Optimering av trådlösa nätverk för Skellefteå kommuns verksamheter
Villi Fazlutdinov
Datornätverk, högskoleexamen 2020
Luleå tekniska universitet Institutionen för system- och rymdteknik
Förord
Jag vill tacka Marianne Tyboni, Patrik Holmlund, Eva Lövf, Robert Brännström, Teemu Laine, Johannes Hirche, Todd Booth, Karan Mitra, Dimitar Minovski, Raihan Ul Islam, Karl Andersson och Örjan Tjernström för 2,5 fantastiska år här på LTU. Har alltid fått hjälp och den stöd jag har behövt under hela min tid på universitet.
Jag vill också tacka Fredrik Wallerström som tilldelade mig projektet som hölls av Peter Fjällström och Jonas Hedqvist.
Från Örjans föreläsning:
“Jag vet ingenting om tur bara att ju mer jag tränar desto mer tur har jag”
- Ingemark Stenmark
Sammanfattning
Projektet genomfördes i Skellefteå kommuns verksamheter. Målet var att optimera det trådlösa nätverket på Sunnanå förskola och mäta det trådlösa nätverket på äldreboendet Dammen. Till att börja med genomfördes en mätning med hjälp av Ekahau Pro Survey.
Därefter skedde planering och en förtätning utfördes för att åtgärda eventuella problem i det trådlösa nätverket och efter det gjordes en efterföljande mätning.
Sunnanå förskola blev första objektet att analyseras, Mätningen visade direkt att ett antal accesspunkter saknades. Kanalplaneringen var inte korrekt och signalstyrkan var för svag på alla accesspunkter. Två nya accesspunkter sattes upp och en ny mätning gjordes.
Eftersom det var en kostnadsfråga att få ändra placeringen av accesspunkterna så kunde förtätningen inte fullföljas med önskade resultat.
Det andra objektet var äldreboendet Dammen. Efter att ha studerat ritningarna så gjordes det mätningar över hela objektet. Resultaten visade mycket dålig signalstyrka på alla våningar, samt en ineffektiv kanalplanering. Stickprov gjordes i ett av rummen hos de boende på äldreboendet för att försäkra sig om att det verkligen inte var väggarna som stoppade signalstyrkan utan att det var de automatiska inställningarna som hindrande accesspunktens signalstyrka att nå ut till de områden som kräver täckning. Inte nog med att signalstyrkan och kanalplaneringen var fel så var antalet accesspunkter för många, för nära placerade varandra och just under varandra på alla våningar. Lösningen hade varit att minska antalet accesspunkter, göra en bättre kanalplanering samt öka signalstyrkan. Istället skickades förslag om eventuella förändringar.
Abstract
The project was carried out in Skellefteå municipality's operations. The goal was to optimize the wireless network at Sunnanå preschool and measure the wireless network at the elderly residence Dammen. To begin with, a survey was conducted using the Ekahau Pro Survey.
Subsequently, planning took place and a densification was carried out to address any problems in the wireless network and after that a subsequent measurement was made.
Sunnanå preschool became the first object to be analyzed. The survey directly showed that a number of access points were missing. Channel planning was not correct and signal strength was too weak at all access points. Two new access points were set up and a new measurement was made. Since it was a cost issue to change the location of the access points, the densification could not be completed with the desired results.
The other object was the elderly residence Dammen. After studying the drawings, measurements were made over the whole object. The results showed very poor signal strength on all floors, as well as inefficient channel planning. Sampling was done in one of the rooms of the elderly residents' homes to make sure that it was not really the walls that stopped the signal strength but that it was the automatic settings that prevented the access point's signal strength from reaching the areas that require coverage. Not only was the signal strength and channel planning wrong, the number of access points was too many, too close to each other and just below each other on all floors. The solution would have been to reduce the number of access points, make better channel planning and increase signal strength. Instead, proposals were submitted for possible changes.
Innehållsförteckning
1. Introduktion 1
2. Teori 2
2.1 Redundans 2
2.2 Signalstyrka och roaming 2
2.3 Kanalplanering 2
2.4 Frekvensband 3
2.5 Accesspunkt 3
3. Metod 4
3.1 Ekahau Pro Site Survey Tool 4
3.2 Sunnanå förskola 4
3.3 Äldreboendet Dammen 4
3.4 Accesspunkten 5
4. Resultat 6
4.1 Sunnanå förskola 6
4.2 Mätningarna 7
4.3 Äldreboendet Dammen 13
5. Diskussion 20
5.1 Summering 20
6. Referenser 21
1. Introduktion
Vad är ett trådlöst nätverk och varför behövs det? Tack vare Internet of things (IoT) så behöver många enheter idag uppkoppling, allt från kylskåp till fönster sensorer och för att alla enheter ska kunna vara uppkopplade mot nätet så används trådlöst uppkoppling.
