Pünktlich, verlässlich und unter Kontrolle - (Switched) WLAN in Echtzeitanwendungen Dr.-Ing. S. Schemmer, rt-solutions.de, Köln; M.Sc. S. Ivanov, rt-solutions.de, Köln; Kurzfassung Drahtlose Funknetzwerke nach dem IEEE Standard 802.11 (WLAN) haben sich im Heimund Bürobereich durchgesetzt und sind auch in der industriellen Automatisierung auf dem Vormarsch. Hier, noch mehr als im Bürobereich, können drahtlose Netzwerke zu echten Innovationen und Mehrwerten beitragen, von denen einige auch schon in realisierten Anwendungen, z.b. im Logistikbereich, umgesetzt sind. Es bleibt allerdings die Frage, ob und in wie weit die Vorzüge von WLAN auch in Anwendungen mit hohen Verfügbarkeits- und Echtzeitanforderungen genutzt werden können. Der vorliegende Beitrag zeigt Problemstellungen aus der Praxis, analysiert den Stand der Entwicklung im Bereich der Methoden, Standards und Produkte hinsichtlich dieser Problemstellungen und geht dabei insbesondere darauf ein, in wie fern die Switched-WLAN-Architektur zur Lösung beiträgt. Offene Fragen werden aufgezeigt und ein Ausblick auf laufende und kommende Entwicklungen gegeben. 1. Einleitung Drahtlose Netzwerke nach dem IEEE Standard 802.11 (WLAN) haben sich im Heim- und Bürobereich seit geraumer Zeit etabliert. Als natürliche drahtlose Erweiterung bestehender Ethernet-Netze konnten sie in diesen Umgebungen einfach und transparent zum Einsatz gebracht werden. Anfängliche Probleme, wie die geringe Bandbreite und die unzureichende Sicherheit, wurden schon vor längerem durch die Standarderweiterungen 11g und 11a (2003) bzw. WPA und 11i/WPA2 (2004) gelöst. Mit zunehmend großflächigem Einsatz, d.h. der Abdeckung ganzer Bürogebäude oder Werksgelände und der firmenweiten Verfügbarkeit über mehrere Standorte hinweg, zeigte sich jedoch, dass das Management (Konfiguration, Überwachung, Instandhaltung) großer Installationen mit Dutzenden unabhängiger APs zu aufwendig und fehleranfällig ist. Zur Lösung dieses Problems hat sich der Switched-WLAN- Ansatz durchgesetzt, der sich zunächst in den proprietären Lösungen einiger Startups zeigte, dann auch von den großen Herstellern übernommen wurde und für den nun die Standardisierung in der IETF schon weit fortgeschritten ist.
Mit der heute üblichen Verfügbarkeit von Ethernet am Arbeitsplatz ist in Büroumgebungen damit eher die Frage nach dem Business Case als ungelöste technische Probleme der begrenzende Faktor für den WLAN-Einsatz. Umgekehrt zeigen sich in der industriellen Automatisierung eine ganze Reihe vielversprechender Anwendungsbereiche. In der Logistik (Kommissionierung, Lager, Transport) ist WLAN bereits vielfach gewinnbringend im Einsatz. Darüber hinaus sind Anwendungsfelder z.b. die Anbindung mobiler Einheiten in Hochregallagern, Elektrohängebahnen und Flurfördersystemen, mobile Bedienterminals, Wartungszugänge über Laptops und PDAs oder der Ersatz von Schleppkabeln und Schleifkontakten in beweglichen Anlagenteilen. Langfristig kann WLAN somit erheblich zu einer Flexibilisierung der Fertigungsprozesse beitragen. Allerdings kann WLAN in der industriellen Automatisierung vor allem hinsichtlich der Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und Verfügbarkeit nicht ähnlich transparent wie in Büroumgebungen eingesetzt werden und die Frage, in wie weit technische Limitationen ein begrenzter Faktor sind, bedarf einer genaueren Betrachtung. Der vorliegende Beitrag stellt zunächst einige praxisrelevante Problemstellungen vor (Abschnitt 2) und analysiert dann, in wie weit diese durch den Stand der Entwicklung im Bereich der Methoden (Abschnitt 3) und der Standards und Produkte (Abschnitt 4) sowie insbesondere durch den Switched-WLAN-Ansatz (Abschnitt 5) gelöst werden. Das Fazit (Abschnitt 6) fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf kommende Entwicklungen. 2. Problemstellung Für Anwendungen ohne Echtzeitanforderungen, wie z.b. im Bereich der Logistik die Anbindung von Handscannern oder Staplerterminals, ist die WLAN-Technik grundsätzlich gut geeignet, insbesondere seit Bandbreiten im zweistelligen MBit/s-Bereich zur Verfügung stehen. Hier stellt sich eher die Frage, ob und wie eine Funkabdeckung mit hinreichender Verfügbarkeit erreicht und erhalten werden kann. Relevante Problemstellungen sind: Wie kann in industriellen Umgebungen, in denen es aufgrund der Strukturen und Materialien zu Abschattungen und Reflexionen kommt, eine gute Funkabdeckung erzielt werden? Wie können bei widrigen Umgebungsbedingungen (Staub, Feuchtigkeit, ) Geräteausfälle vermieden oder durch Redundanzkonzepte toleriert werden? Wie können Geräteausfälle schnell erkannt und einfach behoben werden? Wie können Veränderungen im Funkfeld, die in sich ändernden Umgebungen möglich sind, erkannt und ausgeglichen werden?
