2/2015 Woher die Last auf unsere Netze kommt

Eine Themenbeilage der Heise Medien GmbH & Co. KG
Ⅱ
KOMMUNIKATION
UND NETZE
2015
ITK – PRODUKTE UND LÖSUNGEN
Traffic-Treiber:
Woher die Last auf
unsere Netze kommt
Seite 4
All-IP: Was Unternehmen aus ihrem
ISDN-Anschluss machen
Machine Type Communication: Wann
Apps und Sensoren mit LTE MTC arbeiten
Seite 10
Seite 16
Multi Service Transport: Wie MPLS-TP
in missionskritischen Netzen funktioniert
Alarmsysteme: Wie die Industrie 4.0
mit Störfällen umgeht
Seite 12
Seite 18
Next Generation Access: Was Vectoring
und Glasfaser verbindet
Funknetze: Welche Turbo-Optionen
in WLAN-11ac stecken
Seite 14
Seite 23
www.kommunikation-netze.de
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EDITORIAL
Bahn frei, die Dinge kommen!
Es ist ja nur ein bisschen – so furchtbar viele
Daten hat ein Fitness-Armand dann doch
nicht zu senden. Aber es werden immer mehr
Smart Devices. Dazu kommen zahllose Sensoren, die aus der Industrie 4.0 funken, sowie
Milliarden von Postings, Selfies, Videochats
und die ganze Welt der Unified Communications. Wir kommunizieren in Ultra-HD-Auflösungen, wechseln zu All-IP und denken uns
nichts dabei, Dateien zu teilen, die vor zehn
Jahren noch eine ganze Festplatte gefüllt
hätten.
Höchste Zeit also, den Bleistift zu spitzen und
nachzurechnen, woher die stetig steigende
Last kommt, die durch unsere Netze drückt
und schon heute so manche Fest- oder Funkinstallation an ihre Grenzen bringt. Die ärgsten Traffic-Treiber nimmt Dr. Harald Karcher
ab Seite 4 genauer unter die Lupe. Unterdessen bauen die Netzbetreiber aus, wo es nur
geht: Wie weit die 5. Mobilfunkgeneration ist,
berichtet Friedrich List vom Live-Projekt 5GXhaul in Bristol (Seite 20) und Matthias Hain
wägt ab, wo die Vorteile von Vectoring oder
Glasfaser liegen (Seite 14).
Während der Breitbandausbau vor allem eine
Kostenfrage ist, geht es bei 5G momentan
darum, Standards zu etablieren. Hier ist LTE
weiter gut auf Kurs: Der Standard LTE MTC
kommt 2016 gerade noch recht für die Machine-to-Machine-Kommunikation einer vernetzen Welt. Felix Marchal sieht Machine Type
Communication als Königsweg ins Internet
der Dinge und sagt, was aktuelle LTE-Komponenten leisten sollten (Seite 16). Alarmierungssysteme in der vernetzten Fertigung
geben ihre Störmeldungen heute auf mobilen
Endgeräten aus, wie Jürgen H. Hoffmeister
darlegt (Seite 18). Und dass LTE-A bereits mit
SDH-Technologien für missionskritische Netzwerke gleichziehen kann, zeigt Klaus Pollak
anhand von MPLS-TP (Seite 12) – ein Beispiel mehr, dass bald jeder Prozess in den
Unternehmen ein paketbasiertes Ende findet.
Die größte IP-Welle lässt aber die Telekom
anrollen: Sie stellt nun auch die Anschlüsse
der Geschäftskunden auf All-IP um; passend
dazu erklärt Bernd Büttner ab Seite 10, wie
Firmen ihre bestehenden ISDN-TK-Anlagen
am vernünftigsten migrieren.
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
Dabei gehen die letzten Meter immer öfter
durch die Luft. Und immer öfter sorgt zwischen Endgerät und Netzanschluss ein WiFiRouter für Anbindung, in Wohn- und Bürogebäuden ebenso wie in Werkshallen und auf
öffentlichen Plätzen. Der jüngste Standard
WLAN-11ac mit bis zu 1300 MBit/s ist bereits da, und auch die durchaus ehrgeizige
Roadmap der Funktechnik steht ebenfalls:
7 GBit/s sollen künftige 8x8-MIMO-Geräte
transportieren. Im Beitrag dazu (Seite 21)
zeigt Dr. Harald Karcher außerdem, wie man
den Nettospeed zwischen zwei Geräten realistisch kalkuliert. In zwei Extra-Beiträgen erklärt er schließlich noch, mit welchen technischen Mitteln – Kanalbündelung, Multi-User
MIMO mit bis zu acht Antennen und bis
zu acht Spatial Streams – 11ac für Tempo
sorgt (Seite 23) und wie eine vernünftige Gesamtnetzplanung aussieht, damit die dahinter liegenden Kabel, PoE-Ports, Switches und
WLAN-Controller diese durchsatzstarken Access Points auch verkraften (Seite 25).
Insgesamt sehen wir zwei gegenläufige Entwicklungen: Einerseits drängt alles in die IPNetze – das liegt vor allem an der Maßgabe
umfassender Vernetzung und schlicht daran,
dass das Protokoll es kann. Es kann Sprache
ebenso transportieren wie Bilder, Texte und
„reine“ Information. Andererseits verläuft der
Ausbau der Netze, die diesen verstärkten
Traffic tragen müssen, keineswegs so „von
selbst“. Das ist in Deutschland deutlich zu beobachten, wo die Telekom als Posttelefonerbin länger an ihren Kupferkabeln hängt als
gesamtwirtschaftlich gut wäre. Es gilt aber
generell: Die Investitionen von gestern sind
die Hindernisse von morgen. Von daher wäre
es gut, wenn neue Standards nicht nur rechtzeitig die Weichen stellen, sondern auch
offen genug für vielfältige Player und Dienste
bleiben.
Thomas Jannot
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TRAFFIC-TREIBER
Dicke Luft und
rauchende Kabel
Auf Netzwerke und Funkinstallationen kommt demnächst einiges an Last zu
Fotos, Videos und Dateien, Unified Communications & Collaborations, Voice-over-WLAN-Telefonate und bald
auch die drahtlose Anbindung von Wearables, IP-Sensoren, M2M Devices und IoT-Geräten bringen ständig
mehr Verkehr auf hausinterne und -externe Netze. Besonders heftig trifft es die WLAN-Netze.
kameras, UCC- und Videokonferenzsysteme, Connected-TV-Geräte,
Wireless Displays und Digital-Signage-Wände. Sie alle wollen drahtlos
mit dem IP-Netz verbunden sein.
Last, but not least erzeugen immer mehr IP-Sensoren zwar nur
schmalbandige, dafür aber sehr häufige Wireless-Impulse. Man denke
an M2M (Machine-to-Machine-Kommunikation), das Internet der Dinge, kommunizierende Wearables wie Smart Watches, das Smart Office,
die Smart Factory, das Smart Home … Der daraus resultierende IPTraffic wird zwar über mehrere Funknetznormen von Bluetooth über
Zigbee bis UMTS und LTE abgewickelt, aber WLAN steht fast überall
an vorderster Front mit dabei. Für Netzwerkplaner heißt das: Monitoren, optimieren – und rechtzeitig aufrüsten, bevor es größere Staus in
den Netzen gibt.
er Datentraffic wächst in atemberaubendem Tempo – weltweit
und ganz besonders, seit es Internet-taugliche Mobilgeräte gibt.
In Deutschland hat der mobile Datenverkehr Cisco zufolge 2014 um
ganze 58 % zugelegt. Ein Ende dieser Entwicklung ist noch kaum abzusehen. Wer heute ein funktionierendes Netz am Laufen hat, sollte
jedenfalls am Ball bleiben. Woher rühren die gigantischen Steigerungen?
D
Traffic-Treiber: mehr Geräte pro User
Die Gesellschaft digitalisiert sich immer stärker, was von vielen Zeitgenossen ja auch als richtig und wichtig empfunden wird: Immer
mehr Menschen leben und arbeiten mit Internet-fähigen Geräten. Immer mehr Ältere stellen sich auf digitale Assistenten um. Die Jüngeren, die Digital Natives, kennen und können es oft schon gar nicht
mehr anders. Zudem steigt auch die Zahl und Vielfalt der Internet-fähigen Geräte pro User ständig weiter, vom Handy bis hin zu den neuen
Wearables.
Längst sind nicht nur Desktop-Rechner, Laptops, Tablets und
Smartphones per WLAN verbunden. Hinzu kommen stationäre und mobile Voice-over-WLAN-Phones, WLAN-Drucker, WLAN-ÜberwachungsQuelle: Harald Karcher
Traffic-Treiber: mehr Wireless Locations
Seit Sommer 2015 funkt in der Münchener Allianz Arena ein
kostenloses WLAN für über 70.000 Menschen.
4
Hinzu kommen immer mehr öffentliche Plätze, Gebäude und Fahrzeuge, die engmaschig mit WLAN und LTE ausgestattet sind: Fußballstadien, Autos, Busse, Bahnen, Züge, Schiffe, Bahnhöfe, Flughäfen, Cafés,
Restaurants, Fußgängerzonen etc.
Besonders interessant sind WLAN-Hotspots in jenen Hotels, die ihren Gästen mittlerweile nicht nur das bloße Surfen, sondern zunehmend auch Smartphone-Apps für die drahtlose Steuerung des
kompletten Gästezimmers anbieten, vom TV über Licht, Heizung und
Klimaanlage bis hin zu Rollläden, Jalousien und Markisen.
Brachte eine Familie früher gerade einmal einen einzigen, schweren
Laptop für alle ins Hotelzimmer mit, so trägt heute oft jedes Familienmitglied gleich mehrere mobile Internet-Gerätchen direkt am Leibe
oder zumindest in der Tasche. Von Smartphones übers Tablets bis hin
zu Gaming-Konsolen soll heute ja alles 100 % always und nonstop wireless connected sein, bis in alle Ecken, auch im Bett, im Bad und auf
der Toilette. Besonders weit ist hier z.B. das Emirates Palace Hotel in
Abu Dhabi mit 1000 WLAN-Access-Points in 11ac-Gigabit-Funktechnik
von Aruba alias Hewlett-Packard alias HP Enterprise (siehe Kommunikation und Netze I/2014, S. 24 – 26).
Mit der Verfügbarkeit von immer mehr und immer schnelleren Mobilgeräten steigt auch die Art und Menge der Nutzung, das „User Behavior“. Kaum jemand hat heute noch Bedenken, selbst große Dateien,
Business-Präsentationen, Software-Updates, Musikfiles, Fotos und
ganze Filme drahtlos über das Internet auszutauschen. Früher hätte
man dafür einen Papierausdruck, eine CD, eine DVD oder einen USBKommunikation und Netze Ⅱ/2015
Quelle: Harald Karcher
TRAFFIC-TREIBER
2160p-Auflösung (3840 x 2160 Pixeln) im
Deckel, etwa das LG G4.
Da dreht man ruckzuck HD- oder 4K-Videos, vom Business-Vortrag, von der Firmenfeier, vom Geburtstag, vom Jubiläum, vom
Kind, vom Hund, vom Chef, von der Katz –
ganz einfach, mit dem Handy. Der Upload eines 4K-Videos in die Cloud, egal, ob fürs
Business oder privat, erreicht also schnell einen Umfang von mehreren zig MByte.
Egal, ob Fotos oder Videos: Ein kostenloser WLAN-Gäste-Zugang ist für fette Uploads
meist sehr willkommen, das schont die teure
und begrenzte LTE-Flatrate der Mitarbeiter.
Oft ist ein gutes Inhouse-Firmen-WLAN auch
schneller und stabiler als eine Mobilfunkverbindung.
Traffic-Treiber:
Voice over WLAN
Auf einem stabilen und lückenlosen FirmenWLAN mit garantierter Quality of Service
kann man auch eine Voice-over-WLAN-Telefonie einführen. So eine mobile Sprachkommunikation lässt sich über das mobile IPNetzwerk flexibler verwalten als über die
bisher dominierenden DECT-Funksysteme.
Außerdem muss man ohne DECT ein Funknetz weniger verwalten und
betreuen.
Während es beim Senden und Empfangen von großen Dateien wie
Fotos und Videos vor allen Dingen auf hohe Bandbreiten ankommt, sind
bei der Voive-over-WLAN-Telefonie kurze Ping-Zeiten von Vorteil. Das
menschliche Ohr ist nämlich ein extrem anspruchsvolles Messgerät und
registriert schon geringste Übertragungsverzögerungen im Millisekundenbereich, die man beim Senden und Empfangen von Dateien erstens
kaum bemerken und zweitens nicht als störend empfinden würde.
Für Voice over WLAN wird zwar (pro Teilnehmer) nur eine relativ geringe Bandbreite benötigt. Aber diese sollte möglichst stabil und sicher
für die mobilen VoIP-Stationen reserviert sein. Die Zugriffsmethode basiert im Feld oft noch auf CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance). Damit können aber keine QoS-Merkmale, sprich
keine stabile Sprachqualität, zugesichert werden.
Drahtlose UCC-Videokonferenz mit Desktop-Sharing über zwei WiFi-11n-Laptops: Hier sitzt
der Tester vor einem Dell E6520 mit Intel-Centrino-11n-WLAN-Modul am VDSL-50: Beim
grünen Ausschlag auf 3,37 MBit/s wurde gerade der komplette Bildschirm des Dell zusätzlich zum laufenden Audio-Video-Meeting auf den Sony S13A gesendet, der ebenfalls
via 11n-WLAN am Internet hing.
Stick verschickt. Heute nimmt man Dropbox, OneDrive, Google Drive,
Amazon oder die (hoffentlich) sichere Firmen-Cloud.
Traffic-Treiber: mehr dicke Fotos
Auch soziale Netze wie Facebook, Twitter, Google+, Xing und LinkedIn
veranlassen viele User, Dutzende Male pro Tag das Neueste zu checken
und eigene Postings, Kommentare, Handy-Fotos oder kurze Video-Clips
hochzuladen. Ein gutes Handy wie das Apple iPhone 6 Plus macht eindrucksvolle Fotos, z.B. mit 3264 x 2448 Pixeln. Solche Fotodateien haben ein Volumen von 2 bis 4 MByte, je nach Motiv und Komprimierungsgrad. Das innovative LG G4 schießt sogar 5K-Fotos mit circa
5000 x 3000 Pixeln. Diese Fotos haben oft ein Volumen von 6 bis 9
MByte. Im Panoramamodus kann das Smartphone sogar mehrere Aufnahmen zu einem überbreiten Bild zusammensetzen, vollautomatisch,
supereasy. Solche Dateien liegen meist oberhalb von 10 MByte.
