IEEE 802.11 WLAN Standards im Vergleich

Die WLAN IEEE 802.11 Standards dienen dazu eine einheitliche Kommunikation bei der drahtlosen lokalen Funktechnik (Wireless-LAN) sicher zu stellen. Die wichtigsten Vertreter dieser Normenfamilie sind:
802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad, 802.11ah, 802.11ay, 802.11ax. Einige werden wir nur der Übersicht halber für Sie aufführen. (Einige Standards für spezielle Einzelanwendungen, sind nicht aufgeführt)

In diesem Artikel werden wir nur auf die Standards näher eingehen, die in der Praxis auch häufig vorkommen: 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac.

Dies ist eine Zusammenfassung der technischen Möglichkeiten, tatsächlich erreichbare Datentransferraten (Netto), werden von Faktoren beeinflusst, die nicht überall gleich auftreten, daher sind alle Angaben zu Übertragungsgeschwindigkeit Bruttowerte. Netto-Datenströme bzw. -Transferraten betragen durchschnittlich etwas weniger als die Hälfte der Brutto-Transferrate.

IEEE 802.11 WLAN Standards im Vergleich

IEEE 802.11 (1997)

Ist der erste die IEEE WLAN Standards und seit seiner Einführung 1997 entsprechend überholt. Die lokale und kabellose Datenübertragungstechnik bekam mit diesem Standard ihren rudimentären Grundstein. Man nutzt(e) nur das 2,4 GHz Band und die Netto-Übertragungsraten lagen entsprechend der verwendeten Speicher und Dateigrößen, bei unter 2 MBit/s. Hierbei handelte es sich um eine erste “Beta”-Standardisierung und Hersteller begonnen mit unterschiedlichen Modulationsverfahren (DSSS, FHSS), Produkte zu entwickeln. Die gewählte Methode zur Datenpaketübertragung (CSMA/CA) arbeitet zwar zuverlässig, ist aber ein Flaschenhals für die Geschwindigkeit.

Vergleichstabelle älterer IEEE 802.11 WLAN Standards

Standard Release Frequenzbereich Bandbreite Datenrate Brutto Modulation
IEEE 802.11 1997 2,4 GHz 22 MHz < 2 MBit/s DSSS, FHSS
IEEE 802.11a 1999 5 GHz 20 MHz 54 MBit/s QAM64
IEEE 802.11b 1999 2,4 GHz 22 MHz 11 MBit/s DSSS
IEEE 802.11g 2003 2,4 GHz 20 MHz 54 MBit/s QAM64

IEEE 802.11a (1999)

Das “a” steht für die Nutzung des 5 GHz Frequenzbandes beim IEEE Funkstandard. Um die potentielle Bandbreite (kumuliert 380 MHz) aller Kanäle (53-140) nutzen zu dürfen wurde die Verwendung von “Dynamischer Frequenz Selektion” (DFS) notwendig. Denn einige der Frequenzkanäle sind lokal von z.B. Wetterradar o.ä. belegt. Außerdem muss in Europa und für die Nutzung im Freien die Leistung über “Übertragungs-Leistungskontrolle” (TPC) von der Hardware eigenständig geregelt bzw. begrenzt werden. Für die Abgrenzung des “Outdoor”-Bereichs entstand die spezielle Definition IEEE 802.11h.
Mit Hilfe des Übertragungsverfahrens OFDM (bei QAM64 und einer Kanalbreite von 20 MHz) wird eine maximale Datenrate von 54 MBit/s erreicht. Dieser Standard ist weit verbreitet, da er für die meisten Datenübertragungen eine ausreichende Transferrate, bei gleichzeitig hoher Verfügbarkeit anbietet.

IEEE 802.11b (1999)

Eine Erweiterung des ursprünglichen IEEE 802.11-Standards jedoch mit einer erheblichen Verbesserung der Datentransferrate auf 11 MBit/s brutto, bei Nutzung der ursprünglichen Modulationsmethode. Hier liegt die Bandbreite der Kanäle bei 22 MHz. Dieser Standard wurde von der Bandbreite schon mit dem zeitgleich erschienen IEEE 802.11a übertroffen. Geräte, die diesen Standard heute noch nutzen, sollten möglichst ausgetauscht werden, da bei größeren Datenpaketen, die Verbindung zum Zugangspunkt einfach zu lange belegt wird.

