Die richtige Antenne

Moin Moin,

heute geht es mal um eine Frage, die meistens nicht gestellt wird. Welches ist die richtige Antenne? Die richtige Antenne hängt immer von der Umgebung ab und ist von elementarer Bedeutung. Viele Kunden interessieren sich zwar für den Hersteller des Access Points. Gerne wird hier auch mehr Geld für die Brands ausgegeben, aber qualitative Antennen? Fehlanzeige!

Beipiel Dipol Antenne

Jeder hat vermutlich schon einen dieser Access Points in ca. 10-12 Metern Höhe unterhalb der Decke einer Lagerhalle gesehen? Das Bild stammt aus dem „Cisco Aironet Series 1700/2700/3700 Access Points Deployment Guide“ und zeigt einen Cisco AP mit einer Dipole Antenne vom Typen „AIR-ANT2524DW-R“. Es handelt sich um eine Dual-Band Antenne mit einer „Elevation plane“ von 63° 2.4GHz bzw. 39° 5GHz. Die „Elevation plane“ gibt den horizontalen Öffnungswinkel an. Die „Azimut plane“ gibt den vertikalen Öffnungswinkel an, bei dieser Antenne 360°.

Aus diesem Grund sollen die Antenne z.B. Richtung Boden zeigen, damit sich die 360° um den Access Point verteilen.

Was ist an dieser Antenne jetzt falsch? Grundsätzlich nichts, aber die Antenne passt nicht zu dem Montage-Ort. Lagerhallen sind häufig mit Hochregalen ausgestattet. Diese haben vielleicht eine Höhe von 10 Metern und die Antenne ist in 12 Metern montiert. Zur Veranschaulichung habe ich eine Simulation einer Lagerhalle erstellt, in der Realität sieht dieses Ergebnis allerdings noch schlechter aus.

Signal Stärke 2.4GHz – in 1 Meter Höhe

Kanalüberlappung 2.4GHz – in 1 Meter Höhe

Signalstärke und Kanalüberlappung machen einen guten ersten Eindruck. Dieser Werte stammen aus einer Höhe von einem Meter über dem Boden. In etwa dieser Höhe wird Klassischerweise auch ein Site Survey durchgeführt.

Jetzt werfen wir einen Blick auf 12 Meter Höhe. Hier sieht die Welt schon etwas anders aus.

Signal Stärke 2.4GHz – in 12 Meter Höhe

Kanalüberlappung 2.4GHz – in 12 Meter Höhe

Wir haben eine Kanalüberlappung von 4 Access Points pro Kanal, da alle Access Points sich untereinander sehen können. Mit einem horizontalen Öffnungswinkel von 63° bzw. 39° schicken die Access Points mehr Daten unterhalb der Decke, als nach unten. Die Bandbreite eines Wireless LAN hängt nicht von der Anzahl an Access Points, sondern von dem Kanal ab. In diesem Szenario teilen sich 4 Access Points einen Kanal. Sendet ein Client oder AP, darf kein weiteres Gerät auf diesen 4 APs, die sich auf dem selben Kanal befinden, senden.

Wir minimieren somit den möglichen Datendurchsatz und erhöhen die Anzahl der Kollisionen. In einer Lagerumgebung mit einer Telnet oder SAP Webapplikation ist dies vermutlich nicht auffällig. Auch die Anzahl der Clients ist meistens überschaubar. In Zeiten von IoT und Industrie 4.0 wird sich dies aber rasant ändern.

Erläuterung RRM

Auch müssen wir folgenden elementaren Punkt berücksichtigen, die Simulation wurde mit einem statischen Design durchgeführt. Ein Großteil der Installationen erfolgt mit Automatismen wie bei Cisco das RRM. Mittels RRM sollen Sendeleistung und Kanaldesign „optimiert“ werden. Diese Techniken hat heute jeder Hersteller im Portfolio, bei Aruba ist es ARM , bei ExtremeNetworks heißt es SmartRF, Ruckus nennt es ChannelFly. Aus dem „Radio Resource Management White Paper“ von Cisco stammt folgende Grafik.

