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Institut für Rundfunktechnik II~T
MIMO-OFDM
Erhöhung von Performance und spektraLer Effizienzbei WireLess-Systemen
Messungen erster praktischer ReaLisierungennach Draft IEEE 802.11n
am Institut für Rundfunktechnik Nr. B 197/2006
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BerichtNr. B 197 /2006
MIMO-OFDM
Erhöhung von Performance und spektraLer Effizienz bei WireLess-Systemen
Messungen erster praktischer ReaLisierungen nach Draft IEEE 802.11nam Institut für Rundfunktechnik
München, Dezember 2006
Verfasser:
1Tfi;irmR dfun unk
Verteiler:
AKAS
AKO
ARVIRTASFleiter Fernseh.Betriebleiter Hörfunk-Betriebleiter Sender-BetriebPTKO
1
2
3
4
5
Institutfür Rundfunktechnik II~T
Inhaltsangabe , 5
Einführung 6
Was ist MIMO?- Unterscheidung zu anderen Antennentechniken 7
3.1
3.2
3.3
Receive Oiversity und Maximum Ratio/ReceiveCombining ...m """,""",'-"""'" 7
Adaptive Antenna Systems - Beamforming 8
Sendeseitige Algorithmen: Space- Time Coding und Multilayer-Systeme 8
3.3.1 Spa ce-Ti me Codi n9 8
3.3.2 Multilayer-Systeme "..."""".", 9
3.4
3.5
MIMO-OFDM 9
Algorithmen auf der Empfangsseite ,9
Modulation und Codierung bei IEEE 802.11n 11
Vergleichende Messungen am IRT 12
5.1
5.2
Me ssa ufba u 12
Pre-n Produkte , ,.,.,.14
5.2.15tandard-IEEE -802.11g- Referenz: Funkwerk Artem Wl 000 15
5.2.2Belkin MIMO Pre-n I6
5.2.3Linksys MIMO Pre-n , , ,-, 17
5.2.4 Buffala MIMO Pre-n 18
5.2.5 0- Lin k MIMO Pre-n 18
5.2.6 Netgear Pre-n "RangeMax" 20
5.2.7 Edi max MIMO Pre-n 22
5.2.8 Level One MIMO Pre-n 23
5.2.9 SMC Barricade MIMO Pre-n 24
5.3
5.4
Performance-Unterschiede durch Wahl des Security-Verfahrens 25
Draft -n - Prod ukte 25
5.4.1 Linksys MIMO Drait-n 27
5.4.2 Trend netMIMO Drait-n 27
5.4.3 Netgea r Draft -n , 28
5.4.4 B uff a Lo Draft -n 31
5.5 Beispiele für det. Messergebnisse für Draft-n-Produkte ~ grafisch und tabellarisch 32
5.5.1Trendnet: TCPim Bereich Line-of- Sight 32
\D IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 3 von 47
Institut tür Rundfunktechnik II~T5.5.2 Trendnet: Triple-Play Messungen - Test Execution (Endpoint 1 to Endpoint 2) ...34
5.5.3 Trip Le-PLay am Ort 4 38
5.5.4 Einige MessergebnisseNetgear Oraft.n (20M Hz-Kanal) 42
Zusammenfassung der Messungen m 456
7 Fazit 46
8 Quellenangaben ",47
iIJ IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite4von47
Institut für RundfunktechnikII!T1 Inhaltsangabe
Erste Implementierungen der Technik Mu/Hple Input Multiple Output fM/MO; in Verbindung mit Orthogonal FrequeneyDivision Multiplexing (OFDM) bei next-generation Wire/ess Loca/ Area Networks (WLAN) zeigen im Vergleich zubisherigen WLAN-Systemen eine deutliche Steigerung der Performance sowie der spektralen Effizienz.
MIMO-OFDM stellt für Wireless MetropoÜtanArea Networks (WMAN),die auf dem weltweit eingesetzten StandardWire/esslnteroperabflity for MicrowaveAccess (WiMAX/aufbauen, und für mobile zellulare Wireless-Systeme der viertenGeneration (Fourth-generation /4G)ebenfalls eine hochinteressante Lösung zur Verbesserungder leistungsfähigkeit derluftschnittstelledar.
Im Januar 2006 billigte das US-amerikanische Standardisierungsgremium IEEE einen Vorschlag der ArbeitsgruppeEnhanced Wire/ess Consortlum (EWC)IEEEals Draft-IEEE-802.11n-Proposal.
Zum ersten Mal wurde in diesem Vorschlag (neben zahlreichen anderen Neuerungen) die Technik der MIMO-OFDM beieinem drahtlosen Übertragungsverfahren gefordert. Im ersten und zweiten Ouartal 2006 erschienen dann bereits dieersten so genannten Pre-n-WLAN-Produkte auf dem Markt. Herzstücke dieser Produkte sind hochintegrierte MIMO-Chipsets der Firmen AirQo Networks Ine. oder Ralink TechnoloQV COrD. Acht sotcher Produkte hat das IRT gegeneinanderund mit einem Standard-S02.11g-Produkt verglichen.
Nach Verabschiedung eines neuen IEEE-S02.11n-Entwurfes sind seit dem dritten Ouartal2006 erste "Draft-n"-Produkteverfügbar. Der wesentliche Unterschied zwischen Pre-n und Draft-n besteht darin, dass nur letztere ohne Eingriffe in dieHardware lediglich durch Firmware- und Treiber-Updatesauf den vermutlich Mitte 2007 ratifizierten IEEE-Standard802.11n aktualisiert werden können.
Draft-n wirkt ferner darauf hin, durch eine weitere Steigerung der Zahl von Sende- und Empfangsantennen dieÜbertragungs kapazität zusätzlich zu steigern und herstellerübergreifende Methoden zur Sicherstellung einer Mindest-Dienstgüte (005) zu etablieren. Draft-n-taugliche Chipsätze bieten die Firmen Broadcom Corp., Atheros CommunicationsInc., Marvell Techno(oQv Group ltd.,und MIPSTechnotoQies Ine. an.
CDIRT - SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite5von47
Institut für Rundfunktechnik II~T2 Einführung
Unsere heutige Informationsgesellschaftist geprägt vom steigenden Bedarf an Mobilität bei ständiger Erreichbarkeit.Gleichzeitigwächst der Wunsch nach immer höheren Datenraten. Die derzeit größte Herausforderung an zukünftige,drahtlose Kommunikationssystemestellt deshalb ein breitbandiger, mobiler {zumindest portabler) Datenzugriff beimöglichst hoher Dienstgüte (Quality of Service / QoS) dar. Gerade im Bereich Wireless LAN fehlen in den aktuellenStandards IEEE 802.11a/g sowie den zugrunde liegenden Standards IEEE802.11 und IEEE802.11b sowohl die notwen-digen Durchsatzraten als auch die Dienstgüte.um neue Anwendungen wie zum Beispiel "Horne Entertainment", "horne TVbroadcasting" oder "streaming" zu verwirklichen. Einin MPEG-2 codierter einzelner Videostream guter Qualität benötigt6 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 einerisochronen Verbindung erfordert. Dies ist mit den aktuellen 802.11-Standards nur schwer oder gar nicht zu erreichen, daihnen grundsätzlich an einer Priorisierung einzelner Datenklassen wie Voice, Video oder Filetransfer und vor allemÜbertragungskapazität fehlt Daraus resultieren so genannte "Buffer-Underruns" und zu hohe Bitfehlerraten (BER), waszu Sprach- und Tonverzerrungen sowie zu stockenden oder in Klötzchen gepixelten oder ganz abreißenden Bewegtbildernführt.
Die Schlüsselrolle bei mobilen Funktechniken stellt die nutzbare Bandbreite dar, wobei jedem drahtlosen Service immernur eine begrenzte Bandbreite für die Informationsübertragung zur Verfügung steht Nun ist aber Spektrum ein sehrknappes Gut, das es so effizient wie möglich auszunutzen gilt. Die gewünschte Steigerung der Kommuni-kationsgeschwindigkeit setzt die konsequente Ausnutzung der sich bietenden Freiheitsgrade voraus, was durch unter-schiedliche 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 DivisionMultiple Access (FDMA), sowie Code ~ivision Multiple Access ((OMA).. oftmals sogar in Kombination - in bestehendenSystemen ihre Anwendung finden, steht nun erstmals die bisher wenig beachtete Ressource Raum im Vordergrund (SpaceDivision Multiple Access -SOMA). Sie erschließt sich durch die Verwendung mehrerer Antennen - sowohl sender- sowieempfangsseitig. An solchen Mehrantennensystemen, die als MI MO-Systeme {Multiple Input Multiple Output), bezeichnetwerden, wird weltweit seit Jahren intensiv geforscht ..In" und "out" beziehen sichimmer auf den Übertragungskanal MIsteht somit für mehrere Sendeantennen. MO entsprechend für mehrere Empfangsantennen. Daneben gibt es dieklassischen SISO-Systeme (SingleIn Single Out)mit jeweils einer Sende- und Empfangsantenne, sowie Kombinationenwie SIMO und MISO.
Gerade im ISM-WLAN-Frequenzband 2,4 GHz (Industrial Scientific Medical) sind die Ausbreitungsbedingungen durchMehrwegeausbreitung (multipath fading)sowie Interferenzen gekennzeichnet,verursacht durch eben diese Mehrwege-ausbreitung sowie durch Gleichkanalnutzung anderer WLAN-Nutzer und ferner durch Störungen von anderweitigen ISM-Anwendungen. Nun ist es gelungen, durch Einsatz der MIMO-Technik eine gravierende Steigerung der spektralenEffizienz (bps/Hz) bei gleichzeitiger Steigerung der Ausfallsicherheit der Verbindungen zu erreichen.
@IRT-SGSpeicherund Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seile5von47
Institut für Rundfunktechnik II~T3 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 MIMOtatsächlichkennzeichne.
Gänzlich falsch ist es, was leider geschehen ist, (hanne! Bond;ng (Kanatbündelung) als MIMO zu bezeichnen. Channe(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 "mehrerenAntennen"verwechselt.
