802.11ac: draadloos gigabit!

18 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. 802.11n
  3. 3. 5 GHz
  4. 4. Snelheden
  5. 5. Multi User-MIMO
  6. 6. Beamforming
  7. 7. Wie en wanneer?
  8. 8. Conclusie
  9. 9. Reacties

Inleiding

De nieuwste generatie 802.11n routers belooft theoretische snelheden tot 450 Mb/s en in de praktijk is de 100 Mb/s ruim voorbijgestreefd. De vraag naar snellere draadloze verbindingen blijft echter onverminderd bestaan. Het antwoord is 802.11ac, een nieuwe standaard met theoretische snelheden ruim boven de 1000 Mb/s.

WiFi is een echt succesverhaal. We kunnen ons tegenwoordig geen laptop, tablet of smartphone meer voorstellen zonder draadloze netwerkverbinding. Het aantal apparaten dat draadloos kan verbinden met het internet neemt hand over hand toe. Uit onderzoek blijkt dat nu al in zo’n 40% van de Amerikaanse huishoudens zes of meer connected apparaten aanwezig zijn, grotendeels draadloos verbonden. In zo’n 7% van de huishoudens zijn er zelfs 11 of meer met het internet verbonden apparaten. En dat aantal blijft maar toenemen.

Nieuwe gebruiksmodellen vragen om steeds snellere verbindingen. Toen het internet begin deze eeuw nog voornamelijk uit tekstpagina’s bestond was de 11 Mb/s van de 802.11b standaard nog meer dan voldoende. Tegenwoordig kijken we HD video op het net en werken we via cloud diensten online met grote bestanden alsof ze op onze eigen harde schijf staan. De combinatie van nieuwe gebruiksmodellen en steeds meer gelijktijdige gebruikers van draadloze netwerken, zorgt ervoor dat je zelfs met een state-of-the-art 802.11n netwerk nog wel eens tegen beperkingen aanloopt.

Zeker gebruikers die op grote snelheid grote bestanden downloaden of HD video willen bekijken zonder eventuele haperingen, doen er nog altijd goed aan om hun PC van een bedrade netwerkverbinding te voorzien. Die afhankelijkheid van een draad moet, als het aan het consortium achter de 802.11-standaard ligt, in de nabije toekomst gaan verdwijnen: de nieuwe 802.11ac standaard belooft snelheden boven de gigabit per seconde. Daarnaast worden de verbindingen ook betrouwbaarder. Ook al wordt de standaard vermoedelijk pas op zijn vroegst eind 2013 definitief, de eerste 802.11ac-apparaten worden al halverwege dit jaar verwacht. Op de afgelopen CeBIT- en CES-beurzen hebben enkele routerfabrikanten ook al demonstraties laten zien van welke snelheden er met de nieuwe standaard mogelijk zijn. Hoog tijd voor ons dus om hier eens wat dieper op in te gaan.

Asus RT-N66U
Op dit moment is de RT-N66U van ASUS de snelste draadloze router op de markt. Vergeleken met de beloofde snelheden voor 802.11ac, vallen de prestaties van deze router er echter bij in het niet.

802.11n

Voordat we in de techniek van de nieuwe 802.11ac standaard duiken, frissen we eerst je geheugen nog even op aangaande de huidige WLAN-standaard, 802.11n. Deze in 2009 officieel uitgebrachte WLAN-standaard is de opvolger van 802.11g, de WLAN-variant die jarenlang gangbaar was en een theoretische maximumsnelheid bood van 54 Mb/s.

802.11n was een behoorlijke stap voorwaarts ten opzichte van 802.11g. Allereerst werd de codering van signalen verbeterd en werd de breedte van de gebruikte draadloze kanalen verhoogd van 20 MHz tot 40 MHz. Dat alles resulteert erin dat de basissnelheid bij 802.11n is toegenomen tot 150 Mb/s.

