MU MIMO, 802.11ac Wave 2 wifi: wat is dat nu eigenlijk?

In artikelen over de nieuwste access points en routers kom je regelmatig de term MU MIMO of 802.11ac Wave 2 tegen. Dat is een relatief recente toevoeging aan de manier waarop er wordt gecommuniceerd op de 5GHz-frequentieband. We kunnen ons zo voorstellen dat je wel ongeveer weet wat het inhoudt, maar toch niet helemaal scherp krijgt hoe de vork in de steel zit. In wat volgt gaan we dat proberen te veranderen. Aangezien een discussie over iets als MU MIMO niet gevoerd kan worden zonder omkadering, bespreken we ook andere relevante concepten die nodig zijn voor een goed begrip.

Als je de eerste alinea aandachtig hebt gelezen, valt meteen de eerste karakteristiek op van MU MIMO: deze technologie is alleen bruikbaar op de 5GHz-band, en dan ook nog alleen op de nieuwste standaard, 802.11ac. 802.11n heeft weliswaar ook een 5GHz-band, maar die houdt het bij MIMO, wat bij de introductie van 802.11n het levenslicht zag. MIMO wordt overigens wel gebruikt op 2,4 GHz.

MIMO staat voor Multiple-Input Multiple-Output en komt er in de basis op neer dat apparaten die dit ondersteunen meerdere signalen tegelijkertijd kunnen zenden en ontvangen, via hetzelfde kanaal. Het maakt net zoals het geval was bij 802.11g gebruik van OFDM, wat staat voor Orthogonal Frequency-Division Multiplexing. Deze technologie verdeelt de beschikbare bandbreedte van de radiogolf in parallelle secties, die los van elkaar tegelijkertijd data kunnen vervoeren.

kanalmatrix_mimo
Een schematische weergave van hoe MIMO in de basis werkt. (Bron: Wikipedia)

Op dit punt komt MIMO eigenlijk pas om de hoek kijken en daarmee de termen multipath propagation en channel bonding. Naast elkaar liggende stukken van de beschikbare bandbreedte worden samengevoegd (channel bonding) en de verschillende signalen komen via verschillende routes (multipath propagation) aan bij de ontvanger. De verschillende stukjes data maken echter wel onderdeel uit van hetzelfde grotere geheel. Tot de introductie van 802.11n was het bij 802.11g gebruikelijk om data als het ware in een ‘rechte lijn’ van punt A naar punt B te versturen. Met MIMO wordt een signaal bij de verzender in meerdere delen opgesplitst, via verschillende antennes en trajecten naar de ontvanger gestuurd, waar de digitale pakketjes weer van de verschillende analoge golven worden afgehaald en worden samengevoegd.

De reden dat de golven uiteindelijk bij de ontvanger aankomen, is te danken aan reflecties, bijvoorbeeld via muren en plafonds. Deze karakteristiek – gekoppeld aan de technologische vernieuwen die we hierboven hebben besproken – van alle wifi-apparatuur sinds 802.11n (mits voorzien van twee of meer antennes), zorgt deels voor de veel hogere theoretische doorvoersnelheid van 802.11n (150 Mbps per datastroom) ten opzichte van 802.11g (54 Mbps). Een ander belangrijk deel is toe te schrijven aan frame aggregation: sinds 802.11n is het mogelijk om meerdere frames samen te versturen als een groter frame. Al deze vernieuwingen waren overigens ook de oorzaak van veel zeer matige access points en routers in het begin van het 802.11n-tijdperk. Iedereen die weleens aan de slag is geweest met zogeheten pre-N- en draft-N-apparatuur, krijgt waarschijnlijk spontaan hoofdpijn bij het denken aan die tijd.

