Stand: 12.09.2005 Version: 5.0 www.lancom.de LANCOM Systems GmbH Stand: 12.09.2005 Version: 5.0 www.lancom.de

Kapitel 6 - Wireless LAN

Bis zu 2 Mbit/s (1,5 Mbit/s netto) Frequenzband 2,4-2,48 GHz Wireless LAN 802.11x 802.11 Bis zu 2 Mbit/s (1,5 Mbit/s netto) Frequenzband 2,4-2,48 GHz 802.11b Bis zu 11 Mbit/s (5,2 Mbit/s netto) Das optionale PBCC/22-Modulationsverfahren erzielt bis zu 6 Mbit/s Datendurchsatz LANCOM Systems - 3

Bis zu 54 Mbit/s (22 Mbit/s netto) Wireless LAN 802.11x 802.11a Bis zu 54 Mbit/s (22 Mbit/s netto) Frequenzband 5,15-5,35 GHz und 5,725-5,825 GHz 802.11g Bis zu 54 Mbit/s (19 Mbit/s netto) Frequenzband 2,4-2,48 GHz Abwärtskompatibel zu 802.11b, (dann 12,8 MBit/s netto für 802.11g Gegenstellen) LANCOM Systems - 4

Wireless LAN Interoperabilität von 802.11a und 802.11g 802.11a-Geräte und 802.11g-Geräte sind grundsätzlich nicht interoperabel. Die Netzwerk-Schicht (MAC-Ebene, OSI-Ebene 2) ist gleich. Deshalb können Dual-Band-Geräte einen Übergang zwischen beiden Technologien realisieren. LANCOM Systems - 5

Wireless LAN Nutzbare Frequenzbänder Verfügbarkeit eines weltweit verfügbaren und lizenzfreien Frequenzraumes ist ein entscheidender Faktor für den Erfolg einer Wireless LAN-Technologie. Im 2,4 GHz-Band (2,4-2,483 GHz) ist diese Voraussetzung gegeben. In den Frequenzbändern, die 802.11a und 802.11h-Systeme nutzen, stellt sich die aktuelle Situation schwieriger dar. In Europa sind von der ETSI andere Frequenzbänder mit anderen Zulassungsvorschriften definiert worden als in Amerika. LANCOM Systems - 6

Wireless LAN Frequenzen in Europa und in den USA 5 Ghz-Spektrum in Europa Dynamic Frequency Selection (DFS) Automatic Power Control (APC) 5 Ghz-Spektrum in USA LANCOM Systems - 7

Wireless LAN 5 GHz oder 2,4 GHz? 5 GHz-Systeme haben andere charakteristische Eigenschaften als 2,4 GHz-Systeme. 5 GHz kann Hindernisse schlechter durchdringen. 5 GHz Frequenzbänder sind heute weniger genutzt und haben mehr Kapazität (ca. 450 MHz@5GHz zu 83 MHz@2,4GHz). 802.11a ist der Standard mit der höchsten Bandbreite, sowohl gesamt als auch pro Kanal. 802.11a hat mit maximal 1 Watt Sendeleistung eine größere outdoor Reichweiten als 802.11g mit maximal 100 Milliwatt. LANCOM Systems - 8

Wireless LAN Welcher Wireless-Standard für wen? Eigenschaften IEEE 802.11a IEEE 802.11g IEEE 802.11b Kanäle 19 nicht überlappend 13 wobei nur 3 nicht überlappend Leistung (E.I.R.P) Indoor bis 23dBm (200mW) Outdoor bis 30dBm (1000mW) Maximal 20dBm (100 mW) Geschwindigkeit Bis zu 108 MBit/s 108 MBit/s 11 MBit/s Vorteile Hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung, viele Kanäle, freies Frequenzband Hohe Geschwindigkeit, kompatibel zu IEEE 802.11b, große Verbreitung Hohe Verbreitung, großes Angebot, hohe Marktdurchdringung Nachteile Nicht kompatibel zu IEEE 802.11g/b, schlechtere Ausbreitungseigenschaften in ungünstigen Umgebungen Belastetes Frequenzband (Bluetooth, Mikrowelle etc.), beschränkte Leistung, Geschwindigkeitseinbußen bei Kompatibilitätsmodus zu IEEE 802.11b Anwendung Outdoor Bridge, hohe Leistung, hohe Datenrate Erweiterung bestehender IEEE 802.11b-Netzwerke, Streaming, mehr Clients HotSpots, Office, eMail Fazit Der High-End Standard Der High-Speed Standard Der Standard-Standard LANCOM Systems - 9

