Forschungs- und Entwicklungsinstitut der öffentlich

MIMO-OFDM
Erhöhung von Performance und spektraler
Effizienz
bei Wireless-Systemen
Messungen erster praktischer Realisierungen
nach Draft IEEE 802.11n
am Institut für Rundfunktechnik
Geschäftsfeld Programmverbreitung
Sachgebiet Speicher und Netze
Hermann Lipfert
18. Dezember 2006
© IRT – SG Speicher und Netze Hermann Lipfert 27. Dezember 2006
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1
Inhaltsangabe.......................................................................................................................................... 5
2
Einführung............................................................................................................................................... 6
3
Was ist MIMO? – Unterscheidung zu anderen Antennentechniken ........................................................ 7
3.1
Receive Diversity und Maximum Ratio/Receive Combining............................................7
3.2
Adaptive Antenna Systems – Beamforming....................................................................8
3.3
Sendeseitige Algorithmen: Space-Time Coding und Multilayer-Systeme........................8
3.3.1 Space-Time Coding ................................................................................................9
3.3.2 Multilayer-Systeme .................................................................................................9
3.4
MIMO-OFDM ..................................................................................................................9
3.5
Algorithmen auf der Empfangsseite ..............................................................................10
4
Modulation und Codierung bei IEEE 802.11n ....................................................................................... 11
5
Vergleichende Messungen am IRT ....................................................................................................... 12
5.1
Messaufbau ..................................................................................................................12
5.2
Pre-n Produkte..............................................................................................................14
5.2.1 Standard-IEEE-802.11g-Referenz: Funkwerk Artem W1000 ................................15
5.2.2 Belkin MIMO Pre-n................................................................................................16
5.2.3 Linksys MIMO Pre-n .............................................................................................17
5.2.4 Buffalo MIMO Pre-n ..............................................................................................18
5.2.5 D-Link MIMO Pre-n ...............................................................................................19
5.2.6 Netgear Pre-n "RangeMax"...................................................................................20
5.2.7 Edimax MIMO Pre-n .............................................................................................22
5.2.8 Level One MIMO Pre-n .........................................................................................23
5.2.9 SMC Barricade MIMO Pre-n .................................................................................24
5.3
Performance-Unterschiede durch Wahl des Security-Verfahrens .................................25
5.4
Draft-n-Produkte ...........................................................................................................25
5.4.1 Linksys MIMO Draft-n ...........................................................................................27
5.4.2 Trendnet MIMO Draft-n.........................................................................................28
5.4.3 Netgear Draft-n .....................................................................................................28
5.4.4 Buffalo Draft-n.......................................................................................................32
5.5
Beispiele für detaillierte Messergebnisse für Draft-n-Produkte - grafisch und tabellarisch33
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5.5.1 Trendnet: TCP im Bereich Line-of-Sight ...............................................................33
5.5.2 Trendnet: Triple-Play Messungen - Test Execution (Endpoint 1 to Endpoint 2)....35
5.5.3 Triple-Play am Ort4...............................................................................................39
5.5.4 Einige Messergebnisse Netgear Draft-n (20MHz-Kanal) .....................................43
6
Zusammenfassung der Messungen ...................................................................................................... 46
7
Fazit ...................................................................................................................................................... 47
8
Quellenangaben.................................................................................................................................... 48
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1
Inhaltsangabe
Erste Implementierungen der Technik Multiple Input Multiple Output (MIMO) in Verbindung mit Orthogonal Frequency
Division Multiplexing (OFDM) bei next-generation Wireless Local Area Networks (WLAN) zeigen im Vergleich zu
bisherigen WLAN-Systemen eine deutliche Steigerung der Performance sowie der spektralen Effizienz.
MIMO-OFDM stellt für Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN), die auf dem weltweit eingesetzten Standard
Wireless Interoperability for Microwave Access (WiMAX) aufbauen, und für mobile zellulare Wireless-Systeme der vierten
Generation (Fourth-generation / 4G) ebenfalls eine hochinteressante Lösung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit
der Luftschnittstelle dar.
Im Januar 2006 billigte das US-amerikanische Standardisierungsgremium IEEE einen Vorschlag der Arbeitsgruppe
Enhanced Wireless Consortium (EWC) IEEE als Draft-IEEE-802.11n-Proposal.
Zum ersten Mal wurde in diesem Vorschlag (neben zahlreichen anderen Neuerungen) die Technik der MIMO-OFDM bei
einem drahtlosen Übertragungsverfahren gefordert. Im ersten und zweiten Quartal 2006 erschienen dann bereits die
ersten so genannten Pre-n-WLAN-Produkte auf dem Markt. Herzstücke dieser Produkte sind hochintegrierte MIMOChipsets der Firmen Airgo Networks Inc. oder Ralink Technology Corp. Acht solcher Produkte hat das IRT
gegeneinander und mit einem Standard-802.11g-Produkt verglichen.
Nach Verabschiedung eines neuen IEEE-802.11n-Entwurfes sind seit dem dritten Quartal 2006 erste „Draft-n“-Produkte
verfügbar. Der wesentliche Unterschied zwischen Pre-n und Draft-n besteht darin, dass nur letztere ohne Eingriffe in die
Hardware lediglich durch Firmware- und Treiber-Updates auf den vermutlich Mitte 2007 ratifizierten IEEE-Standard
802.11n aktualisiert werden können.
Draft-n wirkt ferner darauf hin, durch eine weitere Steigerung der Zahl von Sende- und Empfangsantennen die
Übertragungskapazität zusätzlich zu steigern und herstellerübergreifende Methoden zur Sicherstellung einer MindestDienstgüte (QoS) zu etablieren. Draft-n-taugliche Chipsätze bieten die Firmen Broadcom Corp., Atheros
Communications Inc., Marvell Technology Group Ltd.,und MIPS Technologies Inc. an.
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2
Einführung
Unsere heutige Informationsgesellschaft ist geprägt vom steigenden Bedarf an Mobilität bei ständiger Erreichbarkeit.
Gleichzeitig wächst der Wunsch nach immer höheren Datenraten. Die derzeit größte Herausforderung an zukünftige,
drahtlose Kommunikationssysteme stellt deshalb ein breitbandiger, mobiler (zumindest portabler) Datenzugriff bei
möglichst hoher Dienstgüte (Quality of Service / QoS) dar. Gerade im Bereich Wireless LAN fehlen in den aktuellen
Standards IEEE 802.11a/g sowie den zugrunde liegenden Standards IEEE802.11 und IEEE802.11b sowohl die notwendigen Durchsatzraten als auch die Dienstgüte, um neue Anwendungen wie zum Beispiel „Home Entertainment“, „home
TV broadcasting“ oder „streaming“ zu verwirklichen. Ein in MPEG-2 codierter einzelner Videostream guter Qualität
benötigt 6 Mbps bis 8 Mbps, ein MPEG-2-HDTV-Stream erfordert dagegen gut 20 Mbps durchgängiger
Übertragungsrate. Durchgängig heißt, dass die Daten kontinuierlich und ununterbrochen fließen müssen, was die
Implementierung einer isochronen Verbindung erfordert. Dies ist mit den aktuellen 802.11-Standards nur schwer oder
gar nicht zu erreichen, da ihnen grundsätzlich an einer Priorisierung einzelner Datenklassen wie Voice, Video oder
Filetransfer und vor allem Übertragungskapazität fehlt. Daraus resultieren so genannte "Buffer-Underruns" und zu hohe
Bitfehlerraten (BER), was zu Sprach- und Tonverzerrungen sowie zu stockenden oder in Klötzchen gepixelten oder ganz
abreißenden Bewegtbildern führt.
Die Schlüsselrolle bei mobilen Funktechniken stellt die nutzbare Bandbreite dar, wobei jedem drahtlosen Service immer
nur eine begrenzte Bandbreite für die Informationsübertragung zur Verfügung steht. Nun ist aber Spektrum ein sehr
knappes Gut, das es so effizient wie möglich auszunutzen gilt. Die gewünschte Steigerung der Kommunikationsgeschwindigkeit setzt die konsequente Ausnutzung der sich bietenden Freiheitsgrade voraus, was durch unterschiedliche Vielfachzugriffsverfahren (Multiple Access – MA) erreicht wird. Zur Verfügung stehen die Ressourcen
„ Zeit,
„ Frequenz,
„ Code und
„ Raum.
Während die drei erstgenannten Ressourcen in den Verfahren Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency
Division Multiple Access (FDMA), sowie Code Division Multiple Access (CDMA) -- oftmals sogar in Kombination – in
bestehenden Systemen ihre Anwendung finden, steht nun erstmals die bisher wenig beachtete Ressource Raum im
Vordergrund (Space Division Multiple Access – SDMA). Sie erschließt sich durch die Verwendung mehrerer Antennen –
sowohl sender- sowie empfangsseitig. An solchen Mehrantennensystemen, die als MIMO-Systeme (Multiple Input
Multiple Output), bezeichnet werden, wird weltweit seit Jahren intensiv geforscht. „In“ und „out“ beziehen sich immer
auf den Übertragungskanal. MI steht somit für mehrere Sendeantennen, MO entsprechend für mehrere Empfangsantennen. Daneben gibt es die klassischen SISO-Systeme (Single In Single Out) mit jeweils einer Sende- und
Empfangsantenne, sowie Kombinationen wie SIMO und MISO.