Bij die 150 Mb/s is het echter niet gebleven. Een belangrijk onderdeel van de 802.11n-standaard is MIMO, wat staat voor Multiple Input Multiple Output. Dit betekent concreet dat een apparaat met meerdere antennes meerdere gelijktijdige dataverbindingen met een ander apparaat kan opzetten. Hebben zowel je router als je laptop twee antennes aan boord, dan is een theoretische snelheid van 300 Mb/s mogelijk. Om in aanmerking te komen voor de aanduiding 802.11n compliant moet een apparaat beschikken over minimaal twee antennes en twee zend/ontvangsteenheden. Apparaten die minder antennes en zend/ontvangsteenheden hebben, de zogenaamde ‘150N’-producten, zijn wel ‘802.11n compatibel’, maar voldoen dus niet aan de minimumeisen om het officiële logo te mogen dragen.

De meest luxe routers en WLAN-adapters van dit moment werken zelfs met drie gelijktijdige streams en beloven zodoende 450 Mb/s. De standaard voorziet in maximaal vier MIMO-streams, zodat in theorie ook een 600 Mb/s verbinding tot de mogelijkheden behoort. Op dit moment zijn er echter geen routers of WLAN-adapters die dat kunnen, vermoedelijk omdat dergelijke modellen te duur zouden worden voor de consumentenmarkt. Begin 2010 liet Netgear al in samenwerking met Quantenna een referentieontwerp zien van een 4x4 bridge, specifiek bestemd voor het versturen van HD video.

Een laatste belangrijke eigenschap van de 802.11n standaard is dat deze niet alleen op de 2,4GHz-band een draadloze verbinding op kan zetten, maar ook eentje op 5 GHz. Veel dual-band routers (met name de high-end modellen van de verschillende merken) kunnen tegenwoordig op beide frequenties tegelijkertijd functioneren, wat ook wel wordt aangeduid als concurrent dual-band.

5 GHz

De overstap naar de 5GHz-band is van belang, vooral omdat er op die frequentie meer ruimte is. De 2,4GHz-band loopt van ruwweg 2,40 tot 2,49 GHz en kent slechts drie 20MHz-kanalen die geen overlap hebben. De 23 kanalen op 5 GHz overlappen elkaar geen van alle, wat betekent dat elk kanaal te allen tijde de volledige 20 MHz (of 40 MHz) aan bandbreedte beschikbaar heeft.

Een tweede voordeel van 5 GHz boven 2,4 GHz is dat het (althans in Europa) een veel minder gebruikte frequentie is, niet alleen door andere routers, maar ook door andere apparatuur. De hoge snelheden waarmee wordt geadverteerd door de routerfabrikanten worden dan ook het dichtst benaderd op 5 GHz. Een nadeel van deze frequentie is dat om dezelfde afstand te overbruggen, een hogere signaalsterkte nodig is dan op de 2,4 GHz frequentie. Aangezien de zendkracht van draadloze apparatuur aan wettelijke maxima is gebonden, is het bereik bij de 5 GHz frequentie in de praktijk vaak iets lager.

Op dit moment speelt de 5GHz-band nog niet zo’n enorme rol, maar dat gaat met de komst van 802.11ac veranderen. Deze nieuwe standaard gaat namelijk alleen gebruikmaken van deze frequentie, omdat er op 2,4 GHz simpelweg niet voldoende ruimte is om nog hogere snelheden mogelijk te maken. Dat zien we op dit moment al bij de 450mbps-routers, die op 2,4 GHz geen noemenswaardig hogere snelheden halen dan routers die een maximale theoretische snelheid hebben van 300 mbps. Gelukkig heeft men direct voor het grootste nadeel van de 5 GHz band, de beperktere reikwijdte van signalen, een oplossing bedacht in de vorm van beamforming, waarover verderop meer.

Linksys E4200 Maximum Performance Wireless-N Router
De Linksys E4200 V2 werkt ook op de 5 GHz-band.