Som är en datornätverk som är skapad till för att sända ut data via radio frekvenser. Det finns lite olika varianter av det trådlösa nätverket som LAN, WLAN och de mest använda WMAN. Uppsättningen av trådlösa nätverket har flera olika sätt att sättas upp på, som point to point ett så kallat ad-hoc-nätverk där man ansluter två noder till varandra direkt eller via ett mesh nätverk där man använder flera noder vid anslutning.
På grund av att det trådlösa nätverket växer otroligt fort så behövs nu utrustning som både kan sända ut mycket data samt vara tillgängliga till flera användare samtidigt och
automatiskt kunna anpassa sig för att inte störa eller störas av andra enheter. Det som används för en sådan uppgift är en accesspunkt som är kopplad mot nätet och skickar ut tillgång till en internetuppkoppling för användaren.
Skellefteå kommun har idag ett trådlöst nätverk som byggts efter kommunens
verksamheters behov. Då önskan av ett väl fungerande trådlöst nätverk blivit allt större finns ett behov att se över täckning och funktion. Tanken är att examensarbetet innefattar mätning och översyn av det trådlösa nätverket hos fyra verksamheter av exempelvis täckning,
signalstyrka, brusnivåer och svarstider. Examensarbetet blev att undersöka och felsöka de objekt som pekats ut samt att försöka åtgärda problemen.
Sunnanå Förskolan var prioriterat som första objekt att se över. Personalen på förskolan upplevde en dålig uppkoppling till nätet. Det kom också uppgifter om att de även tappar uppkopplingen samt inte hade något Internet. Uppgiften blev att undersöka Sunnanå förskolans trådlösa nätverk, felsöka, åtgärda och förtäta. Mäta äldreboendet Dammen felsöka och komma med förslag om förbättring. Uppgiften blev att få ett bra ett väl fungerande trådlöst nätverk på Skellefteå kommuns verksamheter.
1
2. Teori
2.1 Redundans
Det som gör ett välfungerande trådlöst nätverk är redundans som tillför en backup funktion för alla klienter. Det innebär att nätverket fortsätter att fungera även om en accesspunkt går ner genom att användaren kan kopplas upp mot en annan accesspunkt.
2.2 Signalstyrka och roaming
Signalstyrkan ska vara minst -67dBm över hela objektet för att medge bra uppkoppling. Ju högre signalstyrka desto bättre täckning har användarna. Signalstyrka (signal strength) är den viktigaste faktorn för ett WLAN (wireless local area network) dels för att ge bra täckning för hela geografiska området, dels vara anpassad för roaming.
WLAN är då end devices kan kommunicera via trådlöst uppkoppling inom begränsad geografiskt område även kallat Wi-Fi.
Roaming kommer från engelskan och betyder “att vandra”. Inom nätverk betyder det att en klient automatiskt kopplas upp mot en ny accesspunkt då den rör sig förbi olika enheter inom ett visst område. När en klient rör sig från en accesspunkt till en annan blir signalstyrkan till den associerade accesspunkten svagare, samtidigt som signalstyrkan från den andra accesspunkten blir starkare. Då kopplas klienten istället upp mot den bättre accesspunkten som ligger närmare och har den starkaste signalstyrkan.
2.3 Kanalplanering
Kanalplanering utgör en stor del av nätverkets funktion då störningar kan förekomma ifall accesspunkter sänder på samma kanal vilket ska undvikas. Ett sådant fall kallas för kanalöverlappning. Kanalöverlappningen sker då till exempel två eller fler accesspunkter skickar data på samma kanal. Då uppstår det störningar, så kallade co-channel interference.
Det är då signalerna blir svåra att förstå när accesspunkterna skickar ut data på samma kanal. Lösningen till co-channel interference som togs fram IEEE 802.11-standarden var att se till att accesspunkter sänder en i taget på samma kanal. Det förebygger störningar men leder dock till att sändningar fördröjs. Därför är det bästa alternativet att sända från olika kanaler istället. Som allt annat inom det trådlösa nätverket så är anpassning nyckeln till ett väl fungerande nät. Då man konfigurerar 2,4 GHz så finns det 13 olika kanaler att utgå från.