Kommen Echtzeitanforderungen hinzu, zeigen sich auch grundsätzliche technische Limitationen. Im Gegensatz zu der im verkabelten Ethernet heute üblichen Switching-Technik, bei der die einzelnen Stationen nicht mehr um das Medium konkurrieren, sondern unabhängig voneinander senden können, basiert WLAN auf einem geteilten Medium, das von allen Station in einem gemeinsamen Funkbereich und im gleichen Frequenzband gemeinsam genutzt wird. Wie viel Bandbreite einer Station zur Verfügung steht und wann sie senden kann, hängt von der Anzahl der Stationen und den von diesen übertragenen Lastmustern ab. Bei Anwendungen mit mobilen Endgeräten, z.b. fahrerlosen Transportsystemen, Elektrohängebahnen oder ähnlichem, ist zusätzlich ein Wechsel zwischen benachbarten Zellen, das sog. Roaming, erforderlich, da eine einzelne Zelle typischerweise nicht die ganze Fahrstrecke abdecken kann. Auch dieser Zellwechsel verursacht nicht unerhebliche Verzögerungen. Bei Anwendungen im Kontext fahrerloser Transportsysteme verschiedener Art, die beispielsweise die drahtlose Kommunikation zur Abstandsregelung verwenden, trifft man häufig auf Zeitanforderungen im unteren zweistelligen Millisekundenbereich. Mit einer geeigneten Planung des Netzes und der Netzwerklast, insbesondere wenn nur eine Anwendung im WLAN betrieben wird, sind solche Zeitanforderungen innerhalb der einzelnen Zellen typischerweise zu erfüllen. Problematisch sind hier die Roaming-Zeiten. Da das genaue Roaming-Verhalten nicht im Standard spezifiziert ist, sind die Implementierungen und die Möglichkeiten, Einfluss auf das Verhalten zu nehmen, herstellerabhängig. Der aus der Bürowelt typische Ansatz ist, den Roaming-Zeitpunkt so weit wie möglich zu verzögern und dann den bestmöglichen AP auf allen Kanälen zu suchen. Gerade die Suche auf allen Kanälen ist problematisch und kann mitunter zu Roaming-Zeiten von einigen Sekunden führen [4]. Ein stark verzögertes Roaming kann darüber hinaus dazu führen, dass die in der WLAN-Planung vorgesehene Bandbreite nicht ausgenutzt wird, und so die tatsächliche Bandbreite geringer bzw. die Verbindungsqualität schlechter ausfallen, als dies in der geplanten Infrastruktur notwendig wäre. Ein Client, der hartnäckig an einem AP festhält, kann dadurch teilweise nur noch mit 2 MBit/s und unter erheblichen Verlusten senden obwohl 24 MBit/s nach einem AP-Wechsel möglich wären. Eine zusätzliche Verzögerung entsteht, wenn die bei großen Installationen grundsätzlich wünschenswerte zentrale Authentifizierung (IEEE 802.1x) zum Einsatz kommt. In diesem Fall können sich die Roaming-Zeiten je nach Entfernung zum Authentifizierungsserver im Netzwerk um bis zu mehrere hundert Millisekunden erhöhen. Dauerhaft ist allerdings nicht davon auszugehen, dass in einer industriellen Umgebung eine Anwendung allein über die Funkressourcen verfügen kann. Schon heute ist dies häufig nicht mehr der Fall.
