BSS Coloring ist Teil des neuen 802.11ax-Standards und ist einer der Gründe, warum WLAN 6 in dichten Umgebungen schneller als WLAN 5 sein kann, wenn WLAN-Kanäle mehrfach verwendet werden. BSS Coloring thematisiert das Problem der Co-Channel Interference (CCI), wenn sich mehrere Access Points / WLAN-Router samt Endgeräten auf dem gleichen Kanal die verfügbare Airtime teilen müssen. BSS Coloring fügt den WLAN-Frames dazu ein weiteres Feld hinzu, das die Teilnehmer benötigen, um den CSMA/CA-Prozess schneller zu durchlaufen: Ohne BSS Coloring mussten alle Funkteilnehmer eines Basic Service Set (BSS) warten, bis Funkstille auf dem kompletten Kanal vorliegt. Mit BSS Coloring genügt es, wenn die Funkstille innerhalb einer BSS der gleichen „Farbe“ vorliegt. Es muss nicht in allen Fällen auf Funkstille in anderen BSS gewartet werden, wenn diese eine andere BSS Color verwenden. Und das kann das WLAN dann schneller machen.
CSMA/CA und Halb-Duplex im WLAN
WLAN passiert im lizenzfreien Funkspektrum. Beim Spektrum handelt es sich um ein Übertragungsmedium im Halb-Duplex-Betrieb. Aufgrund des Verfahrens Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) ist es den Funkteilnehmern nach 802.11 nur erlaubt eine Datenübertragung zu starten, wenn der beanspruchte Funkkanal frei ist. Dazu durchlaufen alle WLAN-Teilnehmer unter anderem das sogenannte Clear Channel Assessment (CCA).
Einfach zusammengefasst funktioniert das so: Sobald ein Funkteilnehmer auf dem Kanal ein anderes Funksignal nach 802.11 auffängt, wartet er mit seiner eigenen Funkübertragung, bis der Kanal wieder frei ist und kein anderes Gerät sendet. Denn wenn alle Funkteilnehmer munter drauflos plappern würden, dann würden sich die WLAN-Signale gegenseitig überlagern und der Empfänger kann die Datenübertragung nicht mehr eindeutig demodulieren. Die Daten müssten erneut übertragen werden. Wenn überhaupt erfolgreich, wäre die Datenübertragung dann recht langsam.
Beim CCA gibt es zwei Grenzwerte, die einem Funkteilnehmer helfen zu beurteilen, ob ein WLAN-Kanal frei ist oder ob ein anderer Funkteilnehmer bereits Daten überträgt. Der Grenzwert Signal Detect (zum Erkennen anderer WLAN-Signale) liegt herstellerübergreifend bei ca. 4 dB über dem Grundrauschen. Der Grenzwert Energy Detect (zum Erkennen aller anderen Funksignale, z.B. Bluetooth) liegt dann nochmal 20 dB über dem Signal-Detect-Grenzwert, also insgesamt etwa 24 dB über dem Grundrauschen. Liegen evtl. empfangene Funksignale unter den beiden Grenzwerten (oder wird überhaupt kein Signal erfasst), gilt ein Kanal als frei und die Datenübertragung kann beginnen. Ansonsten muss gewartet werden, bis der Kanal wieder frei ist.
Ergänzung: Laut einer Präsentation auf der Cisco Live! 2019 (Seite 13) verwendet Cisco folgende Werte für Energy Detect und Signal Detect: -65 dBm bzw. – 85dBm.
Gegenüber anderen WLANs ist WLAN damit empfindlicher als gegenüber anderen Funksignalen. Ein Nicht-WLAN-Signal müsste aufgrund der Grenzwerte 100-mal (≙ 20 dB) lauter sein als ein WLAN-Endgerät, damit es die Signalübertragung zurückstellen würde. Ansonsten funkt ein WLAN-Gerät einfach über das Nicht-WLAN-Signal hinweg. Dies ist übrigens auch der Grund, warum WLAN so gut wie nie durch Bluetooth gestört wird und oft beides sogar auf einem Funkchip verbaut wird. Immerhin hat Bluetooth eine maximale Sendeleistung von 100 mW und kann daher eher selten 100-fach lauter sein als WLAN.
