Die Wahl der richtigen Antennen spielt bei der Gestaltung einer WLAN-Installation eine entscheidende Rolle (Bild 1). Rundstrahl-Antennen strahlen ihr Signal in alle Richtungen ab und nehmen das Signal des Gegenübers somit aus allen Richtungen wahr. Gerichtete Antennen strahlen vorwiegend in eine Richtung und verstärken das aus dieser Richtung kommende Gegensignal deutlich stärker als ein Rundstrahler. Aus diesem Grund sind gerichtete Antennen in alle anderen Richtungen ‚taub‘.

Verbesserter Durchsatz mittels Adaptive Noise Immunity (ANI)

Neben den grundlegenden Optimierungsschritten bieten verschiedene WLAN-Systeme einige weitergehende Möglichkeiten zur Leistungssteigerung. Diese setzen entweder spezielle Hard- oder Software voraus und sind daher nur auf bestimmten Produkten verfügbar.

Im industriellen Umfeld treten häufig elektromagnetische Signale in den verwendeten Frequenzbändern auf. Quellen dieser Signale können weitere drahtlose Übertragungssysteme sein (Bluetooth, ZigBee, ISA 100). Denkbar sind zudem Emissionen von in den Anlagen verbauten Maschinen und Geräten.
Als Konsequenz können in diesen Fällen nachfolgende Übertragungen vom Empfänger verpasst werden, da dieser noch im Begriff ist, das Störsignal fälschlicherweise als WLAN-Übertragung zu decodieren. Die Empfangseinheit ist dann mit der Verarbeitung von sinnlosen Störimpulsen beschäftigt und verpasst dadurch die eigentlichen Übertragungen. Des Weiteren können eigene Sendevorgänge verzögert werden, da die Suche nach einem freien Sendezeitpunkt im Rahmen des Medienzugriffsverfahrens CSMA/CA das Medium fälschlicherweise als belegt wahrnimmt. Folge ist ein verminderter Datendurchsatz, obwohl der Übertragungskanal mehr Kapazität zur Verfügung stellen könnte.

Das Aktivieren des ‚Adaptive Noise Immunity‘-Mechanismus (ANI) sorgt bei hochqualitativen Access Points für ein Ausblenden solcher Störeinflüsse und verbessert auf diese Weise den möglichen Durchsatz. Das Ausblenden der Interferenzen wird mittels einer adaptiven Regelung der Empfangsempfindlichkeit erzielt, indem das WLAN-Radio-Modul fortlaufend Messwerte über Störer im aktiven Kanal liefert. Damit werden sowohl die Fälle von verpassten Übertragungen am Empfänger als auch das Auftreten von verspätet startenden Sendevorgängen verringert und so die Auslastung des Übertragungsmediums optimiert.

Adaptive RF Optimization

Zur Minimierung externer Störeinflüsse empfiehlt es sich, die Wahl des Funkkanals an einem Access Point an seine Umgebung anzupassen.

Störeinflüsse können zum Beispiel benachbarte Access Points auf demselben Kanal darstellen, deren Funkreichweiten sich überschneiden. In diesem Fall müssen sich die Teilnehmer in diesem Bereich die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite teilen (Shared Medium), wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der gegenseitigen Störung von Übertragungen erhöht. Je nach Umgebung des installierten Systems besteht die Möglichkeit, dass sich externe Störeinflüsse dynamisch verändern und die Konfiguration entsprechend angepasst werden muss.

Moderne Access Points stellen eine Automatik zur Verfügung, welche die Störeinflüsse im aktuellen Umfeld auswertet und gegebenenfalls auf einen qualitativ besseren Kanal wechselt. Auf diese Weise wird ein qualitativ optimaler Betrieb auch ohne manuellen administrativen Eingriff sichergestellt. Dieser Automatismus kann allerdings auch unerwünscht sein, falls eine manuelle Frequenzplanung für die verschiedene Funknetze einer Fertigungsanlage existiert.