Gerade im ISM-WLAN-Frequenzband 2,4 GHz (Industrial Scientific Medical) sind die Ausbreitungsbedingungen durch
Mehrwegeausbreitung (multipath fading) sowie Interferenzen gekennzeichnet, verursacht durch eben diese Mehrwegeausbreitung sowie durch Gleichkanalnutzung anderer WLAN-Nutzer und ferner durch Störungen von anderweitigen ISMAnwendungen. Nun ist es gelungen, durch Einsatz der MIMO-Technik eine gravierende Steigerung der spektralen
Effizienz (bps/Hz) bei gleichzeitiger Steigerung der Ausfallsicherheit der Verbindungen zu erreichen.
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3
Was ist MIMO? – Unterscheidung zu anderen Antennentechniken
Da sich das Produkt-Marketing der Hersteller ebenfalls des Begriffs „MIMO“ im Sinne von „schneller, besser, weiter“
bedient, kommt es häufig zu ungenauen oder sogar falschen Angaben und Beschreibungen was denn MIMO tatsächlich
kennzeichne.
Gänzlich falsch ist es, was leider geschehen ist, Channel Bonding (Kanalbündelung) als MIMO zu bezeichnen. Channel
Bonding steigert durch Zusammenfassen mehrerer Kanäle zwar die Datenrate (bei zwei Kanälen also auf das Doppelte);
dies geschieht jedoch zu Lasten zusätzlich verbrauchten Spektrums. Hier wird häufig „mehrere Kanäle“ mit „mehreren
Antennen“ verwechselt.
3.1
Receive Diversity und Maximum Ratio/Receive Combining
Beim Switched Receive Diversity wird ein ausgesendetes Signal von mehreren räumlich getrennten Empfangsantennen
empfangen. Eine entsprechende Empfängerschaltlogik sorgt nun dafür, dass jeweils das Antennensignal mit dem
höchsten Signal-Rausch-Abstand (Signal to Noise Ratio / SNR) zur eigentlichen Datenauswertung verwendet wird.
Beim Maximum Ratio Combining (MRC) werden Amplituden und Phasen der empfangenen Datensignale mit Hilfe
digitaler Signalprozessorverarbeitung derart angeglichen, dass durch Signaladdition ein Gewinn bei der S/N-Ratio und
damit eine bessere Bitfehlerrate (BER) erzielt wird (Abbildung 1).
Beides sind bewährte, in einer Vielzahl von Übertragungssystemen eingesetzte Verfahren, die jedoch keineswegs mit
MIMO verwechselt werden dürfen.
Abbildung 1: Vergleich: Switched Receive –Diversity zu Maximum Ratio (Receive) Combining.
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3.2
Adaptive Antenna Systems – Beamforming
Nicht korrekt ist es ferner, eine Technik, die unter Namen wie Adaptive Antenna Systems (AAS), Beamforming oder
Beamsteering bekannt ist, als MIMO-Technik zu bezeichnen. Dabei kommen zwar sende- und/oder empfangsseitig
mehrere einzelne Antennenelemente zum Einsatz (Abbildung 2). Diese bilden jedoch im Sinne einer Antenne eine
Abstrahlungs- beziehungsweise eine Empfangsantenne, deren Antennenkeule elektronisch variiert werden kann (Phased
Array). Im Gegensatz zu True MIMO wird hier jedoch stets der gleiche Datenstrom über den Übertragungskanal
gesendet.
Als True MIMO bezeichnen viele Entwickler das nachfolgend dargestellte Verfahren, bei dem eben ein Datenstrom in
mehrere Teildatenströme aufgesplittet wird, um diese dann
„ gleichzeitig,
„ im selben Frequenzspektrum aber
„ auf verschiedenen Wegen zu übertragen.
Die True-MIMO-Protagonisten wollen ihre Technik damit von den genannten Begriffsauslegungen von MIMO abgrenzen.
Möglich und auch praktisch umgesetzt wird allerdings die Kombination von AAS/Beamforming mit True MIMO oder auch
MRC. Nachfolgend einige grundlegende Erläuterungen zum Thema MIMO.
Ziel 2
Ziel 1
Ziel 3
Störer
Abbildung 2: Adaptive Antennensysteme (AAS) können mit Hilfe mehrerer unterschiedlich ausgerichteter Antennen durch so
genanntes Beamforming die Sendeenergie unterschiedlich im Raum verteilen.
3.3
Sendeseitige Algorithmen: Space-Time Coding und Multilayer-Systeme
Ein durch Space-Time Coding (STC) erzielter Diversitätsgewinn kann entweder zu einer Verbesserung der Verbindungsqualität oder zu einer Erhöhung der Modulationsstufigkeit genutzt werden. Die vier bei WLAN 802.11a/g/n möglichen
Stufen einer digitalen Modulation sind BPSK (geringste Stufe), QPSK,16-QAM und 64-QAM (höchste Stufe). Entsprechend werden 1, 2, 4 oder 6 Bit einem OFDM-Subträger zugewiesen. Bei höherer Modulationsstufe kann ein System
mehr Nutzbits pro Symbol übertragen.
Multilayer-Systeme zielen dagegen auf eine deutliche Erhöhung der spektralen Effizienz ab.
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3.3.1
Space-Time Coding
Das Ziel der Space-Time-Codes besteht in der Erschließung sendeseitiger Diversität durch Kodierung der Information in
räumlicher und zeitlicher Dimension. Bei den Space-Time-Trellis-Codes (STTC) werden die Informationsdaten mit Hilfe
von Faltungs-Encodern so auf Sendesymbole abgebildet, dass bei maximalem Diversitätsgewinn ein möglichst hoher
Codiergewinn erzielt wird. Empfangsseitig erfolgt eine Datenschätzung nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip mit Hilfe
des Viterbi-Decoders. Um die hohe Komplexität des Decoders auf der Empfangsseite zu verringern, wurden weiterhin
Space-Time-Block-Codes (STBC) entwickelt, mit denen die Rechenkapazität deutlich verringert werden kann, wodurch
eine einfachere und preisgünstigere Empfängerentwicklung erreicht wird [4].
3.3.2
Multilayer-Systeme
Das Konzept der Multilayer-Space-Time-Signalverarbeitung wurde bereits 1996 durch das so genannte Bell-LabsLayered-Space-Time-Verfahren (BLAST-Verfahren) eingeführt [2, 5, 6]. Dabei wird der zu übertragende Datenstrom in
kleinere Pakete aufgeteilt. Diese als Layer betitelten Einzeldatenströme werden nun codiert und moduliert über mehrere
Antennen abgestrahlt.
In Abbildung 3a besteht jeder Layer aus acht Symbolen, wobei jeweils zwei Symbole eines Layers von einer Antenne gesendet werden. Wegen seiner diagonalen Anordnung wird dieses Verfahren D-BLAST (diagonal BLAST) genannt.
Abbildung 3b zeigt das so genannte V-BLAST (Vertical BLAST) Verfahren, welches eine Aufteilung des Gesamtdatenstroms in Layern verfolgt, deren Anzahl mit der Zahl der Sendeantennen übereinstimmt. Diese räumlich getrennte
Übertragungsart wird als Spatial Multiplexing beziehungsweise Space-Division Multiplexing (SM) bezeichnet.
Abbildung 3:
3.4
Anordnung der Codewörter senderseitig bei a) D-BLAST b) V-BLAST bei vier Sendeantennen
MIMO-OFDM
OFDM wird heute in zahlreichen drahtlosen Übertragungsstandards eingesetzt (DAB, DVB-T, WiMAX IEEE 802.16,
ADSL, WLAN IEEE 802.11a/g, HomePlug AV oder DS2 200, aka "HomeBone"). Die OFD-Modulation wandelt einen
breitbandigen, frequenzselektiven Kanal in eine Vielzahl paralleler schmalbandiger Einzelkanäle. Dabei wird zwischen
den einzelnen Symbolen ein Guard-Intervall (auch Cyclic Prefix CP genannt) eingefügt, welches zeitlich ausreichend
lang sein muss, um Jitter im Übertragungskanal auszugleichen. Gesendete OFDM-Symbole erfahren durch den
Übertragungskanal unterschiedliche Verzögerungen (Delays). Die Varianz dieser Delays am Empfangsort bezeichnet
man als Jitter.
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Das Auftreten von Inter-Symbol-Interference (ISI) lässt sich somit vermeiden. Es hat sich gezeigt [8], dass OFDM vorteilhaft mit Mehrfachantennen sowohl sende- als auch empfangsseitig kombiniert werden kann, um den Diversitätsgewinn respektive die Übertragungskapazität in zeitvarianten und frequenzselektiven Kanälen zu erhöhen. Das
Ergebnis sind die nun auf den Markt drängenden MIMO-OFDM-Systeme.
In [1] wird dabei zwischen MIMO-OFDM-Übertragungssystemen mit Per-Stream-Coding (PSC) und solchen mit PerAntenna-Coding (PAC) unterschieden. Bei der PSC wird zunächst der gesamte Datenstrom codiert, die Codebits
verwürfelt und anschließend auf parallele Datenströme entsprechend der Antenneanzahl aufgeteilt. Bei der PAC erfolgt
die Kodierung je Sendeantenne über alle Unterträger.
