WiFi – Performance und AC/MIMO/MU-MIMO vs. Airtime Fairness, was macht Sinn?

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WiFi – Performance und AC/MIMO/MU-MIMO vs. Airtime Fairness, was macht Sinn?

In einem Gespräch bin ich gefragt worden, was die sinnvollste Methode sei, um Benutzern WiFi bereitzustellen. Ich hatte keine Tafel dabei und es mit Händen und Füßen versucht. Ich meinte, ein wenig in meiner wie so oft „zu technischen Sprache“ gescheitert zu sein und schreibe es daher noch einmal auf. Es ging ferner um die Antwort, dass es generell kein „Default/Standardkochrezept“ gibt, da jede WiFi-Anwendung und jeder Kunde anders ist.

Das hier ist zwar kein kleiner Teilaspekt, sondern eher ein größerer Punkt, möglicherweise jedoch auch jener, welcher häufig zu Verwirrungen führt. Ebenso soll deutlich werden, warum ich Controller-/Multizellenlösungen bevorzuge.

Moderne Accesspoints bieten unterschiedliche Modi an, um Clients mit Bandbreite zu versorgen. In unterschiedlichen Modis haben WiFi-Adapter und Accesspoints unterschiedlich viel zu tun.

Je nach Konfiguration und Umgebung ist „das teuerste und beste“ vielleicht die schlechtere Wahl, da falsch konfiguriert und das Ergebnis fernab von dem, was man sich vorgestellt hat. Oft höre ich auch „aber auf der Verpackung steht ja das, und es kommt noch nicht mal die Hälfte raus“.

Zudem möchte ich darauf hinweisen, dass eine WiFi-Verbindung deutlich mehr „Overhead“ produziert, als eine Kabelverbindung. Wenn wir von einer Bruttodatenrate auf dem Kabelweg von einem Gigabit sprechen, können wir Netto davon fast alles nutzen. Wir können also mit 108-116 Megabyte pro Sekunde Daten empfangen oder versenden. Haben wir z.B. „887 MBit“ (allgemein üblich auf den Verpackungen bei 2×2 MiMo Accesspoints) bei einem WiFi Netzwerk, so lässt sich davon möglicherweise gerade mal die Hälfte nutzen, und das auch nur dann, sofern sich der Client in optimaler Position zum Accesspoint befindet. Das Ergebnis sind im Optimalfall rd. 40 Megabyte pro Sekunde.

Es gibt im Moment 3 handelsübliche WiFi-Accesspoint-Typen zu kaufen, und zwar jene mit

  • 802.11 a/b/g/n (ältere Derivate)
  • 802.11 ac („Wave 1″/“MiMo“)
  • 802.11 ac-hd („Wave 2″/“Multi User MiMo“)

Während 802.11 b/g/n (ältere Verfahren) jeweils im Bereich von 2,4G und 5G funken können, beschränkt sich AC auf das 5G-Band. Das Prefix „a“ in der Spezifikation bedeutet also generell 5 GHz. Konzentrieren möchte ich mich in diesem kurzen Essay auf das modernere AC und möchte das deutlich günstigere, ältere B/G/N ein wenig außen vor lassen. Auch geht es hier um die nachher aufgeführten Basistechnologien. Alle Hersteller verfügen sicherlich hier und da über ein wenig Magie, in jener sie manches besser oder schlechter können. Im Grunde genommen sind jedoch gebräuchliche Features fast überall vorhanden, mehr oder weniger stark ausgeprägt – um die soll es hier nicht gehen. Hier geht es um die reine Performance.


Die Verfahren, die wir momentan einsetzen können, da „käuflich zu erwerben“ sind:

  • „Bandbreite“
  • Spatial Streaming“ mit allen Subtechnologien für
    • „MIMO“ und
    • „MU-MIMO“
  • „Beamforming Antennas“
  • „Interference Mitigation“
  • „Client Steering“
  • Features, wie 802.11k & 802.11v

Die negativen Einflüsse auf die Funkübertragungen sind

  • Interferenz durch andere Teilnehmer, Kanalbelegung
  • Interferenz durch fremde oder eigene Zellen, Kanalbelegung
  • Bausubstanz und Gegenstände

Bandbreite

In den älteren Standards vor AC war es möglich, die Bruttodatenrate ausschließlich durch die Verwendung einer größeren Bandbreite zu gewinnen. Ich habe also bei 802.11n 20-40 MHz, bei 802.11 ac habe ich sogar 80 MHz, teilweise sogar bis zu 160 MHz. WiFi benötigt dafür nicht überlappende Kanäle.

