Testbericht: Belkin F5D8233 WLAN n Router im drahtlosen Heimnetz. Allgemeiner Hinweis. 1. Einführung

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1 Tobias Gieseke Hermann Lipfert Sachgebiet Speicher und Netze im Rundfunk Arno Kral Taras Sajuk Toms Networking Guide Deutschland Testbericht: Belkin F5D8233 WLAN n Router im drahtlosen Heimnetz Februar 2008 Allgemeiner Hinweis Das IRT führte in Kooperation mit dem Toms Networking Guide Deutschland umfangreiche Tests mit WLAN-Geräten durch. Mit einem hoch professionellen Messverfahren ermittelt es anhand zahlreicher Durchsatzmessungen die Eignung der WLAN-Geräte für den Einsatz in Heimumgebungen und Büros. Das Messverfahren ist unter ausführlich beschrieben. Besonderes Augenmerk richtet das IRT auf die Reichweite und die Tauglichkeit für Rundfunkanwendungen wie drahtloses Video/Audio-Streaming in Echtzeit, VoIP u.v.m.. In drahtlosen Heimnetzwerken stehen besonders Multi- und Broadcast-Anwendungen im Vordergrund. Eine nähere Beschreibung der im Standard IEEE n eingesetzten WLAN-Techniken, insbesondere des MIMO- Verfahrens, ist in Englisch unter und in Deutsch unter zu finden. 1. Einführung Obwohl die Firma Belkin eher als Hersteller für Computerzubehör als für WLAN-Router bekannt ist, liefert sie dennoch Lösungen für ein drahtloses Netzwerk. Der hier getestete WLAN-Router F5D8233 arbeitet nach dem IEEE Standard n (Draft) und bietet deshalb mindestens 2x2 MIMO mit einer Datenrate von 300 MBit/s. Der Hersteller selbst verzichtet allerdings auf diese Angaben in seiner Produktbeschreibung und preist lediglich die Tauglichkeit des Gerätes für das Heimnetzwerk an. 1

2 Abbildung 1: Foto des Belkin F5D8233 (Quelle: Im Gegensatz zu anderen Draft N Routern, besitzt der Belkin nur zwei Antennen, die sowohl für Senden als auch Empfangen benutzt werden. Angesteuert werden die Antennen von einem RaLink Chipsatz. Die genaue Funktionsweise von MIMO und die Vorteile von drei statt zwei Antennen können im Technischen Bericht 197 beim IRT nachgelesen werden. Als Gegenstelle zum Router wurde auf dem Mess-Laptop der passende USB-Netzwerkadapter F5D8053 (Treiberversion: ) installiert, um volle Kompatibilität zu gewährleisten. Der Belkin F5D8233 (Firmwareversion: a) wurde am Institut für Rundfunktechnik mit einem festgelegten Messverfahren getestet. 2. WLAN-Messungen Das Institut für Rundfunktechnik untersucht Durchsatz und Reichweite an acht Messorten mit verschiedenen Hochfrequenzdämpfungen und Entfernungen zwischen WLAN-Access-Point (WLAN- Router) und WLAN-Station (WLAN-Client). Dabei misst es detailliert die TCP- sowie UDP- Durchsatzraten und simuliert Video-Streaming und VoIP. Für die Erzeugung des Netzwerkverkehrs kommt dabei die professionelle Software IxChariot von Ixia zum Einsatz. Das Spektrum wird mit dem Airmagnet Spektrumanalysator überwacht. Alle Messungen finden im Frequenzbereich 2,4GHz (ISM- Band) statt. Die exakte Beschreibung des Messverfahrens kann unter nachgelesen werden, es sei hier in Kürze aber noch einmal vorgestellt: 2.1. Messverfahren Die Räumlichkeiten des IRT entsprechen einem normalen Bürogebäude, welches in seinen baulichen Eigenschaften (Dicke von Wänden, Baumaterialien) mit einem Einfamilienhaus gleich zu setzen ist. 2

3 Abbildung 2: Platzierung der acht Messorte in den Räumlichkeiten des IRT Die Messung erfolgt mit insgesamt drei Computern, wobei der Datentransfer immer nur zwischen den beiden Endpoints läuft. Der dritte Computer dient als Konsole. Neben normalen TCP- Durchsatzmessungen werden auch Videostreams und VoIP-Gespräche simuliert. Eine Messung läuft ca. drei Minuten und liefert den Durchschnittswert einer Zeitreihe. Abbildung 3: Beispiel der Messergebnisse der IxChariot TCP-Durchsatzmessungen 3