Ziel des TPC im RRM ist es, die Sendeleistung der Access Points auf die Umgebung anzupassen. Dafür wird mittels der „TX Neighbor & RX Neighbor“ Liste die Sendeleistung der Access Points optimiert. Problem in unserem Szenario ist allerdings, dass die Access Points sich unterhalb der Decke sehr stark hören und unsere Clients auf dem Boden aktiv sind. Im schlimmsten Fall wird also die Sendeleistung der Access Points soweit minimiert, dass die Abdeckung auf dem Boden nicht mehr ausreichend ist. Den eine Abdeckung unterhalb der Decke benötigt kaum Sendeleistung und die Access Points sehen sich so deutlich, dass die Abdeckung gut sein muss. Unsere Clients laufen aber auf dem Boden!

Zur Veranschaulichung habe ich einmal die Demo Datei im Ekahau verwendet. Die Simulation zeigt die Signalstärke im 5GHz Band an.

25mW TX Power, 18dBm EIRP, Höhe 1 Meter

25mW TX Power, 18dBm EIRP, Höhe 12 Meter

Beim Aufbau der „TX Neighbor & RX Neighbor“ Liste werden die Daten des zweiten Bildes verwendet. Das die Access Points sich in 12 Meter Höhe sehen, können dies nicht wissen.

Jetzt passen die Access Points die Sendeleistung an, um eine gute Abdeckung zu gewähren. Dies könnte z.B. wie folgt aussehen.

12m Höhe mit angepassten Sendeleistungen

Aber wie sieht das Signal kurz vor dem Boden aus, dort unsere Scanner arbeiten sollen?

1m Höhe mit angepassten Sendeleistungen

Bei weiten nicht ausreichend genug. Auch dies kann durch eine optimale Auswahl der Antennen korrigiert werden. Natürlich spielen in der Kalkulation noch weitere Punkte eine Rolle. Beim SmartRF der WiNG Lösung z.B. wurde/wird auch die Signalstärke eines ZEBRA Scanners einkalkuliert. Hier handelt es sich allerdings um eine proprietäre Lösung. Eine Weitere Funktion ist die „Coverage Hole Detection“.

Mittels „Coverage Hole Detection“ wird die Sendeleistung eines Access Points erhöht, um Funklöcher zu vermeiden. Einfach gesagt, wenn mein Client eine gewisse Zeit ein schlechtes Signal hat, erhöht der Access Point die Sendeleistung. Ein schlechtes Signal auf einem Client sorgt allerdings auch für langsamere Datenraten.

Fazit – falsche Antenne

Das Fazit dieser Installation ist relativ einfach. Wir geben viel Geld für Access Points aus und sparen daher bei den Antennen. Um auch den Aufwand für die Konfiguration zu sparen, nutzten wir RRM. Eventuell hat dies auch den Hintergrund, dass meine Umgebung sehr variable ist und ich mir mittels RRM eine Optimierung erhoffe.

Diese Optimierung erfolgt auch. Das WLAN wird soweit reguliert, dass sich die Kanäle nicht zu stark überschneiden, aber eine komplette Abdeckung gewährleistet ist. Leider erfolgt dies unterhalb der Decke und meine Clients arbeiten am Boden. Fange ich jetzt am Boden an zu arbeiten, fängt mein Algorithmus an zu arbeiten. Mein Client Signal wird immer schlechter, meine Datenrate nimmt ab, ein neuer Access Point ist nicht in Sicht. Mein aktueller Access Point erhöht ggf. seine Sendeleistung. Durch die zunehmende Entfernung zum Access Point wird mein Signal wieder schwächer, meine Datenrate nimmt erneut ab. Der Access Point dreht ggf. die Leistung weiter hoch. Jetzt komme ich endlich unterhalb eines neuen Access Point an und kann mich hoffentlich zu diesem Verbinden. Meine Signalstärke hat wieder zugenommen, meine Datenrate erhöht sich entsprechend. Ich konsumiere weniger Airtime, die entsprechend anderen Clients zur verfügung steht und den Durchsatz auf diesem Kanal erhöht.