3.5
Algorithmen auf der Empfangsseite
Das Empfangssignal besteht aus der linearen Überlagerung der gesendeten Layer (Abbildung 3d). Man spricht daher
von Interlayer-Interference (ILI). Ohne entsprechende Detektionsverfahren, wie sie in [1] empfängerseitig miteinander
verglichen werden, lässt sich die gesendete Information nicht mehr direkt schätzen. Vor allem zeigt sich, dass optimale
Detektionsverfahren mit einem ziemlich hohen Rechenaufwand einhergehen und die Anzahl der Berechnungsschritte mit
der Anzahl von Sende- und Empfangsantennen stark anwächst. Zur Verringerung dieses immensen Rechenaufwandes,
um also MIMO-Systeme effizienter implementieren zu können, wurde und wird an suboptimalen Detektionsverfahren
geforscht und gearbeitet.. Die ersten praktischen Realisierungen der OFDM-basierten WLAN-Technik zeigen, dass
MIMO nun für den Massenmarkt als erschlossen gelten kann.
Mit dem neuen Standard IEEE 802.11n, der Anfang 2007 endgültig verabschiedet werden soll, wird Wireless LAN
technologisch sogar zum Vorreiter für andere Wireless-Mobile-Broadband-Systeme [3, 7, 8].
Bits
Bit
Split
DSP
Radio
Radio
DSP
Radio
Radio
D
S
P
Bit
Merge
RX
TX
Quelle: Atheros
Abbildung 3d: Überlagerung der gesendeten Layer an den Empfangsantennen
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4
Modulation und Codierung bei IEEE 802.11n
Der Herstellerverbund Enhanced Wireless Consortium (EWC) hatte bereits Mitte Oktober 2005 eine eigene Spezifikation
verabschiedet. Ziel sollte die Beschleunigung der 802.11-Standardisierung sein. Die IEEE-Arbeitsgruppe 802.11n hat die
von der EWC vorgeschlagenen Neuerungen nun in den Entwurf des Standards, den "Draft-n" übernommen und
beschlossen, sie für den endgültigen Standard zwingend (mandatory) vorzuschreiben. Tabelle 1 zeigt die zahlreichen
Varianten, die durch adaptive Modulation und Codierung möglich sind.
Neben MIMO gibt es im Physical Layer (PHY) indes noch drei weitere Innovationen, die in begrenztem Umfang zur
Steigerung von Datendurchsatz bzw. Reichweite beitragen können.
1. Als Kanalbandbreiten sind nun sowohl 20 MHz als auch 40 MHz möglich. Ähnlich wie beim erwähnten Channel
Bonding wird hier der Datendurchsatz voll zu Lasten von verbrauchtem Spektrum erhöht.
2. Durch neue schnelle Chip-Techniken ist es gelungen, den Cyclic Prefix (Guard Interval GI), der bei der Übertragung
zwischen den einzelnen OFDM-Symbolen zur Vermeidung von Inter-Symbol-Interference eingeschoben wird, von 800 ns
auf 400 ns zu halbieren. Die letzte Doppelspalte zeigt im Vergleich zur vorletzten die entsprechenden Gewinne bei den
Linkraten.
3. Inzwischen ist noch der Vorschlag hinzugekommen, die Anzahl der zur Datenübertragung genutzten OFDM-Unterträger von 48 auf 52 zu erhöhen (HT-OFDM High Throughput), wodurch die Linkrate (Bruttodatenrate) von 54 Mbps auf
58,5 Mbps steigt. Die tatsächliche High-Tech-Innovation ist jedoch in der Verwendung mehrerer "Spatial Streams" durch
die Einführung von MIMO (Tabelle 1, Spalte 2: Number of spatial streams) zu finden. Sie erlaubt erstmals, auf dem
gleichen Kanal (der gleichen Mittenfrequenz) räumlich getrennt unterschiedliche Daten zu versenden was dem
Übergang vom "Shared Ethernet" zum "Switched Ethernet" durch Mikrosegmentierung gleichgesetzt werden kann.
Damit MIMO den effektiven Nettodurchsatz optimal verbessern kann, mussten auch im MAC-Layer Erweiterungen
stattfinden. So gibt es neben kürzeren Inter-Frame Spaces (IFS) die Möglichkeit, Frames zusammenzufassen und somit
als Block zu quittieren (Acknowledgement). Um den Durchsatz zu steigern, sollten der Datenanteil eines einzelnen MACFrames und damit die Zeitdauer für die Nutzdatenübertragung im Vergleich zu den festen Zeiten der Inter-Frame-Spaces
und des Acknowledge-Pakets möglichst groß sein.
Tabelle 1:
Modulation and Coding Schemes (MCS) im neuen Standard IEEE 802.11n.
NCBPS: Number of coded bits per symbol - NES: Number of FEC encoders – NSD: Number of data subcarriers - GI: Size of Guard
Interval
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5
Vergleichende Messungen am IRT
Das Institut für Rundfunktechnik (IRT) führte und führt Performance-Messungen mit den neuesten am Markt erhältlichen
Pre-n- und Draft-n Produkten durch. Ein realer Vergleich der neuen Techniken zum existierenden 802.11g-Standard lässt
sich nur ziehen, wenn alle Messungen mit Kanalbandbreiten von 20 MHz – also ohne Channel-Bonding – durchgeführt
werden. Leider lassen es einige Implementierungen nicht zu, das Sendespektrum auf einen WLAN-Kanal
einzuschränken. Bei der Auswahl des Sende- sowie der unterschiedlichen Empfangsorte wurde darauf geachtet, möglichst alle in der Praxis auftretenden Standortsituationen zueinander abzubilden. Die Messungen wurden im zweidimensionalen Bereich, das heißt innerhalb einer Gebäudeetage durchgeführt. Für die Zeitdauer der Messungen waren
alle anderen Access Points im Messbereich abgeschaltet beziehungsweise auf Sendekanäle umgestellt, deren
Spektralmaske sich auf keinen Fall mit der Spektralmaske des Messkanals überlappen.
Abbildung 4 zeigt den Etagenplan. Grün ist der Standort der MIMO-Router dargestellt, die insgesamt sieben Messorte,
an denen ein Mess-Laptop mit jeweils korrespondierender MIMO-PC-Card platziert war. Die aus dem Etagenplan
ersichtlichen Trennwände der einzelnen bestehen Räume aus circa 15 Zentimeter dickem Ziegelmauerwerk, vier
Feuerschutzwände sind sogar aus 30 Zentimeter dickem Beton gegossen. Die Dämpfung diese Feuerschutzwände
entspricht damit der Dämpfung gängiger Betondecken respektive Fußböden oder eine doppelten Thermoverglasung [10].
Messorte MIMO-OFDM Wireless LAN
Standort
MIMO AP
Beton
Ort4
Beton
Beton
LOS
Ort5
Ort3
Ort2
Ort6
Ort1
Beton
Beton
Beton
Beton
Wandstärken (Ziegel + Putz) circa 15cm
Wandstärken Beton circa 30 cm
In vielen Räumen Stahlschränke
Abbildung 4: Die WLAN-Messumgebung am IRT im 1. Obergeschoß des Hauses 17B stellt mit ihren Beton- und Ziegelwänden,
Glastüren gefüllten Bücherschränken ein gutes Modell der wahren Gegebenheiten europäischer und speziell deutscher Bauweise
dar.
5.1
Messaufbau
Der MIMO-AP war in einer Höhe von circa 1,8 Metern an der aus Abbildung 4 ersichtlichen Raumposition aufgestellt. Die
Messorte des MIMO-Laptops befanden sich jeweils in rund einem Meter Höhe über dem Fußboden. Ein Messort befand
sich im Senderaum in drei Metern Entfernung mit direkter Sichtverbindung (Line-of-Sight – LOS), alle anderen sechs
Messorte waren Non-Line-of-Sight-Standorte (NLOS).
Schon ein Blick auf den Gebäudeplan zeigt, dass die Wellenausbreitung im 2,4 GHz-Bereich innerhalb der Etage von
mannigfachen Streuungen und Reflexionen geprägt ist.
Da das Sendesignal den Empfänger bei NLOS auf unterschiedlichsten indirekten Wegen erreicht, kommt es
zwangsläufig zu Phasenverschiebungen und variablen Abschwächungen der einzelnen Signale. Die Überlagerung der
einzelnen Signale am Empfangsort (Abbildung 5) führt zu über Zeit und Frequenz schwankenden Einbrüchen (Multipath
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Fading). Diese negativen Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung bei SISO-Systemen können durch Einsatz von
Spacial-Multiplexing- über MIMO-OFDM-Systeme jedoch zum Positiven gewendet werden.
Mehrwegeausbreitung
Streuung
Reflektion
Empfänger
WLAN
Sender
Abbildung 5:
Prinzip der Mehrwegeausbreitung
Abbildung 6 zeigt das eingesetzte Messequipment. Zum Einsatz kam die Messsoftware „IxChariot“ von IXIA, die für
professionelle Performance- und QoS-Messungen auf Basis von Protokollen wie TCP oder UDP ausgelegt ist.
