VoIP mit WiFi

Funktioniert VoIP und Lync über "Drahtlose Netzwerk Verbindungen" ?. Die Antwort darauf ist ein klares "Ja, aber".

  • JA...
    weil es dem VoIP-Stack und RTP ziemlich egal ist, über welches physikalische Medium die Daten übertragen werden. Das kann sogar UMTS oder LTE sein und selbst der DSL-Anschluss zuhause wird von der Telekom ab 3 Mbit Downstream als "IP Anschluss" konfiguriert.
  • Aber...
    weil die Randbedingungen stimmen müssen. Das menschliche Ohr und damit auch VoIP ist recht empfindlich was Laufzeiten betrifft. Im ISDN sind wir es gewohnt, dass die Sprache ohne Unterbrechung ankommt. ISDN nutzt dazu den G711 Codec mit 64bit. Die Datenmenge ist also vorhersehbar und die Leitungen sind dediziert. Bei IP ist das nicht immer garantiert.

Die Frage nach der Laufzeit und deren Varianz (auch Jitter genannt) ist der Dreh und Angelpunkt einer jeder VoIP-Verbindung, Das ist nicht einmal auf WiFi oder andere Funk-Techniken beschränkt, sondern genereller Natur einer LAN-Verbindung. Das hat viel mit dem Zugriffsverfahren und der Bandbreite zu tun. Siehe auch QoS - Quality of Service

Shared Medium

Bei ein WiFi-Netzwerk hingegen ist die Luft prinzipiell erst mal ein "shared Medium", auch wenn es verschiedene Kanäle gibt. Würde nun jedes Endgerät nur einen Kanal (Frequenz) belegen und der Access-Point auf allen Kanälen arbeiten, dann wäre dies eine kollisionsfreie und exklusive, aber auch sehr langsame Verbindung. Erst wenn Endgerät mehrere Kanäle parallel nutzen, sind Brutto-Datenraten von 150,300, 450 MBit überhaupt möglich. Die ganz hohen Raten erfordern auch, dass alle Endgeräte mit den neuen Codierungsverfahren umgehen können. Ein älteres oder "einfacheres" Endgerät zwingt eventuell das gesamte System zu einer gedrosselten "kompatiblen" Übertragungsweise. Durch unterschiedliche Reichweiten und Standorte können sich Endgeräte nicht einmal zuverlässig gegenseitig sehen und damit Kollisionen und freie Kanäle erkennen.. All dies muss "geregelt" werden. WiFi ist Ethernet und nutzt das CSMA-CA Verfahren, d.h. jeder darf senden und eine Collision wird erkannt und das Paket noch mal gesendet.

Machen Sie den Selbstversuch
Nutzen Sie Lync mit einem "drahtgebundenen" Netzwerk und einmal mit einem WIFI-Adapter. Sie werden mit WiFi sehr viel häufiger Einschränkungen bemerken. Wenn Sie dann noch ihren Notebook bewegen, wird es noch schlimmer. Und nun lassen Sie uns über Mobilgeräte mit WIFI sprechen.

WiFi ist aber aus Sicht von Lync auch einfach nur ein "Netzwerk" und ähnlich wie beim kabelgebundenen Ethernet sind Übertragungsleistung und Geschwindigkeit nicht vorhersehbar und meist nicht garantiert. Also was sollte bei WiFi so unterschiedlich sein ?

Die einfache Zelle

Nehmen wir mal eine einfache Funkzelle an, wie Sie vermutlich jeder zuhause an seinem DSL-Router hat. Eine Fritz!Box oder ein anderes Gerät spannt eine Funkzelle, die abhängig von der Reichweite unterschiedlich stark ist. Die Station 1 und 2 sind sehr nahe dran und können mit einer sehr hohen Geschwindigkeit sendet. Vereinfacht rechnen wir glatten Zahlen und nur einem Kanal, d.h. keine 2,4 und 5GHz Bänder und keine parallelen Kanäle.

