Der perfekte Umstieg auf 802.11ac-WLAN

Die Netzwerkfirma Cisco hat den weltweiten mobilen Datenverkehr des Jahres 2013 ausgewertet und die Ergebnisse Mitte 2014 im Rahmen des Visual Networking Index (VNI).

Basierend auf diesem Zahlenmaterial prognostizieren die Netzwerkspezialisten, dass die Anzahl der mobilen Netzwerkgeräte bis 2018 die Anzahl der auf der Erde lebenden Menschen übertreffen wird. Auch soll nach dieser Vorhersage der Anteil des gesamten Netzwerkverkehrs, der 2018 über WLAN-Verbindungen abgewickelt wird, den Netzwerkverkehr, der dann noch über die traditionellen Mobilfunknetze läuft, deutlich übersteigen.

Selbst wer diesem Netzwerkorakel nicht glauben mag, dürfte von den Zahlen beeindruckt sein, die Cisco als Grundlage seiner Vorhersagen zusammengetragen hat: Dieser Erhebung zufolge ist 2013 der mobile Datenverkehr weltweit um 83 Prozent gestiegen.

Solche Prognosen sowie die steigende Verbreitung von mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets begleitet von Techniken wie BYOD (Bring Your Own Device) lässt auch in kleinen und mittelständischen Firmen verstärkt den Wunsch aufkommen, den Mitarbeitern ein stabiles, in allen Bereichen einsetzbares und vor allen Dingen schnelles drahtloses Netzwerk zur Verfügung zu stellen.

Ein einfacher Router, der vielleicht noch nach dem alten 802.11b/g-Standard arbeitet, kann die Bedürfnisse der Nutzer nur noch selten befriedigen. Für viele IT-Verantwortliche stellt sich also die Frage, ob es sinnvoll ist, das eigene Drahtlos-Netzwerk auf die moderne 802.11ac-Technik umzustellen.

Wenn die Aufrüstung eines bestehenden WLAN-Netzwerks auf 802.11ac diskutiert wird, so sind viele IT-Verantwortliche der Meinung, dies sei schon allein deswegen nicht notwendig, weil bereits ein WLAN nach dem Standard 802.11n zur Verfügung stehe.

Der Wechsel von 802.11n zur neuen ac-Technik bedeutet in der Tat eher einen evolutionären als einen revolutionären Schritt. Wer sich aber genauer mit den technischen Einzelheiten befasst, merkt schnell, dass in 802.11ac mehr steckt.

Höhere Übertragungsgeschwindigkeit: Ein Problem fast aller WLAN-Netze besteht darin, dass die Nutzer immer den Eindruck haben, die Datenübertragung sei zu langsam. WLAN 802.11ac verspricht eine spürbare Geschwindigkeitssteigerung, theoretisch soll das Tempo bis zu 1,3 GBit/s betragen. Auch die breiteren Übertragungskanäle von bis zu 160 MHz tragen zu einer deutlich höheren Datenrate bei.

Allerdings weiß jeder IT-Profi, dass auch bei dieser Technik niemals 100 Prozent Bandbreite zur Verfügung stehen. Ebenso wichtig: Nur wenn die Clients den Standard vollständig unterstützen, kommen die Nutzer in den Genuss der vollen Übertragungsrate.

Beamforming: Diese Technik wurde bereits beim Standard 802.11n festgelegt, kommt aber durch eine weitaus genauere Spezifikation erst in der Nachfolgetechnik zum Einsatz. Beamforming überwindet einen großen Nachteil der bisherigen WLAN-Techniken, bei denen die Funkwellen in Form von konzentrischen Kreisen in alle Richtungen ausgestrahlt werden.

Durch Beamforming kann der Access-Point (AP) nun das Funksignal auf die Position des Client-Systems ausrichten und so die Qualität der Übertragung verbessern. Dadurch kann eine höhere Modulationsstufe erreicht werden, die grundsätzlich einen höheren Datendurchsatz möglich macht.

