W-LAN-Planung für Gebäude
W-LAN wird ähnlich wie die universelle strukturierte Verkabelung nach IS11801 innerhalb der Firmen IT immer stärker als flächendeckende universelle drahtlose Infrastruktur für Firmengebäude verstanden. Für die universelle Gebäudeverkabelung haben sich feste Planungs- und Installationsstrategien eingebürgert. Ein systematischer Planungsablauf ist auch bei W-LAN-Infrastrukturen die Voraussetzung für eine sichere Funktion. Der seit September verfügbare neue Standard IEEE802.11n erhöht die zu erwartende Leistungsfähigkeit dieser Infrastrukturen um ein Vielfaches. Der hier beschriebene systematische W-LAN Planungsprozess mündet immer in einer gebäudestrukturbezogenen Maßanfertigung.
Aus der Vergangenheit stammen die Begriffe W-LAN-Ausleuchtung und Standortbegehung (englisch: Site Survey). Diese Begriffe beschreiben die Vermessung eines Referenz Access Points in einem zu beplanenden Gebäude. Diese Technik wurde mit der Verfügbarkeit von W-LAN-Planungswerkzeugen verfeinert. Ein W-LAN-Client, idealerweise ein Tablet-PC mit W-LAN NIC, dient als Messplattform. Der Client hilft durch die halbautomatische Verknüpfung des Begehungsweges und der Messwerte der Empfangssignalstärke eines Referenz Access Points, eine detaillierte Ausbreitungskarte einer W-LAN-Funkzelle auf einem Gebäudeplan zu erstellen. Für die Nachrüstung von W-LAN in bereits bestehenden Gebäuden ist diese Methode nach wie vor die mit der besten Planungssicherheit. Allerdings steigt mit zunehmender Gebäudefläche auch der Aufwand für die W-LAN-Planung durch Standortbegehung. Außerdem muss die Planungsbegehung zu einem Zeitpunkt stattfinden, an dem das Gebäude bereits voll ausgebaut ist. Lagerregale z.B. sollten mindestens zu drei Vierteln gefüllt sein. Die Leichtbaubürotrennwände sollten gesetzt, deckenhohe Archivschränke und -regale gestellt und idealerweise befüllt sein. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllbar sind bzw. ein neues noch nicht existentes Gebäude zu planen ist, bietet sich die W-LAN-Simulation als Planungsmethode an. Bei Neubauten und bei Sanierungen kann die W-LAN-Simulation dem Elektroplaner bzw. Elektroinstallateur immer zur rechten Zeit im Projektablauf die genauen Montagepunkte für die Datendosen liefern, an denen Access Points anzuschließen sind.
Projektbeispiel
Am Beispiel eines kleinen fiktiven Projektes soll der systematische W-LAN-Planungszyklus, bestehend aus Simulation, Installation und Dokumentation der fertigen Infrastruktur, im folgenden beschrieben werden. Am Anfang war ein Gebäudeplan des Obergeschosses von Halle 2 des Berliner Messegeländes. Die Halle lässt sich als ein einfaches Rechteck von 98x64m Kantenlänge beschreiben. Die Deckenhöhe liegt bei 10m. Auf der Mittelachse der Halle verteilen sich vier aus Stahlbeton bestehende quaderförmige Säulen. Um die Anzahl der benötigten W-LAN-Access Points, und deren Montagepunkte bereits vor dem Aufbau von Messeständen festlegen zu können, wurde im ersten Schritt mithilfe der W-LAN-Simulationssoftware RF3D von Psiber Data die Planung des Netzes vorgenommen. Für eine W-LAN-Simulation ist zuerst ein Gebäudemodell zu kreieren. Mit RF3D können die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen für die W-LAN-Frequenzen in drei Dimensionen vorausberechnen. Ein 3D-Gebäudemodell wird schichtweise aus mehreren übereinanderliegenden Etagengrundrissen errichtet. Ein Softwareassistent hilft bei der Skalierung und genauen Ausrichtung der Etagenpläne sowie bei der Einstellung der Abstände zwischen den einzelnen Gebäudeebenen von einer definierten Nulllinie ausgehend. Die einzelnen Gebäudepläne werden im JPG-Format in das Programm eingelesen. Im nächsten Schritt sind Wandmaterialien aus einer ins Programm integrierten Datenbank möglichst passend zum in der Realität verwendeten Baumaterial auszuwählen und die Struktur des Gebäudes mit dem gewählten Material nachzuzeichnen. Es wurde eine für fortgeschrittene Programmnutzer änderbare Umgebungsdämpfungsvariable an eine offene Halle mit der relativ niedrigen Dämpfung von nach oben offenen internen Strukturen angepasst. Wir wählten zur Simulation die Einstellung ‚Factory/Warehouse‘. Im folgenden Schritt werden ebenfalls aus einer in das Programm integrierten Datenbank Access Points, bzw. die an diese Access Points montierten Antennen, mit unterschiedlichen 3D-Charakteristiken ausgewählt. Die Anordnung der Access Points im Gebäude sollte eine flächendeckene Verfügbarkeit von mindestens -70dBm Empfangssignalstärke ermöglichen. Die editierbaren Eigenschaften eines virtuellen Access Points sind der Name, die Sendeleistung (typischerweise 16dBm = 40mW), das Frequenzband bzw. der verwendete IEEE-Standard und die Kanalnummer. Weiterhin