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05.04.2007

WLANs richtig installieren

Thomas Hruby
Die Installation von WLAN-Netzen ist so lange relativ einfach, wie nur ein oder zwei Access Points zum Einsatz kommen. Schwieriger wird es, wenn zehn oder zwanzig dieser Stationen benötigt werden. Worauf man dabei achten muss, erläutert Thomas Hruby.

Große Hotspots oder größere Unternehmensnetze werden in der Regel auf verteilten Access Points (APs) aufgebaut, die gemeinsam eine Abdeckung der "Ausleuchtzone" ermöglichen sollen. Dadurch ist der Benutzer in der Lage, sich innerhalb des Funkfelds zu bewegen und von einem WLAN-Access-Point wegzubewegen, ohne die Verbindung zum Netzwerk zu verlieren. Bewegt sich ein Client von der einen Ausleuchtzone eines APs zur nächsten Ausleuchtzone, bemerkt das WLAN-Endgerät die Abschwächung des Empfangssignals vom aktuell genutzten Access Point.

Erreicht das Signal einen unteren Schwellwert, baut der Client die aktuelle Verbindung ab und sucht nach einem stärkeren Signal eines anderen Access Points. Dieser Vorgang wird als Hand-off bezeichnet und im Normalfall vom Benutzer reiner Datenanwendungen nicht bemerkt.

Ein WLAN-Szenario besteht meist aus mehreren Access Points, die die gesamte Funkabdeckung des gewünschten Raums beziehungsweise der gewünschten Fläche erbringen. Mobile Benutzer können dadurch zwischen den einzelnen Access Points wandern und problemlos roamen. In der Praxis ist ein solches Netz relativ kompliziert und erfordert enorme Planungsvorbereitungen, um im Betrieb eine einigermaßen verlässliche Performance zu erreichen.

Herausforderungen für den WLAN-Betrieb

Folgende vier Wi-Fi-Problembereiche machen die Planung, die Installation und den Betrieb von WLANs problematisch:

1. Reduzierte Datenrate versus Zellengröße

Die Datenrate zwischen WLAN-Clients und Wi-Fi-Access-Points reduziert sich mit der Entfernung zwischen beiden Komponenten. In der Nähe des Access Points erreicht man Geschwindigkeiten von bis zu 54 Mbit/s (für 802.11g). Aber je weiter man sich mit seinem WLAN-Client vom Access Point entfernt, umso stärker fällt die Datenrate: auf 48, 36, 24, 12, 9, 6, 2 und eventuell auf 1 Mbit/s. Ein Access Point versorgt in der Regel ein Umfeld von bis zu 100 Metern im geschlossenen Bereich (bei 1 Mbit/s). Um einen höheren Gesamtdurchsatz zu erreichen, müssen folglich mehr Access Points und diese darüber hinaus näher beieinander installiert werden.

2. Nicht überlappende Kanäle

Der 802.11b- und der 802.11g-WLAN-Standard arbeiten im 2,4-GHz-Frequenzband. In diesem Band können nur drei nicht überlappende Kanäle betrieben werden. Alle mit einem Access Point verbundenen Clients teilen sich untereinander die verfügbare Bandbreite. Aus diesem Grund erhalten sechs mit einem 802.11g-Access-Point verbundene Clients gemeinsam eine effektive Bandbreite von zusammen 24 Mbit/s, beziehungsweise beim gleichzeitigen Betrieb aller Clients erhält jeder einen Durchsatz von 4 Mbit/s. Werden jedoch zwei oder mehr Access Points mit unterschiedlichen Kanälen im gleichen Funkfeld installiert und schalten sich die Clients gleichmäßig auf, teilen sich nur noch zwei Clients die verfügbare Bandbreite von 24 Mbit/s.

