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20.01.2005

WLAN-Funkzellen richtig planen

Dr.-Ing. Oliver
Bei der Planung von Funknetzen in Unternehmen müssen eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden. Tools unterstützen die Arbeit der Administratoren.

Drahtlose Netze gewinnen in Unternehmen zunehmend an Bedeutung. Gründe hierfür sind der starke Preisverfall der dazu nötigen Komponenten und die einfache Installation, aber auch die kontinuierlich steigenden Bruttodatenraten, die derzeit 54 Mbit/s erreichen können. Damit bilden Wireless Local Area Networks (WLANs) insbesondere für Unternehmen mit großem Anteil an mobilen Teilnehmern (Laptops, PDAs oder VoIP-Telefone) eine sinnvolle Ergänzung zu drahtgebundenen Netzwerkanbindungen. Allerdings stellt die professionelle Planung und Einrichtung der meist großflächig auszulegenden WLAN-Versorgungsgebiete mit mehreren, überlappenden Funkzellen hohe Anforderungen an die Auswahl und optimale Konfiguration der einzusetzenden Komponenten.

Überblick WLAN-Standards

Drahtlose Funknetzwerke nach den IEEE-Standards 802.11a beziehungsweise b/g arbeiten im 5- beziehungsweise 2,4-Gigahertz- (GHz-)Band und stellen Bruttodatenraten bis zu 54 Mbit/s zur Verfügung.

Grundsätzlich gilt, dass mit einer höher gewählten Datenrate stets auch die übertragungstechnischen Anforderungen an das zugehörige Modulationsverfahren steigen. Das lässt sich an der sinkenden Eingangsempfindlichkeit, dem Abnehmen des Abstand zwischen Signal und Rauschen sowie der Verkürzung der maximal zulässigen Verzögerungszeiten (Delay Spread) ablesen.

Neben Differenzen in den Bruttodatenraten und Eingangsempfindlichkeiten unterscheiden sich die Standards a und b/g erheblich in den maximal zulässigen Abstrahlleistungen (Equivalent Isotropically Radiated Power = EIRP). Während bei deutschen Gerätezulassungen im Standard 802.11b/g ein EIRP-Wert unter 100 Milliwatt gefordert wird, darf im Standard 802.11a nur EIRP unter 200 Milliwatt im unteren Frequenzband (5,15 bis 5,35 GHz) und ausschließlich innerhalb geschlossener Räume eingesetzt werden. Im oberen 5-GHz-Frequenzband (5,470 bis 5,725 GHz) ist ein EIRP-Wert von unter 1 Watt zulässig. Diese Leistungen erfordern jedoch die Implementierung von Dynamic Frequency Selection (DFS) und Automatic Gain Control (AGC). Ohne DFS und AGC sind nur leistungsarme Abstrahlungen im Frequenzbereich 5,15 bis 5,25 GHz mit 50 Milliwatt und innerhalb von Gebäuden erlaubt.

Bei der Planung und Einrichtung von WLAN-Funkzellen innerhalb von Gebäuden sind eine Reihe von Ausbreitungsphänomenen sowie technische Randbedingungen zu berücksichtigen. Dazu zählen einerseits die Funkkanaleigenschaften mit Zusatzdämpfungen/Mehrwegeempfang durch Reflexion, Beugung und Streuung an Wänden, Decken, Fußböden und Mobiliar und andererseits die technischen Parameter der eingesetzten Access-Points beziehungsweise Funkkomponenten. Dazu gehören vordergründig die Sendeleistung, die Empfindlichkeit, der Interferenzabstand, der Abstand zwischen Signal und Rauschen sowie der Antennengewinn bei Einsatz von zusätzlichen externen Antennen.

Neben der zu überbrückenden Funkdistanz zwischen Access Point und Client bestimmt insbesondere die Anzahl und Bauart der Wände, der Decken beziehungsweise der Inneneinrichtung die erzielbare Reichweite. Dabei nimmt der Empfangspegel mit zunehmender Entfernung vom Access Point ab, springt an den Raumwänden um den Wert der Wanddämpfungen sowie schwankt durch Mehrwegeempfang bedingt. Die Funkzellengrenze ist somit erreicht, wenn der Empfangspegel die zur jeweiligen Datenrate gehörende Empfindlichkeitsgrenze unterschreitet und Interferenzfreiheit gegeben ist.

Wenn Mikrowelle und Handy dazwischenfunken

Zu den wesentlichsten Interferenzquellen innerhalb von Gebäuden gehören zum einen WLANs selbst, aber auch Mikrowellen- und Bluetooth-Geräte. Erstere werden meist durch Eigeninterferenzen verursacht, zum Beispiel durch schlecht konfigurierte WLAN-Access-Points (Kanalwahl) oder unkoordiniert arbeitende WLAN-Geräte von Mitarbeitern. Sie lassen sich relativ leicht durch administrative Maßnahmen beheben.