Zunächst kann der unkoordinierte Betrieb unterschiedlicher Funksysteme (mit u.u. verschiedenen Funktechniken) in der gleichen Umgebung zu wechselseitigen Störungen und damit zu Paketverlusten führen, so dass sowohl das Echtzeitverhalten als auch die Verfügbarkeit betroffen sind. Die bekannten Funktechniken, wie bspw. Bluetooth und WLAN, bieten Mechanismen, um mit solchen Koexistenzsystemen umzugehen. Allerdings bedarf dies zum einen einer entsprechenden koordinierenden Planung (s.u.) und zum anderen lässt sich auch so die Systemdichte nicht beliebig erhöhen. WLAN verfügt beispielsweise im 2.4 GHz- Band lediglich über drei interferenzfreie Kanäle. Es wird daher nicht ausbleiben, dass unterschiedliche Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen in einem WLAN-Netz betrieben werden. Anwendungen mit Best-Effort- Datenströmen (und teilweise mit hohem Datenvolumen) und Echtzeitdaten werden in einem Netz zusammenkommen. Dies kann z.b. auch der Fall sein, wenn in einem Gerät Steuerungssignale (z.b. zur Bewegungsteuerung), Safetysignale (z.b. Not-Aus) und der Zugang zu Visualisierungsdaten zusammenkommen. Das ursprünglich im IEEE 802.11 Standard spezifizierte Zugriffsverfahren mit seiner gleichberechtigten und zufallsgesteuerten Konkurrenz aller Teilnehmer um das Medium kann in einem solchen Fall die Rechtzeitigkeit der Echtzeitdaten nicht gewährleisten. Auch stößt es an seine Grenzen, wenn für mehrere Teilnehmer Verzögerungen im unteren Millisekundenbereich gewährleistet werden sollen. 3. WLAN-Planung und Frequenzmanagement Mit einer geeigneten Funkplanung und Vermessung [2] lassen sich heute WLAN- Abdeckungen auch für schwierige Umgebungen realisieren. Zur Unterstützung der Planung stehen ausgereifte Tools zur Verfügung (z.b. Wireless Simulation Tool von Phoenix Contact, SINEMA E von Siemens oder Ekahau Site Survey ). Hardwareseitig stehen hierzu vielfältige Antennentypen für unterschiedliche Anwendungsfälle zur Verfügung, sowie Mechanismen, wie Antennendiversität, die Auswirkungen von Reflexionen lindern. Durch die Planung einer redundanten Abdeckung können Ausfälle von APs sowie gewisse Änderungen im Funkfeld toleriert werden. Durch eine Voraberhebung und Vermessung im Rahmen der Planung können potentielle Koexistenzprobleme erkannt und durch eine geeignete Kanalwahl, ggf. auch durch Anpassungen in den bestehenden Systemen, vermieden werden. Insbesondere für Echtzeit-Anwendungen ist eine vorhergehende Planung unerlässlich. Standards und Produkte bieten hier eine Reihe von Möglichkeiten (s.u.), die allerdings einer applikationsabhängigen Planung und Parametrisierung bedürfen, um die erforderlichen Ergebnisse zu liefern.