Snelheden

Bij 802.11ac gaat het consortium van fabrikanten verder op de eerder ingeslagen weg. Net als 802.11n maakt 802.11ac gebruik van OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation). Daarbij worden binnen een frequentiegebied meerdere draaggolven met zeer nauwkeurige frequentiebereiken gedefinieerd, die vervolgens weer gebundeld kunnen worden. Deze techniek zorgt ervoor dat een signaal aanzienlijk minder last heeft van storing. Het splitsen en weer samenvoegen van een signaal vergt wel behoorlijk wat rekenwerk. 802.11n maakte mede daarom slechts gebruik van maximaal twee kanalen van 20 MHz elk, die samen een 40 MHz ‘brede’ verbinding konden opleveren. In 802.11ac zijn die draadloze kanalen nog eens verbreed. Werkt 802.11n met kanalen die 20 of 40 MHz breed zijn, bij 802.11ac wordt daar 80 MHz en optioneel zelfs 160 MHz aan toegevoegd. Hier worden dus vier of zelfs acht kanalen gebundeld.

De modulatie van de signalen is op meer manieren vernieuwd: ook de codering van bits is verbeterd. Om digitale bits op een analoge draaggolf te plaatsen, wordt een techniek gebruikt die QAM heet (Quadrature amplitude modulation). Hiermee kunnen meerdere bits tegelijk getransporteerd worden in bitgroepen, die een unieke combinatie bieden van amplitude en fase van een frequentie. Waar 802.11n nog gebruikmaakte van OFDM met QAM-64, wordt bij 802.11ac QAM-256 toegepast. Een heel diepgravende uitleg hiervan valt buiten de scope van dit artikel, maar het komt erop neer dat er dankzij de complete QAM-256 codering tot 20% meer bits in dezelfde bandbreedte kunnen worden gestopt. QAM-256 is aanzienlijk storingsgevoeliger dan QAM-64, wat betekent dat de gebruikte apparatuur een orde van grote nauwkeuriger moet zijn om hiervoor te compenseren. De Wet van Moore maakt het mogelijk om de vereiste rekenkracht in nog betaalbare chips te stoppen en 802.11ac de wereld in te helpen.

De bredere kanalen en vernieuwde codering resulteren erin dat de basissnelheid is opgevoerd naar 433 Mb/s bij een 80 MHz breed kanaal en 867 Mb/s bij een signaal van 160 MHz breed.

Hier blijft het echter niet bij, want ook 802.11ac maakt gebruik van MIMO. Met twee, drie of vier gelijktijdige 80 MHz kanalen kunnen theoretische snelheden tot respectievelijk 867 Mb/s, 1,3 Gb/s en zelfs 1,73 Gb/s behaald worden. Door twee, drie of vier 160 MHz kanalen te combineren kom je tot 1,73 Gb/s, 2,6 Gb/s en zelfs 3,47 Gb/s. Dat zijn, in vergelijking met de huidige stand van de techniek, duizelingwekkende snelheden. Onthoud echter wel dat het hier gaat om theoretische maximale doorvoersnelheden. In de praktijk zien we nu, zes jaar na de eerste ‘draft’ 802.11n producten, doorvoersnelheden die net boven de 200 Mb/s uitkomen – nog altijd slechts zo’n 66% van het theoretische maximum. De eerste generatie 802.11ac producten zal vermoedelijk op zijn hoogst rond de 1 Gb/s uitkomen, onder optimale omstandigheden.


De snelheden liggen zeer hoog bij 802.11ac.

Hoe snel is snel?

In de tekst van dit artikel geven we snelheden aan zoals gebruikelijk wanneer men spreekt over netwerkapparatuur, in (mega- of giga-)bits per seconde. In de praktijk is het niet zo, dat je de betreffende getallen kan delen door acht en op de doorvoersnelheid in bytes kan uitkomen. Een deel van de verzonden informatie is immers overhead, ofwel informatie om de eigenlijke data goed aan te laten komen: adressering en foutcorrectie, bijvoorbeeld. Gemakshalve is een aardige regel om door tien in plaats van door acht te delen: 1000 megabit per seconde resulteert dan in 100 megabyte per seconde.

