Wireless-Netzwerkgrundlagen Was Sie über Wi-Fi 7 wissen sollten

Es verwundert also keineswegs, dass sich Wi-Fi-Netzwerke rasch weiterentwickeln. Die Einführung des Wi-Fi-6- beziehungsweise Wi-Fi-6E-Standards, gefolgt von der Entwicklung von Wi-Fi 7 im Abstand von jeweils nur zwei Jahren, ist dafür Beweis genug. Mit dem Tempo derartiger Veränderungen Schritt zu halten, kann jedoch mit Schwierigkeiten verbunden sein. Wi-Fi 7 (offiziell der zu Wi-Fi weiterentwickelte IEEE-802.11be-Standard) wird als einer der größten Beschleuniger drahtloser Kommunikation in der Geschichte dieses Standards angepriesen. Doch was bedeutet das für Elektronikingenieure und Endbenutzer und welchen Nutzen dürfen wir uns davon erwarten?

Wi-Fi 6/6E – Mehr drahtlose Konnektivität

Sowohl Wi-Fi 6 als auch 6E sind Erweiterungen des IEEE-802.11ax-Standards. Sie stellen eine erhebliche Verbesserung gegenüber Wi-Fi 5 dar und waren dringend erforderlich, um die wachsende Nachfrage nach schnelleren drahtlosen Verbindungen zu befriedigen. Der Wandel von Wi-Fi als „willkommenes Extra“ zu einem absolut unerlässlichen Service war für Wi-Fi-Experten mit der Schwierigkeit verbunden, die gesteigerte Nachfrage mit dem nur begrenzt zur Verfügung stehenden Spektrum zu vereinbaren. Die Lösung bestand darin, zusätzliches Spektrum für Wi-Fi 6 bereitzustellen, das zwei unterschiedliche Frequenzbereiche nutzt: 2,4 GHz und 5 GHz.

Theoretisch sind mit Wi-Fi 5 Datenraten im Höchstbereich von Gigabits pro Sekunde (Gbps) möglich, praktisch lag die Geschwindigkeit von Wi-Fi 5-Verbindungen jedoch selten über mehreren hundert Megabits pro Sekunde (Mbps). Wi-Fi 6 hob diesen Wert auf bis zu 9,6 Gbps an. Doch auch diese Leistungszunahme konnte nicht verhindern, dass die Nachfrage nach noch schnellerer und verlässlicherer drahtloser Konnektivität binnen 12 Monaten zur Übernahme des Wi-Fi-6E-Standards führte.

Wi-Fi 6E steigert die Betriebseffizienz durch die Erweiterung des Frequenzspektrums, diesmal im 6-GHz-Band, wodurch Netzstörungen und Überlastungsprobleme vermieden werden können. 2021 kam die erste Hardware auf den Markt, die alle drei Frequenzbereiche (2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz) abdeckt und Wi-Fi-Experten umfangreichste Implementierungsmöglichkeiten bietet. Zu den Beispielen für eine derartige Hardware gehört das umfangreiche Sortiment an HF-Bauelementen für Wi-Fi 6E-Bänder bis 7,25 GHz von TDK. Diese Diplexer, Baluns und Filter eignen sich für mobile, Verbraucher-IoT-, medizinische und gewerbliche drahtlose Kommunikationsapplikationen und verfügen über eine geringe Einführungsdämpfung und unterschiedliche Größen ab 1 mm × 0,5 mm und einer Mindestdicke von 0,33 mm.

TDK-DPX-Diplexer eignen sich zur Bandschaltung in Dualbandsystemen in Applikationen wie Mobiltelefonen, Wireless LAN und Bluetooth-Kommunikationen. Diese kompakten und leichten Diplexer haben ein niedriges Profil sowie eine geringe Einführungsdämpfung. Ihre Verwendung ist mit keinerlei Anpassungen verbunden. Die oberflächenmontierbare DPX-Reihe verfügt über eine Impedanz von 50 Ω und umfasst Modelle, die einen Frequenzbereich von 650 MHz bis 7,125 GHz abdecken.