Störungen durch Mikrowellengeräte sind in der Regel örtlich auf den Küchen- oder Imbiss-bereich begrenzt, zeitlich nur von kurzer Dauer und damit aus Sicht der Verfügbarkeit unkritisch. Im Gegensatz dazu sind Bluetooth-Geräte wie Handys, PDAs, Headsets oder Printerports örtlich nicht fixiert. Die damit verbundene Störwirkung ist aber bei genügend großer Distanz zum sendenden Bluetooth-Gerät als gering zu bewerten.

Eine wichtige Rolle für WLAN-Installationen spielt die Auswahl einer geeigneten Antenne. Durch das Anbringen von zusätzlichen externen Antennen am Access Point lässt sich zum einen die Form der Funkzelle verändern. Zum anderen kann auch die maximale Reichweite vergrößert werden, wenn gleichzeitig auch die Clients externe Antennen erhalten. Von der Vielzahl der festzulegenden Planungs- und Installationsparameter spielen insbesondere der Antennentyp und die gewählte Antennenpolarisation eine wesentliche Rolle (siehe Abbildung "Externe Antennen verbessern die Reichweite").

So können Anwender unter anderem zwischen Rundstrahl-, Patch- und Planarantennen wählen. Die häufig zum Access Point standardmäßig mitgelieferten Rundstrahlantennen eignen sich vor allem für gleichseitige oder runde Räume mit zentralem Versorgungspunkt. Dagegen sollten in ungleichseitigen Büros oder kurzen Fluren mit seitlichem Versorgungspunkt bevorzugt Patch- oder Planarantennen verwendet werden. Für längliche Versorgungsbereiche, etwa Flure, zeilenförmig angeordnete Räume oder Lagerhallen, sollten Firmen abstrahlende Kabel in Betracht ziehen. Bei diesem Antennentyp in Form eines speziellen Antennenkabels ermöglichen eingebrachte Leckstellen eine gleichmäßige Abstrahlung über die gesamte Kabellänge. Die Vorteile liegen dabei in der erheblichen Reduktion von Abschattungen sowie eines wesentlich geringeren Dynamikbereiches.

Aspekte zur Festlegung der Antennenpolarisation

Neben der Bauform der Antenne spielt jedoch auch die Polarisation eine wichtige Rolle. Bauformabhängig oder konstruktiv bedingt, können die Geräte mit vertikaler, horizontaler oder zirkularer Polarisation betrieben werden. Um die größtmögliche Funkreichweite zu erzielen, sollten Sende- und Empfangsantenne über die gleiche Polarisation verfügen. Insbesondere aus Sicht eines beliebigen WLAN-Clients ist diese Forderung meist schwer zu erfüllen. Denn für WLAN-Laptops mit der häufig im senkrecht stehenden Display integrierten Antenne ist die vertikale Polarisation am Access Point zu bevorzugen. Dagegen werden PCMCIA-basierende WLAN-Funkkarten waagerecht in Laptops oder PDAs betrieben, womit hier der Einsatz einer horizontal polarisierten Antenne am Access Point geeigneter wäre.

Zirkulare Polarisation innen nicht zu empfehlen

Ein von konstruktiven Details unabhängiges Auswahlkriterium für die Wahl einer Polarisationsart sind Betrachtungen der durch Wände, Decken und Fußböden resultierenden Ausbreitungsdämpfungen. Generell lässt sich sagen, dass für Etagenversorgungen bevorzugt die horizontale Polarisation zu wählen ist, da sie über eine geringe wand-, aber große stockwerkübergreifende Dämpfung verfügt. Entsprechend eignet sich die vertikale Antennenpolarisation besser für eine stockwerkübergreifende Versorgung.

Darüber hinaus ist auch die Nutzung von zirkular polarisierten Antennen am Access Point prinzipiell zwar möglich, für Gebäudeversorgungen aber nicht zu empfehlen: Einerseits entsteht beim Empfang mit horizontal beziehungsweise vertikal polarisierten Antennen gegenüber zirkular polarisierten Antennen stets ein Zusatzverlust von drei Dezibel. Andererseits führt die der zirkularen Polarisationsart eigene reflexionsarme Abstrahlcharakteristik zu einer ungünstigeren Funkzellenausleuchtung.

Richtige Kanalbelegunghilft Engpässe vermeiden

WLANs nutzen den verwendeten Funkkanal prinzipell gemeinsam als "Shared Medium". Dabei werden Datenpakete zwischen Access Point und verschiedenen sendewilligen Clients nicht zeitgleich, sondern sequenziell mit Hilfe des Zugriffsverfahrens CSMA/CA ausgetauscht. Um daraus resultierende Performance-Verluste durch das Überlappen von benachbarten Funkzellen mit gleichem Kanal zu vermeiden, verwendet man hierbei mehrere Kanäle.

