Seamless Roaming – Von einer Zelle zur nächsten

Seit dem Siegeszug der Handys wandern wir von einer Netzzelle zur anderen und von einem Netz in das andere, sogar länderübergreifend. Hierbei erfolgt der Wechsel – Roaming – nahtlos, also seamless. Die Verbindung zwischen zwei Teilnehmern kann abreißen. Beim Einsatz von mobilen Clients im W-LAN treten ähnliche Roamingvorgänge auf. Allerdings sind in der Automation verlorene Datenpakete oder gar ein länger andauernder Kommunikationsausfall entscheidene Ausschlusskriterien. Einsatzbereiche für das Seamless Roaming sind überall dort gegeben, wo der Datenstrom während der Umbuchung von einem Access Point zum anderen nicht unterbrochen werden darf, sondern seamless, also nahtlos, aufrechterhalten bleiben muss. Diese Forderung gibt es z.B. bei Daten, die den Client steuern, bei fahrerlosen Transportsystemen, bei Transportwagen in Hängebahnen, bei Aufzugsystemen und bei Hochgeschwindigkeitsbahnen. Ebenfalls einsetzbar ist die Lösung für alle mobilen Systeme, bei denen Anwendungsdaten unterbrechungsfrei transportiert werden müssen, wie Gabelstaplerterminals, Kommissioniersysteme, Baumaschinen, mobile Videoüberwachungssysteme oder Maschinensteuerungen. Die Notwendigkeit, Informationen aus allen Bereichen der internen, immer stärker vernetzten Unternehmensprozesse jederzeit griffbereit zu haben, rückt mehr und mehr in den Vordergrund. So ist es z.B. in der Logistikbranche von großer Bedeutung, dass auch noch so entlegene Lagerplätze im Netzwerk ununterbrochen erreichbar sind. Dies ist mit einer positionsgerechten Funkausleuchtung und der optimalen Platzierung von mehreren Access Points möglich. Seamless Roaming schafft hier einen unterbrechungsfreien und kontinuierlichen Datenfluss. Drahtloser Datenverkehr ohne Unterbrechung Der Seamless Roaming Access Client übernimmt die Kommunikation zum Access Point über die Funkschnittstelle und wird lokal an das mobile System über ein Standard-Ethernet-Kabel angeschlossen. Die Funkschnittstelle kann in den W-LAN-Standards 802.11b/g und a/h betrieben werden, also im 2,4 und 5GHz-Bereich. Beim Frequenzband von 2,4GHz stehen von 13 Kanälen drei überlappungsfreie zur Verfügung, im 5GHz-Bereich bis zu 19. Die Verschlüsselung des Datenverkehrs auf der Funkschnittstelle bietet Sicherheit durch 802.11i AES Verschlüsselung (WPA2) sowie Unterstützung von 802.1x Radius Authentifizierung auch im Client Modus. Die 802.11h Zertifizierung erlaubt die Nutzung des Gesamtsystems in Europa im 5GHz-Band im Freien und in geschlossenen Hallen. Ausgelegt sind die Systeme nach Schutzart IP65. Auf der Suche nach der besten Verbindung Grundsätzlich wird das Roaming zwischen zwei benachbarten Access Points vom Client ausgelöst. Beim herkömmlichen Roaming geschieht das, wenn die Verbindungsqualität einen im Client herstellerseitig festgelegten Schwellwert unterschreitet. Der Client scannt nun nach anderen Access Points und verbindet sich im Erfolgsfall mit dem Access Point mit dem besten Signalpegel. Dort muss er sich aber eventuell zuerst noch authentifizieren. Alles in allem ein recht zeitaufwendiger Vorgang, während dem keine Daten übertragen werden. Die wichtigsten Kenngrößen beim Roaming sind somit Verbindungsqualität, Signalpegel und die Wahl eines neuen Access Points. Zum einen muss der Client wissen oder sich entscheiden, zu welchem Zeitpunkt er eine bestehende Verbindung aufgibt und nach einer besseren sucht. Marktübliche Access Clients gestatten meist nicht, entsprechende Schwellwerte auszuwählen, so dass der Anwender auf die Herstellervorgaben angewiesen ist. Zum anderen stellt sich die Frage, wo sich denn ein besserer Access Point befindet. Das \’Wohin\‘ bestimmt vorrangig die Zeitdauer des Verbindungsausfalls. Muss ein Client erst alle Kanäle im Netzwerk abscannen und dann die