Wireless LAN Reichweite in Gebäuden bei 802.11b LANCOM Systems - 10

Wireless LAN Reichweite in Gebäuden bei 802.11g 802.11g bietet höhere indoor-Reichweiten als 802.11a LANCOM Systems - 11

Wireless LAN Reichweite in Gebäuden bei 802.11a Aufgrund der höheren Frequenz durchdringt 802.11a schlechter Hindernisse, wie z.B. Wände. LANCOM Systems - 12

Wireless LAN Wireless LAN Super A/G ... 010...011...100...101...001 Schnellere WLAN-Übertragung durch Hardware-Datenkompression! ... 010...011...100...101...001 ...0100111001010010 LANCOM Systems - 13

Wireless LAN Wireless LAN Super A/G Die Performance-Steigerung für alle LANCOM 54 Mbit WLAN-Funkkarten und Access Points 108 Mbit/s Turbo Modus für 802.11a/g Bursting für 802.11a/g Hardware-Datenkompression für 54 MBit WLAN Steigerung der Nettodatenrate auf über 60 Mbit/s* * (gemessen mit NetIO, 32k Pakete RX; LANCOM 1811 Wireless DSL) LANCOM Systems - 14

Wireless LAN Multi-SSID (für LANCOM mit 54 Mbit/s WLAN Funkmodul) Admin Public SSID 2 SSID 3 Manager SSID 4 SSID 1 Engineering LANCOM Systems - 15

Wireless LAN Multi-SSID (für LANCOM mit 54 Mbit/s WLAN Funkmodul) Bis zu 8 unabhängige WLAN-Netze pro Funkkarte: Eigene Sicherheitseinstellungen und Zugangslisten VLAN-Separierung und –Priorisierung Anwendungen: Gleichzeitiger Betrieb von öffentlichen und privaten WLANs Management-Zugänge bei HotSpots Mehrere Firmennetze auf einer WLAN-Infrastruktur LANCOM Systems - 16

Wireless LAN IP-Redirect für WLAN-Clients Erweiterung der WLAN-Protokollfilter, so dass alle WLAN-Clients auf eine dedizierte IP-Adresse umgeleitet werden können. Definierte Umleitung auf Security Gateway - genau ein Übergabepunkt WLAN-to-LAN Einbindung von Clients ohne DHCP Industrielle Datenerfassung mit Terminals LANCOM Systems - 17

Kapitel 7 - Wireless Outdoor

Wireless Outdoor Funkstreckenberechnung - Übersicht Berechnung von Funkstrecken besteht aus mehreren Bestandteilen: Festlegung des WLAN-Standards Voraussetzung: Freie Sichtverbindung Ermittlung Fresnel-Zone und Masthöhe Reichweitenberechnung: Ermittlung Abstrahl-Leistung Ermittlung Dämpfung und Reichweite LANCOM Systems - 19

Wireless Outdoor Aufbau einer Outdoor Funkstrecke Voraussetzungen: 1. freie Sichtverbindung 2. freie Fresnel-Zone 1 3. korrekte Masthöhe Störend, da in Fresnel Zone 1 LANCOM Systems - 20

Wireless Outdoor Funkstrecke: Ermittlung der Masthöhe Fresnel-Zone 1 Radius Distanz Masthöhe Erdkrümmung Masthöhe = Radius + Erdkrümmung LANCOM Systems - 21

