WiFi 6: snelheid en andere verbeteringen in de nieuwe wifi-standaard

Bij de zesde wifi-generatie staat efficiëntie voorop. WiFi 6, oftewel IEEE 802.11ax, moet de totale snelheid verhogen, onder meer door clients slimmer parallel te bedienen. Maar het heeft nog meer te bieden dan dat.

Bij WiFi 6 (Wi-Fi 6 volgens de officiële notatie) staat voor het eerst niet de snelheid van de individuele client centraal bij de ontwikkeling. In plaats daarvan brengt IEEE 802.11ax onder andere een centrale coördinatie van de zender, OFDMA en coloring, wat de snelheid kan verhogen als er veel apparaten tegelijkertijd in gebruik zijn. Een korte terugblik zorgt voor wat verduidelijking.

Illustratie: Andreas Martini

Net als de oerstandaard IEEE 802.11 uit 1997 (max. 2 Mbit/s bruto), behandelden ook de eerste, wijdverbreide standaard 802.11b (max. 11 Mbit/s) en de tot 54 Mbit/s versnelde versies 802.11g (in de 2,4GHz-band) en 802.11a (5 GHz) alle datapakketten hetzelfde. Elk station (STA) en accesspoint (AP) oftewel het basisstation en de mobiele clients, mochten slechts één pakket per zendmogelijkheid (TX Opportunity, TXOP) versturen.

Het tweede tijdperk kwam met een slimme turbo voor de doorvoersnelheid: 802.11n (max. 600 Mbit/s) introduceerde de multi-antennetechnologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Door de signalen van verschillende antennes te combineren kan één apparaat meerdere datastromen tegelijk verzenden. Dat verveelvoudigt de kanaalcapaciteit, waarbij de kant met de minste antennes de limiet bepaalt. Een 2-stream-11n-client kan hoogstens met 300 Mbit/s ontvangen, zelfs als een 4-stream-11n-accesspoint met 600 Mbit/s kan zenden.

Daarop bouwde 802.11ac (max. 6900 Mbit/s met 8 streams) verder. Een accesspoint met veel antennes kan meerdere ontvangers met weinig antennes tegelijkertijd bedienen (downlink multi-user-MIMO, DL MU-MIMO). In het bovenstaande voorbeeld zou het accesspoint idealiter twee clients tegelijkertijd met 300 Mbit/s kunnen helpen, dus in totaal 600 Mbit/s leveren.

802.11ax volgt het voorbeeld van zijn voorgangers en verhoogt opnieuw de maximale bruto data­snelheid, maar slechts met net geen 40 procent tot 9600 Mbit/s. 802.11ax blijft daarbij gebruik maken van de OFDM-technologie (Orthogonal Frequency-­Division Multiplexing) voor dataoverdracht die is geïntroduceerd bij 802.11a/g. Daarbij is het beschik­bare frequentieblok onderverdeeld in vele subcarriers. Op elk van die subcarriers worden vervolgens data gemoduleerd als afzonderlijke symbolen (in tijd begrensd signaalverloop).

Bij 802.11ac beslaat een symbool 3,6 micro­seconde en kan maximaal 8 bits (256-QAM) transporteren. Met een 160MHz-blok verdeeld in 468 sub­carriers en een foutcorrectiecode met verhouding 5/6, komt dit uit op een datastroom van 468 × 8 bits × 5/6 / 3,6 = 866 Mbit/s per antenne.

802.11ax introduceert modulatie op een hoger ­niveau met 10 bits per symbool (1024-QAM). Dat alleen al verhoogt de bruto datasnelheid met 25 procent. De rest van de winst in vergelijking met 11ac komt voornamelijk van een kleiner aantal hulp­carriers, die geen data transporteren. Ook verlengt 11ax de symboolduur tot 13,6 microseconde, wat een efficiëntere verdeling in 1960 subcarriers mogelijk maakt. Dat ledit tot een maximale bruto snelheid van 1201 Mbit/s per antenne, net als bij Wi-Fi 5.