802.11ac, 802.11ac Wave 2

De overstap van 802.11g naar 802.11n was technisch gezien enorm. Daarmee vergeleken is de overstap op 5 GHz van 802.11n naar 802.11ac waar we een jaar of vier geleden mee te maken kregen kinderspel. Kort door de bocht is 802.11ac een iets verder uitgewerkte versie van de concepten die aan 802.11n ten grondslag liggen. De modulatie is opgevoerd, dus de bitdichtheid op de draaggolf neemt toe, de beschikbare kanaalbandbreedte gaat van 20/40 via 80 naar 160 MHz, het aantal datastromen wordt verdubbeld van vier naar acht en het concept MU MIMO ziet het levenslicht. Dat laatste is zonder twijfel de meest radicale vernieuwing van 802.11ac ten opzichte van 802.11n.

MU MIMO is voor zakelijke toepassingen ook met afstand het interessantste onderdeel van de nieuwe standaard. De meeste andere vernieuwingen zijn in een bedrijfsomgeving niet echt relevant of zelfs contraproductief. Voor het gros van het zakelijke gebruik is meer bandbreedte per client helemaal niet zo interessant, want je hebt zelden een enorm grote bandbreedte nodig vanaf een draadloos apparaat. Sterker nog, als je in een omgeving bent met veel access points die ook nog eens relatief dicht op elkaar staan, dan zorgt met name de toegenomen kanaalbandbreedte voor veel extra interferentie.

802-11ac-channels_metageek
Het aantal kanalen dat je overhoudt op 5 GHz als je kiest voor een kanaalbreedte van 20, 40, 80 of 160 MHz (van boven naar onder) (Bron: Metageek)

De belofte van ‘gigabit door de lucht’ met samengestelde PHY-bandbreedtes die inmiddels de 5 Gbps voorbij zijn, is aan de meeste zakelijke gebruikers helemaal niet besteed. Het is in ieder geval niet de bedoeling op dit moment om wifi als backbone voor het bedrijfsnetwerk in te zetten. Vergeleken met Ethernet is wifi op enkele cruciale gebieden immers nog altijd een inferieure technologie, die relatief gezien in de kinderschoenen staat. Het is niet full duplex maar half duplex. Daarnaast werkt de ‘switching’ van wifi voor het belangrijkste deel nog altijd zoals een ouderwetse hub. Bij een bekabeld netwerk kan alle aangesloten apparatuur tegelijkertijd met elkaar communiceren en wordt alle data netjes naar de gewenste poorten doorgestuurd, hetzij via een losse switch of de switch in een router. In het geval van een draadloos netwerk, schreeuwt iedereen maar wat door elkaar heen en zouden er continu botsingen plaatsvinden, ware het niet dat een access point dit niet toestaat. De enige manier om botsingen te voorkomen, is door te opereren volgens het principe “als er een spreekt, is de rest stil”. Met andere woorden, clients in de schoolklas moeten op hun beurt wachten. Het access point is in deze analogie de schoolmeester, die de clients een voor een aan het woord laat.

Het gedrag van wifi zoals hierboven beschreven, heeft enkele negatieve gevolgen voor je draadloze netwerk als geheel. Langzame clients met bijvoorbeeld een enkele antenne-aansluiting kunnen uiteraard ook maar één antenne-aansluiting van het access point gebruiken. Tegelijkertijd blokkeren ze echter ook de overige antenne-aansluitingen, wat de efficiëntie natuurlijk niet ten goede komt. Je haalt bij lange na niet het maximale uit je wellicht peperdure access point. In omgevingen waarbij veel clients tegelijkertijd verbinding willen maken met hetzelfde access point, kan het zijn dat clients zolang moeten wachten tot ze weer aan de beurt zijn, dat ze een time-out geven en zichzelf loskoppelen van het netwerk. Die client moet dan weer opnieuw verbinding maken en waarschijnlijk achteraan in de rij aansluiten.

802.11ac Wave 2 is zoals de naam al doet vermoeden een doorontwikkeling van 802.11ac en pakt het ‘hub-gedrag’ van wifi aan. Dit is mogelijk door de toevoeging van MU MIMO, waarover op de volgende pagina meer.