Multi User-MIMO

Het MIMO-concept is bij 802.11ac verder verbeterd. In de nieuwe standaard kunnen access points met meerdere antennes gelijktijdig data versturen naar meerdere clients. Bij 802.11n is er telkens slechts één verbinding actief en moeten clients dus op hun beurt wachten.

Een router / access point met vier antennes kan op die manier met twee laptops of andere apparaten tegelijkertijd data versturen over twee kanalen. Maar ook vier apparaten met elk een enkele stream behoort tot de mogelijkheden. Zeker nu er meer en meer apparaten in huis met het draadloze netwerk verbonden zijn, is dat een grote stap vooruit.

Het maximale aantal gelijktijdige kanalen is in de 802.11ac standaard verhoogd van vier naar acht. De meest luxe (en dure), toekomstige 802.11ac routers zullen dus van acht antennes voorzien worden. Voor clients (laptops, smartphones, tablets, etc.) lijkt vooralsnog vier het maximum en zal in de praktijk één of twee gangbaar zijn. Gezien het toegenomen aantal gelijktijdig verbonden apparaten, is het verhoogde aantal MIMO-kanalen aan de router-kant een verre van overbodige luxe.

Multicasting

Zoals gezegd is een verbetering in de 802.11ac standaard dat dezelfde data tegelijkertijd naar meerdere clients gestuurd kan worden. Doorgaans is dat verschillende data, maar dat kan ook dezelfde data zijn: dat noemen we multicasting. Bij 802.11n moest die data meerdere keren verstuurd worden, wat natuurlijk zonde is van de kostbare bandbreedte. Deze multicast-functionaliteit van 802.11ac zet de deur open voor nieuwe gebruiksmodellen voor WiFi. Denk bijvoorbeeld aan het gelijktijdig streamen van HD video naar meerdere apparaten in huis.

In een kantooromgeving kunnen software updates bijvoorbeeld gelijktijdig naar alle PC’s in het netwerk verstuurd worden. Een ander denkbaar gebruiksmodel voor deze nieuwe functionaliteit van 802.11ac is het gelijktijdig aansturen van informatieschermen in gebouwen, luchthavens, en zo verder.

Op beurzen hebben we de nieuwe producten al in een testopstelling aan het werk gezien. Bovenstaand een concept van Buffalo.

Beamforming

We noemden het kort al even: het nadeel van de 5 GHz band is dat dergelijke signalen sneller geabsorbeerd worden door muren en andere obstakels. Met andere woorden, de 5GHz-band bij de 802.11n-standaard biedt weliswaar veel hogere snelheden dan op 2,4 GHz mogelijk zijn, maar het bereik van het signaal op 2,4 GHz is behoorlijk wat groter. Om 5 GHz ook op langere afstand goed bruikbaar te houden, maakt de nieuwe standaard gebruik van beamforming.

Bij beamforming bepalen access point en client op basis van complexe technieken de onderlinge positie ten opzichte van elkaar en via welke route draadloze signalen het best verstuurd kunnen worden. Directionele antennes versturen de signalen daarna expliciet die richting op. Dit is een flinke verandering in vergelijking met 802.11n en de voorgaande standaarden, die altijd van omnidirectionele antennes gebruikmaken: data wordt altijd alle kanten op gestuurd.

Beamforming is dan wel onderdeel van de standaard, maar het is geen verplicht onderdeel. De implementatie van directionele antennes is namelijk duurder dan die van omnidirectionele antennes. We zullen deze antennes vermoedelijk in eerste instantie alleen bij de luxere routers gaan zien. Het wordt een van de vele manieren waarop routers zich van elkaar kunnen gaan onderscheiden.

De 802.11ac router van Trendnet.

Wie en wanneer?