IxChario
Console
IxChario
Endpoint
1
MIMO WLAN
802.11Draft-n
802.11 pre-n
Laptop
mit MIMO P Card
IxChario
Endpoint
2
Abbildung 6: Das Messequipment für die MIMO-Messungen am IRT besteht aus einem Gigabit-Ethernet-Switch, an dem der zu
testende WLAN-Access-Point angeschlossen ist, einem Notebook mit den zu testenden Gegenstück – der WLAN-Client-Card, sowie
einem weiteren Notebook, auf dem die Messsoftware läuft. [Unabhängig davon überwacht ein drittes Notebook mit WLAN-Adapter
das WLAN-Spektrum.]
Zum Messen wurde Kanal 13 gewählt, zum Vergleich wurde jedoch jedes Produkt stichprobenartig auch auf Kanal 6
nachgemessen. In den Ergebnissen zeigten sich keine nennenswerten Änderungen. Die zu messende MIMO-PC-Card
war in einem Siemens/Fujitsu Lifebook (Model S7010D S-Series Centrino) eingesteckt. Auch hier wurden stichprobenartig Messungen mit einem Notebook Samsung X10 wiederholt und verglichen. Die Messergebnisse waren auch hier
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nicht vom eingesetzten Notebook abhängig. Als Betriebssystem ist auf allen PCs Windows XP Professional mit aktuellen
Patches in Verwendung.
Die Treiber- und Utility-Software für jede einzelne MIMO PC-Card wurde von der mitgelieferten Software-CD auf dem
jeweiligen Mess-Laptop installiert und nach Abschluss der Messungen jeweils wieder deinstalliert. Vor den im November/Dezember 2006 durchgeführten Draft-n-Messungen, wurde jeweils die zum damaligen Zeitpunkt aktuellste Firmware
für die MIMO-WLAN-Router und die aktuellsten Treiber und Utilities für die MIMO-Client-Cards von den jeweiligen
Hersteller-Websites installiert.. Die einzelnen Messungen fanden bei den ersten fünf Pre-n-Produkten (Tabelle 2) noch im
ersten Quartal 2006 statt, die Produkte nach Tabelle 3 waren Ende des 2. Quartals verfügbar, die Draft-n Produkte nach
Tabelle 4 im 4.Quartal 2006.
An allen sieben Messorten wurden TCP-Performance Messungen gemacht. Die Übertragungsrichtung war dabei,
entsprechend der zu erwartenden Anwendungen „downstream“, also vom Accesspoint zum Client gerichtet. Jede
einzelne Messung dauerte drei Minuten und jede Messung wurde dreimal durchgeführt. Die Balkengrafiken zeigen die
Durchschnittswerte aus je drei Messungen an jedem Ort. Durch Einsatz der neuesten Version der Messsoftware
IxChariot (V6.3) konnten bei den Draft-n-Produkten selbst Testübertragungen mit IPTV-Streaming, MPEG2-Video
Streaming und VoIP durchgeführt und nach Qualitätskriterien wie Delay und Jitter beleuchtet werden. Hierzu sind dem
Messbericht einige Messgrafiken beigefügt.
5.2
Pre-n Produkte
Aus Tabelle 2 und Tabelle 3 können die vom IRT untersuchten Pre-n Produkte entnommen werden.
Produkthersteller
Modell AP-Router
Modell Client-Card
Chip-Hersteller
Verbesserungskonzept
Netgear
WPN 824
RangeMax
WPN 511
RangeMax
Atheros
Video54
ChannelBonding
Beamforming
Buffalo
Airstation WZRG108
Airstation
WLI-CB-G108
Airgo Networks
Airgo AGN-103
Spatial
Multiplexing
Belkin
F5D8230-4
F5D8010
Airgo Networks
Airgo AGN-103
Spatial
Multiplexing
D-Link
DI-634M
DWL-G650M
Atheros
AR5005VL
(Super-G)
ChannelBonding
Spatial
Multiplexing
Linksys
WRT54GX
SRX400
WPC54GX
SRX400
Airgo Networks
Airgo AGN-103
Spatial
Multiplexing
Tabelle 2:
Untersuchte Pre-n-MIMO-Produkte
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Produkthersteller
Modell AP-Router
Edimax
BR-6216Mg(G)
Level One
WBR-5400
SMC Barricade
SMCWBR14-GM
Tabelle 3:
5.2.1
Chip-Hersteller
Verbesserungskonzept
Ralink
RT2529
RT2661
Spatial
Multiplexing
WPC-0500
Ralink
RT2529
RT2661
Spatial
Multiplexing
SMCWCB-GM
Ralink
RT2529
RT2661
Spatial
Multiplexing
Modell Client-Card
EW-7608Pg
Weitere untersuchte Pre-n-MIMO-Produkte
Standard-IEEE-802.11g-Referenz: Funkwerk Artem W1000
Das Modell Artem W1000 der Funkwerk AG trägt die Bezeichnung CPD-XT-g.
Damit die Leistungsfähigkeit der neuen MIMO-Produkte in Bezug zu einem 802.11g-Standard-Produkt gesehen werden
können, wurde zuerst an allen sieben ausgewählten Messorten TCP-Performance-Messungen nach denselben Kriterien
durchgeführt, wie sie anschließend für die MIMO-Messungen galten. Diese Referenzergebnisse zeigt Abbildung 7. Zum
Einsatz kam der Access Point Artem W1000 von Funkwerk, der mit zwei Antennen ausgestattet ist.
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Standard 11g AP mit WPA-TKIP
25
20
15
Standard 11g AP mit WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
Ort 2
Ort 3
ca.12m ca.16m ca.16m
Ort 4
Ort 5
Ort 6
ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 7: Standard 11g – TCP/IP-Durchsatz an den acht Messorten, ermittelt mit dem Standard-WLAN-G-Access-Point
W1000 von Artem
5.2.2
Belkin MIMO Pre-n
Im Belkin Wireless Pre-N RouterF5D8230-4 arbeitet der Airgo-Chipsatz AG-103 auf insgesamt drei Antennen.
Das WLAN-Pre-n-Duo von Belkin, bestehend aus dem Access Point F5D8230-4 und der PcCard F5D8010 zeigt bei LOS
und im NLOS-Nahbereich keine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Standard-WLAN-G-Referenzprodukt. An den
für Funkwellen schwieriger zu erreichenden Standorten 2 bis 6 kommt jedoch die dort eingesetzte MIMO-Technik von
Airgo Networks durch die gravierende Mehrwegeempfangssituation deutlich zum Zuge und äußert sich in deutlich
besseren Durchsatzraten. Am Ort 5 lag die TCP-Performance stabil über 10 Mbps. Das Innenleben des WLAN-AccessPoints gleicht dem des Pre-n-Routers von Linksys wie ein Ei dem anderen, wie im Test des Tom's Networking Guide
Deutschland nachzulesen ist. [11]
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Belkin
20
15
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
Belkin Wireless Pre-N MIMO WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
ca.12m
Ort 2
ca.16m
Ort 3
ca.16m
Ort 4
ca.18m
Ort 5
ca.28m
Ort 6
ca.40m
Abbildung 8: Der Belkin-Acces-Point F5D8230-4 erreicht durch True MIMO über die Pre-n-Client-Card F5D8010 ohne LOS mithin
mehr Durchsatz als in direkter Sichtverbindung – ein Beweis für spatiales Multiplexing.
5.2.3
Linksys MIMO Pre-n
Der Linksys-Access-Point Linksys WRT54GX SRX ist ebenfalls mit drei Antennen für den Airgo-Chipsatz AN-103 ausgestattet..
Beim Messduo bestehend aus dem Access Point Linksys WRT54GX SRX und der Client-PC-Card WPC54GX SRX
ergaben sich selbst im Fernbereich gute Leistungswerte. Am Messort 5 konstante 15 Mbps gegenüber Null bei 802.11g
erzielen zu können, ist ein überzeugender Beleg für die Funktionsfähigkeit der MIMO-Technik. Das belegen ebenfalls die
unabhängig vom Tom's Networking Guide Deutschland durchgeführten Messungen [13].
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Linksys
20
15
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
Linksys SRX WRT54GX WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
ca.12m
Ort 2
ca.16m
Ort 3
ca.16m
Ort 4
ca.18m
Ort 5
ca.28m
Ort 6
ca.40m
Abbildung 9: Das Pre-n-Pärchen,von Linksys, bestehend aus dem Access-Point-Router WRT54GX SRX und der Client-PC-Card
WPC54GX SRX, erreicht trotz gleichen Airgo-AG-103-Chipsatzes besonders in der Ferne sogar noch bessere Durchsatzwerte als
Belkins Pre-n-Technik.
5.2.4
Buffalo MIMO Pre-n
Der MIMO Wireless Cable/DSL Router WZR-G108 aus der AirStation-Baureihe von Buffalo ist ebenfalls ein Pre-n-Gerät mit dem
True-MIMO-Chipset von Airgo Networks.
Während die Leistungsfähigkeit der Pre-n-Produkte von Buffalo im Nahbereich eher bescheiden ausfällt, zeigen sie im
Reflexions- und Mehrwegebereich gute Leistungswerte.