MU MIMO

Als we zeggen dat MU MIMO het ‘hub-gedrag’ van wifi aanpakt, bedoelen we niet dat wifi vanaf deze tweede generatie volledig functioneert als een bekabeld netwerk als het gaat om de switching. In de basis blijft de werking van wifi hetzelfde, maar MU MIMO maakt het mogelijk om nu de clients in groepjes aan het woord te laten. Let wel, alle clients die niet in het betreffende groepje zitten dat aan de beurt is, moeten dus nog altijd op hun beurt wachten.

De samenwerking tussen clients en access point is door de toevoeging van MU MIMO een stuk complexer geworden. Waar de ‘regels’ voorheen kinderlijk eenvoudig waren, moet er nu een stuk meer afgestemd worden tussen access point en client. Vandaar ook dat niet zomaar iedere client op deze nieuwe manier aangestuurd kan worden. De adapter die wordt gebruikt, moet MU MIMO ondersteunen. Dat zorgt er in eerste instantie voor dat het leeuwendeel van de apparaten die je draadloos met een access point verbindt (smartphones, tablets, laptops), er geen gebruik van kunnen maken. Dit is op het moment aan het veranderen, mede doordat Qualcomm een drijvende kracht is achter MU MIMO in routers en access points. Dat bedrijf heeft ook een zeer significant aandeel in de markt van smartphones als het gaat om de systems-on-a-chip die worden gebruikt. Zoals de naam al aangeeft, zit bij een system-on-a-chip zo goed als alles op een en dezelfde chip gebakken, ook de wifi-adapter.

De adapter in de client moet allereerst overweg kunnen met het zogeheten sounding frame dat wordt uitgestuurd. Hiermee peilt het access point of de adapter MU MIMO ondersteunt, maar ook of het signaal van voldoende kwaliteit is om er gebruik van te maken en met name ook waar de client zich bevindt. MU MIMO access points werken namelijk met verschillende ‘standaard’ vectorpatronen voor het aansturen van meerdere clients tegelijkertijd, waartussen gewisseld kan worden als dat nodig is op basis van het antwoord van de client. Iedere 100 milliseconden controleert het access point bij de aangesloten MU MIMO-clients of het gekozen patroon nog altijd het juiste is. Zo niet, dan verandert hij het, zonder dat je daar als gebruiker iets van merkt.

mu-mimo_ruckus
Met MU MIMO is het mogelijk voor een access point om meerdere clients tegelijkertijd af te handelen. (Bron: Ruckus Wireless)

De patronen waar we het hierboven over hadden, zijn cruciaal voor de werking van MU MIMO. Ieder patroon heeft een andere aansturing nodig vanuit de antennes. Dit gebeurt met behulp van transmit beamforming. Alle antennes van het access point zenden dezelfde datastroom uit, maar doen dit met een faseverschuiving ten opzichte van elkaar. Dit wordt gedaan om interferentie te creëren. De meeste interferentie is ongewenst, maar als je de fases van de signalen van de verschillende antennes optimaal op elkaar afstemt, kan dit dus gewenste interferentie opleveren. Aangezien de antennes op geen enkel moment dezelfde datastroom verzenden, kunnen er op deze manier meerdere clients tegelijkertijd bediend worden.

In het algemeen geldt dat een access point op het gebied van MU MIMO optimaal functioneert als een van de antennes kan fungeren als controle-antenne. Een access point met vier antenne-aansluitingen (op dit moment het maximale aantal), zet de beste prestaties neer in combinatie met drie MU MIMO-access points. Vier werkt ook wel, maar dan is de relatieve winst lager. Hou er verder rekening mee dat clients geen gebruikmaken van transmit beamforming, dus MU MIMO werkt per definitie alleen bij het verzenden van data van het access point naar de client.

