Ein Wireless-Projekt in einer realen Umgebung

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1 WLAN optimiert mit richtiger Technologie und Antenne Ein Wireless-Projekt in einer realen Umgebung Andreas Scheurer, CEO, Wistec GmbH Adrian Dörflinger, PM, Studerus.AG

2 Agenda Begrüssung,Vorstellung Referenten, Einstieg mit Gedanken zu Projekten WLAN Standards, Projektplanung, Site Survey, WLAN Architekturen Antennentechnologien, Verwaltung, Konfiguration und Management. Projektabschluss mit Abnahmemessung, Résumé

3 Ein Gedanken zum Anfang Liegt der Irrtum nur erst wie ein Grundstein unten im Boden, immer baut man darauf, nimmermehr kommt er an den Tag. (Johann Wolfgang von Goethe - deutscher Dichter, )

4 Was will der Kunde? und was brauchen wir! Welcher vertikale Markt? Sind Gebäudepläne vorhanden? Um wie viele gleichzeitige Benutzer handelt es sich, - Konkurrent Welche Anwendungen will der Kunde nützen? Bandbreite pro User, Internet-, Datenbank-, Serverzugriff? Welche Infrastruktur besteht schon? Internetanbindung?

5 Was will der Kunde? und was brauchen wir! TCO und Laufzeiten (Investition primär in Switch, AP s später austauschen)? Bis wann soll das Projekt umgesetzt werden, Hindernisse? Was für ein Budget haben Sie sich vorgestellt? -> bisweilen bestimmt durch die Technologie (802.11?) und Komplexität Welche späteren Ausbaupläne existieren oder sind angedacht? Gibt es vielleicht gar ein Pflichtenheft? Wer leistet Service und Support?

6 Noch Ein Zitat zum Einstieg für den Zuhörer Meine Aufgabe ist es, meine Hoffnungen zu lehren, sich den Tatsachen anzupassen, und nicht, die Tatsachen dazu zu zwingen, mit meinen Hoffnungen übereinzustimmen. (Thomas Huxley - Biologe und Bildungsorganisator, )

7 Agenda Begrüssung,Vorstellung Referenten, Einstieg mit Gedanken zu Projekten WLAN Standards, Projektplanung, Site Survey, WLAN Architekturen Antennentechnologien, Verwaltung, Konfiguration und Management. Projektabschluss mit Abnahmemessung, Résumé

8 Herzlich willkommen! Andreas Scheurer wistec GmbH 8834 Schindellegi Tel wistec.ch

9 Agenda - 1 Projektplanung / Realisation WLAN Standards MIMO, N Projektplanung Applikationen, Benutzerdichte, Durchsatz, Roaming, Bestimmung der AP & Antennenpositionen Site Survey Zweck, Umfang, WLAN-Dichte, Störquellen, (Spektrometer), Resultate WLAN Architekturen Zellenstruktur (zentral verwaltet, AP polyfunktional) Zellenstruktur (Controllerverwaltung, AP passiv) Blanketstruktur (zentraler Switch, thin AP, 4G) Punkt-Punkt Bridging (Outdoor, Long-Range) Hotspot / Hospitality Lösungen

10 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Resultate, Résumé

11 wichtige WLAN Standards b a g Speed 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Band 2.4 GHz 5-6 GHz 2.4 GHz Coverage 50/400 m 25/200 m 50/400 m Security 802.1x -> i WiMax HyperMAN

12 IEEE n Standard n (ratifiziert seit 11. Sept. 2009) Sollte bereits Mitte 2007 verabschiedet werden. Hauptziele: Grössere Reichweite höherer Durchsatz bessere Zuverlässigkeit Eigenschaften 2.4 und 5 GHz MIMO Technologie (Multiple Input/Multiple Output) Mehrfachantennen Packet Aggregation Durchsatz bis 300 Mbps ( 5-6 x A/G ) Channel Bonding (Zwei 20-MHz Kanäle als ein 40-MHz Kanal) a/b/g rückwärtskompatibel

13 IEEE n MIMO Grössere Reichweite und höherer Durchsatz dank MIMO Technologie (Multiple Input/Multiple Output) Durchsatz bis ca. 300Mbps (1 Kanal) mit zwei 20-MHz Kanälen bis 600 Mbps