Wireless Outdoor Fresnel-Zonen Wellen breiten sich gleich schnell aus. Bei größerer Entfernung von der Mittelachse wird der Weg länger. Bei einer Wegverlängerung um λ/2 kommt es zu Auslöschungen (Interferenzen). Fresnel-Zonen sind vielfache von λ/2. LANCOM Systems - 22

Wireless Outdoor Fresnel-Zonen Wichtig: Fresnel-Zone 1 muß ungestört sein. Zonen höherer Ordnung verstärken oder löschen sich aus. Störungen durch Reflexionen etc. sind möglich. Bei ungestörter Zone 1. Ordnung können höhere Ordnungen vernachlässigt werden. LANCOM Systems - 23

Wireless Outdoor Berechnung der Fresnel-Zone 1 Fresnel-Zone 1 (Radius): R = 0,5 * SQR (Wellenlänge * Distanz) Wellenlänge (λ) bei 2,4 GHz ca. 0,125 m bei 5 GHz ca. 0,05 m Beispiel: 4km Distanz: 2,4 GHz: Radius Zone 1: 11m 5 GHz: 7 m LANCOM Systems - 24

Wireless Outdoor Masthöhe und Erdkrümmung Um die Masthöhe zu berechnen, muß einerseits die ungestörte Fresnel-Zone berücksichtigt werden, andererseits kommt ab ca. 8km Distanz eine Erdkrümmung von 1m hinzu. Sicherheitshalber sollte immer 1m Abstand hinzugerechnet werden. LANCOM Systems - 25

Wireless Outdoor Masthöhe und Erdkrümmung Formel Erdkrümmung: Höhe(m) = Distanz(km)2 * 0,0147 Masthöhe = Radius Fresnel1 + Erdkrümmung + 1m Beispiel: Masthöhe bei 4km Entfernung: 2,4 GHz: Fresnel-Radius 11m + 1m = min. 12m 5 GHz: Fresnel-Radius 7m + 1m = min. 8m LANCOM Systems - 26

Wireless Outdoor Aufbau Access Point, Kabel, Blitzschutz, Antenne LANCOM Systems - 27

Wireless Outdoor Abstrahl-Leistung: Was ist EIRP? EIRP bedeutet Effective Isotropic Radiated Power, also effektive Strahlungsleistung. Diese Strahlungsleistung wird berechnet indem man von der Senderleistung die Dämpfung des Antennenkabels abzieht und dann den Antennengewinn dazurechnet. Mit EIRP ist die Gesamt-Abstrahl-Leistung des Systems gemeint: Modul, Kabel, Antenne Beispiel: Bei einer 5 GHz - Antenne mit einem Gewinn von 18 dBi und einer Sendeleistung von 15 mW (entspricht 12 dBm) berechnet sich eine EIRP von ca. 1Watt (entspricht 30 dBm). LANCOM Systems - 28

Wireless Outdoor Ausgangs-Leistung am Access Point Abgegebene Leistung des Funkmoduls bei verschiedenen Durchsatzraten. Diese dient als Basis für die EIRP-Berechnung. LANCOM Systems - 29

Wireless Outdoor Berechnung Abstrahl-Leistung der Antenne Beispiel: Bei 24 Mbit/s ist die Leistung des Moduls 17 dBm Kabel: 4m Länge bei 1 dB Dämpfung/m = 4dB Dämpfung Blitzschutz & Steckverbinder ca. 1dB Dämpfung Antennengewinn 18dBi (18° Richtwirkung) Sendeleistung an der Antenne: EIRP = 17dBm - 4 dB - 1dB + 18dBi = 30dBm LANCOM Systems - 30

Wireless Outdoor Berechnung der Dämpfung über die Distanz Um die mögliche Distanz zu ermitteln bzw. die bei einer Distanz mögliche Datenrate, benötigt man zunächst die Dämpfung über die Distanz. Freiraum-Dämpfung x: = 32,44 + 20log(f) + 20 log(d)   [dB] Wobei f die Frequenz in MHz , λ die Wellenlänge in Metern und d die Distanz in Kilometern ist LANCOM Systems - 31