Om ervoor te zorgen dat de 10 bits die in een symbool worden verzonden zonder fouten bij de ontvanger aankomen, moet het ontvangen signaal ten minste 60 dB (factor van één miljoen) sterker zijn dan de ruis en de buursignalen. Met andere woorden, voor dergelijke datasnelheden moet je eigenlijk direct naast het accesspoint staan.

Daar komt nog bij dat het beperkte zendvermogen verder verdeeld wordt in een kanaal van 160 MHz breed en een ontvanger ook meer ruis meekrijgt. Beide verkleinen het mogelijke bereik nog meer. 1024-QAM is daarom vooral belangrijk voor de verkooppraatjes, omdat er ook bij apparaten met slechts één antenne op de doos opgeschept kan worden met meer dan 1 Gbit/s.

Modulatie bij WiFi 6

De 1024 mogelijke constellatiepunten bij 1024-QAM in Wi-Fi 6 coderen 10 in plaats van 8 bits (256-QAM) per symbool, maar vereisen ook een aanzienlijk sterker signaal. Een 25 procent hogere doorvoer is in de praktijk alleen mogelijk in de directe omgeving van het accesspoint. Als de verbinding slechter wordt, schakelt 11ax terug naar robuustere modulaties, tot 16-QAM.

Met de optionele 160 MHz brede radiokanalen die met 802.11ac werden geïntroduceerd, kunnen veel gegevens in één keer worden verzonden. Ze vergroten echter ook de kans op wederzijdse interferentie met concurrerende buurnetwerken, zodat de wifi-­gegevensfile langer wordt in plaats van krimpt.

De High Efficiency WLAN Study Group (HEW SG) stelde bijvoorbeeld als doel voor 11ax voor om een groot aantal apparaten in overbelaste netwerken vier keer zo snel te bedienen, wat de WiFi-6-marketeers brutaal verkopen als een algemene regel die verkeerde verwachtingen wekt. WiFi 6 is lang niet altijd vier keer zo snel als WiFi 5 – alleen in zeldzame situaties.
Voor OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) als de centrale innovatie in 802.11ax had het al beslissend genoeg moeten zijn dat het ook zonder MU-MIMO parallelle overdracht mogelijk maakt, en samen met MU-MIMO de efficiëntie ervan kan verhogen.

Tot en met 802.11ac neemt een datapakket altijd het hele zendkanaal in beslag. Omdat elke data­transmissie echter begint met een langzame, dus tijdrovende, startsequentie (preamble), wordt de verhouding tussen de duur daarvan en de feitelijke datatransmissie steeds ongunstiger bij een toe­nemende transmissiesnelheid.

Omdat de preambles niet willekeurig kunnen worden ingekort, moet hun frequentie afnemen voor meer efficiëntie. Als er meerdere datapakketten tegelijkertijd worden verzonden in verschillende delen van het radiokanaal, is één preamble voldoende voor alle, wat de verhouding tussen nuttige en administratieve gegevens verbetert. Bij OFDMA verdeelt het accesspoint het zendkanaal daarom in resource-eenheden (RU) van 2, 4, 8, 20, 40 en 80 MHz.

Een 20MHz-kanaal kan zo gesplitst worden dat het accesspoint bijvoorbeeld gedurende één milli­seconde gelijktijdig naar vijf clients zendt. Een sta­tion dat met een grote download bezig is, krijgt vervolgens een RU toegewezen met 8 MHz, een tweede RU met 4 MHz voor een videostream en voor de rest een 2MHz-RU. De resterende 2 MHz worden gebruikt om afstand te houden tussen de RU’s. Stations die parallel data ontvangen via OFDMA moeten die bij 11ax ook tegelijk bevestigen, in plaats van na elkaar, zoals voorheen. Ook dat vergroot de doorvoer.