Angesichts der o.g. Situation, dass zunehmend mehr Applikationen (mit u.u. unterschiedliche Funktechniken) aus unterschiedlichen Unternehmensbereichen (IT, Produktion, Logistik, Gebäudemanagement) um die lizenzfrei nutzbaren Frequenzbänder konkurrieren werden, ist dauerhaft ein störungsfreier Betrieb nur durch die Etablierung geeigneter tool-gestützter Prozesse zur Verwaltung der Frequenzen, d.h. auch zur Erkennung und Auflösung (potentieller) Konflikte, zu erreichen. Dieses Thema wird zunehmend von den Betrieben erkannt und ist auch Gegenstand einer VDI-Richtlinie [5]. 4. Produkte, Standards und Verfahren Getrieben durch die Situation, dass zunehmend mehr Anwendungen im gleichen Netzwerk betrieben werden, insbesondere durch die Anwendung Voice over WLAN, wurden mit dem Standard IEEE 802.11e [1] Echtzeiterweiterungen in den WLAN-Standard eingeführt. Von den beiden darin spezifizierten Zugriffsverfahren ist bisher nur die sog. EDCA von den Chipherstellern implementiert, die einen prioritätenbasierten Zugriff mit 4 Prioritäten ermöglicht. Auf dieser Grundlage können die Zeitanforderungen vieler (wenn auch nicht aller) industrieller Applikationen durch eine entsprechende Planung der Verkehrsklassen und ihrer Lasten erreicht werden. Ein typischer Anwendungsfall ist die Kombination von Sprach- und Datenkommunikation sowie die Kombination von Kontroll- und Visualisierungsdaten in einem Netzwerk. Das weitergehende sog. HCCA-Verfahren für einen deterministischen, zeitlich geplanten Zugriff wäre für industrielle Anwendungen noch erheblich besser geeignet, wird aber bisher von den großen Chipherstellern nicht implementiert. Manche Hersteller bieten allerdings in Anlehnung an die HCCA proprietäre Lösungen für eine zeitlich geplante Kommunikation innerhalb einer Funkzelle an. Zur Verbesserung des Roaming-Verhaltens wurden von einigen Herstellern, speziell im Automatisierungsbereich, verschiedene standardkonforme Erweiterungen realisiert, darunter u.a. die folgenden: Anwendungsgetriggertes Roaming: In verschiedenen Anwendungen (z.b. fahrerlose Transportsysteme und Hängebahnen, die vordefinierte Pfade abfahren) können in der Planungsphase die Positionen, an denen ein Roaming erforderlich ist, vorab bestimmt werden. Bei entsprechender Programmierung sind die Steuerungen dann zur Laufzeit in der Lage, anhand der aktuellen Position und Bewegungsrichtung den Roaming-Zeitpunkt und zugehörigen Ziel-AP zu bestimmen. Das führt zu einem optimalen Roaming-Zeitpunkt und deutlich verkürzter Roaming-Zeit, da das Erkennen des Verbindungsabfalls und vor allem die AP- Suche entfallen können. Das Roaming selbst kann dabei voll standardkonform erfolgen. Auf
Seite der Geräte, der WLAN-Clients, wird dies durch eine Schnittstelle ermöglicht, die es der Steuerung erlaubt, einen gezielten AP-Wechsel, z.b. durch ein entsprechendes Datagram, anzustoßen. Diese Methode ist mit einem erhöhten Planungs- und Realisierungs-Aufwand verbunden, und sie erfordert bei einer Änderung der Anlage eine entsprechende Anpassung der Roaming-Orte und Ziel-APs. Die erwarteten Roaming-Zeiten dieses Verfahrens liegen unter 120ms größtenteils zwischen 70 und 90ms inkl. Authentifizierung [3]. AP-Suche im Hintergrund: Die AP-Suche nimmt die längste Zeit beim Roaming in Anspruch. Um diese Zeit zu sparen, sucht der Client nebenläufig zum Datenverkehr nach anderen APs und bestimmt damit ein günstigen Zeitpunkt und Ziel-AP für das Roaming. Solange nur eine Sendeempfangseinheit verfügbar ist, verwendet der Client lastfreie Zeiten, um sich zwischenzeitlich beim AP abzumelden und auf anderen Kanälen nach APs zu suchen. In diesen Zeiten ist der Client kurzzeitig nicht erreichbar. Für eine tatsächlich parallele und unterbrechungsfreie AP-Suche ist eine zweite WLAN-Karte erforderlich, wodurch höhere Kosten entstehen. Die erwarteten Roaming-Zeiten bei dem Einsatz von zwei WLAN-Karten inkl. Authentifizierung liegen unter 140ms größtenteils zwischen 40 und 70ms [3]. Der in 2008 verabschiedete IEEE 802.11r Standard verfolgt unter anderem das Ziel, die Roaming-Zeiten zu reduzieren. Der Standard ermöglicht die Anmeldung beim nächsten AP (inkl. 802.1x Authentifizierung, 4-Wege-Handshake, Ressourcenreservierung) über den aktuellen AP, so dass dieses nicht in der Zeit erfolgen muss, in der der Client während des Roamings nicht erreichbar ist. Die Frage nach dem Ziel-AP und dem geeigneten Zeitpunkt für das Roaming wird nicht adressiert und kann z.b. durch die oben beschriebenen Verfahren implementiert werden. Zukünftige Standarderweiterungen (IEEE 802.11k) legen Messverfahren fest, die diese Information liefern. Weitergehende Ansätze wurden in Forschungsarbeiten untersucht. In [6][7] wird z.b. der Ansatz der Hintergrund AP-Suche mit zwei WLAN-Karten und einem Wechsel der aktiven WLAN-Karte beim Roaming vorgestellt. Die zweite WLAN-Karte authentifiziert und assoziiert sich mit dem nächsten AP. In diesem Zeitpunkt hat der Client Verbindungen zu zwei APs. Der Datenverkehr wird auf die zweite WLAN-Karte umgeleitet und erst dann wird die erste Verbindung getrennt. Die erste WLAN-Karte übernimmt die Rolle der zweiten bis zum nächsten Roaming. So ist ein Roaming unter 10ms möglich (Messung ohne Authentifizierung). Um dieses Ergebnis in Produkten zu nutzen, sind Optimierungen des IP-Stacks, des Betriebsystems sowie die Lösung von Netzwerk-Problemen durch die zwei MAC-Adressen des Clients nötig.
