Aufbau einer High-Density WLAN-Infrastruktur für Hochschullehre und Veranstaltungen

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1 Aufbau einer High-Density WLAN-Infrastruktur für Hochschullehre und Veranstaltungen Markus Speer / speer@wwu.de Andre Forsmann / forsmaa@wwu.de 9. DFN-Forum Kommunikationstechnologien Mo / in Rostock

2 Projektskizzierung High-Density WLAN-Infrastruktur Ausgangssituation (zu Projektstart August 2014) Vorhandene WLAN-Grundversorgung der Hörsäle nicht ausgelegt für High-Density High-Density WLAN bedeutet: Systematische Nutzung mobiler Endgeräte im Rahmen der Lehre in großen Hörsälen Für größere Veranstaltungen D.h. hohe Nutzerzahl auf engem Raum Erarbeitung und Umsetzung eines speziellen WLAN-Design für diese Umgebung Ca. 50 Hörsäle mit über 100 Sitzplätzen Hörsäle mit bis zu 800 Sitzplätzen Insg. Ca Sitzplätze Niedrigbandbreitige Anwendungen für alle Hörer Foyers, exponierte Außenbereiche primär Robustheit als hohe Bandbreite Überschaubare, kalkulierbare Aufwände (Kosten, Personal) Vermeidung aufwändiger Einzelfallbetrachtungen 2

3 Direkt beeinflussbare WLAN-Objekte Objekt Bedeutung Möglichkeiten Access Point (AP) Antennen Radio eines APs Channel / Kanal Band / Frequenzband (auch für den Kunden oft sichtbare) Materialisierung des WLAN-Services Beitrag zur Funkfeldgestaltung durch Richtwirkung, Sende-/Empfangseinrichtung in einem Frequenzbereich Bereitstellung einer Funkzelle Frequenzbereich mit einer best. Übertragungskapazität WLAN als Shared Medium Frequenzbereich mehrerer Kanäle Modell Anzahl / Dichte Positionierung Interne Externe Spezialantennen An / aus Sendeleistung Unterstützte Geschwindigkeiten Verfügbare Anzahl: ca Überlappungsfreie Kanäle für Lückenlose Versorgung Kanalbreite: 20,40,80,160 MHz 2,4 GHz: max. 3 Kanäle 5 GHz: ca Kanäle SSID (Service Set Identifier) Verschiedene WLAN-Services SSID-Anzahl Hersteller-Features Nicht standardisierte Optimierungen Cisco: Band Select, Rx SOP, 3

4 Nicht direkt beeinflussbare WLAN-Objekte Objekt Bedeutung Möglichkeiten / Herausforderungen WLAN-Clients Gerät des Kunden Funkfeld / -technik Komplett eigenes Fachgebiet! Vielfältig Channel-Utilization / Kanalauslastung Co-Channel-Interference (CCI) Verbrauchte Übertragungskapazität eines Kanals WLAN-Interferenzen in einem Kanal von anderen Funkzellen User-Experience Das wichtigste überhaupt! Oder? Vielfältig! Trifft die Roaming-Entscheidung Vielfalt bzgl. Gerätetypen Eigenschaften Günstig: kurzer Erneuerungszyklus bei Smartphones Nutzdaten Management Frames (pro SSID!) Schlechtes Zugangsverfahren: DCF Störsignale CCI 5 GHz-Band mit 16 Kanälen Reduzierung der Sendeleistung Größerer Abstand zw. Funkzellen 4

5 Herausforderungen und Leitlinie WLAN-Herausforderungen (Bei Projektstart) neue WLAN- Technik IEEE802.11ac Arbeitet nur im 5 GHz Band Angemessen hohe AP-Dichte für die hohe Client-Zahl in einem Hörsaal Gleichmäßige Verteilung der Clients auf die Radios der APs Geringe Channel-Utilization Geringe Co-Channel-Interference Clients ins 5 GHz-Band bringen Verhalten der Clients nicht zuverlässig steuerbar Sonstige Herausforderungen Test, Abnahme, Qualitätssicherung einer HD-WLAN-Installation Aufwände: Kosten, Personal Leitlinie: Verzicht auf vermeidbare Komplexität! Vereinfachung des Roll-Outs Vermeidung von aufwändigen Einzelfallbetrachtungen 5