  • PC1 sendet 10MByte über WiFI zu einem Server.
    Wenn er ganz alleine senden dürfte, dann wäre das bei einem 100MBit WLAN nach 1 Sekunde erfolgt.
  • PC1 und PC2 senden je 10MByte
    Nun muss "etwas" steuern, wer wann senden darf. Das übernimmt der AP. Idealerweise teilt er beiden Stationen die gleiche Bandbreite zu, d.h. jeder hat nun nur die Hälfte und die Übertragung dauert schon mal 2 Sekunden. In Realität dauert es noch länger, da zwischen den Paketen ja eine Lücke sein muss

  • PC3 und PC4 sind im Bild
    Dass der AP eine steuernde Funktion übernehmen muss lässt sich am besten beschreiben, wenn zwei Geräte so weit von einander entfernt sind, dass Sie sich nicht Gegenseitig sehen oder erreichen können. Wenn PC3 senden würde und PC4 das nicht "hört", dann würde auch PC4 senden und damit sich die Signale überlagern. Aus einem ähnlichen Grund durften damals die 10 MBit BNC-Ethernet-Netzwerke nicht mehr als 185m lang sein und nicht mehr als 4 Repeater haben. Beim "Yellow Cable" war nach 500m Schluss

Also muss der AccressPoint hier eine steuernde Komponente sein. Diese Überlagerung mit Kollisionen kann aber dennoch stören sein, wenn mehrere AccessPoints auf der gleichen Frequenz senden. Dazu aber später

Entfernung, Durchsatz und Airtime

Zuerst komme ich auf eine viel kniffligere Problemstellung, die auch mit einem einzelnen AccessPoint ohne fremde Signale den meisten Betreibern nicht bekannt ist. Die Ringe auf dem Bild habe ich nun farbig gemacht, weil je nach Entfernung die Signalstärke schwächer wird und damit das Verhältnis von Nutzsignal und Rauschen sich verschlechtert.

Bei WiFi reagieren die Clients und Access Points nun damit, dass Sie einfach langsamer senden, d.h. pro Bit mehr "Zeit" vergehen lassen und so das Signal erkennbar bleibt. Das machen wir Menschen auch, indem wir langsamer sprechen, wenn die Gegenseite uns sonst nicht versteht. Betrachten Sie nun dieses Bild und erinnern sich an die Zahlen von oben.

  • PC1 und PC2 könnten mit 100MBit senden
    Wenn Sie das gleichzeitig tun würden, bliebe jedem 50MBit übrig
  • PC3 sendet aber nur mit 10 MBit
    Er ist weiter weg und da das Signal damit schwächer ist, muss er mit weniger "Bit/Sek" arbeiten, um bei AP noch verstanden zu werden. Das gilt auch in Gegenrichtung. Da er weiterhin die gleiche Datenmenge in Bytes senden will. dauert die Übertragung entsprechend Länger. Wenn er 10 Megabyte mit 10 MBit sendet, dann belegt er 10 Sekunden lang das Medium.

Das Problem ist hier, dass die beiden PC1 und PC2 trotz ihrer Nähe zum AccessPoint die 100MBit gar nicht ausnutzen können. Sie senden zwar so schnell aber kommen viel seltener dran, weil der PC3 einfach durch seine langsame Geschwindigkeit das Medium so lange belegt. Wenn an der Supermarktkasse jemand die Waren "langsam" auf das Band legt, dann warten Sie dahinter auch.

Für Lync ist das dann besonders bitter, da "Wartezeit" eine Verzögerung der Audio-Pakete bedeutet, d.h. der Jitter ist sehr unterschiedlich und Pakete könnten sogar zu spät kommen, so dass diese als "Lost" angezeigt werden.

Das ist den meisten Administratoren nicht bekannt, dass weiter entfernte WLAN-Clients nicht nur weniger Bandbreite nutzen können, sondern auch die die anderen Clients in der Zelle beschädigen. Übrigens gilt das auch gleich für Clients, die einfach noch nicht schneller senden können. Ein uralter 11MBit -Client, kann mächtig ärgern. Zudem ist das Risiko höher, dass bei einer langen Übertragung eine Störung das komplette Paket unbrauchbar macht und der langsame Client das Paket noch mal senden muss.