14 802.11n MIMO - Spatial Multiplexing Reichweite Durchsatz Stabilere Verbindung Bessere Ausleuchtung (gleichmässiger) weniger Komponenten (geringere AP-Dichte)

15 n Standard Packet Aggregation Reduktion des Overheads durch Bündelung von Paketen Effektiv bei Filetransfer Nicht bei VoIP und Multimedia wegen Latency & Jitter (QoS)

16 n Channels Channel Bonding 2 Kanäle à 20 MHz Kanalbandbreite 40 MHz K1

17 Kompatibilität n mit a/b/g Verbindung zu g -Client mit 54 Mbit/s (Durchsatz +20%) Verbindung zu n -Client mit 300 Mbit/s (Durchsatz -50%)

18 Agenda - 1 Projektplanung / Realisation WLAN Standards MIMO, N Projektplanung Applikationen, Benutzerdichte, Durchsatz, Roaming, Bestimmung der AP & Antennenpositionen Site Survey Zweck, Umfang, WLAN-Dichte, Störquellen, (Spektrometer), Resultate WLAN Architekturen Zellenstruktur (zentral verwaltet, AP polyfunktional) Zellenstruktur (Controllerverwaltung, AP passiv) Blanketstruktur (zentraler Switch, thin AP, 4G) Punkt-Punkt Bridging (Outdoor, Long-Range) Hotspot / Hospitality Lösungen

19 So nicht!

20 Zielvorgaben Projektplanung Verwendungszweck? Anzahl Benutzer? Gleichzeitigkeit? Bandbreite? Reserve? Dichte? Topologie? Umgebung? Gebäudestruktur? Materialien? Investitionsschutz? Betriebsbudget? TCO?

21 Anforderungen Projektplanung Verwendungszweck des WLAN...? Internetzugang, Mail, Surfen Erfassung Logistik Voice over WLAN Positionierungs-Systeme Benutzerdichte und Durchsatz...? Lagerhalle, Hotelzimmer Klassenzimmer, Konferenz- oder Vorlesungssaal Voice, Videoüberwachung Mobilität...? Roaming? logische Abgrenzung? Sicherheit?

22 AP & Antennenpositionen Projektplanung funktechnisch... reflexionsfrei -> Freiraum dämpfungsarme Materialien Sichtverbindung Positions-Höhe installationstechnisch... einfache Erschliessung Zugänglichkeit maximale Distanzen zum Switch Ästhetik...? Schutz vor Vandalismus?

23 Deployment Tools Projektplanung Für Grobplanung ja, aber... stossen schnell an ihre Grenzen

24 Produktewahl Projektplanung

25 Produktewahl Projektplanung

26 Agenda - 1 Projektplanung / Realisation WLAN Standards MIMO, N Projektplanung Applikationen, Benutzerdichte, Durchsatz, Roaming, Bestimmung der AP & Antennenpositionen Site Survey Zweck, Umfang, WLAN-Dichte, Störquellen, (Spektrometer), Resultate WLAN Architekturen Zellenstruktur (zentral verwaltet, AP polyfunktional) Zellenstruktur (Controllerverwaltung, AP passiv) Blanketstruktur (zentraler Switch, thin AP, 4G) Punkt-Punkt Bridging (Outdoor, Long-Range) Hotspot / Hospitality Lösungen

27 Notwendigkeit? Site Survey Ungewissheit... fremde Netze freie Frequenzen Durchlässigkeit Gebäudestruktur Dämpfung der Materialien Störquellen?

28 Dämpfung der Umgebungsmaterialien mässig: hoch: Einfaches Fensterglas Backstein Kunststoffe Luft < Regen Luft: Dämpfung bei 2.4 GHz 250 m 88 db 500 m 94 db 1000 m 100 db Beschichtetes Glas Natürliches, solides Mauerwerk (feuchtes) massives Holz < Schnee < Nebel Metalle

29 Analyse Ist-Situation Site Survey Interferenzen? Wer stört? Wo ist die Störquelle? Was sind typische Störquellen? Beeinflussung durch andere WLAN Netze? Was ist im Äther?