TDK-HF-Baluns bieten eine breite Palette an SMD/SMT-Modellen mit Impedanzen zwischen 50 Ω und 200 Ω. Diese Mehrschicht-Chip-Transformator-Baluns verfügen über Niedrigtemperatur-Einbrand-Keramiken (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCCs), die symmetrische in unsymmetrische Signale umwandeln und umgekehrt. Sie nutzen modernste Miniaturisierungstechnologie und bieten gleichzeitig außergewöhnliche elektrische Eigenschaften für WLAN mit 2,4 GHz und 5 GHz.

TDK DEA HF-Filter nutzen LTCC-Materialien zur Erzeugung einer Resonanzfrequenz, die bestimmte Frequenzbereiche durchlassen, während sie alle unerwünschten Frequenzbereiche blockieren oder dämpfen. Diese Geräte umfassen Hoch- und Tiefpassfilter sowie Bandpassfilter, deren Frequenzen von 5 MHz bis 8 GHz reichen. Zum Einsatz kommen TDK-DEA-HF-Filter in drahtlosen Kommunikationsprodukten wie WLAN, Bluetooth, Mobilfunkgeräten, GPS, ZigBee und WiMAX, und zwar sowohl in lizenzierten als auch in nicht lizenzierten Frequenzen.

Zusätzlich zu Standardfiltern zur allgemeinen Verwendung arbeitet TDK mit Chipsatz-Partnern an individuell angepassten Filtern für spezifische Chipsätze, darunter Filter mit geringer Einführungsdämpfung (das heißt hoher Energieersparnis) für batteriebetriebene Geräte sowie Produkte mit hoher Dämpfung/Leistung für drahtgebundene Geräte.

Wi-Fi 7 – Ein potenzieller Gamechanger

Wi-Fi 7 wurde entwickelt, um noch höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten als Wi-Fi 6 zu ermöglichen und gleichzeitig die Latenzzeit zu verringern. Gleichzeitig erhöht Wi-Fi 7 die gesamte Netzwerkkapazität für Kunden. Es ist für die bevorstehende Einführung von 8K-Videostreaming vorgesehen und wird bereit sein, immersive Extended Reality-Applikationen (XR) mit geringer Latenz für Industrie- und Gamingzwecke zu unterstützen, sobald diese allgemein verfügbar sind.

Wi-Fi 7 ist abwärtskompatibel mit Wi-Fi 5/6/6E, wodurch die Anschaffung eines neuen Wi-Fi-7-Routers die vorhandenen drahtlosen Geräte nicht völlig überflüssig macht. Ältere Router müssen jedoch über einen Wi-Fi-7-basierten Client an den neuen Router angeschlossen werden, um sämtliche Leistungsvorteile des neuen Standards nutzen zu können.

Die drei bedeutendsten Verbesserungen von Wi-Fi 6E auf Wi-Fi 7 sind die theoretische Höchstgeschwindigkeit, die größere Kanalbreite und eine höhere Ordnung der Quadraturamplitudenmodulation (QAM). Die Höchstgeschwindigkeit des Wi-Fi-6E-Standards liegt bei beeindruckenden 9,6 Gbps. Von Wi-Fi 7 wird jedoch eine Höchstgeschwindigkeit von 46 Gbps für einen einzelnen Client erwartet, was in der Wi-Fi-Welt praktisch mit dem Warp-Antrieb gleichgesetzt werden kann. Die maximale Bandbreite pro Kanal betrug bei Wi-Fi 6E 160 MHz; mithilfe des neuen Spektrums im 6-GHz-Band soll diese jedoch auf eine Kanalbandbreite von 320 MHz steigen und mehr Bandbreite für den Transfer von noch mehr Daten bieten. Die Steigerung von 1024-QAM-Kanälen bei Wi-Fi 6E auf erwartete 4096 QAM bei Wi-Fi 7 in Verbindung mit den 320-MHz-breiten Kanälen soll 46 Gbps ermöglichen.

