WiFi: Nach 2,4 und 5 kommen bald auch 6 GHz

Im Mobil­funk ist es seit Jahren üblich, jede neue Genera­tion auch mit neuen Frequenzen auszu­statten: 2G/GSM bei 900 und 1800 MHz, 3G/UMTS bei 2100 MHz, 4G/LTE bei 800 und 2600 MHz, 5G bei 700 und ab 3400 MHz und künftig auch noch im Milli­meter­band (letz­teres in Europa voraus­sicht­lich bei 28 GHz). Und wo bleibt dabei im Vergleich das draht­lose WiFi-Heim­netz­werk? Die letzte Frequenz-Erwei­terung dort, nämlich die Zutei­lung des 5-GHz-Bandes, erfolgte bereits 1999, also vor 20 Jahren, auch, wenn entspre­chende Geräte direkt nach dem Start noch rar gesät waren und erst später den Main­stream erreichten. Zwar wurde zwischen­zeit­lich WiFi 802.11ay einge­führt, das sogar bei 60 GHz funkt, aber das ist wirk­lich Spezi­alan­wendungen vorbe­halten, wo Router und Endgerät direkte Sicht­verbin­dung zuein­ander haben.

Die Frage nach dem "wo bleibt WiFi" stellten sich auch die Verant­wort­lichen bei Broadcom und Qual­comm. Sie veröf­fent­lichten daher eine Studie, wie sehr WiFi von zusätz­lichen 500 MHz im "Mid Band" bei einstel­ligen Giga­hertz-Werten profi­tieren würde, und stellten bei der in den USA für die Frequenz­vergabe zustän­digen Federal Commu­nica­tion Commis­sion (kurz FCC) einen Antrag auf weitere 500 MHz Band­breite. Sie waren dann entspre­chend positiv über­rascht, als sie sogar 1200 MHz erhielten, wenn auch mit einem gewal­tigen Pfer­defuß: Diese Frequenzen, die über­wiegend im 6-GHz-Band liegen, sind bereits in Benut­zung. Und die bishe­rigen Benutzer werden auch nicht verschwinden.

Teilen von Frequenzen ist Stan­dard

Vorschlag für neue WiFi-Frequenzen im Bereich um 6 GHz: Insgesamt 1200 MHz stehen in den USA zur Verfügung, in Europa immerhin 520 MHz.
Foto: Kai Petzke Nun hat WiFi die unli­zenzierten Frequenzen immer schon mit anderen Diensten geteilt: Bei 2,4 GHz funken auch Blue­tooth und ZigBee. Mikro­wellen heizen mit dieser Frequenz sogar das Essen auf. Weil Mikro­wellen­gehäuse nie ganz dicht sind, gelangt immer auch ein kleiner Teil der starken Sende­leis­tung nach außen. Das war damals der Grund für die Allge­mein­zutei­lung in diesem Bereich: Wenn die Frequenzen um 2,4 GHz wegen der Stör­möglich­keit durch die Mikro­wellen eh nicht für kommer­zielle Funk­dienste verwendet werden, dann wird auch durch die Allge­mein­zutei­lung dieser Frequenzen die Situa­tion nicht verschlech­tert. Trotz - oder viel­leicht sogar wegen - dieses "sozia­listi­schen" Ansatzes ist das Geschäft mit 2,4-GHz-Endge­räten zum Multi-Milli­arden-Markt geworden. In keinem anderen Band tummeln sich so viele Endge­räte wie rund um 2,4 GHz: Neben klas­sischen vernetzten IT-Geräten wie Smart­phones, Routern, Laptops und Druckern inzwi­schen auch immer mehr Laut­spre­cher, Kameras, Licht­schalter, Heizungs­ther­mostaten und unzäh­lige weitere Smart-Home-Geräte. Die Zahl der Endge­räte im durch­schnitt­lichen Heim­netz verdop­pelt sich alle zwei Jahre. Lage und Bandbreite der neuen für WiFi vorgesehenen Frequenzen
Foto: Kai Petzke Die WiFi-Tech­nologie musste also schon immer damit klar­kommen, dass die Funk­bänder auch von anderen mit genutzt werden. Einer der maßgeb­lichen Treiber bei der Entwick­lung neuer WiFi-Stan­dards war immer schon, die gleich­zeitige Nutzung desselben Kanals durch unter­schied­liche Geräte besser zu managen und die totale Verstop­fung zu verhin­dern. Es gibt aber einen weiteren funda­mentalen Unter­schied: Bei 6 GHz müssen die WiFi-Netze künftig nicht nur mit Störungen durch andere Sender klar­kommen. Sie müssen darüber hinaus auch sicher­stellen, andere, lizen­zierte Funk­dienste selber nicht zu stören! Das war bei 2,4 und 5 GHz bisher kein Problem: Da keiner eine Lizenz hatte, durfte jeder jeden stören und jeder Dienst musste seine eigene Tech­nologie entwi­ckeln, um mit diesen Störungen klar­zukommen.

Satel­liten-Uplink und Richt­funk

Lage und Bandbreite der neuen für WiFi vorgesehenen Frequenzen
Foto: Kai Petzke Die beiden Nutzungen des zitierten 6-GHz-Bands sind Satel­liten-Uplinks und Richt­funk-Verbin­dungen. Bezüg­lich der Satel­liten-Uplinks ist die Vermei­dung von Störungen einfach: Entspre­chende Uplink-Antennen senden meist mit mehreren Watt Sende­leis­tung auf einer recht kleinen Band­breite (einige 10 MHz) und vor allem mit stark fokus­sierten Para­bolan­tennen. WiFi-Router haben hingegen Rund­strahl­antennen, und was dann in 36 000 km Entfer­nung von deren Signal noch bei einem geosta­tionären Satel­liten ankommt, ist wirk­lich minimal und nicht mehr in der Lage, dort den Empfang zu stören.

Schwie­riger ist die Situa­tion bei den Richt­funk-Verbin­dungen: Die verwen­deten Richt­funk­antennen sind, da sie für hori­zontalen Blick auf einem Masten montiert werden, meist deut­lich kleiner als Satel­liten­antennen, die erdnah mit "Blick nach oben" instal­liert sind. Der kleine Anten­nendurch­messer vergrö­ßert aber den Öffnungs­winkel, aus dem Stör­signale empfangen werden können. Oft werden zudem Punkt-zu-Multi­punkt-Verbin­dungen genutzt: Der zentrale "Punkt", der gleich­zeitig mit vielen anderen "Multi­punkten" spricht, ist dann sogar ein Rund­strahler oder eine wenig gerich­tete Sektor­antenne, wie man sie mit 120 Grad, 60 Grad oder verein­zelt auch nur 30 Grad Öffnungs­winkel zuhauf bei Mobil­funk-Basis­stationen findet. Gerade dieser zentrale Knoten ist dann aber auch für Stör­sender in der Nähe "empfäng­lich".

Die - verhalten - gute Nach­richt: Richt­funk-Verbin­dungen sind relativ dünn gesät. An bzw. über den meisten Orten findet man nur null bis zwei Verbin­dungen und diese auch meist mit über­schau­barer Band­breite von bis zu 30 MHz pro Kanal. Wenn von den genannten 1200 MHz, die nun zuge­teilt werden sollen, an einem typi­schen Standort nur 2 x 30 MHz nicht genutzt werden können, verbleiben immer noch 1140 MHz freies Spek­trum - viel mehr, als bisher für WiFi bei 2,4 und 5 GHz zur Verfü­gung steht!

Erst mal in die Daten­bank schauen

Automated Frequency Coordinater (AFC) für WiFi bei 6 GHz
Foto: Kai Petzke Die Situa­tion wird sogar noch besser: Bei Verbin­dungen inner­halb geschlos­sener Räume mit nied­riger Sende­leis­tung kann man sogar sicher sein, dass bei 6 GHz so wenig Signal nach draußen dringt, dass es keine Störungen geben wird. Also nur WiFi-Netze im Freien oder WiFi-Netze mit stär­kerer Sende­leis­tung (letz­tere auch drinnen) müssen sich über­haupt "Sorgen" machen, lizen­zierte Empfänger zu stören. Um das zu vermeiden, planen die WiFi-Anbieter eine Daten­bank-Lösung: Die Regu­lierungs­behörden (wie die FCC in Amerika oder die Bundes­netz­agentur in Deutsch­land) tragen die lizen­zierten Richt­funk-Verbin­dungen in eine elek­troni­sche Karte ein. Der WiFi-Router loka­lisiert seinen Standort (zum Beispiel per GPS) und ermit­telt dann anhand der elek­troni­schen Karte, welche Frequenzen an seinem Standort frei sind. Diese, und nur diese, Frequenzen erlaubt er dann auch den Endge­räten in seiner Umge­bung, zu verwenden.

Anders als bei der im 2,4- und 5-GHz-Band gängigen Praxis, dass einge­schal­tete Smart­phones auf der Suche nach neuen Netzen auf allen Kanälen regel­mäßig kurze Anfrage-Pakete ausstrahlen, müssen beweg­liche WiFi-Endge­räte bei 6 GHz sich "ruhig" verhalten, bis sie eine Kanal­zutei­lung erhalten haben. Letz­tere lässt sich entweder über die bestehenden Frequenz­bänder aushan­deln, oder die Smart­phones lauschen im 6-GHz-Band passiv auf die Beacons der Router, auf die sie dann antworten, statt selber aktiv nach Routern zu suchen. Ange­sichts der in der Regel deut­lich höheren Reich­weite des 2,4-GHz-Bandes sollte es aber kein Problem sein, die 6-GHz-Verbin­dungen über das 2,4-GHz-Band auszu­handeln.

Die welt­weite Fina­lisie­rung der Frequenz­zutei­lung - in Europa übri­gens mit ca. 500 MHz nicht ganz so üppig wie in den USA, aber immer noch reich­lich - erwartet Qual­comm für das kommende Jahr. Erste Produkte dürften schon kurz danach auf den Markt kommen: Wahr­schein­lich müssen die bereits bestehenden 5-GHz-Antennen nur wenig umge­staltet werden, um auch den angren­zenden Bereich bei 6 GHz mit abzu­decken. Die größten Ände­rungen werden aufgrund der genannten Daten­bank-Abfragen bei der Firm­ware von leis­tungs­starken WiFi-Routern nötig sein. Diese werden auch durch den zusätz­lichen GPS-Empfänger etwas aufwän­diger in der Herstel­lung. Die Vorteile - große Band­breite in bisher kaum genutzten Frequenz­berei­chen - dürften aber die Nach­teile bei weitem über­wiegen.