Hinsichtlich der Verfügbarkeit wurden durch industrielle WLAN-Produkte Verbesserungen im Vergleich zu typischen Bürogeräten erzielt. Sie sind zum einen speziell für widrige Umgebungen konstruiert und bieten Schutz gegen Umgebungseinflüsse wie Vibrationen, Staub, und Feuchtigkeit. Darüber hinaus wird ein einfacher Austausch von Komponenten auch durch Personal ohne spezifische IT- oder WLAN-Kenntnisse unterstützt Auch der Standard IEEE 802.11n wird zur Robustheit der Funknetze beitragen. Die Übertragungstechnik nutzt Reflexionen und Mehrwegeausbreitung zur Erhöhung der Bandbreite. Das führt dazu, dass die insbesondere in industriellen Umgebungen häufig auftretenden Reflexionen nicht länger ein Problem, sondern eher einen Vorteil darstellen. Der Standard ist noch in der Entwicklung, jedoch in einer fortgeschrittenen Phase, so dass Chiphersteller schon Produkte produzieren, die im Heim- und Bürobereich Einsatz finden und die durch Software-Updates auf den endgültigen Standard angepasst werden können. 5. Switched WLAN Unter Switched WLAN versteht man eine im Vergleich zum Einsatz vieler selbständiger und unabhängiger (autonomer) APs stärker zentralisierte WLAN-Infrastruktur, die das Ziel verfolgt, eine bessere Kontrolle über große WLAN-Infrastrukturen zu erreichen. Dabei werden Teile der AP-Funktionalität auf ein zentrales Gerät (Access Controller (AC) oder WLAN- Switch genannt) ausgelagert. Abhängig davon, welche Funktionalitäten zentralisiert sind, spricht man von einer Zentralisierung auf drei Ebenen: Die Management-Ebene umfasst alle Konfigurations- und Diagnosefunktionalitäten. Die Kontroll-Ebene umfasst alle Funktionalitäten, die für die Übertragung von Nutzdaten erforderlich sind und diese beeinflussen, die aber selbst nicht Nutzdaten übertragen. Hierzu zählen etwa die An- und Abmeldung und die Authentifizierung. Die Daten-Ebene umfasst alle Funktionalitäten für die Übertragung der Nutzdaten. Die Management-Ebene ist in allen Switched-WLAN Produkten zentralisiert. Die Kontrollund Daten-Ebene sind nicht immer zentralisiert. Das zentrale Management führt insgesamt zur Erhöhung der Verfügbarkeit durch eine schnellere Problemerkennung und Problembehebung. Probleme wie AP-Ausfall, schlechte Verbindungsqualität und fremde, unbefugt betriebene APs und Netze werden automatisch erkannt, lokalisiert, in einer zentralen Konsole dargestellt und kommuniziert. Auch die Konfiguration während der Inbetriebnahme und des Betriebs großer Infrastrukturen wird dadurch erleichtert. Alle Netzwerk-Parameter werden zentral am AC eingestellt und beim Anschluss eines neuen APs oder bei Änderungen automatisch übertragen. Beim Austausch eines APs
(z.b. nach einem Ausfall) werden die Parameter automatisch eingerichtet, so dass hier allein der physische Austausch des Gerätes genügt. Auch die Firmware wird vom zentralen AC aus auf die APs übertragen, was Updates erleichtert, technische Probleme und Sicherheitschwachstellen vermeidet und ebenfalls dem problemlosen Geräteaustausch dient. Viele Hersteller bieten eine automatisierte Funk-Konfiguration an. Der AC benutzt Diagnose- Informationen aus den APs, um eine optimale Konfiguration der Kanäle und Sendeleistungen der APs zu berechnen. Dabei kann auch eine in der Funkausleuchtung vorgesehene Redundanz günstig ausgenutzt werden: Im normalen Betrieb werden die Zellengrößen reduziert, um so eine erhöhte Bandbreite zu erreichen (erhöhte Wiederverwendung der verfügbaren Funkkanäle). Im Falle eines AP-Ausfalls werden