Multi-Link Operation

Eine der beeindruckendsten Fähigkeiten von Wi-Fi 7 verbirgt sich hinter der Bezeichnung Multi-Link Operation (MLO), die bei Wi-Fi 6/6E nicht zur Verfügung stand. MLO erlaubt Übertragungen zwischen dem Zugangspunkt und dem Client über verschiedene Funkgeräte hinweg, sofern die Funkfrequenzbedingungen dies erlauben. Im Wesentlichen nutzt MLO die Tatsache, dass das bestehende 5-GHz-Band und das neue 6 GHz-Band vergleichsweise enger beieinander liegen als die 2,4-GHz- und 5-GHz-Bänder zuvor, weshalb sie praktisch dieselben Geschwindigkeiten aufweisen.

MLO erlaubt es Geräten daher, sich gleichzeitig sowohl mit einem 5-GHz-Kanal als auch mit einem 6-GHz-Kanal zu verbinden und beide zum Senden und Empfangen von Daten praktisch ohne Verzögerung zu nutzen – eine Innovation in der gesamten Entwicklung der 802.11-Standards. Dies führt zu geringeren Latenzzeiten, höheren Datenraten, besserem Lastausgleich und doppelten Paketen auf den Verbindungen, um die Zuverlässigkeit des Netzwerks zu verbessern.

Quadraturamplitudenmodulation

Bei QAM handelt es sich um eine Modulationstechnik, die die Anzahl der Bits maximiert, die gleichzeitig gesendet werden können, indem zwei untereinander um 90 Grad phasenversetzte („in Quadratur“ befindliche) Träger verwendet werden. Während Wi-Fi 6E 1024 QAM unterstützt, bringt Wi-Fi 7 eine Steigerung auf 4096 (oder 4K) QAM-Kanäle mit sich, was zu einer um 20 Prozent höheren Durchsatzrate führt. Das Ergebnis ist eine höhere Effizienz, eine höhere Kapazität und höhere Datenübertragungsraten bei geringeren Latenzzeiten im Vergleich zu Wi-Fi 6/6E.

Beachten Sie, dass es bei der Verfügbarkeit von Wi-Fi 7 Unterschiede zwischen den Regionen geben wird. Das verfügbare Spektrum, das für Wi-Fi genutzt werden kann, ist von Land zu Land unterschiedlich, je nachdem, wie die lokalen Regulierungsbehörden es zugewiesen haben. Während beispielsweise Multi-Link Operations in den Vereinigten Staaten die Kanäle bei 5 GHz und 6 GHz nutzen können, werden Wi-Fi-Geräte in China zwei verschiedene Kanäle im 5-GHz-Band verwenden.

Automatisierte Frequenzkoordination

Die Entscheidung, das 6-GHz-Band für Wi-Fi zu öffnen, brachte einige Probleme mit sich, die mithilfe der automatisierten Frequenzkoordination (Automated Frequency Coordination, AFC) gelöst werden sollen. Das Grundproblem besteht darin, dass es sich bei 6 GHz um einen bereits stark genutzten Bereich des Spektrums handelt. US-Bundesbehörden wie die NASA und das Verteidigungsministerium sowie globale Wetterradarsysteme und Radioastronomen sind für ihre lebenswichtige Kommunikation auf dieses Band angewiesen. Störende Wi-Fi-Signale wären höchst unerwünscht. Glücklicherweise sind die bereits existierenden 6-GHz-Mikrowellen weitgehend vorhersehbar, lokal begrenzt und stationär. Die AFC ermöglicht Wi-Fi den Zugang zu diesem Frequenzband, indem sie die Koordinierung mit und die Umgehung von bestehenden Anwendungsfällen ermöglicht.

