Analyse der Einflussfaktoren beim Roaming zwischen heterogenen drahtlosen Kommunikationstechnologien

Diplomarbeit von Nick Schirmer

Inhaltsangabe:

Der Innovationsdruck unter den Herstellern von modernen Kommunikationslösungen und die weiter zunehmende Nutzung von Mobilkommunikationslösungen haben unter anderem dazu geführt, dass die bisherigen Grenzen zwischen Mobilfunk- und Festnetztelefonie, aber auch zwischen unterschiedlichen Funktechnologien immer weiter verschwimmen. Zukunftsträchtige Kommunikationslösungen erlauben daher eine möglichst nahtlose Nutzung unterschiedlicher Technologien. Dadurch wird einerseits die Flexibilität und Erreichbarkeit der Nutzer erhöht, andererseits werden Mehrwertdienste und Kostenvorteile der unterschiedlichen Kommunikationsmöglichkeiten vereint. Ein Hauptaugenmerk der Hersteller liegt dabei auch auf der Nutzung von Wireless Local Area Networks (WLAN) als Medium für die Sprachübertragung. Kommunikationssysteme, die sowohl WLAN als auch Mobilfunk mit den Eigenschaften von modernen Kommunikationslösungen verbinden, werden häufig unter der Bezeichnung ‘Fixed Mobile Convergence’ (FMC) zusammengefasst.

Die zentrale Herausforderung bei der nahtlosen Nutzbarkeit von zumeist firmeneigenen WLAN und öffentlichen Mobilfunknetzen ist die möglichst störungs- und unterbrechungsfreie Übergabe (Roaming) der Sprachverbindung zwischen den beiden Funktechnologien. Erste Ansätze führten diesen Wechsel nicht automatisch durch, sondern machten den Eingriff des Nutzers erforderlich. Der Nutzer musste den Roaming-Vorgang am Mobilgerät selbst einleiten und bestätigen, so dass der Wechsel im laufenden Gespräch kaum sinnvoll möglich war. Neuere Systeme übernehmen diesen Roaming-Vorgang automatisch. Der Nutzer einer solchen Lösung kann, je nach Hersteller, lediglich bestimmte Schwellwerte einstellen und den Vorgang so an seine Bedürfnisse anpassen.

Um ein möglichst störungsfreies Roaming zu gewährleisten, sind vor allem zwei Aspekte von zentraler Bedeutung: Die Minimierung der Verbindungsaufbauzeiten und die richtigen Schwellwerte für das Auslösen eines Roaming-Vorgangs. Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Übergang sind darüber hinaus aber auch die richtige Zellplanung und die Auswahl eines möglichst effizienten Handover- und Roaming-Verfahrens.

Aufgabenstellung und Zielsetzung:

Derzeit bieten erst wenige Hersteller Fixed-Mobile-Convergence-Lösungen für WLAN und Mobilfunk an. Dabei ist festzustellen, dass diese Lösungen sich sowohl in ihren Ansätzen, als auch in Umfang und Realisierung unterscheiden. Die objektive Analyse und Bewertung, der jeweils für das Roaming verwendeten Verfahren, soll dabei Bestandteil dieser Arbeit sein.

Im Zuge der Analyse sollen dabei folgende Aspekte genauer untersucht werden:

Roam-In / Roam-Out: Einfluss des Wechsels der Kommunikationstechnologie auf die Qualität und die Unterbrechungsfreiheit der übertragenen Sprache. Untersuchung der verwendeten Verfahren und deren Schwellwerte zur Beurteilung der einzelnen Lösungen.

WLAN-Handover: Untersuchung der entstehenden Verzögerungszeit (Delay) und der möglichen Unterbrechungen, bezüglich der Übertragung der Sprache, beim Wechsel von einer WLAN-Zelle zur nächsten. Überprüfung des Einflusses von simulierter Lastzunahme in den WLAN-Zellen auf die Qualität des Handover.

Sprachqualität: Anhand des PESQ-Verfahrens [IDT] (Perceptual Evaluation of Speech Quality) nach ITU-T P.862 wird die Sprachqualität eines WLAN-Gesprächs mit dem MOS-Wert (Mean Opinion Score) [ITU-T] bewertet. Anhand der ermittelten Werte soll ein Vergleich der möglichen Qualitäten im WLAN und GSM erstellt werden.

WLAN-Planung: Einfluss der Stärke des WLAN-Signals auf die Sprachqualität und die Sicherheit des Handovers zwischen zwei WLAN-Zellen. Beeinträchtigung des Roaming-Vorgangs zwischen WLAN und GSM, durch mögliche Störungen des WLAN-Signals. Unterschiede bei der Planung eines WLAN für reine Datenübertragung und der Planung eines WLAN für Sprachübertragungen in Echtzeit.

