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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, …


„Nicht direkt beeinflussbareWLAN-Objekte“


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


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


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


(*) 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


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


„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


Rollout - Beispiel


Hörsaal F1 imFürstenberghaus

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

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“


• 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%)


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%)


Hörsaal F1 mitHD-Konfigurationam 16.12.2015

Extremwerte in rot

Client Countim Hörsaal F1 am Mo 23.5.16


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


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


Co-Channel-Interference 70

90

5080

80

80

Channel-Utilizationim 5 GHz-Band


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


• 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



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Vielen Dank auch an• Jamaldin Chakoh• Andre Forsmann• Dieter Frieler

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