AFC erlaubt es Wi-Fi 7-Netzwerken, in unmittelbarer Nähe zu Wetterradaren, Radioteleskopen und anderen etablierten Nutzern des 6-GHz-Spektrums zu funktionieren, indem Übertragungen auf Bändern verhindert werden, die mit diesen Nutzern interferieren würden. Gleichzeitig können Wi-Fi 7-Netzwerke mit höherer Leistung senden, wenn sie feststellen, dass es in der Nähe keine bestehenden Frequenznutzer gibt. Obwohl AFC bereits mit Wi-Fi 6E eingeführt wurde, wird Wi-Fi 7 eine umfassendere Liste von drahtlosen Geräten enthalten, die für AFC zertifiziert sind. Wenn es in der Nähe keine Nutzer gibt, die bereits das 6-GHz-Band nutzen, können Wi-Fi 7-Netze in diesem Frequenzbereich mit 63-mal mehr Leistung senden (einigen Schätzungen zufolge) als mit der gleichmäßigen niedrigen Sendeleistung, die verwendet wird, wenn etablierte Nutzer erkannt werden. Signale mit höherer Leistung sind stärker, zuverlässiger, haben einen höheren Durchsatz und breiten sich weiter aus.

Multiple Resource Unit

Eng verbunden mit AFC ist Multiple Resource Unit (MRU), eine neue Funktion im Wi-Fi-7-Standard, die den orthogonalen Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) verbessert, eine Funktion, die erstmals in Wi-Fi 6 eingeführt wurde. OFDMA legt unabhängig voneinander modulierende Unterträger innerhalb von Frequenzen fest und ermöglicht so gleichzeitige Übertragungen an und von mehreren Clients. Das Ergebnis ist ein höherer Durchsatz und eine geringere Latenzzeit.

Die MRU-Funktion von Wi-Fi 7 bietet eine verbesserte Interferenzminderung und OFDMA-Effizienz, wodurch die Latenzzeit für mehrere Nutzer weiter reduziert wird. Durch die Möglichkeit, überlappende Teile des Spektrums selektiv zu unterbrechen, stellt MRU sicher, dass Daten nur auf freien Frequenzen übertragen werden, was die Datenraten und die Zuverlässigkeit in überlasteten Wi-Fi-Umgebungen erhöht.

Multi-User, Multiple-Input, Multiple-Output

Die Multi-User, Multiple-Input, Multiple-Output-Technologie (MU-MIMO) ermöglicht es einem Wi-Fi-Router, mit mehreren Geräten gleichzeitig zu kommunizieren. Wi-Fi 6/6E brachte bidirektionales MU-MIMO in die Praxis und verdoppelte die Anzahl der Spatial Streams auf acht, verglichen mit dem 4×4 MU-MIMO von Wi-Fi 5. In der Praxis bedeutet dies, dass bis zu acht gleichzeitige Verbindungen auf das Internet zugreifen können, ohne dass der Geschwindigkeitsdurchsatz sinkt. Wi-Fi 6/6E arbeitet mit bidirektionalem 8×8 MU-MIMO. Mit dem WLAN-Standard Wi-Fi 7 wird die Anzahl der Spatial Streams auf 16 erhöht, sodass bis zu 16 Geräte Daten mit hoher Geschwindigkeit senden und empfangen können.

Fazit

Der Wi-Fi 7 Standard verspricht eine hohe Leistung durch höhere Geschwindigkeit, mehr Bandbreite, verbesserte Zuverlässigkeit und extrem niedrige Latenzzeiten. Neben der Auswahl an Wi-Fi 7-kompatiblen Produkten von TDK gehören auch Broadcom und Qualcomm zu den Unternehmen, die bereits Wi-Fi 7-Bauelemente angekündigt haben.

Es ist jedoch noch ein weiter Weg, bis ein ausreichendes Angebot an Wi-Fi 7-fähigen Geräten zur Verfügung steht und die Netzinfrastruktur optimiert ist. Zumindest anfangs wird Wi-Fi 7 wahrscheinlich größeren Unternehmen mit komplexen und anspruchsvollen drahtlosen Netzwerkanforderungen zugute kommen. Für alle anderen gibt es Wi-Fi 6E.