Fassen wir zusammen: Auch sehr leise (und daher oft sehr weit entfernte) WLAN-Signale bewegen die anderen Funkteilnehmer nach 802.11 dazu, ihre eigene Datenübertragung zu verzögern, bis der Kanal wieder frei wird. In den frühen Zeiten des WLAN-Coverage-Designs, bei dem eine möglichst weitflächige Abdeckung durch WLAN-Signale mit wenigen Access Points angestrebt wurde, war das eine gute Lösung. WLAN hat sich heutzutage allerdings dahingehend verändert, dass Abdeckung allein nicht mehr ausreicht. Vielmehr muss allen Endgeräten ausreichend Kapazität, d.h. Bandbreite zur Verfügung gestellt werden (Capacity Design). Und das trotz steigender Endgeräteanzahl. Während die Funkzellen ganz im Sinne des Capacity Design tendenziell eher kleiner wurden, blieb der Grenzwert für die Erkennung anderer WLAN-Signale unverändert sensibel. WLAN 6 mit BSS Coloring möchte dies ändern, indem es den Grenzwert Signal Detect unter gewissen Umständen erhöht und WLAN damit unter gewissen Voraussetzungen weniger sensibel macht.
Das Clear Channel Assessment (CCA) ist zu empfindlich und wird durch BSS Coloring toleranter
WLAN ist also ein sehr rücksichtsvolles Protokoll und immer, wenn es anderes WLAN hört, wartet es ganz nobel ab, bis der andere WLAN-Teilnehmer oder Access Point seine Übertragung abgeschlossen hat. Immer schön der Reihe nach.
Umso mehr Funkteilnehmer im WLAN kommunizieren, desto länger kann es daher dauern, bis ein einzelner Funkteilnehmer mit der eigenen Übertragung beginnen darf. Bei begrenzter Kapazität des Spektrums sinkt die Airtime pro Endgerät und damit der Anteil an dieser Kapazität pro Endgerät. Anders gesagt: Das WLAN verstopft gewissermaßen. Die Teilnehmer sind länger mit Warten beschäftigt als mit dem eigentlichen Übertragen der Daten. In der Folge leidet dadurch der tatsächliche TCP Throughput mitunter stark. Die Endgeräte stehen im WLAN-Stau.
Benachbarte WLANs verstopfen das eigene WLAN
Die Wartezeit vergrößert sich sogar noch, wenn mehrere BSS (Access Point / WLAN-Router + Endgeräte) auf einem Kanal funken. In diesem Fall spricht man auch von sogenannter Co-Channel-Interference (CCI) oder OBSS (Overlapping Basic Service Set). Die Funkzellen überlagern sich.
Auch wenn die Teilnehmer verschiedener Funkzellen im gleichen Kanal sich gegenseitig bei einer Übertragung hören, müssen sie eine anstehende Datenübertragung hintenanstellen und warten, bis der Funkkanal wieder frei ist. Während Access Points durch den Aufstellort recht gut handhabbar sind, sind die Endgeräte die häufigsten Verursacher von Co-Channel Interference, da sie räumlich oft den größeren Bereich abdecken und damit das Basic Service Set (BSS) derart vergrößern, dass Überlappungen zu anderen WLAN-Zellen wahrscheinlicher werden.
Das kennt ihr bestimmt auch von zuhause. Habt ihr viele WLANs in der Nachbarschaft wird die Auswahl des besten Funkkanals zur schweren Aufgabe. Vor allem im 2,4-GHz-Band sind die Kanäle bereits belegt und ohnehin stehen nur drei wirklich nutzbare Kanäle zur Verfügung. Eigentlich lassen sich nur Kanal 1, 6 und 11 benutzen. Ihr müsst euch den Funkkanal mit anderen WLANs teilen und damit auf immer mehr andere WLAN-Endgeräte warten. Übrigens: Seid ihr besonders schlau und nutzt die anderen nicht überlappungsfreien Kanäle, habt ihr unweigerlich ein weiteres Problem, es nennt sich Adjacent Channel Interference (ACI). Also lieber Finger weg und freie Kanäle im 5-GHz-Band suchen oder auf 6 GHz warten.