Das heißt, dass die aktuellen Handys Dateigrößen generieren, wie
man sie bislang eher von professionellen Spiegelreflexkameras kannte.
Man nutzt die leichten Handy-Kameras aber viel häufiger als die
schweren Fotoapparate, weil man sie immer schnell zur Hand hat, beruflich wie privat. Entsprechend rasch wachsen die Datenmengen an.
Immer mehr Handy-User haben auch immer weniger Bedenken,
selbst umfangreiche Fotosammlungen ruckzuck in die Cloud zu laden – mal mit, mal ohne vorherige Dateigrößenreduzierung, mal privat,
mal beruflich, die Grenzen werden immer fließender.
Traffic-Treiber: Smartphone-Videos
Neue Smartphones haben auch immer bessere Videokameras an Bord:
2K-Handycams mit Full-HD-1080p-Auflösung (1920 x 1080 Pixel) sind
längst der Mainstream und schon fast Schnee von gestern. Diverse TopPhones haben auch schon 4K-Ultra-HD-Videokameras mit Ultra-HD-
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Zu schwach für tonstabile Telefonate
Der WLAN-Standard IEEE 802.11e definiert unter anderem einige WiFi-Multimediafunktionen (WMM), die für Echtzeitanwendungen hilfreich sind. Diese sollen auch das früher oft erlebte Problem der mangelhaften Sprachqualität in Funknetzen lösen. WMM reicht aber nicht.
Dazu schreibt etwa Extreme Networks, die es als erfahrener VoIP- und
WLAN-Anbieter wissen müssen:
„WMM eignet sich vor allem für Video- und Sprachübertragungen.
Für den Kanalzugriff (Medium Access Control – MAC) sind in IEEE
802.11 zwei Verfahren spezifiziert worden: Die Distributed Coordination
Function (DCF) ist ein verteilter, zufallsgesteuerter Zugriffsmechanismus (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, kurz:
CSMA/CA), der einen Best-Effort-Dienst liefert. Die Point Coordination
Function (PCF) ist ein zentral gesteuerter Mechanismus, bei dem die
beteiligten Stationen in regelmäßigen Abständen durch einen Master
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
TRAFFIC-TREIBER
und schärfer das Bild sein soll, desto höher der Datendurchsatz. Beide
Variablen, Ping-Zeit und Durchsatz, muss man bei der Planung und Dimensionierung eines Firmen-WLANs berücksichtigen.
(typischerweise ein Access Point) per Polling ein Senderecht erhalten.
Auf diese Weise kann für die beteiligten Stationen eine gewisse Bandbreite zugesichert werden.“
Da auch diese beiden Methoden kein schnelles Handover eines Telefonates von Access-Point zu Access-Point und somit kein vom Ohr
unbemerktes Roaming zwischen den WLAN-Zellen garantieren können,
verwenden die meisten VoWLAN-Phone-Hersteller eine Kombination aus
standardbasierten und proprietären Mechanismen. Die Codecs G.711
und G.729 sollen eine maximale Roaming-Zeit von circa 50 ms garantieren.
Für das Load Balancing in Voice-over-WLAN-Umgebungen setzt etwa Extreme Networks unter anderem das TSPEC-Verfahren (Traffic
Specification) ein. Damit könne ein Endgerät beim Access-Point eine
gewisse Menge an Upstream- und Downstream-Bandbreite anfordern
und so dem Sprachverkehr bei Bedarf eine höhere Priorität als dem
Videotraffic zuweisen.
Ausgerechnet die vermeintlich simple Anwendung der Telefonie ist
in herkömmlichen WLAN-Netzen also alles andere als trivial. Letztlich
lässt sich nur so das zähe und lange Fortleben von gesonderten DECTSystemen in vielen Firmen und Privathäusern erklären.
Traffic-Treiber: Sensoren, M2M und Wearables
Immer mehr Maschinen und Fahrzeuge haben M2M-Sensoren (Machine to Machine) eingebaut, die über Bluetooth, WLAN und/oder Mobilfunk ständig mit internen oder externen Netzen verbunden sind. Ganz
ähnlich ist es auch bei smarten IoT-Devices bis hin zur BluetoothZahnbürste, die mangels besserer Namen auch pauschal als Internetder-Dinge-Geräte bezeichnet werden. Last, but not least tragen immer
mehr Menschen sogenannte Wearables, von der Smartwatch mit Herzfrequenzsensor bis zu intelligenten Socken.
Egal, ob IP-Sensoren, Industrie 4.0, Internet of Things oder Wearables – eines haben sie gemeinsam: Ihre Sensoren produzieren meist
nur extrem kleine Datenmengen. Aber die schiere Masse der zu erwartenden Datenquellpunkte stellt ganz neue Anforderungen an die mobilen
Netze. Sie müssen Hunderte, Tausende, firmenweit sogar Millionen und
weltweit sogar Milliarden neuer Mobilgeräte die ganz vielen, ganz kleinen Datenströme verwalten können. Dazu braucht man unter anderem
auch IPv6, weil es mit dem bisherigen Netzwerkprotokoll IPv4 gar nicht
genug IP-Adressen für die vielen neuen, intelligenten Geräte gibt.
Traffic-Treiber: Unified Communications
Der Unternehmenskommunikation über UCC (Unified Communications
& Collaborations), wird ein hohes Produktivitätspotenzial nachgesagt.
Zu diesem Zwecke werden alle Rechner, Tablets und Smartphones in
der Firma idealerweise drahtlos mit einem Audio- und Videokommunikationsdienst verbunden. Man denke an UCC-Cloud-Systeme wie WebEx von Cisco, GoToMeeting von Citrix oder Lync von Microsoft.
Wie für Voice over WLAN, empfiehlt sich auch für UCC ein lückenloses und sehr stabiles Funknetz mit guten Quality-of-Service-Funktionen bis in alle Ecken der Firma. So könenn Mitarbeiter vom Keller
bis ins Dach spontane oder geplante Einzel- oder Gruppenmeetings
wie -konferenzen direkt an ihren Desktop-Rechnern oder an ihren mobilen Geräten abhalten.
Ähnlich wie bei VoWLAN kommt es wegen des Live-Charakters dieser Anwendungen auf kurze Ping-Zeiten und eine hohe Quality of Service an. Wenn dann zur bloßen Sprache auch noch Videomeeting-Fenster zugeschaltet werden, sind üppige Bandbreiten von Vorteil: Je größer
Quelle: Harald Karcher
Traffic-Treiber: digitalfreudigere User
Voice over IP ist in vielen Unternehmen angekommen – so auch
hier, in der Konzernzentrale der Sixt AG in Pullach bei München.
Besonders mobil wird VoIP, wenn die Endgeräte über WLAN
angebunden werden. Das ist dann Voice over IP over WLAN, kurz
VoWLAN.
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Früher hat man oft umfangreiche Textdokumente gelesen und Grafiken
studiert, heute schaut man sich im Zweifelsfall lieber ein Video oder ein
Webinar an. Früher hat man oft nur telefoniert, heute macht man ruckzuck eine UCC-Audio-Videokonferenz. Früher hat man sich vieles noch
per Hand notiert. Oder auf dem Apparat im Flur kopiert. Heute schießt
man schnell ein paar Handy-Fotos als Gedächtnisstütze oder als Beweisstück. Alle diese veränderten Verhaltensmuster bringen letztlich immer mehr Traffic in die stationären und mobilen Netze.
Regelmäßige Beobachtung, Analyse, Optimierung und notfalls eine
rechtzeitige Aufrüstung der Netzwerke sind daher unvermeidlich, um
den Datenverkehr allzeit frei von Engpässen zu halten. Bevor man die
Datenkanäle aber hardwaremäßig aufbohren muss, kann man es auch
mit Software-Tricks wie SD-WAN probieren. Das angesagte Kürzel
steht für Software-defined Wide Area Network.
SD-WAN kann man beliebig kompliziert erklären. Es geht aber auch
einfach: Wenn es eng wird im Datenverkehr, wenn es stockt und ruckelt, dann lässt sich mit Application Optimization Appliances, etwa
von Riverbed, wieder mehr Speed auf die Leitungen bringen. So kann
man etwa dem Chef in aller Herrgottsfrühe von 9 bis 10 Uhr die höchste Priorität für seine Videokonferenzen mit den Entwicklern in Berlin,
Budapest und Kiew geben. In der Mittagspause könnte man etwa von
11 bis 14 Uhr den liebsten Mitarbeitern die höchste NetzwerkspeedPriorität auf Facebook schalten, damit sie mit ihren Postings schneller
fertig werden bzw. eine bessere User Experience bekommen, auf gut
Deutsch: nicht so genervt sind vom lahmen Firmennetz.
Also: Mit SD-WAN kann man die verfügbaren Bandbreiten intelligenter nutzen als ohne. Riverbed hat seinen Hauptsitz im schönen San
Francisco und ist laut deren Technikcrack Paul Griffiths mit circa 60 %
der Weltmarktführer bei SD-WAN. Danach folgt angeblich Cisco, ebenfalls aus Kalifornien.
Dr. Harald Karcher,
freier Mobile-Communications-Tester
Fortsetzung auf Seite 11
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
NETZANSCHLUSS
Die Datenleitung übernimmt
sämtliche Dienste
In den Unternehmen steht die Umstellung der Telefonanlagen auf All-IP an
Die ISDN-Anschlüsse mehrerer Millionen Privatkunden wurden bereits auf All-IP umgestellt. Es folgen nun die
Geschäftskunden der Deutschen Telekom. Damit stellt sich für viele Unternehmen die Frage, ob sie die
Bestandsanlage umziehen oder eine Neuinstallation für die Sprach- und Datenkommunikation aufsetzen.
on der All-IP-Umstellung sind im ersten Schritt Privat- und kleine
Geschäftskunden betroffen, die über die Telekom einen Internetund Telefonanschluss über einen ADSL- oder VDSL-Zugang beziehen.
Für Geschäftskunden mit einem ISDN-Anlagenanschluss wird der für
die Umstellung notwendige SIP-Trunk der Telekom voraussichtlich erst
zur CeBIT 2016 verfügbar sein. Zudem steht für Geschäftskunden mit
mehreren ISDN-Basisanschlüssen ab Ende 2015 eine zubuchbare Option für mehr als zwei IP-basierte Sprachkanäle zur Verfügung.
V
Strategische Alternativen vor der Umstellung
Um einen problemlosen Übergang vom ISDN- ins All-IP-Zeitalter sicherzustellen, sollten Unternehmen bereits heute einen Lösungsansatz
erarbeiten, damit sie die Vertragskündigung durch die Telekom nicht
überrascht. Zunächst muss die vorhandene Kommunikationsinfrastruktur begutachtet werden: die Telefonanlage mit dazugehörigen Telefonen
sowie die genutzte Peripherie (Cash-Systeme, Fax etc.). Bei der anschließenden Bewertung sind Kriterien wie das Alter der Anlage maßgebend: Ist ohnehin eine Neuanschaffung geplant oder ist die Anlage
noch zeitgemäß und unterstützt sie bereits VoIP? Eventuell sollte man
auch bestehende Wartungsverträge in die betriebswirtschaftliche Kosten-Nutzen-Betrachtung einbeziehen.
Grundsätzlich stehen zwei Lösungsansätze zur Auswahl: a) Die
Migration der bestehenden Telefonanlage mithilfe eines All-IP-Me-
ALL-IP IST MEHR ALS VOIP
Der Transport von Sprache als Datenpakete ist zwar eines der
zentralen Merkmale, aber All-IP ist nicht nur VoIP. Viele angeblich
„All-IP-fähige“ Systeme beherrschen allerdings nur die IPbasierte Telefonie. Zu einer tauglichen All-IP-Lösung gehört
jedoch immer ein Router oder ein Gateway mit folgenden Leistungsmerkmalen: integriertes ADSL2+/VDSL-Modem für den
Breitbandanschluss, QoS- und Loadbalancing-Mechanismen für
stabilen Sprach-Datentransfer sowie die Unterstützung des Internet-Protokolls IPv6.
Für eine professionelle All-IP-Lösung sind zusätzlich folgende
Merkmale empfehlenswert: integrierte Firewall-Mechanismen,
eine gesicherte Remote-Konfiguration (z.B. mittels VPN), Clear
Mode (RFC4040) zur Fernwartung von ISDN-TK-Anlagen.
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dia-Gateways oder b) der Austausch der Anlage und die damit verbundene Integration einer All-IP-Kommunikationslösung für Sprache
und Daten.
Vorhandene ISDN-TK-Anlage migrieren
Unter Migration versteht man den (Weiter-)Betrieb der vorhandenen
Telefonanlage mittels eines Media Gateways. Dieses schaltet sich zwischen Anlage und All-IP-Anschluss, sodass das Unternehmen die bislang eingesetzte Hardware weiter nutzen kann, ohne dass es Änderungen an der ISDN-TK-Anlage durchführen müsste.
Ausschlaggebend ist hier ein professionelles Media Gateway mit
der notwendigen Anzahl von ISDN-Anschlüssen sowie der möglichen
Anbindung eines vorhandenen Cash-Terminals oder Faxgeräts. Um die
notwendige Sprachqualität und Robustheit der Lösung zu garantieren,
ist es sinnvoll, auf Systeme mit spezieller DSP-Hardware (Digital Signal
Processor) zur Sprachdatenberechnung und ausgefeilten Quality-ofService-Mechanismen zu setzen. Aus technischer und wirtschaftlicher
Sicht stellen diese kombinierten Leistungsmerkmale eine businesstaugliche und zukunftssichere Lösung dar.
All-IP-Neuinstallation integrieren
Will man die bestehende ISDN-TK-Anlage aus technologischen oder
wirtschaftlichen Gründen austauschen, so gilt es bei der Integration
einer All-IP-fähigen Sprach-Datenlösung zu bedenken, dass man auch
die bislang verwendeten Endgeräte, also Telefone, Faxgeräte etc., zumeist nicht oder nur zum Teil weiter nutzen kann. In Unternehmen mit
einer größeren Anzahl von digitalen und meist proprietären Systemendgeräten ist die Anschaffung neuer IP-basierter Apparate ein nicht zu
unterschätzender Kostenaspekt.