Aber auch von diesem Access Point entferne ich mich wieder und der Algorithmus fängt erneut an zu arbeiten. Eventuell kommt jetzt der Administrator und erzählt mir noch, dass meine Clients schlecht roamen. Aber warum ist dies so? Auf der Halle kurz testen, tatsächlich. Ich kann den alten Access Point optisch nicht mehr sehen, den neuen kann ich schon sehen. Mein Client wechselt trotzdem nicht den Access Point. Da war ja was, der neue hat wie der alte Access Point am Anfang eine sehr schwache Sendeleistung. Erst der Algorithmus optimiert die Sendeleistung an meinen verbundenen Client. Daher bleibe ich viel länger an meinem Access Point, der immer wieder die Sendeleistung erhöht.

Am Ende des Tages habe ich ein WLAN, dass „funktioniert“ und für eine Telnet Verbindung ausreicht. Mit einem ordentlichen Design könnte ich allerdings auch ein WLAN haben, dass zukünftige für Anforderungen gewappnet ist.

Und welches ist jetzt richtige Antenne?

Wie bereits erwähnt, gibt es nicht die richtige Antenne. Es gibt aber eine richtige Antenne für einen definierten Einsatz. Wollen wir z.B. einen Hochregalgang ausleuchten, kann ich eventuell eine Patchantenne verwenden und diese an der Wand oder Decke montieren.

ATS-OP-245-6-4NP-36 – 2.4GHz

Dieses „Antennen Pattern“ stammen von einer Patch Antenne. Durch die Ausleuchtung „nach Vorne“ wird das Signal gebündelt in den Gang verschickt. Hierdurch minimieren wir nicht nur die  Kanalüberlappungen, auch haben wir mehr Antennenleistung. Die Leistung der Antenne können wir in beide Richtungen messen. Ein Client der schwach sendet, kann durch einen höheren Antennengewinn am Access Point besser gehört werden. Damit steigt der Abstand zwischen Signalstärke und Rauschen (SNR). Dies sorgt für höhere Übertragungsraten, welche wiederum weniger Airtime konsumiert.

Zusätzlich minimieren wir den „Blickwinkel“ der Antenne, was auch bedeutet, dass wir weniger Störquellen von links und rechts empfangenen.

Diese Antenne ist allerdings nicht zwingend für eine klassische Büroumgebung geeignet, da wir hier häufig den Bereich um einen Access Points abdecken wollen. Dafür eigenen sich dann wiederum eine Omni Antenne, wie z.B. die  interne Antenne eines Access Points.

Aber auch bei der internen Antenne eines Access Points muss die Art der Montage berücksichtigt werden. Erneut aus dem „Cisco Aironet Series 1700/2700/3700 Access Points Deployment Guide“, ein Bild der „Antennen Pattern“ des AP2702i. Die Azimuth, sprich der vertikale Öffnungswinkel, liegt bei 360°. Horizontal haben wir eine Downtill Antenne, deren Ausrichtung in Richtung der LEDs auf dem Access Point erfolgt.

Aus diesem Grund sind die Access Points mit internen Antenne fast ausschließlich für die Deckenmontage vorgesehen. Auch sollte die Montage unterhalb der Decke oder abgehängten Decke erfolgen! Ist dies nicht möglich, kann ich wiederum mit einer externen Antenne arbeiten. Diese lässt sich bei Bedarf auch lackieren (bitte keine metallhaltigen Farben verwenden!) oder entsprechend der Optik der Decke gestallten.

Alternativ gibt es auch extra Einsätze für die Abgehängte Decke, die eine Montage innerhalb der Deckenplatte ermöglichen. Diese Deckenplatten müssen entsprechend des Access Points Typen gekauft werden. Auf dem Bild ist ein Beispiel mit einem Cisco AP2702I abgebildet

Fazit – richtige Antenne

Die Umgebung bestimmt meine Antenne. Antennen gibt es in einer großen Variation. Auch beim entsprechende Montagezubehör gibt es eine große Bandbreite an Möglichkeiten. In Stadien erfolgt die Montage z.B. häufig unterhalb der Sitze. Die Besucher werden als Dämpfung verwendet, um die Ausbreitung des Signals zu minimieren und damit die Kanalüberlappung zu minimieren. Ein kompetenter Consultant muss die entsprechende Beratung liefern und bei einem Site Survey bereits die richtigen Antennen zur Durchführung verwenden. Geschieht dies nicht, ist das Ergebnis des Site Surveys bereits falsch. Aber hierzu werde ich in einem zukünftigen Eintrag noch einiges schreiben.

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