die Nachbarzellen automatisch vergrößert, um das Funkloch zu schließen. Die Zentralisierung der Kontroll-Ebene bietet darüber hinaus weitere Vorteile: Schnelles und sicheres Roaming durch zentrale Schlüsselverwaltung: Der Status der erstmaligen Authentifizierung zwischen dem WLAN-Client und dem zentralen Authentifizierungsserver wird auf dem AC (in machen Lösungen auf einem AP) zwischengespeichert. Dieser Status ist üblicherweise das Pairwise Master Key (PMK) und wird für die Generierung der Kommunikationsschlüssel benutzt. Mit dieser Zwischenspeicherung ist die Kommunikation und Authentifizierung zu einem zentralen Server nur ein Mal und nicht bei jedem Roaming erforderlich. Je nach Entfernung und Konfiguration der Authentifizierungsserver können damit Verzögerungen von mehreren hundert Millisekunden eingespart werden, so dass sich schnelles Roaming und eine sichere zentrale Authentifizierung gemeinsam realisieren lassen. Teilweise sind heute auch Lösungen verfügbar, die einen ähnlichen Effekt mit einem dezentralen Verfahren realisieren. Lastverteilung: Switched WLAN kann auch zur Lastverteilung unter den APs eingesetzt werden. Anhand der AP-Auslastung bestimmt der AC, welche APs neue Clients übernehmen sollten und stellt sicher, dass nur diese entsprechend auf die Anfragen des Clients reagieren. Teilweise ist es auch möglich, Clients zum Roaming zu anderen APs zu zwingen. Aktuell wird dies mittels Ablehnung von Verbindungsanfragen oder sogar durch eine Deassoziierung der Clients kontrolliert, was für Echtzeitanwendungen nicht optimal ist. Zukünftig wird der IEEE Standard 802.11v (erwartet 2010) Kontrollnachrichten einführen, die es den APs (bzw. eigentlich dem AC) ermöglichen, Clients gezielt zum Zellwechsel zu veranlassen. Durch eine zentrale Lastverteilung können die Kapazität der WLAN-Infrastruktur besser genutzt und Bandbreitenengpässe und Wartezeiten vermieden werden.
Die Zentralisierung der Daten-Ebene hat zum einen den Vorteil, dass das sogenannte Layer 3 Roaming vermieden wird. Dieses tritt auf, wenn ein Client zu einem AP wechselt, der sich in einem anderen IP-Adressbereich (Subnetz) als der Ursprungs-AP befindet. Dieser Wechsel kann erhebliche zusätzliche Verzögerungen beim Roaming nach sich ziehen. Bei einer Zentralisierung der Daten-Ebene werden alle Pakete transparent zum AC getunnelt und erst von dort in das restliche Netzwerk weitergeleitet. So befinden sich alle APs logisch im gleichen Subnetz und ein Layer 3 Roaming findet nicht statt. Darüber hinaus schafft die Zentralisierung der Daten-Ebene die Voraussetzungen für ein noch schnelleres Roaming und eine bessere Kontrolle über den Datenverkehr. Manche Hersteller (z.b. Extricom) verfolgen einen Ansatz, bei dem mehrere physische APs zu einem logischen AP kombiniert werden. Die physischen APs dienen lediglich als entfernte Sendeempfangseinheiten (Transceiver) des zentralen AC. Alle APs arbeiten auf dem gleichen Kanal, dem gleichen Netzwerknamen und der gleichen MAC-Adresse. Deswegen erscheinen sie für den Client wie ein einziger AP. Aus Sicht des Clients findet daher kein Roaming statt. Der AC empfängt die Pakete eines sich bewegenden Clients über unterschiedliche APs und entscheidet auf dieser Basis, über welchen AP er Pakete am besten an den Client weiterleitet. Nachteile dieser Lösung sind die begrenzte Skalierbarkeit, da alle APs direkt mit dem AC verbunden sein müssen, und die geringere Flächenbandbreite, da alle APs in einem logischen Netz im gleichen Kanal