30 Analyse Site Survey andere WLAN Netze? => z.b. Network Stumbler Interferenzen?

31 Professionelle Messung Site Survey

32 Spectro-Analyse Site Survey

33 Agenda - 1 Projektplanung / Realisation WLAN Standards MIMO, N Projektplanung Applikationen, Benutzerdichte, Durchsatz, Roaming, Bestimmung der AP & Antennenpositionen Site Survey Zweck, Umfang, WLAN-Dichte, Störquellen, (Spektrometer), Resultate WLAN Architekturen Zellenstruktur (zentral verwaltet, AP polyfunktional) Zellenstruktur (Controllerverwaltung, AP passiv) Blanketstruktur (zentraler Switch, thin AP, 4G) Punkt-Punkt Bridging (Outdoor, Long-Range) Hotspot / Hospitality Lösungen

34 WLAN Zellen Architektur Zentrale Verwaltung bis max. 100 APs

35 WLAN Zellen Architektur bis heute Traffic-Konflikte Unzuverlässige Verbindung Geringe oder keine Mobilität AP-zu-AP-Interferenz Funklöcher schwer zu beseitigen APs einzeln konfiguriert Keine optimale Nutzung aller Anwendungen

36 Limitationen zellenbasierender Systeme Sensitivität Co-Channel Interference Immer vorhanden Client Übertragungsstärke kann nicht kontrolliert werden Client beantwortet jedes Packet mit ACK! (Sensitivity) Edge-Users Client entscheidet wann er «roamt» (häufig unbeinflussbare Einstellungen wie z.b. «Roaming Aggressivness», Energiesparmodus etc.) Client mag an «relativ gutem AP» «kleben bleiben»! Damit reduziert er die Gesamtperformance Roaming Roaming wird immer auf der niedrigsten Datenrate durchgeführt Verursacht Interferenz Führt zu Ping-pong Effekt

37 WLAN Zellen / Controller Architektur Controller-Modus ist das Core-Feature der Hybrid-Lösung Konfiguration und Management der Client-AP s auf einer Konsole. kosteneffiziente und skalierbare Lösung: Bsp. Remote-Management Konsole Controller

38 WLAN Blankets Architektur Channel-Blanket Zentralisierte Logik, verteilt nur Radio AP sind überall verteilt und arbeiten auf dem selben Kanal (keine Konfiguration erforderlich) Der Switch überwacht die AP s zentral und verhindert Co-Channel Interference der Client verbindet sich mit dem Switch, nicht mit dem AP Mobilität und garantierte Bandbreite Eine «Single-Cell-Experience» bietet: gleichmässigen Durchsatz unbegrenzte Aufstellung und Dichte von APs konsistentes Client-Verhalten

39 Punkt - Punkt Architektur Hochleistung-Bridge Repeating mit 2 Radios: Neben dem Relaying auf dem 5GHz Band (Anbindung an den Backbone) werden Clients auf dem 2.4Ghz Band angekoppelt (local coverage) WLAN Client Internet WLAN Client WLAN Client

40 Fresnelzone.545 r [meter] d = 1km -> r= 5.6m (bei 2.4 GHZ) d = 20km -> r= 25m (bei 2.4 GHZ) d [meter] f [GHz]

41 Polarisierung Konfiguration Schwingungsrichtung der Antenne vertikal Konsequenz bei der Anwendung horizontal

42 Systemmarge Rechenbeispiel: Ermittlung der Grenzen Long Range Gewinn 6 dbi 6 dbi Kabel -3dB Sender 17dBm Klare Sichtverbindung typ. Dämpfung Luft 50m 74dB 100m 80dB 250m 88dB 500m 94dB 1000m 100dB -3dB Empfänger -83dBm System Marge: bei 500m 12dB bei 1000m 6dB

43 Link Analyse Beide Seiten auf einen Blick... Long Range Link Signalstärke, Signalreserve?

44 Hotspot / Hospitality Architektur Der N4100 sendet folgende Daten periodisch zum Syslog Server: Account Name Datum Source IP, Source Mac, Source Port Destination IP, Destination Port