Bildquelle: Extremenetworks

Betrachtet man diese Materie im Reinraum unter Laborbedingungen, ist höhere Bandbreite sicherlich ein tolles Mittel. Man belegt mehr Funkkanäle und kann so mehrere Daten auf dem Weg vom Sender zum Empfänger gleichzeitig unterbringen.

-> Die negativen Einflüsse einer hohen Bandbreite erläutere ich in diesem Artikel später noch einmal.

 

Spatial Streaming für MIMO und MU-MIMO

Mit Spatial Streams werden pro Antenne des Accesspoints und des Empfängers mehrere Datenströme gesendet. Dadurch nutzt der Funkweg unterschiedliche physikalische Räume der Umgebung aus, und kann einen größeren Datenstrom mit dem Empfänger austauschen. Ebenso kann dadurch das Signal-Rauschverhalten von Sender und Empfänger deutlich verbessert werden.

Schaubildquelle: Wikimedia

Dieses Verfahren nennt man MIMO, also „Multiple Input Multiple Output“ (Wave 1). Die Anzahl der Spatial Streams ist allerdings durch die Anzahl der Antennen des Senders und Empfängers limitiert. Ein MacBook mit 3 Antennen kann natürlich alle 3 Streams des Accesspoints nutzen, während ein Tablet oder ein Smartphone möglicherweise deutlich limitierter ist, da es selbst nur eine Antenne besitzt. Ebenso ist durch Spatial Streaming der Akkuverbrauch der Endgeräte deutlich höher, da mehr Rechenaufwand benötigt wird. Intelligente Endgeräte reduzieren die Streams also, sofern nicht viele Daten übertragen werden müssen. MU-MIMO, also „Multiple User MIMO“ (Wave 2) nutzt diese Technologie dann auch für mehrere Benutzer. Hier wird exakt dieses Verfahren auf verschiedene User (Anwender) angewendet. Client und Accesspoint müssen noch einmal mehr rechnen. Nochmal in der Tiefe erläutert hier: Link.

Anmerkung: Alle vorhandenen Spatial Streams können nicht immer vollständig genutzt werden. Dieses gelingt nur dann, wenn der Client sich im optimalen Abstand und am besten in Sichtverbindung zum Accesspoint befindet. Dieses ist in den seltensten Bedingungen der Fall!

 

Interferenz

Das schöne oder dumme an fast allen diesen Ideen ist, dass sie andere Nutzer und Netze, also die Realität ausschließen. In Ballungsräumen sind vor allem die Regionen im 2,4 G Frequenzband massiv belegt und man versucht, auf das 5G Frequenzband auszuweichen. Je mehr Bandbreite eine Funkzelle belegt, desto weniger Platz ist für andere Funkzellen da. Der nachfolgende Screenshot aus dem Mac-Tool „WiFi Explorer“ zeigt, wie schwer die 20 MHz-breite Zelle „EasyBox-797749“ es hat, zum Empfänger durchzukommen, da „RADIOPARADISE“ 80 MHz voll belegt und aus allen Rohren funkt. Die zuvor genannte Zelle ist zwar erreichbar, die Datenrate wird jedoch massiv einbrechen, sofern in „RADIOPARADISE“ irgendjemand auf die Idee kommt, ein wenig „Daten“ zu verschicken:

Schaubildquelle: WiFi Explorer

So wird’s also problematisch, wenn nicht die eigene Zelle belegt ist, aber auf gleichem oder überlappendem Kanal in einer anderen Zelle gefunkt wird. So bricht die Übertragungsrate bei anderen Nutzern massiv ein. Es muss immer gewartet werden, bis der Funkraum wieder frei ist, um ein Paket abzusenden. In einen Timeslot passt eben nur ein Paket. Zeit und Raum sind im Bereich WiFi also ein begrenztes Gut.