Allerdings bietet eine durchgängig IP-basierte Infrastruktur auch einen betriebswirtschaftlichen Vorteil, da Arbeitsabläufe und Geschäftsprozesse erheblich optimiert werden können. Mit professionellen AllIP-Kommunikationslösungen lassen sich zahlreiche Funktionen wie
Voicemail und DECT over IP integrieren oder eine IP-Türsprechstelle –
mit Kamerabildausgabe auf dem IP-Endgerät oder Smartphone – einbinden. Auch WLAN- oder Hotspot-Lösungen für Gäste und Kunden
ebenso wie die Anbindung von Heim- und Mobilarbeitsplätzen via VPN
sind umstandslos realisierbar.
Bernd Büttner,
Director Strategic Marketing, bintec elmeg
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
NETZANSCHLUSS
Fortsetzung von S. 8
WIRELESS LOCATIONS: TESTFAHRT AUF DER MS SEESHAUPT
Die löblichen Gratis-WLAN-Hotspots auf den bayerischen Schiffen
wollten wir auf alle Fälle testen, bevor sich der Supersommer 2015
verabschiedet: Am 9. August 2015 schafften wir es kurz vor knapp
auf die MS Seeshaupt, Baujahr 2012, und machten die letzte große
Rundfahrt dieses Tages, Starnberg – Seeshaupt – Starnberg, dreieinhalb Stunden für 17 Euro, ein wirklich schönes Vergnügen mit
Erholungswert, besonders wenn das Wetter passt. Das Schiff ist
auch viel nobler als erwartet, mit Klimaanlage, Sonnendeck, Liegestühlen, Restaurant, Café, Bar und Platz für 800 Personen. Wer nur
nostalgische Dampfer auf bayerischen Seen in Erinnerung hat,
kann sich von dieser MS Seeshaupt eines Besseren belehren
lassen.
Mit kostenlosem @BayernWLAN
Am Schiffseingang klebt eine Folie mit der Aufschrift „BAYERN
WLAN kostenloser Hotspot“ in leicht verblasstem Weiß-Blau.
Daneben ein Rauchverbot in knalligem Weiß-Rot.
Auf unserem LG G4 mit eingebautem WiFi-11a/b/g/n/ac kamen auf
Anhieb beim Start zwischen Starnberg und Berg drei WLAN-SSIDs
namens @BayernWLAN, FRITZ!Box WLAN 3030 (YCP) und Yachtclub
auf das Handy-Display. Wir tippten gleich auf das erste Funknetz
(@BayernWLAN) und: Das passt, damit hat sich das LG G4 ruckzuck
verbunden.
Zum Surfen tippten wir dann auf den Handy-Browser. Da kam aber
nicht die übliche Startseite, auch nicht die zuletzt besuchte Webseite, sondern die Startseite der Bayerischen Seen-Schifffahrt.
Das ist normal in einem WLAN-Hotspot. Dieser sogenannte Forced
Redirect ist eine vom WLAN-Netzwerk automatisch erzwungene
Umleitung des Browsers auf die Landingpage des Hotspots.
Wir akzeptierten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen und
klickten auf „KOSTENFREIER ZUGANG“. Danach kam die Handyoptimierte Webseite www.seenschifffahrt.de. Jetzt wurden dem
mobilen Surfer alle bayerischen Seen zur Auswahl angeboten, auf
denen die Bayerische Seen-Schifffahrt agiert: Königssee, Tegernsee, Starnberger See und Ammersee. Wir nahmen das Menü Starnberger See und fanden dort unter anderem den aktuellen Fahrplan
und eine Seeskizze.
Danach verließen wir die kleine Hotspot-Landingpage der Schiffseigner und betraten den Rest des Internets, namentlich den OOKLASpeedtest: Damit bekamen wir Downloads von circa 1 MBit/s, Uploads von 1,44 bis 1,69 MBit/s und Ping-Zeiten von 61 bis 71 ms.
Das reißt uns nicht vom Hocker, reicht aber auf alle Fälle zum Mailen,
Surfen und für Social-Media-Postings. Der Bauch meint aber: LTE
wäre an diesem schönen See doch sicher einen Zacken schneller.
Mit kostenpflichtigem LTE
Wir beschlossen also einen Speed-Vergleich des kostenlosen
BayernWLAN-Netzes mit den kostenpflichtigen LTE-Netzen von
der Deutschen Telekom und Vodafone. Blöderweise hatten wir
am 9. August 2015 keine unlimitierten LTE-SIM-Karten dabei.
Also mussten wir uns eine weitere Schifffahrt gönnen.
Am 22. August 2015 hatten wir per Zufall wieder die MS Seeshaupt
erwischt, das modernste der sechs Schiffe. Jetzt konnten wir zwar
in den Mobilfunknetzen von Telekom und Vodafone zackig surfen,
aber das BayernWLAN war nicht mehr zu finden. Kann ja mal vorkommen, dass ein WLAN-Hotspot spinnt. Später stellte sich heraus:
Er wurde abgeschaltet, weil man Störungen zwischen dem WiFiNetz und der Schiffselektronik vermutet.
Die Bestwerte mit einem Apple iPhone 6 Plus samt Telekom-SIM
waren: downstream 105,30 MBit/s und upstream 42,73 MBit/s bei
einer Ping-Zeit von 36 ms. Mit einem LG G4 samt Vodafone-SIM
waren es im Downstream maximal 38,79 MBit/s und im Upstream
20,42 MBit/s bei einer Ping-Zeit von 31 ms. Zwei absolut identische Smartphones wären zwar besser für derartige Messtests,
waren aber gerade nicht zur Hand. Die Speed-Unterschiede der
beiden Geräte sind eher marginal; beides sind rasante HighendSmartphones. Die unterschiedlichen Ergebnisse resultieren also
weitestgehend aus den zwei unterschiedlichen Netzen.
Der Vergleichstest zeigt, dass LTE im konkreten Falle deutlich
schneller und zuverlässiger als der schiffseigene WLAN-Hotspot
war. Das Surfen über das schwimmende WiFi-Netzwerk war
langsamer, umständlicher, unzuverlässig – dafür kostenlos.
Diese Erfahrungen sind zwar statistisch nicht repräsentativ, aber
tendenziell leider auch nicht völlig untypisch.
MULTI SERVICE TRANSPORT
Datenübertragung
in Mission-Critical-Netzen
Versorger werden paketbasierten Traffic in ihre Netze einbinden müssen
Bahnen, Strom-, Gas- und Wasserbetriebe nutzen Kommunikationsnetze, die auf SDH-Technologien beruhen.
Denn hier hat die sichere Übertragung und Verfügbarkeit anwendungskritischer Daten Priorität. Doch auch
paketbasierte Technologien wie EtherNet/IP und insbesondere MPLS-TP erfüllen hohe Anforderungen.
enn es um eine zuverlässige Datenübertragung in Betriebsnetzen geht, führt an SDH-Technologien kein Weg vorbei, so das
landläufige Credo. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ist ein deterministisches, leitungsbasierendes Übertragungsverfahren, das über
Funktionen verfügt, die eine hohe Zuverlässigkeit garantieren. Im Umkehrschluss wird unterstellt, dass eine paketbasierte Technologie wie
EtherNet/IP nicht so zuverlässig sein könne.
W
Pakete mit Transport Profile
Quelle: Keymile
Eine realistische Option ist namentlich MPLS-TP. MPLS arbeitet verbindungsorientiert und überträgt Datenpakete auf einem zuvor aufgebauten Pfad. Eine Variante von MPLS ist MPLS-TP (Transport Profile),
das insbesondere in Transportnetzen zum Einsatz kommen soll. Die
Steuerung und Definition der Übertragungswege erfolgt dabei nicht in
den einzelnen Netzknoten, sondern in einem Netzwerkmanagementsystem. MPLS-TP ist dazu gedacht, Transportnetze in eine paketorientierte Welt zu migrieren. Dedizierte Pfade, Redundanz- und OAM-Mechanismen sind den SDH-Funktionalitäten „nachempfunden“.
In TDM-Netzwerken (Time-division Multiplexing) erfolgt der Pfadaufbau über das Netz durch Definition von Cross Connects. Ist der Pfad
einmal aufgebaut, wird anschließend keine weitere Software mehr für
den eindeutig festgelegten (deterministischen) Datentransport benötigt.
Dieser wird einzig durch die entsprechend konfigurierte Hardware ausgeführt.
In einem Standard-Ethernet-Netzwerk stellen Bridges und Switches
anhand der Einträge in einer MAC-Adresstabelle die Verbindungen zu
den Zielen der Datenübertragung her und sorgen für einen zuverlässigen Transport. Durch die Definition der Übertragungswege in einem
Netzwerkmanagementsystem ermöglicht MPLS-TP die Einrichtung von
SLA-basierten Ende-zu-Ende-Diensten innerhalb eines paketbasierten
Transportnetzes. In Kombination mit Traffic Engineering lassen sich Delay Variation und Paketverluste in MPLS-TP Netzen minimieren.
In TDM-Netzen erfolgt der Datentransport über die zuvor definierten
und konfigurierten Pfade. In IP-Netzen erfolgt die Pfadauswahl theoretisch für jedes Datenpaket neu. Sind jedoch die Ziel-IP-Adressen in
den Routern gelernt, nutzen diese in der Praxis gleiche Wege, wenn
sich die Topologie des Netzes nicht ändert. Ist in einem reinen Ethernet-Netz die Ziel-MAC-Adresse oder die
VLAN-Konfiguration einmal bekannt, erfolgt
der eigentliche Datentransport hardwarebasiert und damit zuverlässig wie in einem
TDM-Netz. Auch MPLS-TP verwendet einen
vordefinierten und vorkonfigurierten Pfad.
Beispiel: Die kombinierte Nutzung von TDM und EtherNet/IP in einer Wasserpumpstation.
12
Redundanz und Traffic
Overload
Das automatische Umschalten auf Ersatzwege im Fehlerfall ist ein wesentliches Merkmal von SDH-Netzen. Insbesondere in SDHRingstrukturen gibt es Mechanismen, die es
erlauben, defekte Segmente innerhalb von
50 ms automatisch zu umgehen.
Während es in reinen IP-Netzwerken üblicherweise keine vordefinierten redundanten Pfadverbindungen gibt, sorgen Protokolle wie STP (Spanning Tree Protocol) und
RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) auf dem
Ethernet-Layer für die erforderliche Umschaltung auf den Ersatzweg. Je nach der Zahl
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
MULTI SERVICE TRANSPORT
der Elemente in einem vermaschten Netz kann es dabei jedoch zu Verzögerungen von bis zu einigen Sekunden kommen. Doch ein neues
Verfahren namens ERPS (Ethernet Ring Protection Switching) senkt die
Umschaltzeit auf 50 ms. Ethernet ist damit in der Lage, eine mit SDH
vergleichbare Umschaltzeit zu gewährleisten. MPLS-TP unterstützt vergleichbare Redundanzmechanismen – wie z.B. vordefinierte Ersatzpfade – um eine entsprechend hohe Verfügbarkeit auch im Fehlerfall zu
gewährleisten.
SDH arbeitet auf der Bit-Übertragungsschicht und ist ein auf feste
Bandbreitenanforderungen optimiertes Zeitmultiplexsystem. Das heißt:
Wenn ein Datenstrom mehr Bandbreite braucht, als der Kanal zur Verfügung stellt, kann dieser Mehrbedarf nicht bedient werden – auch
wenn andere Kanäle frei wären. SDH ist für stark schwankenden Datenverkehr nicht geeignet und wenig effizient.
Die Flexibilitätseigenschaften von IP-Netzen, wie definierbare
Dienstegüten (QoS) und die Möglichkeit, kurzfristige Überlasten durch
Traffic Shaping zu regulieren, machen sie auch für zeitkritische Anwendungen zu einer lohnenden Alternative. Durch geeignete Konfiguration von besonders kollisionsgefährdeten Segmenten lässt sich außerdem das Risiko von Paketverlusten reduzieren. MPLS-TP erlaubt
z.B. Traffic Engineering für dedizierte Pfade, sodass der Netzbetreiber
sein Netz optimal konfigurieren kann.
Zuverlässige und zukunftsfähige Netze
Insgesamt gibt es heute keinen Grund, warum paketorientierte Netze
wie EtherNet/IP und MPLS weniger zuverlässig sein sollten als ein
SDH-Netz. Fakt ist, dass in Mission-Critical-Netzen heute häufig ein
Mix aus SDH und paketbasierten Technologien zum Einsatz kommt.
Wenn keine weiteren Details bekannt sind, lassen sich als Faustregel
drei Szenarien unterscheiden:
Paketbasierter Traffic < 30 %: SDH-Netze plus Ethernet over SDH
ist die richtige Wahl. In dedizierten Netzen von Eisenbahnen und Versorgungsunternehmen, die höchste Verfügbarkeit anwendungskritischer
Daten verlangen, kommt weiterhin SDH-Technik zum Einsatz. Da neue
Endgeräte nur noch über eine Ethernet-Schnittstelle verfügen, müssen
Netzbetreiber Ethernet-Datenströme über SDH-Netze (EoS/Ethernet over
SDH) leiten.
Paketbasierter Traffic > 30 % und < 90 %: Ein SDH-Netz und parallel dazu ein paketbasiertes Netz ist häufig die richtige Wahl. Eine
Reihe von Unternehmen hat ergänzend zu ihrem SDH-Netz ein EtherNet/IP-basiertes Netz aufgebaut. Diese Netze arbeiten getrennt voneinander; traditionelle Dienste laufen über SDH, neue Anwendungen über
EtherNet/IP.
Paketbasierter Traffic > 90 %: Reine Paketnetze sind die richtige
Wahl. Hier handelt es sich um Anwendungsszenarien, bei denen der
Datenverkehr überwiegend paketbasiert ist – sei es EtherNet/IP oder
MPLS-TP. Falls dennoch Legacy-Daten im Paketnetz zu übertragen
sind, können Netzbetreiber dies mit der CESoP-Funktion (Circuit Emulation Services over Packet) realisieren.
Kombinierter Multi Service Transport
Paketorientierte Technologien können eine vergleichbar hohe Zuverlässigkeit erreichen und somit auch in Zukunft in missionskritischen
Netzen zum Einsatz kommen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die herstellerspezifische Implementierung. Die Multi-Service-Zugangsplattform MileGate von Keymile z.B. kann als modularer EtherNet/IP-Switch,
als SDH/PDH-Multiplexer oder auch kombiniert betrieben werden.