betrieben werden müssen. Dies bedeutet andererseits aber auch, dass mehrere logische Netze parallel betrieben werden können. Switched-WLAN-Lösungen werden bereits von vielen Herstellern angeboten, wobei fast alle für die Kommunikation zwischen AP und AC auf eigene, nicht-standardisierte Protokolle setzen. Dies führt dazu, dass beim Einsatz einer solchen Lösung in der Infrastruktur (APs und AC) durchgängig auf Produkte eines Herstellers zurückgegriffen werden muss. Die IETF standardisiert derzeit mit dem CAPWAP Standard ein Protokoll für die Kommunikation zwischen AC und APs. Die Standardisierung ist bereits sehr weit fortgeschritten, eine Open- Source Implementierung sowie erste Produkte existieren bereits. 6. Fazit und Ausblick Durch den Einsatz industrietauglicher WLAN-Produkte und eine angemessene Planung lassen sich bereits heute WLAN-Ausleuchtungen mit einer hohen Verfügbarkeit auch in schwierigen Umgebungen realisieren. Weitere Verbesserungspotentiale bietet hier der Einsatz von Switched-WLAN durch zentrale Überwachung und Fehlererkennung, zentrale Konfiguration und Updates der Geräte sowie die automatische Geräteeinrichtung bei Neuinstallationen und
beim Geräteaustausch. Auch die in 802.11n eingesetzte Funktechnik kann helfen, die Robustheit der Ausleuchtungen weiter zu verbessern. Darüber hinaus können durch die Einrichtung von Frequenzmanagement-Prozessen im Unternehmen Konfliktsituationen frühzeitig erkannt und koexistenzbedingte Verfügbarkeitsprobleme vermieden werden. Auch im Bereich der Echtzeitfähigkeit wurden Fortschritte erzielt. Durch standardkonforme Optimierungen des Roamings sowie durch die Erweiterung des WLAN-Standards um ein prioritätenbasiertes Zugriffsverfahren können bei angemessener Planung Übertragungszeiten im einstelligen bis unteren zweistelligen Millisekundenbereich (ohne Roaming, abhängig von Gruppengröße und Last) und unter 100ms (mit Roaming) erreicht werden. Wie oben aufgezeigt, sind auch hier Verbesserungspotentiale durch den Einsatz von Switched-WLAN gegeben. Die aktuellen Produkte, Standards und Verfahren erreichen probabilistische Echtzeit- Garantien in den o.g. Größenordnungen. Weiterführende Anwendungen erfordern allerdings deterministische Garantien im unteren Millisekundenbereich in großflächigen Netzen mit mobilen End-Geräten. Das EU-Forschungsprojekt flex WARE verfolgt dieses Ziel und wird durch eine Kooperation von Forschungseinrichtungen, Herstellern, Beratern und Anwendern gemeinsam vorangetrieben. 7. Referenzen [1] IEEE Standard 802.11, Standards for Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 2007 [2] Stefan Schemmer, Sebastian Vandersee, Martin Gergeleit. WLAN Mit Plan zum Plan. 6. Jahrestagung Funkgestützte Kommunikation in der industriellen Automatisierungstechnik. 2007 [3] Jürgen Weczerek, Henning Trsek. Schnelles Roamen in industriellen WLAN- Netzwerken. Tagungsband SPS/IPC/Drives 2008. [4] Stefan Schemmer, Sebastian Vandersee. Schnelles Roaming Eine Schlüsselherausforderung für industrielle drahtlose Netze. Wireless Technologies Kongress 2005. [5] VDI/VDE 2185 Blatt 2. Funkgestützte Kommunikation in der Automatisierungstechnik - Koexistenzmanagement von Funklösungen. Zu erscheinen 2009. [6] M. Gergeleit, S. Schemmer: Dual-Transceiver WLAN-Modules in Real-time Applications, Wireless Congress 2007: Systems & Application, 2007, November 7-8. [7] Ralph Robert Erdt. Schnelles Roaming im WLAN mittels Dual-Transceiver Stations. Bachelor-Thesis, Fachhochschule Wiesbaden, 2007.