Beim Einsatz von WiFi kann es immer noch passieren, dass sich zwei Clients gar nicht direkt sehen können und damit die CSMA/CA-Kollisionsvermeidung nicht greifen kann. Dann schalten die Clients auf dein RTS/CTS-Verfahren um, d.h. der Client fordert "Sendeberechtigung" an und der AccessPoint steuert. So lassen sich aber nicht nur Kollisionen reduzieren sondern der AP kann sogar "steuern" und priorisieren.

Ich habe das mit folgendem Setup einmal nachvollzogen. Ein Server mit Gigabit ist mit einer Fritzbox 3940 verbunden, die ein 5 GHz WLAN aufspannt, in dem zwei Clients sind

Auf den beiden Client wurde ein Serverprozess gestartet, der alle Pakete der beiden Client auf dem zentralen Server wieder zurück senden. Auf dem Server "sieht" man nichts aber auch den beiden Clients nebeneinander schon mehr.

Hier die Messung, wenn beide Client nebeneinander ca. 1m vom AccessPoint entfernt sind:

Leider sind beide Clients nicht "gleich gut" bezüglich ihrer WLAN-Netzwerkkarte aber man kann gut sehen, dass der eine Client links schon 70-80 MBit überträgt und der Client rechts immer noch 10/20 MBit. Nun habe ich den rechten Client soweit entfernt, dass er langsamer sein musste. von den 300MBit "Verbindungsgeschwindigkeit" ist  er auf 50 MBit gesunken.

Der rechte "bewegte" Client bricht auf 9/12 MBit ein und die Roundtripzeit geht auf 170ms hoch. Aber auch der links Client hat nun eine Roundtripzeit von 9,7ms und die Datenrate ist nur noch 26/30 MBit. Beachten Sie, dass sich die Skalierung der Y-Achse gegenüber dem ersten Bild geändert hat.

Dieser Test ist nur eine grobe Näherung um den Effekt zu zeigen. Genau genommen müsste man zwei identische Systeme nehme, die durch längere Messungen mit Mittelwerten dann den gleichen Durchsatz bekommen und dann mit Abstand wieder müssen. Leider müssen die Tools immer möglich "sekundengenau", was hier zu einer schlechteren Darstellung führt. Ich hoffe zu gegebener Zeit die Daten mit professionellem Equipment einmal aktualisieren zu können.

Die Lösung dieser Fragestellung ist eine feinere Segmentierung, d.h. eine Verkleinerung der Zellen durch absichtlich Signalabschwächung am Accesspoint und die Installation mehrere APs.

Überlappung

Wenn ich aber nun mehrere APs installiere, dann darf ich natürlich nicht benachbarte APs auf dem gleichen Frequenzband betreiben. Beim 2,4 GHz-Band sind die Kanäle 1-13 vorhanden, die mit 5MHz Breite angelegt sind. Diese können z.B.: in drei Gruppen zusammen gefasst werden

Leider halten sich nicht alle Betreiber daran, sich auf eines der drei Bänder zu verlegen und so sieht ein WiFi Frequenzband dann schon mal unaufgeräumter auf


Quelle: Momentaufnahme mit inSSIDer in meinem Büro

Auf öffentlichen Plätzen kann das noch durchaus enge zugehen. Da kommt es dann zwangsläufig zu "Kollisionen" und einer deutlichen Reduzierung der effektiv vorhandenen Bandbreite. Daher ist es für Firmen mit passenden Endgeräten auch interessant, in das 5 GHz Band zu wechseln. Hier sind deutlich mehr Kanäle vorhanden, so dass man bis zu 19 überlappungsfreie Bereiche hat. Höheren Frequenzen haben aber nicht nur den Vorteil höherer Datenraten sondern werden auch stärker gedämpft. Sie müssen also eher mehr APs installieren.