45 Beispiele Architektur Aufgabe: ganzes Areal aussen (49 ha) mit b/g versorgen CH 1 CH 6 Link CH1 Bridge 5 GHz NWA = 24 dbm ( 20 dbm = 100 mw ) 700 m NWA-3550 DSL, N-4100 NWA-3550 ( Antenne: gain = 9 db ) Dämpfung L = 94 db ( 94 db = 500 m ) (-70dBm eingangs Antenne) ( Antenne: gain = 9 db ) Receiver NWA-1100: ( -70 dbm +9 = -61 dbm ) Glas-Link -61 dbm => 54 Mbps CH 11 NWA-1100 CH 1 Marge 13 db NWA-3550

46 Receiver Empfindlichkeit / Speed / Marge Specifications Atheros AR5213 AR5112 IEEE Standard Compliance IEEE a 5GHz OFDM IEEE b 2.4GHz OFDM IEEE g 2.4GHz CCK Frequency Range a: 4.9GHz ~ 6,1 GHz b/g: 2.3GHz ~ 2.5GHz Receive Sensitivity: b: 1Mbps 11Mbps g: 6Mbps 54Mbps a: 6Mbps 54Mbps Output Power: b: 18 dbm g: 18 6Mbps, 15 54Mbps a: 17 6Mbps, 13 54Mbps

47 Beispiele Architektur Aufgabe: ganzes Areal aussen (36 ha) mit b/g versorgen CH 1 CH 6 Link CH1 Bridge 5 GHz NWA = 24 dbm ( 20 dbm = 100 mw ) 700 m NWA-3550 DSL, N-4100 NWA-3550 ( Antenne: gain = 9 db ) Dämpfung L = 98 db ( 98 db = 500 m Luft feucht) (-74dBm eingangs Antenne) ( Antenne: gain = 9 db ) Receiver NWA-1100: ( -74 dbm +9 = -65 dbm ) Glas-Link -65 dbm => 54 Mbps CH 11 NWA-1100 CH 1 Marge 9 db NWA-3550

48 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Resultate, Résumé

49 Antennen Anwendungen indoor Wichtige Merkmale für Indoor-Anwendungen: dezente Erscheinung Raumgeometrie (z.b. hohe vs. niedrigeräume) Ästhetische (farbliche) Integration Kleine Abmessungen Feines Kabel (dezente Farbtöne) Omni-, Sektor- und Richtcharakteristik Fixe Montage vs. variable Position

50 Was macht eine gute Antenne aus? Material Langlebigkeit Stabilität Robustheit Genaue Geometrie (Abstimmung) Anpassung Kabel & Stecker (Impedanz, VSWR) Versiegelung als Massnahme gegen Verschmutzung & Veränderung der Charakteristik

51 Bsp. Antennen für n 2.4 GHz 2-fach Deckenantenne 3dBi 2.4 GHz und 5-6 GHz 2-fach Patchantenne 60 / 7dBi

52 Antennen Anwendungen indoor Deckenmontage Betondecken ohne Unterdecke ideal für Hallen, Lager, Korridore und ähnliche niedrige aber breite Räume 7.5 dbi Gain 19cm Länge Abstrahlungsbild:

53 Antennen Anwendungen indoor Deckenmontage Ideal für Räume wie Hotelzimmer Korridore etc. dezent, nur 28 Gramm schwer 4 dbi Gewinn 360 Abstrahlbild:

54 Antennen Anwendungen indoor Unauffällig an Wänden Sektor 8.5 dbi 120 Sektor 7.5 dbi 70

55 Antennen Anwendungen Sektor-Abdeckung Outdoor, Hot Spots mit hoher Benutzerdichte Aufteilung der Last z.b. in Messehallen Abstrahlungswinkel: horizontal , vertikal 6 30

56 Blitzschutz Gasentladungsprinzip oder Quarter Wave Technology (QWT) QWT ist schmalbandig z.b. nur 2.4 GHz echter Schutz ist nur gewährleistet, wenn Seele und Abschirmung galvanisch getrennt sind. Solide Erdung ist entscheidend! Ersatzschaltbild: Transformator