4 Abbildung 4: Aufbau des Messnetzwerkes am IRT 3. Messergebnisse Die automatisch ablaufenden Messungen erzeugen IxChariot spezifische Dateien (z.b. Abb.3), die nach Excel exportiert, ausgewertet und zu aussagekräftigen Grafiken verarbeitet wurden. 3.1 TCP-Performance Als wichtige Grundsatzmessung gilt die Ermittlung des mit TCP-Paketen erreichbaren Durchsatzes (Performance). Sie liefert die durchschnittliche Datenrate an jedem der Messorte. Gesendet wird hier auf einem ca. 20 MHz breiten Kanal, also der gleichen Kanalbandbreite wie sie auch von den bekannten Standards a und g belegt wird, wobei die Funkstrecke mit WPA2- Verschlüsselung abgesichert wird. 4

5 Abbildung 5: TCP-Durchsatzmessung, mit 20MHz und WPA2-Verschlüsselung Die Durchsatzrate am Line-of-Sight (Sichtverbindung) ist die bisher beste gemessene Leistung eines WLAN-Routers mit 20 MHz Kanalbandbreite. Diesen Datendurchsatz erreichen andere Geräte nicht einmal mit einem 40MHz Spektrum. Leider nimmt der Datendurchsatz mit steigender Dämpfung, also an den Messorten Loc3 bis Loc7 stark ab, wobei 43 MBit/s an Loc1 immer noch ein guter Wert ist. An Loc5 und Loc6 zeigten sich große Schwierigkeiten beim Verbindungsaufbau. Stand die Verbindung, konnten zwar durchschnittlich 2MBit/s erreicht werden, für eine reale Anwendung ist die Verbindung jedoch zu instabil und unterliegt häufigen Abrissen Single- versus Mehrfach-TCP-Verbindungen Überträgt man statt einer einzelnen Datei mehrere gleichzeitig über das WLAN, kann es zu einer Erhöhung der Datenrate kommen, da sich dann das Paketverhalten der Übertragung ändert. In dieser Messung wurden bis zu fünf Dateien gleichzeitig übertragen und die Summe der Datenraten gemessen. Abbildung 6: Eine Erhöhung der Durchsatzrate ist lediglich an Loc1 festzustellen 5

6 Es zeigt sich, dass das Paketverhalten beim Belkin F5D8233 gut optimiert ist und mehrfache Verbindungen die Datenrate nicht mehr nennenswert erhöhen können. 3.3 Einfluss verschiedener Verschlüsselungsverfahren auf die Performance Der gemittelte (siehe Messbeschreibung) maximale Durchsatz, sowie der Einfluss der verschiedenen Verschlüsselungsmethoden wurde an den performanten Messorten LOS und Loc1 untersucht. Abbildung 7: Einfluss der Verschlüsselungsart (20MHz Kanalbandbreite) auf maximalen Durchsatz Die Verschlüsselung zeigt sich auf WPA2 optimiert., selbst ohne Verschlüsselung ist die Datenrate geringer als mit der sichersten Methode. Die beiden älteren Methoden WPA-Tkip, WEP und WLAN ohne Verschlüsselung zeigen um 10 bzw. 20 MBit/s reduzierte Datenrate. Es empfiehlt sich bei diesem Router also WPA2 Verschlüsselung anzuwenden, da hier der höchste Durchsatz zu erzielen ist. 6

7 Abbildung 8: Einfluss der Verschlüsselungsart (40MHz Kanalbandbreite) Wie sich zeigt, konnte die Performance durch Kanalverdoppelung am LOS nicht verdoppelt werden. An Loc1 zeigt sich jedoch eine Steigerung von etwa 100% durch den zusätzlichen WLAN-Kanal. Bei Anwendung des 20/40 MHz (Auto) Modus sinkt der Einfluss der Verschlüsselung. Der WLAN-Router wählt im genannten Modus selbst aus, wann er ein 40MHz Spektrum belegt und wann er nur die Standardkanalbandbreite von 20 MHz anwendet. Obwohl im ISM-Band von 2,40 bis 2,48 GHz 13 Kanäle mit je 20MHz definiert sind, lassen sich davon (in Deutschland) nur maximal vier überlappungsfrei nutzen. Wegen des ohnehin schon vollen, weil lizenzfrei nutzbaren ISM-Frequenzbereiches ist die Anwendung des so genannten Channelbondings (Bündelung von zwei 20MHz breiten Kanälen zu einem einzigen 40MHz breiten Kanal) stark umstritten. 7