3. Kollisionen und Interferenzen

Da die WLAN-Clients nicht physikalisch miteinander verbunden sind, können diese nicht feststellen, wenn andere Geräte auf Sendung gehen. Daher ist es wahrscheinlich, dass mehrere aktive WLAN-Clients im gleichen Funkbereich zur gleichen Zeit ihre Daten übermitteln wollen. Dieser Vorgang wird durch einen sogenannten Back-off-Mechanismus abgefangen. Nach einer Kollision müssen die Geräte eine bestimmte Zeit warten, bis sie wieder auf Sendung gehen können. Die Wartezeit wird mit jeder aufgetretenen Kollision erhöht. Die Logik hinter dem Mechanismus: Je länger die Wartezeit, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass ein anderer WLAN-Client zum gleichen Zeitpunkt Daten übermitteln will. Durch die Wartezeit sorgt der Back-off-Mechanismus dafür, dass die reale Performance des Clients sinkt. Überträgt der WLAN-Client normalerweise mit 54 Mbit/s und treten Kollisionen im Funkmedium auf, sinkt die effektive Übertragungsrate um die Wartezeit.

4. Hand-off zwischen Access Points

Bewegt sich ein WLAN-Client zwischen zwei Access Points, so tritt ab einem bestimmten Signalpegel der Roaming-Mechanismus in Kraft. Als Roaming bezeichnet man die Zeit, die der Client benötigt, um sich bei seinem aktuellen Access Point auszuloggen und beim neuen Access Point anzumelden. Fester Bestandteil dieses Prozesses ist das Suchen des Clients nach dem nächststärkeren Signal. Dies geschieht durch ein Scannen des Übertragungsbands. Bei einigen Clients dauert dieser Prozess unter Umständen mehrere Sekunden.

Mikrozellen verschärfen die Probleme

In kleineren Wi-Fi-Netzen, beispielsweise zu Hause, in Cafés oder kleineren Büros, werden die meisten der oben beschriebenen Probleme nicht festgestellt. Entweder verfügt der Standort nur über ein oder zwei Access Points oder so wenige WLAN-Clients, dass die Probleme kaum Auswirkungen auf den Betrieb haben. In großen WLAN-Installationen zwischen zehn und Hunderten von Access-Points sowie mit vielen WLAN-Clients kann man diese Probleme nicht mehr vernachlässigen.

Eine höhere Dichte an WLAN-Clients erfordert nach der gängigen Designregel eine höhere Dichte von Access Points, um die notwendige Bandbreite pro Client bereitstellen zu können. Ein 802.11b-Access-Point stellt beispielsweise einen effektiven Durchsatz von 6 Mbit/s bereit. Erfordert eine höhere Anzahl von WLAN-Clients innerhalb des Funkfelds eine Erhöhung des Durchsatzes, dann besagt die Regel, dass der Abstand zwischen den Access Points verringert werden muss. Diese Technik wird als "Mikrozellen" bezeichnet.

Der Nachteil der Mikrozellen besteht in einer Erhöhung der Interferenzen und Kollisionen. Die Zellgröße wird durch die jeweilige Sendeleistung bestimmt. Das Signal des Access Points breitet sich jedoch auch jenseits der 11-Mbit/s-Grenze aus. Werden in einer Fläche mehrere Access Points installiert, kann dies zu Interferenzen der angrenzenden Kanäle führen. Als Interferenz bezeichnet man die Signale von unterschiedlichen Access Points, die auf dem gleichen Kanal arbeiten und sich dadurch gegenseitig stören.

Auf den ersten Blick scheint die Reduzierung des Abstands zwischen zwei Access Points die einfachste Lösung, um eine große Anzahl von WLAN-Clients auf engstem Raum unterstützen zu können. In der Praxis breitet sich das Funksignal des Access Points weit über die gewünschten Durchsatzgrenzen aus. Wird beispielsweise ein Access Point für eine Datenrate von 24 Mbit/s geplant, breitet sich das Signal über den 24 Mbit/s Radius hinaus aus. Die Datenrate reduziert sich auf 12, 6, 2 und 1 Mbit/s in 100 Metern Entfernung.

Dies bedeutet, dass selbst bei der sorgfältigsten Planung - bei der die benachbarten Access Points nicht den gleichen Kanal nutzen - Kanalinterferenzen nicht zu vermeiden sind. Je höher die benötigte WLAN-Bandbreite ist, desto signifikanter tritt dieses Problem zutage, denn mehr und mehr Funkssender stören sich untereinander auf dem gleichen Kanal. Dies resultiert in einer verminderten Netz-Leistung beziehungsweise -Performance. Ein 802.11-WLAN arbeitet als Shared Medium. Da die Clients mehrere Signale von mehreren Access Points und von anderen Clients in der näheren Umgebung empfangen, erhöhen die Kanalinterferenzen zwangsläufig die beim WLAN-Client auftretenden Kollisionen und führen zu korrupten Paketen (die wiederum Sendewiederholungen auslösen).