Band Steering und Client Steering

Insbesondere in Szenarien mit vielen Clients ist es sinnvoll, diese auf verschiedene verfügbare Frequenzbereiche zu verteilen (Bild 3). Ein Beispiel dafür könnte ein Access Point in einer Fabrikhalle sein, der diverse Tablets mit Netzwerkverbindungen versorgt. Sollte dieser Access Point über mehrere WLAN-Module verfügen, so macht es Sinn, die Clients, die eine Kommunikation im 5-GHz-Band beherrschen, auch auf dieses Frequenzband zu lotsen – selbst wenn diese normalerweise eine Verbindung zum WLAN-Modul im 2,4-GHz-Band bevorzugen würden. Eine solche Verlagerung verringert die Belastung des traditionell stärker belasteten 2,4-GHz-Bandes und ermöglich eine systematische Nutzung des oftmals geringer belasteten 5-GHz-Bandes.

Bild 3. Band Steering lotst Multi-Bandfähige Geräte in wenig belastete Frequenzbänder.

© Belden/Hirschmann

In von einem Controller gesteuerten Netzen mit vielen Access Points erreicht Client Steering einen ähnlichen Effekt wie Band Steering. Hierbei werden Clients jedoch nicht von einem vollen Frequenzband in ein weniger belastetes Frequenzband gelotst, sondern von überlasteten Access Points zu weniger belasteten Access Points in der Umgebung verlagert. Dies wird durch eine selektive Antwort der weniger belasteten Access Points auf Verbindungsanfragen des Clients bewerkstelligt. So wird erreicht, dass sich die Funkbelastung im Netz gleichmäßig verteilt und es weniger Störungen durch interferierende Übertragungen gibt. Besonders bei der Flächenausleuchtung von größeren Arealen (zum Beispiel Fabrikhallen oder Raffinerien) kann dieser Mechanismus automatisch für eine bessere Qualität des Netzwerks sorgen.

Airtime Fairness

Benachbarte Clients in einem WLAN-Netzwerk konkurrieren oft um die zur Verfügung stehende Bandbreite. Eine hohe Dichte von Clients hat nicht nur zur Folge, dass mehr Bandbreite benötigt wird, als tatsächlich zur Verfügung steht, sondern auch, dass ‚langsame‘ Clients mit der Übertragung ihrer Daten ‚schnellere‘ Clients ausbremsen können. Als langsam werden Clients bezeichnet, die nur Signale mit geringer Datenrate codiert senden/empfangen können, da diese beispielsweise noch nicht den Funkstandard IEEE 802.11n unterstützen oder die Signalqualität (SNR) für eine höhere Datenrate nicht ausreicht. Ein mit geringer Datenrate codiertes Paket wird also entsprechend länger den Kanal belegen.

Das WLAN-Medienzugriffsverfahren hat die Intention, jedem Teilnehmer eine gleich große Chance beim Kanalzugriff einzuräumen. Es berücksichtigt aber nicht, wie viel Zeit ein Teilnehmer daraufhin mit seinem Sendevorgang tatsächlich benötigt. Daher wird das Medium länger mit Übertragungen von und an langsamere Clients beleget als von Übertragungen, die unter Verwendung von hohen Datenraten sehr schnell abgeschlossen werden können. Eine effizientere Verwendung der zur Verfügung stehenden Bandbreite für die Kommunikation vom Access Point zu den Clients stellt die Methode ‚Airtime Fairness‘ sicher. Diese Methode wird über einen Eingriff in die Warteschlange der am Access Point zu sendenden Pakete realisiert. Langsame Clients werden mit entsprechend weniger Paketen bedient, so dass sich im Vergleich zu Verbindungen mit schnellen Clients in etwa gleich lange Zugriffszeiten ergeben. Damit können schnelle Clients im Downstream mehr Daten durchsetzen, da diese den Kanal länger verwenden können.

