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4×4:3 MIMO vs. 3×3:3 MIMO. Macht mehr Spatial Diversity das WLAN schneller?

Veröffentlicht von empy
Lesezeit: 7 Minuten

Ich habe lange überlegt, wie ich die Auswirkungen der Spatial Diversity auf die tatsächliche Geschwindigkeit in der Praxis messen kann. Zu verschieden und nicht vergleichbar sind die Antennen und deren Charakteristika unterschiedlicher WLAN-Router. Mit meinem neuen Cisco Wireless Home Lab und den 2702er-Access-Points liegt ein seriöser Versuchsaufbau nun aber zum Greifen nah!

Dabei mache ich mir eine Eigenschaft der Cisco 2702 WLAN Access Points zu Nutze: Wenn die Access Points zu wenig Strom über PoE erhalten, deaktivieren sie automatisch eine WLAN-Antenne. Im Beispiel 5 GHz bedeutet dies unter PoE nach 802.3af (15,4 Watt) eine Antennenkonfiguration 3×3:3, während unter PoE nach 802.3at (16,1 Watt) 4×4:3 genutzt wird. Im 2,4-GHz-Band gilt: 3×3:3 bei 802.3af und 3×4:3 bei 802.3at. Die Access Points liefern in allen Konfigurationen immer noch 3 Spatial Streams, also drei unabhängige Datenströme, die die hohen Datenraten ab WLAN 4 erklären. Macht Spatial Diversity das WLAN schneller? Ich habe endlich meine Antwort gefunden:

Bei ansonsten gleicher Antennenkonfiguration am selben WLAN Access Point bei identischer Anzahl an Spatial Streams unterscheidet sich die WLAN-Geschwindigkeit nur um 11,61 MBit/s TCP Throughput. Überraschenderweise produzierte in 6 von 8 Fällen weniger Spatial Diversity ein schnelleres WLAN als WLAN mit einer erweiterten Antennenkonfiguration. Die zusätzliche Antenne macht mein Labor-WLAN im Median sogar um 4,81 % langsamer. 4×4:3 MIMO ist damit langsamer als 3×3:3 MIMO. Dies hat meine Messung ergeben.

Auswirkungen auf der Spatial Diversity auf die tatsächliche Geschwindigkeit

Meine Testergebnisse zeigen, dass Spatial Diversity kein Garantieschein für schnelleres WLAN ist. Im Gegenteil: In 6 von 8 Fällen waren weniger beteiligte Antennen gegenüber mehr Spatial Diversity sogar im Vorteil. Lediglich im 5-GHz-Band waren 2 Fälle bei mehr Spatial Diversity schneller als die Variante mit einer abgeschalteten Antenne.

Ich war derart überrascht von den Messergebnissen, dass ich die Messungen an einem anderen Tag erneut durchgeführt habe. Das hätte ich so nicht erwartet. Immerhin war mein WLAN-Umfeld gut ausgelastet. Des Weiteren beinhaltet meine Messreihe extra die große Entfernung, da ich mir gut vorstellen konnte, dass mehr Diversity gerade bei schlechter Signalstärke mehr Qualität aus der Funkverbindung herausholen würde. Fehlanzeige.

Tatsächlich betrachtet sind die Unterschiede bis auf wenige MBit/s sehr ähnlich. Nur durchschnittlich 11,61 MBit/s lagen die Werte auseinander, was vor allem einem Ausreißer zu verdanken ist. Schaut man sich die Messwerte an, kann ich guten Gewissens behaupten: Mehr Geld für zusätzliche Antennendiversität auszugeben lohnt sich nicht. Und da WLAN-Access-Points ohnehin oft mehr Antennen als die Endgeräte verbaut haben, sollte eine grundlegende Spatial Diversity seitens Access Point ausreichen. Für eine Kaufentscheidung sind Spatial Streams der eindeutig wichtigere Faktor.

Übrigens: Mit iPerf messe ich die Richtung vom Endgerät zum Server. Das passt gut zum Verhalten des Cisco-AP im Energiesparmodus: Bei 2,4 GHz schaltet dieser nur die vierte Empfangsantenne ab. (AP ist auf dem Weg zum Server der Empfänger des großen Datenstroms). Unter 5 GHz schaltet der AP die vierte Empfangs- und Sendeantenne ab. Das erklärt vor allem die beiden Messergebnisse im 5-GHz-Band mit meinem 4×4:3-MIMO-Endgerät, bei dem die 4×4:3-Konfiguration am Access Point besser als die 3×3:3-Konfiguration funktioniert. In diesem Fall sind mehr Spatial Streams tatsächlich sinnvoll. Jedoch haben die meisten Endgeräte selten mehr als 2 Antennen verbaut, wenn überhaupt. Von daher ist ein entsprechender Vorteil in der Masse aller Endgeräte nur im Einzelfall spürbar! Dazu passen auch meine Messergebnisse, bei dem ein Endgerät mit 2×2:2 MIMO praktisch keine Vorteile hat.