Schaubildquelle: Unifi Controller

In oben gezeigtem Waterfall-Spektrumanalysetool von Ubiquiti (Benötigt AP-AC-SHD) wird deutlich, wie sehr das 2,4G-Band belastet ist, selbst wenn die eigene SSID nicht genutzt wird. Der Mauszeiger zeigt auf das eigene Frequenzband. Es wird sichtbar, wie schwer es Client und Accesspoint zeitweise haben werden, überhaupt miteinander zu kommunizieren.

Ich selbst habe also möglicherweise noch nicht einmal Einfluss auf meine eigene Zelle, sofern Nachbarzellen mein Frequenzband vollständig belegen. Das ist der Defaultzustand in Hipstergegenden. Möglicherweise wird ein Kanalwechsel, oder sogar ein Bandwechsel notwendig. Manche Accesspoints tun dies sogar selbstständig, mit mehr oder weniger intelligenten oder teils verheerenden Auswirkungen. Am Prenzlberg habe ich schon erlebt, dass ganze Straßenzüge wie Dominosteine „umkippen“, sofern nur ein neuer Bewohner mit einem neuen Speedport einzieht oder irgendwer an seinem iPhone den personal Hotspot aktiviert.

Noch weiter verschlimmert wird dies z.B. durch das Roaming-Verfahren „802.11R“, in jenem alle Accesspoints auf gleichem Kanal funken müssen, so dass „Zero Handoff“ funktioniert. In diesem Text könnte herauszulesen sein, dass ich vor allem aus diesem Grund 802.11R überhaupt nicht mag und viel lieber über RSSI-Minimums spreche und ein bis zwei Pakete Verlust beim Roaming in Kauf nehme.

Reduktion der Sende/Empfangsstärke

Begegnet werden kann diesem Problem zunächst (und vor allem am sinnvollsten) durch Reduktion der Sende/Empfangsstärke (in dB).

Schaubildquelle: Unifi Controller

 

In diesem Szenario werden mehrere Accesspoints eingesetzt, die sich gegenseitig durch geringere Sendestärke deutlich weniger beeinflussen. Ebenso muss der Client und der Accesspoint jetzt weniger Interferenzen der anderen Zellen herausrechnen. Viel bringt viel ist also in diesem Szenario äußerst dumm. Der ungelernte Anwender neigt dazu, die eigene Fritzbox am liebsten noch mit Zukauf-Antennen zum Glühen zu bringen. Dass dieses absoluter Käse ist, sollte spätestens jetzt jedem einleuchten. Bei der RF-Planung von Netzen sollte diese Methode permanent im Hinterkopf präsent sein und dem Kunden erläutert werden.

Beamforming Antenna

Beim Beamforming Verfahren wird versucht, die Interferenz anderer Teilnehmer durch die Richtung der Antenne (durch die Bildung eines Antennenmusters) zu lenken. Dadurch kann die Interferenz anderer Zellen oder nicht avisierter Teilnehmer reduziert werden. Dieses Verfahren ist mittlerweile gängige Praxis bei einigen, aktuellen Accesspoints. Damit Beamforming funktioniert, müssen die Accesspoint sinnvoll zum Anwender hin ausgerichtet werden. Am besten funktioniert dieses Verfahren bei TopDown-Anwendungen. Wird der Accesspoint jedoch lediglich in eine Ecke „gelegt“, hat dieses Verfahren keine positiven Auswirkungen. Beamforming ist die erste, wirkungsvolle Methode, um Interferenzen sinnvoll zu kompensieren.

 

Software Interference Mitigation

Ein sinnvoller Satz an Technologien (inkludiert Beamforming), um Interferenzen anderer Funknetze zu reduzieren. Ruckus ist hier (Stand 2017) ungeschlagen, andere Hersteller ziehen sicherlich nach. Die Beamforming Technologie wird als adaptive Technologie intelligenter genutzt: Software analysiert permanent den Radiozustand zu einzelnen Clients. Spatial Streams werden hier zusätzlich permanent adaptiv/dynamisch verändert, um jeden Client mit Antennenmustern optimal zu erreichen. Ist ein Muster schlecht, wird es verworfen und für eine Zeit nicht eingesetzt. So können Interferenzen anderer Funkzellen besser ausgeblendet werden. Interference Mitigation ist die perfekte Erweiterung der Beamforming Antenna, der zweite, sehr wirkungsvolle Schritt in Sachen Verbesserung der Qualität. Unterstützten die Accesspoints diese Technologie, kann Interferenz u.U. sogar so weit bekämpft werden, dass selbst 802.11R sinnvoll eingesetzt werden kann.