Eftersom av att många av kanalerna överlappar varandras sändutrymme så används non-overlapping channels som är 1, 6 och 11. Kanalerna i 5 GHz är alla non-overlapping då de är 20 MHz breda. I konfiguration går det även att ställa in bredden på kanalerna till 20, 40, 80 eller 160 MHz. Antalet non-overlapping kanaler blir då även färre när vi ökar bredden.
2
2.4 Frekvensband
Den vanligaste frekvensbandet för trådlösa nätverket är 2,4 GHz och används inom all trådlös kommunikation som exempel webbkameror, smartphones, smarta kylskåp, sensorer samt de end devices som är uppkopplade till nätet. Det gör att just detta frekvensband är väldigt högt belastat och blir oftast utsatt för störningar vilket påverkar och försämrar uppkopplingen mellan accesspunkt och klienten. Bandbredden ligger på 100 MHz och bandet är indelat i 14 kanaler där varje kanal är 22 Mhz breda. 5 GHz är till skillnad till 2,4 GHz mindre belastat och har högre bandbredd. Och därmed bättre kapacitet.
2.5 Accesspunkt
En accesspunkt är en nod som styr centralt data inom ett infrastrukturnät. Den kopplas upp mot en switch som i sin tur skickar data från en ISP. Eftersom accesspunkterna är kopplade med PoE (Power Over Ethernet) så är de väldigt smidiga att konfigurera var för sig med hjälp av en WLAN controller. Alla trådlösa nätverk har ett namn och kallas på
datornätverksspråk för SSID (Service Set Identifier).
3
3. Metod
För att komma igång med arbetet behövdes först utrustning som passerkort, dator och mätverktyg.
3.1 Ekahau Pro Site Survey Tool
Ekahau Pro Site Survey Tool är ett av det bästa mätverktygen på marknaden för att mäta, designa, felsöka, analysera, studera och optimera ett WiFi-nätverk.
Ekahau Pro Site Survey Tool köptes in av kommunen och kan användas på Windows, Ipad samt mac OS. Kartor över objekten importeras till programmet och därefter läggs kartans skala in genom att ange det verkliga avståndet från till exempel en dörr till en vägg. När nätverket mäts visar programmet en simulering av hur accesspunkterna sänder, var de är uppsatta samt ger en helbild hur det trådlösa nätverket ser ut. Genom information om vilken modell accesspunkten är så kan den räkna ut i simuleringen hur just den accesspunkten sänder. Genom att rita in väggar, fönster och dörrar så ger även Ekahau Pro en bild om hur signalen påverkas.
3.2 Sunnanå förskola
Ett besök på Sunnanå förskola gjordes för att få en inblick i hur accesspunkterna var uppsatta. Frågor angående det trådlösa nätverket ställdes till personalen för att få en större inblick om deras upplevelser kring nätverket. Efter att kartan samt skalan lagts in i Ekahau Survey Pro gjordes den första mätningen på platsen genom att gå omkring och mäta
uppkopplingen i alla rum och avdelningar på objektet. Bilderna från mätningen skrevs sedan ut i en rapport som visar information som signalstyrka, packet loss och nätverksproblem.
Dessa bilder analyserades sedan för att se förbättringsområden på nätverket.
På Sunnanå förskola upptäcktes det att det var för få accesspunkter för att nå en tillräcklig signalstyrka. Det som gjordes då var att två accesspunkter lades till, från 5 accesspunkter till 7 stycken. Ny mätning utfördes och resultatet gav bättre signalstyrka men
kanalöverlappningen kvarstår fortfarande som ett problem.
3.3 Äldreboendet Dammen
Efter att ritningarna över äldreboendet Dammen hade blivit skickade och nedladdade så kunde besöket påbörjas. Väl på plats undersöktes alla avdelningar, rum och våningar. Med 2 meters intervaller mellan varje markering så mättes hela Dammens lokaler. Ett stickprov gjordes inne i en bostad för att se hur mycket signalstyrkan tränger in genom väggarna.