IEEE 802.11g (2003)

Der ab 2003 verwendbare g-Standard nutzt das aus 802.11a bekannte OFDM-Verfahren. Dies macht eine maximale Datenraten von 54 MBit/s im 2,4 GHz Band für reine IEEE 802.11g Geräte möglich. Befinden sich 802.11b-Standard-Geräte im Funknetz, führt die Abwärtskompatibilität zu erheblichen Wartezeiten für 802.11g Teilnehmer. Auch hier wird mit einer Informationsrate von QAM64 kommuniziert.

Für diesen und andere Standards gibt es mehrere herstellerspezifische Ausführungen z.B. “g+” und “g++” (“super G”). Hier werden die Brutto-Datenraten zwar verdoppelt, jedoch mit erheblichen Einschränkungen, bei der Behebung von Störungen mit anderen Funknetzen. Es kann zu starken Kanal-Überlappungen kommen, denen man nicht ausweichen kann.

Datenraten mit IEEE 802.11n WLAN

IEEE 802.11n (2009)

Dies ist der erste Dualband-Standard, der im 2,4 und 5 GHz Band arbeitet. Mögliche Datenraten von bis zu 600 MBit/s verhalfen diesem IEEE Standard zu einem guten Start. Hardware mit den b- und g-Standard wird unterstützt. Allerdings ist für die maximale Datenrate eine 4x4 SU-MIMO-Konfiguration (Single User - Multiple Input Multiple Output) der Antennen notwendig. Hierbei werden räumliche Datenströme (spatial Streams) der verfügbaren Antennen gebündelt, die sonst Verbindungen zu einzelnen Clients (1x1) mit ca. 150 MBit/s (bei 40 MHz) pro Antenne ermöglichen. Mit diesem Standard kam auch erstmals das Beamforming zum Einsatz. Es handelt sich um aktive Richtfunktechnik, die über die Multi-Antennen den ungefähren, räumlichen Standort des Clients berechnet. Damit wird ein gerichtetes Signal möglich, welches die Qualität und die Effizienz der Verbindung erhöht. Bei 802.11n gibt es jedoch deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Herstellern, da die Funktion nicht allgemein spezifiziert wurde. Die Datenratenoptimierungen mit SU-MIMO und Beamforming, verkürzen generell die Übertragungszeiten und Kapazitäten werden schneller wieder frei.

IEEE 802.11an, IEEE 802.11bn und IEEE 802.11gn

Häufig findet man bei der Konfiguration des Access Points die Angabe IEEE 802.11an, IEEE 802.11bn oder IEEE 802.11gn. Dabei handelt es sich nicht direkt um einen WLAN Standard, sondern um die Kombination der ältern IEEE802.11a bzw. IEEE802.11b oder IEEE 802.11g mit dem neueren IEEE 802.11n Standard. Der Access Point arbeitet also mit zwei verschiendenen Standards gleichzeitig.

IEEE 802.11ac (2013)

Es handelt sich um einen reinen 5 GHz-Standard mit zunächst zwei erschienen Stufen: Wave 1 und Wave 2. Man bewegt sich ausschließlich im breiteren und bislang weniger verwendeten 5 GHz Bereich (DFS und TPC wie bei 802.11a). Router werden i.d.R. als Dualband Version ausgelegt, wobei 802.11n den 2,4 GHz-Bereich übernimmt. Für eine kompakte Modulation und damit zusätzlich mehr Datenrate, sorgt in beiden “Wellen” eine OFDM-Übertragung und erlaubt auch QAM256 (8 Bit pro Übertragungsschritt). Gemäß dem Standard generell möglich sind 8x8 MU-MIMO-Datenströme, womit bei 160 MHz Kanalbreite 6900 MBit/s erreichbar wären. Jedoch steht mit 8x8 Antennen (bei 160 MHz) nur ein (real) überlappungsfreier Kanal zur Verfügung. MU-MIMO ist nur bei Wave 2 im praktischen Einsatz. Beamforming unterstützt auch hier eine gerichtete, effizientere Übertragung.

Diagramm - Vergleich Datenraten mit IEEE 802.11ac Wave1 WLAN

IEEE 802.11ac “Wave 1” (2013)

Mit diesem IEEE Standard lassen sich rechnerisch Datenraten von bis zu ca 1300 MBit/s erreichen. Hierfür sind vor allem die möglichen SU-MIMO-Konfigurationen (siehe 802.11n) und die Funkkanalbreiten von 80 MHz verantwortlich - bis zu 3 Antennen (Datenströme/Streams) mit jeweils 433 MBit/s.
In der Praxis handelt es sich meist um 2x2 bzw. 3x2 MIMO-Antennen, in mobilen Clients ist der Platzbedarf entscheidend. Mit mehr Antennen steigt auch die Rechenleistung für die Signaltrennung und der Stromverbrauch, bei gleichzeitig geringerer Steigerung der Datenrate.