WiFi 6 OFDMA-downlink

Verschillende modulatieniveaus op de OFDM-carriers maken het bij Multi-­User-MIMO mogelijk om gelijktijdig clients van gegevens te voorzien die het accesspoint verschillend goed ontvangen (downlink). Dat verhoogt de efficiëntie en moet in de volgende generatie apparaten (Wi-Fi 6 Wave 2) ook in omgekeerde richting werken (uplink).

Een WiFi-6-accesspoint moet OFDMA niet alleen gebruiken bij het zenden, maar ook voor de omgekeerde richting. Hiervoor verzamelt het aceesspoint eerst informatie over de verwachte transmissiesnelheid van de clients en de datapakketten die in de stations wachten. Vervolgens informeert hij de stations met triggerframes over wie in welke RU mag uitzenden. Het accesspoint coördineert de toegang tot het zendkanaal ook bij ontvangst. Daarbij denk je wellicht terug aan de PCF (Point Coordination Function) uit de vroege IEEE 802.11-standaard. Die werd in de praktijk nooit gebruikt.

Net zoals verkeerslichten ervoor zorgen dat kruispunten niet verstopt raken, garandeert de centrale toewijzing bij veel wifigebruikers die tegelijkertijd actief zijn dat een soepelere gegevensstroom in gang blijft. Dat is beter dan wanneer alle stations zelf moeten vechten voor transmissierechten.

Het accesspoint wijst ook resource-units aan in triggerframes voor random toegang, waarvoor de stations zoals voorheen concurreren. Ze wachten dan een willekeurig aantal van deze RU’s af en zenden dan (backoff). Dit sluit botsingen niet uit, maar het acesspoint kan die verminderen door een interval voor het willekeurige getal te specificeren. Die willekeurige toegang is niet alleen belangrijk om stations hun accesspoints te laten informeren hoeveel gegevens staan te wachten voor de planning van de volgende triggerframes. Nieuwe stations hebben dat ook nodig om zich aan te melden.

Tot slot biedt OFDMA een wifi-accesspoint ook de mogelijkheid frequentieblokken weg te filteren en ‘om storende buurnetwerken heen’ te zenden. Het kleinste radiokanaal bij wifi neemt meestal 20 MHz in beslag. Grotere kanalen zijn twee, vier of zelfs acht keer zo groot en bieden daarom een bijbehorend hogere transportcapaciteit.

Bij het bij WiFi 5 gebruikelijke 80MHz-kanaal moet het accesspoint controleren of de vier gecombineerde 20MHz-blokken allemaal vrij zijn. Als er ook maar één bezet is, mag het accesspoint niet zenden, maar braaf wachten. 11ax kan dan nog ten minste de drie vrije 20MHz-blokken bundelen. Bij een parallelle uplink-transmissie vanaf verschillende stations kan er sprake zijn van veel verspilling. Als een client bijvoorbeeld slechts enkele TCP-ACK’s wil verzenden terwijl een andere net een back-up uploadt, hoeft de eerste slechts heel kort te zenden. Zelfs in de smalste RU van 2 MHz is er dan veel nutteloze opvulling (padding) nodig om op dezelfde transmissietijd uit te komen en dezelfde uplink-TXOP te kunnen gebruiken als het back-up­station. Die bandbreedteverspilling kan worden vermeden met variabele fragmentatie. De tweede client splitst zijn back-uppakketten tijdelijk op in kleinere brokken, die beter passen bij de korte TCP-ACK’s van de eerste.

WiFi 6 subcarrier-verdeling

Met 256 carriers (subcarriers) per 20 MHz kanaalbreedte kan OFDMA de datasnelheden per client precies aanpassen. Wi-Fi 6 kan bijvoorbeeld een smartphone een exact afgemeten 10 Mbit/s-videostream leveren en de rest van de kanaalcapaciteit toedelen aan een laptop die een grote virtuele-machine-mage van de server haalt. De opdeling van de carriers wisselt afhankelijk van de volgende zendgelegenheid, op basis van de samenstelling van de MU-clientgroepen.