8 3.4. RTP/UDP Streaming Der gemittelte maximale Durchsatz im Falle von RTP/UDP Streaming sowie hier der Einfluss der verschiedenen Verschlüsslungsmethoden wurde an den performanten Messorten LOS und Loc1 untersucht. Abbildung 9: Einfluss der Verschlüsselungsart auf maximalen RTP-Durchsatz Der RTP/UDP-Durchsatz sagt aus, welche Videodatenrate im Falle eines einzelnen zu übertragenden Streams drahtlos zu Hause stabil und für den Zuschauer fehlerfrei zu empfangen ist. Für WPA2 und offenes WLAN zeigen sich gleiche Datenraten wie bei der TCP-Messung, dies lässt auf eine konstante Datenrate bei diesen beiden Methoden schließen. WPA-Tkip und WEP sowie Loc1 zeigen hingegen starke Schwankungen im Durchsatz, was einem fehlerfreien Streaming natürlich abträglich ist. Besonders markant erscheint die Tatsache, dass sich der erreichbare Durchsatz für Streaming- Applikationen im Nahbereich (LOS) mehr als halbiert, wenn anstatt WPA2 eben nur mit WPA-TKIP verschlüsselt wird VoIP Sprachqualität an verschiedenen Testorten Als zeitgemäße Anwendung wurde über den F5D8233 im Folgenden ein VoIP-Gespräch bei belastetem WLAN gemessen (siehe hierzu IRT-Testbeschreibung). Dabei wurden beide Richtungen (Up und Downstream) getrennt betrachtet. Der so genannte MOS-Wert (Mean Opinion Score) gibt in einer Skala von 1 bis 5 die Qualität des Gespräches an. Dies ist ein gängiges Maß für VoIP, denn es bewertet nicht nur die reine Sprachqualität sondern auch, wie gut die beiden Stellen ein (aus technischer Sicht) ungestörtes Gespräch führen können (Verzögerung der Sprachübertragung). 8

9 Abbildung 10: Messung der MOS-Werte für Voice over IP Aufgrund der starken Instabilität der WLAN-Verbindung kam an Loc5 und Loc6 keine VoIP-Verbindung zustande. An den performanten Orten LOS bis Loc2 sind natürlich die MOS-Werte sehr gut, auch wenn Up- und Downstream etwas differieren. An den restlichen Orten zeigten sich MOS-Werte um 2, was für ein verständliches Gespräch nicht mehr ausreichend ist. 9

10 3.6. Delay- und Jitterverhalten Abbildung 11: One-Way-Delay bei VoIP Die One-Way-Delay-Zeiten bleiben alle im Rahmen. Kritische Delays beginnen ab ca. 150ms und werden direkt vom Menschen wahrgenommen. Das Delaymaximum an Loc3 von 130ms wird nur von sehr empfindlichen Menschen wahrgenommen, stört aber nicht bei einem Gespräch. Abbildung 12: Jitterzeiten bei VoIP 10

