Wi-Fi 7 / IEEE 802.11be / Extremely High Throughput
IEEE 802.11be ist die 7. WLAN-Generation, auch Wi-Fi 7 genannt. Im Vergleich zu den zahlreichen Vorgänger-Standards Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 und Wi-Fi 6 ist bei Wi-Fi 7 die Geschwindigkeit höher, die Verzögerungen geringer, die Zuverlässigkeit höher. Das Frequenzspektrum wird insgesamt effizienter genutzt. Damit sich diese Vorteile auswirken können, braucht man neue Hardware auf beiden Seiten. Router und Access-Points auf der Netzseite und Smartphones, Notebooks und WLAN-Adapter auf der Client-Seite.
Der Standard IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) baut auf dem Standard IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) auf, wodurch eine Wi-Fi-7-Basisstation neben den neuen Wi-Fi-7-Geräte auch ältere Clients bedienen kann.
Aufgrund der höheren Übertragungsgeschwindigkeit ist Wi-Fi 7 hauptsächlich für drei Anwendungen relevant:
- Wenn der eigene Internet-Anschluss bis zu 1.000 MBit/s bzw. 1 GBit/s liefern kann.
- Wenn das WLAN im eigenen Netzwerk als Ersatz für Gigabit-Ethernet dienen soll.
- Wenn man in einer Funkzelle eine große Anzahl an Teilnehmern versorgen muss.
Wenn Wi-Fi 7 in der höchsten Ausbaustufe mit acht MIMO-Streams, im 6 GHz Fregeuenzbereich mit 320 MHz Kanal und 4096QAM arbeitet, dann wäre eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 23 Gigabit pro Sekunde erreichbar.
Leistungsmerkmale von Wi-Fi 7 / IEEE 802.11be
- Mehrere Frequenzbereiche: 2,4 GHz + 5 GHz + 6 GHz
- Kanalbreite: bis 320 MHz
- Modulationsverfahren: 4096QAM / 4K QAM
- Multi-Link Operation (MLO)
- Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)
- Maximale Summendatenrate: 23 GBit/s
Alle neuen Wi-Fi-7-Leistungsmerkmale deuten auf eine höhere Datenraten hin. Aber der 320 MHz breite Funkkanal im 6-GHz-Band und das Modulationsverfahren 4096QAM sind optional. Clients müssen nur 80 MHz Kanalbreite beherrschen, um als „Wi-Fi 7 Certified“ zu gelten.
Frequenzbereiche (2,4 GHz / 5 GHz / 6 GHz) und Kanalbreite (bis 320 MHz)
Wi-Fi 7 unterstützt die Frequenzbereiche 2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz. Hier werden abhängig vom Frequenzbereich Kanalbreiten von 20, 40, 80, 160 und 320 MHz unterstützt. Allerdings mit Einschränkungen, die für die Nutzung in der EU gelten.
- Das 2,4-GHz-Band ist mit 83 MHz sehr schmal, weshalb hier keine besonders hohe Übertragungsgeschwindigkeit möglich ist. Die Kanalbreite ist auf 20 bzw. 40 MHz begrenzt, damit dieses Frequenzband von anderen Funksystemen ebenfalls genutzt werden kann.
- Das 5-GHz-Band hat keinen zusammenhängenden 320-MHz-Block. Hier geht maximal nur 160 MHz. Damit auch andere WLANs das 5-GHz-Band nutzen können, eigentlich auch nur eine Kanalbreite von 80 MHz.
- Bei 6 GHz gibt es nur einen 480 MHz breiten Frequenzbereich. Auch hier kommen sich zwei WLANs mit 320 MHz Kanalbreite in die Quere, weshalb in der Praxis auch nur 160 MHz sinnvoll ist.
Bei der Wahl der Kanalbreite muss man folgendes berücksichtigen. Benachbarte WLANs können sich durch gegenseitige Signalüberlagerungen und -auslöschungen (Interferenz) stören, wenn sich die Kanäle überlappen. Das verringert den Datendurchsatz für alle.
Ein weiterer Nachteil einer hohen Kanalbreite von zum Beispiel 320 MHz ist die reduzierte Reichweite im Vergleich zu 160 oder nur 80 MHz. Das hat zwei Gründe.
- Die Sendeleistung ist regulatorisch begrenzt und muss über den genutzten Kanal verteilt werden. Je breiter der Kanal, desto weniger Leistung steht pro Megahertz zur Verfügung.
- Das Eigenrauschen der Empfänger nimmt mit der Breite des Kanals zu und verschlechtert den Signal-Rauschabstand.
Modulationsverfahren: 4096QAM / 4K QAM
Ein Modulationsverfahren bringt das zu übertragende Informationssignal in eine für die Übertragung geeignete Form. Je höherwertig das Modulationsverfahren, desto mehr Bit werden in einem Schritt übertragen. Die neue Modulationsstufe beträgt 12 Bit pro Symbol (4096QAM). Bei Wi-Fi 6 waren es nur 10 Bit pro Symbol (1024QAM).
Allerdings setzt 4096QAM optimale Empfangsverhältnisse voraus, die man nur in der Nähe der Basisstation erreicht. Mit der Distanz nehmen die Fehler zu und die Anzahl der Bit pro Übertragungsschritt muss reduziert werden.
OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Durch OFDM können mehrere Funksignale gleichzeitig auf einer eigenen Frequenz (Unterträger) übertragen werden.