6 Tests (August, September 2014) Aula im Steinhaus: 300 Sitzplätze Sieben C3700 APs Test, Pilotinstallation, Produktivbetrieb Ausleuchtung vorgenommen (Simulation mit Software Ekahau Site Survey ) Videostreamingtest mit 70 ipads Tests insb. im 2,4 GHz-Band Reduzierung der Sendeleistung Abschaltung von Radios Entschluss zu einer festen Kanaleinstellung Da bei dynamischer Konfiguration Mehrfachnutzung von Kanälen im 5 GHz-Band Pilotinstallation in der Aula im Steinhaus für 50-jähriges ZIV-Jubiläum im September 2014 Produktivbetrieb für Tagung ECIS 2015 im Mai Hörsaal F1 im Fürstenberghaus : 499 Sitzplätze Konfiguration gemäß der erarbeiteten HD-WLAN-Standardkonfiguration 6

7 Entscheidungen Ende 2014 / Anfang 2015 Objekt Entscheidungen (*) Access Point (AP) Antennen Radio eines APs Modell Cisco C2700 (nicht C3700) Anzahl / Dichte (1 AP je 50 Hörsaal-Sitzplätze; insg. ca Foyers) Positionierung: Verzicht auf Ausleuchtung Verwendung der internen Antennen des APs Keine externe (Spezial-)Antennen Abschaltung einiger 2,4 GHz Radios (für CCI-Reduzierung) Höhere Sendeleistung im 5 GHz-Band Abschalten niedriger Geschwindigkeiten Channel / Kanal Nutzung der Maximalzahl verfügbarer Kanäle; d.h. Band / Frequenzband SSID (Service Set Identifier) Hersteller-Features 2,4 GHz: 3 Kanäle 5 GHz: 16 Kanäle (nur 20 MHz breit, bis 800 Sitzplätze keine CCI) Keine Reduzierung auf eine SSID Beibehalten der vorhandenen SSIDs Keine zusätzliche SSID Verzicht auf Hersteller-Features für maximale Interoperabilität mit Clients (*) Grün: Entscheidung für etwas; Rot: Entscheidung gegen etwas 7

8 WLAN-Hardware Hersteller Cisco Controller WIMS2 für C6500 Access Point Typ für das HD-Projekt: C2700 Unterstützung von IEEE ac Entscheidung gegen den Typ C3700 Einsatz nur in erster Test-/Pilotinstallation Teurer Modulare Architektur (Security, Spectrum Analysis, ) 4x4:3-MIMO statt 3x4:3-MIMO (C2700) In der Praxis kein großer Unterschied zu erwarten 8

9 5 GHz-Band 20 MHz breite Kanäle Spezielle Konfiguration des HD-WLAN Maximalzahl von 16 Kanälen Höhere Sendeleistung im 5 GHz-Band als im 2,4 GHz-Band 2,4 GHz: Power Level 5 (5 dbm) 5 GHz: Power Level 3 (12 dbm) Statische Konfiguration der Kanäle Abschaltung des 2,4 GHz-Radios auf einigen APs (Einzelfallbetrachtung) Maximalzahl von Clients eines APs 2,4 GHz: max. 60 Clients 5 GHz: max. 50 Clients Mindestwerte für unterstützte Bandbreiten für IEEE a/g: Bandbreiten kleiner 18 Mbps: disabled 18 Mbps: supported 24 Mbps: supported 36 Mbps: Mandatory (für Assoziierung / Verbindungsaufbau) Bandbreiten größer 36 Mbps: supported 9

10 Massenrollout nach Schema F Verzicht auf externe Antennen Marktsituation schwierig (Dual Band, 4x4 MIMO) Erhöhte Kosten Aufwändige Installation Erhöhte Betriebsaufwände Optischer Störfaktor Verzicht auf eine Ausleuchtung (noch nicht mal eine Simulation) Ende 2014: kaum Firmen mit tatsächlich belastbarer Expertise im Bereich HD-WLAN Erfahrungen mit der einen eigenen Ausleuchtung (Simulation): Gute Ergebnisse mit an der Bestuhlung orientierte, geometrische Platzierung der APs im Deckenbereich Maßnahmen außerhalb der Vorlesungszeit Tertiärverkabelung Eine Reserveleitung pro AP für Link-Aggregierung oder zusätzlichen AP Aus Effizienzgründen teilweise gebäudeweise Komplettmaßnahmen für andere Bereiche Z.B. kleine Hörsäle, Seminarräume 10

11 Rollout - Beispiel Hörsaal F1 im Fürstenberghaus 11

12 Radio-/Kanal-Konfiguration im Hörsaal F1 499 Sitzplätze 332 m² 10 APs Vier 2,4 GHz-Radios abgeschaltet D.h. insg. 16 Radios Bzgl. 2,4 GHz-Radios: Einzelfallbetrachtung in großen Hörsälen 12

