WLAN-Planungstools im Vergleich – Ekahau Pro versus iBwave Design

Beide Programme leisten tatsächlich noch einiges mehr. Ekahau konzentriert sich neben der Zellplanung mittels Simulation für WLANs gemäß IEEE 802.11 im 2,4- und 5-GHz-Frequenzbereich hauptsächlich auf das Thema Messung. Dem entgegen liegt bei iBWave der Fokus auf der Simulation und Planung, wobei neben WLAN noch zahlreiche andere Funktechniken angeboten werden, insbesondere Mobilfunk, der für sich alleine hinsichtlich des unterstützten Frequenzspektrums und Zugriffsverfahrens bereits äußerst umfangreich ist. Daneben werden weitere Funktechniken wie Zigbee (IoT), DECT, LoRa und viele andere mehr unterstützt.

Der Testaufbau

Für die Durchführung des Vergleichstests haben wir uns das 1. Obergeschoss des Firmengebäudes der ComConsult GmbH ausgesucht. Es handelt sich um eine typische Büroumgebung, die in ähnlicher Form auch bei vielen unserer Kunden vorzufinden ist. Das gesamte Gebäude ist flächendeckend mit WLAN gemäß IEEE 802.11ac ausgeleuchtet. Es sind die für solche Bereiche üblichen Anwendungen zu finden, wie zum Beispiel Office-Anwendungen, Sprach- und Video-Anwendungen wie Microsoft Teams, ein WLAN-Internetzugang für Gäste und auch (angesichts der Nähe zur belgischen Grenze wichtig) Wi-Fi Calling. Für unseren Test führten wir zunächst eine WLAN-Simulation mit Ekahau Pro und iBwave Design Enterprise durch. Für beide Simulationen gebrauchten wir möglichst dieselben Planungsparameter, wie beispielsweise den verwendeten Access Point einschließlich der in der realen Umgebung verwendeten Kanäle, Kanalbandbreiten und Sendeleistungen. Beide Simulationen beschränkten sich dabei auf WLAN gemäß IEEE 802.11g/n und IEEE 802.11n/ac. Die Übernahme der tatsächlich genutzten Sendeparameter half uns schließlich dabei, beide Simulationsergebnisse nicht nur miteinander, sondern auch mit der tatsächlichen Situation zu vergleichen. Die hierfür notwendige WLAN-Ausleuchtungsmessung führten wir mithilfe von Ekahau Pro und dem zugehörigen Messadapter Ekahau Sidekick durch. Eine Kontrollmessung unter Zuhilfenahme von iBwave wurde in diesem Vergleich nicht durchgeführt.

Ekahau Pro

Ekahau Pro, ehemals Ekahau Site Survey, ist mittlerweile in der Version 10.4 verfügbar. Die Mess- und Planungssoftware wird von dem aus Finnland stammenden Unternehmen Ekahau Oy entwickelt. Ekahau konzentriert sich auf WLAN im 2,4- und 5-GHz-Frequenzband und auf Bluetooth bzw. Bluetooth Low Energy (BLE). Zusammengefasst bietet die Software zwei Funktionen: die Durchführung von Site Surveys sowie WLAN-Zellplanungen mittels einer Simulation. Die Software ist lauffähig unter Microsoft Windows ab Version 7 oder MacOS 10. Der Hersteller empfiehlt eine Speichergröße von 16 GByte oder mehr. Für die Durchführung von Site Surveys ist ein Endgerät mit Stifteingabe empfehlenswert.

Ekahau unterstützt zahlreiche WLAN-Adapter für Messungen und vertreibt zusätzlich eigene Messhardware: einen USB-Adapter (Ekahau SA1) für die Durchführung von passiven Site Surveys und den Ekahau Sidekick. Der tragbare und akkubetriebene Messadapter Ekahau Sidekick beherbergt zwei integrierte Dualband-WLAN-Empfänger für passive Site Surveys und einen Spektrum-Analysator. Letzterer misst im Frequenzbereich von 2,4 bis 2,495 GHz sowie von 5,0 bis 5,95 GHz mit einer Auflösung von 39 kHz. Eine passende Lizenz vorausgesetzt, können mithilfe des Sidekicks Pakete auf der Luftschnittstelle zusätzlich aufgezeichnet und anschließend mittels eines Protokollanalysators, wie zum Beispiel Wireshark, analysiert werden. Bezieht man den im Messnotebook integrierten WLAN-Empfänger mit ein, können folgende Messungen innerhalb eines Messlaufes gleichzeitig durchgeführt werden:

• Passives Site Survey mithilfe der beiden in Sidekick integrierten WLAN-Adapter, wobei diese für einen der beiden Frequenzbereiche oder auch nur für einzelne Kanäle individuell konfiguriert werden können. Passives Site Survey bedeutet, dass die Adapter nicht mit einem WLAN verbunden bzw. assoziiert sind, sondern lediglich in die Luftschnittstelle hineinhorchen und alle für die Messung voreingestellten Kanäle zyklisch durchlaufen. Dabei werden jeweils die von den Access Points ausgesendeten Beacon Frames ausgewertet. Hierbei handelt es sich um spezielle Management Frames, die in der Regel alle 102,4 ms von jedem Access Point und für jede SSID ausgesendet werden. Mithilfe dieser Broadcasts versorgen Access Points alle in ihrem Empfangsbereich vorhandenen Stationen über die für die Anmeldung an das WLAN benötigten Informationen. Hierzu gehören zum Beispiel die unterstützten Zugriffsverfahren und Datenraten, die verwendeten Sicherheitsparameter oder auch die zu verwendenden Einstellungen für Quality of Service. Folglich ermittelt Ekahau über das passive Site Survey für alle im Messgebiet aktiven Access Points die Signalstärke, die verwendeten Kanäle, die ausgesendeten SSIDs sowie Namen und MAC-Adressen der Access Points. Da während der Messung die aktuelle Position stetig in den Plan übertragen wird, werden folglich alle über das WLAN gesammelten Informationen von Ekahau ortsabhängig erfasst und dargestellt. Die Übergabe der aktuellen Position erfolgt dabei üblicherweise über Stift- oder Mauseingaben und, im Falle geeigneter Hardware, zusätzlich unterstützend durch Bewegungssensoren oder im Außenbereich über GPS. Es gibt zwei unterschiedliche Arten, wie eine passive Messung durchgeführt werden kann, welche sich kontinuierliche und Stop-and-Go-Messung nennen. Bei einer kontinuierlichen Messung werden die Messwerte entlang des während der Messung zurückgelegten Weges automatisch aufgeteilt. Bei einer Stop-and-Go-Messung wird jeder Messwert einer exakten Position im Plan zugeordnet. Bei beiden Messverfahren kann die Genauigkeit erhöht werden, indem mit mehreren Messadaptern gleichzeitig gemessen wird. Schließlich müssen alle im WLAN genutzten Kanäle von den Messadaptern zyklisch durchlaufen werden. Ekahau bietet die Möglichkeit, zwischen beiden Messarten inmitten einer Ausleuchtungsmessung zu wechseln.
• Parallel zum passiven Site Survey kann mithilfe des im Messgerät eingebauten WLAN-Adapters eine aktive Messung durchgeführt werden. Für die aktive Vermessung ist der WLAN-Adapter mit dem WLAN assoziiert und misst entweder die Paketlaufzeit mittels ICMP („Ping“) oder den Datendurchsatz für UDP oder TCP in Upload- oder Download-Richtung. Auch die Messergebnisse des aktiven Surveys werden ortsabhängig in Form einer Heatmap dargestellt.
• Bei einer dritten gleichzeitigen Messung können zusätzlich eine Spektralanalyse für 2,4 und 5 GHz durchgeführt und somit auch Störquellen wie zum Beispiel Mikrowellenherde oder Bewegungsmelder sichtbar gemacht werden.