Zur Ermittlung der einzelnen Bewertungskriterien wird eine Testumgebung aufgebaut, in welcher die von den Herstellern zur Verfügung gestellten FMC-Lösungen, bezüglich der relevanten Aspekte untersucht werden. Die entsprechende Testumgebung bietet ebenfalls die Möglichkeit die Umgebungsvariablen wie Netzlast, Paketverlust oder Verzögerungszeiten (Delay) variabel zu justieren und so die Reaktionen des getesteten Systems zu untersuchen.

Aufbau und thematische Abgrenzung:

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird zunächst auf technologische Grundlagen wie das Global System for Mobile Communications (GSM), WLAN, Voice over IP (VoIP) und Voice over WLAN (VoWLAN) eingegangen. Außerdem wird eine WLAN-Zellplanung beispielhaft anhand des Gebäudes der ComConsult Beratung und Planung GmbH demonstriert. Im Zuge der Ausführung werden einige wichtige Problemstellungen, die sich bei einer Zellplanung ergeben näher erläutert.

Im dritten Kapitel wird das Thema Fixed Mobile Convergence betrachtet. Erklärungen zu den Grundlagen und Probleme bei der Realisierung werden aufgezeigt und ihrer Relevanz nach abgewogen. Nach Erläuterung der Testaufbauten und der Erklärung, welche Werte mit dem jeweiligen Aufbau gemessen werden sollen, werden dann im vierten Kapitel die Messergebnisse der einzelnen Hersteller-Lösungen aufgelistet. Im fünften Kapitel werden dann auf Grundlage der erarbeiteten Ergebnisse der Testreihen die qualitativen Unterschiede der einzelnen Lösungen diskutiert und bewertet. Zusätzlich werden Vergleiche bezüglich der verwendeten Medien und die allgemeinen Vor- und Nachteile von Fixed Mobile Konvergenz Lösungen besprochen. Ein Fazit und ein Ausblick auf mögliche Verbesserungen für künftige Lösungen bilden den Abschluss dieser Arbeit.

In dieser Arbeit geht es nicht darum, ein neues Verfahren zu entwickeln oder neue Techniken aufzuzeigen. Es werden standardisierte Technologien wie in Kapitel 2 beschrieben verwendet, um die einzelnen Hersteller-Lösungen zu vergleichen und die Tauglichkeit der Lösung für ihren tatsächlichen Einsatz dieser abzuwägen.

Die von den Herstellern zur Verfügung gestellten Systeme werden alle mit derselben WLAN-Struktur getestet, um vergleichbare Werte zu erhalten. Ebenfalls aus Gründen der Vergleichbarkeit, werden für alle Tests dieselben Endgeräte (Mobiltelefone) verwendet. Die zum Einsatz kommende Software ist entweder Open Source oder die nötigen Lizenzen wurde von den Herstellern zur Verfügung gestellt. Die Systeme wurden durch Techniker der Hersteller an die vorhandene WLAN-Struktur angepasst. Die verwendeten Mobiltelefone wurden ausdrücklich von den Herstellern als kompatibel angegeben und die Software der Hersteller wurde für diese Endgeräte entwickelt.

Es geht in dieser Arbeit nicht um den Vergleich der möglichen Fixed-Mobile-Convergence (FMC) Techniken (DECT/GSM, Personal Number Service, ...) oder Ebenen (Prozesskonvergenz, Dienstkonvergenz, Netzkonvergenz, Gerätekonvergenz), sondern um die qualitative Analyse des Roaming-Vorgangs der FMC-Lösungen die sich mit GSM und WLAN befassen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.3, Aspekte der Netzwerkplanung:

Damit man sowohl im WLAN, als auch zwischen den drahtlosen Netzen ein seamless Handover beziehungsweise seamless Roaming nutzen kann, müssen bei der Planung des WLAN einige Punkte beachtet werden.

3.3.1 Abrupter Verbindungsverlust zwischen zwei WLAN-Zellen:

Die unterbrechungsfreie WLAN-Versorgung ist ein notwendiger Punkt um die Roamings ins GSM-Netz, während eines WLAN-Gesprächs zu minimieren. Je nach FMC-Lösung kann eine unzureichende Abdeckung auch zum Gesprächsabbruch führen.

Risikoreiche Stellen für einen abrupten WLAN-Signal-Verlust sind sich schließende Türen aus Stahl oder ähnlich gut dämpfendem Material. Befindet sich nur ein Access Point auf einer Seite der Tür, so kann das resultierende Signal bei sich schließender Tür, dahinter zu schwach sein, um das Gespräch weiter im WLAN zu führen.

