Praxis: WLAN auf der Messe Frankfurt
Hohe Nutzerdichte sicher beherrschen
In den letzten Jahren haben sich die Anforderungen an Wireless LANs deutlich verändert. Während WLAN vor einigen Jahren ein gutes Medium für Gastzugänge war, wird es jetzt immer mehr zu einer geschäftskritischen Infrastruktur. Dies trifft besonders dann zu, wenn es keine Möglichkeit für LAN-Vernetzung gibt wie etwa bei Veranstaltungen in einer Messehalle.
Bei einem Event in einer Ausstellungshalle der Messe Frankfurt galt es, 600 Lenovo-Tablets mit ausschließlicher Unterstützung für das 2,4-GHz-Band in ein Funknetz einzubinden. Zusätzlich sollten für die Veranstaltung 300 weitere Clients über 5 GHz versorgt werden. Speziell mit 2,4-GHz-Geräten ist diese hohe Nutzerdichte auf relativ engem Raum - etwa die Hälfte der Halle 11.1 (zirka 12.000 m2) - und laufendem Messebetrieb im Rest der Halle eine erhebliche Herausforderung. Es ist dabei sehr wichtig, die richtige Konfiguration und Platzierung der Access Points zu wählen.
Die Messehalle 11.1 war für die Veranstaltung in der Mitte quer geteilt, mit mittigem Bühnenaufbau an der Front des Veranstaltungsbereichs. Die Halle selbst war bereits vor der Veranstaltung standardmäßig gut mit Access Points an der Decke ausgestattet - insgesamt zwölf über die gesamte Hallenfläche verteilt (Bild 1). Zum Einsatz kommen dort Geräte des Typs Cisco AP2700. Jeder Access Point verfügt zwar über zwei Funkmodule, eines für 2,4 GHz und eines für 5 GHz, die vorhandene Installation nutzt allerdings nur das 2,4-GHz-Band. Eine zusätzliche Installation weiterer 2,4-GHz-Access-Points für die geplante Veranstaltung war damit kaum mehr möglich, da im 2,4-GHz-Bereich nur drei sich nicht überlappende Kanäle zur Verfügung stehen.
Im 5-GHz-Bereich hingegen war die Versorgung der Veranstaltungsteilnehmer unproblematisch. Dort ließen sich in den Tischreihen sowie an der Bühne zusätzliche Access Points installieren - ebenfalls vom Typ Cisco AP2700, die mit ihrem 5-GHz-Funkmodul durchaus in der Lage sind, bis zu 200 Endgeräte zu bedienen, und die Menge der vorhandenen Clients leicht abfangen konnten. Bei diesen Geräten waren die integrierten 2,4-GHz-Module deaktiviert, um Interferenzen mit der vorhandenen Deckeninstallation zu vermeiden.
Die Herausforderung für das Event waren also die 2,4-GHz-Clients. Für den Veranstaltungsbereich standen im Rahmen der Deckeninstallation nur vier Access Points zur Verfügung, die zur Ausleuchtung der darunterliegenden Fläche dienen konnten. Diese mussten die komplette Last der 600 Lenovo-Tablets tragen. Das 2,4-GHz-Problem ließ sich durch zwei Konfigurationsmaßnahmen auf den Access Points (APs) lösen: Zum einen wurde die Anzahl der SSIDs von vorher drei auf nur eine reduziert und zum anderen die sogenannte Lowest Mandatory Data Rate (LMDR) letztlich auf 24 MBit/s hochgesetzt. Den Sinn dieses Vorgehens erläutern die nachfolgenden Betrachtungen.
Auswirkungen von SSIDs und LMDR
Durch die erhöhte LMDR verbessert sich als Erstes die Empfangsqualität für die Clients. Diese benötigen bei entsprechenden Geschwindigkeiten noch einen Signal-Rausch-Abstand von mindestens 14 dBm. In einer stark verrauschten Halle mit einem Rauschpegel von -88 dBm muss also der Signalpegel wenigstens bei -74 dBm liegen. In der vorhandenen Umgebung sollte sich dieser Signalpegel an jeder Stelle von mindestens zwei Access Points erreichen lassen.