Durch die Kombination aus allen Messverfahren erhält man folglich nicht nur eine Information über die Qualität der Funkausleuchtung und eine ortsgenaue Information über alle vorhandenen Access Points und SSIDs, sondern auch noch den Grund für eventuelle Probleme im WLAN. In Abbildung 1 sind als Ergebnis einer Spektralanalyse die Spektren von Bewegungsmeldern im Bereich der Kanäle 1, 8 und 10 deutlich zu erkennen.

Neben der Durchführung von Site Surveys bietet Ekahau die Möglichkeit, eine WLAN-Zellplanung mittels Simulation auszuführen. Es können sämtliche IEEE-802.11-WLAN-Zugriffsverfahren von IEEE 802.11b bei 2,4 GHz bis IEEE 802.11ax bei 2,4 und 5 GHz sowie BLE simuliert werden. Hierfür steht eine Datenbank von mehr als 2.500 Access Points und Antennen zur Verfügung. Die Simulation erfolgt grafisch, indem Access Points und alle das Signal dämpfenden Elemente, wie zum Beispiel Wände oder Regale, in einen zuvor eingelesenen Gebäudeplan eingebracht werden können. Für alle Bauelemente können deren Dämpfungseigenschaften sowie die vertikale Ausdehnung und Position editiert werden. Somit ist es möglich, eigene Bauelemente in Ekahau anzulegen und für die Simulation zu verwenden, sofern deren Eigenschaften bekannt sind. Eine Angabe frequenzabhängiger Dämpfungswerte, wie es in der Realität der Fall ist, ist bei Ekahau leider nicht möglich. Die Darstellung der Simulationsergebnisse erfolgt mittels farbiger Heatmaps, beispielsweise für die simulierte Signalstärke oder das zu erwartende Signal-zu-Rauschverhältnis.

Ekahau Pro bietet die Möglichkeit, eine dreidimensionale Simulation – zumindest in gewissen Grenzen – durchzuführen. Hierfür können zweidimensionale Grundrisspläne mehrerer Geschosse übereinandergelegt und mithilfe geeignet gewählter Fluchtpunkte, wie zum Beispiel gegenüberliegende Gebäudeecken oder Fahrstuhlschächte, zueinander in Relation gebracht werden. Anschließend wird für jede Etage die Raumhöhe und die Dicke bzw. das Material der Geschossdecke angegeben. Im Nachgang können Bodendurchbrüche in die Pläne eingezeichnet werden, die dann auch bei der Simulation passend berücksichtigt werden. Die Einbindung und Simulation komplexerer dreidimensionaler Objekte wie beispielsweise Treppenhäuser ist in Ekahau nicht möglich. (siehe Abbildung 2)

Die für die Simulation erforderliche Positionierung der Access Points kann entweder manuell oder automatisiert erfolgen. Für die automatische Positionierung der Access Points werden zunächst zahlreiche Parameter wie die zu verwendenden Access Points und Radioparameter oder auch die zu erwartende Anzahl an Endgeräten je Funkmodul festgelegt.

Die Ergebnisse der automatischen Positionierung sind auf den ersten Blick nicht verkehrt, jedoch fällt auf, dass alle Access Points in jeder Etage mehr oder weniger exakt übereinandergelegt werden. Das ist soweit nicht weiter problematisch, sofern die Raumdecke das Signal der Access Points aus dem darüber liegenden Geschoss ausreichend abdämpft. Abbildung 4 zeigt die von Ekahau automatisch festgelegten Positionen der Access Points sowie die sich ergebende Signalausbreitung für die Access Points im 1. Obergeschoss und deren Durchscheinen ins Erdgeschoss.

Neben der beschriebenen Autoplanner-Funktion führt Ekahau Pro auch eine Kanalplanung durch, wobei die Kanäle auch geschossübergreifend korrekt zugewiesen werden. Auf Wunsch deaktiviert Ekahau dabei nicht benötigte 2,4-GHz-Kanäle, wodurch dem Umstand Rechnung getragen wird, dass Funkzellen bei 2,4 GHz über eine größere Ausdehnung verfügen können als Funkzellen bei 5 GHz.

Schließlich bietet Ekahau eine automatische Berichterstellung, wobei die gewünschten Darstellungen wie zum Beispiel die Signalstärke oder der zu erwartende Durchsatz vorab ausgewählt werden können. Für diese Funktion steht ein vorgefertigtes Berichttemplate zur Verfügung, welches optional angepasst und um eigene Texte ergänzt werden kann. Die Ausgabe erfolgt im PDF- oder Microsoft-Word-Format.

Besitzer bzw. Betreiber eines WLAN-Managementsystems des Herstellers Cisco Systems wird es freuen, dass mit Ekahau erstellte Planungen sowohl exportiert als auch importiert werden können. Damit entfällt dort die sehr zeitaufwändige Anfertigung der Kartendarstellung und Positionierung der Access Points. Es müssen lediglich nach der gemäß der Planung erfolgten Installation die MAC-Adressen der installierten Access Points den geplanten Access Points zugeordnet werden.

Zusammengefasst erhält man mit Ekahau Pro ein gutes und vor allem leicht erlernbares Mess- und Planungstool, welches insbesondere durch seine einfache und intuitive Bedienung überzeugt. Ebenfalls überzeugen kann Ekahau unter anderem durch die zahlreichen Mess- und Analysemöglichkeiten. Ekahau unterstützt Planer und Betreiber während des gesamten Lebenszyklus der WLAN-Infrastruktur. Gerade diese Einfachheit führte sicherlich dazu, dass Ekahau bei Herstellern, Planern und Betreibern sehr weit verbreitet ist. Natürlich hat dieses Werkzeug auch seine Schwächen. Hierzu gehört zum Beispiel die fehlende Berücksichtigung einer frequenzabhängigen Dämpfung – zumindest wird diese nicht transparent dargestellt. Darüber hinaus ist die Auswahl an Objekten und Materialien vergleichsweise gering. Auch diejenigen, die eine „echte“ 3D-Darstellung erwarten, werden eher enttäuscht sein.

iBwave Design

iBwave Design ist eines der führenden Simulationsprogramme, wenn es um das Simulieren sämtlicher Funksysteme in Gebäuden geht. Dies beinhaltet neben dem Simulieren von passiven sowie aktiven Inhouse-Mobilfunksystemen auch weitere Funksysteme wie beispielsweise DECT, sämtliche IoT-Funkprotokolle und WLAN-Netze. iBwave Solutions wurde 2003 in Kanada gegründet und bietet mittlerweile unterschiedliche Produkte für die Simulation und Messung von Funksystemen, insbesondere Mobilfunk und WLAN, an.

iBwave Design besticht nicht nur bei der Planung und Analyse von Funksystemen innerhalb von Gebäuden, sondern auch bei der Automatisierung des Netzdesigns. So kann beispielsweise die Software bei der Dimensionierung von passiven Inhouse-Mobilfunksystemen wie dem Distributed Antenna System (DAS) unterstützen, indem es die benötigten passiven Komponenten sowie die Koaxialkabel und die daraus folgenden Interferenzen berechnet. Dies ist einer der Gründe, warum iBwave in der Welt des Mobilfunks als der De-facto-Standard angesehen wird. Hierbei ist zu erwähnen, dass man sich beim Mobilfunk zu 100% auf die Simulation verlassen muss, da eine Ausleuchtungsmessung zur Bestätigung der Simulation, welche standardgemäß bei der WLAN-Planung durchgeführt wird, nicht ohne weiteres möglich ist. Dies ist damit zu begründen, dass zum einen die Hardwarekomponenten von Inhouse-Mobilfunksystemen deutlich teurer sind als ein Access Point, und zum anderen wir uns in einem lizenzierten Frequenzband befinden, in dem die Provider das Nutzungsrecht für viel Geld erworben haben. Neben der Automatisierung von Mobilfunksystemen kann auch die Planung von WLAN-Netzen automatisiert werden. Hier bietet iBwave neben der automatischen Platzierung von Access Points auch die automatische Vergabe von Kanälen sowie die für die Netzanbindung der Access Points benötigte Verkabelung an. Im Gegensatz zu Ekahau sind die einzustellenden Parameter für die automatisierte Positionierung der Access Points überschaubar. Es werden lediglich das Access-Point-Modell, die Montagehöhe, die Sendeleistung, die zu erzielende Signalstärke und Umgebungsparameter eingestellt. Die Profile für die Umgebungsparameter sind bereits voreingestellt, welche jedoch auch an die jeweilige Situation angepasst werden können. Abbildung 5 zeigt die Einstellungen für die durchgeführte automatisierte Positionierung. Hierbei ist zu beachten, dass während der Positionierung keine Kanalplanung erfolgt. Diese kann im nächsten Schritt durchgeführt werden, wobei auf Wunsch einzelne Kanäle deaktiviert werden können, damit diese bei der Planung nicht berücksichtigt werden. Die Kanalplanung erfolgt für alle bereits in den Plänen platzierten Access Points etagenübergreifend.

Die Ergebnisse der automatischen Positionierung sowie Kanalplanung sind in Abbildung 6 dargestellt. Auf den ersten Blick sieht dies nicht unbrauchbar aus. Es fällt jedoch auf, dass für die gesamte Etage nur ein Access Point im 2,4-GHz-Bereich genutzt werden soll. Bei den anderen Access Points ist das entsprechende Funkmodul deaktiviert. Dies wird in der Praxis bei weitem nicht ausreichend sein. Die Planung im 5-GHz-Bereich ist jedoch akzeptabel.

Neben diesen und noch zahlreichen weiteren Features bietet iBwave auch eine sehr große Herstellerdatenbank von derzeit über 35.000 Komponenten unterschiedlicher Hardwarehersteller an. In dieser Datenbank stellen die Hersteller unter anderem die für uns Planer wichtigen Antennenpatterns von Access Points und anderen Antennen wie beispielsweise Radio Remote Units (RRU) zur Verfügung. Falls ein Antennenpattern mal fehlen sollte, besteht die Möglichkeit, dieses selbständig in die Datenbank zu integrieren. Dafür wird das jeweilige Pattern der Antenne vom gewünschten Hersteller benötigt, welches in der Regel auf Nachfrage online zur Verfügung steht.

Ein weiteres Feature ist die dreidimensionale Simulation. Im Gegensatz zu Ekahau kann iBwave ein zu simulierendes Gebäude in einer 3-D-Ansicht anzeigen. Dies hat vor allem bei der Darstellung und Montage von Antennen sowie der Verkabelung einen großen Vorteil. Hierfür werden mehrere zweidimensionale Grundrisse mehrerer Geschosse übereinandergelegt und mithilfe eines Referenzpunktes zueinander in Relation gebracht. Für jede Etage werden die Höhe sowie die Materialeigenschaft des Bodens eingestellt. Ähnlich wie bei den Wänden gibt es auch hier eine große Auswahl an unterschiedlichen Materialien. Anschließend können Bodendurchbrüche wie beispielsweise in Treppenhäusern eingezeichnet werden, welche dann bei der Simulation berücksichtigt werden. Ein Pluspunkt von iBwave ist, dass man komplexe dreidimensionale Objekte wie zum Beispiel Treppenhäuser in sämtlichen Formen implementieren und darstellen kann. Abbildung 7 zeigt beispielhaft eine WLAN-Simulation des 2. Obergeschosses des ComConsult-Bürogebäudes, in der die Access-Point-Positionen inklusive der Verkabelung dargestellt werden.

Zusätzlich bietet iBwave auch die Möglichkeit, Mobilfunk und WLAN zu messen. Ähnlich wie bei Ekahau kann eine passive sowie aktive WLAN-Messung durchgeführt werden. Dafür kann entweder ein Laptop genutzt werden, auf dem iBwave installiert ist und der eine WLAN-Netzwerkarte besitzt, oder die eigens dafür entwickelte App iBwave Mobile zum Einsatz kommen. iBwave ist noch recht neu in dem Markt der Messung von Funkprotokollen, daher ist der Funktionsumfang mit bereits ausgereiften Messadaptern wie dem Sidekick von Ekahau nicht zu vergleichen. Nichtsdestotrotz arbeitet iBwave aktiv daran, ihre Mess-App zu verbessern. Erst vor kurzem wurde die Zusammenarbeit mit dem RF-Toolhersteller Epiq Solutions verkündet [1]. Wie diese Zusammenarbeit genau aussieht und welche Tools in Zukunft angeboten werden, gilt noch abzuwarten. Jedoch kann man bereits jetzt schon erahnen, dass sich der Funktionsumfang der aktuellen Mess-App deutlich erweitern wird.

Schlussendlich bietet iBwave auch unterschiedliche Berichte an, die automatisch erstellt werden können. So kann beispielsweise ein Bericht für die Darstellung der Heatmap, der Positionierung der Access Points oder auch für die Erstellung eines Mengengerüstes inkl. Angaben der zu erwarteten Kosten erstellt werden. Beim letzten Punkt muss natürlich die Komponentendatenbank ausreichend gepflegt sein.

Zusammengefasst erhält man mit iBwave Design ein gutes, doch auch komplexes Planungstool, welches insbesondere durch die Simulation von vielen verschiedenen Funksystemen und -protokollen überzeugt. Das Tool unterstützt Planer und Betreiber von unterschiedlichen Funksystemen wie die von WLAN-Infrastrukturen und Inhouse-Mobilfunksystemen während des gesamten Lebenszyklus. Durch den großen Funktionsumfang ist es vor allem bei Mobilfunkplanern weitverbreitet. Neben den Vorteilen gibt es natürlich ein paar Schwächen, welche vor allem bei der WLAN-Messung auffallen. Hier arbeitet iBwave bereits an einer Verbesserung, kann aber Stand heute nicht wirklich mit einem Ekahau Sidekick mithalten, was möglicherweise nicht gewollt ist.

Allgemeine Vorgehensweise bei der Zellplanung

Grundsätzlich kann eine Zellplanung entweder mithilfe einer Ausleuchtungsmessung vor Ort, mit einer reinen Simulation oder mit einer Kombination aus beiden Verfahren erfolgen. Bei einer Ausleuchtungsmessung vor Ort wird ein passender Mess-Access-Point, üblicherweise unter Zuhilfenahme eines Stativs, an einer geeigneten Stelle aufgestellt und anschließend die erste Funkzelle ausgemessen. Während dieser Messung wird die Signalstärke rund um den Access Point erfasst. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem passiven Site Survey. Optional kann gleichzeitig ein aktives Site Survey erfolgen, mit dessen Hilfe der Datendurchsatz oder die Paketlaufzeit innerhalb der Funkzelle ermittelt werden kann. Sobald die erste Funkzelle auf diese Weise ausgemessen worden ist, wird der Mess-Access-Point an eine andere Position transportiert und dort die nächste Funkzelle ausgemessen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der gesamte Bereich flächendeckend erfasst bzw. ausgeleuchtet ist. Diese Vorgehensweise ist auf der einen Seite sehr genau, jedoch sehr zeitaufwendig. Zudem ist eine Messung vor Ort nicht immer möglich, da die Zellplanung in vielen Fällen durchgeführt werden muss, bevor das Gebäude fertiggestellt ist. Dies kann zum Beispiel notwendig werden, um die für die Netzwerkanbindung erforderlichen Netzwerkanschlüsse frühzeitig festlegen zu können. Darüber hinaus ist die Ausleuchtungsmessung vor Ort im von WLAN genutzten lizenzfreien Frequenzbereich bei 2,4 und 5 GHz leicht möglich. In diesen Fällen ist die Simulation das Mittel der Wahl. Im Hinblick auf eine WLAN-Planung bleibt zu erwähnen, dass die Kombination aus einer Messung vor Ort in ausgewählten Bereichen und einer anschließenden Simulation aller übrigen Bereiche (z.B. Regeletagen) unter Ausnutzung der während der Messung gewonnenen Erkenntnisse das beste Verhältnis zwischen Zeitaufwand und Genauigkeit der Planungsergebnisse liefert.

Ziel der Zellplanung ist es, optimale Positionen für die Access Points zu bestimmen. Diese Positionen müssen den geforderten Anforderungen entsprechen und ein flächendeckendes WLAN ermöglichen. Folglich ist der erste Schritt die Aufnahme der Anforderungen an das zukünftige WLAN. Um den Rahmen dieses Artikels nicht vollständig zu sprengen, nennen wir an dieser Stelle nur die wichtigsten Anforderungen:

In erster Linie spielen die geforderte Kapazität und die gewünschte Datenrate eine Rolle, und zwar nicht nur absolut, sondern auf die Anzahl der Endgeräte heruntergebrochen, die das WLAN auf einer vorgegebenen Fläche nutzen werden. Da die Anzahl der Nutzer, die gleichzeitig dieselbe Funkzelle nutzen, durch die geforderte Kapazität beschränkt ist, erhält man somit eine Abschätzung über die Anzahl der benötigten Access Points bzw. Funkzellen. In diese Kapazitätsüberlegung spielt natürlich auch die Leistung des zu verwendenden Access Points sowie die unterstützten Übertragungsverfahren wie zum Beispiel IEEE 802.11ac (WiFi 5) oder IEEE 802.11ax (WiFi 6) eine Rolle.