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Buffalo
20
15
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
Buffalo Airstation MIMO WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
ca.12m
Ort 2
Ort 3
ca.16m ca.16m
Ort 4
ca.18m
Ort 5
ca.28m
Ort 6
ca.40m
Abbildung 10: Buffalo Airstation Router WZR-G108 mit Airstation WLI-CB-G108 PC-Card pre-n
5.2.5
D-Link MIMO Pre-n
Das MIMO-Pärchen von D-Link (Abbildung 11) zeigte im Nahbereich hervorragende Ergebnisse. Trotz einiger Leistungseinbussen im mittleren Entfernungsbereich steht es mit der Übertragungsrate gerade im Fernbereich aber recht gut da.
Abbildung 11: Der WLAN-Access-Point-Router DI-634M ist mit jeweils zwei externen und internen Sende- und Empfangsantennen
für den MIMO-Betrieb ausgestattet..
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35
D-Link
30
25
20
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
15
D-Link 108G MIMO DI-634M ohne Turbo
WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
ca.12m
Ort 2
ca.16m
Ort 3
ca.16m
Ort 4
ca.18m
Ort 5
ca.28m
Ort 6
ca.40m
Abbildung 12: D-Link setzt in den Pre-n-Access-Geräten, dem WLAN-Access-Point-Router DI-634M und DWL-G650M auf den
"Super-G"-Chipsatz AR5005VL von Atheros und übertrifft damit auf LOS die Airgo-Technik.
5.2.6
Netgear Pre-n "RangeMax"
Im Access-Point WPN 824 von Netgear sind die Antennen starr. Die rotierende "Lichtorgel" ist reine Kosmetik.
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Unter der animierten Haube steckt ein PCB von Video54 mit insgesamt sieben unterschiedlich angeordneten Leiterbahn-Antennen
für das Beamsteering.
Die RangeMax-Technik von Netgear arbeitet mit Channel Bonding und Beamforming. Im Nahbereich bewirkt die Kanalbündelung natürlich einen hohen Durchsatz, allerdings allein auf Kosten von spektraler Effizienz. Da die
Kanalbündelung, die im Spektrum mit 40 MHz die doppelte Bandbreite belegt, nicht abschaltbar ist, lassen sich
diese Messergebnisse mit den konkurrierenden Produkten, die sich auf eine Kanalbandbreite von 20 MHz
beschränken, zwar nicht direkt vergleichen. Der Vollständigkeit halber seien jedoch diese Messergebnisse hier
ebenfalls aufgeführt.
Interessant ist, dass im Fernbereich weder Beamforming noch Channel Bonding an die Leistungsfähigkeit von TrueMIMO heran erreichen, was auch die Tests des Tom's Networking Guide Deutschland belegen [12]
45
40
35
Netgear
30
25
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
20
Netgear Range Max WPN 824 WPATKIP Channel-Bonding
15
10
5
0
LOS
3m
Ort 1
ca.12m
Ort 2
ca.16m
Ort 3
ca.16m
Ort 4
Ort 5
ca.18m ca.28m
Ort 6
ca.40m
Abbildung 12: Die Pre-n-WLAN-Geräte aus der RangeMax-Reihe von Netgear, der Access Point WPN 824 Router und die PC-Card
WPN 511 zeigen sich bei schwierigerer Empfangslage trotz doppelten Verbrauchs an Spektrum den echten MIMO-Produkten
unterlegen.
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5.2.7
Edimax MIMO Pre-n
Edimax setzt im Pre-n-Router BR-6216Mg auf den MIMO-Chipsatz von Ralink..
Das erste Pärchen mit dem Ralink-Chipsatz im Testfeld waren der Access Point BR-6216Mg(G) zusammen mit der PCCard EW-7608PG – beide von Edimax. Im Nahbereich auf LOS und NLOS stellen sich Performance-Werte ein, die bei
20 MHz spektraler Effizienz nahezu ebenso gut ausfallen, wie die Werte, die etwa Netgear mit der Kanalbündelung auf
40 MHz erreicht. Im Fernbereich kommt dieses Ralink-True-MIMO-Gespann allerdings nicht an die Leistungswerte der
Produkte mit Airgo-Chipsatz heran.
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30
Edima
x
25
20
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
15
Edimax MIMO Wireless Router BR6216MG(G) WPA TKIP
10
5
0
LOS
Radius
3m
Ort 6
Ort 5
Ort 4
Ort 3
Ort 2
Ort 1
Radius Radius Radius Radius Radius Radius
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 13: Edimax Pre-n-Access-Point BR-6216Mg(G) und PC-Card EW-7608PG nutzt das Spektrum besser.
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5.2.8
Level One MIMO Pre-n
Obwohl die Pre-n-Produkte WBR-5400 und WPC-0500 von Level One mit dem gleichen Ralink-Chipsatz arbeiten wie die
Edimax-Pre-n-Geräte fällt ihre Performance im Nahbereich schwächer aus. Im Fernbereich erreicht ihre Leistung jedoch
durchaus das Niveau von Produkten mit Airgo-True-MIMO-Chipsatz.
30
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15
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
10
Level One MIMO AP Router WBR-5400
WPA-TKIP
5
0
LOS
Ort 1
Ort 2
Ort 3
Ort 4
Ort 5
Ort 6
Radius Radius Radius Radius Radius Radius Radius
3m
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 14: Die Pre-n-Produkte von Level One – der Access Point WBR-5400 und die PC-Card WPC-0500 zeigen, dass der
Ralink-Chipsatz das Leistungsniveau von Airgo Networks erreicht.
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5.2.9
SMC Barricade MIMO Pre-n
Das SMC-Duo "Barricade" WBR14-GM und SMCWCB-GM, das ebenfalls mit dem Pre-n-Chipsatz von Ralink arbeitet,
zeigt sehr gute Nahbereichsleistungen. Im mittleren Entfernungsbereich ist die Performance sogar allen Konkurrenten
überlegen, fällt im Fernbereich jedoch deutlich unter 5 Mbps ab.
35
SMC Barricade
30
25
20
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
15
SMC Barricade MIMO SMCWBR
14-GM WPA-TKIP
10
5
0
LOS
3m
Ort 1 Ort 2 Ort 3 Ort 4 Ort 5
Ort 6
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 15: Der AP-Router SMC Barricade WBR14-GM erreicht mit der PC-Card WCB-GM die besten Werte bei mittleren
„Entfernungen“.
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5.3
Performance-Unterschiede durch Wahl des Security-Verfahrens
Unterschiedliche Security-Einstellungen zeigen bei der Performance-Analyse deutliche Differenzen bei der
Nettoübertragungsleistung. Alle Messungen wurden mit dem WPA-TKIP Verschlüsselungsverfahren (WPA1)
durchgeführt. Vor allem bei vielen Pre-n-Produkten fehlt hier eine Hardwareunterstützung, die beim WPA2-AES
Verfahren bereits vorhanden ist. WPA-TKIP (Preshared Key) gilt deshalb als kritischste Betriebsvariante, da es noch auf
den RC4-Algorithmus aufsetzt und (zumindest bei den Pre-n-Produkten in diesem Test) ohne Hardwareunterstützung
läuft.
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25
20
15
Buffalo Airstation MIMO WPA-TKIP
Buffalo Airstation MIMO WEP
Buffalo Airstation MIMO WPA-AES
10
5
0
LOS
Radius
3m
Ort 6
Ort 5
Ort 4
Ort 3
Ort 2
Ort 1
Radius Radius Radius Radius Radius Radius
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 16: Leistungsunterschiede zwischen WEP,WPA1-RC4, WPA2-AES
5.4
Draft-n-Produkte
Mit hohen Erwartungen wurden die Messungen an den ersten verfügbaren Draft-n-Produkten vorgenommen. Mit dem
Chipsatz „Atheros AR 5416“ ausgestattet, der die so genannte XSPAN-Technik repräsentiert, sollten sie in neue
Performance-Dimensionen vorstoßen können. Denn erstmals überträgt dieses True-MIMO-Chipset drei parallele
Datenströme in einem Kanal. Die vom IRT untersuchten Draft-n-Produkte zeigt die Tabelle 4.
