Fixed-Mobile-Convergence im Test – Teil 2

Siemens HiPath Mobile Connect vs. Avaya one-X Mobile

08.12.2008 | Autor / Redakteur: Dr. Frank Imhoff, Nick Schirmer, Dr. Michael Wallbaum / Andreas Donner

ComConsult lässt in Sachen FMC die Lösungen von Avaya und Siemens gegeneinander antreten
ComConsult lässt in Sachen FMC die Lösungen von Avaya und Siemens gegeneinander antreten

Handover zwischen zwei WLAN-Zellen

Im WLAN-Umfeld wird oft auch der Wechsel zwischen zwei WLAN-Funkzellen als „Roaming“ bezeichnet. Im Mobilfunk bezeichnet Roaming üblicherweise den Provider-Wechsel, während der Wechsel von Funkzellen während eines laufenden Gesprächs als Handover bezeichnet wird. Um keine Verwirrung entstehen zu lassen, soll diese Sprachregelung im Folgenden auch für das WLAN-Umfeld genutzt werden.

Der Handover-Vorgang ist bei der Übertragung von Sprache ein sehr kritischer Bereich, da hier erhebliche Verzögerungen oder sogar Paketverluste und damit erhebliche Qualitätseinbußen bei der Sprachübertragung auftreten können. Verzögerung entsteht u.a. auf Schicht 2 zwischen den Access Points und auf Schicht 3 bei der Konfiguration von IP-Adresse, Re-Routing und Authentifizierung. Einige Hersteller unterstützen darüber hinaus auch Preemptive Roaming, das den Client bereits an benachbarten Access Points anmeldet, obwohl er sich noch gar nicht in Reichweite befindet. Dies ermöglicht einen reibungslosen Übergang sobald der Client in Reichweite des nächsten Access Point kommt.

Ein Handover-Vorgang von einem Access Point zum nächsten besteht aus mehreren Schritten. Hier ist zunächst die Reauthentifizierung zu nennen. Damit die bestehende Verschlüsselung erhalten bleibt, ist in den meisten Fällen das Aushandeln eines neuen Keys gemäß 802.11i erforderlich. In einigen Fällen erhält der Client eine neue IP-Adresse und der IP-Traffic muss zum neuen AP gelangen, mit dem der Client dann verbunden ist.

Wird im Netzwerk ein QoS-Kontext (Quality of Service) gemäß 802.11e konfiguriert, so muss dieser erhalten bleiben, um die Servicequalität und die erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit sicherzustellen. All diese Schritte sind bei jedem Access-Point-Wechsel notwendig, ohne dass der Benutzer etwas davon bemerken sollte.

Ein weiteres Problem ist die mit zunehmender Entfernung des Client vom Access Point sinkende Datenübertragungsrate bis hinunter zu 1 MBit/s. Damit können unter Umständen Störungen auftreten, obwohl schon früher ein Access Point mit besserer Übertragungsrate in Reichweite gewesen wäre.

„Klassische“ WLANs nach IEEE 802.11 verwenden den Mobile Controlled Handover (MCHO) für den Zellwechsel. Eine Kanalmessung wird dabei nur endgeräteseitig durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen entscheidet ausschließlich das Mobilgerät über ein durchzuführendes Handover. Beim Einsatz von Thin-Access-Point-Systemen stehen hingegen andere Möglichkeiten zur Verfügung. So kann der Controller Handover-Entscheidungen z.B. aufgrund von zentral zur Verfügung stehenden Informationen über die Auslastung einzelner Access Points oder hinsichtlich der Signalstärke zwischen diversen Access Points und einem einzelnen Endgerät treffen. Auf diese Weise lassen sich Überlastungen vermeiden und Handover schon frühzeitig auslösen, sodass dem Client immer die bestmögliche Übertragungskapazität zur Verfügung steht.

Die verwendeten Nokia-Endgeräte versuchten so lange wie möglich mit dem gewählten Access Point verbunden zu bleiben. Aus diesem Grund wurden Handover-Vorgänge erst eingeleitet, wenn ein Signalverlust kurz bevor stand – auch dann, wenn schon lange vorher ein Access Point mit deutlich besserem Signal in Reichweite war. Im schlechtesten Fall führt diese Vorgehensweise sogar zu einer Übergabe des Gesprächs an das GSM statt an einen anderen Access Point. Nur durch eine größere Überlappung der WLAN-Zellen konnte dieses Problem behoben werden.