iperf3 -c 192.168.0.100 -t 300 -i 60 -P 4 -p 6000

Einen Geschwindigkeitsvorteil konnte ich in meinen Messungen nicht feststellen. 4×4:3 MIMO ist also nicht besser oder schneller als 3×3:3 MIMO (5 GHz). Und 3×4:3 MIMO ist auch im 2,4-GHz-Band nicht schneller als 3×3:3 MIMO.

Anmerkung: Bei meiner Messung handelt es sich um einen praktischen Versuch in meinem WLAN-Umfeld. Die Ergebnisse könnten bei euch ganz anders aussehen. Ich habe von Beispielen gelesen, bei denen 34 % mehr Geschwindigkeit durch mehr Spatial Diversity erreicht werden soll.

4×4:3 MIMO gegenüber 3×3:3 bringt keinen Geschwindigkeits-Boost

4×4:3 MIMO, 5 GHz
(WLAN 5)
3×3:3 MIMO, 5 GHz
(WLAN 5)
Differenz
WLAN 6 Client: 2×2:2 MIMO
(Sichtverbindung)
277 MBit/s280 MBit/s-1,08 %
WLAN 6 Client: 2×2:2 MIMO
(große Entfernung)
4,32 MBit/s42,4 MBit/s-881,48 %
WLAN 5 Client: 4×4:3 MIMO
(Sichtverbindung)
255 MBit/s232 MBit/s9,02 %
WLAN 5 Client: 4×4:3 MIMO
(große Entfernung)
85,8 MBit/s84,5 MBit/s1,52 %
Messreihe 5 GHz: Mehr Spatial Diversity sorgt nicht unbedingt für schnelleres WLAN.

3×4:3 MIMO ist langsamer als 3×3:3 MIMO

3×4:3 MIMO, 2,4 GHz
(WLAN 4)
3×3:3 MIMO, 2,4 GHz
(WLAN 4)
Differenz
WLAN 6 Client: 2×2:2 MIMO
(Sichtverbindung)
80,2 MBit/s 89,3 MBit/s-11,35 %
WLAN 6 Client: 2×2:2 MIMO
(Sichtverbindung)
74,3 MBit/s 79,5 MBit/s-7,00 %
WLAN 5 Client: 4×4:3 MIMO
(Sichtverbindung)
87,6 MBit/s 89,9 MBit/s-2,63 %
WLAN 5 Client: 4×4:3 MIMO
(große Entfernung)
71,2 MBit/s 81,4 MBit/s-14,33 %
Messreihe 2,4 GHz: Weniger ist mehr: 3×4:3 MIMO ist langsamer als 3×3:3 MIMO.

Was bedeutet Spatial Diversity?

WLAN-Antennen können entweder genutzt werden, um die Datenrate zu steigern (Spatial Stream) oder zur Erhöhung der Robustheit des WLAN-Signal (Spatial Diversity). Vereinfach gesprochen fungiert eine zusätzliche Antenne als Fallback, sollten die anderen Antennen ein Signal nicht ohne Störung empfangen können. Durch die räumliche Vielfalt, die die extra Antenne liefert, ist die Möglichkeit hoch, dass die zusätzliche Antenne das Signal fehlerfrei aufgeschnappt hat. In diesem Fall kann das Signal direkt weiterverarbeitet werden, ohne dass eine erneute Signalübertragung notwendig wäre.

3x4:3 ≙ 3 Sendeantennen, 4 Empfangsantennen, 3 Spatial Streams. 

Spatial Diversity bringt also Robustheit und Stabilität in ein WLAN-System. Ich möchte mit meinem Versuchsaufbau herausfinden, wie sich diese Unterschiede in der Antennenkonfiguration in der Praxis bemerkbar machen. Konkret möchte ich wissen, ob 4×4:3 MIMO schneller als 3×3:3 MIMO ist (5 GHz). Gleiche Fragestellung gilt im 2,4-GHz-Band: Ist 3×4:3 MIMO schneller als 3×3:3 MIMO? In allen Kombinationen liegen 3 Spatial Streams an. Ich werde die Kanalbreite allerdings auf die üblichen 40 MHz begrenzen (5 GHz) und im 2,4-GHz nur 20 MHz nutzen. Beides sind übliche Werte, wenn man WLAN halbwegs professionell betreibt. Maximale theoretische Geschwindigkeit meines Versuchsaufbaus wird daher 600 MBit/s (5 GHz) bzw. 216,7 MBit/s (2,4 GHz) sein.