Wenn die Interaktion beider Technologien erforderlich ist, gibt es diverse Gateways, ob mit Circuit Emulation Services over Packet oder
Ethernet over SDH.
Anwendungskritische Netze werden ständig weiterentwickelt und
die Betreiber müssen dabei immer sowohl die Kompatibilität mit den
Bestandsnetzen als auch die Einbeziehung neuer Ethernet-Endgeräte
berücksichtigen. Insofern sind vielseitig einsetzbare Lösungen wie
MileGate zukunftsfähig. In Mission-Critical-Netzen kommen heute
schon paketbasierte Technologien zum Einsatz, etwa bei der Videoüberwachung oder mobilen Diensten. In naher Zukunft werden sicherlich auch anwendungskritische Daten über MPLS-TP transportiert.
Klaus Pollak,
Head of Consulting & Projects, Keymile GmbH
NEXT GENERATION ACCESS
Vectoring oder Glasfaser
Der Breitbandausbau in Deutschland könnte schon weiter sein
Die Deutsche Telekom rüstet ihre Netze auf VDSL2 mit Vectoring auf. Das freut viele Verbraucher, für die
200 MBit/s im Download mehr als genug sind. Cloud-Dienste für Unternehmen und die Industrie 4.0 werden
in absehbarer Zukunft aber im Upload mehr brauchen, als mit Kupferkabeln überhaupt möglich ist.
wendig ist, alle Einzelleitungen in einem Hauptkabelstrang zu kontrollieren, berührt der Einsatz dieser Technologie auch regulatorische Fragestellungen, die ebenfalls Anlass zu Diskussion geben, hier aber nicht
weiter erläutert werden sollen.)
ine Ursache dafür, das Deutschland nicht vorankommt und das Ziel
von „50 MBit/s für alle“ bis 2018 schon nicht mehr erreichbar erscheint, ist die andauernde Diskussion darüber, auf welcher Technologie der Breitbandausbau basieren soll. Die Deutsche Telekom favorisiert DSL und Vectoring, um schnellere Verbindungen über die
vorhandenen Kupferkabel zu erreichen. Andere Netzbetreiber wie Colt
wollen die Glasfaserinfrastruktur ausbauen, um eine zukunftssichere
Breitbandanbindung zu schaffen.
E
Der Upload wird immer wichtiger
Mit VDSL2 Vectoring sind Download-Raten rund um 200 MBit/s möglich. Der aktuelle Bedarf auch vieler Unternehmen im Hinblick auf den
Download kann damit gedeckt werden. Für immer mehr Unternehmenskunden ist heute der Upload aber genauso wichtig. Wer CloudDienste nutzen und auf seiner Website oder im Online-Shop Inhalte bereitstellen möchte, benötigt eine Upload-Geschwindigkeit, die mit der
von Privathaushalten, die auf Medienkonsum und damit Downloads
ausgerichtet sind, nicht vergleichbar ist.
Diese Anforderung aber kann DSL nicht erfüllen, da mit den Standards kein symmetrischer Datenverkehr mit den benötigten Übertragungsraten möglich ist. Dazu kommt, dass DSL-Anschlüsse in Europa
laut einer aktuellen Studie der EU-Kommission im laufenden Betrieb
durchschnittlich nur 63,3 % der angegebenen Bandbreite auch tatsächlich zur Verfügung stellen.
Damit übersteigt der aktuelle Bedarf von Unternehmen insbesondere aus dem Finanzwesen und der Medienindustrie die Leistungsfähigkeit der DSL-Infrastruktur bereits deutlich. Mit der zunehmenden
Verbreitung von Cloud-Diensten und dem weiteren Wachstum der Datenmengen wird diese Schwäche immer deutlicher zutage treten. Daher ist die Technologie mittel- bis langfristig nicht zukunftsfähig.
Vorteil für vorhandene Leitungen
Quelle: Colt
Alle Varianten von DSL nutzen die vorhandenen Kupferleitungen. Der
wesentliche Vorteil von DSL liegt also darin, dass keine neuen Leitungen verlegt werden müssen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der DSL-Standards wurde versucht, die Datenübertragungsrate
immer weiter zu steigern. VDSL (Very High Speed Digital Subscriber
Line) ist dabei der Standard, der derzeit in Deutschland ausgerollt wird.
Damit sind theoretisch Datenübertragungsraten von bis zu 100 MBit/s
möglich. Die tatsächlich nutzbare Übertragungsbandbreite sinkt aber
durch die Leitungsdämpfung mit der Länge der jeweiligen Anschlussleitung recht stark.
Darüber hinaus begrenzt das Übersprechen, die Beeinflussung
durch Signale von benachbarten Leitungen, die Übertragungsrate.
Vectoring reduziert durch eine spezielle Kanalkodierung diese gegenseitigen Störungen und kann so die Leistungsfähigkeit der vorhandenen Netze noch einmal steigern. (Da es beim Vectoring technisch not-
Lichtwellenleiter, sprich: Glasfaserleitungen sind unempfindlich
gegen elektromagnetische Störfelder und bieten vor allem schier
grenzenlose Übertragungsreserven. Haupthindernis beim Ausbau
sind die Tiefbaukosten.
14
Infrastruktur mit Perspektive
Glasfaserkabel dagegen bieten mehr Bandbreitenreserven als jedes
andere Medium und ermöglichen deutlich höhere Entfernungen zwischen den Kunden und den Vermittlungsstellen, als mit DSL-Standards
möglich sind. Das liegt daran, dass die Glasfaser als optisches Übertragungsmedium dämpfungsunempfindlicher und resistent gegenüber
elektromagnetischen Einflüssen ist. Für die aktive Fasertechnik, wie z.B.
Colt sie einsetzt, gibt es daher im Prinzip keine Einschränkungen aufgrund der Faser oder Verteiltechnik. Bandbreiten bis weit über 5 Terabit/s sind mit Wellenlängenmultiplextechnologie auf einer Faser möglich
(100 GBit/s pro Kanal bei bis zu 80 Kanälen pro Faser).
Eine echte Breitbandverbindung über Glasfaser als Fiber to the Building (FTTB) oder Fiber to the Home (FTTH) kann daher alle aktuellen
und künftigen Bedarfe sowohl beim Download als auch beim Upload
abdecken. Ist ein Gebäude erst an ein solches Netz angeschlossen,
können über die Infrastruktur verschiedene Dienste bereitgestellt werden: Ethernet, IP VPN, VoIP etc. Für Unternehmen ist das besonders inKommunikation und Netze Ⅱ/2015
NEXT GENERATION ACCESS
teressant, denn sie haben nicht nur Bedarf an Internet-Zugängen. Darüber hinaus können diese Services über die Glasfaserleitung getrennt
abgebildet werden, während sie bei DSL auf der begrenzten Bandbreite
zusammengeführt werden müssen.
Ansätze zur Kostensenkung
Es ist richtig, dass der Ausbau von Glasfaserinfrastruktur zeitaufwendig
und kostenintensiv ist. Doch es gibt alternative Ansätze: Trenching, ein
Verlegen der Glasfaser in geringerer Tiefe, die Verlegung in Abwasserrohren oder auch die oberirdische Verlegung als Freileitung auf Masten
können die Kosten senken und werden derzeit erprobt.
Auch beim Anschluss von Gebäuden gibt es inzwischen verschiedene Möglichkeiten, um die Kosten zu senken. Die sogenannte GPONTechnik (Gigabit-capable Passive Optical Network) verwendet nur passive Komponenten, um die Verteilung zwischen den einzelnen
Gebäuden in einem Straßenzug zu erschließen. Dabei wird das optische Signal rein über optische Elemente (Prismen) aufgeteilt. Dadurch
ist es möglich, mit einer einzigen Faser mehrere Gebäude anzuschalten. Aktive Komponenten wie Switches, Router oder Multiplexer sind
bei dieser Technik nicht im Einsatz. Das verringert die Entfernungen,
senkt aber die Installations- und Betriebskosten.
Mit GPON können in beide Richtungen Datenraten im Gigabit-Bereich realisiert werden. Die ITU (International Telecommunication Union)
definiert für den Download und Upload 1,25 GBit/s und 2,5 GBit/s.
Damit Deutschland den Anschluss in der Digitalisierung nicht verliert, sollten alle Ansätze vorangetrieben werden. Mithilfe von Vectoring
kann über DSL kurzfristig höhere Bandbreite bereitgestellt werden.
Doch der Einsatz dieser Technologie darf den dringend notwendigen
echten Breitbandausbau nicht blockieren. Denn nur Glasfaser kann aus
technologischer Sicht die mittel- und langfristigen Anforderungen der
Unternehmen wirklich erfüllen.
Zukunftsfähigkeit sichern
Der Trend hin zu Cloud-Diensten prägt mehr und mehr die Anforderungen an das Transportnetz. Das bedeutet: Die Flexibilität im Bereich
der IT muss auch im Netz abgebildet werden – Zugriff auf externe Ressourcen setzt schließlich den Zugriff voraus, auch im Upload. Glasfaser
bietet diese Flexibilität und schafft die geeignete Basis für neue Netzwerktechnologien wie Software-defined Network Services oder auch
virtualisierte Netzwerkfunktionen (NFV). Diese beiden neuen Ansätze
ermöglichen Kunden, die von ihnen benötigte Bandbreite, aber auch
Funktionalitäten wie Firewalls, Router oder sogenannte WAN Optimizer
eigenständig remote zu aktivieren oder zu ändern. Damit dies reibungslos funktioniert, ist es wichtig, dass die jeweilige Transporttechnologie kurzfristige Bandbreitenerhöhungen für geplante, aber auch
unvorhergesehene Ereignisse unterstützt.
Matthias Hain,
Director Product Management Network Services, Colt
MACHINE TYPE COMMUNICATION
MTC macht maschinentauglich
Die nächste Stufe der LTE-Evolution vernetzt intelligente Geräte
LTE bleibt die entscheidende Mobilfunktechnologie der Zukunft, denn sie ermöglicht eine effiziente
Frequenznutzung bei gleichzeitig hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit. Mit der Einführung des LTE-MTCStandards im März 2016 erfolgt ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung neuer IoT-Lösungen.
aut aktuellen Schätzungen wird die Zahl der vernetzten Geräte im
Internet of Things bis zum Jahr 2025 weltweit auf 30 Mrd. ansteigen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, auf welcher technischen Infrastruktur die Kommunikation im Internet der Dinge erfolgen
soll, um der Komplexität dieser gewaltigen Menge an Informationsschnittstellen Herr zu werden.
Viele der Geräte, die stationär in privaten Infrastrukturen genutzt
werden, greifen auf Drahtlosnetzwerke für den Nahbereich zurück, z.B.
Bluetooth Smart, WiFi oder Zigbee. Zahlreiche M2M-Anwendungen, wie
etwa Fernwartungs- oder Telemetrie-Lösungen, sind hingegen auf ein
flächendeckendes, öffentliches Netzwerk angewiesen, mit niedrigen
Device- und Bereitstellungskosten, einem niedrigen Energiebedarf und
dadurch langen Batterielaufzeiten. Mit der Einführung des Standards
LTE MTC (Machine Type Communication, auch bekannt als LTE-M)
2016 wird die LTE-Technologie erstmals für diese spezifischen Anforderungen optimiert.
L
Die Entwicklung bis zu LTE MTC
4G- bzw. LTE-A-Netzwerke nutzen neueste Technologien wie etwa ein
orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) in der Luftschnittstelle, das frequenzselektives Fading sowie Interferenzen in der Datenübertragung verhindert und eine effiziente Nutzung der verfügbaren
Frequenz ermöglicht. LTE/4G-Netzwerke können daher bis zu zehnmal
mehr Traffic aufnehmen und durchleiten. Zudem unterstützt LTE das
IPv6-Format.
SPEZIFIKATIONEN: DAS
LTE-Module
Übertragungsraten
Fallback-Option/Abwärtskompatibilität
Schnittstellen
Temperaturbereich
Sonstiges
LTE-Datenkarten
Übertragungsraten
Netzwerktechnologien
Fallback-Option/Abwärtskompatibilität
Temperaturbereich
Unterstützte Betriebssysteme
Unterstützte Standortdienste
16
Das Framework für die Evolution von LTE-Mobilfunknetzen ist SAE
(System Architecture Evolution). Dabei handelt es sich um eine flache
All-IP-Architektur, die sich durch eine vereinfachte Kernnetzstruktur
auszeichnet und die Mobilität zwischen heterogenen Zugangsnetzen
unterstützt. Hauptkomponente ist der Evolved Packet Core (EPC).
LTE ist damit die erste Netzwerktechnologie, die problemlos datenintensive Apps wie z.B. Echtzeitvideoüberwachung unterstützt und
gleichzeitig kostengünstige Verbindungen für Lowspeed-Anwendungen
bereitstellt. Obwohl diese Anwendungen sehr unterschiedliche Leistungsanforderungen mitbringen, wird es daher möglich sein, ein umfassendes Ökosystem für Apps auf Basis einer einzelnen Weitverkehrsnetzwerktechnologie aufzubauen. LTE liefert hierfür alle notwendigen
Voraussetzungen: verbesserte Leistung, lückenlose Konnektivität, Skalierbarkeit und geringe Datenübertragungskosten pro Bit. Darüber hinaus erfüllt die LTE-Technologie alle gängigen QoS-Anforderungen und
verfügt über eine höhere Langlebigkeit im Vergleich zu älteren Netzwerktypen, die nach und nach von den Mobilfunkanbietern stillgelegt
werden.
Leistung und Gerätekategorien
Je höher die Gerätekategorie, desto höher die Datenübertragungsrate.
So liegt die Download-Rate von Kategorie-0-Geräten bei 1 Mbit/s, Kategorie-1-Downloads hingegen haben eine Datenübertragungsrate von
10 MBit/s und Kategorie 6 erreicht sogar bis zu 300 MBit/s. Die mit
LTE-A eingeführte Kategorie 8 soll gar bis zu 3 GBit/s erreichen. Insbesondere datenintensive Apps aus
dem Consumer-Bereich treiben die Entwicklung höherer Gerätekategorien
SOLLTEN LTE-KOMPONENTEN LEISTEN
weiter voran; für die meisten M2M-/
IoT-Anwendungen ist eine Datenübertragungsrate von 1 MBit/s mehr als
Uplink bis zu 50 MBit/s, Downlink bis zu 100 MBit/s
ausreichend. Dennoch ist die EntwickHSPA+, UMTS, GSM/GPR S
lung höherer Gerätekategorien im Hin144-pin LGA UART, 10 I/O Ports, einschließlich multifunktioneller
blick auf IoT-Anwendungen interessant,
I/Os, USB 2.0 HS, 1,8 V/3 V SIM-Schnittstelle, RF Pad, RX Div. &
MIMO Pad, GNSS-Antennenpad
denn sie zeigt, dass LTE eine in sich fle-40° C bis +85° C
xible Technologie ist.
Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)
Der wesentlichste Unterschied zwischen LTE und früheren NetzwerkUplink bis zu 50 MBit/s, Downlink bis zu 150 MBit/s
typen besteht in der völlig neuartigen
LTE Cat. 3 – 6, W-COMA, 2G
Kernnetzarchitektur und LuftschnittHSPA+
stellentechnologie, die eine zukunfts-10° C bis +60° C
weisende Kombination von Effizienz
Windows (7, 8, 8.1, 10), Linux, Android, Chrome OS
und Flexibilität ermöglichen. Die efGPS, A-APS, GLONASS
fiziente Frequenznutzung führt zu geringeren Kosten und vereint HighKommunikation und Netze Ⅱ/2015
MACHINE TYPE COMMUNICATION
speed-Datenübertragung und geringe Latenzzeiten mit kostengünstigen Diensten für geringe Übertragungsraten. LTE-A unterscheidet sich
dabei vom konventionellen LTE-Standard durch eine hohe Datenübertragungsrate von 300 MBit/s oder mehr (mittels Carrier Aggregation)
sowie durch eine hohe mobile Verfügbarkeit.
Ein gemeinsamer Standard
Die Entwicklung des LTE-Standards folgt einer durchdachten Roadmap
und umfasst regelmäßige Releases, die sukzessive Verbesserungen
bringen. Dazu zählen etwa höhere und stabilere Datenübertragungsraten für den Nutzer, größere Übertragungskapazitäten und eine insgesamt verbesserte User Experience. LTE soll zu einem gemeinsamen
Technologiestandard ausgebaut werden, der Skaleneffekte ermöglicht
und erhebliche Auswirkungen auf das Privat- und Geschäftsleben haben wird. Insbesondere für IoT-Anwendungen, die in Echtzeit funktionieren und daher auf kurze Reaktionszeiten angewiesen sind, wie etwa
Tools zur Überwachung und Wartung von Anlagen, Apps zur Steuerung
von Smart Grids, industrielle Alarm- oder Verkehrskontrollsysteme, ist
LTE gut geeignet. Die niedrigen Latenzzeiten ermöglichen vernetzte
Anwendungen, die ansonsten nicht möglich wären.
Das LTE-Netz ist abwärtskompatibel zu den Vorgängerversionen,
das heißt, es baut automatisch eine Verbindung zu 2G/3G-Netzwerken
auf, falls kein 4G-Signal verfügbar ist.
Dies war von Beginn an eine wichtige Grundvoraussetzung, da LTE
je nach Land zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeführt worden ist
und die Netzabdeckung daher sehr unterschiedlich ist. Außerdem ermöglicht eine solche Fallback-Option den Anbietern von IoT-Lösungen,
ihre Geräte bereits heute an zukünftige Technologiestandards anzupassen. Gerade Hersteller von Produkten mit langen Lebenszyklen von
zehn Jahren oder mehr, die in Schlüsselmärkten wie z.B. der Automobilindustrie tätig sind, können sich nicht auf den 3G-Standard verlassen, da dieser innerhalb eines solchen Zeitraums bereits überholt sein
könnte.
LTE MTC ist Teil des für März 2016 geplanten Releases 13 des globalen 3GPP-Standards. Mit dessen Einführung erreichen 4G-LTE-Netze
eine höhere Zuverlässigkeit, Verbreitung, Effizienz und Langlebigkeit,
zugleich eine signifikante Verlängerung der Batterielaufzeiten aufgrund
längerer Stand-by-Phasen (bei gleichzeitiger Kosten- und Komplexitätsreduktion) sowie eine verbesserte Netzabdeckung an Orten mit bislang schlechter Erreichbarkeit, z.B. innerhalb von Gebäuden oder in
Kellerräumen. Nicht zuletzt wird die parallele Nutzung von LTE neben
anderen mobilen Breitbanddiensten möglich, womit wiederum Erleichterungen für neue M2M-Gechäftsmodelle verbunden sind.
Synergieeffekte in der Fläche
Ein zentrales Problem bleibt allerdings die Netzabdeckung in den
einzelnen Regionen: Die Luftschnittstelle ist vielschichtig und verschiedene Länder nutzen mehr als 40 unterschiedliche Frequenzen. Gleichzeitig schreitet die Einführung von Netzwerken, Geräten und Dienstleistungen weiter voran. Mit der zunehmenden Standardisierung und
kommerziellen Verbreitung des LTE-MTC-Standards wird der Druck auf
IoT-OEMs zur Übernahme der LTE-Technologie weiter steigen. Durch
die spezifischen Funktionen für M2M Devices bringt LTE MTC Vorteile
für den gesamten IoT-Markt mit sich, indem es die LTE-Kosten senkt
und die Komplexität für Applikationen mit niedrigen Leistungsforderungen reduziert.
Felix Marchal,
Chief Product Officer, Telit Communications PLC
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
ALARMIERUNGSSYSTEME
Turbine 3 ruft das Serviceteam
Eine vernetzte Fertigung gibt Störmeldungen am Smartphone der Wartungstechniker aus
Mobilgeräte stellen mittlerweile sicher, dass die Servicetechniker jederzeit erreichbar sind. Das heißt auch, dass
die Kommunikationstechnologie und Netzabdeckung entsprechend garantiert sein muss. Die Datenpakete von
Alarmsystemen sind nicht groß, aber unter Umständen unternehmenskritisch.
ust-in-time-Produktion, maximale Produktvielfalt und ein zunehmend
hoher Grad an Automatisierung: Im produzierenden Gewerbe müssen
Zwischenfälle rasch erkannt, gemeldet und behoben werden – und das
in Umgebungen, in denen der Mensch immer weniger direkt am Geschehen beteiligt ist. Entsprechend gestiegen sind die Anforderungen an
Alarmsysteme. Um Servicemitarbeiter und Wartungsteams möglichst
schnell und direkt zu erreichen, eignen sich mobile Lösungen.
J
Schneller, zuverlässiger Alarm
Die Schwächen älterer Systeme lagen hauptsächlich in der One-WayKommunikation: Man konnte nicht kontrollieren, ob die Nachricht auch
angekommen war. Zu diesen Systemen gehörten in Deutschland zum
Beispiel Cityruf, Skyper und Ähnliches. Bei Systemen ohne direkte
Quittierungsmöglichkeit wurden die Meldungen einfach dreimal gesendet – in der Hoffnung, dass die Nachricht mindestens einmal bearbeitet wurde. Generell waren Wartungsaufwand und Personalbedarf
früher höher als heute, da nur Spezialisten diese Systeme konfigurieren konnten.
ALARMPLANUNG IN 5 SCHRITTEN
Die Planung eines Alarmierungssystems im Produktionsumfeld
kann nach bewährtem Konzept in fünf Schritten erfolgen:
Der erste Schritt besteht darin, den Workflow bei der Instandhaltung festzulegen. Folgende Fragen sind zu klären: Wie ist der
Ablauf innerhalb der Instandhaltung organisiert und strukturiert?
Welche Gruppen sind für welche Bereiche zuständig?
Der zweite Schritt bestimmt, woher die Meldungen übertragen
werden: Gibt es ein oder mehrere Leitsysteme? Welche Schnittstellen bieten diese Leitsysteme? Müssen Meldungen direkt aus
dem Prozess erfasst werden? Müssen Störungen auch manuell
erzeugt werden können?
Der dritte Schritt betrifft die Kommunikation zu den Instandhaltern: Soll die Störmeldeübertragung per SMS, Pager, Sprachausgabe oder E-Mail erfolgen? Welche Endgeräte sollen eingesetzt
werden?
Im vierten Schritt wird das Mengengerüst festgelegt: Anzahl der
Empfänger und Anzahl der Meldungen pro Minute etc.
Als fünften und letzten Schritt gilt es festzulegen, wer für die
Konfiguration und Wartung des Alarmierungssystems zuständig
ist und welche Sicherheitsanforderungen an das Alarmierungssystem gestellt werden.
18
Mittlerweile übertragen die Störmeldungen mehr und gezieltere Informationen als früher. Das Internet hat dabei bis heute zwar immer noch
keine große Bedeutung, doch werden Smartphones, Tablets und WLAN
in naher Zukunft eine immer größere Rolle spielen. So laufen heute
schon Leitsystemanwendungen und SAP-Applikationen auf mobilen
Endgeräten. Dies bedeutet, dass die Alarmierung in Zukunft auch diese
Kommunikationswege beherrschen muss.
Vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 werden Alarmierungssysteme
künftig gezielte Informationen zum aktuellen Status und zu auftretenden
Problemen in der Produktion geben müssen. Das ist insofern von Vorteil,
als die Störfallwarnung nun automatisch auf sehr viel genauere Daten
zugreifen kann; es bedeutet aber auch, dass die Abläufe der Meldungen
komplexer werden und dass ein optimales Zusammenspiel von Produktionsleitsystemen und Alarmierungssystemen notwendig ist.
Zentrale Anforderungen
Zu den wesentlichen Informationen, die gezielt an den richtigen Instandhalter übertragen werden müssen, gehören Ort und Art der Störung sowie die Angabe, wie viele Instandhalter für die Beseitigung nötig sind und welche Ersatzteile sie dazu brauchen. Die Endgeräte, die
im Produktionsumfeld eingesetzt werden, müssen zudem robust, klein
und leicht sein. Die Applikation zur Störmeldeanzeige sollte außerdem
einfach zu bedienen sein, sodass eine Fehlbedingung auch unter Stress
ausgeschlossen ist.
Zuverlässigkeit ist der Hauptfaktor bei Alarmsystemen. Zuverlässigkeit wird am besten durch redundante Lösungen erzielt, was sowohl
für den Alarmserver selbst als auch für die Kommunikationswege gilt.
Dort steht an erster Stelle die Sprachausgabe, weil sie schnell und sicher den Empfänger erreicht. Digitale Bündelfunksysteme, egal ob Tetra oder Tetrapol, sind ebenfalls sehr sicher, da diese Systeme direkt
prüfen können, ob eine Meldung am Endgerät angekommen ist. Ebenfalls zuverlässig sind interne Pager-Systeme, die heute in bidirektionaler Kommunikation zu den Endgeräten stehen.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Möglichkeit, eine Eskalation als
Workflow einzurichten. Zum Beispiel geht eine Meldung zuerst an eine
Gruppe von Instandhaltern. Quittiert keiner aus dieser Gruppe, benachrichtigt das System eine weitere Gruppe von Instandhaltern. Wird auch
da nicht quittiert, ergeht Mitteilung an den Abteilungsleiter. Solche
Workflows können im Produktionsumfeld sehr komplex aufgebaut sein.
Typische Herausforderungen
Große Mengen an Störmeldungen stellen für den Alarmserver und den
Ablauf der Alarmverteilung eine Herausforderung dar. Der Alarmserver
muss daher so ausgelegt sein, dass er diese Mengen auch verarbeiten
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
ALARMIERUNGSSYSTEME
kann. Für die Kommunikationswege ist die Anzahl der Meldungen dagegen kaum relevant, da sie ja jeweils nur eine sehr kleine Datenmenge darstellen.
Eine große Anzahl von Empfängern zu verwalten, ist auf einer benutzerfreundlichen Konfigurationsoberfläche natürlich sehr viel leichter.
Gute Lösungen bieten hier die Möglichkeit, die Strukturen der einzelnen Produktionsbereiche übersichtlich nachzubilden. Bei einer großen
Anzahl von Zielen sind die Empfängerdaten in einer entsprechend
hochverfügbaren Datenbank vorgehalten.
Ein weiteres Kriterium ist die Flexibilität der Schnittstellen, sowohl
zum Empfang der Daten als auch zum Versand der Meldungen. Im Produktionsumfeld liegt auf der Hand, dass das Alarmsystem eine Vielzahl von Ein- und Ausgangsschnittstellen braucht: OPC DA, OPC AE und
OPC UA (in der Zukunft) sowie Netzwerkschnittstellen und Datenbankschnittstellen müssen als Eingangsvarianten möglich sein. Auf der Ausgangsseite sollte ein einfaches Konzept zur Verfügung stehen, das sich
ohne großen Aufwand an unterschiedliche Kommunikationswege adaptieren lässt. Dazu gehören Netzwerk-, Datenbank- und Dateischnittstellen für die Übertragung an SMS-Gateways, Sprachausgabe, digitale
Bündelfunksysteme und interne Pager-Systeme etc.
Smartphones zur Instandhaltung sind heute in vielen Produktionsanlagen schon Standard. Die zukünftigen Anforderungen ergeben sich
folglich aus dem Einsatz der Übertagungswege WLAN und UMTS. Entscheidend werden dabei Sicherheitsaspekte sein, wenn WLAN im großen Stil zum Zuge kommen soll. In vielen Produktionsanlagen sind der-
zeit einige der WiFi-Sicherheitsfragen noch nicht gänzlich ausgeräumt.
Bei UMTS stehen die Chancen besser, da dieser Übertragungsweg
nicht direkt mit den Netzwerken der Produktion gekoppelt ist. Das bedeutet aber, dass der Produktionsstandort über entsprechend zuverlässigen Empfang verfügen muss.
Bedingungen in der Zukunft
Allgemein geht die Entwicklung dahin, dass Alarmierungssysteme
verstärkt für den Anstoß von Workflows nach einer Störung eingesetzt
werden. Der Instandhalter wird dann umfassende Daten auf sein Smartphone bekommen, er kann genauer analysieren, wie er schnellstmöglich die Störung beheben kann, er sieht, welche Maßnahmen er beim
letzten Mal durchgeführt hat etc.
Die notwendige Infrastruktur für die Erfassung dieser Informationen
und Daten ist heute in der Regel schon vorhanden, wird aber in vielen
Fällen noch ausgebaut werden müssen. Dazu gehört eine verbesserte
Abdeckung über WLAN- oder UMTS-Repeater. Die Störfallalarmsysteme der Zukunft werden Zug um Zug Innovationen aus der Informations- und Kommunikationstechnologie aufgreifen. Es gilt, noch besser
zu werden, um trotz Störfällen, die in komplexen Produktionssystemen
unvermeidlich sein werden, Produktionsausfälle so gering wie möglich
zu halten.