Die möglichen Reaktionen sind Suche nach einem anderen Access Point, Roaming ins GSM-Netz, solange verfügbar oder Gesprächsabbruch. Es kann aber auch zu Problemen mit Interferenzen kommen, wenn sich auf beiden Seiten einer Tür o.ä. ein Access Point befindet. Die Software der, für die in den in Kapitel 4 durchgeführten Testreihen benutzten Symbian Mobiltelefone, versucht möglichst lange mit dem verwendeten Access Point verbunden zu bleiben, auch wenn bereits ein Access Point mit deutlich besserem Signal verfügbar wäre.

Erst nach Unterschreitung eines Schwellwerts (z.B. bei Nokia E60-Geräten -80 dB) erfolgt das Handover zum nächsten Access Point. Ein Grund dafür ist, dass bei einigen Lösungen ein Handover nicht immer unbemerkt durchgeführt werden kann und man so versucht die Anzahl der nötigen Handover zu reduzieren. Dies kann aber bei bestimmten Konstellationen zu Problemen führen. Hier sei auf die Abhängigkeit der Gesprächsqualität von der Stärke des WLAN-Signals hingewiesen, mit der sich eine Testreihe in Kapitel 4 beschäftigt.

3.3.2 Ausfall des WLAN:

Neben Quellen, die das WLAN stören können, kann es zu teilweisem oder dem komplettem Ausfall des WLAN während eines VoIP-Gesprächs kommen. Je nachdem, ob dann ein noch funktionierender Zugangspunkt zur Verfügung steht oder nicht, muss ein Handover- beziehungsweise Roaming-Vorgang ausgelöst werden. Bei Ausfall des gesamten WLAN-Netzes oder des kompletten sich in Reichweite des Mobiltelefons befindlichen Teilnetzes muss ein Roaming-Vorgang ins GSM-Netz eingeleitet werden.

Beim Ausfall eines einzelnen Access Points können dabei zwei Szenarien unterschieden werden. Der Access Point verliert seine Datenverbindung zum LAN oder er verliert die Stromversorgung. Da in beiden Fällen noch der Rest der WLAN-Struktur funktionsfähig vorhanden ist, sollte in beiden Fällen ein Handover an einen anderen Access Point vollzogen werden.

In einer der Testreihen in Kapitel 4 wurden genau diese beiden Szenarien simuliert und die Reaktionen der unterschiedlichen FMC-Lösungen beim Handover aufgezeichnet.

3.3.3 Probleme bei Voice over WLAN:

Die Qualität von Voice over WLAN (VoWLAN) – Gesprächen ist von vielen äußeren Einflussfaktoren abhängig. Allem Voran steht das Problem des begrenzten Frequenzbandes, welches nicht ausschließlich für WLAN genutzt wird. Da sich die Regulierung in diesem Frequenzbereich auf ein Minimum beschränkt, gehören zu den Störquellen:

Bluetooth-Geräte, die im 2.4 GHz Bereich senden und empfangen:

DECT bei 2,4 GHz, Videoübertragungssystem, Transponder, Bewegungsmelder, Amateurfunk, (industrielle) Mikrowellenherde, RFID Tags und Ortungssysteme, Fremde WLANs nach IEEE 802.11 b/g.

Diese Störungsquellen machen eine durchdachte Kanalplanung notwendig. Der Einfluss mancher Quellen kann durch die kontrollierte Reduktion der Sendeleistung dieser reduziert werden.

Aber auch Gesichtspunkte wie hohes Datenaufkommen in LAN oder WLAN, daraus resultierende Paketverluste oder Delay-Zeiten und nicht genügende Überdeckung der Funk-Zellen für ein sicheres Handover können die Sprachqualität negativ beeinflussen. Ein möglicher Lösungsansatz ist die unterschiedliche Priorisierung des Datenverkehrs.

Mittels einer durchdachten Dimensionierung der Funkzellen soll eine Überlastung oder Monopolisierung durch VoIP-Nutzer vermieden werden. Auch eine Aufteilung nach Telefonie auf 802.11 b/g und Nicht-Telefonie-Geräte auf 802.11 a kann zu einer Entlastung und damit Qualitätsverbesserung führen.

Neben diesen Faktoren, die unabhängig von der gewählten FMC-Lösung sind, gibt es auch welche die direkt von dieser beeinflusst werden können. Dazu zählt unter anderem die Sprachqualität der verwendeten Endgeräte, die im Media-Stack angebotenen Sprach-Codecs und die eingestellten Schwellwerte mit den daraus resultierenden Reaktionen.