3.1 Receive Diversity und Maximum Ratio/Receive Combining
Beim Switched Receive Diversitywird ein ausgesendetes Signal von mehreren räumlich getrennten Empfangsantennenempfangen. Eine entsprechende Empfängerschattlogik sorgt nun dafür. dass jeweils das Antennensignal mit dem
höchsten Signa!-Rausch-Abstand (Signal to Noise Ratio I SNR) zur eigentlichen Datenauswertung verwendet wird.
Beim Maximum Ratio Combining (MRC) werden Amplituden und Phasen der empfangenen Datensignale mit Hilfedigitaler Signalprozessorverarbeitung derart angeglichen, dass durch Signaladdition ein Gewinn bei der S/N-Ratio unddamit eine bessere Bitfehlerrate (BER) erzielt wird (Abbildung 1).
Beides sind bewährte, in einer Vielzahl von Übertragungssystemen eingesetzte Verfahren, die jedoch keineswegs mitMIMO verwechselt werden dürfen.
Receive Diversity
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Abbildung 1: Vergleich: Switched Receive -Diversity zu Maximum Ratio (Receive) Combining.
@IRT - SGSpeicher und Netze Hermann lipfert Dezember 2006 Seite7von47
Institut für Rundfunktechnik II~T3.2 Adaptive Antenna Systems - Beamforming
Nicht korrekt ist es ferner, eine Technik. die unter Namen wie Adaptive Antenna Systems (AAS), Beamforming oderBeamsteedng bekannt ist, als MIMO-Technik zu bezeichnen. Dabei kommen zwar sende- und/oder empfangsseitigmehrere einzelne Antennenelemente zum Einsatz (Abbildung 2). Diese bilden jedoch im Sinne einer Antenne eineAbstrahlungs- beziehungsweise eine Empfangsantenne, deren Antennenkeuleelektronisch variiert werden kann (PhasedArray). Im Gegensatz zu True MIMOwird hierjedoch stetsder gleiche Datenstrom über den Übertragungskanalgesendet.
Als True MIMO bezeichnen viele Entwicklerdas nachfolgend dargestellte Verfahren, bei dem eben ein Datenstrom inmehrere Teitdatenströme aufgesplittet wird, um diese dann
. gleichzeitig,
. im selben Frequenzspektrum aber
. auf verschiedenen Wegen zu übertragen.
Die True-MIMO-Protagonisten woUen 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 auchMRe. Nachfolgend einige grundlegende Erläuterungen zum Thema MIMO.
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Ziel3
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Abbildung 2: Adaptive Antennensysteme (AAS) kiJ"nnen mit Hilfe mehrerer unterschiedlich ausgen"chteter 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 Verbindungs-qualität oder zu einer Erhöhung der Modulationsstufigkeit genutzt werden. Die vier bei WLAN 802.11a/g/n möglichenStufen einer digitalen Modulation sind BPSK (geringste Stufe), QPSK,16-QAM und 64-QAM (höchste Stufe). Entsprechendwerden 1, 2, 4 oder 6 Bit einem OFDM-Subträger zugewiesen. Bei höherer Modulationsstufe kann ein System mehrNutzbits pro Symbol übertragen.
MultHayer-Systemezielendagegenaufeinedeutliche Erhöhung der spektralen Effizienz ab.
3.3.1 Space-Time Coding
Das Ziel der Space-Time.Codes besteht in der Erschließung sendeseiliger Diversitäl durch Kodierung der Information inräumlicher und zeitlicher Dimension, Bei den Space-Time-Trellis-Codes (STTC)werden die Informationsdaten mit Hilfe
@IRT-SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite8von47
IA11A2- ""'<",
81 82 C1 C2 01 02 E1 E2,,.~.,...,..
"~"A3 A4 83 84 C3 C4 03' 04."
A5 A6 85 86 C5 C6"""
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Time A7 A8 87 88
A1 A2 A3 A4 A5 A6
81 82 83 B4 85 86
C1 C2 C3 C4 C5 C6,
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IA1 A5 A9 ~1A17
A2 A6 ~1A1
A3 A7 A11
A4 A8
Institut für Rundfunktechnik II~Tvon Faltungs-Encodern so auf Sendesymbole abgebildet, dass bei maximalem Diversitätsgewinn ein möglichst hoherCodiergewinnerzielt wird. Empfangsseitig erfolgt eine Datenschätzung nach dem Maximum-Likelihood-Prinzipmit Hilfedes Viterbi-Decoders. Um die hohe Komplexitätdes Decoders auf der Empfangsseite zu verringern, wurden weiterhinSpace-Time-Block-Codes (STBC) entwickelt, mit denen die Rechenkapazitätdeutlich verringert werden kann. wodurcheine einfachere und preisgünstigere Empfängerentwicklungerreicht wird [4].
3.3.2 MuLtiLayer-Systeme
Das Konzept der Multilayer-Space-Time-Signalverarbeitung wurde bereits 1996 durch das so genannte Bel/-Labs-Layered-Space-Tirne-Verfahren (BLAST-Verfahren) eingeführt [2, 5, 6]. Dabei wird der zu übertragende Datenstrom inkleinere Pakete aufgeteilt. Diese als Layer betitelten Einzeldatenströmewerden nun codiert und moduliert über mehrereAntennen abgestrahlt.
In Abbildung 3a besteht jeder Layer aus acht Symbolen, wobei jeweils zwei Symbole eines Layers von einer Antenne ge-sendet 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 Gesamtdaten-stroms in Layern verfolgt, deren Anzahl mit der Zahl der Sendeantennen übereinstimmt. Diese räumlich getrennteÜbertragungsart wird als Spafja! Multip/exim beziehungsweise Space-Division Mu/tip/exing{SMJ bezeichnet.
a) D-BLAST b) V-BLAST c) W-STC
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.Abbildung 3: Anordnung derCodewörtersenderseitig beia} D-BLASTbJ V-BLASTbei vier Sendeantennen
3.4 MIMO-OFOM
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 einzelnenSymbolen ein Guard-Intervall (auch Cyetic Prefix CP genannt) eingefügt, welches zeitlich ausreichend lang sein muss, umJitter im Übertragungskanal auszugleichen. Gesendete OFDM-Symbole erfahren durch den Übertragungskanalunterschiedliche Verzögerungen (Delays). Die Varianz dieser Delays am Empfangsort bezeichnet man als litter.
Das Auftreten von Inter-Symbo/-Interference (151)lässt sich somit vermeiden. Es hat sich gezeigt [8], dass OFDM vor-teilhaft mit Mehrfachantennen sowohl sende- als auch empfangsseitig kombiniert werden kann. um den Diversi-tätsgewinn respektive die Übertragungskapazität in zeitvarianten und frequenzselektiven Kanälen zu erhöhen. DasErgebnis 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 Per-Antenna-Coding (PAC)unterschieden. Bei der PSC wird zunächst der gesamte Datenstrom codiert, die Codebits verwürfeItund anschließend auf parallele Datenströme entsprechend der Antenneanzahl aufgeteilt. Bei der PAC erfolgt dieKodierung je Sendeantenne über alle Unterträger.
3.5 Algorithmenauf der Empfangsseite
Das Empfangssignal besteht aus der linearen Überlagerung der gesendeten Layer (Abbildung 3d). Man spricht daher vonInter/ayer-Interference (ILI), Ohne entsprechende Detektionsverfahren, wie sie in [1] empfängerseitig miteinander
@IRT - SG Spl':ichl':f und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite9von47
Institut für Rundfunktechnik II~Tverglichen werden, lässt sich die gesendete Information nicht mehr direkt schätzen. Vor allem zeigt sich, dass optimaleDetektionsverfahrenmit einem ziemlich hohen Rechenaufwand einhergehen und die Anzahl der Berechnungsschritte mitder Anzahl von Sende- und Empfangsantennen stark anwächst. Zur Verringerung dieses immensen Rechenaufwandes, umalso MIMO-Systeme effizienter implementieren zu können, wurde und wird an suboptimaten Detektionsverfahrengeforscht und gearbeitet.. Die ersten praktischen Realisierungender OFDM-basierten WLAN.Technik zeigen, dass MIMO
nun für den Massenmarktalserschlossen gelten kann.
Mit dem neuen Standard IEEE 802.11n, der Anfang 2007 endgültig verabschiedet werden soll, wird Wireless LANtechnologischsogar zumVorreiterfür andere Wireless-Mobile-Broadband-Systeme[3, 7. 8].
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Abbt/dung 3d' Überlagerung der gesendeten Layer an den Empfangsantennen
@IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 10 von 47
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Institut für Rundfunktechnik II~T4 Modulation und Codierung bei IEEE 802.11n
Der Herstellerverbund Enhanced Wire/ess Consorflum(EWC)hatte bereits MitteOktober 2005 eine eigene Spezifikationverabschiedet. Ziel sollte die Beschleunigung der 802.11-Standardisierung sein. Die IEEE-Arbeitsgruppe 802.11n hat dievon der Ewe vorgeschlagenen Neuerungen nun in den EntwuITdes Standards, den "Draft-n" übernommen undbeschlossen, sie für den endgültigen Standard zwingend (mandatorYi vorzuschreiben. Tabelle 1 zeigt die zahlreichenVarianten, 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 zurSteigerung von Datendurchsatz bzw. Reichweite beitragen können.
1. Als Kanalbandbreiten sind nun sowohl 20 MHzals auch 40 MHzmöglich. Ähnlich wie beim erwähnten Channe/Bondli1gwird hier der Datendurchsatz voll zu Lasten von verbrauchtem Spektrum erhöht.
2. Durch neue schnelle Chip-Techniken ist es gelungen, den CyclicPrefix (Guard Intervat GI), der bei der Übertragung zwi-schen den einzelnen OFDM-Symbolen zur Vermeidung von Inter-Symbot-Interference eingeschoben wird, von 800 ns auf400 ns zu halbieren. Die letzte Doppelspalte zeigt im Vergleich zur vorletzten die entsprechenden Gewinne bei denLinkraten.