Um Qualitätseinbußen beim Handover quantitativ bestimmen zu können, wurde ein Sinussignal mit 500 Hz mittels der Software „Test Ton Generator“ über ein Notebook an ein IP-Telefon übertragen. Mithilfe einer VoIP-Verbindung wurde das Signal an das Mobiltelefon weitergeleitet. Dort wurde es wieder abgegriffen und mit einem Notebook unter Verwendung der Software „Audacity“ aufgezeichnet. Zur Messung der qualitativen Einbußen infolge eines Handover wurde ein Test-Audio-File in einer Endlosschleife über denselben Weg wie das Sinussignal übertragen und aufgezeichnet. Diese nach der Übertragung aufgezeichnete Datei wurde dann zur Mean-Opinion-Score-Wert-Bestimmung mit der Originaldatei durch die Software PESQ-Scope verglichen.

Für beide Untersuchungen wurde das Dual-Mode-Mobiltelefon im Überdeckungsbereich von zwei WLAN-Zellen platziert. Anschließend wurde der Handover-Vorgang auf unterschiedliche Weise ausgelöst.

  • Im ersten Versuch wurde das Mobiltelefon vom gerade verbundenen Access Point durch den WLAN-Controller abgemeldet und verband sich daraufhin mit dem anderen Access Point.
  • Beim zweiten Test wurde vom gerade verwendeten Access Point das Stromkabel abgezogen, so dass sich das Mobiltelefon mit dem anderen Access Point verbinden musste.
  • Im dritten Test wurde das LAN-Kabel vom gerade verwendeten Access Point abgezogen und der resultierende Handover-Vorgang aufgezeichnet.

Zum Abschluss der Testreihe wurde bei „normaler“ Schrittgeschwindigkeit der Sendebereich der einen Funkzelle verlassen bis das Handover an den zweiten Access Point stattfand. Dabei wurde das übertragene Sinus-Signal aufgezeichnet, um eventuelle Ausfälle zu dokumentieren.

Handover-Ergebnisse im Detail

Bei der Avaya-Lösung one-X Mobile Dual Mode erzeugte der durch den Zellwechsel verursachte Handover einen durchschnittlichen Ausfall von 155 ms. Die Siemens Mobile-Connect-Lösung benötigte im Durchschnitt von drei Messungen 295 ms. Eine mögliche Erklärung für die zusätzlich für das Handover benötigte Zeit, gegenüber der Avaya-Lösung, könnte eine Kontaktaufnahme zum Controller sein, dem der Zellwechsel mitgeteilt wird.

Trennt man den Access Point durch ein beherztes Entfernen des Netzwerkkabels vom Netz, führt das zu einem stark verzögerten Handover. Das Mobiltelefon blieb durchschnittlich 31 Sekunden mit dem Access Point verbunden, obwohl dieser keine Verbindung mehr zum Netzwerk hatte. Erst nach dieser Zeit verband sich das Mobiltelefon mit dem anderen Access Point. Die Unterbrechung entspricht der Zeit, die vergeht bis durch ein Timeout erkannt wird, dass der Access Point nicht mehr erreichbar ist und die Verbindung zum neuen Access Point hergestellt wurde. Abbildung 9 zeigt den Verlauf der Übertragung mit deutlicher Unterbrechung.

Subjektiv bewertet sind die Unterbrechungen, die durch ein reguläres Handover entstehen, bei beiden Systemen in einem Gespräch kaum wahrnehmbar und nicht störend. Sie erzeugen lediglich einen kurzen „Knacks“ beziehungsweise Aussetzer. Daher lässt sich feststellen, dass an dieser Stelle gegenüber DECT-Lösungen oder reinen Mobilfunk-Ansätzen keine Nachteile bei einer WLAN-Lösung entstehen.

Der von den Endgeräten verwendete Schwellwert für das Handover zur nächsten WLAN-Zelle war im Rahmen der hier dargestellten Testreihen nicht beeinflussbar. Lediglich die Werte für den Roaming-Vorgang konnten mittels der Client-Applikationen eingestellt werden. Wäre der Parameter für ein Handover einstellbar, könnte hier u.U. eine Nutzerspezifische Anpassung an das gegebene WLAN und an die eigenen Qualitätsansprüche erfolgen.

Ein möglicher Ansatz dafür wäre z.B. ein Hysterese-abhängiges Handover, ähnlich wie beim Roaming. Bewegt sich der WLAN-Client von Access Point 1 in Richtung Access Point 2, ist das Handover davon abhängig, ob das gemessene WLAN-Signal unterhalb des Schwellwertes liegt und die Differenz der beiden gefundenen WLAN-Signale größer als der eingestellte Hysterese-Wert ist. Durch die Anwendung der Kombination von Schwellwert, relativer Signalstärke und Hysterese wird der so genannte „Ping-Pong“-Effekt vermieden, der den permanenten Handover zwischen zwei empfangenen Access Points aufgrund von Schwankungen in der SNR beschreibt. Hierbei muss allerdings eine eventuell daraus resultierende Verlängerung des Handover-Vorgangs möglichst vermieden werden.

weiter mit: Seamless Roaming

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