Kleinere Zellen sind aber eh für Firmen interessanter. Es soll schon Firmen geben, die gar keine Netzwerkverkabelung zum Tisch mehr einplanen aber dafür jedem Raum einen kleinen AP spendieren, der diesen Raum versorgt aber durch die Wände zum Nachbarn abgeschirmt sind

Mit drei Bändern können sie zumindest auf einer Ebene schon versuchen Bereiche ohne Überlappung zu schaffen. Das ist natürlich ein idealisiertes Bild, denn Wände, Möbel, Kabel etc. beeinflussen die Ausleuchtung stark.

Bei einer solchen Fläche sollten Sie aber hoffen, dass die Decken und Böden dieses Sender ausreichend abschirmen, damit sie nicht noch in der dritten Dimension planen müssen. Dann ist 5 GHz wirklich wichtiger.

Wechsel des AP

Die Abschirmung und klare Begrenzung von Funkzellen ist aber aus einem anderen Grund noch sinnvoll. Die meisten Clients mit WiFI sind nicht mehr Ortsfest, sondern können sich bewegen. Notebooks und Smartphone sind das klassische Beispiel dafür. Hier kommt dann eine weitere Eigenheit von WLAN-Clients zum tragen, die erst dann einen neuen AP suchen, wenn der alte AP nicht mehr sichtbar ist.

Der Client ist hier an der Position A zuerst am grünen AP1 verbunden und bewegt sich zu Position B. Da er aber den AP1 grade noch sieht, bleibt die Assoziation weiter erhalten. Der Client bremst damit aber alle anderen Clients im Bereich von AP1. Er ist aber schon näher am AP2 und könnte dort nicht nur schneller und sicherer übertragen, sondern würde auch beim AP1 die Bandbreite nicht verschlechtern.

Leider unterstützt aktuell kein Client einen intelligenten Wechsel der Funkzelle. Es gibt schon APs (z.B. Aruba), die den Standort des Clients ermitteln und den besten AP hierzu festlegen. Dann werden alle anderen APs angewiesen, eine Verbindung mit dem Client zu trennen, so dass der Client sich einen neuen Kontakt suchen muss. Das ist aber auch nicht ganz trivial, da so ein AP-Wechsel eine kurze Unterbrechung der Verbindung bedeutet und gerade in einer Umgebung mit vielen SSIDs der Client erst mal schauen muss, welche SSID denn nun weiter genutzt werden kann. Ggfls. sind noch Authentifizierungsverfahren erforderlich. Bei so einen Hand-Over sollte der Client auf jeden Fall bei der gleichen SSID bleiben und auch die IP-Adresse beibehalten. Firmen-Systeme können dies problemlos.

Lync in der Firma

Wer also mit Lync und WiFi in einer Firma arbeiten möchte, muss zuerst zur Kenntnis nehmen, dass immer mehr Client sich im WiFi-Netzwerk tummeln und damit die Bandbreite aufgeteilt wird. In Bürogemeinschaften oder Innenstadtlagen müssen Sie zudem damit umgehen, dass andere Firmen auch mit WiFi arbeiten und daher es zu Überlappungen und Einstrahlungen kommt. im 2.4GHz-Band kann es da schon eng werden. Achten Sie also darauf, dass die neuen Endgeräte nicht nur 5 GHz können, sondern auch nutzen.

Zudem kann es interessant sein, eine Umgebung einmal "auszumessen", d.h. man geht mit einem PC die Räume ab und notiert sich die Einstrahlung der verschiedenen APs um danach eine kleine Landkarte zu erstellen. Es ist durchaus lohnenswert für beide, wenn Sie ihren Nachbarn auf dessen WiFi-Kanal ansprechen. Ich habe schon einige WiFi-APs gesehen, die sich nicht an die Kanalzuordnung gehalten habe sondern manuell "optimiert" wurden und damit zwei Bereiche partiell überspannt haben.