Het meest controversiële punt in 802.11ax is ‘spatial reuse’. Wifistations moeten buurnetwerken in hetzelfde frequentieblok bewust negeren als de verbinding met hun tegenpartij goed genoeg is. Dat is te vergelijken met groepjes op een feestje: iedereen praat binnen zijn groep, ook al horen ze elkaars gesprekken als achtergrondruis. Een wifistation zou dan dus ook zenden, hoewel het volgens de gebruikelijke toegangs­methode het zendkanaal als bezet moet beschouwen en zijn mond moet houden (Listen before Talk). Het station beslist ook op basis van het signaalniveau van het vreemde netwerk. Hogere drempels betekenen kortere intervallen voor hergebruik.

Spatial reuse is met name nuttig op de relatief smalle 2,4 GHz-band (ongeveer 80 MHz). Zelfs een matige verkleining van de reuse-afstand maakt een veel efficiënter gebruik van het spectrum mogelijk, ook omdat Bluetooth en Zigbee een plekje hebben in de ruimtes tussen de wifi-signalen.

In de praktijk oriënteert een station zich aan twee drempelwaarden. Als het de preamble van een vreemde overdracht herkent, is de limiet erg laag, anders honderd keer zo hoog. Omdat de preamble-drempel zoveel lager is, beschouwen stations een kanaal al als bezet wanneer de communicatie op grote afstand plaatsvindt. Dat resulteert in een voorzichtig, groot reuse-­interval en sequentiële transmissies, hoewel parallelle overdracht evengoed mogelijk is.

Veel fabrikanten van wifi-apparatuur, waaronder Cisco, HPE-Aruba, Huawei, Ruckus en Ubiquiti, hebben al geruime tijd eigen functies aangebracht in hun accesspoints om de preamble-drempel auto­matisch of handmatig in te stellen op aanzienlijk hogere waarden. De prijs voor deze gelijktijdige transmissies is meer storing tussen de buurnetwerken, die wordt gecompenseerd door tragere, robuustere modulatie. Omdat er minder vaak gewacht hoeft te worden, kan het toch de moeite waard zijn.

802.11ax definieert nu een merkonafhankelijke variant voor het automatisch instellen van de drempel­waarde. Het maakt gebruik van de 802.11ah-­substandaard (wifi voor IoT en sensornetwerken onder 1 GHz) en introduceert de ‘kleuring’ van de zenders (coloring). De kleur is een 6-bits code in de preamble, willekeurig gekozen door het accesspoint.

Omdat de ID heel vroeg in de preamble voorkomt, kunnen 802.11ax-apparaten snel beslissen of de transmissie uit hun eigen netwerk stamt. Als dat niet het geval is, verhoog je de preamble-drempel voor de ‘bezet”’-indicatie. Het resultaat is dat naburige WiFi-6-netwerken vaker een vrij kanaal vinden.

Ten opzichte van de eigen instellingen heeft coloring het voordeel dat het ook voor clients werkt. Het nadeel is wel dat oude apparaten het niet begrijpen. Bij transmissies naar WiFi-5- en oudere stations blijven 802.11ax-apparaten door het gebrek aan coloring even terughoudend als altijd. Bovendien past het mechanisme zich niet aan aan de werkelijke, veranderende zendomstandigheden. Met uitzondering van Broadcom, zijn de wifichipfabrikanten dan ook zeer terughoudend over het nut ervan.

Een andere optie voor spatial reuse is dat een accesspoint externe netwerken kan uitnodigen om tegelijkertijd te zenden. Daarvoor specificeert het accesspoint een bepaalde signaal-ruisverhouding en vraagt om die aan te houden. Andere netwerken kunnen vervolgens beslissen of ze daaraan voldoen en dan parallel zenden. Als ze hun zendvermogen verminderen, kunnen ze ter compensatie hun preamble-drempel in dezelfde mate verhogen. Door zachter te praten, stoor je anderen minder.