Mit Wi-Fi 6 wurde bereits OFDMA eingeführt. Das war allerdings nur optional vorgesehen und nicht optimal spezifiziert, weshalb es praktisch nicht zum Einsatz kam. Eventuell wird sich das mit Implementierungen von Wi-Fi 7 verbessern.
MLO - Multi-Link Operation
Als wichtigste Neuerung von Wi-Fi 7 gilt das Leistungsmerkmal Multi-Link Operation. Mit MLO können die WLAN-Basisstation und ein WLAN-Client gleichzeitig mehrere Verbindungen über mehrere Funkbänder halten. Bisher musste ein Client zwischen den Frequenzbereichen 2,4, 5 und 6 GHz wechseln. Mit MLO ist das nicht mehr notwendig.
Durch den Einsatz von MLO ergeben sich drei mögliche Szenarien:
- Der Durchsatz kann gesteigert werden.
- Die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert sich (das gleiche Datenpaket wird in mehreren Bändern gesendet).
- Es wird der Funkzellenwechsel erleichtert.
Insgesamt ist MLO eine Technik, die es ermöglicht, WLAN-Verbindungen zu optimieren und höhere Datenraten zu erreichen.
r-TWT - Restricted Target Wake Time
Die Erweiterung Restricted Target Wake Time (r-TWT) kommt eigentlich aus dem Bereich Time Sensitive Networking (TSN) der IEEE-Gruppe 802.1. Die Idee von TSN ist, dass Feldbusse in Industrieanlagen wie Modbus, Profinet oder CAN durch echtzeitfähiges Ethernet ersetzt werden.
r-TWT regelt, dass zu bestimmten Zeiten nur bestimmte Dienste senden dürfen. Damit stellt man sicher, dass Datenpakete von zeitkritischen Diensten rechtzeitig ankommen können. Die Basisstation vergibt dazu einzelnen Clients ein explizites Senderecht.
Das ist natürlich ein Leistungsmerkmal, dass nur für Anwender interessant ist, die Echtzeit-Anwendungen haben. Im Bereich der Funktechniken war man auf Mobilfunktechnik in Campusnetzen beschränkt.
Übertragungsgeschwindigkeit
Wenn man davon ausgeht, dass bei einem Maximalausbau mit einem 320 MHz breiten Funksignal bei 6 Gigahertz mit 4096QAM über 8 MIMO-Streams transportiert werden, dann ergibt das rechnerisch 23 GBit/s. Das ist natürlich reine Theorie und funktioniert in der Praxis nicht. Es ist davon auszugehen, dass die Kanalbreite geringer ist und die Anzahl der Antennen und gleichzeitigen Übertragungen bei höchstens 2 liegt.
Szenario 1: 2 MIMO-Streams
- 2,4 GHz (40 MHz): 690 MBit/s
- 5 GHz (160 MHz): 2.880 MBit/s
- 6 GHz (320 MHz): 5.760 MBit/s
Wenn die Daten durch MLO über mehrere Funkbänder gleichzeitig fließen, dann ergibt das eine Summendatenrate von 9.330 MBit/s (9,3 GBit/s).
Szenario 2: 4 MIMO-Streams
- 2,4 GHz (40 MHz): 1.380 MBit/s (1,4 GBit/s)
- 5 GHz (160 MHz): 5.760 MBit/s (5,8 Bit/s)
- 6 GHz (320 MHz): 11.520 MBit/s (11,5 GBit/s)
Wenn die Daten durch MLO über mehrere Funkbänder gleichzeitig fließen, dann ergibt das eine Summendatenrate von rund 18,7 GBit/s.
Begrenzung in der Praxis
Mehr als 940 MBit/s ist bei einem Gigabit-Internetanschluss mit Glasfaser nicht möglich. Im Vergleich dazu schaffen die besten Wi-Fi-6-Mesh-Systeme etwas über 600 MBit/s.
Energieverbrauch
Schnelleres WLAN treibt auch den Stromverbrauch von Basisstationen und WLAN-Router nach oben. Für Wi-Fi 4 und Wi-Fi 5 reichten typischerweise schon 6 bis 8 Watt aus, Wi-Fi 6 im Router braucht schon 10 Watt und bei Wi-Fi 7 geht unter 15 Watt nichts.
Und das ist die reine Betrachtungsweise von Basisstationen und Router. Bei WLAN-Clients sind die Zahlen natürlich anders. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch hier die WLAN-Technik mehr Strom verbraucht. Ein Problem ist das bei Akku-betriebenen Geräten. Weil aus energetischer Sicht die Nutzung mancher Leistungsmerkmale keinen Sinn haben oder gar nicht möglich ist, darf man nicht zu viel Geschwindigkeitszuwachs bei Wi-Fi-7-Clients im Vergleich zu Wi-Fi 6 erwarten.
Weitere verwandte Themen:
- IEEE 802.11 / WLAN-Grundlagen
- MU-MIMO / Multi-User-MIMO
- WLAN-Standards von IEEE 802.11
- Wi-Fi 6 / IEEE 802.11ax / High Efficiency WLAN
- Wi-Fi 8 / Ultra High Reliability
Frag Elektronik-Kompendium.de
Netzwerktechnik-Fibel
Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.
Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.
Artikel-Sammlungen zum Thema Netzwerktechnik
Collection: Ethernet und IEEE 802.3
Was du über Ethernet und IEEE 802.3 wissen solltest.
Collection: Netzwerk-Grundlagen
Was du über Netzwerk-Grundlagen wissen solltest.
Netzwerktechnik-Fibel
Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.
Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.