Jürgen H. Hoffmeister,
Geschäftsführender Gesellschafter, Sikom Software
MOBILFUNKNETZE
5G im Feldversuch
Das Projekt 5G-Xhaul testet die nächste Mobilnetzgeneration
Mit einem Internet der Dinge samt Industrie 4.0 und Nutzern, die always on sind, wären die bestehenden
Funknetze hoffnungslos überfordert. 5G, die gerade entstehende 5. Mobilfunkgeneration soll das ändern.
Mit dem Projekt 5G-Xhaul fördert die EU eine groß angelegte Live-Installation in Bristol.
m 2020 sollen Funklöcher und abbrechende Verbindungen Vergangenheit sein. Stattdessen soll das 5G-Netz überall gleichbleibend
hohe Verbindungsqualität gewährleisten und einen ständigen Mobilzugriff auf das Internet ermöglichen.
Um dieses neue Netz Wirklichkeit werden zu lassen, haben sich Akteure aus ganz Europa im Rahmen der 5G PPP (5G Infrastructure Public
Private Partnership) zum Projekt 5G-Xhaul zusammengefunden. Die
Partner sind Technologiekonzerne, Forschungsinstitute und Universitäten aus Deutschland, Griechenland, Großbritannien und Schweden.
Hinzu kommt der deutsche Zweig des chinesischen Technologiekonzerns Huawei. Das Ziel sind Basistechnologien für ein dynamisches
und regelbares Netz aus Basisstationen, die ein Glasfasernetz mit einem Mobilfunknetz verbinden. Die EU stellt für das Vorhaben rund 7,3
Mio. Euro aus ihrem Programm „Horizon 2020“ zur Verfügung. Geplant
ist eine Laufzeit von drei Jahren bis Juni 2018.
U
Vom Smartphone auf Glasfaser und zurück
Wissenschaftler vom Leibnitz-Institut für innovative Mikroelektronik in
Frankfurt/Oder haben die Koordination übernommen. „Die Industrie stellt
den Bedarf fest. Die Forscher werden die dafür möglichen Lösungen
finden. 5G-Xhaul wird dabei helfen, dass sich jeder Smartphone-Besitzer auf eine ständige Netzwerkverbindung mit einer hohen Datenrate
verlassen kann“, sagt Prof. Eckhard Grass, einer der zuständigen Wissenschaftler.
Rückgrat des 5G-Netzes ist eine Kombination aus Glasfaserverbindungen und mobilen Netzwerken im Millimeterfrequenzbereich. „5GXhaul schlägt eine Lösung aus miteinander verbundenen optischen und
mobilen Netzen vor, in der die einzelnen Zellen flexibel mit dem Kernnetz verbunden werden“, präzisiert Prof. Grass. „Durch Ausnutzen der
Nutzermobilität kann unsere Lösung frei werdende Ressourcen existierenden und zu erwartenden ‚Hot Spots‘ zuteilen.“
Bristol is Open
Ein erster Feldversuch läuft im englischen Bristol. „Bristol is Open“
wird das Testlabor für die im Projekt 5G-Xhaul entstehenden Technologien sein. Hier arbeiten die Universität Bristol, die Stadt und das
Technologieunternehmen Blu Wireless Technology zusammen. Im
Stadtzentrum selbst, im alten Stadthafen und auf dem Campus der
University of Bristol sollen drei schnelle Netze entstehen.
Diese Netze werden aus kleinen Sensoren, den Smartphones der
freiwilligen Nutzer, GPS-Geräten und eigenen Basisstationen bestehen.
Für die Stadt selbst entsteht eine Art eigenes Betriebssystem, das die
technische Infrastruktur vernetzt und so neue Anwendungen für das
Internet der Dinge möglich macht.
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Sobald die Netze funktionieren, sollen sie auf die größere Region
um Bristol ausgedehnt werden. Sie werden dann für eine breite Palette
von Nutzern – Einzelpersonen, lokalen Initiativen, kleinen und mittleren
Unternehmen oder Start-ups – zur Verfügung stehen.
Millimeterwellen und Tactile Internet
Blu Wireless Technology liefert für „Bristol is Open“ 60 GHz starke Module, die das mobile, drahtlose Netz mit dem ortsfesten Glasfasernetz
verbinden. Das Unternehmen testet hier eine eigene Neuentwicklung:
„Für ‚Bristol is Open‘ setzen wir unsere Millimeterwellentechnologie
ein. Die Millimeterwellentechnologie wird eine Schlüsselrolle bei 5G
spielen“, sagt Mark Barrett, leitender Manager bei Blu Wireless. An einer ähnlichen Technologie arbeitet auch Huawei, das weltweit zu den
führenden Unternehmen der 5G-Entwicklung zählt.
Die TU Dresden bringt ihre eigenen Erfahrungen ein. „Das Schlüsselproblem beim Sicherstellen eines effizient arbeitenden Netzes ist
die Integration einer großen Zahl verschiedener Technologien wie etwa
Glasfaser- und Mobilfunknetze in eine einzige Systemarchitektur“, sagt
Prof. Gerhard Fettweis, Inhaber des Vodafone-Lehrstuhls Mobile Communications Systems. In Dresden arbeiten die Forscher an neuen, leistungsfähigeren Antennensystemen und dem sogenannten Tactile Internet. Hinter diesem Begriff verbirgt sich ein Web, das auch mit Eingaben
über den Tastsinn arbeitet. Damit könnte dann ein Techniker ein Gerät
bedienen, das an einem ganz anderen Ort steht, oder ein WebshopBesucher Jeans und Pullover virtuell anfassen. Das Tactile internet benötigt aber die hohen Übertragungsraten der 5G-Netze.
Offene Fragen zum Netz der Zukunft
Leider ist ein gemeinsamer 5G-Standard bisher nicht in Sicht. Auch
bei der entscheidenden Frage nach den Funkfrequenzen bleibt noch
viel zu klären. Für 5G ist ein Frequenzraum bis zu 300 GHz anvisiert.
Heutige Mobilfunknetze senden auf Bändern bis 3,5 GHz. Also müsste
ein großer Frequenzbereich überhaupt erst definiert werden.
Auch ist offen, ob sich die erhofften Kostenersparnisse erreichen
lassen. Zunächst einmal wird die Ersteigerung der Frequenzen die
Netzbetreiber viel Geld kosten. Hinzu kommen neue Endgeräte, neue
Übertragungstechnologien, insbesondere leistungsstärkere Funkmasten und ein wesentlich dichteres Netz. Denn auf den höheren Frequenzen lassen sich zwar mehr Daten übertragen, aber gleichzeitig sinkt
die Reichweite der einzelnen Sender. Wo bisher einige Dutzend Funkzellen die Versorgung übernehmen, müssten es künftig eher mehrere
Tausend sein.
Friedrich List,
freier Journalist und Verleger in Hamburg
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
FUNKNETZE
Wellen gegen Wellenbrecher
Auch 11ac wird immer nur so schnell sein wie das schwächste Glied in der Sendekette
WLAN-11ac-Wave-1-Produkte bringen zwar schon seit Sommer 2012 maximal 1300 MBit/s
Bruttodatendurchsatz, aber nur, wenn beide Kommunikationspartner drei Antennen nutzen (3x3-MIMO), drei
Spatial Streams over the air fließen können (3SS) und 80 MHz in der 5-GHz-Luft frei nutzbar sind.
LAN-11ac ist nicht gleich WLAN-11ac. Das Schlagwort definiert
einen großen Rahmen mit vielen Stellschräubchen und zeichnet
eine mehrjährige Entwicklung in mehreren „Wellen“ vor: Wave-1 bis
1300 MBit/s ist bereits da, Wave-2 bis 3,5 GBit/s gerade mal im Kommen und Wave-x bis 7 GBit/s irgendwie absehbar.
W
Von 11n bis 11ac-Wave-1
Das jüngste WiFi-11ac lässt sich am leichtesten erklären, wenn man
den Vorgänger 11n betrachtet: Schon dort gab es mehrere Speed-Stufen, die ganz stark mit der Anzahl der verbauten Antennen und der dadurch möglichen Anzahl der Spatial Streams (also der drahtlosen Datenströme) korrelieren: 1x1:1-11n-Geräte schaffen maximal 150
MBit/s brutto, 2x2:2-11n-Geräte maximal 300 MBit/s, 3x3:3 ergibt
450 MBit/s und 4x4:4 schon 600 MBit/s.
Bei WiFi-11n kann jeder Spatial Stream (SS) bis zu 150 MBit/s brutto transportieren. Typischerweise generieren 11n-Access-Points drei
Streams, also 3 x 150 = 450 MBit/s, natürlich nur brutto – und nur
dann, wenn sie drei MIMO-Antennen haben und drei Funkströme (Spatial Streams) tatsächlich durch die Luft senden und empfangen können. Netto wird in der Regel maximal die Hälfte vom Brutto übertragen,
also bis zu 225 MBit/s.
Mittlerweile gibt es vereinzelt auch 4x4:4-11n-WLAN-Router bis zu
600 MBit/s brutto. Sie dürften aber keine allzu große Verbreitung mehr
im Markt erlangen, weil der User in vielen Fällen dann lieber gleich
den Sprung auf 11ac wagt kann – und weil vier WLAN-Antennen in einem Gerät viel Platz und Energie benötigen.
11n-Access-Points haben zwar meist ein 3x3:3-Design. 11n-Tablets und 11n-Smartphones hatten anfangs aber oft nur 1x1:1, somit
maximal 150 MBit/s brutto – und eben keine 450 MBit/s. Das ist das
alte WLAN-Leiden: Der maximale Speed zwischen AP und Endgerät
wird immer vom schwächsten Glied in der Kette bestimmt.
Wave-1-APs funken bis zu 1,3 GBit/s
Beim neuen WiFi-11ac-Wave-1 kann jeder Spatial Stream Daten bis
zu 433,33 MBit/s brutto transportieren. Typischerweise generieren
11ac-Wave-1-Access-Point drei Streams, also 3 x 433,33 = 1300
MBit/s brutto.
Seit Sommer 2012 sind erste WiFi-11ac-Wave-1-Anbieter mit Consumer-Geräten vorgeprescht, die nominal just diese 1300 MBit/s, d.h.
1,3 GBit/s brutto, funken können, wenn folgende Voraussetzungen vorliegen: Erstens müssen beide 11ac-WLAN-Kommunikationspartner, etwa Basis und Laptop, jeweils drei 5-GHz-Antennen unter der Haube
haben (3x3-MIMO). Zweitens müssen wirklich drei Datenströme (3SS)
im 5-GHz-Band fließen können, kurz gesagt: 3x3-MIMO-3SS, noch
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
kürzer: 3x3:3. Drittens müssen dazu mindestens 80 MHz Bandbreite
in der lokalen Luft verfügbar sein. Da 11ac nicht im überfüllten 2,4GHz-Bluetooth-und-WLAN-Band, sondern nur im relativ leeren 5-GHzBand funkt, kann man die benötigten 80 MHz auch in der Praxis zurzeit
noch relativ gut bekommen.
Das im Sommer 2015 dominierende WLAN-11ac-Wave-1 mit 3x3MIMO-3SS ist also grob gesagt 118-mal schneller als 11b, 24-mal
schneller als 11g und 3-mal schneller als 11n-3SS.
Wave-1-Clients schaffen 433 oder 867 MBit/s
In der Regel sind bei 11ac-Wave-1 nur die Access-Points und Router
mit drei Sende- und Empfangsantennen ausgestattet. Die mobilen
11ac-Geräte sind meist langsamer: 3x3-11ac-Wave-1-Geräte schaffen zurzeit maximal 1300 MBit/s brutto, 2x2-11ac-Wave-1-Geräte
maximal 867 MBit/s brutto und 1x1-11ac-Wave-1-Geräte 433 MBit/s
brutto.
11ac-Smartphones und Tablets haben zurzeit oft noch ein 1x1-Antennendesign. 11ac-USB-Sticks haben aktuell oft ein 2x2-Design, die
meisten 11ac-Laptops ebenso, falls sie überhaupt schon 11ac unter
der Haube haben. Zu den rühmlichen Ausnahmen zählt das Apple
MacBook Pro mit 11ac-3x3-MIMO bis 1300 MBit/s. Hier ein paar Beispiele für 11ac-Endgeräte: Das Apple iPhone 6 funkt 11ac mit 1x1:1
= 433 MBit/s brutto, das LG G4 mit 2x2:2 = 867 MBit/s brutto, das
Samsung Galaxy S5 mit 2x2:2 = 867 MBit/s, das Microsoft Surface
Pro mit 2x2:2 = 867 MBit/s brutto und das Apple MacBook Pro mit
3x3:3 = 1300 MBit/s brutto.
Die Differenz ist ein Platzproblem
Der Grund für die Antennenzurückhaltung liegt auf der Hand: In superdünnen 11ac-Smartphones und Tablets muss man oft mit ein bis zwei
SENDER MAL EMPFANG
DURCH STRÖME
Hinter Kürzeln wie 3x3:3-11n oder 3x3:3-11ac verbirgt sich
die Formel: T x R : S. T ist die Anzahl der Sendeantennen in
einem WLAN-Gerät; R ist die Anzahl der Empfangsantennen und
S ist die Anzahl der Spatial Streams, der Datenströme in der Luft.
Die Anzahl von T, R und S kann identisch sein, muss aber nicht.
Es gibt auch WLAN-Geräte, die mehr Empfangsantennen als
Sendeantennen haben oder umgekehrt (was wir hier nicht vertiefen wollen).
21
Quelle: Harald Karcher
FUNKNETZE
alle Nutzer verteilt, sofern keine
gewollten Priorisierungsmechanismen zum Einsatz kommen.
Grob gesagt gelten diese 11bRelationen auch noch anno 2015
bei 11n und bei 11ac-Wave-1.
Machen wir ein Beispiel für eine
11ac-2x2:2SS-Wave-1-Funkzelle:
Ein Zellspeed von brutto 867 MBit/s
geteilt durch 2 ergibt 433 MBit/s
netto. 433 MBit/s netto bleiben bei
einem einzigen Client 433 MBit/s.
Teilen sich zwei Clients die 433
MBit/s netto, bleiben 216 MBit/s pro
Client und bei drei Clients sind es
nurmehr 144 MBit/s pro Client.
