Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit sind extrem wichtige Kriterien bei der Übertragung von zeitkritischen Anwendungen. Die Uptime wird durch die Zuverlässigkeit der Übertragungskomponenten, die Redundanz und eine schnelle Umschaltung im Fehlerfall bestimmt. Die Verfügbarkeit eines Dienstes innerhalb eines Unternehmens (Abdeckung) ist für die Systembewertung ebenfalls wichtig. Dieser Parameter wird durch die Abdeckung des Funkfeldes, somit durch die Dichte der Access Points (APs) und durch lokal auftretende Störungen vorgegeben. Da die Mobilität eine der Schlüsselkomponenten der Verfügbarkeit der Dienste ist, darf das WLAN-System (bestehend aus mehreren Access Points) nicht die Verbindungen zu den mobilen Geräten verlieren. Die Mobilität wird durch das Roaming und die für den Roaming-Prozess notwendige Zeit bestimmt.

Eine schlechte Roaming-Performance wirkt sich somit direkt auf die Qualität eines Dienstes für den Benutzer aus. Ursachen für eine verminderte Roaming- Performance sind beispielsweise extrem hohe Umschaltzeiten, Abbruch der Verbindungen während des Roaming-Prozesses, Abstürze der Systeme oder Überlastung der Service-Infrastruktur. Da diese Effekte in der Praxis relativ häufig auftreten, ist es notwendig, dass eine WLAN-Infrastruktur bereits in der Planungsphase unter realistischen Roaming- Lasten getestet wird, um späteren Problemen vorzubeugen.

Manueller Test der Roaming-Performance
Eine der am häufigsten genutzten Methoden zum Test der Roaming-Performance besteht darin, die Laptops und WLAN-Handys physikalisch im jeweiligen Testumfeld zu bewegen. In diesem Szenario werden die APs innerhalb eines großen Raums so angebracht, dass diese das Funkfeld simulieren. Auf einem Wagen werden die Laptops beziehungsweise WLAN-Handys montiert, die WLAN-Client-Interfaces aktiviert und die jeweiligen Anwendungen gestartet. Die Laptops tauschen die Informationen über das WLAN mit den Servern aus und die WLAN-Handys sind über die APs mit dem Netzwerk verbunden. Der so präparierte Wagen wird anschließend innerhalb des jeweiligen Freiraums manuell bewegt. Dadurch wird die Bewegung der Laptops beziehungsweise der WLAN-Telefone von einem AP zum nächsten AP simuliert und das Roaming zwischen den Geräten initiiert.

Die beschriebene manuelle Testmethode ist weder effizient noch skalierbar. Die Anzahl der in den Test eingebundenen APs ist außerdem durch den vorhandenen physikalischen Raum begrenzt. Ungenaue physikalische Parameter machen eine Reproduktion von Problemen ungeheuer schwierig. In der Praxis ist es fast unmöglich, die Bewegung eines oder mehrerer Clients exakt zu reproduzieren. Außerdem ist das zeitgleiche Management von einigen Dutzend Laptops schwierig und die Roaming- Muster entsprechen kaum der Realität (beispielsweise bewegen sich die Laptops immer als geschlossene Gruppe von AP zu AP). Darüber hinaus stellen die in einem solchen undefinierten Testumfeld auftretenden HF-Störungen beziehungsweise Interferenzen eine nicht unerhebliche Quelle zur Verfälschung der Messergebnisse dar.

Aufbau und Einsatz der Dämpfungsmethode
Eine etwas verbesserte Messmethode des Roaming-Tests nutzt ein Array aus Dämpfungsgliedern, um die Effekte beim Ein- und Ausbuchen von Clients auf APs zu simulieren. Dieser Testaufbau beseitigt externe Interferenzen und sorgt für einen kontrollierten automatischen Ablauf der Roaming-Tests.


Bild 1: Aufbau und Ablauf einer Messung mit der Dämpfungsmethode

Bei der Dämpfungsmethode werden die WLAN-Clients (in einigen Fällen auch WLAN-NICs) in einer geschirmten Kammer untergebracht. Die APs werden in weiteren abgeschirmten Kammern installiert. Die Verbindungen zwischen den APs und der Kabelinfrastruktur (beziehungsweise zwischen den notwendigen WLAN-Switches oder -Controllern) erfolgt mit Hilfe von Ethernet-Kabeln. Die Anbindung der WLAN-Interfaces der Clients und den APs erfolgt über HF-Kabel. Die HF-Kabel werden dabei direkt mit den Antennenports der jeweiligen Komponenten verbunden. Verfügen die Geräte nur über fest eingebaute Antennen, erfolgt die Anbindung über eine Probe. Die Zuführungskabel für die Clients und die APs werden mit den Dämpfungsgliedern verbunden. Bild 1 zeigt einen typischen Testaufbau mit der Vermaschung von drei APs und zwei Clients.