Snelheden tot ver boven de gigabit per seconde, het klinkt heerlijk, maar wanneer kunnen we ermee aan de slag? De 802.11ac-standaard bevindt zich op dit moment in draft-fase en een definitieve versie wordt niet voor eind 2012 verwacht. De uiteindelijke goedkeuring van de standaard door de IEEE-organisatie zal niet voor eind 2013 plaatsvinden. Dat zal fabrikanten er – net als voorheen bij 802.11g en -n – echter niet van weerhouden om al veel eerder met apparaten op de markt te komen. Sterker nog: dat kan al spoedig gaan gebeuren.

Eind vorig jaar introduceerde de relatief kleine chipontwerper Quantenna, eerder in dit artikel ook even genoemd, al de eerste 802.11ac chips. Op vijf januari, vlak voor de CES-beurs, volgde de eerste aankondiging van een grote speler: Broadcom. Zij komen in het derde kwartaal van 2012 met vier verschillende 802.11ac controllers, gericht op PC’s en laptops. De BCM43516 ondersteunt maximaal één 80 MHz kanaal (433 Mb/s), de BCM43526 en BCM4352 ondersteunen er twee (866 Mb/s). De vooralsnog meest luxe variant wordt de BCM43560 met drie 80 MHz kanalen (1,3 Gb/s). De twee eerstgenoemde chips hebben een USB 2.0 interface, de laatste twee werken via PCI-Express 2.0 x1.

Inmiddels hebben Buffalo, Netgear en Trendnet al aangekondigd dit jaar met 802.11ac producten op de markt te zullen komen. Ook Linksys liet ons weten al 802.11ac prototypes gereed te hebben. Tevens gonst het van de geruchten dat het Apple zal zijn die de nieuwe standaard als eerste zal toepassen in de eigen producten. Het gerucht ging zelfs dat de nieuwe iPad standaard van 802.11ac technologie voorzien zou zijn, maar dat bleek niet het geval te zijn. Apple kennende zal het echter niet heel erg lang wachten met het toepassen van de nieuwe standaard. Ook de AirPort routers van het merk stapten relatief snel over op hogere snelheden, zodra die beschikbaar kwamen.

Het zal nog wel de nodige jaren gaan duren eer alle mogelijkheden van 802.11ac (160 MHz kanalen, 8 MIMO-streams, beamforming, multicasting) door controllerchips en daarop gebaseerde producten volledig benut gaan worden. Volgens het consortium zal 802.11ac pas in 2015 volledig ingeburgerd zijn.


Niet alleen de routers moeten 802.11ac aankunnen. Ook pc’s/laptops en mobiele devices moeten 802.11ac-chips krijgen. Qualcomm Atheros heeft al een chip voorgesteld die geschikt is voor mobiele devices.

Conclusie

802.11ac kan met één 80 MHz kanaal vrijwel dezelfde prestaties bieden als 802.11n met drie kanalen. De prestaties van high-end 802.11n routers en WLAN-adapters wordt bij 802.11ac dus instapniveau. Met het combineren van meerdere kanalen en de overstap naar 160 MHz kanaalbreedte worden de prestaties flink verhoogd. De nu al aangekondigde chips van Broadcom gaan tot boven de 1 Gb/s, maar snelheden tot 3,47 Gb/s zijn theoretisch ook mogelijk. Buiten hogere snelheden biedt 802.11ac ook technologieën voor een hogere betrouwbaarheid en het tegelijkertijd versturen van dezelfde data naar meerdere apparaten. Het zal ervoor gaan zorgen dat draadloze netwerken in de toekomst de prestaties kunnen gaan bieden die we nu kennen van bekabelde gigabitnetwerken. Daarmee zouden we van de kabels af kunnen komen die nu nog wel eens een belemmering vormen.

Binnenkort kan je de eerste reviews van 802.11ac routers op Hardware.Info lezen.

Linksys WRT610N Dual Band Wireless-N Gigabit Router

0
*