 

Client Steering

Client Steering oder Band Steering oder andere Funktionen, den Client an einen bestimmten Accesspoint zu übergeben, können sinnvolle Maßnahmen sein, um einen belasteten Funkkanal „einmal durchatmen“ zu lassen.

Schaubildquelle: Lancom WLC Controller

In fast allen Fällen wird eine SSID in beiden Frequenzbändern 2,4G und 5G angeboten. Jedoch kann das in bestimmten Fällen nicht zur optimiertem Roamingvariante oder zur gewünschten Zellenauslastung führen, sondern auch zu möglicherweise ungewollten Seiteneffekten.

Beispiel: Ein iOS Device (iPhone) kann AC funken, wird also vom Controller an 5G geschickt und meldet sich dort an. Das dazugehörige Wearable (Apple Watch) versteht jedoch nur 2,4G. Damit neben Bluetooth an einer Apple Watch auch WiFi funktioniert, will die Watch aus Sicherheitsgründen mit exakt derselben BSSID kommunizieren (MAC-Adresse des Accesspoints), mit jener das iPhone funkt. Das ist jedoch technisch nicht möglich da jene nur 5G funkt und die Kommunikation kommt nicht zustande. Es ist also notwendig, über die Features und Funktionsweisen des Accesspoints zumindest mal nachzudenken, bevor „blind“ irgendwelche Features aktiviert werden. Ebenso sind Industrieanlangen diesbezüglich problematisch. Auch das sehr oft in Restaurants eingesetzte „SONOS“ Multiroomlautsprechersystem kann und will mit derlei Features ungerne umgehen. Möglicherweise ist also das erzielte Resultat nicht die optimale Lösung.

802.11k und 802.11v für Client Steering

Schaubildquelle: Aruba Instant Accesspoint

Beide Features werden nur von wenigen, hochpreisigen Lösungen angeboten. Wenn richtig implementiert, kann 802.11k helfen, den verfügbaren Radioraum permanent zu analysieren und beteiligte Clients über verfügbare Radioressourcen aufzuklären, so dass AP’s ein besseres Client-Steering anbieten können. Clients bekommen Informationen über benachbarte Zellen und können dann leichter „roamen“. Mit 802.11v wird die BSS-Transition der 802.11k tauglichen Clients durch den Controller einmal mehr gefördert. Beides benötigt hierfür auf der Accesspointseite jedoch häufig das von mir so ungeliebte 802.11r, um überhaupt zu funktionieren. Beide Features sind ein zweischneidiges Schwert und haben bislang begrenzt positive Auswirkungen. Beide Features benötigen die Unterstützung durch Hardware des Anwenders – Siehe hierzu auch Apple KB – Link.


Fazit/Die richtigen Tools/Meine Gedanken

Die Zellendichte oder der belastete Funkraum ist das größte Problem, ich denke das konnte mein Artikel verdeutlichen. Hierbei gibt es jedoch die zuvor bereits genannten Ansatzpunkte.

Das „in Mode“ geratene Zero-Handoff 802.11R, welches ich überall sehe, gehört mit zu den Störfaktoren, denn es nimmt in der Regel die Möglichkeit, auf andere Funkkanäle auszuweichen. Ich halte hier viel mehr von controller-initiierten Roaming-Verfahren mit 1-2 Paketverlusten oder sinnvoll konfigurierten MIN-RSSI-Werten für Fast Roaming (Link), als Zero-Handoff als das Mittel der Wahl zu implementieren. Man sollte sich die Frage stellen: „Ist unterbrechungsfreies Roaming denn wirklich so wichtig?

Ebenso sehe ich in Sachen Airtime Fairness das Problem der überbreiten Kanalbelegung. Was ist hier moralisch vertretbar gegenüber den anderen Zellenteilnehmern oder sogar gegenüber den Nachbarn? Muss definitiv 80MHz verwendet werden oder reichen auch 40MHz aus? Je nach Konfiguration nehme ich nämlich auch den anderen deren Möglichkeit, den Funkraum fair zu verwenden. Man sollte immer im Hinterkopf haben, dass bei Nutzung von 80MHz Bandbreite in AC nur 4 Kanalsätze in Europa legal möglich sind (UNII1-UNII2, +-Extended) und bei 160MHz Bandbreite sogar nur einer.