Durch eine Erhöhung beziehungsweise Verringerung der Dämpfung wird bei diesem Test die Bewegung der Clients zwischen den APs simuliert. Wird bei der in Bild 1 dargestellten Konfiguration die Dämpfung des ersten Dämpfungsglieds erhöht und die Dämpfung des zweiten Dämpfungsglieds reduziert, wird der linke Client per Roaming vom ersten auf den zweiten AP umschalten. Das eigentliche Roaming findet genau zu dem Zeitpunkt statt, wenn der Client entscheidet,
 

• dass die bestehende Signalstärke geringer ist (beziehungsweise der eingestellte Schwellenwert unterschritten ist)
• und/oder das Frame Error Ratio (FER) eines APs geringer ist
• und die Signalstärke eines anderen APs im Umfeld größer ist (der eingestellte Schwellenwert überschritten ist).

Damit lässt sich das Roaming der Clients zwischen den APs durch die Veränderung der Signalpegel anstoßen. Die Roaming- Tests lassen sich in diesem Beispiel zu einem gewissen Maß automatisieren und die externen Interferenzen durch die Isolationsboxen ausschließen.

Die Dämpfungsmethode weist jedoch einige Nachteile auf. Bei der Skalierung zeigt der Testaufbau erhebliche Mängel. Echte WLAN-Clients erfordern für den Aufbau erheblichen Platz, Strom und strapazieren das Testbudget (Beschaffung) erheblich. Jeder der WLAN-Clients muss in einer separaten Isolierkammer untergebracht werden. Ein Roaming-Test mit 500 Clients ist somit kaum zu realisieren. Mit der Zunahme der Clients steigt auch die Anzahl der notwendigen Kabel. Unbeabsichtigte HF-Lecks können entstehen und die Messergebnisse verfälschen. Daher eignet sich dieser Test nur bis zu einer Größenordnung von zehn bis 20 Clients und fünf bis zehn APs.

Die Dämpfungsmethode hat auch den weiteren Nachteil, dass Sie mit diesem Testszenario eigentlich nur die Interoperabilität zwischen den unterschiedlichen Clients und den APs testen. Aspekte wie beispielsweise eine objektive Performance- oder Funktionsmessungen sind eigentlich nicht realisierbar. Da bei diesem Test echte Clients genutzt werden, ist es fast unmöglich, die Aspekte der Clients von denen der APs oder WLAN-Switches zu separieren. Bei einem fehlgeschlagenen Roaming-Prozess – der Client schaltet nicht auf den gewünschten AP um – ist es fast unmöglich, die Ursache hierfür festzustellen. In der Praxis kann es am Client oder am AP liegen. Die Clients erhöhen unter Umständen auch die für den Roaming-Prozess notwendige Zeit. Dies kann seine Ursache in einer unklaren Signallage und verzögerten Roaming-Entscheidungen haben. Die unklaren Effekte wirken sich als eine der Realität nicht entsprechende AP- oder WLAN-Switch-Performance aus. Da jede Gerätekonfiguration ihre eigenen Charakteristiken aufweist, müssen alle Kombinationen an Clients und APs getestet werden, um exakte Aussagen über die Roaming Performance eines APs zu erhalten.


Bild 2: Exakte Messungen der Roaming-Performance erfordern ein WLAN-Testsystem

Tests müssen reproduzierbar und in allen Parametern kontrollierbar sein. Dies ist bei der Messmethode mit Dämpfungsgliedern nicht gegeben. Dies ist auf die Nutzung der echten Clients in der Testumgebung zurückzuführen. Handelsübliche Clients entsprechen nicht den Bedingungen von Testgeräten. Auf den Clients werden Standardbetriebssysteme in Kombination mit unterschiedlichen Software-Treibern genutzt. Da viele Parameter zusammenwirken, sind diese Geräte extrem schwer zu koordinieren und in Stressszenarien miteinander zu synchronisieren.

Die Roaming-Entscheidung eines echten Clients in einer echten WLAN-Umgebung hängt in der Regel von der Leistung und der Empfindlichkeit des Client HF-Interfaces gegenüber dem Funkinterface des APs ab. Ein echter Client trifft eine Roaming-Entscheidung, wenn der RSSI und das Frame Error Ratio des Signals vom AP unter einen festgelegten Schwellenwert fällt. Diese Parameter können in der Praxis durch die normalen Herstellungstoleranzen jedoch stark schwanken. Daher verhalten sich zwei identische Clients (gleicher Hersteller und gleiches Modell) beim Roaming nicht gleich und das Umschalten zwischen den APs erfolgt nicht zum gleichen Zeitpunkt. In extremen Fällen kann es passieren, dass einer der Clients (beispielsweise bei optimaler Einstellung des Funk-Interfaces und bei einer extrem hohen Empfindlichkeit) den Roaming- Prozess überhaupt nicht aktiviert. Dadurch ist diese Art des Testens in größeren Testaufbauten nicht kontrollierbar und die Ergebnisse können erhebliche Abweichungen aufweisen.

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Mathias Hein/Prof. Dr. Bernhard Stütz/jp/ln