57 Antennen Anwendungen Hohe Reichweite Outdoor, punkt-punkt Richtantennen mit Strahlungswinkel 5 30 Flat Patch Yagi Parabolische Dish-Antennen

58 Antennen Anwendungen Abdeckung rundum Outdoor, ISP, Hot Spots Antennen omni-direktional, vert. Strahlungswinkel 6 30 Richtantenne auf Client Seite

59 Auswirkungen Vermeidung von Reflexionen Erhöhung der Reichweite Besserer Durchsatz auch in Randzonen Geringere Anzahl Access Points -> Kosten Equipment, Installation -> Performance, weniger Roaming -> einfachere Frequenzplanung

60 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Resultate, Résumé

61 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Zweck, Umfang, Resultate

62 Zuverlässigkeit Konfiguration Frequenzkanalwahl GHz Kanalabstand 5 MHz Kanalbandbreite 25 MHz

63 Gesetzliche Situation CH Planung Zuständigkeit BAKOM Stand Dez 2009 ISM-Band 2.4 GHz frei für indoor & outdoor Einsatz nach EN bis 100 mw e.i.r.p. DSSS- & OFD-Modulation ISM-Band 5.2 GHz ( ) 200 mw indoor 4 Ch ISM-Band 5.3 GHz ( ) 100/200 mw indoor/outdoor 4 Ch nach EN bis 100/200 mw ohne/mit DFS/TCP ISM-Band 5.6 ( ) frei für indoor & outdoor Einsatz OFD-Modulation nach EN bis 500/1000 mw ohne/mit DFS/TCP DFS = dynamic frequency selection TPC = Transmit Power Control

64 Frequenzen 5 GHz Konfiguration Frequenzkanalwahl GHz Kanalabstand 5 MHz Kanalbandbreite 20 MHz // f [GHz] 8 Kanäle f [GHz] 12 Kanäle f [GHz] 5 Kanäle (USA)

65 Verwaltung Konfiguration Individuell. Zentral. Controller-based single point of failure -> Redundanz Kapazität -> Bandbreite SW based SNMP, CAPWAP Monitoring, Alarmierung

66 WLAN Telefonie Konfiguration Kriterien VoIP Standards H.323 (ITU) SIP (RFC 3261v2, IETF) H.248 (Megaco) Standardisierung der Leistungsmerkmale Bandbreitenbedarf CoDec (Voice Compression) G.711 (64kbps) GSM (13.2Kbps) G.729a (8kbps) Typ der Verbindung / Zubringer UDP / TCP / Link (Frame Relay) -> reserve

67 WLAN - Telefonie Kriterien Quality of Service (QoS, e) Latenz Jitter Priorisierung der Dienste (IP ports) DiffServ

68 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Resultate, Résumé

69 Messung Abdeckung Abnahme

70 Messung Interferenzen Abnahme

71 Messung Abdeckung outdoor Abnahme Mess-Resulte: Abdeckung, Signalstärke Base Station Jemskallen (NATO Projekt)

72 Durchsatz Abnahme Ping Fill Test mittels Ping-Lawine

73 Dokumentation WLAN Abnahme Netzwerkschema Senderpositionen Signalstärken (Heat-Maps) Interferenzen Durchsatzmessung an Referenzstandorten

74 Agenda - 2 Antennentechnologie Eignung, Auswahlkriterien, Auswirkungen auf Positionen und Anzahl AP WLAN Konfiguration & Verwaltung (Mgmt) Frequenzplanung Monitoring Alarmierung Projektabnahme Verifikation Signalabdeckung, Durchsatz, Interferenzen, Doku Abschluss Resultate, Résumé

75 Aufwand Abschluss Ist denn dieser Aufwand nötig? Verhältnismässigkeit je nach Einsatzgebiet, Umfang und Anwendungszweck? Wissen ist Macht! Nichts wissen macht nichts.. Aber Manche Arbeiten muss man dutzende Male verschieben, bevor man sie endgültig vergisst. Oder. Der Pragmatiker entscheidet Fälle nicht nach Grundsätzen, sondern fallweise. Ron Kritzfeld

76 WLAN Fragen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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