Neben der geforderten Kapazität sind die Anforderungen an die Redundanz ein entscheidender Parameter für die Bestimmung von Lage und Anzahl der Funkzellen. Schließlich wird Redundanz im WLAN mithilfe sich überlappender Funkzellen erzielt. Dabei gilt: Je größer die geforderte Zellüberlappung, umso höher die Anzahl der Funkzellen.

Hat man nun Kapazität, zu verwendende Produkte, im WLAN genutzte Anwendungen, die Anforderungen an die Redundanz und möglicherweise weitere Leistungsparameter festgelegt und dokumentiert, geht es an die Festlegung der mit WLAN zu versorgenden Bereiche. Wird WLAN nur in den Büros und Besprechungszonen benötigt oder möglicherweise auch auf dem Parkplatz vor dem Gebäude oder auf der Dachterrasse?

Darüber hinaus müssen Ausschlussbereiche festgelegt werden, also Bereiche, die nicht mit WLAN versorgt werden sollen oder können. Hierzu gehören etwa Sozialbereiche, Treppenhäuser, Fahrstühle oder Fluchtwege. Schließlich muss ermittelt werden, wo Access Points bauseits montiert werden dürfen und wo eben nicht. Zum Beispiel werden in modernen Gebäuden oftmals Heiz- und Kühldecken eingesetzt. Diese Decken beinhalten wasserführende Bauelemente, wodurch eine Montage von Access Points nur mit erhöhtem Aufwand möglich oder überhaupt nicht erwünscht ist. Des Weiteren sind Brandschutzvorgaben zu beachten: Treppenhäuser oder sogenannte notwendige Flure müssen auch im Brandfall möglichst lange nutzbar bleiben, was zur Folge haben kann, dass dort brennbare Materialen, zu denen auch Access Points, Antennen oder Datenleitungen gehören, gar nicht oder nur sehr eingeschränkt installiert werden dürfen.

Ist man schon auf der Suche nach geeigneten Montagepositionen, bietet sich auch eine Prüfung der zur Verfügung stehenden Kabelwege an. Hier lassen sich unnötige Kosten für die Verkabelung vermeiden, indem die Positionen der Access Points so gewählt werden, dass die Installation der Netzwerkkabel bis zur nächstgelegenen Kabeltrasse oder Kabelkanal möglichst einfach gestaltet werden kann. Dies kann beispielsweise bereits bei der Simulation in iBwave berücksichtigt und anschließend in einem CAD-Format exportiert werden.

Zusätzlich lohnt es sich immer, das Gespräch mit dem Bauherren oder dem Architekten zu suchen. Beide haben oftmals spezielle Anforderungen an die Montage von Access Points und wünschen sich, dass die Geräte unsichtbar, etwa oberhalb einer Abhangdecke, montiert oder zumindest farbig der Umgebung angepasst werden. Diese Anforderungen müssen ernst genommen und bereits bei der Planung berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang hilft übrigens oftmals der gut gemeinte Hinweis, dass Access Points genau wie Lampen, Bewegungsmelder, Rauchmelder, Sprinkler oder Lautsprecher sichtbar montiert werden sollten, damit sie optimal funktionieren.

Nach der Aufnahme der Anforderungen werden aus diesen weitere technische Parameter für die nachfolgende Zellplanung abgeleitet. Dies wird an den beiden folgenden Beispielen erläutert:

• Aus der Information hinsichtlich des zu verwendenden Access Points und der gewünschten Datenrate und des Zugriffsverfahrens kann beispielsweise die Mindestsignalstärke abgeleitet werden. Allgemein gilt dabei, dass diese umso höher ist, je höher die gewünschte Datenrate ist. Das hat mit der Empfängerempfindlichkeit der Access Points und Clients zu tun. Der Empfänger „springt“ erst dann an, wenn das Signal mit einem gewissen Mindestpegel empfangen wird. Hier spielt auch die Kanalbandbreite eine Rolle. Bei WLAN werden zwecks Erhöhung der Datenrate mehrere 20 MHz breite Kanäle gebündelt, wobei in der Regel Kanalbandbreiten von 20, 40, 80 oder sogar 160 MHz üblich sind. Die Hersteller der Access Points veröffentlichen in ihren Datenblättern Werte für die Empfängerempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Datenrate. Diese Werte können für die Festlegung der Mindestsignalstärke genutzt werden.
• Mit dem verwendeten Access-Point-Modell steht auch die Verstärkung der verwendeten Antenne fest, zumindest dann, wenn Access Points mit internen Antennen gebraucht werden. Falls Access Points mit externen Antennen genutzt werden, ist dies zusätzlich zu betrachten. Mit der Verstärkung der Antenne kann die Sendeleistung des Access Points festgelegt werden. Dabei sind natürlich Vorgaben der Regulierungsbehörden einzuhalten, die die maximale Sendeleistung inklusive Antennengewinn (EIRP [2]), abhängig vom verwendeten Frequenzband, festlegen. Diese beträgt beispielsweise in Europa 100 mW. Verwendet man nun eine Antenne mit einem Gewinn von drei dBi, was einer Verdoppelung der Sendeleistung in der Hauptstrahlungsrichtung der Antenne gleichkommt, darf die Sendeleistung des Verstärkers im Access Point auf maximal 50 mW eingestellt werden. In unseren Planungen verwenden wir übrigens deutlich geringere Werte für die Sendeleistung, damit diese etwa im Rahmen einer Feinjustierung auch nachträglich noch verändert werden kann.

Nach Aufnahme und Dokumentation dieser und möglicherweise noch vieler weiterer Anforderungen sowie der Zusammenstellung der daraus abgeleiteten technischen Parameter geht es an die eigentliche Durchführung der Zellplanung. Bezogen auf die Software-gestützte Zellplanung beginnt alles mit einem geeigneten Plan der mit WLAN zu versorgenden Fläche. In Abhängigkeit von der genutzten Software werden meistens unterschiedliche Formate unterstützt. Hierzu gehören für gewöhnlich alle gängigen Bildformate wie *.png oder *.jpg, das Portable Document Format (PDF) oder optimalerweise CAD-Dateien. Letztere eignen sich besonders gut, da sie entweder bereits ordentlich bemaßt sind oder eine Ermittlung der Gebäudeabmessungen auf einfache Art ermöglichen. Zudem lassen sich in CAD-Dateien alle für die Simulation nicht benötigten Informationen ausblenden. Dies setzt eine gut strukturierte Layer-Struktur voraus. Darüber hinaus lassen sich in CAD-Plänen mit ein wenig Glück bereits viele Informationen zu den im Gebäude verwendeten Materialien für Wände, Decken, Türen etc. herausfinden.

Liegt der Plan vor, kann dieser in die Simulationssoftware eingelesen und skaliert werden. Eine wichtige Voraussetzung für die anschließende Berechnung der Ausbreitungseigenschaften der Funkzellen ist insbesondere die richtige Skalierung der Pläne im Simulationswerkzeug. Soll der Plan nicht nur für eine Messung, sondern auch für eine Simulation verwendet werden, geht es im nächsten Schritt an die Modellierung aller Einbauten, die durch ihre Dämpfungseigenschaften einen Einfluss auf die Ausbreitung der Funkzellen haben. Hierzu gehören mindestens alle Wände, Türen, Fenster, Raumdecken sowie, falls bekannt, die Möblierung. Die Modellierung erfolgt prinzipiell auf zwei Arten: Entweder muss jedes dämpfende Element von Hand nachgezeichnet werden, oder die Software ist in der Lage, die Modellierung anhand der in CAD-Plänen enthaltenen Informationen über die verwendeten Materialien, zumindest teilweise automatisiert, durchzuführen. Letzteres setzt natürlich eine passende Struktur des CAD-Plans voraus, indem sich jedes verwendete Material, z.B. Beton, Glas oder Holz, auf einem separaten Layer befindet. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass es ohne eine manuelle Nacharbeit niemals gehen wird.

Alle verwendeten Materialien müssen in der Software mit einer Dämpfung belegt werden. Die Hersteller bieten bereits vorgefertigte Dämpfungswerte für zahlreiche unterschiedliche Materialien an. An dieser Stelle unterscheiden sich die Planungstools schon enorm voneinander: iBwave verfügt über eine deutlich größere Datenbank für Materialien und gibt deren Dämpfungswerte im Gegensatz zu Ekahau frequenzabhängig an. Abbildung 8 stellt auf der linken Seite die in Ekahau berücksichtigten unterschiedlichen Dämpfungswerte von einigen Materialien dar. Im Vergleich dazu ist auf der rechten Seite eine Liste von Materialien in iBwave zu sehen. Um den Unterschied der beiden Tools hervorzuheben, schauen wir uns den Wandtyp Trockenmauer bzw. Drywall [Heavy] einmal genauer an. Auf den ersten Blick fällt auf, dass in iBwave deutlich mehr Informationen zu Wandtypen zur Verfügung stehen. Ekahau ordnet diesem Wandtyp einen Dämpfungswert von 3 dB zu. iBwave hingegen unterscheidet den Dämpfungswert zwischen unterschiedlichen Frequenzen. So rechnet iBwave mit einem Dämpfungswert von 2,58 dB im 2,4-GHz-Band und mit 3,55 dB im 5-GHz-Band. Neben dem Dämpfungswert werden auch weitere Verluste, beispielsweise durch eine Reflexion oder Diffraktion, angegeben. Diese Werte sind für etliche Materialen, die typischerweise in Gebäuden genutzt werden, vordefiniert.

Ist die Dämpfung eines Materials nicht bekannt, hilft nur eine gute Schätzung oder eine Referenzmessung vor Ort, sofern dies möglich ist. Anschließend können mit den Ergebnissen aus einer Referenzmessung neue Materialien in der Software durch den Anwender erstellt werden. Für diese Funktion wollen wir uns die beiden Simulationstools einmal genauer anschauen. In Ekahau ist ein neues Material recht schnell erstellt, wie in Abbildung 9 zu erkennen ist. Beim Erstellen des neuen Wandtyps werden die benötigten Eigenschaften wie Dämpfungswert, Materialdicke und Höhe eingestellt. Anschließend kann der Wandtyp für die Simulation genutzt werden. Hier ist zu beachten, dass der Wandtyp nur für das jeweilige Projekt existiert, in dem es erstellt worden ist.

Im Vergleich zu Ekahau existieren bei iBwave durchaus mehrere Eigenschaften, wie in Abbildung 10 zu erkennen ist. Diese sollten nach Möglichkeit vollständig ausgefüllt werden, damit eine realitätsnahe Simulation erstellt werden kann. Es wird zwischen vier einflussnehmenden Merkmalen des Wandtyps unterschieden:

• Allgemeine Eigenschaften
• Angaben über die Darstellung in der Simulation, wie beispielsweise die Farbe und Dicke der gezeichneten Wand
• Elektrische Eigenschaften
• Angabe von unterschiedlichen Verlusten in dB, wie beispielweise bei Reflexionen und Diffraktionen
• Mechanische Eigenschaften
• Angabe über die Dicke und Höhe in Metern
• Frequenzbänder
• Angabe von Dämpfungswerten in dB pro Frequenzband

Alle Materialeigenschaften werden in der zentralen Datenbank gespeichert und gepflegt. Dadurch können auch bereits existierende Wandtypen angepasst werden, wenn dies notwendig sein sollte. Sobald ein neuer Wandtyp erstellt worden ist, kann dieser in sämtlichen Projekten genutzt werden. Im direkten Vergleich zu Ekahau ist leicht zu erkennen, dass iBwave einen deutlich höheren Detailgrad anbietet. Dies muss jedoch nicht immer von Vorteil sein, wenn man mal eben einen neuen Wandtyp erstellen möchte. Durch den höheren Detailgrad steigt auch die Komplexität.