4
3.4 Accesspunkten
De accesspunkter kommunen använder är av modellen Cisco Aironet 2702i [2] se även bild 1 nedanför. Cisco Aironet 2702i ska kunna ha en räckvidd på ungefär 200 m i diameter och rymma ungefär 200 användare samtidigt [5]. Skellefteå kommuns verksamheter har i sina objekt konfigurerat fyra VLAN alltså fyra SSID som det går att koppla upp sig mot. Varje vlan har olika rättigheter. De VLAN som finns konfigurerade är SKEMOBILE, SKEGUEST,
SKENET och SKOLAX. Skellefteå kommuns accesspunkter är inställda från start på autoläge, vilket gör att accesspunkterna väljer ut kanalerna mellan 1, 6 och 11 på 2,4 GHz själva och på 5 Ghz väljer den mellan 36 och 140 beroende på vilka kanaler som passar accesspunkterna på autoläge. Cisco Aironet 2702i använder sig av MIMO (Multiple In Multiple Out). Det gör att accesspunkten kan skicka ut data på dubbla datakanaler samtidigt och ta in dubbelt så mycket data samtidigt. Accesspunkterna tillåter roaming vilket gör det smidigt för användaren om den befinner sig på en stor yta där flera accesspunkter är uppsatta och förflyttar sig från en accesspunkt till en annan. Då släpper accesspunkten uppkopplingen till användaren och en annan accesspunkt tar över eftersom den känner av att användaren är närmare.
Bild 1. Accesspunkten Cisco Aironet 2702i På Sunnanå Förskola, (Avdelning Svanen) (bild 1)
5
4. Resultat
4.1 Sunnanå förskola
Sunnanå förskola hade totalt 5 accesspunkter med 4 VLAN. Mätningarna visade att det saknades både signalstyrka och redundans vid första mätningen. Kanalplaneringen var också i obalans då det fanns en viss överlappning på vissa accesspunkter. Ett förslag togs fram och CGI kontaktades men på grund av att bara de anställda på företaget som har tillgång till WLAN-controllern kunde inte förslagen genomföras. Accesspunkterna på Sunnanå förskola är inställda på autoläge vilket räknas som det mest optimala enligt CGI.
Problemet med detta är att en av accesspunkterna agerar “boss” och gör att de andra accesspunkterna anpassas till den. Till exempel om första accesspunkten kör 60 procent signalstyrka så anpassas de andra enligt den vilket är dåligt med tanke på att man vill använda varje accesspunkt till maximal kapacitet. Problemet sticky client dök också upp på grund av autoläget. Med detta menas att klientens anslutning inte släpps då den förflyttar sig och kan på så sätt inte associera till andra accesspunkter som ligger närmare klienten [3].
Utplaceringen av accesspunkterna var inte optimal. Vissa accesspunkter satt längst inne i avdelningarna medan andra satt nära ingångarna. Nackdelarna är att accesspunkterna då inte utgör någon redundans vilket kan leda till att klienten tappar uppkoppling ifall en accesspunkt inte fungerar. Förflyttning av accesspunkterna redovisades men förslaget nekades då det inte behövdes av anledningen att signalstyrkan täckte ytan bra.
Förtätningen beräknades ut på att följande skulle göras. Två extra accesspunkter skulle sättas upp på de avdelningar det inte fanns några. Kanalerna skulle anpassas samt signalstyrkan skulle ökas. Förslag om att byta ut “närvaro iPadens” uppkoppling från direkt kopplad med ethernetkabel till trådlöst gavs som förslag eftersom den krävde lite bandbredd samt att utnyttja accesspunkterna mer. Även personalens arbetsdatorer skulle övergå till trådlös uppkoppling då de ändå delar bandbredd med barnens ipads då de streamar video.
Resultatet blev att signalstyrkan ökade. Nu hade alla avdelningar bra signalstyrka med hög hastighet, paketförluster försvann då accesspunkterna tog ut alla areor och hidden node problem kunde längre inte uppstå. Dock kvarstår problemet med kanalplaneringen och orsakar störningar i det trådlösa nätverket.
6
4.2 Mätningarna
Bild 2-8 visar de mätningar som gjordes på Sunnanå förskola innan förtätningen.
Signalstyrkan för 2,4 Ghz (bild 2)
Signalstyrkan för 5 Ghz (bild 3)
7
Channel interference 2,4 (bild 4)
Channel interference 5 GHz (bild 5)
8
Number of Accesspoint 2,4 GHz (bild 6)
Number Of Accesspoint 5 Ghz (bild 7)
9
Data Packet Loss Första mätningen på Sunnanå förskola. (bild 8)
Bild 9-14 visar de mätningar som gjorts på Sunnanå förskola efter förtätningen.
Signalstyrka 2,4 GHz (bild 9)
10
Signalstyrka 5 GHz (bild 10)
Channel interfarence 2,4 GHz (Bild 11)
11
Channel interference 5 GHz (bild 12)
Number Of Accesspoints 2,4 GHz (bild 13)
12
Number Of Accesspoints 5 GHz (bild 14)
4.3 Äldreboendet Dammen
På grund av att en ritning saknades så kunde en del av byggnaden inte mätas. Alla andra delar av objektet kunde mätas och resultaten visade direkt att här behövs stor förändring.
