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Wi-Fi Calling: was Service Providern nicht fehlen darf Welche Technologien taugen für VoWLAN beim Carrier?

Autor / Redakteur: Christian von Hoesslin / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Wi-Fi trägt heute bereits den Daten-Traffic aller Smartphones. Der iPhone-Durchschnittsnutzer verursacht pro Monat etwa zwei Gigabyte an mobilem Traffic und cs. neun Gigabyte an Wi-Fi-Traffic. Mit dem Wechsel der Netzbetreiber auf professionelle Wi-Fi-Netzwerke wird auch ein großer Teil des Voice Traffics auf WLAN wechseln.

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Wi-Fi Calling, oder schnöde: VoWLAN (Voice over WLAN), ist die Zukunft im Mobilfunk-Business. Doch zur Verwirklichung sind einige technische Finessen bei Drahtlos-Netzen nötig.
Wi-Fi Calling, oder schnöde: VoWLAN (Voice over WLAN), ist die Zukunft im Mobilfunk-Business. Doch zur Verwirklichung sind einige technische Finessen bei Drahtlos-Netzen nötig.
( © nito - Fotolia)

Die Technik hinter dem Transport von Gesprächsinhalten über das drahtlose IP-Netz (VoWLAN; Voice over WLAN) ist nicht neu, doch Apple sorgte mit seiner Ankündigung von Wi-Fi Calling auf iPhones für Aufruhr. Der schlafende Riese ist nun geweckt und Mobilnetzbetreiber fragen sich: kann unsere Infrastruktur mithalten? Ein professionelles Angebot für Wi-Fi Calling benötigt unter anderem ein garantiertes starkes Signal, smarte Traffic-Priorisierung und einige essenzielle Verwaltungsfunktionen für Netzwerke und Funkressourcen. Doch mit welchen Technologien können sich Service Provider nun rüsten?

Starkes Signal durch adaptive Antennentechnik

Adaptive Antennentechnik ist eine der wichtigsten Teile einer zuverlässigen Infrastruktur für Wi-Fi Calling. Mit ihr kann ein stärkeres Signal erzielt werden, das wiederum für ein besseres Modulations- und Coding-Schema (MCS) sorgt. Daraus folgt eine höhere Datenübertragungsrate: Datenpakete werden schneller versendet, es muss weniger Zeit im Kampf um einen Platz im Wi-Fi-Netz aufgewendet werden. Mögliche Kollisionen und Jitter werden reduziert, ebenso Frame-Verluste und erneute Pakettransmissionen, die die Latenz erhöhen würden. Mit anderen Worten: ein stärkeres Signal steigert die Sende-Effizienz aller Arten von Traffic – von Voice- wie Datenanwendungen.

Die adaptive Antennentechnik leistet dies, indem sie für jedes Paket ihr Antennenmuster dynamisch verändert. Die zugrundeliegende Software fokussiert die Funkfrequenz-Energie auf den angepeilten Empfänger und erzielt damit eine Signalverstärkung auf dem Empfängergerät um bis zu sechs dB.

So genannte Smart Antennas senken zudem die Interferenz, indem sie die Funkfrequenz-Energie nur in Richtung des intendierten Empfängers senden, statt wild in der Gegend umherzustrahlen. Gerade in Deployments mit hoher Dichte – wie Bürogebäuden oder öffentlichen Plätzen mit hohem Aufkommen – zeigt sich die kumulative Wirkung von verstärkter Empfänger-Signalwirkung und gesenkter Interferenz deutlich.

Eine weitere technische Verbesserung, von der Wi-Fi Calling profitiert, ist die diversifizierte Polarisierung der Antennen. Die Möglichkeit, das Signal des sendenden Geräts am Access Point mit horizontal und vertikal polarisierten Antennen zu empfangen, verbessert die Datenübermittlung des Clients spürbar. Kombiniert man diversifizierte Polarisierung mit Maximal Ratio Combining (PD-MRC), kann man bis zu fünf dB an zusätzlicher Signalstärke hinzugewinnen. Besonders bedeutend wird diese Technik, wenn man mit Einzel-Antennen-Geräten arbeiten muss, die nur mit einer einzigen Polarisation arbeiten – dies umfasst das Gros der Smartphones und Tablets inklusive aller iPhone-Modelle.

Adaptive Antennentechnik kann unabhängig von der Orientierung des Client-Geräts relativ zum Access Point das bestmögliche Wi-Fi-Signal extrahieren oder herstellen. Gerade für Echtzeit-Voice-Anwendungen ist dies relevant, denn sie sind per se bidirektional und müssen daher sowohl in Downlink wie Uplink das beste MCS und die höchste Datenrate erfahren.

Smarte Priorisierung für blinde Traffic-Sortierung

Ein starkes Signal ist jedoch nur der erste Schritt. Ebenso wichtig ist es, im Wi-Fi-Zugangsnetz die Ströme zu kategorisieren. Es existieren mehrere Methoden, mit denen sich ein verschlüsselter Datenstrom priorisieren und ein hochqualitativer Sprachanruf garantieren lässt. Dafür bedarf es einer Software, die Traffic untersucht, klassifiziert und optimiert – und dann ein Queuing auf Client- und Traffic-Klassen-Basis leisten kann.

Zunächst sollte eine Quality of Service Engine jedes Paket automatisch inspizieren und in eine von vier Kategorien einordnen: Voice, Video, Best Effort und Background. Hierfür müssen verschiedene Header untersucht werden können, etwa Ethernet Frames (TCP und UDP), VLAN-Tags, sowie IPv4 und IPv6-Pakete. Wird ein Type of Service mitgeliefert oder das 802.1p-Priority-Feld ausgefüllt, so sollte die Software diese Informationen nutzen. Wenn kein Tag angegeben wird, können heuristische Methoden helfen, den Traffic einzuordnen: hierfür werden Pakete nach Größe und Durchflussfrequenz analysiert. So kann auch ein verschlüsselter Datenstrom Rückschlüsse auf die Art des Traffics zulassen.