Sobald der Plan vollständig erstellt ist und alle Wand- sowie Deckeneigenschaften definiert sind, kann mit der eigentlichen Simulation begonnen werden. Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen den vorbereiteten Plan (1. OG des ComConsult-Bürogebäudes) in Ekahau und iBwave. Auf den ersten Blick sehen beide Pläne ziemlich identisch aus. Jedoch fällt auf, dass bei iBwave die Wände jeweils doppelt, mit einem geringen Abstand zueinander, gezeichnet worden sind. Dies ist geschehen, da die CAD-Importfunktion von iBwave genutzt und dadurch der Plan automatisch generiert worden ist. Nun kann man sich natürlich die Frage stellen, ob dadurch der Dämpfungswert bei der Simulation nicht zweimal berechnet wird. Damit dies nicht geschieht und man im Anschluss alle doppelten Wände nicht wieder löschen muss, bietet iBWave die Möglichkeit, angrenzende Wände zu kombinieren. Hierbei gibt man lediglich den Abstand zwischen den beiden angrenzenden Wänden an, und iBwave kombiniert diese für die Simulation in einer Wand.

Für die Simulation können die passenden Access Points ausgewählt und anschließend parametrisiert werden, wobei die Liste der unterstützten Hersteller und Modelle, zumindest bei den beiden hier vorgestellten Planungswerkzeugen, erfreulich lang ist. Hinsichtlich der Parametrisierung sind für jeden Access Point mindestens folgende Werte einzustellen:

• Sendeleistung für jedes Funkmodul (Radio) unter Berücksichtigung der maximal erlaubten Abstrahlleistung inklusive Antennengewinn (EIRP)
• Kanal und Kanalbandbreiten
• Montagehöhe und Ausrichtung der Antenne

An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass idealerweise mit dem Access-Point-Modell simuliert werden soll, welches später auch zum Einsatz kommen wird, da jeder Access Point über andere Leistungsdaten und jede Antenne über eine spezielle Antennencharakteristik verfügt.

In Abbildung 13 sind die eingestellten Werte für das in dieser Simulation genutzte Access-Point-Modell, 1702i vom Hersteller Cisco, in Ekahau dargestellt. Abbildung 14 zeigt die möglichen Parametrisierungen eines Access Points in iBwave und die zwecks Simulation getroffenen Einstellungen für 5 GHz. Anders als Ekahau hat iBwave mehrere Einstellungsmöglichkeiten, die in unterschiedliche Untermenüs aufgeteilt sind. So wird bei iBwave zwischen den allgemeinen Eigenschaften und den unterstützten Signalquellen eines Access Points unterschieden. In den allgemeinen Eigenschaften wird beispielsweise die Montagehöhe des Access Points eingestellt. Des Weiteren können auch die Kosten des Access Points angegeben werden, was für einen automatisch generierten Bericht hilfreich sein kann. Im Untermenü „Sources“ werden die Leistungsdaten des jeweiligen Access-Point-Interface eingestellt, und man erhält eine Übersicht über die Charakteristik der verbauten Antennen. Es fällt auf, dass das Antennenpattern in iBwave falsch dargestellt wird. In Ekahau hingegen entspricht das Pattern dem aus dem Datenblatt des Herstellers.

Vergleichbar zur Ausleuchtungsmessung werden jetzt Access Points im Plan positioniert und deren Funkzellen durch die Software simuliert. Dabei berücksichtigt die Software die Dämpfungseigenschaft der zuvor eingebrachten Bauelemente. Das Ergebnis der Ausleuchtung wird mittels farbiger Heatmaps in der Software dargestellt, wobei produktabhängig unterschiedliche Darstellungen ausgewählt werden können. Für die Darstellung von Simulationsergebnissen sind insbesondere die folgenden von Interesse:

• Signalstärke bei 2,4 GHz und 5 GHz
• Signalstärke des zweitstärksten Access Points bei 2,4 GHz und 5 GHz zur Visualisierung der redundanten Ausleuchtung
• zu erwartende Datenrate
• zu erwartendes Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR)
• Gleichkanalstörungen bzw. Interferenzen

Es ist an dieser Stelle zu beachten, dass insbesondere Datenraten oder das SNR nur grob vorhergesagt werden können, da beispielsweise die tatsächliche Datenrate von den Fähigkeiten der verwendeten WLAN-Adapter und das SNR vom Rauschen abhängig ist, also von eventuell vorhandenen Störquellen und letztendlich auch von der tatsächlichen Auslastung des WLANs.

Für die Erstellung eines Simulationsberichts ist es von entscheidender Bedeutung, dass anhand der dargestellten Heatmaps erkannt werden kann, ob wichtige Planungsparameter, wie zum Beispiel die Zielsignalstärke, eingehalten werden. Folglich müssen die zuvor festgelegten Planungsparameter in der Planungssoftware eingetragen werden. Dies erfolgt üblicherweise für beide Frequenzbereiche getrennt. Abbildung 15 zeigt die Festlegung der Abdeckungsanforderungen für unsere Beispielsimulation in Ekahau. Eine Abbildung von iBwave stellen wir bewusst nicht dar, da diese Einstellungen nicht so kompakt wie bei Ekahau in einem Menü zusammengestellt sind, sondern sich über mehrere Menüs verteilen.

Sobald der Planungssoftware die Parameter bekannt sind, werden alle für die Darstellung der Heatmaps erforderlichen Farbskalen entsprechend ausgelegt. Abbildung 16 zeigt hierzu die Darstellung der Farbskala für die Signalstärke bei 5 GHz in Ekahau.

Bei iBwave besteht die Möglichkeit, ein Template für eine eigene Farbskala zu entwerfen. Hierbei können die Farben sowie die Grenzen angepasst und zwischen einer kontinuierlichen oder diskreten Darstellung des Farbverlaufs ausgewählt werden. Abbildung 17 zeigt beispielhaft mit einem kontinuierlichen Farbverlauf die Standard-Farbskala von iBwave.