11 Ähnlich wie das Delay senkt auch der Jitter (schwankender Laufzeitunterschied zwischen den einzelnen Datenpaketen) merklich die Qualität einer digitalen Sprachverbindung. Ein Delay wird, wie gesagt, ab einer gewissen Größe direkt vom Menschen als Verzögerung wahrgenommen, bei Jitter müssen in einem De-Jitterbuffer auf der Empfangsseite durch Zwischenspeicherung der eingehenden Daten nach dem FIFO-Prinzip die Laufzeitunterschiede zuerst mal ausgeglichen werden. Dadurch erhöht sich allerdings auch zusätzlich die Gesamtlaufzeit (Delay) der Daten. Bei Videostreaming über WLAN ist es wichtig, mit ausreichend großen Füllständen des De-Jitterbuffers zu arbeiten, um Störungsfreiheit der Wiedergabe auch bei schlechteren Empfangsbedingungen zu erzielen. Die Jitterwerte erreichen an Loc3,4 und 7 schon relativ hohe Werte und mindern somit die Qualität der VoIP-Verbindung 3.7. Echtzeit Videostreaming im drahtlosen Heimnetzwerk Wesentlich anspruchsvoller als VoIP ist das so genannte Streamen eines Videos über WLAN. Genau wie bei VoIP sind bei diesem Übertragungstyp geringe Delay- und Jitterzeiten eine der Voraussetzungen für eine ungestörte Wiedergabe. Jedoch erfordern Videos eine wesentlich höhere Datenrate, die das WLAN ebenfalls zeitlich sehr konstant liefern muss. Im Zuge von digitalem Fernsehen über das Internet sind Videodatenraten oberhalb des DVB-T- Standards (3,75 MBit/s) keine Seltenheit mehr; neueste HD-Videos benötigen sogar bis zu 20 MBit/s. Im Hinblick auf diese Entwicklung testet das IRT die WLAN-Router auf ihre Fähigkeit, Videos störungsfrei zu streamen. Dabei steht immer der Fall im Vordergrund, dass der WLAN-Router in einem Einfamilienhaus oder einer Wohnung eingesetzt wird und (fast) jedes Zimmer ausreichend mit WLAN versorgen soll. Es konkurrieren also die beiden Ansprüche Reichweite und stabile Datenrate in jedem WLAN-Router. Der folgende Test simuliert ein Videostreaming mit fester Datenrate. Die Messsoftware misst sowohl Jitter und Delay als auch die verloren gegangenen Datenpakete (Lost Data). Steigt der Lost-Data-Wert über einen bestimmten Prozentsatz, gilt das Video als zu stark gestört und nicht mehr ansehbar. Der Test ermittelt die maximale Datenrate, bei der das Video gerade noch akzeptabel ist. Als Netzwerkprotokoll kommt beim Streaming RTP eingepackt in UDP zum Einsatz Maximale erzielbare Durchsatzraten eines einzelnen RTP/UDP Streams Abbildung 13: Maximal erzielbare Streaming-Raten für drahtlose Videoübertragung im Heim 11

12 Aufgrund der hohen TCP-Datenrate ist natürlich auch der RTP/UDP-Durchsatz bei LOS sehr hoch. Wegen der stark schwankenden Datenraten sind aber an Loc1 und Loc2 nur noch 20MBit/s fehlerfrei zu empfangen, was aber auf jeden Fall ausreichend für einen HDTV-Stream ist. Die weiteren Messorte bieten keine ausreichende Bandbreite für Standard TV-Genuss. Mindestens 3,75 MBit/s sind für einen SDTV (DVB-T) Steam notwendig, welcher akzeptable Bildqualität liefert. Diese 3,75 MBit/s werden ab Loc3 nicht mehr erreicht Maximale Anzahl an gleichzeitig streambaren IPTV-Videos Eine etwas andere Anforderung an das WLAN stellt die Übertragung mehrerer Videos an einen Ort. Als Hintergrund steht die Aufgabe der Verteilung des Videos von einem zentralen Punk zu einem festen Standort, von dem das Video wiederum weitergeleitet wird. Als reales Beispiel kann hier ein Mehrfamilienhaus genannt werden, in dem ein zentraler Access-Point steht, der in jeden Haushalt gleichzeitig mehrere Video-Streams überträgt. Der Test zeigt wie viele Videos gleicher Größe (3,75 MBit/s) an einen Punkt transportiert werden können. Abbildung 14: Maximale Anzahl an Videostreams Wie schon die Messung der maximalen RTP-Bandbreite zeigt, bieten mit dem Belkin F5D8233 nur die ersten beiden Messorte für Videostreaming ausreichende Empfangsbedingungen. Dies gilt natürlich auch für die Übertragung von mehreren Videos gleichzeitig sowie in dieser Messung. An allen anderen Orten ist bereits ein einzelnes übertragenes Video stark gestört oder gar nicht empfangbar. 4. Fazit 12

13 Der Belkin F5D8233 überraschte mit einer sehr hohen TCP-Durchsatzrate bei Sichtverbindung. 90 Mbit/s sind das beste bisher gemessene Ergebnis. Einher mit der guten Verbindungsqualität in der Nähe des WLAN-Routers gehen hohe Videodatenraten und stabile VoIP-Verbindungen. An kritischeren Orten ist allerdings kein Anzeichen der IEEE n Technik zu erkennen. Streaming ist, wenn überhaupt, nur unterhalb von DVB-T-Qualität möglich und Datenraten von 2,0MBit/s bei TCP bremsen sogar die DSL-Leitung aus. Für die Versorgung einer 1- bis 2-Zimmerwohnung erscheint dieser Router sehr gut geeignet, wer allerdings eine Vielzimmerwohnung oder ein Einfamilienhaus versorgen möchte, erhält mit diesem Router und dem benötigten USB-Adapter nicht die notwendige Versorgungsleistung. 13