MU MIMO: Ein weiteres Konzept, das mit 802.11ac Einzug hält, ist die parallele Übertragung von Daten via Multi-User MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Die MIMO-Technik wird bereits bei den Geräten mit 802.11n eingesetzt. Einige Anbieter bezeichnen sie auch als SU MIMO, wobei SU für Single-User steht. Ein Client-Gerät bekommt dabei, während es seinen Zeitanteil nutzt, vollständigen und exklusiven Zugang zur Bandbreite des Access-Points. Danach ist der nächste Client an der Reihe. Während diese reine MIMO-Technik, die mehrere Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Übertragung der Daten verwendet, bei fast allen Routern nach dem 802.11n-Standard zu finden ist, können WLAN-ac-Router auch die Multi-User-MIMO-Technik nutzen. Das setzt jedoch voraus, dass der Router mindestens vier Antennen hat, von denen er dann mit jeweils zwei Antennen auch zwei Empfänger gleichzeitig mit Daten versorgen kann. Der Client seinerseits muss die MU-MIMO-Technik ebenfalls unterstützen.

Null Steering: Auf Seiten der Client-Geräte funktioniert die MIMO-Technik ohne Probleme, wenn sie eine Mehrfachantenne haben, zum Beispiel bei 3x3-MIMO.

Die erste Zahl gibt dabei die Anzahl der Antennen an, die gleichzeitig senden können (Spatial Streams), die zweite die Anzahl der Antennen, die gleichzeitig empfangen können.

Allerdings setzen die Anwender zunehmend Geräte wie Smartphones und Tablets ein, die nur einen oder – bei den Ta­blets – nur zwei dieser Streams nutzen. Das wirkt sich nachteilig aus, wenn im Netz zwar schon ein Access-Point mit 802.11ac verwendet wird, der drei oder vier Streams anzu­bieten hat, aber viele mobile Clients mit nur einer oder zwei Antennen zum Einsatz kommen. Dann bleibt in jedem Zeitabschnitt ein Teil der verfügbaren Bandbreite einfach ungenutzt, und es scheint so, als wäre bei vielen Endgeräten im Netz trotz aktueller WLAN-ac-Technik zu wenig Bandbreite vorhanden.

Hier hilft eine Technik, die als Null Steering bezeichnet wird. Im Zusammenhang mit Beamforming kann der Access-Point die Funkwellen mit Hilfe von Null Steerings direkt auf einen der Clients ausrichten, während er gleichzeitig die abgestrahlte Energie in Richtung der anderen Clients drosselt. Auf diese Weise werden auch Interferenzen reduziert, die bei einzelnen Clients durch den Datenstrom der anderen auf­treten.

Bleibt die grundsätzliche Frage, welche Vor- und Nachteile ein Umstieg auf diese neuen Techniken für das eigene drahtlose Netzwerk hat.

Auf der Habenseite ist zu verzeichnen, dass bereits ein einziger 802.11ac-Access-Point deutlich mehr WLAN-Nutzer und -Geräte mit Daten versorgen kann, als dies bei 802.11a/b/g/n möglich ist. Zudem werden dabei höhere Datenraten erzielt und größere Entfernungen zum Access-Point überbrückt.

Die Qualität des eigentlichen Nutzsignals, dessen Maß das Signal-Rausch-Verhältnis ist (Signal-to-Noise Ratio, SNR), wird durch die Beam­forming-Technik – ebenso wie der Durchsatz –deutlich verbessert. Auch sollten IT-Verantwortliche nicht die Vorteile außer Acht lassen, die dadurch entstehen, dass 802.11ac im 5-GHz-Bereich arbeitet: Gerade in Bürogebäuden, in denen sich viele Firmen befinden, gibt es in der Regel sehr viele WLAN-Netzwerke und Access-Points, wodurch sich die Netze häufig gegenseitig stören. Firmen, die auf das 5-GHz-Band unter 802.11ac ausweichen, können einen weitaus störungsfreieren Betrieb erwarten.

Die Nachteile bei einem Umstieg: Für die meisten der vorhandenen 802.11n-Access-Points ist es nicht möglich, ein direktes Update auf 802.11ac zu bekommen. Das bedeutet: Wenn das gesamte Netzwerk auf den schnelleren Standard migriert werden soll, dann müssen sowohl die Zugriffspunkte als auch die Adapter in den Client-Geräten ausgetauscht werden.