MU MIMO, juist voor zakelijke netwerken

MU MIMO heeft een wat merkwaardig traject afgelegd om te komen waar het nu is. Verreweg de meeste technologische vernieuwingen beginnen in het zakelijke (duurdere) segment van de markt en druppelen daarna door naar de consumentenmarkt. Een goed recent voorbeeld is mesh-networking. Dat bestaat in de zakelijke markt al geruime tijd, maar komt nu pas mondjesmaat beschikbaar voor consumenten. MU MIMO heeft echter de tegenovergestelde route afgelegd. Dat werd ruim twee jaar geleden al op de consumentenmarkt geïntroduceerd, maar later pas als 802.11ac Wave 2 op de zakelijke markt geïntroduceerd.

Een belangrijke reden voor de wat ‘trage’ reactie van de zakelijke markt is ongetwijfeld geweest dat de technologie toen nog helemaal niet volwassen genoeg was. Zo heeft het meer dan een jaar geduurd voor er driverupdates waren voor de Quantenna-chipset in onder andere de Asus RT-AC87U en de Netgear R7500 (de eerste producten op de markt) die ervoor zorgden dat MU MIMO ook echt werkte. Daarnaast maakten die apparaten gebruik van een multi-processorarchitectuur, wat duidt op een technologie die nog niet echt af is.

Bij consumentenproducten draait het in de routerwereld in ieder geval om het kunnen laten zien van iets nieuws een of twee keer per jaar. Dan is de vraag of een technologie helemaal uitontwikkeld is, van secundair belang. In de zakelijke wereld is men in het algemeen meer geïnteresseerd in iets wat goed werkt en werkt zoals het hoort, dan in snelle updates met features die nog niet werken. Dat zal de voornaamste reden geweest zijn waarom het patroon van de marktpenetratie bij MU MIMO tegenovergesteld is aan het gangbare patroon.

De zakelijke markt was dan wellicht iets later als het gaat om MU MIMO, deze technologie is voor dit segment veel belangrijker dan voor de consumentenmarkt. Voor thuissituaties is de meerwaarde van MU MIMO verwaarloosbaar, ook al heb je inmiddels misschien wel dertig clients aangesloten. Dat kunnen standaard access points ook makkelijk aan, zonder dat je een vertraging opmerkt in de communicatie. Daarnaast draait het in veel thuissituaties veel meer om de bandbreedte per device. Je wilt een bestand aan een zo hoog mogelijke throughput downloaden bijvoorbeeld. Je wilt eigenlijk dus niet alleen een access point met veel antenne-aansluitingen, maar ook clients die over zoveel mogelijk antenne-aansluitingen beschikken.

Clients met veel antenne-aansluitingen zijn in een optimaal MU MIMO-netwerk echter juist niet gewenst. In een dergelijk netwerk draait het immers om een zo snel mogelijke afhandeling van alle clients, niet zozeer om een zo hoog mogelijk bandbreedte per client. Dit past veel beter bij een zakelijke netwerkomgeving. Daar is een zo hoog mogelijke bandbreedte weliswaar zeer belangrijk voor de backbone van het netwerk, maar niet zozeer voor iedere draadloos aangesloten client. Dit geldt met name voor high-density omgevingen, bijvoorbeeld evenementen of stadions. Daar zullen de meeste clients een beperkte bandbreedte nodig hebben, maar is het risico op eindeloos wachten het grootst. Dat is in eerste instantie waar MU MIMO zijn meerwaarde kan laten zien. In andere zakelijke omgevingen kan het uiteraard ook geen kwaad als draadloze clients sneller worden bediend en ligt de nadruk ook niet primair op bandbreedte. Daarvoor is MU MIMO ook de technologie van de toekomst.

Wel of geen MU MIMO?

MU MIMO is dus vooral voor zakelijke toepassingen relevant. Als je binnen afzienbare tijd een nieuwe draadloze infrastructuur in een zakelijke omgeving aan gaat laten leggen, dan kom je onherroepelijk voor de keuze te staan of je MU MIMO-compatibele access points wilt gebruiken. Wij hebben je in dit artikel dan in ieder geval enkele handvatten gegeven om deze beslissing te kunnen nemen. Wacht je nog wat langer met de beslissing, dan is de kans groot dat je niet meer hoeft te kiezen: dan is MU MIMO de nieuwe standaard.