Der zweite und entscheidende Vorteil höherer Geschwindigkeit ist, dass sich die Zeit zum Senden eines "Beacons" reduziert. Beacons sind allgemeine Informations- und Management-Pakete mit Identifikationsdaten, die Basisstationen regelmäßig aussenden. WLAN Access Points senden Beacons aus, um Clients ihre Connectivity anzubieten. Das Beacon übermittelt Dienstmerkmale und die MAC-Adresse und hat eine Größe von etwa 300 Byte. Der AP muss ein solches Beacon alle 100 ms verschicken. Eine Abweichung von dieser Beacon-Sendezeit würde meist zu einer Inkompatibilität mit verschiedenen Clients führen. Daher verbietet sich die Veränderung dieses Zeitintervalls in aller Regel in einer öffentlichen Umgebung. Verändern lässt sich allerdings die Geschwindigkeit, mit der das Beacon verschickt wird. Die 300 Bytes alle 100 ms ergeben bereits 24.000 Bits, die pro Sekunde bei einer SSID zu übermitteln sind. Geschieht dies mit der Geschwindigkeit von 1 MBit/s, so ergeben sich bereits 24 ms, die allein ein Access Point für nur eine SSID verbraucht, was in dem genutzten Kanal bereits 2,4 Prozent der verfügbaren Zeit entspricht. Kommen mehrere SSIDs zum Einsatz, so multipliziert sich die Zeit mit der Anzahl der SSIDs, weil für jede ein separates Beacon zu verschicken ist.
Da in der genutzten Messehalle - wie erwähnt - insgesamt zwölf Access Points für das 2,4-GHz-Band fest installiert und in Betrieb sind, müssen in der Regel vier Access Points im selben Kanal arbeiten (Bild 2). Weil sich die Kanäle zwangsläufig überlagern - es handelt sich um eine offene Halle ohne große bauliche Elemente mit Dämpfung - addieren sich natürlich auch die Kanalnutzungsraten. Daher ist anzusetzen, dass allein eine SSID den Kanal durch viermal 2,4 Prozent Zeitanteil für Beacons auslastet. Jede weitere ausgestrahlte SSID erhöht diesen Wert um den entsprechenden Faktor.
In diesem Zusammenhang ist es notwendig zu wissen, wo in etwa die Belastungsgrenze des CSMA/CA-Verfahrens liegt (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Dies ist das Mehrzugriffsverfahren, das bei WLAN die Übertragung von Datenpaketen regelt. Der entsprechende Grenzwert liegt bei zirka 30 Prozent: Sind Kanäle zu mehr als 30 Prozent belastet, so wird die Kommunikation unzuverlässig. Dieser Effekt ist völlig unabhängig von der eingesetzten Access-Point-Hardware. Ändern lassen sich jetzt die beiden genannten Parameter: erstens die Anzahl der SSIDs und zweitens die Geschwindigkeit der minimalen Datenübertragungsrate (LMDR).
Funkkanäle nur begrenzt belastbar
Je höher die Anzahl der erwarteten (und geplanten) Nutzer, desto wichtiger ist die Reduktion der Anzahl der SSIDs: In Hörsälen, Konzerthallen, Messehallen, Hoteltagungsräumen, Kongresszentren, Sportstadien, Einkaufszentren etc. ist nur eine einzige SSID zu empfehlen. Der zweite wichtige Ansatzpunkt ist die Geschwindigkeit, die als Lowest Mandatory Data Rate zum Einsatz kommt. Wichtig ist dabei, dass die Ziel-Clients diese Geschwindigkeit auch tatsächlich unterstützen. Je höher sich diese Übertragungsrate vorgeben lässt, desto geringer ist die anteilige Belastung des Funkkanals durch Management-Informationen.
Für die richtige Auswahl der LMDR spielen zum Beispiel die Deckenhöhe, aber auch die Fähigkeiten und die Qualität der Clients eine entscheidende Rolle. In der Praxis gilt es, durch geeignete Messverfahren einen möglichst optimalen Wert zu erreichen. In dem genannten Fall hat die Administration die Lowest Mandatory Data Rate auf 24 MBit/s festgelegt, sodass sich die "Channel Utilization" grob um den Faktor 24 (gegenüber 1 MBit/s) reduziert. Abschließend ist sicherzustellen, dass die Clients bei diesem Wert die Access Points auch tatsächlich noch erreichen.
Site Survey Tools zum Messen unverzichtbar
Damit ist auch klar, dass bei einem solchen Verfahren ein gewisses Maß an Messtechnik unbedingt erforderlich ist. Dafür bietet sich als gängiger Weg die Verwendung eines "Site Survey"-Tools an - im konkreten Fall kam die Software Ekahau Site Survey Pro Version 8.0 zum Einsatz, um die tatsächliche Empfangsleistung in der besetzten Halle zu überprüfen. Mit der kürzlich erschienen Version 8.5 dieser Lösung wird die Aufgabe noch einfacher, da sich mit dem Spectrum Analyzer über integrierte Funktionen jetzt wesentliche Informationen wie zum Beispiel "Channel Utilization" direkt ablesen lassen. Insofern hat speziell Ekahau den Schwenk von einem rein Coverage-basierenden hin zu einem High-Density-basierenden Analysemodell vor Kurzem vollzogen.
Das Coverage-basierende Modell arbeitet ausschließlich mit Signalstärken, die an einem bestimmten Punkt erreicht werden sollen. Dies war das Modell, das die meisten Site Survey Tools in den letzten zehn bis 15 Jahren angewendet haben. Jetzt kommen aber neue Faktoren dazu wie etwa Channel Utilization und Client-Dichte. Alternative Messmittel zu Ekahau sind zum Beispiel der Chanalyzer von Metageek oder die Controller-Hardware von Cisco. So bietet speziell die Controller-Software 8.1 dem Anwender im GUI eine Anzeige, mit der er die Channel Utilization direkt ablesen kann.
Hier ein konkretes Beispiel zum Thema Channel Utilization: Nur zwei Access Points im selben Kanal mit je drei SSIDs erzeugen bereits eine Channel Utilization von 14 Prozent bei einer Lowest Mandatory Data Rate von 1 MBit/s (Bild 3). Zur Erinnerung: Bei 30 Prozent Auslastung liegt der Grenzwert für eine erfolgreiche Kommunikation - im Fall mehrerer Access Points plus eventueller Interferenzen durch weitere APs in der Umgebung ist die Schwelle zur Blockade der Luft schnell erreicht.
Setzt der Administrator die Lowest Mandatory Data Rate hoch - etwa auf 48 MBit/s -, so reduziert sich die Channel Utilization der Management-Informationen auf zwei bis drei Prozent und man gewinnt genügend Kapazität für den Client Traffic (Bild 4). Damit gerät der Bereich, in dem der Client empfangen werden kann, zwar deutlich kleiner, aber der Zeitanteil für Management-Traffic reduziert sich. Die räumliche Einschränkung gilt dabei nicht für die elektromagnetischen Wellen selbst, sondern sie bedeutet nur, dass sich diese innerhalb eines kleineren Bereichs erfolgreich decodieren lassen, da dort der Signal-Rausch-Abstand noch ausreichend ist.
Im Gegensatz zu den geschilderten Komplikationen bei 2,4 GHz sind im 5-GHz-Bereich meist keine Probleme erkennbar. Daher empfiehlt es sich für High-Density-Anforderungen stets, das 5-GHz-Band zu verwenden, sofern die Clients dieses unterstützen.
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