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Bei mobilen Geräten wie Tablets oder Smartphones kann dies heißen, dass die Client-Geräte vollständig ersetzt werden müssen, damit sie von den Vorteilen des schnellen Netzwerks profitieren. Zudem benötigen 802.11ac-Access-Points eine stärkere Stromversorgung, wenn ihre volle Leistungs­fähigkeit zur Verfügung stehen soll.

Sicher ist es in kaum einer Firma möglich, die ältere WLAN-Technik sofort und komplett aus dem Netz zu entfernen. Es gilt also, die Interferenzen mit den Geräten, die nach einem älteren Standard funken, möglichst gering zu halten.

Ein bekanntes Problem besteht zum Beispiel darin, dass 802.11n-Geräte, die ebenfalls das 5-GHz-Band verwenden, 802.11ac-Geräte auf eine Geschwindigkeit von 300 oder 450 MBit/s herunterdrücken. Das liegt vor allen Dingen daran, dass die WLAN-n-Geräte noch die 2x2- oder auch 3x3-MIMO-Technik verwenden. Die IT-Verantwortlichen, die jetzt 802.11ac einführen, sollten daher unbedingt sicherstellen, dass alte Geräte auf dem 2,4-MHz-Band noch einige Jahre unterstützt werden.

In der täglichen Praxis ist es zudem normal, dass sich die mobilen Client-Systeme durch das Netzwerk bewegen. Die Nutzer mit ihren Laptops, Tablets und Smartphones erwarten dabei zu Recht, dass ihnen immer und überall die gleichen Kapazitäten zur Verfügung stehen. Das kann allerdings durchaus Probleme bereiten: Kommt es zum Beispiel im Roaming-Betrieb zu einem Wechsel von einer 802.11ac-Verbindung, die auf einem 40- oder 80-MHz-Kanal aktiv ist, zu einer 802.11b/g-Verbindung auf einem 20-MHz-Kanal, so versucht ein Teil der Endgeräte auch weiterhin, ausschließlich eine Verbindung zum Access-Point mit der höheren Geschwindigkeit aufzubauen. Die meisten Netzwerkbetreuer kennen ein weiteres Problem, das in derartigen Konstellationen immer wieder auftritt: Es gibt mobile Endgeräte, die sich bei einem solchen Roaming-Wechsel einfach vom drahtlosen Netzwerk abmelden, wonach der Nutzer den Verbindungsaufbau manuell vornehmen muss.

Aus diesen Gründen sollten die Techniker beim Ausrollen eines 802.11ac-Netzwerks in mehreren Phasen Folgendes beachten: Bei einem Wechsel von einem bestehenden drahtlosen Netzwerk, das zumindest schon die 802.11n-Technik verwendet, sollte die IT ein Upgrade nach Möglichkeit Gang für Gang beziehungsweise Großraumbüro für Großraum­büro durchführen. Besser wäre natürlich auch hier, immer komplette Gebäude eines Unternehmens komplett umzu­rüsten.

Es kann für die IT-Verantwortlichen durchaus sinnvoll sein, die Leistungsfähigkeit und vor allem die Grenzen des bestehenden WLANs möglichst genau zu messen. Allerdings ist das gar nicht so einfach, weil jeder normale Netzwerkverkehr Interferenzen verursacht, die die Messungen verzerren.

Zudem könnten Administratoren eigentlich nur dann eine wirklich komplette Analyse erstellen, wenn sie sämtlichen Verkehr im Netzwerk kontrollieren würden. In größeren Netzwerken stehen sie dabei aber vor einer nahezu unlösbaren Aufgabe.

Spezielle Tools können hier eine gute Hilfe sein. Wer in kleineren drahtlosen Netzwerken zunächst einige Tests durchführen will, lädt dazu zum Beispiel das kostenlose Programm Ekahau HeatMapper herunter. Mit seiner Hilfe kann ein Administrator dann etwa per Notebook feststellen, wie es um die Signalstärke der Access-Points bestellt ist.

Soll das einigermaßen genau sein, ist etwas Vorarbeit nötig. Für eine aussagekräftige Übersicht sollte zum Beispiel ein Grundriss der Räume erstellt werden.

Wenn ein großes WLAN aufgesetzt und betrieben werden soll, dann sollten die IT-Fachleute zu professionellen Planungs-Tools wie Site Survey von Ekahau oder Airmagnet WiFi Analyzer von Fluke Networks greifen.