Darstellung und Vergleich der Simulationsergebnisse

Für die im Folgenden dargestellte Simulation des 1. Obergeschosses des ComConsult-Bürogebäudes nutzen wir den Access Point 1702i vom Hersteller Cisco, welcher den Standard IEEE 802.11ac unterstützt und über zwei Funkmodule für 2,4 und 5 GHz verfügt. Für die Simulation legen wir unter anderem die folgenden Parameter fest (vergleiche Abbildung 11 und Abbildung 14):

• Mindest-Signalstärke für 5 GHz: -63 dBm
• Mindest-Signalstärke für den zweitstärksten Access Point bei 5 GHz: -66 dBm
• Datenrate bei 5 GHz: mindestens 360 Mbit/s
• Sendeleistung bei 5 GHz: 50 mW

Um die Simulation besser vergleichen zu können, erläutern wir im Folgenden die Ausbreitung einer Funkzelle im 5-GHz-Band in Ekahau und iBwave und verifizieren diese anschließend anhand einer durchgeführten Messung. Jetzt könnte man sich fragen, warum wir uns nicht die 2,4-GHz-Zelle anschauen? Die Antwort ist, dass die 5-GHz-Frequenzen stärker durch unterschiedliche Materialien gedämpft werden und daher davon auszugehen ist, dass die Zellen im 2,4-GHz-Bereich größer sind.

Für den Vergleich schauen wir uns die generierte Funkzelle des Access Points genauer an, welcher mittig in der Etage platziert ist. Gemäß den definierten Parametern stellen die orange gefärbten Flächen die Obergrenze der Zelle dar. Die angrenzenden grauen und weißen Flächen zeigen die Bereiche, in denen das Signal nicht mehr ausreichend ist. Abbildung 18 (links) zeigt die Ausbreitung der Zelle in Ekahau und Abbildung 18 (mitte) in iBwave. Wie auf den ersten Blick bereits zu erkennen ist, unterscheiden sich die Größen der Zellen nur minimal voneinander. Beide Zellen sind mit einer Ausbreitung in Richtung AP-1OG-1.04 von ca. 19 m und in Richtung AP-1OG-1.18 von ca. 16 m recht groß und durchdringen mehrere unterschiedliche Materialien.

Um die Simulation zu verifizieren, wurde eine passive Messung durchgeführt, welche in Abbildung 18 (rechts) gezeigt wird. In den Fluren wurde eine kontinuierliche und in den Büroräumen eine Stop-and-Go-Messung durchgeführt und für die Messung wurde der Messadapter Sidekick von Ekahau verwendet.

Kommen wir nun zum eigentlichen Vergleich der gemessenen und simulierten Funkzelle. Die gemessenen Zellen sind etwas kleiner als die simulierten. In Richtung AP-1OG-1.04 ist die Zelle ca. 2 m kleiner und in Richtung AP-1OG-1.18 ca. 3 m. Dies unterstreicht unsere Aussage, dass eine Messung vor Ort vonnöten ist, um eine gute WLAN-Planung zu garantieren.

Um über eine optimale WLAN-Versorgung auf der Etage zu verfügen, planen wir mit insgesamt 5 Access Points. Im Vergleich zum automatischen Deployment der beiden Tools planen wir also einen Access Point mehr ein. Dies ist unter anderem damit zu begründen, dass bei der ursprünglichen WLAN-Planung eine Redundanz berücksichtigt wurde, welche mit 4 Access Points nicht gegeben ist. Bei beiden Werkzeugen sind die automatisch generierten Positionen manuell zu korrigieren. Es ist z.B. nicht üblich, einen Access Point in einem Treppenhaus zu positionieren. Zusätzlich fällt auf, dass bei der automatischen Planung von iBwave nur ein Access Point für das 2,4-GHz-Band geplant worden ist. Dies wird in der Praxis bei weitem nicht ausreichen, weder hinsichtlich der Signalstärke noch angesichts einer Redundanz. Zusammengefasst ist die automatische Positionierung von Access Points nicht nachvollziehbar und nicht zu empfehlen.

Fazit und Zusammenfassung

Die Simulationsergebnisse beider Werkzeuge zeigen zumindest bei der manuellen Planung sehr gute Ergebnisse, wobei zu bemerken ist, dass die für den Vergleich ausgewählte Umgebung keine besondere Herausforderung darstellt. Man erhält mit beiden Tools vergleichbare Ergebnisse. Beide Werkzeuge werden sicherlich bei komplexeren Umgebungen, etwa in Industrie und Logistik, an ihre Grenzen kommen. Manche Dinge lassen sich dann doch nicht so einfach wie für die hier dargestellte Büroumgebung simulieren. Letztendlich ist das Ergebnis immer von der Fachkunde des Planers abhängig. Zudem ist es empfehlenswert, überall, wo es möglich ist, eine Messung durchzuführen, sei es flächendeckend oder zumindest punktuell. Vorab durchgeführte Referenzmessungen können das Planungsergebnis entscheidend verbessern. Abschließend ist noch zu erwähnen, dass es neben den hier gezeigten Planungstools durchaus noch weitere Produkte auf dem Markt gibt wie beispielsweise AirMagnet® Survey Pro, TamoGraph® Site Survey, VisiWave Site Survey, Acrylic Wi-Fi Heatmaps oder Ranplan Wireless. Auch die Hersteller von WLAN-Komponenten bieten zumindest eine Planungsfunktion innerhalb ihrer WLAN-Managementsysteme an, die natürlich immer nur auf das eigene Produkt zugeschnitten ist. Im Rahmen einer Beschaffung sollten diese Alternativen zu Ekahau und iBwave in Betracht gezogen werden. Wir haben uns an dieser Stelle auf die Werkzeuge konzentriert, die wir im Rahmen unserer Planungstätigkeiten beschafft haben und täglich nutzen.

Verweise

[1] iBwave. (28. September 2021). iBwave and Epiq Solutions to Collaborate On New Survey Solution for In-Building Wireless Market. Von https://www.ibwave.com/media-and-events/press-releases/266/ibwave-and-epiq-solutions-to-collaborate-on-new-survey-solution-for-in-building-wireless-market abgerufen

[2] EIRP – Equivalent Isotropically Radiated Power – Produkt aus Antennengewinn und Sendeleistung