3. Inzwischen ist noch der Vorschlag hinzugekommen, die Anzahl der zur Datenübertragung genutzten OFDM-Unterträgervon 48 auf 52 zu erhöhen (HT-OFDMHigh Throughpu~, wodurch die Linkrate(Bruttodatenrate) von 54 Mbpsauf 58,5Mbps steigt. Die tatsächliche High-Tech-Innovation ist jedoch in der Verwendung mehrerer "Spatial Streams" durch dieEinführung von MIMO{Tabelle 1. Spalte 2: Number of spatia! streams, zu finden. Sie erlaubt erstmals, auf dem gleichenKanal (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 Erweiterungenstattfinden. So gibt es neben kürzeren Inter-Frame Spaces {IFS}die Möglichkeit, frames zusammenzufassen und somit alsBlock zu quittieren (Acknowledgement).Um den Durchsatzzu steigern, sollten der Datenanteil eines einzelnen MAC-Frames und damit die Zeitdauer für die Nutzdatenübertragung im Vergleichzu den festen Zeiten der Inter-frame-Spacesund des Acknowledge-Pakets möglichst groß sein.
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Tabelle 1: Modulation and [oding Schemes (MCS)im neuen Standard IEEE 802.1 ] n.
NCBP5: Numher 01 coded hits per symhol - NE5: Numher 01FE( encoders - N5D: Numher 01 data suhcarriers - GI: 5ize 01 GuardfntetVt;1
@IRT - SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 11 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5 VergLeichende Messungen am IRT
DasInstitut für Rundfunktechnik (IRT) führte und führt Performance-Messungenmit den neu esten arn Markt erhältlichenPre-n- und Draft-n Produkten durch. Ein realer Vergleich der neuen Techniken zumexistierenden 802.11g-Standardlässtsich nur ziehen, wenn alle Messungen mit Kanalbandbreitenvon 20 MHz - also ohne Channel-Bonding - durchgeführtwerden. Leider lassen es einige Implementierungen nicht zu, das Sendespektrumauf einen WLAN-Kanal einzuschränken.Bei der Auswahl des Sende- sowie der unterschiedlichen Empfangsorte wurde darauf geachtet, möglichstalle in derPraxis auftretenden Standortsituationen zueinander abzubilden. Die Messungen wurden im zweidimensionalen Bereich,das heißt innerhalb einer Gebäudeetagedurchgeführt.Fürdie Zeitdauerder Messungenwaren alle anderen AccessPointsim Messbereich abgeschaltet beziehungsweise auf Sendekanäle umgestellt, deren Spektralmaske sich auf keinen Fall mitderSpektralmaske des Messkanats überlappen.
Abbildung4 zeigt den Etagenplan.Grünist der Standort der MIMO-Routerdargesteltt, die insgesamt sieben Messorte,andenen ein Mess-Laptop mit jeweils korrespondierender MIMO-PC-Card platziert war. Die aus dem Etagenplanersichtlichen Trennwände der einzelnen bestehen Räume aus circa 15 Zentimeter dickem Ziegelmauerwerk, vierFeuerschutzwände sind sogar aus 30 Zentimeter dickem Beton gegossen. Die Dämpfung diese Feuerschutzwändeentspricht damit der Dämpfung gängiger Betondecken respektive Fußböden oder eine doppelten Thermoverglasung [10].
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MeS:~~~M~-OFDM W~eless LAN
8126 B125 8124 8123 B1 8121 8120 8117 BI16 Bm B114
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Wandstärken(Ziegel+ Putz) circa 15cm
Wandstärken Beton circa 30 cmIn vielenRäumen Stahfschränke
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Abbildung 4; Die WLAN-Messumgebung am IRT im 1. Obergeschoß des Hauses 17B steift mit ihren Beton- und Ziegelwa"nden,Glastüren gefüllten Bücherschränken ein gutes Model! 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. DieMessorte des MIMO-Laptops befanden sich jeweils in rund einem Meter Höhe über dem Fußboden. Ein Messort befandsich im Senderaum in drei Metern Entfernung mit direkter Sichtverbindung (Line-of-Sight- LOS), alle anderen sechsMessorte 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 vonmannigfachen Streuungen und Reflexionen geprägt ist.
Da das Sendesignal den Empfänger bei NlOS auf unterschiedlichsten indirekten Wegen erreicht, kommt es zwangsläufigzu Phasenverschiebungen und variablen Abschwächungen der einzelnen Signale" Die Überlagerung der einzelnen Signaleam Empfangsort (Abbildung 5) führt zu über Zeit und Frequenz schwankenden Einbrüchen (Multipath Fading). Diesenegativen Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung bei SISO-Systemen können durch Einsatz von Spacial-Multiplexing-uber MIMO-OFDM-Systeme jedoch zum Positiven gewendet werden.
@IRT - SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 12von47
Institut für Rundfunktechnik II~TMehrwegeausbreitung Reflektion
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Empfänger:r\~WLAN ~If.~'"Sender --"''''''' ~.-.-.
Streuung
Abbildung 5: Pdnzip der Mehrwegeausbreitung
Abbildung 6 zeigt das eingesetzte Messequipment.Zum Einsatz kam die Messsoftware "IxChariot"von IXIA, die fürprofessioneUePerformance-und QoS-Messungen auf Basis von Protokollen wie TCP oder UDP ausgelegt ist.
IxChariot(onso(
~~"Cdh:,~::
~MIMOWLANa02.1tDraft-n802.11pre-n
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~ LaptopmitMIMO Pt.
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IxChanotEndpoint 2
Abbildung 6: Das Messequipment für die MIMO-Messungen am IRT besteht aus einem Gigabit-Ethernet-Switch, an dem der zutestende WLAN-Access-Point angeschlossen ist, einem Notebook mit den zu testenden Gegenstück - der WLAN-Client.(ard, sowie
einem weiteren Notebook, auf dem die Messsoftware /iiult. (Unabhängig davon überwacht ein drittes Notebook mit WLAN.Adapterdas WLAN-Spektrum.]
Zum Messen wurde Kanal 13 gewählt, zum Vergleich wurde jedoch jedes Produkt stichprobenartig auch auf Kanal 6nachgemessen. In den Ergebnissen zeigten sich keine nennenswerten Änderungen. Die zu messende MIMO-PC-Card warin einem Siemens/Fujitsu Lifebook (Model 570100 5-Series Centrino) eingesteckt. Auch hier wurden stichprobenartigMessungen mit einem Notebook Samsung XI0 wiederholt und verglichen. Die Messergebnisse waren auch hier nicht vomeingesetzten Notebook abhängig. Als Betriebssystem ist auf allen PCs Windows XP Professional mit aktuellen Patches inVerwendung.
@IRT-SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Sl"itl" 13 von 47
Produkthersteller ModetlAP-Router ModellClient-Card Chip-HerstellerVerbesserungs-konzept
NetgearWPN824 WPN511 Atheros ChannelBondingRaOQeMax RanQeMax Video54 Beamforming
BuffaloAirstationWZR- Airstation AirQoNetworks SpatialGI08 WU-CB-GI08 AirQoAGN-I03 Multiplexing
Belkin F5D8230.4 F5D8010AirQoNetworks SpatialAirQoAGN-103 Multiplexing
Atheros ChannelBondingD.Link DI-634M DWL-G650M AR5005VL Spatial
(Super.G) Multiptexing
Linksys WRT54GX WPC54GX AirQoNetworks SpatialSRX400 SRX400 AirqoAGN-103 Multiplexing
Produktherstelter ModeU AP-Router Modell Client-Card Chip-HersteHerVerbesserungs.konzept
RalinkSpatialEdimax BR.6216Mq(G} EW.7608PQ RT2529
RT2661Multiplexing
RalinkSpatialLevelOne WBR-5400 WPC.0500 RT2529
RT2661Multiptexing
RalinkSpatialSMC Barricade SMCWBR14.GM SMCWCB.GM RT2529
RT2661Multiplexing
Institut für Rundfunktechnik II~TDie Treiber- und Utility-Software für jede einzelne MIMO PC-Card wurde von der mitgelieferten Software-CD auf demjeweiligen Mess-Laptop installiert und nach Abschluss der Messungen jeweils wieder deinstaltiert. Vor den im Novem-ber/Dezember 2006 durchgeführten Draft-n-Messungen, wurde jeweils die zum damaligen Zeitpunktaktuellste Firmwarefür die MIMO-WLAN-Routerund die aktuellsten Treiber und Utilities für die MIMO-Client-Cards von den jeweiligenHersteller-Websites installiert.. Die einzelnen Messungen fanden bei den ersten fünf Pre-n-Produkten (Tabelle 2) noch imersten Quartal 2006 statt, die Produkte nach Tabelle 3 waren Ende des 2. Quartals verfügbar, die Dratt-n Produkte nachTabelte 4 im 4.QuartaI2006.
An alten sieben Messorten wurden TCP-Performance Messungen gemacht Die Übertragungs richtung war dabei,entsprechend der zu erwartenden Anwendungen "downstream", also vom Accesspoint zum Client gerichtet. Jede einzelneMessung dauerte drei Minuten und jede Messung wurde dreimal durchgeführt. Die Balkengrafiken zeigen dieDurchschnittswerte 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 undVoIP durchgeführt und nach Qualitätskriterien wie Delay und Jitterbeleuchtet werden. Hierzu sind dem Messberichteinige Messgrafiken beigefügt
5.2 Pre-n Produkte
Aus Tabelle 2 und Tabelle 3 können die vom IRT untersuchten Pre-n Produkte entnommen werden.
Tabelle 2: Untersuchte Pre.n-MJMO.Produkte
Tabelle 3: Weitere untersuchte Pre-n.MIMO.Produkte
@IRT- 5G Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seile14von47
Institutfür Rundfunktechnik II~T5.2.1 5tandard-IEEE-802.1 19-Referenz: Funkwerk Artern W1000
-Das Modell Artem W1000 der Funkwerk AG trigt die Bezeichnung (PD-Xl-g.