Parallele WLAN-Verbindungen

Bei Übertragungen mittels der Funktechnik kommt es immer wieder zu Paketverlusten, da die Pakete entweder nicht mit ausreichender Qualität ankommen oder durch gleichzeitige Übertragungen anderer Teilnehmer gestört werden. 

Durch die Verwendung des Parallel Redundancy Protocol (PRP)  lässt sich die Zuverlässigkeit von Übertragungen jedoch deutlich verbessern, indem Pakete über zwei unabhängige Funkstrecken gleichzeitig übertragen werden. Bei einer störfreien Übertragung über beide Strecken, werden doppelt empfangene Pakete aussortiert, bevor sie weitergeleitet werden.

Ein Rechenbeispiel: Angenommen, die Verlustrate ohne Doppelübertragung auf beiden Strecken wäre identisch und läge bei 0,1 %, so liegt die Rate des PRP-Gesamtsystems bei nur 0,0001 % (0,0001 × 0,0001 = 0,000001) – ein 1000-fach besserer Wert. In der Praxis lassen sich so – abhängig von den Verlustraten der beiden Einzelstrecken – Verbesserungen im Bereich des 500-fachen erzielen! PRP verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit von WLAN-Verbindungen, sondern senkt auch die Latenz und den Jitter, da jeweils das schnellere der  beiden Duplikate weitergeleitet wird. Ist eine WLAN-Strecke gerade nicht zum Senden bereit, so kann die Übertragung auf der anderen Strecke gegebenenfalls direkt erfolgen. Die resultierende Latenz ist daher mit PRP über WLAN-Netze genauso gut oder besser als die Latenz der besseren der beiden Funkstrecken. Ebenso verhält es sich mit dem Jitter mit der Varianz in der Übertragungsverzögerung.
 

Schnelles Roaming

Schnelles und zuverlässiges Roaming (Bild 4) ist vor allem in Anwendungs-szenarien mit mobilen Clients, wie etwa bei autonomen Flurförderfahrzeugen, eine wichtige Qualitätsanforderung an industrielle WLAN-Systeme. Idealerweise werden zur Optimierung der Bandbreite benachbarte Access Points mit überlappender Funkabdeckung auf verschiedenen Kanälen störungsfrei betrieben. Ein mobiler Client kann sich dann automatisch mit dem Access Point mit dem jeweils besten Signal verbinden. Dabei lassen sich Unterbrechungen beim Wechsel der Access Points von unter 50 ms im 2,4-GHz-Band erreichen – noch schnelleres Roaming oder Roaming im 5-GHz-Band bedarf jedoch einiger technischer Tricks. Um sowohl einen schnellen als auch sicheren Wechsel zu gewährleisten, sind zwei Problemstellungen zu lösen: Wie kann der mobile Client möglichst schnell von Access Point zu Access Point wechseln? Und: Wie lässt sich die Zeit für die Aushandlung der Sicherheitsparameter minimieren?

Bild 4. Ein mobiler Client bewegt sich durch die Funknetze verschiedener Access Points.

© Belden/Hirschmann

Beim Roaming muss ein Client vor dem Wechsel des Access Points zunächst den Ziel-Access-Point identifizieren. Um eine gegenseitige Beeinflussung der benachbarten Access Points zu vermeiden, wird hierbei der Ziel-Access-Point in der Regel auf einem anderen Kanal betrieben. Jedoch kann ein Client nur die Access Points auf der aktuellen Frequenz empfangen. Der Client muss also beim Wechsel der Access Points seine aktuel-le Kommunikationsverbindung trennen, um auf anderen Kanälen/Frequenzen nach geeigneten Access Points suchen zu können. Ein mobiler Client muss daher periodisch alle in Frage kommenden Kanäle/Frequenzen scannen, um sich ein Bild von den zu empfangenden Signalstärken aller Access Points in seiner Umgebung zu machen.