Scheduling-Verfahren zur Arbitrierung wie die Weighted-Round-Robin-Methode folgen nach Klassifikation und Einreihung, meist basierend auf Sendezeit, Durchflusspotential und Priorisierung für die WLANs. Pro Client sollten auch gezielt WLAN-Obergrenzen festgelegt werden. Diese Methoden sorgen für mehr Zuverlässigkeit und Leistung von verzögerungssensiblem Wi-Fi-Calling-Traffic, indem sie Jitter und Latenzen verringern.

weiter mit: Automatischer Channel-Wahl und Hotspot 2.0, sechs Funktionen von Netzwerk- und Funkressourcenverwaltung und dem Fazit

Automatische Channel-Wahl und Hotspot 2.0

Der automatische, selbst-organisierte Kanalwechsel ist einer der Schlüsselfaktoren, um ein professionelles und leistungsstarkes Netzwerk zu schaffen, denn er sichert einen maximalen Durchsatz selbst bei Störungen der Funkfrequenz. APs wechseln dabei automatisch Kanäle, um die Leistung der Funkübertragung zu testen und den Kanal zu wählen, der die Qualität für den Nutzer steigert.

Professionelle Sicherheit im Umgang mit Wi-Fi-Netzwerken bietet der so genannte Hotspot 2.0. Dabei handelt es sich um eine automatische Verbindung von Clients mit APs durch die Identifikation von roaming-fähigen Netzwerken und EAP-basierten Authentifizierungsmethoden. Hinzu kommt eine Verschlüsselung der Funkübertragung, die die Daten des Nutzers schützt, wenn er sich über einen öffentlichen Hotspot einwählt.

Sechs Funktionen von Netzwerk- und Funkressourcenverwaltung

Zur Implementierung einer erfolgreichen Infrastruktur gehören neben den genannten Techniken auch noch Verwaltungsfunktionen, die einen sauberen Ablauf gewährleisten. Folgende sieben Methoden und Funktionen gehören zu den Must Haves der professionellen Netzwerke:

  • Faire Sendezeit: Alle Nutzern wird die gleiche Sendezeit über eine bestimmte Funkverbindung zugewiesen, unabhängig von ihrer Sendegeschwindigkeit. Ohne diese Funktion können alte und langsame Geräte die Übertragung dominieren.
  • Balancierte Netzwerklast: Nutzer werden mit den APs verbunden, die freie Kapazitäten aufweisen – statt wie üblich mit den APs, die das stärkste Signal senden. Dies löst zudem das Problem des „klebrigen Geräts“, das sich nicht von einem AP löst, obwohl er nicht länger das beste Signal liefert.
  • Schnelle Übergabe: Eine wichtige Funktion für Wi-Fi Calling ist die Emulation einer besonderen Leistung von Mobilfunknetzen: die schnelle Übergabe eines Nutzers von AP zu AP in einem Versorgungsgebiet.
  • Quality of Service (QoS): Bereits heute für LTE-Netze von großer Bedeutung, wird die QoS mit dem IR-92-basierten Wi-Fi Calling unverzichtbar. Ein LTE Voice-Stack wird hierbei mittels IPSec über Wi-Fi getunnelt. Ein starkes Netzwerk muss diese Pakete priorisieren können, entweder durch Type-of-Service-Teile oder durch angewandte Heuristik.
  • Performance-Tests der Funkübertragung: Beim Einsatz adaptiver Antennen lässt sich an jedem AP der effektive Durchsatz für jedes Antennenmuster messen – jeweils pro Nutzer aufgeschlüsselt.
  • Leistungsstarkes Backend in der Cloud: In großen Netzwerken werden Statistiken in massivem Umfang erstellt. Dafür müssen sie in einem skalierbaren Analyse- und Reporting-Tool zur Verfügung stehen, das Daten jahrelang archiviert und ein breites Spektrum an Auswertungen liefern kann. Ein Wi-Fi-Netzwerk für Carrier muss skalierbar sein und besteht aus hunderttausenden Access Points. Eine Managementplattform für dieses Netzwerk sollte im besten Fall virtualisiert zur Verfügung stehen, um schnell neue WLAN-Controller-Instanzen zu generieren. Das System sollte für profitable WLAN-Services zudem Multi-Tenant-Dienste unterstützen.

Fazit: Wi-Fi Calling benötigt die richtige Technik

Wi-Fi Calling existiert bereits seit einigen Jahren, doch erst Apples Zuspruch zum IR-92-basierten Wi-Fi Calling hat VoWLAN zur Mainstream-Carrier-Technologie erhoben. Und um als Carrier ein professionelles Netzwerk zu betreiben, braucht es professionelles Equipment.

Christian von Hoesslin
Christian von Hoesslin
(Bild: Ruckus Wireless / Fotografie Balleis)

Dabei kommt es vor allem darauf an, dass der Nutzer überall im Netzgebiet dank adaptiver Antennentechnologie ein starkes Signal erhält, sich leicht und sicher verbinden kann und auch bei veränderter Umgebung verbunden bleibt. Schnelle Übergabeverfahren und eine Priorisierung auch von verschlüsseltem Traffic sorgen für die nötige Qualität in der Nutzererfahrung. Dabei muss all das skalierbar zu verwalten sein.

Über den Autor

Christian von Hoesslin ist Regional Sales Director DACH & EE bei Ruckus Wireless.

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