Wireless Outdoor Berechnung der Dämpfung über die Distanz Nährungswerte: Bei 2,4 GHz: x = 100 + 20 * log(d) [dB] Bei 5 GHz: x = 105 + 20 * log(d) [dB] Achtung: Feldstärken können im Betrieb um +/- 10dB schwanken. Daher sollte immer eine Reserve von 10 dB eingeplant werden! LANCOM Systems - 32

Wireless Outdoor Berechnung der Datenrate und Distanz Die Empfangsempfindlichkeit des Empfängers ist Voraussetzung dafür, damit das gedämpfte Signal noch ausgewertet werden kann. LANCOM Systems - 33

Wireless Outdoor Beispiel der Berechnung der Datenrate und Distanz Leistung (EIRP) 30dBm (802.11a) Distanz 4 km Dämpfung 105dB + 12dB = 117 dB +10dB Reserve = 127 dB LANCOM Systems - 34

Wireless Outdoor Beispiel der Berechnung der Datenrate und Distanz Signal, das an der Empfangsantenne ankommt: 30 dBm - 127 dB = -97 dBm + Antennengewinn der Empfangsantenne: 18dBi - Dämpfung Kabel & Blitzschutz: 5dB Signal, das am Modul ankommt: -97 dBm +18dBi - 5dB = -84 dBm Aus der Tabelle ergibt sich eine Datenrate von 24 Mbit/s LANCOM Systems - 35

Wireless Outdoor AirLancer Extender O-18a: Abstrahl-Leistung und Distanz Antennentyp Gewinn [dBi] Datenrat [MBit/s] maximale Distanz [km] bei P2P-Strecken (gleiche Sende- und Empfangantenne) maximale Distanz [km] bei P2mP (nur eine Sendeantenne an Clients) Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) [dBm] Einzustellende Sendeleitungs-reduktion [dB] AirLancer Extender O-18a 18 6 7,94 1,78 30 802.11a Kabelverlust 9 7,08 1,58   4 12 6,31 1,41 5,62 1,26 24 4,47 1,00 36 2,00 0,45 27 48 0,22 26 54 0,63 0,14 25 Turbo Mode: 72 0,32 96 0,71 0,16 108 0,10 Diese Werte sind mit 10dB Reserve berechnet und daher realitätsnah. Für Anwendungen im praktischen Betrieb dienen sie als Orientierungshilfe. Beispiel: Im Labor hat LANCOM Systems 1,4 km Distanz gemessen bei 108MBit/s. Dieser Wert entspricht der Berechnung bei 0dB Reserve. LANCOM Systems - 36

Wireless Outdoor AirLancer Extender O-30: Abstrahl- Leistung und Distanz Antennentyp Gewinn [dBi] Datenrate [MBit/s] maximale Distanz [km] bei P2P-Strecken (gleiche Sende- und Empfangantenne) maximale Distanz [km] bei P2mP (nur eine Sendeantenne an Clients) Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) [dBm] Einzustellende Sendeleitungs-reduktion [dB] AirLancer Extender O-30 15 1,0 2,82 1,58 23 3 802.11b/g Kabelverlust 2,0 2,51 1,41   9 5,5 2,24 1,26 6,0 9,0 11,0 2,00 1,12 12,0 1,78 1,00 18,0 0,79 24,0 0,56 36,0 0,71 0,40 22 2 48,0 0,35 0,20 20 54,0 0,18 0,10 18 Diese Werte sind mit 10dB Reserve berechnet und daher realitätsnah. Für Anwendungen im praktischen Betrieb dienen sie als Orientierungshilfe. LANCOM Systems - 37

Wireless Outdoor AirLancer Extender O-70: Abstrahl- Leistung und Distanz Antennentyp Gewinn [dBi] Datenrate [MBit/s] maximale Distanz [km] bei P2P-Strecken (gleiche Sende- und Empfangantenne) maximale Distanz [km] bei P2mP (nur eine Sendeantenne an Clients) Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) [dBm] Einzustellende Sendeleitungs-reduktion [dB] AirLancer Extender O-70 8,5 1,0 1,26 1,06 23 3 802.11b/g Kabelverlust 2,0 1,12 0,94   6 5,5 1,00 0,84 6,0 9,0 11,0 0,89 0,75 12,0 0,79 0,67 18,0 0,63 0,53 24,0 0,45 0,38 36,0 0,32 0,27 22 2 48,0 0,16 0,13 20 54,0 0,08 0,07 18 Diese Werte sind mit 10dB Reserve berechnet und daher realitätsnah. Für Anwendungen im praktischen Betrieb dienen sie als Orientierungshilfe. LANCOM Systems - 38

Wireless Outdoor Erreichbare Distanzen bei bestimmten Datenraten LANCOM Systems - 39

Wireless Outdoor Datenraten über die Distanz LANCOM Systems - 40

Wireless Outdoor 802.11a: 30 dBm nur möglich mit TPC & DFS Die ETSI (Deutschland: RegTP) verlangt für die Nutzung von 30dBm Outdoor die Implementierung von TPC und DFS TPC: Transmission Power Control Anpassung der Sendeleistung DFS: Dynamic Frequency Selection Automatischer Kanalwechsel bei Störungen und Radar-Impulsen LANCOM Systems hat als erster und bislang einziger Hersteller die offizielle Bestätigung der RegTP und der Cetecom, daß Turbo Modus und TPC/DFS gemäß der ETSI Norm EN 301 893 implementiert sind. LANCOM Systems - 41

Wireless Outdoor 802.11a: Automatische Kanalwahl und Scans mit DFS Master: der Access Point sucht bei Bedarf nach einem freien Kanal Slave: der Access Point sucht auf allen Kanälen nach dem Master. Es dürfen auf keine Fall beide Access Point aus Slave gestellt werden! Bei WPA/802.11i muß ein AP auf Slave und einer auf Master stehen, damit die Schlüsselverhandlung funktionieren kann. LANCOM Systems - 42

Wireless Outdoor 802.11a: Automatische Kanalwahl und Scans mit DFS Der Master-AP scannt vor der Auswahl des Kanals alle im konfigurierten Unterband liegenden Kanäle (ca. 60 Sekunden): Wurde auf dem Kanal ein Radar-Impuls gefunden? Wie viele andere Netzwerke wurden auf dem Kanal gefunden? Mit Hilfe dieser Datenbank (Blacklist/Whitelist) kann der AP den störungsfreiesten Kanal auswählen. Ein AP, der auf Slave steht, führt keine Blacklist/Whitelist, sondern orientiert sich immer am Master. LANCOM Systems - 43

Wireless Outdoor 802.11a: Automatische Kanalwahl und Scans mit DFS Blacklist speichert alle Kanäle, auf denen es Radar-Erkennungen gab nach 30 Minuten altern die Kanäle raus (in den Zustand „unbestimmt“) Whitelist speichert alle freien Kanäle bei einer Radar-Erkennung „wandert“ der Kanal in die Blacklist LANCOM Systems - 44

Wireless Outdoor 802.11a: Automatische Kanalwahl und Scans mit DFS Der Scan wird wiederholt spätestens nach 24 Stunden Manuell (/setup/WLAN) (um den 24h Scan am Tag zu verhindern) wenn in der Whitelist kein freier Kanal mehr zur Verfügung steht LANCOM Systems - 45

Wireless Outdoor 802.11a: Automatische Kanalwahl und Scans mit DFS Master erkennt ein Radar-Impuls. Master informiert den Slave, daß und auf welchen Kanal er wechselt. Sollte dieser Kanal wider Erwarten belegt sein, wechselt der Maszter zu einem anderen aus der Whitelist, in dem Fall muß der Slave den Master suchen. Slave erkennt ein Radar-Impuls: Slave informiert Master, Master wechselt den Kanal und informiert Slave darüber. Master speichert den Kanal in seiner Blacklist. LANCOM Systems - 46

Wireless Outdoor Semi-automatische Sendeleistungs-Einstellung Durch Angabe des Antennengewinns wird automatisch die nach Land, Frequenzband und Datenrate maximal erlaubte Sendeleistung eingestellt. LANCOM Systems - 47

Wireless Outdoor Laufzeitanpassung für große Distanzen Bei 802.11 muß ein empfangenes Paket vom Empfänger bestätigt werden. Erfolgt dies nicht in einer vorgegebenen Zeit, dann wiederholt der Sender das Paket (bei LANCOM Geräten bis zu 10-mal), bis er einen Sendefehler zurückmeldet. Der Default-Wert des Timeouts ist 25 Mikrosekunden. Geht man davon aus, daß Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit laufen, dann ergibt das etwa 7,5 Kilometer. LANCOM Systems - 48

Wireless Outdoor Laufzeitanpassung für große Distanzen Dies reicht aber nicht, um einmal hin- und wieder zurückzukommen. Was passiert: Der Sender sendet ein Paket, die Karte im Empfänger empfängt es und gibt es an den Hostprozessor weiter. Gleichzeitig schickt sie das ACK zum Sender zurück – dort kommt es aber zu spät an, der Sender wiederholt das Paket. Der Empfänger erkennt diese Wiederholung, verwirft sie und schickt wieder ein ACK - das auch wieder zu spät ankommt. Das wiederholt sich 10-mal... LANCOM Systems - 49

Wireless Outdoor Laufzeitanpassung für große Distanzen In der Summe ist das Paket also angekommen, aber es hat das Medium etwa 10-mal länger belegt, als es nötig gewesen wäre. Geht man davon aus, daß bei 6 MBit etwa einen Nettodurchsatz von 5,4 MBit erreicht wird, dann ergibt sich also ein effektiver Durchsatz von ~540 KBit/s. Für einen DSL-Upstream reicht das noch aus, für einen Downstream aber nicht mehr - es ruckelt, u.a. auch, weil das verspätete ACK und die Wiederholung auf dem Medium kollidieren und u.U. noch weitere Backoff-Timer zuschlagen. LANCOM Systems - 50

Wireless Outdoor Laufzeitanpassung für große Distanzen Daher kann die Entfernung zwischen den Access Points eingestellt werden. Die Timeouts werden dementsprechend angepaßt. LANCOM Systems - 51

Wireless Outdoor Funktioniert alles? Interpoint-Statistik: Stellt die aktuellen Daten der Point-to-Point-Strecke dar. Damit läßt sich grundsätzlich die erfolgreich aufgebaute Funkstrecke überprüfen. LANCOM Systems - 52

Wireless Outdoor Funktioniert alles? WLAN-Link-Test: Die Verbindungsdaten werden optisch dargestellt: Datenrate, Signal-Rausch-Verhältnis, Rausch- und Signalpegel. LANCOM Systems - 53

Wireless Outdoor Antennen Diversity einstellbar Antennen Diversity: Es wird immer auf der Antenne empfangen, die den besten Kontakt hat. Dabei wird nur auf der Main Antenne gesendet. Feature: Tx Diversity Eingeschaltet: Es wird immer auf der Antenne gesendet, wo der Client zuletzt gesehen worden ist. Bei diesem Modus kann es durch Reflexionen zu Problemen kommen (z.B. DFS). Weitere Anwendung: Empfangs-verstärkende Antennen zur Reichweitenerhöhung. Da die Aux-Antenne nur empfängt, kann sie einen höheren Gewinn als die Sendeantenne (Main) haben. LANCOM Systems - 54

Aus Theorie wird Praxis... LANCOM Systems - 55

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Wireless LAN über den Bodensee mit IEEE 802.11a Equipment: 2x LANCOM 3550 Wireless 2x AirLancer Extender O-18a 4 km Dingelsdorf Überlingen LANCOM Systems hat IEEE 802.11a als erste europaweit mit TPC und DFS zertifiziert  Voraussetzung für 30dBm e.i.r.p. LANCOM Systems - 57

Wireless Outdoor Band C für feste WLAN Installationen in UK Licensed C Band support 5,75 - 5,85 GHz Freigegeben in UK für fixed wireless installations Bis zu 33dBm Leistung möglich TPC and DFS included LANCOM Systems - 58