Mätningen visar att alla accesspunkter är inställda i autoläge. Signalstyrkan är för svag, och signalen når inte in i lägenheterna inne i husen vilket påverkar kamerorna som är
installerade där samt trygghetslarmet personalen använder. Alla våningar i hus A har
betongväggar vilket dämpar signalen men på grund av att signalstyrkan är så låg så kommer signalen inte ens in i korridoren inne i lägenheten. Kanalerna överlappar varandra och antalet accesspunkter är för många per våning vilket i teorin inte ska behövas. Eftersom accesspunkterna är placerade på samma plats på alla våningar så stör de varandra då signalen går igenom golvet och boende upplever dålig uppkoppling. Hidden note problemet finns på en våning då accesspunkterna inte skickar ut rätt signalstyrka. Accesspunkterna ligger på samma kanal vilket stör väldigt mycket. Bild 15-22 visar mätningar från
äldreboendet Dammen.
13
Signalstyrka 2,4 Ghz Bottenvåningen Hus A (Bild 15)
14
Signalstyrka 5 Ghz Bottenvåning Hus A (bild 16)
15
Channel interference 2,4 Bottenvåning Hus A (bild 17)
16
Channel interference 5 GHz Bottenvåning Hus A (bild 18)
17
Number Of Accesspoints 2,4 GHz (bild 19)
Number Of Accesspoints 5 GHz (bild 20)
18
Network issuses 2,4 Ghz (bild 21)
Network Issues 5 GHz (bild 22)
19
5. Diskussion
Resultatet från mätningarna gav bevis på brister inom nätverket och att det finns
förbättringar att göra. Det som gör att mätningen inte blev exakt var att en ritning saknades för en avdelning på våning 1 Hus C-D på Dammen. Brist på tid blev också ett faktum då CGIs mätningsverktyg inte uppfyllde kraven för att göra en bra mätning. Det dröjde tyvärr 2 veckors tid av mitt examensarbete innan beslut togs i kommunen om att investera i ett bra program för framtida felsökningar. Under väntan på utrustning så läste jag på om
utrustningen samt undersökte hur jag skulle optimera nätverket så bra så möjligt. Det som gjordes var att besök placerades in samt samtal med kunderna om hur de upplevde
nätverket i olika avdelningar av objekten gjordes. Det som skulle kunna göras bättre var att experimentera med accesspunkterna, det vill säga att gå och koppla bort några
accesspunkter. Eftersom de är auto inställda så skulle man kunna undersöka hur de konvergerar på nytt då vissa accesspunkter har kopplats bort. Nackdelen med att
experimentera är att CGI inte skulle bli glada. Det som också skulle kunna undersökas bättre var roamingen. Iperf skulle kunna användas för mätningen ifall jag hade tillgång till
kontrollern. Eftersom personaldatorerna var direktuppkopplade via ethernetkabel så krävdes ingen trådlös uppkoppling, Tv:n för filmstunden var direktuppkopplad. Närvaro-surfplattorna var också direkt uppkopplade fast att de inte krävde så mycket bandbredd. Det som gjordes var en ny kanalplanering samt att manuellt reglera både kanalerna och signalstyrkan för att både täcka av rätt område för redundans och minimera paketförluster. Om möjligheten fanns så skulle man kunna se till att personalen var uppkopplade trådlöst med sina datorer istället för med ethernetkablar.
5.1 Summering
Mätningen av nuvarande nätverket visade brister i främst kanalplaneringen och signalstyrka.
Detta löstes till viss del i min förbättring, med detta även en planering av andra våningen, dock med rum för förbättring.
20
6. Referenser
[1] Ekahau. (2019). Ekahau Site Survey.
https://www.ekahau.com/products/ekahau-site-survey/overview/
[2] Cisco. (2019). Cisco Aironet 1700 Series Access Point Data Sheet.
https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/wireless/aironet-1700-series/datasheet-c7 8-732347.html
[3] Wifi-Professionals (2018) Sticky Clients.
https://www.wifi-professionals.com/2018/10/sticky-clients
[4] Cisco (2014) Cisco Aironet Series 1700/2700/3700 Access Points Deployment Guide https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/wireless/technology/apdeploy/8-0/Cisco_Aironet_370 0AP.html
21