Verschlüsselungsdaten austauschen, geht zu viel Zeit verloren. Diese Zeit lässt sich für zahlreiche Anwendungen verkürzen. Drei Wege zum Ziel ads-tec bietet drei verschiedene Arten von W-LAN Roaming an: – Standard Roaming Möglichst schnelles Roaming durch eingeschränkte Kanallisten, Roaming-Schwellwerte und konfigurierbares aktives Scanning, deren Parameter sich im Access Client einstellen lassen. Der Client entscheidet anhand der vorgegebenen Schwellwerte, wann ein Roaming-Vorgang ausgelöst werden muss. Bei Authentifizierung der Clients über einen Radius-Server informieren sich alle beteiligten Access Points im Netz gegenseitig über die eingebuchten und authentifizierten Clients. Hier genügt das einfache Einbuchen an einem neuen Access Point. Die zeitraubende Radius-Server-Authentifizierung muss nicht erneut durchgeführt werden. – Tabellen-Roaming Das Tabellen-Roaming ist besonders geeignet für Fahrzeuge, die sich auf einer fest vorgegebenen Bahn bewegen, bei der die Access Points entlang dieser Bahn in einer feststehenden Reihenfolge montiert sind. Der Netzbetreiber gibt dem Access Client eine Liste der verfügbaren Access Points in Form einer Tabelle und die Schwellwerte für das Auslösen des Roamings vor. Bewegen sich die Fahrzeuge auf einem freien Kurs in einem W-LAN-Funkfeld und ist die Positionsbestimmung des Clients durch die Fahrzeugsteuerung möglich, kann dieser Client von der Fahrzeugsteuerung aus über eine Modbus/TCP API-Schnittstelle von extern zum Roaming veranlasst werden. – Seamless Roaming Beim Seamless Roaming wird der Roamingvorgang ohne Paketverluste und ohne Unterbrechung der Datenübertragung durchgeführt. Der Seamless Access Client arbeitet im Fully-Transparent-Bridge-Mode, so dass sich hinter dem Access Client mehrere Teilnehmer bzw. ein ganzes Netzwerk befinden können und transparent über W-LAN erreichbar sind. Neben der Datenkommunikation ist der Client kontinuierlich auf der Suche nach einem Access Point mit höherer Signalstärke und somit einer höheren Übertragungssicherheit bzw. Bandbreite. Zur Anpassung an unterschiedlichste Umgebungsbedingungen und Applikationen lässt sich im Client ein Schwellwert zum Auslösen des Roaming-Vorgangs einstellen. Seamless Roaming im Detail Zur Verdeutlichung wird der Ablauf des Seamless Roaming Vorgangs aufgeteilt. Beim Start des Systems beginnt nach der Einbuchung und Authentifizierung am Access Point die Datenkommunikation. Parallel hat der Client die Aufgabe, nach einem Access Point zu suchen, der für einen Wechsel geeignet wäre. Das heißt, er sucht permanent nach neuen Access Points. Befindet sich nun der Client in Reichweite zu einem weiteren W-LAN Access Point so erledigt er: – die benötigte Autorisierung und Anmeldung – die komplette Abhandlung der Verschlüsselung – die Einbuchung, ohne dass die Datenkommunikation unterbrochen wird. Ist die Einbuchung bei beiden W-LAN Access Points erfolgt und wird der eingestellte Schwellwert erreicht, stellt die Software im Client die Verbindung unterbrechungsfrei auf AP2 um und startet den Suchvorgang nach einem neuen Access Point. Während sich ein mobiles Endgerät (Access Client) durch ein Funkfeld mehrerer Access Points bewegt, wird die Veränderung der Signalstärke am Access Client gemessen. Seamless Roaming Clients verbinden mobile Systeme auch bei hohen Geschwindigkeiten. Bei ausreichender Streckenauslegung und Überlappung der einzelnen Funkzellen sind Geschwindigkeiten bis zu 100km/h und darüber realisierbar. Kasten 1: Ausfallzeit [msek] Marktübliches WLAN Roaming > 1.000 ads-tec Standard Roaming (mit beliebigem AP) 50 – 500 ads-tec Tabellen-Roaming (mit ads-tec AP) 10 – 50 ads-tec Seamless Roaming (mit ads-tec AP) 0 Die \’Ausfallzeit\‘ gibt die Zeit an, in der keine Datenübertragung während des Roamingvorgangs möglich ist. HMI-Stand: Halle 11 Stand A62