Diagramm - Vergleich Datenraten mit IEEE 802.11ac Wave2 WLAN

IEEE 802.11ac “Wave 2” (2015)

Ist die zweite Ausbaustufe von vom IEEE 802.11ac Standard. Es sind 160 MHz breite Kanäle möglich. Ein Kanal mit bis zu 160 MHz oder 80 + 80 MHz. Beim Multi User MIMO Verfahren, können die Datenströme gebündelt eingesetzt werden, um in einem 4x4 Setup maximal ca. 3500 MBit/s zu erreichen. Für Geräte die über weniger Antennen zur Annahme paralleler Datenströme verfügen, bedeutet dies bei 80 MHz und 1x1 MU-MIMO vier, zeitgleiche 433 MBit/s-Verbindungen.

Der Unterschied von 802.11n/ac “Wave 1” Single User-MIMO zu ac “Wave 2” Multi User MIMO:
Die Qualität des Signals wird durch die Kombination von MU MIMO und nun standardisiertem Beamforming spürbar optimiert. Fehlerhafte Datenübertragungen werden reduziert und der Nettodurchsatz durch höhere Modulation gesteigert.

802.11ac-fähige Hardware macht sich vor allem bemerkbar, wenn mehrere Geräte gleichzeitig mit dem Router kommunizieren. Höhere Datenraten sind zwar durch die hohe Bandbreiten von 80 bis 160 MHz möglich. Wenn Sie den Access Point allerdings in dicht besiedelten Gebieten mit vielen weiteren Funknetzen der gleichen Frequenz betreiben, sind durch die höhere Bandbreite auch in einem größeren Bereich Störungen möglich. Die Verwendung einen 802.11ac WLAN Routers führt also nicht per se zu einem besseren Funknetz. Es macht Sinn das eigene Funknetz auf die bereits vorhandenen Netze abzustimmen.

Einige herstellerspezifische Ausführungen dieses Standards sind schon auf dem Markt, wie zum Beispiel eine mit 1024QA-Modulation. Die durch 8x8 MU-MIMO und 160 MHz Kanalbreite über 5000 MBit/s erreichen kann.

Spätestens hier sollte man beachten, dass die kabelgebundene LAN Verbindung (1000 Mbit/s) zu einem Flaschenhals am Router werden kann und die Geräte nur das verteilen können, was bei ihnen ankommt.

IEEE 802.11ad auch “WiGig” (2012)

Ein IEEE Funkstandard für das 60-GHz-Band mit einer dadurch geringen Reichweite.  Der Standard ist nicht kompatibel zu den bisher beschriebenen. Mit diesem Standard werden LAN-Kabelverbindungen über kurze Distanzen (unter 10m) überflüssig. Machbar sind Datenraten von 7000 MBit/s, da hier vier Kanäle mit eine Breite von 2000 MHz (bisher max. 160 MHz bei 802.11ac “Wave 2”) nutzbar sind. Auch wenn Accesspoints (Stand 2017) noch nicht mit diesen hohen Geschwindigkeiten versorgt werden können, wird damit ein Grundstein für datenintensive Verbindungen (z.B. 4K Video) gelegt. Störungen mit anderen Netzen sind geringer, weil die Reichweite Überschneidungen minimiert. Allerdings so stark, dass wohl mehrere Access Points installiert werden müssen, um ein Objekt flächendeckend zu versorgen. Dieser Standard wird durch IEEE 802.11ay weiter vervollständigt.

In der Praxis ist die Rede von Tri-Band Routern, die 2,4, 5 und 60 GHz nutzen. Hier werden die Reichweitenunterschiede (vereinfacht: geringere Frequenz = höhere Reichweite) genutzt und datenintensive Anwendungen in der Nähe des Access Points betrieben. Weiter entfernte Clients werden dann mit geringerer Datenrate, aber von demselben Gerät versorgt

Standard Release Frequenzbereich Bandbreite Datenrate Brutto Modulation
IEEE 802.11ad 2012 60 GHz 2 GHz 7 GBit/s QAM64

IEEE 802.11ah “sub-1 GHz” (2016)