Geht es hingegen um die Aufrüstung eines bestehenden drahtlosen Netzwerks, das bisher unter 802.11a/b/g betrieben wurde, so raten die meisten Experten dazu, immer ein komplettes Gebäude auf den neuen Standard zu bringen. Zudem sollten die IT-Verantwortlichen berücksichtigen, dass sie bei einer Auf- beziehungsweise Umrüstung auf 802.11ac auch in Hardware investieren müssen: Das gilt für die Client-Seite, ganz besonders aber für die WLAN-Infrastruktur der Firma, für die unter anderem neue Access-Points und WLAN-Controller nötig sind.

Auch die LAN-Verkabelung zu den Access-Points ist nicht zu unterschätzen. Sie muss nämlich nun weitaus größere Datenmengen bewältigen können, weshalb Hersteller wie Meru Networks dazu raten, eine CAT-6- oder CAT-6a-Verkabelung einzusetzen.

Es geht immer noch schneller – die nächste Technik steht schon bereit. Sowohl von den Herstellern als auch in vielen Publikationen wird bereits heftig über den Einsatz von Ge­räten diskutiert, mit denen die zweite Generation – die sogenannte Second Wave – und damit eine verbesserte Version von 802.11ac Einzug in die Netzwerke halten soll.

Mit 802.11ad liegt außerdem bereits ein weiterer Standard vor. Er wird vielfach auch als Wireless Gigabit (WiGig) bezeichnet. Mit dieser Technik sollen die Geräte Geschwindigkeiten von bis zu 7 GBit/s erreichen können. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um ein WLAN-Netzwerk im herkömmlichen Sinn. WiGig verwendet ein Frequenzband mit 60 GHz, in dem dann bis zu vier Kanäle Daten mit bis 7 GBit/s brutto übertragen können.

Die sogenannte Streckendämpfung ist dabei so groß, dass damit keine großen Entfernungen überbrückt werden können und keine Verbindungen durch Decken und Wände zustandekommen. Deshalb wird diese Technik auch nur für kurze Distanzen verwendet werden. Hier gehen die meisten Fachleute von circa 10 Metern aus. 802.11ad wird deshalb nach heutigem Stand der Technik meist nur für Punkt-zu-Punkt- und nicht für Infrastruktur-Verbindungen zum Einsatz kommen. Die Zukunft von WiGig dürfte vor allen Dingen in den Bereichen liegen, in denen beispielsweise hochauflösende Videos direkt von einem mobilen Gerät auf einen Fernseher übertragen werden sollen.

Da der flächendeckende Einsatz von 802.11ac-Geräten der zweiten Generation also noch auf sich warten lässt und 802.11ad mit Sicherheit kein direkter Nachfolger der 802.11ac-Technik sein wird, sollten IT-Verantwortliche auf jeden Fall auf die Vorteile von ac-WLAN setzen, wenn sie heute ihr drahtloses Netzwerk erweitern oder erneuern wollen.

com! professional hat Harald Röder, Systems Engineer für die Region DACH bei Meru Netzworks, zu den Chancen der Second Wave des WLAN-Standards 802.11ac befragt:

„Man kann derzeit die Entwick­lung der sogenannten Second Wave of 802.11ac noch nicht konkret abschätzen. Aufgrund der noch komplexeren MIMO-Technik mit bis zu acht Antennen und Spatial Streams pro Radio kann zudem der potenzielle Platz- und Energiebedarf entsprechender Access-Points noch nicht genau vorausgesagt werden. Somit ist das sicherlich ein Thema des nächsten oder der darauffolgenden Jahre.

Für mich ist dabei interessant, die Entwicklung des Multi-User MIMO zu beobachten, da es verspricht, bis zu vier Ge­räte parallel mit Daten zu versorgen. Nach bisherigen Entwürfen profitieren die Endgeräte nur im Downlink von Multi-User MIMO. Firmen wie Meru Networks sehen sich aber insgesamt durch die Single-Channel-Technologie sehr gut für Second Wave aufgestellt, da mit 160 MHz breiten Kanälen genug überlappungsfreie Kanäle zur Verfügung stehen.“