Die erhöhte Anzahl an Kollisionen und Sendewiederholungen des Clients führen folglich zu erhöhten Übertragungsverzögerungen und reduzieren den Durchsatz des Netzwerks spürbar. Die heutige WLAN-Generation kennt keine Vorkehrungen für diese Probleme und ist daher nicht in der Lage, in einer Umgebung mit einer hohen Nutzerdichte die volle Performance eines 802.11g-Netzwerkes mit 54 Mbit/s auszunutzen.

Hidden Nodes erhöhen die Kollisionen

Ein weiteres Problem der klassischen WLANs ist unter dem Oberbegriff "Hidden Nodes" bekannt. Das Problem der versteckten Knoten entsteht, wenn mehrere WLAN-Clients innerhalb einer Zelle mit einem Access Point kommunizieren, sich die WLAN-Clients aber nicht gegenseitig hören können. Das CSMA/CA-Protokoll des 802.11-Standards funktioniert so lange, wie die WLAN-Clients die Signale der anderen Kommunikationspartner empfangen. Unter bestimmten Umständen können die WLAN-Clients so weit voneinander entfernt sein, dass diese zwar noch die Signale des Access Points empfangen, aber nicht mehr die Signale des anderen Clients.

Weitere Aspekte des Hand-offs

Ein zusätzlicher Aspekt muss bei verzögerungssensitiven Anwendungen (beispielsweise Voice-over-Wi-Fi) berücksichtigt werden. Eine Mikrozelle führt zu einer signifikant ansteigenden Zahl an Hand-offs. Diese Hand-offs zwischen Access Points führen zu wachsenden Verzögerungen und somit zu einer Reduzierung der Sprach- oder Videoqualität.

Die Folge: erhöhte Planungs-, Installations- und Betriebskosten. Ein Aufbau von Mikrozellen erhöht die Kosten wie folgt:

Vorplanung (Site Survey): Die Erhöhung der Dichte der Access-Points erfordert eine genaue Vorplanung (eventuell auch Probemessungen vor Ort) der Kanalvergabe, um mögliche Kanalinterferenzen zu minimieren.

Ethernet-Ports: Um eine Verbindung zum Kabelnetz bereitzustellen, benötigt jeder Access Point einen Anschluss an einen Ethernet-Switch. Stehen an den vorhandenen Switches keine weiteren Ports zur Verfügung, müssen neue Ethernet-Switches installiert werden.

Kabelverlegung: Jeder Access Point benötigt für seinen Ethernet-Ausgang zum Kabelnetz auch eine Kabelverbindung zum entsprechenden Switch-Port. Die Installation des Verbindungskabels kann unter Umständen mit bis zu 500 Dollar pro Access Point zu Buche schlagen.

Fazit

Ein flächendeckendes WLAN-Netz erfordert eine wesentlich genauere und sorgfältigere Planung, Installation und Einmessung der Wi-Fi-Access-Points als Netzzugänge in Hot-Spots, Cafés oder isolierte Gästezugänge in Unternehmen. Mikrozellen, bei denen die Access-Points näher beieinander liegen, gelten allgemein als probates Mittel, um die notwendige Bandbreite einer Vielzahl von WLAN-Clients zur Verfügung zu stellen. Bei einem solchen Netzaufbau müssen jedoch folgende vier Aspekte genauer betrachtet werden: Reduzierung der verfügbaren Datenrate, leistungsreduzierte nicht überlappende Kanäle, Kanalinterferenzen und Kollisionen sowie häufigere Hand-off-Prozeduren. Zusammen limitieren diese Faktoren die Effizienz von Mikrozellen.

Darüber hinaus steigen die Kosten der Mikrozellen dramatisch. Dies hat nicht nur seine Ursache in zusätzlich notwendigen Kommunikationskomponenten, sondern liegt unter anderem an der komplexen Funknetzplanung und den permanenten Support-Kosten.

JH