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Produkthersteller
Linksys
Modell AP-Router
WRT 300N
Modell Client-Card
Chip-Hersteller
Verbesserungskonzept
WPC 300N
Atheros
AR5416 XSPAN
Verdoppelung der
Kanalbreite
Spatial
Multiplexing
TEW-631BRP
TEW-621PC
Atheros
AR 5416 XSPAN
Verdoppelung der
Kanalbreite
Spatial
Multiplexing
UBICOM
StreamEngine
Technique
Netgear
RangeMax Wireless
Router Gigabit
Edition WNR854T100ISS
RangeMax Wireless
Notebook Adapter
WN511T-100ISS
und
RangeMax Wireless
SB 2.0 Adapter
WN121T-100GRS
Marvell
Topdog 88W8360
Verdoppelung der
Kanalbreite
Spatial
Multiplexing
Buffalo
Nfiniti Wireless-N
Router & Access
Point WZR-G300N
Nfiniti Wireless-N
Notebook Adapter
WLI-CB-G300N
Broadcom Intensi-fi
Verdoppelung der
Kanalbreite
Spatial
Multiplexing
Trendnet
Tabelle 4: Untersuchte Draft-n-MIMO-Produkte
Aufschriften auf den bunten Verpackungen wie „12 x schneller“ und „4 x weiter“, oder auch „up to 300 Mbps“ lassen den
Kunden höchste Performance-Sprünge zu der bisher eingesetzten 802.11b/g Technik vermuten. Der Standard IEEE
802.11n bietet zwar keine explizit hinzugefügten Quality-of-Service Merkmale (dies ist mit der IEEE 802.11e
Standardisierung verabschiedet worden), die versprochene Performanceverbesserung kann aber durchaus auch zur
Verbesserung von Übertragungseigenschaften beitragen. Der Verabschiedung des aktuell gültigen Draft-n ging ein mehr
als einjähriges Ringen zweier unterschiedlicher Verbände von Interessenvertretern voraus. Erst der Vorstoß des EWC
Ende 2005 brachte wieder Bewegung in die Standardbemühungen. Auch die Tatsache, dass nun Hersteller mit ihren
Draft-N Produkten auf den Markt drängen zeigt, dass (vor allem die Consumer-Industrie) auf verbesserte Drahtloslösungen im Home-Bereich gedrängt und gewartet hat.
Die Ergebnisse des Linksys-Duos waren sehr ernüchternd. Zu Beginn wurde sowohl der Broadband Router WRT 300N
als auch die PC-Card WPC 300N im Messlaptop mit der mitgelieferten Software in Betrieb genommen. Im Nahfeld lagen
die Werte sogar deutlich unter der 802.11g-Referenz. Allerdings blieben die Werte bis in den Fernbereich über die
gesamte Entfernung praktisch konstant. Auch mit einem zweiten AP/PC-Card Pärchen ergab sich keine Verbesserung.
Es ist zu vermuten, dass die Funktion des MIMO-Chips hier nicht korrekt greift. Bei den Draft-n-Produkten führte das IRT
erstmals zusätzlich Streaming-Messungen auf Basis von UDP (User Datagram Protocol) durch. Hier zeigt sich ein etwas
besseres Durchsatzverhalten als bei TCP. Eine Erklärung für die niedrige Performance könnte das „Handshake“Verhalten beim TCP-Protokoll in Verbindung mit MIMO sein. Die übertragenen Einzeldatenströme werden im Empfänger
wieder zu einem Gesamtdatenstrom vereint. Im Transport-Layer im ISO-OSI-Schichtenmodell werden dann die TCPPakete, die Blockweise gesendet wurden, bei Fehlerfreiheit durch Acknowledge quittiert. Im Fehlerfall bleibt dieses Ack
aus, sodass der Sender den gesamten Paketblock wiederholt. Kommt es bei MIMO zu Störungen/Bitfehlern auch nur auf
einem der Einzeldatenströme, führt dies beim Gesamtdatenstrom ebenfalls zu Fehlern.
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5.4.1
Linksys MIMO Draft-n
Abbildung 16: Linksys Draft-n Broadband Router WRT 300N.
Ein Update auf die aktuellen Softwareversionen (Firmware Version 2.00.17 beim Router und Software v2.14.05 bzw.
Treiberversion 6.0.2.9 für die Client-Card) brachte im Nahfeld zwar deutliche Verbesserungen, der erhoffte „11n-Schub“
blieb aber immer noch aus. Die Netto-TCP-Raten liegen bei LOS und im Nahbereich NLOS bei 22Mbps. Im mittleren
Messbereich (Ort3) werden um die 15Mbps erreicht und im fernen Messbereich (Ort3 bis Ort6) sieht es nach einer
stabilen Übertragungsrate oberhalb der 6Mbps aus.
Da die Leistung im Nahbereich immer noch viel zu gering scheint, laut Aussagen seitens der Fa. Linksys jedoch deutlich
höhere Performance möglich sei, wurden die Tests mit genannten Linksys Produkten ausgesetzt. Sollte Linksys hier eine
aktuellere Firmware/Softwareversion liefern werden hierzu die vergleichenden Messungen wiederholt.
Die Abbildung 17 mit den Durchsatzraten Linksys wird deshalb hier erst in einer ergänzten Version eingefügt.
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5.4.2
Trendnet MIMO Draft-n
Abbildung 18: Den WLAN-Access-Point-Router TEW-631BRP hat Trendnet mit der StreamEngine von Ubicom versehen, die mit
Priorisierungstechniken Zeitverzögerungen und Jitter bei Streaming-Anwendeungen wie VoIP, Musik, Video und Spielen vermindern
soll.
Mit dem Trendnet TEW-631BRP AP und der TEW-621 PC-Client-Card war dann doch der von der neuen Technik erwartete, gewaltige Leistungsschub offensichtlich. Im Nahbereich auf LOS erreichte der Durchsatz mehr als 60 Mbps und bei
NLOS am Ort1 lag er immer noch bei über 50 Mbps und das definitiv bei einer Kanalbandbreite von 20MHz – also nicht
auf Kosten von Spektrum. Mit diesen Werten ließe sich bereits die gleichzeitige Übertragungen mehrerer HDTV-Streams
realisieren. Auf der physikalischen Schicht kommen bei diesen Produkten drei Parallelübertragungen zum Tragen. Leider
sieht es im mittleren und fernen Messbereich dagegen sehr dürftig aus. Es gibt offenbar beim Abgleich von Software,
Firmware und Hardware noch einiges zu tun.
70
Draft-n Trendnet
60
50
40
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
30
Draft n Trendnet TEW-631 BRP WPA
TKIP
20
10
0
LOS
Ort 1
Ort 2
Ort 3
Ort 4
Ort 5
Ort 6
Radius Radius Radius Radius Radius Radius Radius
3m
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 19: Die Trendnet Draft-n-Geräte zeigen in Nahbereich Spitzenwerte, im mittleren Bereich oder in der Ferne erreicht die
hier eingesetzte Draft-n-Technik jedoch noch nicht einmal Pre-n-Niveau.
5.4.3
Netgear Draft-n
Der Netgear RangeMax Wireless Router Gigabit Edition WNR854T wurde sowohl im Zusammenspiel mit einer PC-Card,
als auch eines USB2.0-Adapters untersucht. Abbildungen 19 und 20 zeigen die Messergebnisse.
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Bei den Übertragungsmessungen Netgear WNR854T Wireless Router und WN121T USB2.0 Client-Adapter zeigte der
Spektrumanalysewerkzeug Laptop Analyzer von Airmagnet am Messort LOS und ORT1, dass die Verbindung mit 40
MHZ Bandbreite aufgebaut wird. Am Ort2, Ort3 und Ort4 schaltet die Verbindung nun auf 20 MHz um (niedrigerer S/NWert Æ Adaptive Channel Expansion). Am Ort5 wird öfters ein Hin- und Herschalten zwischen OFDM und CCK–
Modulation an Hand der spektralen Darstellung am Analyzer sichtbar, das heißt weiterhin 20MHz Bandbreite aber noch
geringere SINR. Am Messort6 schließlich wird wieder mit höherwertiger Modulationsstufe übertragen, es ist also die
SINR wieder größer als am Ort5, was sich mit allen anderen Messungen an diesen beiden Orten deckt. Die eingesetzte
Firmware im Router hatte die Version 1.3.44GR. Treiber und Konfigurationsprogramm lagen in Version 1.0.16.319
(32.10.2006) vor. Bei der PC-Card handelte es sich um die Version 2.1.4.3 (4.10.2006), bei deren Utility um Version
1.1.8.11 (31.10.2006). Die Treiberversion des USB-Adapters war zum Messzeitpunkt 1.0.3.7 (29.09.2006).
Abbildung 20: Netgear Draft-n RangeMax Wireless Router Gigabit Edition WNR854T-100ISS soll durch die Steady-Stream-Technik
stabile Wireless-Verbindungen herstellen und aufrechterhalten.
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100
90
80
70
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
60
50
40
DraftN Netgear WNR854T - WN511T PCCard im Kanal6, 40MHz-Kanalreite bei LOS
und am Ort1, 20 MHZ an den Orten 2-6,
WPA TKIP
30
20
10
0
LOS
Radius
3m
Ort 1
Radius
ca.12m
Ort 2
Radius
ca.16m
Ort 3
Radius
ca.16m
Ort 4
Radius
ca.18m
Ort 5
Radius
ca.28m
Ort 6
Radius
ca.40m
Abbildung 21: Mit der PC Card kommt Netgears Draft-n-Technik zumindest im Nahbereich der Linkgeschwindigkeit von Fast
Ethernet bereits sehr nahe.
100
90
80
70
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
60
50
40
DraftN Netgear Router WNR854T mit
WN121T USB Adapter 40MHzKanalbreite bei LOS und Ort1, 20MHz
Kanalbreite Ort2-Ort5, WPA TKIP
30
20
10
0
LOS
Radius
3m
Ort 1
Ort 2
Ort 3
Ort 4
Ort 5
Ort 6
Radius Radius Radius Radius Radius Radius
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
Abbildung 22: … und bringt mit dem USB-2.0-Adapter sogar noch in den Mitten etwas Leistung.