Damitdie Leistungsfähigkeitder neuen MIMO.Produkte in Bezug zu einem 802.llg-Standard-Produkt gesehen werdenkönnen,wurde zuerst an aUen sieben ausgewählten MessortenTCP.Performance-Messungennach denselben Kriteriendurchgeführt, wie sie anschließend für die MIMO-Messungen galten. Diese Referenzergebnissezeigt AbbiLdung 7.ZumEinsatzkam der Access PointArtem WIOOOvon Funkwerk. der mitzweiAntennenausgestattetist
St<rdard 11gAPrri1WPA-lK1P 1
25/,
'"15
10IlIstm:l<rd 11gWn"it WPA-TKI~
5
0Les
3m
-011 012 01:3 014 015 Qt6
ca.12m ca.16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.4Cm
--'Abbildung 7: Standard 11g - T{PIIP-Durchsatz an den acht Messorten, ermittelt mit dem 5tandam-WLAN-G-Access-Point W1000
vonArtem
@lRT- SGSpeicher und Netze Hennann lipfert Dezember 2006 Seite l5von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.2 Belkin MIMO Pre-n
Im Be/kin Wireless Pre-N RouterF508230-4 arbejfet der Airgo-Chipsatz AG-103 auf insgesamt dreiAntennen.
Das WLAN-Pre-n-OuQ von Belkin. bestehend aus dem Access Point F5D8230-4 und der PcCard FSD8010 zeigt bei LOSundim NlO$-Nahbereichkeine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Standard-WLAN-G-Referenzprodukt. An den fürFunkwellenschwierigerzu erreichenden Standorten 2 bis 6 kommt jedoch die dort eingesetzte MIMO-Technikvon AirgoNetworks durch die gravierende Mehrwegeempfangssituationdeutlich zum Zuge und äußert sich in deutlich besserenDurchsatzraten.Am Ort 5 lag die TCP-Performance stabil über 10 Mbps. Das Innenleben des WLAN.Access-Points gleichtdem des Pre-n-Routers von Linksys wie ein Ei dem anderen. wie im Test des Tom's Networkinq Guide Deutschlandnachzulesen ist. [11]
----
251
5
Belkin20
15
10
11 FI.I1k\-.e;k Mem 11gVIIPA-TKIP
. B€lkin Wireless Pre-N MlrvDlNPA-ThIP
0La.;
3mrn1 rn2 rn3 ~4 ~5 ~6
ca12'n ca16m ca16m ca.12m ca_2&n ca-4On
Abbildung 8: Der Belkin-Acces-Point f5D8230-4 erreicht durch True MJMO über die Pre-n-C/ient-Card F5D8010 ohne LOS mithinmehr Durchsatz als in direkter Sichtverbindung - ein Beweis fürspatiales Multiplexing.
@IRr-SGSpeicherund Netze Hermann lipfert Dezember 2006 Seite 16von47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.3 linksys MIMO Pre-n
""
Der Linksys-Access-Point Linksys WRT54GX SRX ist ebenfaf/s mit drei Antennen tür den Airgo-{hipsafz AN-J03 ausgestattet.
Beim Messduo bestehend aus dem Access Point Linksys WRT54GX SRXund der Client-P(-CardWPC54GX SRX ergabensich selbst im Fernbereich gute leistungswerte. Am Messort 5 konstante 15 Mbps gegenüber Null bei 802.11gerzielen zukönnen, ist ein überzeugender Beleg für die Funktionsfähigkeitder MIMO-Technik. Das belegen ebenfalls die unabhängigvom Tern's Networking Guide Deutschland durchgeführten Messungen [131.
25
5
Linksys2J)
15
10
11 Fl$1kl'.€fkArtem 11g \/Iif'A-TKIP
11 Linksys SRX\fI/R'l'54GXWPA-l'K!P
0LOS
3m~1 ~2 ~3 ~4 ~5 ~6
ca.12m ca.1fm ca1€m ca 18m ca.28m ca.4CKn
-
Abbildung 9: Das Pre-n-Piirchen,von Linksys, bestehend aus dem Access-Point-Router WRT54GX SRX und der Client-PC-CardWPC54GX SRX, erreicht trotz gleichen Airgo-AG-103-Chipsatzes besonders in der Feme sogar noch bessere Durchsatzwene alsBelkins Pre-n-Technik
@IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite17von47
5.2.4 Buffato MIMO Pre-n
LL;,~
~~statlonJ4IMOf':
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Institut für Rundfunktechnik II~T
Der MIMO Wireless {able/OSL Router WZR.GJ08 alls der AirStation-Baureihe von Buffalo ist ebenfaf/s ein Pre-n-Gerät mit demTrue-MIMO-Chipset von Airgo Networks.
Während die leistungsfähigkeit der Pre-n-Produkte von Buffalo im Nahbereich eher bescheiden ausfällt, zeigen sie imReflexions-und Mehrwegebereichgute Leistungswerte.
25
XJ
15
10
5
0LOS
3m~1 ru2 ru3 ru4 ru5 llie
ca.12m ca,16m ca.16m ca.18m ca.28m ca.4Om
I
Buffalo
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I
!I FunkVl€fk Artem 11g VVPA-TKIP
~ Butfalo P-Jrstatj((1 MIJv10 WPA-TKIP
Abbildung 10: 8uffa/o Airstation Router WZR-GJOB mit Airs/atfon WLl-CB-G108 PC.Card pre-n
5.2.5 D-Link MIMO Pre-n
Das MIMO-Pärchen von O-Link (Abbildung 11) zeigte im Nahbereich hervorragende Ergebnisse.Trotz einiger leistungs-einbussen im mittleren Entfernungsbereich steht es mit der Übertragungsrate gerade im Fernbereich aber recht gut da.
@IRT - SGSpeicher und Netze Hermarm Lipfert Dezember 2006 Seite18von47
Institut für Rundfunktechnik II!T
Abbildung 11: Der WLAN-Access-Point-Router DI-634M ist mit jeweils zwei externen und internen Sende- und Empfangsantennenfür den MIMO-Betn"ebausgestattet.
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15
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5
0LOS
3m~1 ~2 ~3 ~4 rus ru6
ca.12m ca16m ca.16m ca.18m ca28m Ga.4011
D-Link
111Funkl'\efkAitem 11gWPA-WP
11 [).ljnk 108G MlIVrO [)-634Mohre Turto
I
WPA-TKIP-
Abbi1dung 12: O-Link setzt in den Pre-n-Access-Geräten. dem WLAN-Access-Point-Router DI-634M und DWL-G650M aufden "Super-G"-Chipsatz AR5005VL von Athero5 und übertrifft damit auf LOS die Airgo- Technik.
@IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 19von47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.6 Netgear Pre-n "RangeMax"
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1m Access-Point WPN 824 von Netgear sind die Antennen starr. Die rotierende "Lichtorgel" ist reine Kosmetil<.
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Unter der animierten Haubesfeckt ein PCS von Video54 mit insgesamt sieben unterschied/ich angeordneten Leiterbahn-Antennen für
das Beamsteering.
Die RangeMax-Technik von Netgear arbeitet mit Channel Bonding und Beamforming. Im Nahbereich bewirkt die Kanal-bündelung 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 mitden konkurrierenden Produkten. die sich auf eine Kanalbandbreite von 20 MHz beschränken. zwar nicht direktvergleichen. Der Vollständigkeit halber seien jedoch diese Messergebnisse hier ebenfalls aufgeführt.
Interessant ist, dass im Fernbereich weder Beamforming noch Channel Bonding an die Leistungsfähigkeit von True-MIMOheran erreichen, was auch die Tests des Tern's Networking Guide Deutschland belegen [12J
co IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite20von47
45
40
35
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15
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5
0LQ3
3m
Institut für Rundfunktechnik II~T
INetgear
I
.Funkv>.efk Mem 11g\NPA-lKIP
. Ne\gear~ Max \IVPN 824 vvpA-1
lKlPOlanneI-Bording
ru1 ru2 ru3 ru4 rus rueca12m ca.16m ca.16m ca.16m ca28m ca.4Q-n
Abbildung 12: Die Pre-n-WLAN-Geräte aus der RangeMax-Re;he von Netgear. der Access Point WPN 824 Router und die PC.{ardWPN 511 zeigen sich bei schwierigerer Empfangs/age trotz doppelten Verbrauchs an Spektrum den echten MIMO-Produkten
unterlegen.
@IRT - SG Spl':icher und Netze HHmann Lipfert Dezember 2006 Seite 21 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.7 Edimax MIMO Pr.-n
Edimax setzt im Pre-n-Router BR-6216Mg auf den MIMO-Chipsatz lIon Rat;nk..
Das erste Pärchen mit dem Ralink-Chipsatz im Testfeld waren der Access Point BR-6216Mg(G)zusammeri mit der PC-CardEW-7608PG - beide von Edimax. Im Nahbereich auf LOS und NLOS stelten sich Performance-Werteein, die bei 20 MHzspektraler Effizienz nahezu ebenso gut ausfallen, wie die Werte, die etwa Netgear mit der Kanalbündelung auf 40 MHzerreicht. Im Fernbereich kommt dieses Ralink-True-MIMO-Gespann allerdings nicht an die leistungswerte der ProduktemitAirgo-Chipsatzheran.
-
35-
5
35
25EdimaX
2D
15
iI Funkv>.et1<.Artem 119 WPA-lKIP
10
. Edirrax MIM:) Wireless Reuter SR-6216fv'G(G) WPA TKIP
0lOS 011 012 013 Qt4 015 016R:dus Padius Rrlus R.sdiw Radius RadilJS Radius
3m ca.12m ca.1Em ca.16m ca 1&11 ca.2&n ca.41}n
Abbildung 13: Edimax Pre"n-Access-Point BR-6216Mg(G) und PC-Card EW-760BPG nutzt das Spektrum besser.
(g IRT - SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 22 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.8 level One MIMO Pre-n
- -Obwohl die Pre-n-ProdukteWBR-5400 und WPC-0500 von level One mit dem gleichen Ralink-Chipsatz arbeiten wie dieEdimax-Pre-n-Gerätefällt ihre Performance im Nahbereich schwächer aus. Im Fernbereich erreicht ihre leistung jedochdurchaus das Niveau von Produkten mit Airgo-True-MIMO-Chipsatz.