Wenn diese Rechnung bezogen auf das anfangs gezeigte Schaubild „problematisch“ erscheint: Im Bereich der Kanäle 120-128 ist das Wetterradar unterwegs. Detektiert ein Accesspoint Funkfrequenz von fremden Sendern (DFS), muss er sich deaktivieren oder einen anderen Kanal wählen. Diese Kanäle sind also schon aus Stabilitätsgründen, besonders in der Umgebung von Flughäfen dringend auszuschließen. 

Ich tendiere hier vielmehr zu vielen kleinen Zellen mit „deutlich geringerer Sendelautstärke“ und einem häufigeren Roaming. So kann dann doch eine „breitere Bandbreite“ verwendet werden. So habe ich deutlich weniger Interferenzen und verursache selbst auch weniger, störe also weniger. Clients und Accesspoints müssen deutlich weniger rechnen, was zudem Strom spart. Sinn macht hier also eine Controller-gestützte Lösung. Allemal, welche jene sinnvolles Roaming unterstützt und die Kanalbelegung selbstständig und vor allem sinnvoll aufgrund der physikalischen Gegebenheiten aushandelt.

Hinzu kommt auch, dass im Moment noch nicht alle Technologien von allen Endgeräten unterstützt werden. AC-fähige Endgeräte sind im Moment noch selten, setzen sich aber durch. Nicht jeder Client profitiert also gleich von WAVE2, aber (!):

Meines Erachtens macht es dennoch durchaus Sinn, genau jetzt in „WAVE2″/“MU-MIMO“ zu investieren, da deren Spatial-Stream-Verfahren nicht nur dazu geeignet sind, den eigentlichen Durchsatz zu erhöhen, sondern auch die Interferenz zu veringern. Viele hierzulande angebotene Accesspoints bieten Dualband Radiosysteme an, welche parallel in 2,4G B/G/N für ältere Geräte und in 5G AC für modernere Clients funken können. Das macht Sinn und entspannt den Funkraum deutlich.

Besonders ist MU-MIMO in Kombination mit Beamforming Features sinnvoll, sofern die Accesspoints an einer sinnvollen Stelle im Raum angebracht sind. Diese Dinger sind mit Sicherheit deutlich störunempfindlicher, dafür aber auch sündhaft teuer. Sie machen definitiv Sinn! Sofern das Budget da ist, würde ich dem Kunden grundsätzlich dazu raten, minimal jedoch zu WAVE1.

Und da sind wir auch schlussendlich beim „Aufhängungsort“/“Deployment“/“Montage“ -> Ausmessen und eine Begehung vor Ort macht definitiv Sinn! Es muss gemessen werden, welche Fremdeinflüsse da sind, und wie sich die Zelle verhält. Hierzu ist auch ein mobiler Accesspoint, möglicherweise auch der Wunsch-Accesspoint des Kunden in seiner Wunsch-Konfiguration sinnvoll. Grob über den Daumen macht unglücklich. Da sind wir also bei den Tools, die ich derzeit einsetze.

Mesh-Systeme reduzieren die freien Slots im Funkraum deutlich und bekommen von mir nur selten den Vorzug, sofern sinnvoll einsetzbar. Zuletzt gab es von mir Mesh in einer Veranstaltungshalle, da technisch aufgrund der Gegebenheiten nicht anders zu realisieren (Strom war bereits da, weitere Ethernetkabel aufgrund von Brandschutzverordnungen jedoch nur „unter großem Aufwand“ möglich).

Die richtigen Tools nutzen

Es sind derlei zwei, die ich derzeit verwende. Möglicherweise findest Du andere Lösungen für Dein Betriebssystem passend, oder hast andere Vorlieben. Generell ist wichtig, dass man nachfolgende Features bekommt:

1. Netspot Pro (OSX) / Airmagnet (Windows)

Visualisiert anhand einer kartographischen Begehung den Funkraum. Ich sehe nach der Begehung unmittelbar, welche „Interferenzen“ durch fremde Accesspoint störende Einflüsse haben. Sichtbar werden auch personal Hotspots (z.B. von iPhones der Mitarbeiter) Ebenso kann ich sehen, welche Gegenstände (Mikrowelle, Kühlschrank, Stahlträgerelemente) möglicherweise störend sind. Unverzichtbares Tool.

