

Für die maximal möglichen Bruttodatenraten des Standards von 450 oder 600 Megabit pro Sekunde sind kaum Produkte am Markt verfügbar. Um mit 802.11n höhere Datenraten als 150 Megabit pro Sekunde zu erreichen, sind zwei bis vier Datenströme zu bündeln. Je Strom benötigt das Gerät mindestens eine Empfangs- und eine Sendeantenne.

Die Schreibweise für die jeweils eingesetzten Antennen lautet folgendermaßen:

  • 150 MBit/s: 1x1 MIMO
  • 300 MBit/s: 2x2 MIMO
  • 450 MBit/s: 3x3 MIMO
  • 600 MBit/s: 4x4 MIMO

Die maximalen Reichweiten des WLANs in Gebäuden betragen circa 70 Meter, im Freien bis zu 240 Meter.

802.11n und die MIMO-Technik

Die Abkürzung MIMO steht für Multiple Input Multiple Output. Der WLAN-Standard 802.11n setzt konsequent auf diese Mehrantennentechnik und erzielt mit ihr wesentlich höhere Datenraten als die Vorgängerstandards der 802.11-Familie.

Mit Hilfe mehrerer Antennen lässt sich die Frequenz-Zeit-Matrix um eine dritte Dimension, den Raum, erweitern. Innerhalb von Gebäuden kann die Mehrantennentechnik die auftretenden Reflexionen für größere Datenraten nutzen. Die empfangenden und sendenden Stationen sind mit ihren Mehrfachantennen in der Lage, zusätzliche räumliche Informationen zu generieren. Kommt das so genannte Spatial Multiplexing beim Datenaustausch zwischen Empfänger und Sender zum Einsatz, ist es möglich, mehrere Datenströme parallel in einem einzigen Funkkanal zu übertragen.

Pro Datenstrom wird eine Antenne benötigt. Die unterschiedlichen Antennen müssen einen Mindestabstand zueinander haben, um räumliche Unterschiede für die Übertragung nutzbar zu machen. Ein 40-MHz-Kanal kann bei 802.11n eine Datenrate von 150 Megabit pro Sekunde erreichen. Mit Spatial Multiplexing und zwei parallel betriebenen Datenströmen sind es schon 300 Megabit pro Sekunde. Die Leistung des kompletten Funksystems verbessert sich mit MIMO und Spatial Multiplexing erheblich.

802.11n und die Kompatibilität zu anderen Standards der 802.11-Familie und zu Bluetooth

Drahtlose Netzwerke nach 802.11n sind mit den Vorgängerstandards 802.11a, 802.11b und 802.11g kompatibel. Die WLAN-Router und Access Points verfügen in der Regel über einen konfigurierbaren Kompatibilitätsmodus, mit dem 802.11a-, 802.11b-, 802.11g- und 802.11n-Geräte im gleichen WLAN kommunizieren können. Um in den Genuss der vollen Geschwindigkeitsvorteile zu kommen, ist es jedoch empfehlenswert, den Kompatibilitätsmodus im WLAN zu deaktivieren. Eine häufig vorzufindende Konfiguration aktiviert die Kompatibilität nur im 2,4-GHz-Band und erlaubt im 5-GHz-Band lediglich 802.11n-Clients. Volle Leistungsfähigkeit erreicht man mit dem so genannten Greenfield-Mode. Er sorgt für die vollständige Abschaltung der 802.11a-, 802.11b- und 802.11g-Unterstützung.

Zu beachten ist, dass der IEEE 802.11n-Standard nur die Verschlüsselung mit WPA2 und AES erlaubt. Es können sich dadurch weitere Einschränkungen beim Betrieb des WLANs im Kompatibilitätsmodus ergeben.

Die Kompatibilität zwischen dem WLAN und Bluetooth wurde im Standard ebenfalls verbessert. In der Nähe befindliche Bluetooth-Geräte können WLAN-Clients mitteilen, nur einen Kanal zu verwenden. Dadurch erhält die parallele Bluetooth-Verbindung noch genügend Bandbreite.

Was ist Transmit Beamforming?

Die Spezifikation von 802.11n beinhaltet das Transmit Beamforming. Das Beamforming basiert auf der MIMO-Technik und ist in der Lage, zu erkennen, in welcher räumlichen Richtung sich ein WLAN-Client befindet. Dank der Verwendung mehrerer Antennen und der Anpassung von Amplituden und Phasen überlagern sich die ausgesandten Signale und breiten sich in Richtung des Endgeräts stärker aus. Die Funkabstrahlung des WLANs lässt sich mit dieser Technik in Richtung des Endgeräts lenken. Mit Transmit Beamforming sind größere Reichweiten und höhere Übertragungsraten zu einzelnen Endgeräten erreichbar.

Was ist Packet Aggregation?

Eine weitere Technik von 802.11n zur Steigerung der Performance ist die Packet Aggregation. Die Technik fasst mehrere WLAN-Pakete zusammen, um die Header-Daten zu reduzieren. Erreicht wird dies durch die Vergrößerung des WLAN-Frames. In einem Frame lassen sich mehrere Pakete transportieren und der Anteil an Overhead bei der Datenübertragung sinkt. Gleichzeitig entfallen die Wartezeiten zwischen einzelnen Paketen, was die erreichbare Datenrate weiter verbessert. Zu beachten ist, dass Packet Aggregation die Wahrscheinlichkeit von Paketwiederholungen aufgrund von Funkstörungen und die Verzögerungszeiten von Paketen erhöht. Dies kann bei schlechten Funkverbindungen und Echtzeitanwendungen zu Problemen führen.

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