13 Test, Abnahme, Qualitätssicherung Wie testet man überhaupt, ob die HD-Versorgung tatsächlich funktioniert? Intensive Tests vor der ersten Pilotnutzung Eigene Vorort-Tests Tests im Anschluss an Vorlesungen mit den Studierenden Umfangreiches Reporting mit Cisco Prime; insb. Client Count AP Utilization Wireless Utilization 13

14 Vorher/Nachher: Client-Verteilung auf die Frequenzbänder Client-Anzahl vor HD-Konfiguration Hörsaal Aula am Aasee am Mo ,4 GHz-Band: max. ca. 170 (68%) 5 GHz-Band: max. ca. 80 (32%) Client-Anzahl nach HD-Konfiguration Hörsaal Aula am Aasee am Mi ,4 GHz-Band: max. ca. 80 (24%) 5 GHz-Band: max. ca. 260 (76%) 14

15 Verteilung der Clients auf die Radios der APs AP Max. Clientzahl 2,4 GHz-Band Max. Clientzahl 5 GHz-Band AP-1-25 AP AP AP-4-46 AP AP AP-7-27 AP AP AP Summe 152 (32%) 319 (68%) Hörsaal F1 mit HD-Konfiguration am Extremwerte in rot 15

16 Client Count im Hörsaal F1 am Mo

17 Frequenzband Sessions Anteil 2,4 GHz ,7% 5 GHz ,3% Summe ,0% WLAN-Sessions im F1 am Mo WLAN-Protokoll Session Anteil g 1 0,0% a 1 0,0% n (5GHz) ,2% n (2.4GHz) ,7% ac ,1% Summe Wert 5597 Anzahl 100,0% AP Radio Sessions Anteil AP-1 5 GHz 297 5,3% AP-2 2,4 GHz 297 5,3% AP-2 5 GHz 257 4,6% AP-3 2,4 GHz 251 4,5% AP-3 5 GHz 332 5,9% AP-4 5 GHz ,5% AP-5 2,4 GHz 347 6,2% AP-5 5 GHz 466 8,3% AP-6 2,4 GHz 409 7,3% AP-6 5 GHz 456 8,1% AP-7 5 GHz 397 7,1% AP-8 2,4 GHz 297 5,3% AP-8 5 GHz 334 6,0% MAC Addresses 998 User Ids 833 MAC Addresses per User 1,20 20% mehr Sessions als Sitzplätze AP-9 2,4 GHz 175 3,1% AP-9 5 GHz 324 5,8% AP-10 5 GHz 373 6,7% 17

18 80 Channel-Utilization im 2,4 GHz-Band Co-Channel-Interference

19 14 Channel-Utilization im 5 GHz-Band 80 keine Co-Channel-Interference

20 Projektstatus 7 Gebäude 23 Hörsäle 146 APs Sitzplätze (1) Erste Produktivnutzung im Mai 2015 (2) Vgl. Vorher-/Nachher- Folie (3) Tests und Pilotnutzung im Sommer 2014 Gebäude Räumlichkeit Größe (m²) Sitzplätze APs F1 (1) F F Domplatz 20-22, F Fürstenberghaus Foyer im EG Foyer im 1. OG Foyer im 2. OG Aula am Aasee (2) Scharnhorststr. 100 SCH SCH 100.3/H Scharnhorststr. 109 und 121 SCH SCH S S Schlossplatz 2, S Schloss S S Foyer Schlossplatz 34, Vom-Stein-Haus VSH 219 Aula (3) H H Schlossplatz 46 H H Universitätsstraße 14-16, Juridicum Foyer im EG J J J J

21 Fazit, Ausblick Praktikabler, vergleichsweise aufwandsarmer Designansatz der auf Komplexität verzichtet effizient umsetzbar ist. Erreichen der WLAN-Designziele Möglichst viele Clients im 5 GHz-Band Verschiebung von 1/3- zu 2/3-Anteil Die Zeit arbeitet für uns! Einigermaßen gleichmäßige Verteilung der Clients auf die Radios der Access Points Channel-Utilization und Co-Channel-Interference weitgehend im unkritischen Bereich Zukünftig Stärkere Betrachtung von Interferenzen mit der vorhandenen Nicht-HD-WLAN- Infrastruktur Nutzung der Client-Count-Info für zentrales Hörsaalmanagement 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank auch an Jamaldin Chakoh Andre Forsmann Dieter Frieler 22