Ansonsten ist der Aufbau einen WiFi-Verbunds in einer Firma eine sehr interessante Sache, zu der sie durchaus auch entsprechende Fachleute hinzuziehen sollten. Mit dem einfachen wilden Aufstellen mehrerer APs machen Sie mit dem nun bekannten Wissen es oft sogar schlimmer.

Lync im Eigenheim

Ein System mit einem Controller und mehreren APs kann einer Firme installieren aber wenn Sie nun an ein Eigenheim denken, dann müssen sie hier umdenken. Lync ist auch "Zuhause" im Einsatz, sei es als Home-Office, Vertretung, Bereitschaft o.ä. Zuhause gibt es aber ganz andere Herausforderungen.

  • Interne Mitbenutzer / Neue Medien
    Das LAN und WiFi im Eigenheim kann noch so schnell sein aber alles muss durch den gemeinsamen Flaschenhals "Internetanbindung". DSL mit 16MBit oder 50 MBit klingt viel, aber was netto für Lync übrig bleibt, wenn die Mitbewohner gerade Videos schauen, spielen, Skypen oder Software und Update herunterladen, ist nicht vorhersehbar, hat aber direkte Auswirkungen auf eine "Real Time Kommunikation"
  • Externe Nachbar
    Wenn Sie per WiFi arbeiten und nicht gerade auf einem abgelegenen Gehöft sind, dann gibt es Nachbarn, die in der Regel auch moderne Kommunikationsmitteln nutzen. Entsprechend kann es hier Überlappungen beim WiFi gehen.
  • Abschirmung
    In einem aktuellen Neubau sind die Betonarmierungen in den Decken und Böden so dicht, dass Sie WiFi sehr stark abschirmen. Dass eine Fritz!Box im Keller einen Client im Kinderzimmer auf dem 1.OG versorgen kann, ist nicht sehr wahrscheinlich, es sei denn über die "Lücke" des Treppenhaus. Zuverlässig ist das aber nicht.

Aus vielen Gründen kann es daher durchaus interessant sein, noch ein LAN-Kabel zu legen oder ortsfeste Geräte per PowerLAN anzubinden, d.h. die Daten über das Stromnetz zu übertragen, um den "Luftraum" für die wirklich mobilen Geräte zu nutzen.

Bezüglich der Externen Anbindung kann interessant sein, einen Performancetest zu machen. So bietet die Firma CacheFly auf http://cachefly.cachefly.net/speedtest/ Testdateien (1MB, 10MB, 100MB) an, die sie z.B. regelmäßig per WGET, PowerShell o.ä. herunterladen könnten um so die effektive Bandbreite zu müssen. Die Dateien sind angeblich dynamisch generiert, so dass Proxies und Caches die Messung nicht verfälschen. Das kombiniert mit einem HTTP-Sensor mit PRTG und schon bekommen Sie einen Einblick, wann die Internetleitung bei ihrem Provider noch weniger liefert, als Sie bezahlt haben.

Damit ist aber das WiFi im Haus-LAN noch nicht gelöst. Es gibt auch für dieses Problem mehrere Lösungsstrategien. Hier eine Lösung:

Angefangen habe ich mich einer Fritz!Box um ganz schnell zu merken, dass die Abschirmung der Decken mir gar keine anderen Wahl lässt, als mit mehreren APs zu arbeiten.

Also haben ich in jedem Geschoß einen Access-Point aufgebaut, der 2,4 /5 GHz kann. In der ersten Überlegung habe ich allen die gleiche SSID gegeben aber das machte es erst mal komplexer den AP zu erkennen, mit dem das Gerät arbeitet und welche es noch sieht. Daher hat aktuell jeder AP ausgehend für das Stockwerk und die Frequenz eine eigene SSID. Das bedeutet natürlich, dass ich jedem Gerät erst einmal alle sechs APs eintragen muss. Aber auf der anderen Seite kann ich so gleich erkennen, mit welchem AP ich verbunden bin und ich kann manuell wechseln. Das kann sinnvoll sein, z.B. wenn ich im Garten bin und damit sowohl den AP im Erdgeschoss als auch im Obergeschoss erreichen kann.