Schaubildquelle: Netspot Pro

Netspot Pro ist hier zu bekommen: Link
Airmagnet gibt’s hier: Link

2. WiFi Explorer (OSX)

Nicht jeder besitzt einen „Unifi-AP-AC-SHD“ und kann Interferenzen durch Waterfall Spektrumanalysen sofort zeigen. WiFi Explorer zeigt mir sofort den aktuellen Zustand an. In einer In-App-Purchase-Version kann das von Unifi gebotene Last/Waterfall/Spektrum für die genaue Auslastung des Funkkanals zeigen. WiFi Explorer ist eine günstige Möglichkeit, eben genau jenes deutlich zu machen.

Schaubildquelle: WiFi Explorer

Ebenso habe ich hier die Möglichkeit, auf einen Blick die gebotenen Authentifizierungsmethoden zu sehen und Fehlkonfigurationen hinsichtlich Sicherheit umgehend zu bemerken.

WiFi Explorer ist hier zu bekommen: Link

 

Fazit

Beide Tools reichen mir völlig, um dem Kunden eine angenehme Umgebung bereitzustellen – und nur darauf kommt es an. Grob über den Daumen geht also nicht, es muss schon mit Sinn und Verstand geplant und gearbeitet werden.

Sicher, jede Anwendung und jeder Anwender, und damit jeder Kunde ist anders. Vielleicht ist 802.11r doch absolut notwendig (da ein Gabelstapler vom einen Hallenende bis in’s andere oder ein Containerpicker vom einen Ende zum anderen Ende des Docks zwingend permanente Verbindungen braucht, Voice ist möglicherweise Pflicht). Es gibt die unterschiedlichsten Szenarien, in jenen WiFi zum Einsatz kommen kann.

Alle meine bisherigen Kunden hatten bislang eines gemein: Ein Budget. Wenn jenes Grenzen hat, muss ich mich daran halten. Mit welchen Mitteln erreiche ich den größten Effekt? Muss es unbedingt Ruckus oder Aruba sein? Geht es eine Nummer kleiner? Muss es eine Nummer kleiner sein, da die Controller-/Lizenzkosten das Budget sprengen? Wie umständlich oder wie einfach ist das Management von einer und von vielen Sites, jene zum Unternehmen gehören? Welche Integration in BYOD-/VLAN-/GUEST- Konfigurationen oder Drittanbieterlösungen gibt es?

Das allerwichtigste aber scheint im Moment die eigentliche Performance. Je besser, desto größer das Grinsen im Gesicht eines glücklichen Anwenders. Da stehe ich, im Moment: Es ist also nicht nur eine Kostenfrage oder eine von lapidaren „Features“, sondern eine der physikalischen Grenzen und des technisch machbaren.

-> Alles im allem ist eine funktionierende WiFi-Umgebung definitiv kein Hexenwerk und herstellerunabhängig zu bewerkstelligen. Es ist immer eine Kombination aus richtiger Hardware und richtiger Konfiguration. Mehr nicht.

 

By | 2017-11-10T03:07:27+00:00 08.11.2017|Meinung, Techbla|Kommentare deaktiviert für WiFi – Performance und AC/MIMO/MU-MIMO vs. Airtime Fairness, was macht Sinn?

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John Lose

John Lose ist Informationstechnologe und Datenreisender. Manche mögen ihn als „Aluhut-Träger“ bezeichnen, denn er mag nur kleine Rechenzentren, die er selbst kennt. Public Clouds kommen für Ihn höchstens für Webseiten in Frage. John ist Katzenliebhaber, hat aber keine Katze, fährt gerne nach Südfrankreich und hört Tech-House. Mehr über John Lose erfährst Du in seiner Vita.  Wenn Dir dieser Beitrag gefallen hat, so kannst Du auch Danke sagen, wenn Du möchtest:  >> Dankeschön <<.