Dieser Funkstandard zielt auf spezielle Anwendungen mit geringen Datentransferraten ab. Vorzufinden sind diese gerade im IoT-Bereich (Internet of things) und M2M (Machine to Machine), wo es vor allem um viele sensorische Einzelabfragen geht. Die geringen Frequenzen begünstigen eine mehr als doppelt so hohe Reichweite, verglichen mit 2,4, 5 und 60 GHz. Auch im Hindernis reichen Indoorbereich soll damit eine gute Durchdringung ermöglicht werden. Der Stromverbrauch in diesem Frequenzbereich ist merklich geringer. Die Kanalbreiten sind variabel von 1 MHz bis 16 MHz und damit auch die Übertragungsraten. 1 MBit/s bis theoretisch möglichen 357 MBit/s. Hierfür ist die Unterstützung von verschiedenen Kommunikationsverfahren und Modulationen (bis QAM256), sowie bis zu vier räumlichen Datenströmen (spatial streams) vorgesehen. Der Standard soll bis zu 1000 Clients versorgen können. Wichtig sind die länderspezifischen Abweichungen bei der Nutzbarkeit des Frequenzbereichs.

Für die Praxis hat sich (Stand 2017) eine Triband-Lösung durchgesetzt, die auch IEEE 802.11n/ac  mit 2,4 und 5 GHz unterstützt.

Standard Release Frequenzbereich Bandbreite Datenrate Brutto Modulation
IEEE 802.11ah 2016 900 MHz* 1 - 16 MHz 1 - 357 MBit/s BPSK, QPSK, QAM256

*Der von IEEE 802.11ah "HaLow" genutzte Frequenzbereich unterliegt den Bestimmungen des ISM-Band, welches je nach Land unterschiedlich spezifiziert ist. In der EU ist der Bereich von 863 MHz bis 868 MHz für HaLow vorgegeben.

IEEE 802.11ay (*2019)

Ist die Spezifizierung des IEEE 802.11ad Standards. Er bringt die MIMO-Antennen-Technik mit 4 Datenströmen (Spatial Streams) und die Bündelung auf maximale Kanalbreiten von 8640 MHz. Damit erhält man Geschwindigkeiten von bis zu 176 GBit/s. Hierfür wird auch präzises Beamforming verwendet, was höhere Modulationsstufen erlaubt. Richtfunk auf kurze Distanz mit sehr hohen Datenraten ist hiermit möglich.

Standard Frequenzbereich Bandbreite Datenrate Brutto Modulation
IEEE 802.11ay 60 GHz 8,64 GHz 176 GBit/s QAM256

IEEE 802.11ax “High Efficiency WLAN” (*2018)

Soll als Nachfolger von IEEE 802.11n bei 2,4 und 5 GHz dienen. Die in 802.11n verwandten Techniken sollen optimiert und aus dem veralteten 802.11b Standard stammende Verfahren (FHSS und DSSS) eliminiert werden. Das 2,4 GHz Band soll mit der Modulation (QAM256) aus dem 802.11ac Standard versorgt werden, was kompaktere Datenpakete bedeutet. Für das 5 GHz Frequenzband ist eine 1024QA-Modulation mit 10 Bit pro Symbol vorgesehen. Außerdem sollen im 2,4 GHz Bereich nur noch die überlappungsfreien Kanäle (1,6 und 11) unterstützt werden. Unter anderem soll die Erhöhung der Funksymbollänge für eine 30 prozentige Durchsatzsteigerung bei größeren Datenpaketen sorgen, was automatisch geregelt wird. Die Optimierungsmaßnahmen dienen vor allem der Effizienz der Übertragung vom Router zu einem bestimmten Ort (Bit/s/m^2) und führen zu Datenraten von 4800 MBit/s bei 1024QAM, 160 MHz Kanalbreite und 4x4 MIMO. Multi User-MIMO wird auch für den Uplink (Client to Access Point) bereitgestellt. Außerdem soll auf die vielfachen Störungen durch Überlappungen in parallelen Funknetzen mit der Verwendung von Spatial Reuse bei der MIMO-Antennentechnik reagiert werden. Vereinfacht geht es darum, dass beim Übertragen auf dem selben Kanal die Interferenzen nicht immer gleich ausgeprägt sind, nutzt man dies effizient aus, kann auf dem selben Kanal nahezu störungsfrei übertragen werden. Die Geräte sind hierzu in der Lage zwischen ihren eigenen und “fremden” Übertragungen zu unterscheiden.

Standard Frequenzbereich Bandbreite Datenrate Brutto Modulation
IEEE 802.11ax 2,4 / 5 GHz 160 MHz 4,8 GBit/s 1024QAM