Die APs wurden in meinem Fall per vorverlegtem CAT6-Kabel einfach angeschlossen. Wer in einem Altbau wohnt, kann die Verbindung wahlweise auch per Power-Lan aufbauen. Vom Einsatz von WLAN-Repeatern rate ich ab, denn die meisten senden und empfangen auf dem gleichen Band, so dass jede Übertragung quasi zweimal den Kanal belegt.

In dem Beispiel vergibt natürlich nur der zentrale AP auch die IP-Adressen. Die anderen beiden APs arbeiten als reine Repeater. Das hat den Vorteil, dass man beim Stockwerkwechsel zwar den AP wechselt, aber die IP-Adresse anhand der MAC-Adresse gleich bleibt. Unschön ist hierbei nur, dass man einmalig bei einem neuen Gerät alle APs addieren muss, die man verwenden will. Das lässt sich aber verhindern, wenn alle APs die gleiche SSID mit dem gleichen Kennwort nutzen. Dann allerdings wird es für den Durchschnittsanwender fast unmöglich zu erkennen, mit welchem AP er verbunden ist und im Fehlerfall ist die Suche einer solchen "HeimUmgebung" deutlich aufwändiger.

Aktuell habe ich damit recht gute Erfahrungen gemacht. Vielleicht wechsel ich irgendwann auch wieder die SSIDs zu einem gemeinsamen Name, damit die Eintragung auf neuen Clients etwas einfacher ist. für Lync und andere Protokolle macht das aber keinen unterschied

Durch die getrennten Namen für 2,4 und 5GHz lässt sich auch gut ermitteln, welcher AP an welcher stelle wie stark vorhanden ist und ob ein Endgerät überhaupt mit 5GHz kommunizieren kann.

WiFi WMM

Sie haben schon weiter oben gelesen, dass der Access Point sowas wie der Chef im Ring ist, der Gesprächszeit zuteilt. Gerade um Audio/Video oder Telefonie über WiFi effektiver zu gestalten, gibt es mehrere Erweiterungen des Standards. Leider unterstützen diese Erweiterungen oft nur wieder die Enterprise-Komponenten. Diese erlauben es aber erst, über WiFi auch sinnvoll und zuverlässig mit Handgeräten wie dem Spectralink 8400 zu Telefonieren. Wenn wenn Sie ihre DECT-Telefone durch WiFi ersetzen wollen, dann muss das vergleichbar stabil sein.

Ein PC, der temporär während einer Bewegung keine Verbindung hat, ist weniger kritisch aber wer wie selbstverständlich telefoniert, wird kein Verständnis für abbrechende Gespräche haben.

  • QoS Wi-Fi Multimedia (WMM)
  • WMM Power Save
    Dieser Standard erlaubt eine Steuerung der Sendeleistung. So kann ein AP z.B. dem Mobilgerät sagen, wie stark er bei ihm ankommt und das Mobilgerät kann entsprechend die Sendeleistung reduzieren. Ohne diese Funktion würde das Mobilteil immer mit hoher Leistung senden, was schlecht für die Akku-Laufzeit wäre
  • WMM Admission Control unterstützen
    Über diesen Standard kann der AP feiner steuern, wer noch in der Funkzelle aufgenommen wird. für VoIP wird man in der Regel eine gewissen Bandbreite vorsehen und wenn zu viele inkompatible Geräte assoziiert wären, könnte diese Garantie nicht mehr aufrecht erhalten werden

Einige Standards müssen also vom Client in Verbindung mit dem AP erfüllt werden. Andere betreffen eher den AP. Wenn die Infrastruktur für WiFi nicht vorhanden und nur teuer erstellt werden kann, dann könne "IP over DECT" eine Option darstellen. DECT arbeitet mit Zeitschlitzen

Weitere Links

Design Principles für Voice Over WLAN
http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/wireless/4400-series-wireless-lan-controllers/net_implementation_white_paper0900aecd804f1a46.html

Network Planning, Monitoring, and Troubleshooting with Lync Server
www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=39084