WiFi 6 heeft uit 802.11ah ook een methode overgenomen voor betere energiebesparing voor clients: Target Wake Time (TWT). Zonder TWT moeten alle stations die zich om energie te besparen als slapend hebben aangemeld bij het accesspoint, regelmatig wakker worden en controleren of er gegevens beschikbaar zijn. Het accesspoint slaat die namelijk tijdelijk op en kondigt dat aan in zijn beacon-signalen, die het doorgaans ongeveer tien keer per seconde verzendt.

In dat vaste patroon kan het voorkomen dat na een beacon veel clients gegevens krijgen. Voordat het laatste station bediend wordt, moet het echter misschien vrij lang wakker blijven.
TWT introduceert wake-fasen voor een enkele client of een groep stations, onafhankelijk van de beacons. De clients kunnen dan aanzienlijk langer slapen. Bovendien kunnen het accesspoint en de client samen onderhandelen over de wakkere fase, zodat een apparaat op accu veel minder vaak wakker hoeft te worden dan een apparaat op netstroom.
Bovendien beperkt TWT ook het aantal stations dat per keer gegevens ontvangt. Dit verkort de wake-­fase voor de laatste in de rij.

Al bij WiFi 5 bevat elk wififrame naast de gebruikelijke adresinformatie ook een indicatie welk station wordt benaderd. WiFi 6 verfijnt dat zo dat clients zeer kort na de preamble weten of ze moeten blijven luisteren. Met die microsleep kunnen stations sneller terug­schakelen naar de energiebesparende modus als ze niet iets hebben waar ze op moeten wachten.

Ten slotte beschikt WiFi 6 over twee trucs om het bereik buiten de deur te vergroten: 11ax-apparaten kunnen met langere guard-intervallen werken (een beschermende afstand tussen OFDM-symbolen). Dat vermindert de bruto doorvoer wel enigszins. Maar daardoor kan het systeem de zend-echo’s beter verdragen die buitenshuis meestal langer zijn, wat anders opeenvolgende symbolen zou verstoren.

Bovendien introduceert 802.11ax Dual Carrier Modulation (DCM). Daarbij splitst een station het zendkanaal in twee stukken en verzendt op elk hetzelfde datapakket met dubbele snelheid. Dat resulteert niet in een netto snelheidswinst, maar wel in een betrouwbaardere transmissie als er sterke interferentie is binnen het zendkanaal.

Target Wake Time

Voorheen moesten stations (STA’s) op tijd wakker worden voor de beacons van het accesspoint (in het ergste geval ongeveer tien keer per seconde) om erachter te komen of er gegevens voor hen klaarliggen. Met Wi-Fi 6 kunnen ze met de ­Target Wake Time langer slapen en de accu sparen, om vervolgens meerdere clients tegelijk te bedienen (multi-user-MIMO en OFDMA).

Beheerders krijgen met 802.11ax een cadeautje dat al lang in de wifistandaard is gedefinieerd, maar tot nu toe niet verplicht was. Met MultiBSSID kan een access­point meerdere VLAN’s in één beacon aanspreken.

Als bedrijven nu met meerdere logisch gescheiden netwerken werken (intern, gasten, IoT) op één accesspoint, met Multi-SSID, moet het accesspoint voor elk VLAN eigen beacons verzenden. Dat drukt de doorvoer enorm, omdat de beacons door de jaren heen vanwege nieuwe wififuncties steeds groter geworden zijn. Bovendien worden ze verzonden met de traagste datasnelheid, zodat elk station ze zeker kan decoderen, wat extra tijd kost. De bundeling via MultiBSSID zorgt dus binnen zakelijke toepassingen voor een betere doorvoer, zodra er voldoende 11ax-clients beschikbaar zijn die hiermee overweg kunnen.