Und: Diese Werte gelten meist
nur im gleichen Raum. Schon im
Nebenzimmer fällt der Nettospeed
pro Client meist noch weiter ab.
Wenn also auf der 11ac-AccessPoint-Schachtel ganz groß „Gigabit“
draufsteht, heißt das noch lange
nicht, dass schon auf allen 11acVergleicht man die drei wichtigsten 11n-Varianten von 1SS bis 3SS mit den drei wichtigsten
Clients Gigabit ankommt.
11ac-Wave-1-Varianten von 1SS bis 3SS, dann hat sich die 11ac-Speed-Entwicklung bis jetzt
Trotzdem reicht eine 11ac-Waveauf einem dreimal höheren Speed-Niveau als bei 11n abgespielt. Die nächste WLAN-Welle,
1-Basis-Station locker, um mehrere
11ac-Wave-2, wird den Hahn aber bald noch kräftiger aufdrehen.
Power-User auf kurze Distanz gleichzeitig mit (komprimierten) Videostreams zu versorgen, wenn man daAntennen klarkommen, um Platz und Akku zu sparen, was den 11acvon ausgeht, dass der einzelne User selten mehr als 20 MBit/s für eiBruttospeed dann auf 433 oder 867 MBit/s limitiert.
nen solchen Stream benötigt.
Bei WLAN-Basisstationen hat man dagegen Platz genug für drei und
WiFi-11ac-Wave-2-Produkte kommen seit 2015 mit vorerst bis zu
mehr Antennen. Die Stromzufuhr kommt meist aus einem externen
vier Sende-und-Empfangs-Antennen pro Gerät (4x4-MIMO) und vier
Netzteil, ist also ebenfalls kein größeres Problem. Somit kann man den
Spatial Streams: Bei 80 MHz Bandbreite sollen sie 4 x 433,3 = 1733
Access-Point-Speed ganz leicht auf 1300 MBit/s brutto bringen. Auf
MBit/s brutto transportieren können. Bei 160 MHz soll sich der Durchdem Markt gibt es allerdings auch 11ac-2x2:2-Access-Points mit masatz nochmals verdoppeln, auf circa 3466 MBit/s, also grob gesagt auf
ximal 867 MBit/s brutto.
3,5 GBit/s, brutto.
Wie gesagt: Bei einer Datenübertragung zwischen zwei WLAN-Geräten wird die maximale Geschwindigkeit immer durch den langsameren Kommunikationspartner begrenzt. Ein 11ac-Handy mit 433 MBit/s
Wave-2 bis 3,5 GBit/s und Wave-x bis 7 GBit/s
kann an einer 11ac-Basisstation mit 1300 MBit/s maximal 433 MBit/s
brutto funken. Der Rest wird quasi verschenkt.
In weiteren 11ac-Innovationsschritten sind 11ac-Geräte auch mit acht
Wer also einen 11ac-3x3:3-Wave-1-Access-Point bis zum SpeedAntennen pro WLAN-Gerät (8x8-MIMO) und acht Spatial Streams (8SS)
Limit von 1300 MBit/s brutto austesten will, nimmt am besten zwei
angedacht. Der Bruttospeed dürfte sich dann nochmals verdoppeln –
baugleiche AP-Exemplare. Ersatzweise kann man als Kommunikationsauf knapp 7 GBit/s. Ob die Hersteller diese Geräte dann immer noch
testpartner auch ein Apple MacBook Pro mit 3x3:3-11ac verwenden,
als Wave-2 oder Wave-3, 11ac-Turbo oder völlig anders bezeichnen
in der Hoffnung, dass der wunderbare Laptop nicht als begrenzender
werden, bleibt abzuwarten.
Faktor im Testaufbau wirkt.
Das größte Hindernis für 7-Gigabit-WiFi könnten die acht benötigten
Antennen werden. Das ist ja schon ein kleines Wäldchen. In großen,
stationären WLAN-Geräten, in Access-Points und Routern kann man
Die Hälfte vom Brutto, gerecht verteilt
sich acht WLAN-Antennen leichter vorstellen als in superschlanken
Mobilgeräten wie Smartphones und Tablets.
Bei den ersten WiFi-11b-Geräten stand anno 2001 ein Speed-MaxiWLAN-11ac-Wave-2 soll rückwärtskompatibel zu Wave-1 und älmum von 11 MBit/s brutto auf der Schachtel. Als Nettodurchsatz
teren WiFi-Normen bleiben. Wave-2 ist allerdings kein Softwarekonnte man damals knapp 6 MBit/s messen. Die „andere Hälfte“
Upgrade, denn viele Features benötigen neue Hardware mit neuen
wurde im Funk- und Protokoll-Overhead verbraten. Diese knapp
Wave-2-Chipsets, und zwar sowohl im Access-Point als auch im
6 MBit/s kamen aber nur, wenn AP und Client im gleichen Raum
Client-Gerät. Es wird also eine Weile dauern, bis komplette Wave-2standen, bei kurzer Distanz von maximal zwei bis drei Metern zwiUmgebungen im Markt angekommen sind. Wer bereits 11ac-Wave-1
schen AP und Client und wenn nur ein einziger Client (z.B. ein Lapgekauft hat, kann seine Hardware nicht auf Wave-2 hochrüsten.
top mit 11b-WLAN-Karte) am Access-Point aktiv war. Reden zwei
Clients gleichzeitig aktiv mit dem AP, dann bekommt jeder nur noch
Dr. Harald Karcher,
knapp 3 MBit/s. Das heißt: Die Kapazität wird halbwegs redlich auf
freier Mobile-Communications-Tester
22
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
FUNKNETZE
Aufgebohrtes WLAN-11ac
Der jüngste WiFi-Standard kann den Turbo schon serienmäßig dazuschalten
11ac ist keine feste Hausnummer, sondern eine Fahrtrichtung: Bei WiFi-11ac hat man etliche Möglichkeiten,
weitere Speed-Zuwächse zu erzielen. Zu den bewährten Mitteln gehören gebündelte Kanalbandbreiten
von bis zu 160 MHz, bis zu acht Antennen, bis zu acht Spatial Streams sowie Multi-User MIMO.
ie Verdoppelung des zum Senden und Empfangen genutzten Frequenzkorridors ist der einfachste Weg, um den Datendurchsatz in
einem Funknetz zu verdoppeln. Oft spricht man auch von Kanalbündelung oder von CA (Carrier Aggregation).
D
Kanalbündelung bei LTE
Das Problem ist nur: Die Bandbreite ist in vielen Bereichen der Luft ein
begehrtes, begrenztes und sehr kostbares Gut. Mobilfunkbetreiber zahlen alle paar Jahre Versteigerungsmilliarden, um die „Miete“ für ihre
alten Frequenzbänder zu verlängern oder um frei werdendes Frequenzspektrum neu zu erwerben. Hat ein Mobile Operator genug Bandbreite
eingekauft, dann kann er z.B. sein 150-MBit-LTE durch Carrier Aggregation auf 300 MBit/s Bruttodurchsatz verdoppeln, wie das die Deutsche Telekom und weitere LTE-Netzbetreiber in den letzten Jahren realisiert haben.
Im Gegensatz zum teuren Mobilfunkspektrum sind die für Wireless
LAN benötigten 2,4- und 5-GHz-Funkbereiche fast weltweit kostenlos
nutzbar. Das 2,4-GHz-Band ist zwar schon ziemlich übervölkert, aber
im 5-GHz-Band gibt es noch genug Platz, um mehrere Kanäle zu breiteren Korridoren zu bündeln.
Kanalbündelung bei WiFi-11n
Schon bei WiFi-11n konnte man zwei benachbarte 20-MHz-Kanäle zu
einem 40-MHz-Korridor aggregieren und damit den Speed in etwa verdoppeln. Beispiel: Kann sich ein 3x3:3-11n-Access-Point mit einem
3x3:3-11n-Endgerät auf einen 40-MHz-breiten „Luftkorridor“ verständigen, dann können die beiden auf kurze Distanz mit bis zu 450 MBit/s
brutto kommunizieren. Können die beiden Kommunikationspartner in
der Luft dagegen nur einen 20-MHz-Kanal ergattern, müssen sie eben
auf den niedrigeren 216-MBit/s-Gang (oder noch weiter) herunterschalten.
Im 5-GHz-Bereich stehen circa 20 überlappungsfreie 20-MHz-Kanäle für WLAN zur Verfügung, je nach Land und Kontinent. Im 2,4-GHzBereich gibt es insgesamt nur drei überlappungsfreie 20-MHz-Kanäle.
Daraus folgt, dass die 11n-Kanalbündelung im fast noch leeren 5-GHzBereich mit seinen circa 20 überlappungsfreien Kanälen grundsätzlich
viel mehr Sinn macht als im stark übervölkerten 2,4-GHz-Band.
Kanalbündelung bei WiFi-11ac
11ac-Wave-1 braucht bis zu 80 MHz Bandbreite, um sein Speed-Maximum entfalten zu können. So breite Spuren sind auf der 2,4-GHzAutobahn gar nicht verfügbar. Deshalb konnte 11ac schon von Anfang
an nur im 5-GHz-Band und nicht bei 2,4 GHz durchstarten.
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
11ac-Wave-2 soll 8 x 20 MHz auf 160 MHz bündeln. Damit sind Datenraten von 3,5 GBit/s (mit 4SS) und irgendwann knapp 7 GBit/s (mit
8SS) im 5-GHz-Band vorstellbar. Bei einer derartigen „Überbreite“ haben allerdings auch im 5-GHz-Band nur zwei 160-MHz-Übertragungen
gleichzeitig Platz. In einem dicht besiedelten Wohnblock könnten also
nur zwei Nachbarn je eine 160-MHz-Übertragung mit 7 GBit/s brutto
gleichzeitig überlappungsfrei genießen. Für alle weiteren Nachbarn
bleibt dann fast keine Bandbreite zum Senden und Empfangen übrig.
In einer Firmenumgebung dagegen gibt es oft einen zentralen
WLAN-Planer für das Funknetzwerk. Der hat mehr Einfluss auf die
Nutzung der Bänder: Er müsste die künftigen Access-Points so geschickt platzieren und feinjustieren, dass sich die zwei 160-MHzFunkzellen nicht in die Quere kommen, sofern er allzeit in jeder
160-MHz-WiFi-Zelle die vollen 7 GBit/s brutto bekommen will. Die
Wahrscheinlichkeit ist allerdings hoch, dass man in einem bestimmten
Radius, etwa in einem Zimmer oder in einer Halle, sowieso nur einen
einzigen AP mit 160 MHz voll ausfahren kann.
Kanalüberlappungen und gegenseitige Funkstörungen (Interferenzen) sind in der Praxis an der Tagesordnung und bringen ein WLAN
nicht gleich zum Absturz. Es können sich bei starken Überlappungen
aber die Speed-, Ping- und QoS-Werte erheblich verschlechtern. Zumindest in der Planung sollte man daher eine optimale Verteilung und
Positionierung der Basisstationen anstreben.
Schon heute ist absehbar, dass es auch im aktuell noch weitgehend
leeren 5-GHz-Band mit 11ac-Wave-2 und seinen Nachfolgern bald eng
werden wird. 11ac-Wave-2 schreit nach einem zusätzlichen, lizenzfreien Frequenzspektrum. Ob und wann dem stattgegeben wird, entscheiden eher die Politiker, weniger die Techniker.
Single-User MIMO bis 11ac
Bei 11abg wurde die gesamte Datenmenge noch über eine einzige Antenne gesendet und empfangen. Wenn diese früheren Funkgeräte
trotzdem schon zwei Antennen hatten, dann war das meistens eine Diversity-Konstruktion: Damit wurde der Datenstrom blitzschnell auf die
jeweils besser versorgte Antenne umgeschaltet.
Mit dem Aufkommen von 11n wurde das Prinzip MIMO in die
WLAN-Technik eingeführt. MIMO steht für Multiple Input Multiple Output; dabei wird der Datenstrom über einen Splitter auf mindestens
zwei Sende- und Empfangsantennen aufgeteilt. Bei 11n können es
auch bis zu vier, bei 11ac-Wave-2 oder Nachfolgern sogar bis zu acht
Antennen sein.
Die MIMO-Antennen werden möglichst so angeordnet, dass die
Ausbreitung des Funksignals räumlich versetzt erfolgt und es zu keinen
gegenseitigen Störungen bei der Übertragung kommt. Während die bisherigen Funktechniken ohne MIMO oft Probleme mit Reflexionen hat-
23
Quelle: Qualcomm Atheros 2015
FUNKNETZE
durch als gestern und jeden Tag werden es
mehr Nutzer, die noch mehr Daten durch die
Luft jagen, ob Mitarbeiter in den Unternehmen, Digital Natives in der Öffentlichkeit
oder Hotelgäste, die schnelles Internet per
WLAN als eine Selbstverständlichkeit erwarten. Multi-User MIMO kann mit so einer Vielzahl von mobilen Geräten besser umgehen
als das bisherige Single-User MIMO.
Gigabit-WLAN-11ac, egal ob Wave 1 oder
Wave 2, hat darüber hinaus ein explizites
Beamforming. Das heißt: Die Basisstation
trackt den Client, um zu erfahren, wo er sich
befindet, und um dann die Sendeleistung
Beim bisher üblichen Single-User MIMO (links) konnte ein WLAN-Access-Point nur ein
exakt zu diesem Client zu erhöhen. Das ist
einziges Endgerät mit seinem Beamforming gezielt verfolgen. Dank Multi-User MIMO
verpflichtender Standard beim neuen WLAN(rechts) kann er jetzt auch mehrere Clients gleichzeitig verfolgen und mit mehr
11ac. Bei WLAN-11n war Beamforming nur
Sendeleistung adressieren.
optional. In der Praxis hilft es, die Reichweite
zu erhöhen. Dennoch gilt auch bei 11ac, wie schon bei 11abgn: Je
ten, nutzt MIMO diese bewusst aus und erreicht dadurch einen erhöhweiter sich der Client von der Basisstation entfernt, desto geringer wird
ten Durchsatz und eine robustere Kommunikation.
die Datenrate.