30
5
. Furi<Mak Artern 11g VVPA-lKIP
25
20
15
10. Le\GI 01e MIM:.) AP RDuter VVBR-5400
\NPA-lKIP
0LOS 011 012 an 014 01:5 016
Radius Radius Radius Rrilus RsJefius Radius Radius3m ca.1:dr1 ca 16m ca.16m ca.18m ca28m ca.4Cm
Abbildung 14; Oie Pre-n-Produkte von Level One - der Access Point WBR-5400 und die P{.{ard WPC-0500 zeigen, dass der Ra/ink-{hjpsatz das Leistungsniveau von Airgo Networks erreicht.
@IRT - SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 23 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.2.9 SMC Barricade MIMO Pro-n
Das SMC-DuQ "ßarricade" WBR14-GM und SMCWCB-GM, das ebenfalls mit dem Pre-n-Chipsatz von Ralink arbeitet, zeigtsehr gute Nahbereichsleistungen. Im mittleren Entfernungsbereich ist die Performance sogar allen Konkurrentenüberlegen, fällt im Fernbereichjedochdeutlich unter5 Mbpsab.
5
SMC Barricado35(
3Oy- --
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20.-//-
18 FunkV\€rk Artern 11g VVPA-lKtP,
15/11SI'v1C Banicade MIMO SMC\M3R
14-GVI VVPA-lKIP
10
0LOS3m
ru1 ru2 ru3 ru4 rus ill6ca12m ca.16m ca.16m ca1&n ca.28m ca.4Om
Abbildung 15: Der AP-Router SMC Barricade WBR14-GM erreicht mit der P{-{ard WCB-GM die besten Werte bei mittleren"Entfernungen':
(0 IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006Seite 24 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T
5.3 Performance-Unterschiededurch Wahl des Security-Verfahrens
Unterschiedliche Security-Einstellungenzeigen beider Performance-Analysedeutliche Differenzen beiderNettoübertragungsleistung.Alle Messungen wurden mit dem WPA.TKIP Verschlüsselungsverfahren (WPA1)durchgeführt. Vor allem bei vielen Pre-n-Produkten fehlt hier eine Hardwareunterstützung, die beim WPA2.AESVerfahren bereits vorhanden ist. WPA-TKIP (Preshared Key) gilt deshalb als kritischsteBetriebsvariante, da es noch aufden RC4-Algorithmus aufsetzt und(zumindest bei den Pre-n-Produkten in diesem Test) ohne Hardwareunterstützungläuft.
5
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30
1511 BuffaloArstation MlMO\iVPA-lKIP
I
'11BuffaJo flJrstation Mlrv'O \lVEP ;
0 Buffalo Airstatim MIMO \NPA-AES!10
0lCB 01. 1 01.2 01.3 01.4 01.5 01.6
Padius Radius Padius Radius Radius Radus Padius3m ca12m ca.16m ca.16m ca.1&n ca28m ca.4Orn
Abbildung 16: Leistungsunterschiedezwischen WEp,WPA1-RC4, WPA2.AES
5.4 Oraft-n-Produkte
Mit hohen Erwartungen wurden die Messungen an den ersten veriügbaren Draft-n-Produkten vorgenommen. Mit demChipsatz "Atheros AR 5416" ausgestattet. der die so genannte XSPAN-Technik repräsentiert, sollten sie in neuePeriormance.Oimensionen vorstoßen können. Denn erstmals überträgt dieses True-MIMO-Chipset drei paralteleDatenstrÖme in einem Kanal. Die vom IRT untersuchten Oraft-n-Produkte zeigt die Tabelle 4.
(0 IRT - SG Speicher und Netze Hermann Upfert Dezember 2006 Seite 25 von 47
ProdukthersteHer ModellAP.Router ModeliClient-Card Chip-HerstellerVerbesserungs-konzept
Verdoppelung der
Linksys WRT 300N WP(300NAtheros KanalbreiteAR5416 XSPAN Spatial
Multiplexing
Verdoppelung derKanalbreite
AtherosSpatial
Trendnet TEW-631BRP TEW-621PC MultiplexingAR5416XSPAN
UBICOMStreamEngineTechnique
RanQeMaxWireLess
RanqeMaxWirelessNotebookAdapter
Verdoppelung derWN51IT.100ISS
NetgearRouterGiqabit
oodMarvell Kanalbreite
Edition WNR854T-RanQeMaxWireLess
TopdoQ88W8360 SpatiallOOISS
SB 2.0 AdapterMultiplexing
WN121T-lOOGRS
NfinitiWireless-N NfinitiWireless-NVerdoppelung der
Buffalo Router& Access NotebookAdapter Broadcomlntensi-fiKanalbreite
PointWZR-G300N Wll.CB-G300NSpatialMultiplexing
Institut für Rundfunktechnik II~T
Tabe//e 4: Untersuchte Draft-n-MJMO-Produkte
Aufschriftenauf den bunten Verpackungenwie ,,12 x schneller"und ,,4x weiter", oder auch "up to 300 Mbps"lassen denKunden höchste Performance-Sprünge zu der bisher eingesetzten 802.11b/g Technik vermuten. Der Standard IEEE802.11n bietet zwar keine explizit hinzugefügten Quality-of-ServiceMerkmale (dies ist mit der IEEE 802.11eStandardisierung verabschiedet worden), die versprochene Performanceverbesserung kann aber durchaus auch zurVerbesserung von Übertragungseigenschaften beitragen. Der Verabschiedung des aktuell gültigen Draft-n ging ein mehrals einjähriges Ringen zweier unterschiedlicher Verbände von Interessenvertretern voraus. Erst der Vorstoß des EWCEnde2005 brachte wieder Bewegung in die Standard bemühungen. Auch die Tatsache, dass nun Herstellermit ihren Draft-N Produkten auf den Markt drängen zeigt, dass (vor altem die Consumer-Industrie)auf verbesserte Drahtloslösungen imHome-Bereich gedrängt undgewartet hat.
Die Ergebnisse des Linksys-Duos waren sehr ernüchternd. Zu Beginn wurde sowohl der Broadband Router WRT300N alsauch die PC-Card WPC 300N im Messlaptop mit der mitgelieferten Software in Betrieb genommen. Im Nahfeld lagen dieWerte sogar deutlich unter der 802.11g-Referenz.Allerdingsblieben die Werte bis in den Fernbereichüber die gesamteEntfernung praktisch konstant. Auch mit einem zweiten AP/PC-(ard Pärchen ergab sich keine Verbesserung. Es ist zuvermuten, dass die Funktion des MIMO-Chips hier nicht korrekt greift. Bei den oraft-n-Produkten führte das IRT erstmalszusätzlich Streaming-Messungen auf Basis von UDP (User oatagram Protocol) durch. Hier zeigt sich ein etwas besseresDurchsatzverhalten als bei TCP. Eine Erklärung für die niedrige Performance könnte das "Handshake"-Verhalten beimTCP-Protokoll in Verbindung mit MIMO sein. Die übertragenen Einzeldatenströme werden im Empfänger wieder zu einemGesamtdatenstrom vereint. Im Transport-layer im ISO-OSI-Schichtenmodellwerden dann die TCP-Pakete. die Blockweisegesendet wurden, bei Fehlerfreiheit durch Acknowledge quittiert. Im Fehlerfallbleibt dieses Ack aus, sodass der Senderden gesamten Paketblock wiederholt. Kommt es bei MIMO zu Störungen/Bitfehlern auch nur auf einem derEinzeldatenströme, führt dies beim Gesamtdatenstrom ebenfalls zu Fehlern.
@IRT-SGSpeicherund Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 26von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.4.1 Linksys MIMO Dralt-n
Abbildung 16: LinksysDraft-nBroadband Router WRr 300M
Ein Update auf die aktuellen $oftwareversionen (Firmware Version 2.00.17 beim Rauter und Software v2.14.05 bzw.Treiberversion 6.0.2.9 für die Client-Card) brachte im Nahfeld zwar deutliche Verbesserungen, der erhoffte "l1n-Schub"blieb aber immer noch aus. Die Netto-TCP-Raten liegen bei LOS und im Nahbereich NlOS bei 22Mbps. Im mittlerenMesshereich (Ort3) werden um die 15Mbps erreicht und im fernen Messbereich (ürt3 bis Ort6) sieht es nach einer stabilenÜbertragungsrateoberhalbder6Mbpsaus.
Da die Leistung im Nahbereich immer noch viel zu gering scheint, laut Aussagen seitens der Fa. Linksys jedoch deutlichhöhere Performance möglich sei. wurden die Tests mit genannten Linksys Produkten ausgesetzt. Sollte Linksys hier eineaktuellere 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,
5.4.2 Trendne! MIMO Dralt-n
Abbildung 18: Den WLAN-Access-Point-Router TEW-6J1BRP hat Trendnet mit der StreamEngine von Ubicom versehen, die mitPn"on"sierungstechniken Zeitverzögerungen und litter bei Streaming-Anwendeungen wie Val?, Musik, Video und Spielen vermindern
solL
@IRT-SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 27 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~TMitdem Trendnet TEW-631BRP APund derTEW-621PC-Client-Card war dann doch der von der neuen Technik erwartete,gewaltige Leistungsschuboffensichtlich. Im Nahbereich auf LOS erreichte der Durchsatz mehr als 60 Mbps und bei NLOSam Ortl lag er immer noch bei über 50 Mbps und das definitiv bei einer Kanalbandbreite von 20MHz - also nicht aufKosten von Spektrum. Mit diesen Werten ließe sich bereits die gleichzeitige Übertragungen mehrerer HDTV-Streamsrealisieren. Auf der physikalischen Schicht kommen bei diesen Produkten drei ParaUe[übertragungen zum Tragen. leidersieht es im mittleren und fernen Messbereich dagegen sehr dürftig aus. Es gibt offenbar beim Abgleich von Software,Firmware und Hardware noch einiges zu tun.
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Radius R.3dius Radius Radius Radius Radius Radius3m Ga.12m ca.16m Ga.16m ca.18m Ga.28m Ga.4Cm
Abbildung 19: Die Trendnet Draft-n-Geriite zeigen in Nahbereich Spftzenwerle, im mittleren Bereich oder in der Ferne erreicht diehier 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.