Het feit dat 802.11ax alias Wi-Fi 6 op papier ook in de eenvoudigste apparaten met slechts één antenne de gigabit-limiet kraakt, is leuk voor de verkooppraatjes. Maar zelfs bij krachtigere clients zijn er in een wifi­netwerk bij je thuis nauwelijks verbeteringen te merken in vergelijking met Wi-Fi 5. Dit omdat het aantal apparaten dat tegelijkertijd actief is meestal te klein is. Naarmate de prijzen dalen, zullen de goedkoopste IoT-sensoren en -actoren hoogstwaarschijnlijk profiteren van 802.11ax. Dankzij de kanaalbandbreedte van 2 MHz krijgen ze een groter bereik.

Wi-Fi 6 biedt de meeste voordelen bij veel clients in een beperkte ruimte, dus in stadions, trein­stations, concertzalen, scholen en luchthavens, zodra er voldoende apparaten op de markt zijn die 802.11ax ondersteunen.

De Wi-Fi Alliance (WFA) certificeert 802.11ax sinds 2019 als Wi-Fi 6, waarbij de eerste generatie apparaten, uit medio 2019, de belangrijkste functies van 802.11ax bevat en deze bundelt met de verbeterde versleuteling WPA3.

In 2021 kunnen we Wi-Fi-6-apparaten verwachten die de geplande vrije 6GHz-band kunnen gebruiken om de verwachte drukte op de 5GHz-band te verminderen.

In 2023 moet Wi-Fi 6 Wave 2 verschijnen als de tweede 11ax-generatie, die op dit moment nog optionele features verplicht stelt, bijvoorbeeld MU-MIMO in de uplink.

802.11ax kampt nog steeds met opstartproblemen, hoewel de WFA-certificering ‘Wi-Fi 6’ eigenlijk de ­basis moet zijn voor compatibiliteit tussen fabrikanten. Een toonaangevende chipproducent ontgrendelt veel WiFi-6-functies bijvoorbeeld pas als de andere kant ook modules van de fabrikant gebruikt.

Met zijn nieuwe functies zoals triggerframes en TWT is WiFi 6 aanzienlijk complexer dan zijn voorgangers. Beveiligingslekken in firmware en stuur­programma’s voor 11ax-chips zullen vast en zeker opduiken.

Desondanks werkt de IEEE al aan een opvolger. Nieuwe functies zoals Distributed MIMO in 802.11be bouwen voort op de centrale coördinatie van 802.11ax. Daarmee kunnen meerdere accesspoints tegelijkertijd zenden naar meerdere stations, zodat er als het ware een virtueel, gedistribueerd accesspoint ontstaat met antennes op verschillende locaties.

Dat werkt alleen als de accesspoints op het OFDM-symboolraster op tijd gecoördineerd werken, dus gesynchroniseerd tot op veel minder dan een micro­seconde verschil. Het zal erom spannen of de mogelijke winst de extra inspanning rechtvaardigt.

Hoewel nu al radiokanalen van 160 MHz breed in de praktijk zelden bruikbaar zijn, definieert 802.11be kanalen met een breedte tot 320 MHz. Dat wakkert de behoefte aan meer radiospectrum aan. Omdat vrijwel alleen de 6GHz-band in aanmerking komt, zal de industrie de druk op de regelgevende instanties opvoeren.

Het feit dat op een dag Wi-Fi-7-accesspoints zelfs met 16 antennes (MIMO-streams) te krijgen zullen zijn, is overigens handig ongeacht het frequentiespectrum. Omdat clients nooit ruimte hebben voor 16 antennes, levert dat opnieuw alleen merkbaar voordeel op in dichtbevolkte situaties.

(Guido R. Hiertz, Sebastian Max en Alieke van Sommeren , c’t magazine)

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief: