Aufbau einer High-Density WLAN-Infrastruktur für Hochschullehre und Veranstaltungen
Markus Speer / [email protected] Forsmann / [email protected]
9. DFN-Forum KommunikationstechnologienMo 31.05./01.06.2016 in Rostock
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. 12.400 Sitzplätze
• Niedrigbandbreitige Anwendungen für alle Hörer
• Foyers, exponierte Außenbereiche
• primär Robustheit als hohe Bandbreite
• Überschaubare, kalkulierbare Aufwände (Kosten, Personal)
• Vermeidung aufwändiger Einzelfallbetrachtungen
31.05.2016 2Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
„Direkt beeinflussbareWLAN-Objekte“
Objekt Bedeutung Möglichkeiten
Access Point (AP)(auch für den Kunden oft sichtbare) Materialisierung des WLAN-Services
• Modell• Anzahl / Dichte• Positionierung
Antennen• Beitrag zur Funkfeldgestaltung
durch Richtwirkung, …
• Interne• Externe• Spezialantennen
Radio eines APs• Sende-/Empfangseinrichtung in
einem Frequenzbereich• Bereitstellung einer Funkzelle
• An / aus• Sendeleistung• Unterstützte Geschwindigkeiten
Channel / Kanal• Frequenzbereich mit einer best.
Übertragungskapazität• WLAN als „Shared Medium“
• Verfügbare Anzahl: ca. 3 – 20• Überlappungsfreie Kanäle für
Lückenlose Versorgung• Kanalbreite: 20,40,80,160 MHz
Band / Frequenzband Frequenzbereich mehrerer Kanäle• 2,4 GHz: max. 3 Kanäle• 5 GHz: ca. 15 – 20 Kanäle
SSID (Service Set Identifier) Verschiedene WLAN-Services • SSID-Anzahl
Hersteller-Features Nicht standardisierte Optimierungen Cisco: Band Select, Rx SOP, …
31.05.2016 3Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
„Nicht direkt beeinflussbareWLAN-Objekte“
31.05.2016 4Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Objekt Bedeutung Möglichkeiten / Herausforderungen
WLAN-Clients Gerät des Kunden
• Trifft die Roaming-Entscheidung• Vielfalt bzgl.
• Gerätetypen• Eigenschaften
• Günstig: kurzer Erneuerungszyklus bei Smartphones
Funkfeld / -technik Komplett eigenes Fachgebiet! Vielfältig
Channel-Utilization / Kanalauslastung
Verbrauchte Übertragungskapazität eines Kanals
• Nutzdaten• Management Frames (pro SSID!)• Schlechtes Zugangsverfahren: DCF• Störsignale• CCI
Co-Channel-Interference(CCI)
WLAN-Interferenzen in einem Kanal von anderen Funkzellen
• 5 GHz-Band mit 16 Kanälen• Reduzierung der Sendeleistung• Größerer Abstand zw. Funkzellen
User-Experience Das wichtigste überhaupt! Oder? Vielfältig!
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
31.05.2016 5Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Test, Pilotinstallation,Produktivbetrieb
• Tests (August, September 2014)
• Aula im Steinhaus: 300 Sitzplätze
• Sieben C3700 APs
• 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
31.05.2016 6Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
EntscheidungenEnde 2014 / Anfang 2015
Objekt Entscheidungen (*)
Access Point (AP)• Modell Cisco C2700 (nicht C3700)• Anzahl / Dichte (1 AP je 50 Hörsaal-Sitzplätze; insg. ca. 300 + Foyers)• Positionierung: Verzicht auf Ausleuchtung
Antennen• Verwendung der internen Antennen des APs• Keine externe (Spezial-)Antennen
Radio eines APs• 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• 2,4 GHz: 3 Kanäle• 5 GHz: 16 Kanäle (nur 20 MHz breit, bis 800 Sitzplätze keine CCI)
SSID (Service Set Identifier)• Keine Reduzierung auf eine SSID• Beibehalten der vorhandenen SSIDs• Keine zusätzliche SSID
Hersteller-Features Verzicht auf Hersteller-Features für maximale Interoperabilität mit Clients
31.05.2016 7Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
(*) Grün: Entscheidung für etwas; Rot: Entscheidung gegen etwas
WLAN-Hardware
• Hersteller Cisco
• Controller WIMS2 für C6500
• Access Point Typ für das HD-Projekt: C2700
• Unterstützung von IEEE 802.11ac
• 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
31.05.2016 8Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
SpezielleKonfiguration des HD-WLAN
• 5 GHz-Band
• 20 MHz breite Kanäle
• 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 802.11a/g:
• Bandbreiten kleiner 18 Mbps: disabled
• 18 Mbps: supported
• 24 Mbps: supported
• 36 Mbps: Mandatory (für Assoziierung / Verbindungsaufbau)
• Bandbreiten größer 36 Mbps: supported
31.05.2016 9Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
„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
31.05.2016 10Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Rollout - Beispiel
31.05.2016 11Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Hörsaal F1 imFürstenberghaus
Radio-/Kanal-Konfiguration im Hörsaal F1
31.05.2016 12Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
• 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
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“
31.05.2016 13Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
• Client-Anzahl vor HD-Konfiguration
• Hörsaal „Aula am Aasee“ am Mo 1.2.2016
• 2,4 GHz-Band: max. ca. 170 (68%)
• 5 GHz-Band: max. ca. 80 (32%)
Vorher/Nachher: Client-Verteilung auf die Frequenzbänder
• Client-Anzahl nach HD-Konfiguration
• Hörsaal „ Aula am Aasee“ am Mi 10.2.2016
• 2,4 GHz-Band: max. ca. 80 (24%)
• 5 GHz-Band: max. ca. 260 (76%)
31.05.2016 14Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Verteilung der Clients auf die Radios der APs
APMax. Clientzahl
2,4 GHz-BandMax. Clientzahl
5 GHz-Band
AP-1 - 25
AP-2 20 24
AP-3 20 21
AP-4 - 46
AP-5 33 34
AP-6 28 30
AP-7 - 27
AP-8 28 31
AP-9 23 51
AP-10 - 30
Summe 152 (32%) 319 (68%)
31.05.2016 15Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Hörsaal F1 mitHD-Konfigurationam 16.12.2015
Extremwerte in rot
WLAN-Protokoll Session Anteil
802.11g 1 0,0%
802.11a 1 0,0%
802.11n (5GHz) 2193 39,2%
802.11n (2.4GHz) 1775 31,7%
802.11ac 1627 29,1%
Summe 5597 100,0%Wert Anzahl
MAC Addresses 998
User Ids 833
MAC Addresses per User 1,20
WLAN-Sessionsim F1 am Mo 23.5.16
31.05.2016 17Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Frequenzband Sessions Anteil
2,4 GHz 1776 31,7%
5 GHz 3821 68,3%
Summe 5597 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 585 10,5%
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%
AP-9 2,4 GHz 175 3,1%
AP-9 5 GHz 324 5,8%
AP-10 5 GHz 373 6,7%
20% mehr Sessionsals Sitzplätze
Channel-Utilizationim 2,4 GHz-Band
31.05.2016 18Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
Co-Channel-Interference 70
90
5080
80
80
Channel-Utilizationim 5 GHz-Band
31.05.2016 19Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
keineCo-Channel-Interference
65
14
55
80
60 60
55
30
30
30
Projektstatus
Gebäude Räumlichkeit Größe (m²) Sitzplätze APs
Domplatz 20-22,Fürstenberghaus
F1 (1) 332 499 10F2 169 195 4F4 126 155 4F5 171 177 4Foyer im EG - - 4Foyer im 1. OG - - 4Foyer im 2. OG - - 2
Scharnhorststr. 100Aula am Aasee (2) 489 650 13SCH 100.2 180 175 4SCH 100.3/H319 151 154 4
Scharnhorststr. 109 und 121SCH 109.6 271 250 6SCH 121.5 329 350 6
Schlossplatz 2,Schloss
S 1 149 200 4S 2 145 186 4S 8 157 210 5S 9 128 124 3S 10 220 289 6Foyer - - 4
Schlossplatz 34, Vom-Stein-Haus VSH 219 Aula (3) 314 300 7
Schlossplatz 46
H 1 634 806 16H 2 154 120 2H 3 209 192 4H 4 154 120 2Foyer im EG - - 4
Universitätsstraße 14-16,Juridicum
J1 107 130 4J2 107 136 4J3 206 280 6J4 206 280 6
31.05.2016 20Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur
• 7 Gebäude• 23 Hörsäle• 146 APs• 6.000 Sitzplätze
(1) Erste Produktivnutzung im Mai 2015
(2) Vgl. Vorher-/Nachher-Folie
(3) Tests und Pilotnutzung im Sommer 2014
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
31.05.2016 21Aufbau einer High Density WLAN-Infrastruktur