Unterm Strich steht also die Frage nach der praktischen WLAN-Geschwindigkeit, dem TCP Throughput, welcher tatsächlich am Endgerät anliegt. Diesen messe ich wie schon im WLAN-Router-Speed-Test mit iPerf. Bedeutet mehr Spatial Diversity automatisch mehr WLAN-Speed? Ist 4×4:3 MIMO schneller als 3×3:3 MIMO?

Mein Testaufbau

Als Testgerät nutze ich wie bereits bei meinem Speedtest den Alfa AWUS1900 mit vier Antennen und drei Spatial Streams (4×4:3 MIMO bei 5 GHz). Der Adapter kann also gut mit dem Cisco 2702 WLAN-Access-Point mithalten. Zudem nutze ich meinen Intel AX200 mit 2×2:2 MIMO (WLAN 6).

Um die Ergebnisse zu messen, stelle ich die Endgeräte zum einen in Sichtverbindung zum WLAN Access Point auf, zum anderen auf große Entfernung drei Räume weiter entfernt. Die Messungen werden sowohl im 2,4-GHz-Band als auch im 5-GHz-Band durchgeführt. Während des Versuchsaufbaus waren acht andere SSIDs in Funkreichweite.

Mein Access Point kommt mit identischer Antennenkonfiguration aus. Der Cisco 2702 WLAN-Access-Point schaltet im Energiesparmodus einfach eine Antenne ab, die Anzahl der Spatial Streams bleibt aber gleich. Die oben beschriebenen Messungen mache ich deshalb einmal im normalen Modus mit allen 4 Antennen (5 GHz) bzw. allen 3 Antennen (2,4 GHz). Insgesamt gibt das dann 16 Messwerte.

Ich habe meinen Access Point per 802.3at PoE+ direkt am Switch Cisco 2960s angebunden. Mit 16,1 Watt erhält der Cisco 2702 WLAN-Access-Point daher ausreichend Strom, um alle Antennen sowohl unter 5 GHz als auch unter 2,4 GHz zu aktivieren. Im Catalyst 9800-CL WLAN-Controller lässt sich das im Bereich „Configuration -> Access Points -> Interfaces erkennen“. Der Menüpunkt „Power Type/Mode“ zeigt „PoE/Unknown Power“, wenn ausreichend Energie vorhanden ist.

Für genauere Informationen öffne ich Putty und verbinde mich per SSH auf den Access Point. Mit dem Befehl „show controllers dot11Radio 1“ wird unter anderem die Antennenkonfiguration für 5 GHz angezeigt, „show controllers dot11Radio 0“ zeigt die Infos für die 2,4-GHz-Antenne an.

show controllers dot11Radio 1

Nun führe ich die erste Messreihe auf meinen Endgeräten in beiden Bändern durch, sowohl auf Sichtverbindung als auch auf große Entfernung.

PoE auf 15,4 Watt begrenzen

Nachdem alle Messungen beendet sind, kann ich nun an meinem Cisco 2960s die Leistung des PoE-Ports herunterregeln. Ich begrenze den Port auf 802.3af PoE mit einer Leistung von genau 15,4 Watt. Das veranlasst den Cisco 2702 im Energiesparmodus neu zu starten und eine Antenne abzuschalten.

Per Putty verbinde ich mich dazu auf den Switch und wechsle in den Konfigurationsmodus. Den Trunk-Port des Access Points konfiguriere ich dann wie folgt:

power inline consumption 15400
PoE-Power am Switchport begrenzen.

Der Befehl begrenzt die Leistung, welche der Port dem Access Point zur Verfügung stellt, auf 15,4 Watt. Nachdem der Befehl abgesetzt wurde, startet der Port mit der neuen Konfiguration neu. Dadurch wird auch der Access Point neu gestartet, denn er ist ja per PoE angeschlossen.

Nachdem der Access Point wieder verfügbar und dem WLAN-Controller beigetreten ist, lässt sich die Energiespar-Option sowohl im GUI als auch über Putty (“ show controllers dot11Radio 1″) überprüfen. Das GUI zeigt die 15,4 Watt Medium Power an. In Putty wird auf den „Low Power Mode“ explizit hingewiesen.

Nun führe ich die zweite Messreihe durch. Alle Werte kommen in die passende Tabelle pro Band.

Anmerkung: Der Access Point schaltet nur dann eine Antenne im Energiesparmodus ab, wenn beide Bänder aktiv sind. Ist nur eines der Bänder aktiviert (zum Beispiel im WLAN-Controller), dann hat der Access Point wieder genug Energie, um das aktive Band mit allen Antennen zu versorgen.