Die Draft-n-Produkte von Netgear belegen die doppelte Kanalbandbreite von 40MHz bei guten SNR-Werten automatisch.
Leider kann somit nicht der User selbst darüber entscheiden, wie er sein verfügbares Spektrum nutzen will. Die spektralen Darstellungen verdeutlichen den Bandbreiteverbrauch bei Verdoppelung der Kanalbreite.
© IRT – SG Speicher und Netze Hermann Lipfert 27. Dezember 2006
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Abbildung 23: Spektrale Darstellung bei Verdoppelung der kanalbandbreite auf 40MHz am Beispiel Netgear.
© IRT – SG Speicher und Netze Hermann Lipfert 27. Dezember 2006
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Abbildung 24: Spektrale Darstellung bei einfacher Kanalbandbreite 20MHz am Beispiel Trendnet
5.4.4
Buffalo Draft-n
Beim Buffalo Nfiniti Router WZR-G300N ergaben sich zusammen mit der Client PC-Card Nfiniti Wireless-N WLI-CBG300N Durchsätze über 30 Mbps bei LOS und über 25 Mbps bei NLOS am Ort1 (20MHz-Kanal).
Das ist nicht Spitze, aber sichtbar besser als 11g. Enttäuschend zeigt sich der Buffalo dann bei kritischeren Empfangsbedingungen von Ort3 bis Ort6. Einen interessanten Vergleich zu einem früheren Buffalo pre-n Produkt siehe weiter
unten.
Gemessen wurde der WZR-G300N mit Firmwareversion 1.44 (1.0.37-1.07-1.03) und die Nfiniti Wireless-N WLI-CBG300N Clientcard mit Treiberversion 4.80.17.0 (15.05.2006), jeweils die neueste zum Messzeitpunkt zur Verfügung
gestandenen Software.
© IRT – SG Speicher und Netze Hermann Lipfert 27. Dezember 2006
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Abbildung 25: Der Buffalo Nfiniti Wireless-N Router & Access Point WZR-G300N arbeitet ausschließlich im gemischten b/g/n-Modus.
35
30
25
20
Funkwerk Artem 11g WPA-TKIP
15
Buffalo WZR-G300N mit PC-Card WLI-CBG300N
10
5
0
LOS
Radius
3m
Ort 1
Radius
ca.12m
Ort 2
Radius
ca.16m
Ort 3
Radius
ca.16m
Ort 4
Radius
ca.18m
Ort 5
Radius
ca.28m
Ort 6
Radius
ca.40m
Abbildung 26: Der Buffalo Nfiniti Wireless-n-Router WZR-G300N mit der Client PC-Card Nfiniti Wireless-N WLI-CB-G300N.
5.5
5.5.1
Beispiele für detaillierte Messergebnisse für Draft-n-Produkte - grafisch und tabellarisch
Trendnet: TCP im Bereich Line-of-Sight
Der Trendnet TEW-632 BRP zeigt in Zusammenarbeit mit der PCcard TEW-621PC im Nahbereich (LOS) sehr gute TCPDurchsatzraten. Der Mittelwert (Average) liegt bei über 63,5 Mbps, Spitzenwerte um die 65 Mbps (Abbildung 27).
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Abbildung 27: TCP-Throughput Trendnet MIMO Draft-n bei LOS.
Auch im NLOS Nahbereich (Messort 1) ergeben sich sehr gute TCP-Performancewerte (Abbildung 23).
Abbildung 28: Durchgeführte TCP-Throughput-Messungen im Vergleich – Trendnet Ort1.
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Group/ Pair
Average
(Mbps)
Minimum
(Mbps)
Maximum
(Mbps)
Throughput 95%
Confidence
Interval
56,194
36,815
59,613
Ort1_Messung1.tst
All Pairs
56,194
36,815
59,613
Pair 1
56,214
36,815
59,613
0,616
55,642
46,485
58,055
Ort1_Messung2.tst
All Pairs
55,642
46,485
58,055
Pair 1
55,662
46,485
58,055
0,279
53,011
13,002
58,097
Ort1_Messung3.tst
All Pairs
53,011
13,002
58,097
Pair 1
53,028
13,002
58,097
2,819
Tabelle 5:
Drei durchgeführte Performancemessungen am Ort1 – Produkte: Trendnet MIMO.
5.5.2
Measured
Time (secs)
Relative
Precision
179,314
1,096
179,657
0,502
179,529
5,317
Trendnet: Triple-Play Messungen - Test Execution (Endpoint 1 to Endpoint 2)
Die „Trendnet“ TCP-Throughput Messungen ergaben bei LOS und am Messort1 die höchsten Leistungswerte (bei
20MHz Frequenzbandbreite). Beispielhaft deshalb nachfolgend einige Tabellen und Messkurven, die das StreamingVerhalten im Nahbereich ohne Sichtverbindung (Ort1) und mittleren Fernbereich (Ort4) zeigen. Zur QoS-Messung wurde
Triple-Play-Datenverkehr eingesetzt. Die Baseline-Group beinhaltet DNS, HTTPtext und NNTP. Die zweite Group
beinhaltet fünf MPEG2-Video Streams die „downlink“ gesendet werden. Die dritte Group beinhaltet vier IPTV-Streams,
von denen je zwei uplink und zwei downlink gesendet werden. Eine vierte Group schließlich beinhaltet drei bidirektionale
Voice-over-IP-Signale mit unterschiedlichen Codecs (Tabelle 6).
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Group/ Pair
Network
Protocol
Service
Quality
Script/Stream
Name
Endpoint 1
Endpoint 2
Pair 1
192.168.1.101
192.168.1.131
UDP
DNS.scr
Pair 2
192.168.1.101
192.168.1.131
TCP
HTTPtext.scr
Pair 3
192.168.1.101
192.168.1.131
TCP
NNTP.scr
Pair 14
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
MPEG2 codec
Pair 15
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
MPEG2 codec
Pair 16
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
MPEG2 codec
Pair 17
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
MPEG2 codec
Pair 18
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
MPEG2 codec
Pair 10
192.168.1.131
192.168.1.101
UDP
IPTVv_1M.scr
Pair 11
192.168.1.131
192.168.1.101
UDP
IPTVv_1M.scr
Pair 12
192.168.1.101
192.168.1.131
UDP
IPTVv_1M.scr
Pair 13
192.168.1.101
192.168.1.131
UDP
IPTVv_1M.scr
Pair 4
192.168.1.131
192.168.1.101
RTP
G.711u
Pair 5
192.168.1.131
192.168.1.101
RTP
G.729
Pair 6
192.168.1.131
192.168.1.101
RTP
G.726
Pair 7
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
G.711u
Pair 8
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
G.729
Pair 9
192.168.1.101
192.168.1.131
RTP
G.726
Baseline-Group
No Group
Streaming_IPTV_Group
VoIP_Group
Tabelle 6:
Emulierter Triple-Play Datenverkehr zur QoS-Messung.
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Group/ Pair
Average
(Mbps)
Minimum
(Mbps)
Maximum
(Mbps)
Throughput 95%
Confidence Interval
Measured
Time (secs)
Relative
Precision
Baseline-Group
3,679
0,409
2,962
Pair 1
0,516
0,409
0,635
0,004
119,655
0,800
Pair 2
0,744
0,477
1,095
0,005
119,473
0,721
Pair 3
2,513
2,138
2,962
0,023
119,731
0,916
No Group
18,343
3,738
3,763
Pair 14
3,750
3,739
3,762
0,002
120,046
0,041
Pair 15
3,750
3,739
3,759
0,001
120,052
0,033
Pair 16
3,750
3,739
3,760
0,001
120,046
0,032
Pair 17
3,750
3,739
3,763
0,001
120,046
0,036
Pair 18
3,750
3,738
3,763
0,001
120,056
0,038
Streaming_IPTV_Grou
p
3,998
0,997
1,007
Pair 10
1,000
0,998
1,003
0,000
122,650
0,040
Pair 11
1,000
0,997
1,004
0,000
122,663
0,034
Pair 12
1,000
0,998
1,004
0,000
122,669
0,030
Pair 13
1,000
0,999
1,007
0,000
122,666
0,037
VoIP_Group
0,203
0,008
0,064
Pair 4
0,064
0,064
0,064
0,000
119,992
0,056
Pair 5
0,008
0,008
0,008
0,000
119,989
0,056
Pair 6
0,032
0,032
0,032
0,000
119,982
0,056
Pair 7
0,064
0,064
0,064
0,000
119,983
0,037
Pair 8
0,008
0,008
0,008
0,000
119,985
0,047
Pair 9
0,032
0,032
0,032
0,000
119,985
0,045
Totals:
26,224
0,008
3,763
Tabelle 7: Einzel- und Gesamtdurchsatz der am Ort1 gemessenen Datenraten
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Abbildung 29 : Throughput Triple-Play am Ort1 – Produkt Trendnet
Aus der Tabelle 7 sind die einzelnen Datenraten und die Gesamtdatenrate von 26 Mbps ersichtlich.
Die MPEG2-Streams mit je 3,75 Mbps werden sauber ohne Einbruch der Datenrate übertragen (oberste gestrichelte
Linien in Abbildung 21). Auch die vier IPTV-Streams mit je 1Mbps laufen störungsfrei (siehe gerader Kurvenverlauf bei
1Mbps).