Es stehen für die Standards IEEE 802.11b/g (ETSI) mit Zulassung in Deutschland insgesamt 13 Kanäle zur Verfügung. Auf Grund der erforderlichen Bandbreite von etwa 20 MHz für einen WLAN-Übertragungskanal lässt sich theoretisch nur die Konstellation 1, 7 und 13 untereinander völlig störungsfrei betreiben. In der Praxis ist es jedoch möglich, auch bei einem Abstand von nur drei Kanälen sowie ausreichend hohem Signal-zu-Interferenz-Abstand maximale Datenraten zu erreichen. Somit sind unter Beachtung der konkreten Pegelkonstellation neben den Kanälen 1, 7 und 13 zusätzlich auch die Kanäle 4 und 10 beschränkt nutzbar.

Spezialsoftware erleichtert die Planung

Besser sieht es hingegen im Standard IEEE 802.11a aus: Von acht Kanälen im Bereich zwischen 5,15 und 5,35 Gigahertz (nur innerhalb von Gebäuden) beziehungsweise zehn Kanälen zwischen 5,470 und 5,725 Gigahertz (innerhalb und außerhalb von Gebäuden) können alle störungsfrei gewählt werden. Die teilweise implementierte beziehungsweise auch geforderte automatische Kanalsuche (DFS) unterbindet dabei die manuelle Einstellung.

Jede komplexe WLAN-Planung im Unternehmen sollte mit dem Abschätzen beziehungsweise Festlegen von Größe und Form der zu errichtenden Funkzellen beginnen. Hierfür stehen dem Administrator unterschiedliche Werkzeuge zur Verfügung, die sich in Tools zur Versorgungsprognose, Funkvermessung oder Versorgungsanalyse klassifizieren lassen.

Erstere basieren auf Feldstärkeprognosemodellen, wobei für die Vorhersagen innerhalb von Gebäuden hauptsächlich empirische und deterministische Modelle zum Einsatz kommen. Empirische Modelle beinhalten messbare Funktionen mit freien Parametern wie zum Beispiel entfernungsabhängige Dämpfung oder Wand- und Etagendämpfung, die im Allgemeinen anhand von Messungen bestimmt werden. Dabei wird vereinfachend vorausgesetzt, dass sich der dominante Anteil der Gesamtfeldstärke nur entlang des betrachteten geraden Pfades ausbreitet.

Im Gegensatz dazu basieren deterministische Prognosemodelle auf strahlenoptischen Ansätzen. Hierbei werden eine große Anzahl von Strahlen in alle Raumrichtungen "abgeschossen", die jeweils über materialabhängige Reflexionen, Beugungen, Streuungen, Wand- oder Deckendurchdringungen im zu betrachtenden Versorgungsbereich verfolgt werden.

Im Vergleich zu den empirischen Prognosemodellen erfordert der deterministische Ansatz zwar einen erheblich höheren Rechenaufwand, liefert aber durch die detaillierte Berücksichtigung des Mehrwegeempfangs genauere Prognoseergebnisse. Zusätzlich lassen sich damit auch bereits in der Planungsphase Versorgungsprobleme durch Verletzungen der maximalen Umwegzeit (Delay Spread) und damit verbundene Übertragungsfehler erkennen.

Mit Prognoseergebnissen lässt sich zudem anschaulich zeigen, wie unterschiedliche Antennentypen die Zellenformung bestimmen. Auch der Einfluss verschiedener Frequenzen (2,4 oder 5 GHz, siehe Abbildung Seite 23) auf die Reichweite sowie die Anzahl der Access Points auf die Ausleuchtung ist auf diese Weise vorherzusagen.

Analyse-Tools überwachen das Funknetz

Mit Hilfe der genannten Tools können Administratoren die für eine flächendeckende WLAN-Versorgungsplanung im Unternehmen notwendigen Funkkomponenten und die optimalen Installationsorte günstig auswählen. Dabei sind auch statistische Aussagen zur Versorgungsgüte in Form von relativer Häufigkeit (Relative Frequency) von Pegel- und Bandbreite aller Empfangspunkte möglich.

Funkvermessungswerkzeuge beinhalten ausschließlich spektrale Messwerkzeuge wie Generator, Antennenträger mit Sendeantenne sowie Messantenne mit Spektrum-Analyzer beziehungsweise Pegelmesser. Die Ergebnisse der spektralen Messungen liefern örtlich referenzierte Pegelwerte, die Angaben zur Ausbreitungsdämpfung, zum Fading-Verhalten und den Versorgungsgrenzen erlauben.

Werkzeuge zur Versorgungsanalyse sind einfach zu bedienende Softwarediagnose-Tools zur Qualitätsprüfung einer zwischen Access Point und Client aufgebauten Datenverbindung. Zu dieser Klasse gehören Link-Tools (zum Beispiel "Orinoco-Client-Manager"), Protokoll-Analyzer (wie "Airmagnet") sowie Datendurchsatz-Tools (zum Beispiel "Iperf"). Die damit vorgenommenen, örtlich referenzierten Messreihen liefern neben Werten zur Funkversorgung hauptsächlich eine Beurteilung des maximal erreichbaren Datendurchsatzes in Form von Versorgungsumrissen und geben Hinweise zu Fehlerursachen. (ave)