Außerdem soll die MIMO-Technik die Reichweite pro Access-Point
Ansonsten gilt natürlich nach wie vor, dass die längeren Wellen im
erhöhen. Die bewusste Nutzung der Reflexionen an Wänden, Decken,
2,4-GHz-Band (etwa 11b/g/n) bei gleicher Sendepower besser und tieBöden, Schränken und weiteren Gegenständen soll auch sicherstellen,
fer durch Gebäude dringen als die kürzeren Wellen im 5-GHz-Band (etdass die Datenrate mit steigendem Abstand zwischen AP und Endgewa 11a/an/ac). Für die Funknetzplanung heißt das: Bei einem Rollout
rät langsamer abfällt als bei den früheren Technologien und dass somit 5 GHz braucht man mehr Access Points als mit 2,4 GHz. Bei einem
mit eine größere räumliche Abdeckung bei gleicher Anzahl von APs
gemischten Rollout mit Dualband-APs, die sowohl 2,4 GHz als auch 5
erreicht wird.
GHz bedienen, muss man die Sendestärken bei 2,4 GHz reduzieren,
sonst kommt es in den 2,4-GHz-Bändern zu einer Überversorgung mit
Multi-User MIMO ab Wave 2
entsprechend starken Interferenzen.
Von 11n bis zu 11ac-Wave-1 sprach man einfach von MIMO und meinte Single-User MIMO. Das heißt: Wenn ein Gerät auf einem Kanal senEnergieverbrauch der 11ac-Clients
det, kann kein weiteres Gerät auf diesem Kanal senden. Mit Multi-User
MIMO (MU-MIMO) wird nun eine Art Switching-Prinzip in den WirelessMehr Speed heißt: kürzere Datenübertragungszeiten. Just aus diesem
Verkehr eingeführt. Jetzt kann ein Access-Point auch mit mehreren
Grunde erwarten die Hersteller bei den 11ac-Wave-2-Clients einen um
Clients gleichzeitig Daten austauschen.
bis zu 40 % geringeren Energieverbrauch pro Megabyte. Falls die DaIm folgenden Beispiel kann das zur Verfügung stehende Frequenztenmengen, die die User durchs Netz jagen, nicht schneller wachsen,
spektrum in der Luft um das Zwei- bis Dreifache besser genutzt werals auf der anderen Seite der Energieverbrauch fällt, lässt 11ac-Waveden: Spricht ein 3x3:3SS-Access-Point mit einem 1x1:1SS-Handy,
2 unterm Strich auf längere Batterielaufzeiten bei Smartphones hoffen.
dann wird ohne MU-MIMO ein Drittel der Bandbreite genutzt und zwei
Vermutlich werden die ersten 11ac-Wave-2-Clients noch keine 160
Drittel werden ungenutzt verschwendet. Mit MU-MIMO können die
MHz, kein 4SS und schon gar kein 8SS unterstützen. Das Zertifizierestlichen zwei Drittel der Bandbreite jetzt an zwei weitere 1x1:1SSrungsprogramm der WiFi Alliance wird nach Ansicht von BranchenkenGeräte vergeben werden. Der Luftraum wird damit fast dreimal ökonern ohnehin nicht vor 2016 starten. So bleiben die Aussagen zu 11acnomischer genutzt.
Wave-2 an vielen Stellen momentan noch etwas spekulativ.
Auch ältere WLAN-Clients, die nur Single-User MIMO beherrschen,
dürften indirekt von Multi-User MIMO profitieren, weil der Access-Point
Mehr Power für 11ac-Stationen
dank MU-MIMO mehr freie Air-Time für die älteren Clients gewinnt und
diese nicht so lange warten müssen, bis sie drankommen.
Im Firmenumfeld werden WLAN-Access-Points vorzugsweise mittels
PoE (Power over Ethernet) mit Strom versorgt: Das normale PoE (IEEE
802.af) liefert bis zu 15,4 Watt pro Port, davon sind 12,95 Watt garanMehr Reichweite durch Beamforming
tiert. Das stärkere PoE+ (IEEE 802.at) liefert bis zu 30 Watt pro Port,
wobei 25,5 Watt garantiert sind.
Multi-User MIMO gehört zu den wichtigsten Features ab 11ac-Wave11n-Access-Points verbrauchen circa 10 bis 13 Watt. Dafür reicht
2, weil es besonders intelligent mit der wertvollen Ressource FreStandard-PoE gerade noch. Wave-1-APs dürften PoE+ benötigen, wenn
quenzspektrum umgeht. Das Prinzip ist allerdings derart komplex, dass
alle Features ausgereizt werden. Wave-2-APs werden auf alle Fälle
es in den bisherigen 11ac-Wave-1-Produkten noch nicht implementiert
PoE+ brauchen. Wer seine Funknetzinfrastruktur auf 11ac umstellt,
wurde. Selbst bei 11ac-Wave-2-Geräten ist MU-MIMO noch kein
Zwang, sondern nur eine Option. Vermutlich werden es aber trotzdem
sollte also prüfen, ob die vorhandenen Switches auf allen Ports genug
viele Hersteller unterstützen.
Strom für 11ac abgeben.
MU-MIMO kommt jedenfalls genau zur rechten Zeit. Denn der TrafDr. Harald Karcher,
fic nimmt unaufhaltsam zu: Jeder einzelne WiFi-User setzt heute mehr
freier Mobile-Communications-Tester
24
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
FUNKNETZE
WLAN-Migration von
11n auf 11ac
Ist das Ethernet-Netz fit genug für Access-Points mit Spitzen um 2 GBit/s?
Bei einer Umstellung der WLAN-Infrastruktur von 11n auf 11ac müssen die Planer prüfen, ob das Backbone
die größeren Lasten auch trägt. Die hinter dem Funknetz liegenden Kabel, PoE-Ports, Switches und WLANController müssen stärkeren Traffic und höhere Speed-Peaks aus den 11ac-Access-Points verkraften.
ie neuen ac-Access-Points generieren beträchtliche Datenströme,
die in der Regel über das kabelgebundene Ethernet-Netzwerk abtransportiert werden. Wenn das vorhandene Kabelnetzwerk das nicht
abfangen kann, muss man aufrüsten. Dazu muss man wissen, wie viel
Traffic jeder einzelne Access-Point maximal netto generieren kann.
Voilà: 11ac-Wave-1-Access-Points bis 80 MHz dürften Speed-Peaks
knapp unter 1 GBit/s produzieren. Wave-2-APS bis 160 MHz und MUMIMO dürften Peaks von circa 2 GBit/s und mehr generieren.
Bei einer Migration auf eine 11ac-Infrastruktur wird man vorhandene 11n-Access-Points meist entfernen. Idealerweise kommen die
neuen 11ac-Funker an die frei werdenden Cat5e- oder Cat6-LAN-Kabel der ausgemusterten 11n-Funker.
D
Dual-Band für 11n-Clients erhalten
schon als Bremsklotz wirken können. Bei 11ac-Wave-1 hat ein einziger
Gigabit-Port am AP gerade noch gereicht, weil bei 1300 MBit/s Bruttospeed auf keinen Fall mehr als 1000 MBit/s netto über den LAN-Port
laufen.
Außerdem müssen die WLAN-Controller aus früheren 11abgn-Installationen so dimensioniert sein, dass sie den aggregierten Verkehr
aus den 11ac-Basisstationen nicht behindern. Falls man Nutzdaten
schon am Access-Point auskoppeln kann, sollte man sie eventuell erst
gar nicht über teure WLAN-Controller laufen lassen.
Bedarfsmonitoring vor der Migration
Bei aller Begeisterung für WLAN-11ac stellt sich die Frage: Wie viel
WiFi braucht der Mensch? Wie viel braucht die Firma?
In den meisten Unternehmen sorgt schon der Trend zum nicht totzukriegenden BYOD (Bring Your Own Device) für einen ständig steigenden WLAN-Traffic. Ob für die Arbeit oder nicht – zahllose Mitarbeiter
bringen ihre privaten WLAN-fähigen Mobilgeräte von zu Hause in die
Firma mit. Genau wie zu Hause erwarten sie auch in der Arbeit ein
WLAN, damit sie nicht ihre privaten 3G- oder 4G-Daten-Flatrates am
Ende im Dienste des Unternehmens verbraten müssen. Oft genug stellt
Quelle: Dell
Allerdings funkt 11ac nur im 5-GHz-Band und nicht mehr auf 2,4 GHz.
Da in den meisten Firmen aber noch für längere Zeit 11n-Clients zu
versorgen sind, sollten die neuen Gigabit-Access-Points auch 11n auf
2,4 und 5 GHz beherrschen.
Soll der Datenverkehr aus den schnellen Gigabit-WLAN-to-LANAccess-Points nicht im kabelgebundenen Netz gleich wieder ausgebremst werden, dann müssen auch die
Switches und Kabel hinter den 11ac-APs genug Speed-Reserven haben. Notfalls muss
man dort nachrüsten: Switches mit 1-Gigabit-Uplink-Ports sind für 11ac das absolute
Minimum. Switches mit 2,5- und 5-GigabitPorts wären perfekt für die absehbaren
11ac-Entwicklungen, es gibt dafür aber noch
keine Standards. Bei diesem Speed-Range
könnte man gerade noch die meist vorhandenen Cat5e- und Cat6-LAN-Kabel bis zu
100 Meter Entfernung verwenden, die in den
meisten Firmen schon vor Jahren für 11nAPs verlegt wurden. Switches mit 10-Gigabit-Uplinks wären für 11ac-Wave-2-AccessPoints vorerst fast der Overkill (und bis auf
Weiteres auch noch sehr teuer).
Einige Anbieter statten ihre jüngsten 11acDell hatte professionelle WLAN-APs mit dem Gigabit-Speed 802.11ac schon im Januar
Verteiler schon mit 2x1-Gigabit-Schnitt2014 angekündigt. Der IT-Gigant aus Texas hat auch gleich passende Switching-Systeme
stellen alias Dual-GigE-Ports aus, weil blobis 1, 10 oder 40 Gigabit im Portfolio, die den kumulierten Daten-Sprach-Videoverkehr im
ße 1-Gigabit-Uplink-Ports bei 11ac-Wave-2
Backbone rasch weitertransportieren können.
Kommunikation und Netze Ⅱ/2015
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FUNKNETZE
auch die Firma selber drahtlose Geräte und Systeme zur Verfügung. In
solchen Szenarien stellen sich folgende Fragen:
Erstens: Welche dieser WLAN-Endgeräte sollen vom Unternehmen
drahtlos versorgt werden? Alle? Nur mobile? Auch stationäre? Welche
Standards haben diese Endgeräte? WLAN-11b? WLAN-11g? WLAN-11n
auf 2,4 GHz oder WLAN-11n im 5-GHz-Band? WLAN auf beiden Bändern? Danach fällt die Entscheidung, ob Single-Band- oder Dual-BandAPs infrage kommen, ob WLAN-11b, -11g oder -11n noch eine Weile
für die genutzten Endgerätegattungen reicht oder ob das Unternehmen
schon WiFi-11ac-Wave-1 oder gar -Wave-2 in Angriff nehmen sollte.
Zweitens: Welche Durchsatzanforderungen haben die drahtlosen
Endgeräte? Nur Daten? Auch Video? Vielleicht sogar Sprache über
WLAN? Braucht man High Performance auch für Power-User? Dann
beschränkt sich die Wahl sowieso auf 11n oder 11ac.
Drittens: Welcher Grad an Abdeckung wird benötigt? Das komplette
Gebäude? Das Gelände? Nur eine punktuelle Abdeckung? In MeetingRäumen? In der Lobby? Im Lager? Im Keller?
Überwachung des laufenden Betriebs
Wenn das mobile Netzwerk erst einmal funkt, empfiehlt sich ein ständiges Monitoring der tatsächlichen Nutzung, damit man Engpässe,
Schwachstellen und potenzielle Sicherheitslücken im LAN und WLAN
frühzeitig erkennt und ganz gezielt gegensteuern kann.
Hard- und Software für WLAN-Messungen gibt es von zahlreichen
Anbietern. Unter anderem sind die WiFi-Planungs- und MonitoringTools von Ekahau bei vielen Beratern, Installateuren und Systemintegratoren beliebt. Es gibt aber auch schon WLAN-Access-Points, die
Tools zur Netzwerk- und Security-Überwachung lokal eingebaut haben
und das Netz und seine Nutzung damit permanent überwachen können, etwa von Extreme Networks.
Netzplanung mit WLAN-11ac
Wer anno 2015 an ein neues oder erweitertes WLAN denkt, wird sicherlich auch Access-Points mit 11ac-Wave-2 testen und in die engere
Wahl nehmen. Allerdings gibt es immer noch Firmen, die nach wie vor
nur WLAN-802.11b bis 11 MBit/s auf 2,4 GHz haben, warten und pflegen wollen, weil sie in Lowspeed-Umgebungen einfach nicht mehr
Bandbreite brauchen.
In seltenen Fällen wollen Unternehmen schon deshalb kein Gigabit-WLAN-11ac, damit das Kernnetz hinter den schnellen APs nicht so
stark belastet wird. Allerdings gibt es auch andere Möglichkeiten, die
Last im Backbone in Schach zu halten, etwa indem man die Switches
aufrüstet oder den Traffic drosselt.
Wer schon heute weiß, dass er viel Durchsatz in seinem WLAN
braucht, weil viele User ihre Mobilgeräte mit fetten Applikationen bis
hin zu Videostreaming und Videoconferencing ohne Ruckeln betreiben
wollen, sollte bei einem neuen Funknetz auf alle Fälle 11ac-APs in die
enge Wahl nehmen. Doch Vorsicht! 11ac-1x1 mit bis zu 433 MBit/s ist
sogar langsamer als das „alte“ 11n-3x3 mit bis zu 450 MBit/s. Erst
ab zwei MIMO-Antennen kann 11ac das ältere 450-MBit/s-11n übertrumpfen. Also fragen Sie ihren Lieferanten bitte nicht pauschal nach
11ac, sondern nach der Anzahl der tatsächlich verbauten 11ac-Antennen, wenn Sie viel Speed benötigen.
Doch egal, ob 11n oder 11ac: Die maximale Datenrate kommt ohnehin nur auf kurze Distanz zustande, wenn sich keine größeren Hindernisse, etwa dicker Stahlbeton, zwischen Sender und Empfänger befinden. Wer in jeder Ecke und in jedem Winkel hohen WLAN-Speed
haben will, muss nun einmal kleine Zellen planen und entsprechend
viele Access-Points installieren.
Dr. Harald Karcher,
freier Mobile-Communications-Tester
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Autoren dieser Ausgabe:
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Harald Karcher, Friedrich List, Felix Marchal,
Klaus Pollak
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Kommunikation und Netze Ⅱ/2015