Der Jitter lag am Ort1 äußerst niedrig unter 2ms – Probleme sind hier frühestens ab 50ms zu erwarten.
Abbildung 30: Jitter bei Triple-Play am Ort1 – Trendnet .
Die MOS-Werte der VoIP-Verbindungen entsprechen am Ort1 ausgezeichneter Qualität. Werte über 4 entsprechen hier
ausgezeichneter Sprachqualität.
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Abbildung 31: MOS-Werte für die VoIP-Verbindungen Ort1 – Trendnet
Das One-Way-Delay ist liegt mit unter 4 ms äußerst niedrig.
Abbildung 32: One-Way Delay – Ort1 – Trendnet
5.5.3
Triple-Play am Ort4
Die fünf MPEG2-Streams (mit je 3,75 Mbps) wurden hier erst gar nicht mehr mit übertragen. Am übrigen Datenverkehr
sieht man starke Verluste. Abbildung 28 zeigt die Einbrüche bei den IPTV-Streams. Eine „sinnvolle“ Übertragung ist hier
nicht mehr möglich, die Übertragungsperformanz und –qualität ist an diesem Empfangsort nicht mehr ausreichend.
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Abbildung 33:: Triple-Play am Ort4 ohne MPEG2 Signale – Trendnet.
Die Mos-Werte der VoIP-Verbindungen sind teilweise sehr schlecht, das heißt die VoIP-Gespräche wären stark gestört,
bzw. eine Sprachverbindung wäre zeitweise unmöglich.
Abbildung 34:: MOS Werte zeigen stark gestörte VoIP-Signale am Ort4 – Trendnet ###.
Das One-Way Delay geht teilweise bis in den Bereich von einer bis zwei Sekunden!
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Abbildung 35:: One-Way Delay am Ort4 – Trendnet.
Der Jitter hat stark zugenommen und erreicht Spitzenwerte von 180ms!
Abbildung 36: Jitter am Ort4 – Trendnet.
Entsprechend treten teilweise erhebliche Datenverluste auf.
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Abbildung 37: Lost Data bei den Triple-Play Messungen am Ort4.
Die Durchsatzwerte an den Messorten 5 und 6 gehen weiter zurück. Entsprechend steigen Delay, Lost data und Jitter an.
Der MOS-Wert zeigt, dass VoIP faktisch nicht mehr möglich ist. Geht man allerdings in der Übertragungsdatenrate auf
sehr niedrige Werte zurück, profitiert entsprechend die Qualität der verbleibenden Übertragung.
Abbildung 38: Zwei MPEG2 Streams und 2 bidirektionale VoIP-Verbindungen mit unterschiedlichen Codecs als Messsignale sollen
Auskunft über die noch erreichbare Empfangsqualität an Orten mit kritischen Empfangsbedingungen geben.
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5.5.4
Einige Messergebnisse Netgear Draft-n (20MHz-Kanal)
Ein Beispiel für die noch erreichbare Qualität von Video-Streams und VoIP-Verbindungen sei am Beispiel des Netgear
Draft–n-Routers in Verbindung mit dem Draft-n-USB-Adapter verdeutlicht: Dargestellt sind die Ergebnisse am Messort 4,
der vom Sendestandort des Routers auf direkter Linie durch insgesamt 4 Zimmermauern getrennt ist.
Abbildung 39: Die eingestellte Streaming-Datenrate von je 5Mbps wird an diesem Messort bei beiden MPEG-Streams auch noch
wirklich übertragen.
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Abbildung 40: Die gemessenen MOS Werte zeigen eine stark schwankende Sprachqualität. In den Bereichen MOS kleiner als 2,5
ist ein Gespräch strark gestört. Ein MOS Wert zwischen 1 und 2 bedeutet, die Verbindung ist unterbrochen.
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Abbildung 41: Die kritischen Empfangsbedingungen sind auch durch Schwankungen des One-Way-Delays (Jitter) gekennzeichnet.
Niedrige MOS Werte hängen direkt mit Delay und Jitter zusammen.
Abbildung 42: Auch der Verlust von übertragenen Streamingdaten (Lost Data) am Messort4 korreliert mit Jitter und Delay.
Man erkennt deutlich den Zusammenhang zwischen aufgetretener Übertragungsverzögerung (One-Way-Delay) und der
Verlustrate an Daten (lost data). Entsprechend sind auch die MOS-Werte an den Stellen hoher Datenverluste am
schlechtesten.
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6
Zusammenfassung der Messungen
Pre-n versus Draft-n
35
30
25
20
15
Buffalo Airstation MIMO pre-n mit AigoChip WPA-TKIP
10
Buffalo Airstation Draft-N WZR-G300N PC-Card WLI-CB-G300N
5
0
Ort 6
Ort 5
Ort 4
Ort 3
Ort 2
Ort 1
LOS
Radius Radius Radius Radius Radius Radius Radius
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.40m
3m
Das niederschmetternde Ergebnis eines direkten Vergleichs: Draft-n ist nur im Nahbereich besser. Unter schwierigeren Sende- und
Empfangsbedingungen schlägt die Pre-n-Technik von Airgo die Draft-n-Technik von Buffalo jedoch um Längen!
Die blau dargestellten Balken zeigen die Leistungsfähigkeit des seit über einem Jahr auf dem Markt befindlichen Pre-nChipsatzes. Was an Draft-n auf dem Markt ist, scheint zu ignorieren, dass die True-MIMO-Technik von Airgo Networks
besonders unter schwierigen Sende- und Empfangsbedingungen eine deutliche Steigerung an Durchsatz erbracht hatte.
Bleibt zu hoffen, dass der hoffnungsvolle Technik-Ansatz von Airgo Networks nach deren Übernahme durch Qualcom
doch noch Einzug in den Standard IEEE802.11n findet und nicht an patentrechtlichen Querelen scheitert. Denn das, was
zu dessen Entwurf, dem Draft-n, kompatibel ist, bleibt stellenweise weit hinter den Erwartungen zurück.
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7
Fazit
Mit MIMO-OFDM ist für drahtlose und mobile Übertragungsverfahren ein neuer Stern am Himmel aufgegangen, dessen
Potential, die spektrale Effizienz zu steigern, bisher durch keine andere Technik erreicht wurde. Alternativ zur Erhöhung
der spektralen Effizienz kann MIMO auch zu einer Verringerung der Sendeleistung bei gleich bleibenden
Versorgungsbereichen eingesetzt werden. Der Einsatz der MIMO-Technik in Übertragungssystemen der Zukunft für
Broadcast-, Multicast- und Unicastversorgung wird durch die dann mögliche Reduzierung von Sendestandorten auch für
Rundfunkanstalten zum business case. Die im IRT durchgeführten Messungen zeigen auch wie in [9] beschrieben, sehr
gute MIMO-Eigenschaften bei direkter Sichtverbindung im Indoor-Bereich. Wichtig ist, dass genügend Reflexionen und
damit der „gewinnbringende Mehrwegeempfang“ entsteht. Was ein Jahrhundert lang in der Funktechnik als Ärgernis bei
der Übertragung angesehen wurde, gereicht durch intelligenten Einsatz von Physik und Mathematik dem Anwender zum
Nutzen. Denn bei der Signalübertragung geht es immer analog zu – digitale Bits entstehen erst beim Ausrechnen.
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8
Quellenangaben
[1]
Dirk Wübben, „Effiziente Detektionsverfahren für Multilayer-MIMO-Systeme“, Dissertation Universität Bremen 2005
[2]
Working Group 8, „Space-Time signal Processing and MIMO Systems“, White Paper 2004
[3]
Datacomm Research Company, “Using MIMO-OFDM Technology to boost Wireless LAN Performance today”,
White Paper 2005
[4]
IEEE, “Broadband MIMO-OFDM Wireless Communications”, Invited Paper 2004
[5]
Helmut Bölcskei, “Principles of MIMO-OFDM Wireless Systems”, Swiss Federal Institute of Technology (ETH)
Zürich
[6]
Helmut Bölcskei, “MIMO-OFDM Wireless Systems: Basics, Perspectives, and Challenges”, Communication
Technology Laboratory ETH Zürich
[7]
Heiko Schmidt, “OFDM für die drahtlose Datenübertragung innerhalb von Gebäuden”, Dissertation Universität
Bremen 2001
[8]
Xiang, Waters, Bratt, Barry, Walkenhorst, „Implementation and Experimental Results of a Three-Transmitter ThreeReceiver OFDM/BLAST Testbed“, IEEE Communicatin Magazine 2004
[9]
Wojciech Kuropatwinski-Kaiser, “MIMO-Demonstrator basierend auf GSM-Komponenten”
[10] http://www.tomsnetworking.de/content/tests/j2005a/test_asus_wl_530g/page8.html
[11] http://www.tomsnetworking.de/content/tests/j2005a/test_belkin_pre_n_dsl_router_wlan/page9.html
[12] http://www.tomsnetworking.de/content/tests/j2005a/test_netgear_wpn824_rangemax/page2.htm
[13] http://www.tomsnetworking.de/content/tests/j2005a/test_linksys_srx_dsl_router_wlan/index.html
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