Bei den Übertragungsmessungen Netgear WNR854T Wireless Router und WN121T USB2.0 Client-Adapter zeigte derSpektrumanalysewerkzeug laptop Analvzer von AirmaQnet am Messort LOS und ORT!, dass die Verbindung mit 40 MHZBandbreite aufgebaut wird. Am Ort2, Ort3 und Ort4 schaltet die Verbindung nUn auf 20 MHz um (niedrigerer S/N-Wert-7Adaptive Channel Expansion). Am Ort5 wird öfters ein Hin- und Herschalten zwischen OFDM und eCK-Modulation anHand der spektralen Darstellung am Analyzer sichtbar. das heißt weiterhin 20MHz Bandbreite aber noch geringere SINR.Am Messort6 schließlich wird wieder mit höherwertiger Modulationsstute übertragen, es ist also die SINR wieder größerals am Ort5, was sich mit allen anderen Messungen an diesen bei den Orten deckt. Die eingesetzte Firmware im Routerhatte 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).DieTreiberversion des USB-Adapters war zum Messzeitpunkt 1.0.3.7 (29.09.20061.
@IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 28 von 47
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Institut für Rundfunktechnik II~T
Abbildung 20: Netgear Draft-n RanqeMax Wir eie 55 Rou/er GiQabit Edition WNR854T.l00155 soll durch die 5teady-Stream-Technik
stabHe Wireiess- Verbindungen herste!len und aufrechterhalten.
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AbMdung 21: Mit der pe Card kommt Netgears Drall-n- Technik zumindest im Nahbereich der Unkgeschwindigkeit von Fast Ethernet
bereits sehr nahe.
@ IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 29von 47
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Institut für Rundfunktechnik II~T
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11 Funlw.efk Artern 11gVVPA-lKIP
100~/
. D"aflN t\etgear RDuterv...NR854TnitV\lN121TUSBAdaJ;ter4Ol'vHz-Kanalbreite bei LOS und 01:1, 20MHz
1.. Kanalbreite 01:2-01:5, WPA lKlP
10
0LOS 011 01:2 01:3 01:4 01:5 01:6
Radus Radus Radius Radius Radus Radius Radius3m ca.12m ca.16m ca.16m Ga_18m ca28n1 ca,4Qn
Abbildung 22: ... und bdngt mit dem U5B-Z.O-Adapter sogar noch in den Mitten etwas Leistung.
Die Draft-n-Produkte von Netgear belegen die doppelte Kanalbandbreitevon 40MHz bei guten SNR-Werten automatisch.Leider kann somit nicht der User selbst darüber entscheiden,wie er sein verfügbares Spektrum nutzen will. Die spektraLenDarstellungen verdeutlichen den Bandbreiteverbrauch bei Verdoppelung der Kanalbreite.
.. AirM~n.' Spoc,'"", AßO!JIZ~f-ISpoctr"m Viewl r:]r,51:~
- ..;;:;;mm~m(~n';:;;-~---
B'F';;;;"~;;'. 1(""'",,.,,;s,,,, ~
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Abbildung 23: Spektrale Darstellung bei Verdoppelung der kanalbandbreite auf 40MHz am Beispiel Netgear:
@IRT-SG Speicher lJnd Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite30von47
Institut für Rundfunktechnik II~T~~lrMop'nOI SpOC1f"m 4Mly.oef - [Sp«!rum Viowj ~@J(8]:JEIe """E!oI< !"""'tJoIp - "'~~Tim.fFT(o"tro'"
äf~_'IC«Il<tF'~&M 2,4-2.50H,
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0- '''50G",
R
,,~ T,,,,'v ".'5IJGHl
8 d~", '1'\~~~':'rOif IIII!
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Chomels 11,5, 9,!~ 7!
_(os'en,I'''We~t"rer«,) ~
<MmeIoAfl.<I.o
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-~~'Start ~..~-,,#<~"",.. '1tc,\O"'um..-« aE;... DE'(;5,'f. :,.,.~")(..\...~,, '2,;.JE:d:erMIMt.""".rrr-
Abbildung 24: Spektrale Darstellung bei einfacher Kana/bandbreite 20MHz am Beispiel Trendnet
5.4-4 BuffaLc Draft-n
Beim Buffalo Nfiniti Router WZR-G300N ergaben sich zusammen mit der Client Pe-Card Nfiniti Wireless-N WU-CB-G300N 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 Empfangs-bedingungen von Ort3 bis Ort6. Einen interessanten Vergleich zu einem früheren Buffalo pre-n Produkt siehe weiterunten.
Gemessen wurde der WZR-G300N mit Firmwareversion 1.44 (1.0.37-1.07-1.03) und die Nfiniti Wireless-N WU-CB-G300NClientcard mit Treiberversion 4.80.17.0 (15.05.2006), jeweils die neueste zum Messzeitpunkt zur Verfügung gestandenenSoftware.
@ IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 31 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T
,
Abbildung 25: Der Buffa/o Nfim~; Wireless-N Router & Access Point WZR-G300N arbeitet ausschlÜ:ßlich im gemischten b/g/n-Modlls.
I"~ I"'/
'" 11FI.ri<"""",,Mem11gVIIPA-lK1P
" 11= WZR-G3OONnit PCCard \NLI-C&j
"
LOO 011 012 Ort 3 01.4 015 016Racius Radus. F«iI.» Rdus Rodus Radus RadiI.8
3m ca 12m ca. 1&1'1 ca. 16m ca.1&n ca28TI ca.4Cm
Abbildung 26: Der Buffa/o Nfiniti Wireless-n.Router WZR-G300N mit der C/ient fC-(ard NfTnÜi Wireless-N Wlj-CB.GJOON.
5.5 Beispiele für detaillierte Messergebnisse für Dralt-n-Produkte - grafisch und tabellarisch
5.5.1 Trendne!:TCPim Bereichline-of-5ight
DerTrendnetTEW-632 BRPzeigt in Zusammenarbeit mit der PCcard TEW-621PC im Nahbereich(lOS)sehr guteTCP-Durchsatzraten.DerMittelwert(Average) liegt bei über 63.5Mbps,Spitzenwerte um die 65 Mbps (Abbildung 27).
@IRT -S6Speicher und Netze Hermann lipfert Dezember 2006 Seite 32 von 47
Institut für RundfunktechnikII!TThroughpul
65.25065,000 , ,--
w.ooo -
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I--oj
,I
-1-, - -----&5)]00
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63.000
+ r-- +-------!
61.000o,moo
;
i0:00:30 n01:0Q o:ouo
Elapsedtime(h:mm:ss)
002:00 0,02:30 O:03;üO
AbMdung 27: TCP-Throughput Trendnet MIMO Draft-n bei lOS
Auch im NlOS Nahbereich (Messort 1) ergeben sich sehr gute TCP-Performancewerte (Abbildung 23).
Go""DEI C:\Pfog,,,mme\l><i,,\I,Cha,io!\TcoIO...
8MP~i"D ,-- P..,D EI C:\Pfogr~mm~\lxi,,\I~Chmjo1\Tos\s..
BA'Poi":_- p..,
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N"""R",S,oo"R~ntocomple1io"
NoG,""" .""","A,," lu ~ompl"lion
125 55.642 41>.4S5 53)1551/5 ~.m .O.ln 55.662 ".485 53.055 IIS"S? O.~2
. NOS."""F~,d
1<G 5o.1S4 31>.315 5~.b13126 .(1,6'6--\1,0'6 562" 36,815 ~_613 179)1< I~
n ,-_._nn___- _m m_.'_.
~.ODO
Legend
-~"U.e=ng2.'''-P..'.,T~-O"U",.,,,,,,,lHP,,'-J--Throughpul
63,000
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Abbildung 28: Durchgeführte TCP-Throughput-Messungen im Vergleich - Trendnet Orti.
@IRT-SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 33 von 47
Group/Pair Average Minimum Maximum Throughput95% Measured Relative(Mbps) (Mbps) (Mbps) (onfidence Time (sees) Precision
IntervalOrtl_Messung1.tst 56,194 36.815 59,613All Pairs 56,194 36,815 59,613Pair! 56,214 36,815 59,613 0,616 179.314 1,096OrtJ_Mes5ungZtst 55,642 46,485 58,055All Pairs 55,642 46.485 58,055Pair! 55,662 46,485 58,055 0,279 179,657 0,502OrfJ_Messung3.tst 53,011 13,002 58,097AU Pairs 53,011 13,002 58,097Pair! 53,028 13,002 58,097 2,819 179,529 5,317Tabelle 5: OreidurchgeführtePerformancemessungenam Ort1- Produkte:Trendnet MIMD.
Institut für Rundfunktechnik II~T
5.5.2 Trendnet: TripLe-PLay Messungen - Test Execution (End point 1 to Endpoint 21
Die"Trendnet"TCP-Throughput Messungen ergaben bei LOSund am Messortl die höchsten leistungswerte (bei 20MHzFrequenzbandbreite). Beispielhaft deshalb nachfolgend einige Tabellen und Messkurven, die das Streaming-Verhalten imNahbereich ohne Sichtverbindung (Ort1) und mittleren Fernbereich (Ort4) zeigen. Zur QoS-Messung wurde Triple-Play-Datenverkehr eingesetzt. Die Baseline-Group beinhaltet ONS, HTTPtext und NNTP. Die zweite Group beinhaltet fünfMPEG2-Video Streams die "down link" gesendet werden. Die dritte Group beinhaltet vier IPTV-Streams. von denen je zweiuplink und zwei downlink gesendet werden. Eine vierte Group schließlich beinhaltet drei bidirektionale Voice-over-IP-Signale mit unterschiedlichen Codecs (Tabelle 6).
@IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 34 von 47
IGrouP/pair IEndPointt jEndPoint2I~etwork I~ervice fSCriPt/StreamProtocol Quality Name
I
Basetine-GroupI I I I I
I
Pair1 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IUDPI I
DNS.scr
IPair2 1192.168.1.101 1192.168.1.131 Ire?I I
HTTPlext.scr
I
Pair 3 1192.168.1.101 1192.168.1.131 ITCPI
INNTP,scr
I
NoGroupI I I I I
IPair14 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IRTP I
IMPEG2cOdec
jpair15 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IRTPI
IMPEG2Codec
Ipair16 1192.168.1.101 1192.168.1.131I
RTPI
IMPEG2COdeC
IPair17 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IRTPI
IMPEG2Codec
Ipair18 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IRTPI
IMPEG2Codec
I
StreaminLIPTV_GroupI I I I I
IPair 10 1192.168.1.131 1192.168.1.101 IUDP
I I
IPTVv_lM.scr
I
Pair 11 1192.168.1.131 1192.168.1.101 IUDPI
IrPTvv_IM,Scr
I
Pair 12 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IUDPI I
IPTVv_lM.scr
IPair 13 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IUDP
I 1
IPTVv_1M.scr
IVOIP_GrOupI I I I I
Itair4 1192,168.1.131 1192.168.1.101 IRTPI
IG.711U
~ir5 1192.168.1.131 1192.168.1.101 IRTPI I
G.729
Ipair6 1192.168.1,131 1192.168,1.101 IRTPI I
G.726
1Pair 7 1192.168,1.101 1192.168.1.131
I
RTPI
IG,711U
!pair8 1192.168.1.101 1192.168.1.131 IRTPI
IG.729-'-~I
~~ir9 1192,168.1.101 '-IRTP
I 1
G.7261192.168.1.131
Institut für Rundfunktechnik II~T
Tabel!e6: Emu!ierler Tnple-Play Datenverkehr zur Qo5-Messung.
@IRT-SGSpeicherund Netze Hermann lipferl Dezember 2006 Seite 35 von 47
IGrOUP/pair
I
BaseLine-Group
I~I~I~I
NoGroup
I~I~I~I~I~
Streaming_IPTV_Group
I
Pair 10
IPair 11
Ipair12
Ipair13
IVOIP_Group
Ipair4
IpairS
Ipair6
!Pair7
~j~8
~Irolal5;
Average Minimum Maximum Throughput 95% Measured(Mbps) (Mbps) (Mbps) (onfidence Interval Time (sees)
13,679 1°.409 12.962I
10.516 1°,409 1°.635 1°,004
1°,744 10.477 11,095 1°,005
12,513 12,138 12,962 1°,023
118.343 13.738 13.763I
13.750 13,739 13,762 1°,002
13.750 13.739 13.759 10.001
13.750 13.739 13,760 10.001
13,750 13.739 13,763 10.001
13,750 13,738 13,763 1°,001
FF~I11,000 10.998 11.003 10.000
11.000 1°.997 11.004 1°.000
11,000 10.998 11,004 10.000
11,000 1°,999 11.007 1°,000
1°,203 1°,008 1°,064I
1°,064 1°,064 1°,064 1°,000
jO.008 jO.008 1°,008 1°,000
10,032 10.032 1°,032 10.000
1°,064 1°,064 1°,064 1°,000
~IO,OO8 10.008 10.008 -ro.ooo
1°,032 1°,032 1°,032 1°,000
[26,224 1°,008 13.763-I
Institut für Rundfunktechnik II~TRelativePrecision
I I
1119.655 1°.800
1119,473 1°,721
1119.731 1°,916
I I
1120,046 10.041
1120,052 1°,033
1120,046 1°,032
1120,046 1°,036
1120,056 1°,038
111122.650
1122,663
-)122.669
)122.666
I
1119.992
1119.989
1119.982
1119.983
1119.985
1119.985
1°,040
)°,034
)°,030
1°,037
II
1°,056
1°,056
10.056
10,037
!M47
j1°,045
Tabelle 7; Einze/- und Gesamfdurchsatz der am Ort] gemessenen Datenraten
~ IRT- SG Sp~icher und Netze Hermann lipfert Dezember 2006 Seite 36von 47
Institut für Rundfunktechnik II~TThroughpul
3.S886
3.60ro-..
'---~:-='i-' "'-~:,:,,:,=::,,:-=-::,::,~-...
...~=:------'-
-.-" "'-~'.-r
n .-- J32078 _n
i------ --i--!
2.8078
,~'--L--1-----,
;
!,!\Icv.iI(\A~jl1- Ai< AIv
"-V ---vl+'(-tv'-v--v-~-----
1------I!
2,4078
"ß"Z,0078-->
1.6078-
1.2078 ,- .+ J!
f0,8078
0,4078
0.00780:00:00 ü,OO,20 0:00:40 0:01:00 0:[11:20
Elopsec!lime(l1:mm:ss)
O:01AD 0:02:000:02:10
AbbHdung 29.. Throughput Ttipfe-Piay am Ort} - Produkt Trendnet
Aus der Tabelle 7 sind die einzelnen Datenraten und die Gesamtdatenratevon 26 Mbps ersichtlich.
Die MPEG2-5treams mit je 3,75 Mbps werden sauber ohne Einbruch der Datenrateübertragen (oberstegestrichelte linienin Abbildung 2I/.Auch die vierIPTV-Streamsmit je 1Mbps laufen störungsfrei (siehe gerader Kurvenvertauf bei 1Mbps).
Der Jitter lag am Ortl äußerst niedrig unter 2ms - Probleme sind hierfrühestens ab 50ms zu erwarten.
-P",,14 ."Pair15-P~i,6
."p..ir16-P~ir7
P~i,17
-P",,8P,i,18
-Pdi,9P",,4
-P..,,5
RFC 1889 Jitler3,15003,0000
2.7000
2.4000
.~.--t ,,,
2.1000 L--
0,9000 ,
\': i
, ,..,
I','
\'\
\\\,
0:00:40 0:01:00 ClOUO 00140 0:02:00 0:02:10
"~ 1.80000c
~1.5000
::1,2000
0,6000
0.3000
0,0000000:00 OOCl2ü
EI~p$ed1ime(h:mmss)
Abbildung 3D: jitterbei Tdple-Pfayam OrtJ- Trendnet.
Die MOS-Werte der VolP-Verbindungen entsprechen am Ort1 ausgezeichneter Qualität. Werte über 4 entsprechen hier
ausgezeichneter Sprachqualität.
@IRT-SG Speicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 37 von 47
Institut für Rundfunktechnik II!TMQS Estimale
4.42004.4000
4.3500
4.3200
-t-+-
-
.~4,2400 ---
'"~ 4,2000
02'4.1500
--+-
,,I
+t
. ;ntn r-----
4,2300 --- -- i ---+---I
n + i-----
T
4,1200
4,oaoo ~--~-
,I,
___1-
. .-+ -i-
",
,y---
4.0400 .. . --,. I
4,0000o:o[too 0:00:20 00040 001:00 0:01:20
Elapsedtme(h:mrn:ss)
0:01:40
,0:02:000:02:10
Abbildung 31: M05-Werle fiirdie VOIP-Verbindungen 0111- Trendnet
Das One-Way-Delay ist liegt mit unter 4 ms äußerst niedrig.
One-Way Delay525005.0000 +-
I---~--
4.0000
r\~
~ 3.0000,.,i: LOOOO +------
UJOOO
0.00000:0000 0:00,20 0:00,40 O,Ol;()o 0:01:20 0:0140 0:02:000:0210
Ele.psedtime(hmmss)
Abbildung 32: One-Way De/ay- OrtJ- 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 Datenverkehrsieht man starke Verluste. Abbildung 28 zeigt die Einbrüche bei den IPTV-Streams. Eine "sinnvolle" Übertragung ist hiernicht mehr möglich. die Übertragungsperformanz und -qualität ist an diesem Empfangsort nicht mehr ausreichend.
@IRT - SGSpeicher und Netze Hermann lipfert Dezember 2006 Seite38von 47
=r \. I+
1
,_n__- - +.I
---r-
J200J
~2,8(XX),E
~2.4W).~2JD»
\" 1.6[DJ
1,2000 '0,6000
0.4(0)
Institut für Rundfunktechnik II~T1'''''
- 1'.13-P~i,9
1'..2-P~~4
P.'-P!.5
Plli-12-1'..6
P~10-Pair6
Pa;' 11-Poil7
Throughput1.15491.1013
um'
...n'.801'0.7013
~O.6013"~ 0.5013 '.
0,4013
O.:JJ13
,2.n
0.1013
'.801J",,,.
, ~---, ,
&00:20 ..... 0:01:00 O:CI1:20
Elapsedtime(h:mm:ss)
nObal 0:02:00 0:02:10
Abbildung 33:: Trip/e-P/ayam Ort4 ohne MPEG2 Signale - Trendnet.
Die Mos-Werte der VoIP-Verbindungen sind teiLweise sehr schlecht, das heißt die VolP-Gesprächewären stark gestört.bzw. eine Sprach verbindung wäre zeitweise unmögLich.
I-PIlir4 -p".,-P.!O~ -Pair6 -1'.7 -1'..8
MOS Estimate4,10200
4.4000
'.0000
J.-
'.0000...'"
;~f,
/"'~
I\ r\ '-, ,,
l-i \ I
00020 0"00:40 0:01:00 0:01:20
Elapsedtime(h:mm:ss)
0:01:4iI 0:02:00 0:02:10
Abbl1dung 34.:' MOS Werfe zeigen stark gestörte VoIP-5igniJleiJm Ort4 - Trendnet
Das One-Way Detay geht teilweise bis in den Bereich von einer bis zwei Sekunden!
@IRT - SGSpeicher und Netze Hennann Liptert Dezember 2006 Seite 39 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~Tl-p~ir4 -P"ir5 -P~irE -Pair? -p e -Pa;,9
One-Way Delay3.064
2.700 4-- r--
i
I,- --t-
I,I,,I n______----
2.400
2.100
';;;'_800n
C0~ 1500 .-.-~
-
::':1200
800 --
-~~- t ---roo
~~~ ,.-
0INIO:OO 0,00:20 0:004[1
,001:00 0:[11:20
EI~p$ed lime (h:mm:ss)0:01:40
r,OJJ2:00 0:02;10
Abbildung 35:: One- Way Oe/ay am Ort4 - Trendnet.
DerJitter hat stark zugenommen und erreicht Spitzenwertevon 180ms!