Je nach Mobilität des Clients und der damit verbundenen Änderungen in der Umgebung müssen die Scan-Vorgänge entsprechend oft durchgeführt werden. Da während dieser Scans die aktive Verbindung nicht verwendbar ist, ist es dem Client nicht möglich die Pakete der industriellen Anwendung während des Scans weiterzuleiten. Das Netzwerk ist in dieser Zeit nicht verfügbar. Deshalb sollten die Scan-Vorgänge möglichst kurz sein.

Eine Möglichkeit, die Scan-Zeit niedrig zu halten, ist das aktive Scanning. Der Client ruft dabei auf jedem Kanal mit einem Probe Request die Anwesenheit von in Frage kommenden Access Points ab. Diesen Vorgang wiederholt der Client für jeden zu scannenden Kanal. So erkennt der Client in einer sehr kurzen Zeit alle potenziellen Roaming-Ziele in seiner Umgebung. Kommen allerdings auch Kanäle zum Einsatz, in denen Radar-Erkennung gefordert ist, ergibt sich daraus eine Schwierigkeit: In diesen Kanälen ist ein aktives Scanning mit Probe Requests verboten, da der einwandfreie Betrieb von Radarstationen mit dem Versenden von Probe Request gestört werden könnte. Daher muss zuerst festgestellt werden, ob sich auf dem entsprechenden Kanal Primärnutzer befinden.

Da dieser Vorgang stets von neuem durchzuführen ist und diese Feststellung eine Minute passiven Lauschens bedingt, stellt dies keine Option für ein schnelles Roaming im Freien dar. Der Client ist daher gezwungen, auf allen vorhandenen Kanälen zu lauschen, bis sich ein Access Point von selbst meldet. Der Access Point führt diesen Vorgang periodisch durch mittels sogenannter Beacons. Die Scandauer für diese Kanäle bestimmt sich somit aus der Periode der vom Access Point gesendeten Beacon-Nachrichten und der entsprechenden maximalen Wartezeit des Clients. Letztlich hat dies schnell eine Unterbrechung des Roamings von mehreren Sekunden zur Folge – ein meist inakzeptabler Wert.

Je schneller die Access Points ihre Beacons wiederholen, desto schneller kann der Client auf den nächsten Kanal wechseln, ohne dabei einen Access Point zu übersehen. Daher ist es für einen Betreiber von großem Vorteil, nicht nur die Periodendauer für das Senden von Beacon-Nachrichten am Access Point konfigurieren zu können, sondern auch entsprechend die maximale Wartezeit am Client anzupassen. Bei speziell für schnelles Roaming optimierten Access Points und Clients lassen sich die Beacon- und Scanzeiten besonders fein einstellen.

Die Sicherheit einer Verbindung kann nur gewährleistet werden, wenn sich ein Client beim Verbindungsaufbau am Access Point korrekt authentifiziert und ein für diese Verbindung gültiger Schlüssel zur Verschlüsselung der Datenpakete ausgehandelt wird. Dies nimmt Zeit in Anspruch und muss – sofern keine speziellen Techniken zum Einsatz kommen – bei jedem Roaming-Vorgang wiederholt werden. Schnelles Roaming ist daher nur unter Verwendung eines schnellen Authentifizierungsmechanismus möglich.

Last but not least unterstützen moderne Access Points eine Beschleunigung des Roamings durch eine Vorverteilung der Schlüsselinformationen im Netzwerk. So verteilt eine Koordinierungsstelle (der WLAN-Controller) alle für eine schnelle Authentifizierung der Clients nötige Informationen unter allen Access Points im Netzwerk. Dieser Vorgang wird Opportunistic Key Caching genannt. Dank dieser Technik kann jeder Access Point jeden Client im Netzwerk schnell, sicher und eindeutig über ‚WPA2 Enterprise‘ authentifizieren. Damit lassen sich mit vollen Sicherheitseigenschaften Roaming-Zeiten von 50 ms erreichen.

Autoren: Prof. Dr. Tobias Heer beschäftigt sich bei Hirschmann Automation and Control mit Zukunftstechnologien und Dr. Bernhard Wiege ist tätig im Bereich Embedded Software Development bei Hirschmann Automation and Control.