müssen bei gerichteten Antennencharakteristiken der Montagewinkel in der horizontalen und in der vertikalen Ebene an die real zu konfigurierenden Gegebenheiten angepasst werden. Die Montagehöhe der Access Points über der jeweiligen Geschossebene beeinflusst ebenfalls die Ausbreitung der Funkzelle. Die W-LAN-Planung durch Simulation birgt Planungsrisiken wie fehlerhafte Bemaßung, nicht oder unzureichend beschriebene Wandmaterialien etc. Die Beschaffung der korrekten und aktuellen Planungsdaten sollte Aufgabe des künftigen W-LAN-Betreibers sein. Am besten lässt man sich als Planer die Gebäudemodellierung vor der AP Simulation vom W-LAN-Betreiber/Gebäudeeigner bestätigen. Im Idealfall kann eine W-LAN-Simulation die genauen Standorte der Access Points vorgeben und ihre Montage ohne spätere kostspielige Verlagerungen vorgenommen werden. Um nach der Installation der Access Points eine Dokumentation zur erhalten, die Planungsfehler ggf. aufdeckt, ist ein protokollarische Kartografierung der Verteilung der Empfangssignalstärken notwendige Pflicht. Wie anfangs beschrieben, kommt hierzu eine W-LAN Mapping Software zum Einsatz. Da bereits alle Access Points installiert sind, reduziert sich der Aufwand gegenüber der planenden Standortbegehung mittels Referenz Access Point. In der Regel genügt ein kompletter Durchlauf der gesamten Installation. Die erfassten Daten, die Empfangssignalstärken aller ‚hörbaren‘ Access Points, dienen der Dokumentation und/oder der Fehleranalyse. Durch die protokollarische Standortbegehung wird auch die korrekte Umsetzung der Planungsvorgaben dokumentiert. Falsch positionierte Access Points, falsch montierte Antennen, falsch konfigurierte Access Points werden erkannt. Mängel können kontrolliert abgestellt werden. Die fehlerfreie Funktion der W-LAN-Infrastruktur ist damit sichergestellt.
W-LAN-Standard IEEE802.11n
Der für unser fiktives Projekt beschriebene systematische Planungsablauf erfüllt auch die Anforderungen, die für den künftigen W-LAN-Standard IEEE802.11n gelten. Die für die Planung relevanten physikalischen Ausbreitungseigenschaften von elektromagnetischen Wellen bei 2,4 und 5GHz bleiben nämlich gleich. Das Berechnen, Vermessen und Visualisieren von Empfangssignalstärke und Signal-Rausch-Abstand ändert sich bei IEEE802.11n nicht. Die Vermessung der Empfangssignalstärke kann für künftige .11n-Netzwerke auch auf der Basis eines Referenz Access Points nach abg-Standard erfolgen. Im beschriebenen Projekt wurde ein Dual-Band-W-LAN geplant. Es wurden Access Points installiert, die mittels doppeltem Funkmodul die Standards .11a/h,b/g gleichzeitig unterstützen. Der Grund hierfür lag in der auf Messen zu erwartenden, sehr hohen Auslastung im 2,4GHz-Band. Das 5GHz- W-LAN bietet aufgrund seiner nahezu unverrauschten 19 interferenzfrei zu betreibenden Kanäle wesentlich mehr Kapazitäten als das 2,4GHz-Band. Damit wird die Verfügbarkeit der W-LAN-Infrastruktur auch unter außergewöhnlichen Lastzuständen sichergestellt. Das wichtigste funktechnische .11n-Planungsproblem ist damit ganz nebenbei bereits gelöst. IEEE802.11n-konforme W-LANs machen wegen des für die volle Bruttodatenrate (derzeit 300MBit/s, später bis zu 600Mbit/s) notwendigen Channelbondings nur als Dual Band Infrastruktur Sinn. Aufgrund der hohen Nutzungslast der 2,4GHz-Frequenzen durch Crosschannelinterferenzen und Fremdnutzer wird sich Channelbonding dort häufig nicht nutzen lassen. Die mögliche Datenrate halbiert sich dann. Vollen .11n-konformen W-LAN-Durchsatz bekommt der Anwender dann nur im 5GHz-Band. Weitere .11n-bezogene Planungsprobleme betreffen nicht die Luftschnittstelle, sondern die verkabelten Zugänge zu den Access Points. Bei zu erwartenden Nettodurchsätzen von durchaus mehr als 100MBit/s pro Funkschnittstelle und der Annahme, dass ein für Firmennetzwerke gedachter Access Point mit mindestens zwei Funkmodulen ausgestattet ist, kann ein 100-Base-T-Netzwerkzugang bereits zum Flaschenhals werden. Deshalb gehört auch ein Gigabit Ethernet Interface zur Standardausstattung eines .11n Access Points. Viele, bisher dem Markt vorgestellte, N Access Points benötigen mehr elektrische Leistung als durch den Standard PoE (IEEE 802.3af) verfügbar gemacht werden kann. Der Planer einer Access Point Zugangsverkabelung muss also Voraussetzungen schaffen, damit Gigabit Ethernet in Kombination mit leistungsstärkerem PoE (z.B. nach dem werdenden Standard IEEE802.3at) genutzt werden kann.
Fazit
Mit der Einführung von IEEE802.11n konformen Infrastrukturen ändern sich die bisherigen W-LAN Planungs- und Dokumentationsmethoden prinzipiell nicht. Wegen des zur Durchsatzsteigerung genutzten Channelbondings wird aber neben dem 2,4GHz-Band die Nutzung der 5GHz-Bänder zur Pflicht.