Die BSS Color
WLAN 6 führt nun einen Mechanismus ein, der die Wartezeiten auf einen freien Kanal bisweilen dramatisch verringern könnte – indem es keine Rücksicht auf sehr leise und damit weit entfernte Basics Service Sets nimmt. Voraussetzung ist, die WLANs haben eine unterschiedliche BSS Color. Das BSS Coloring ergänzt alle WLAN-6-Pakete (Management-Frames, Control-Frames und Data-Frames) um ein weiteres Feld (6 Bit). Beispiel Management Frames: Das WLAN-6-Element „HE Operation“ klärt alle kompatiblen WLAN-6-Endgeräte über die Verwendung des BSS Coloring auf. Die Teilnehmer können sich damit auf den Umgang mit BSS Coloring einstellen und die BSS Farbe in den WLAN-Frames verwenden. Ist BSS Coloring für eine BSS aktiv, kann adaptives Clear Channel Assessment die Toleranz gegenüber weit entfernten bzw. leisen Datenübertragungen erhöhen.
Adaptives Clear Channel Assessment senkt die Empfindlichkeit gegenüber anderen WLANs
BSS Color allein fügt den WLAN-Frames zunächst zusätzliche Informationen hinzu. Das allein macht WLAN offensichtlich nicht schneller, im Gegenteil.
Damit die BSS Color nun Vorteile erwirken kann, wird durch WLAN 6 zudem das Clear Channel Assessment erweitert. Anstatt beim Grenzwert Signal Detect mit 4 dB über dem Grundrauschen sehr empfindlich gegenüber anderen WLAN-Signalen zu reagieren, erhöht 802.11ax diesen Grenzwert, wenn die aufgeschnappten Funksignale verschiedenen BSS Colors (inter-BSS) angehören. Das nennt man dann adaptives Clear Channel Assessment. Es führt dazu, dass ein Kanal im Sinne des CCA eher als frei bewertet wird, obwohl ein WLAN mit anderer BSS Color Funksignale auf dem Kanal überträgt. Die Datenübertragung kann dann beginnen, obwohl ein Endgerät mit anderer Farbe bereits Daten überträgt.
Bei WLAN-Signalen gleicher BSS Color (intra-BSS) dagegen bleibt der Grenzwert wie gehabt. Innerhalb einer BSS sind alle Daten wichtig und es ist nicht erlaubt, über andere Teilnehmer hinweg zu funken. Der Zugriff auf das Spektrum bleibt konservativ und sensibel geregelt.
Wichtig: Der neue Grenzwert des adaptivem CCA entscheidet, ob ein WLAN mit anderer BSS Color beim Clear Channel Assessment berücksichtigt wird, oder ob über das fremde WLAN-Signal hinweg gefunkt werden kann. Der Grenzwert muss so gewählt sein, dass das WLAN mit der anderen BSS Color trotzdem leise genug ist, um das andere WLAN nicht zu stören.
Auf welchen Wert sich den unterschiedlichen Herstellern von WLAN-Hardware einpendeln werden, ist noch nicht vorherzusehen. Meines Wissens ist ein konkreter Wert (wie schon beim normalen CCA) nicht konkret im Standard geregelt. Möglich ist auch, dass einige Hersteller den Wert frei konfigurierbar machen werden.
Macht BSS Coloring WLAN 6 schneller?
BSS Coloring schafft wie beschrieben also eher die Voraussetzung für das adaptive Clear Channel Assessment. Dadurch werden WLANs mit anderer BSS Color weniger stark beim CCA berücksichtigt und der Kanal wird aufgrund eines toleranteren Grenzwertes eher als frei bewertet. In der Folge müssen die WLAN-Teilnehmer insgesamt seltener auf andere Geräte warten.
In dichten Umgebungen, in denen Kanäle wiederholt verwendet werden (müssen), kann sich so ein Geschwindigkeitszuwachs ergeben. BSS Coloring ist dafür lediglich eine Voraussetzung, eigentlich verantwortlich ist aber das adaptive CCA. Erst im Zusammenspiel können beide Verfahren WLAN 6 schneller und resistenter gegenüber Verstopfung machen.
Leider funktioniert das nur, wenn sowohl Access Points / WLAN-Router und die Endgeräte WLAN 6 und damit BSS Coloring unterstützen. Alte Geräte mit WLAN 5 oder älter können von der Technologie nicht profitieren und verwenden wie gewohnt einen konservativen Grenzwert zur Erkennung von WLAN-Signalen im Clear Channel Assessment.