1-""' -P<oiro -Pai,S -P~ir7 -POlS -P."g
RFC 1889 Jitter200.50
181.00 t\\
\
\\
\
161,00
141-00
61,DO
I
\\\
-~
{;121,OOc0:i 101-00~jj: 3UD
41,00
1,000:00:00
21,00
000:20 OOOAO 001:00 0:01:20 001:40 (W200 0:02:10
Elapsedtime(h:mm:$S)
Abbildung 36: filter am Ort4 - Trendnet
Entsprechend treten teilweise erhebliche Datenverlusteauf.
@IRT- SGSp~ich~r und N~tze H~rmann lipfert Dezember 2006 Seite40von47
Institut für Rundfunktechnik II~TLost data
34,500soma + ,
-+- ,,-"~.~- ~..- on.
80.000 ---------- J.,
-+--- .iI
20,000
.. -,~
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~
70,000 + ---+
60.000 -~.~ 50.000
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30,000
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--t
tu10,000
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~,
0,000000:00 o:ooZü 000:40 O:ü1:00 O:Ol:2ü 0,01,40 0[12:00 0:02:10
EIe.ps~dtime(h:mm:$S)
Abbildung 37; Lost Data bei den Triple-Play Messungen am 0114.
DieDurchsatzwertean den Messorten 5 und 6 gehen weiter zurück. Entsprechend steigen Delay, Lost data und Jitter an.Der MOS-Wert zeigt. dass VoIP faktisch nicht mehr möglich ist. Geht manallerdingsin der Übertragungsdatenrate aufsehr niedrige Werte zurück, profitiert entsprechend die Qualität der verbleibenden Übertragung.
~,'. '...
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"",-,_.. .,
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OOZll1VodooI
Groo"I3A"P.;"
» po.1 No~rDUOF~,,""db P..l'loGrooo ,~;,h,dD P",JNoGrou, ,~;,h,d» P..4 N"Grouo F~i,hed» P,;,oNoGr- F~;,,,,,d
MPEG2coo,o MPEGlNOIgoorUSB 192.1GiJ.UMPE~2cod<cMPE(i2NOIgoorU$B 19<,163,1,)
G.711" VoIPN""""USS 192.163.1.3IV11" VoIPN...,."U>8 192.163.l2~.n9 VoIPN...,."U>S 1~2.163,1.3
'a,~,~,~,~
",N'N.N.N.
192.163.1.2192.1631.219216312192.1681.3192.16312
{O..- w',..-..-.""-"-".'."~"".~""'''''''"'-'~'
, -_.;~~ """,.,,~ J >:L...,od
-P..1MPEG2N_IJS8-P..1..IotPE~2N<I9'''1J>8-P..3..VolP~"_USB-P..-<--VolP~"_USB-.o.,i,5 \f.,jo.'I"".~~oB-P..S-Y~PN"_U59
Throughput5.98'50
~y~J'---Jv~v'15.0000
4.0000.-g-3.00oo>
2.0000
1.0000
"~ I;tOOOO ~OO)J O,DlOO aoulJ 0:01:00
Elopsed lime (o:mm:s<)
1",.C",f'~''''or'' Eod,D/;,''-''005.15,'6:53 Run'm'''C/J,o"ozl.",,'oc'''''I*<<>n
O:D2JJ 001:10
Ip""6 1"""'05.'2,2006,15:<3'"
Abbildung 38; Zwei MPEG2 5treams und 2 bidirektiona/e VolP-Verbindungen mit unterschiedlichen (odecs als Messsigna/e sollenAuskunft über die noch erreichbare EmpfangsquaHtät an Orten mit kn'tischen Empfangsbedingllngen geben.
[) IRT- SGSpeicherund Netze Hermann Upfert Dezember 2006 Seite 41 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T5.5.4 Einige Messergebnisse Nelgear Drall-n (20M Hz-Kanal)
Ein Beispiel für die noch erreichbare Qualität von Video-Streams und VoIP-Verbindungensei am Beispiel des NetgearDraft-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.
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Abbildung 39: Die eingestellte Streaming-Datenrate von je 5Mbps wird an diesem Messort bei beiden MPEG-Streams CJl1chnochwirklich übertragen.
@IRT - SG Speicher und Netze Hennann Upfert Dezember 2006 Seite 42 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T
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Abbildung 40: Die gemessenen M05 Werte zeigen eine stark schwankende 5prachqua/itfit In den Bereichen MOS k!einer als 2.5 istein Gespriich stark gestik!. 6n MD5 Wert zwischen 1 und 2 bedeutet, die Verbindung ist unterbrochen.
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@IRT - SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 43 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~TAbbJ1dung 41: Die kritischen Empfangsbedingungen sind auch durch Schwankungen des One-Way-De/ays Oitter) gekennzeichnetNiedrige MOS Werte hängen direkt mit Deiay und }fIle! zusammen.
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Abbildung 42: Auch der Ver/ust von Übertragenen Streamingdaten (Lost Oata) am Messort4 korreliert mit jitter lind Oe/ay
Man erkennt deutlich den Zusammenhang zwischen aufgetretener Übertragungsverzögerung (One-Way-Delay) und derVerlustrate an Daten (tost data). Entsprechend sind auch die MOS-Werte an den Stellen hoher Datenverluste amschlechtesten.
(f) IRT - SG Speicher und Netze Hermann Upfert Dezember 2006 Seite 44von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T6 Zusammenfassung der Messungen
Pre-n versus Draft-n
35
"8 Suffalo A;rstatioo MIIVIOpre-n rrit.A.ig::r
O1ipVVPA-lKIP
. Buffalo Airstatic<:1 D"aft.-N WZR-G3OON-
IPC-Card WlJ-CB.G3OON
30
25
20
LOS 011 012 013 014 015 016Radius Radius Radius Radius Radius Radius Radius
3m ca 12m ca,16m ca 16m ca.16m ca.2&n ca40m
Das niederschmetternde Ergebnis eines direkten Verg/ekhs: Draft-n ist nur im Nahbereich besser. Unter schwieligeren Sende- undEmpfangsbedingungen sch/J"gtdie Pre-n- Technik lIonAirgo die Draft-n- Technik lIonSuffa/o jedoch um Liingen!
Die blau dargestellten Balken zeigen die leistungsfähigkeit des seit über einem Jahr auf dem Markt befindlichen Pre-n-Chipsatzes. Was an Draft-n auf dem Markt ist, scheint zu ignorieren, dass die True-MIMO-Technik von Airgo Networksbesonders 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 dochnoch Einzug in den Standard IEEE802.11n findet und nicht an patentrechtlichen Querelen scheitert. Denn das, was zudessen Entwurf. dem Draft-n, kompatibel ist, bleibt stellenweise weit hinter den Erwartungen zurück.
(g IRT- SGSpeicherund Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seile 45 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T7 Fazit
Mit MIMO-OFDM ist für drahtlose und mobile Übertragungsverfahren ein neuer Stern am Himmel aufgegangen, dessenPotential, die spektrale Effizienz zu steigern, bisher durch keine andere Technik erreicht wurde. Alternativ zur Erhöhungder spektralen Effizienz kann MIMO auch zu einer Verringerung der Sendeleistung bei gleich bleibendenVersorgungsbereichen eingesetzt werden. Der Einsatz der MIMO-Technik in Übertragungssystemen der Zukunft fürBroadcast-, Multicast- und Unicastversorgungwird durch die dann mögliche Reduzierung von Sendestandorten auch fürRundfunkanstalten zum business (ase. Dieim IRTdurchgeführten Messungen zeigen auch wie in [9] beschrieben. sehrgute MIMO-Eigenschaftenbei direkter Sichtverbindungim Indoor~Bereich.Wichtigist. dass genügend Reflexionenunddamit der "gewinnbringende Mehrwegeempfang" entsteht. Was ein Jahrhundert lang in der Funktechnik als Ärgernis beider Übertragung angesehen wurde. gereicht durch intelligenten Einsatz von Physik und Mathematik dem Anwender zumNutzen. Denn bei der Signa!übertragung geht es immer analog zu - digitale Bits entstehen erst beim Ausrechnen.
@IRT- SGSpeicher und Netze Hermann Lipfert Dezember 2006Sl"itl" 46 von 47
Institut für Rundfunktechnik II~T8 Quellenangaben
[1] Dirk Wübben, "Effiziente Detektionsverfahren für Multilayer-MIMO-Systeme",DissertationUniversitätBremen 2005
[2J Working Group 8, "Space-Time signal Processing and MIMOSystems", White Paper 2004
[3] Datacomm Research Company, "Using MIMO-OFDM Technology to boast Wireless lAN Performance today", White
Paper 2005
[4] IEEE, "Broadband MIMO-OFDM WiretessCommunications", Invited Paper 2004
[5J Helmut Bölcskei. "Principles of MIMO-OFDM WirelessSystems",SwissFederalInstitute ofTechnology (ETH) Zürich
[6] Helmut Bölcskei, "MIMO-OFDMWireless Systems: Basics,Perspectives,and Challenges",CommunicationTechnology
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 Three-
Receiver OFDM/BLASTTestbed", IEEE Communicatin Magazine 2004
[9] Wojciech Kuropatwinski-Kaiser, "MIMO-Demonstrator basierend auf GSM-Komponenten"
[10] http://www.tomsnetworkina.de/content/tests/i2005a/test asus wl 530a/paae8.html
[11] http://www.tomsnetworkinq.de/content/tests/i2005a/test belkin pre n ds! router wlan/paae9.html
[12] http://www.tomsnetworkinq.de/content/tests/i2005a/testnetqearwpn824ranaemax/paqe2.htm
[13] http://www.tomsnetworkinq.de/content/tests/i2005a/testllnksvssrxdslrouterwlan/index.htm!
@IRT-SGSpeicherund Netze Hermann Lipfert Dezember 2006 Seite 47 von 47
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SchrammR.Messungen
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SchwaigerRepeater (Sender mit kleiner Leistung)
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Irmerund Remissionsfaktor
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8192/2005Eigenschaftenvon Flachdisplays:Fernseh-Bilderaufeinemgemeinsamenoder
Irmermehreren einzelnen DispLays
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B194/2006 Farbwiedergabein HO - Farbräume und Farbraummanagement Gierlinger
B195/2006GMF4iTV: Neue Wege zur Interaktivität mit bewegten ObjekteIlbeimdigitalen Stall
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