Netz-/Linkplanung für Sysops

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Inhaltsverzeichnis

Voraussetzungen

Zum Betrieb von Netzknoten (Digi) oder Vernetzungen zwischen Netzknoten (Links) sind mindestens folgende Voraussetzungen notwendig:

  • durch BNetzA genehmigte automatische arbeitende Funkamateur-Station (Digi)
  • durch lokale IP-Koordinatoren aus dem HAMNET-Pool zugeteilte 44-er IPv4 Adresse
  • HAMNET kompatible Hard- (z.b. 802.11a/b/g mit Bandbreitenbegrenzung auf 5 bzw. 10 Mhz) und Software (z.B. Openwrt mit Bird)

Ferner bei Betrieb mit Funkamateur-Parametern (>100 mW EIRP, nicht ISM-Frequenzen)

Netzplanungshilfe

Die Adacom bieten Hilfe bei der Netzplanung und Konfiguration an!

Kategorien der Hilfe

1. Netzplan schon erstellt? => Prüfung des Netzplans und Verbesserungsvorschläge
2. Netzplan nicht erstellt, Komponenten bereits aufgebaut und verkabelt => Vorschlag eines Netzplans und wenn möglich Fernkonfiguration
3. Netzplan nicht erstellt, Komponenten noch nicht geplant => Vorschlag eines Netzplans und Beratung bei der Wahl des Equipments
4. Teilnahme am HAMNET noch nicht klar => Entscheidungshilfe

Schritt 1: Standort/Geographie

Zunächst sollen geplante HAMNET-Standorte mit Koordinaten und Antennenhöhe über Grund definiert werden. Mit diesen Daten kann man mit wenig Aufwand bereits Geländeschnitte inklusive der Fresnelzone erstellen und Entfernungen zwischen den Standorten ermitteln. In Kooperation mit HeyWhatsThat stellt Bernd, DM8BS, folgendes Tool zur geografischen Berechnung von Links zur Verfügung:

Hinweis: Das Tool erlaubt die Angabe von existierenden Digi-Calls und ermittelt die Geodaten automatisch (APRS; Packet-Crawler). Alternativ kann man die Geodaten frei wählen (z.B. bei noch nicht existierenden Digis). Man erhält als Ergebnis u.a. einen Geländeschnitt.

Wenn Koordinaten zwischen verschiedenen Notationen umgerechnet werden müssen, eignet sich folgendes Tool hervorragend:

Schritt 2: Pegelbudget

Sind geplante HAMNET-Links als Ersatz für Packet-Radio-Linkstrecken angedacht, lohnt sich ein Blick auf das Packet Radio Crawler Projekt , welches Geländeschnitte von bereits existierenden Linkstrecken auf Knopfdruck bereitstellt siehe hier. So kann man schnell feststellen, ob ein Umstieg auf die HAMNET-Technik möglich ist. Sind die Daten der einzelnen HAMNET-Knoten zentral verfügbar, könnte man in Zukunft automatisierte Planungstools erstellen und über das Web bereitstellen. Ist die Fresnelzone frei und die Entfernung bekannt, kann man eines der unzähligen Webapplets zur Berechnung des Linkbudget nutzen:

Beispiel: Calculation Wi-Fi antennas

Aus der errechneten Empfangsleistung geht die maximale Geschwindigkeit der Linkstrecke hervor. Dazu benötigt man die Leistungsdaten der verwendeten WLAN-Karten. Leider kann man sich nicht auf die Werte der Datenblätter verlassen. Teilweise existieren für ein und dieselbe Karte verschiedene Datenblätter mit verschiedenen Datenwerten. Ein mit der Praxis gut übereinstimmendes Datenblatt ist für die Wistron DCMA-82 Karte verfügbar. Da die typische Ausgangsleistung der WLAN-Karten mit der Übertragungsrate abnimmt, müssen die Werte für Sender und Empfänger bei der Linkbudgetberechnung zusammen betrachtet werden. Sie sind zusätzlich großer Schwankung unterlegen:

[Average Power]
802.11a:
16dBm(min.), 18dBm(typical), 19dBm(max.) @ 54Mbps
17dBm(min.), 19dBm(typical), 20dBm(max.) @ 48Mbps
19dBm(min.), 20dBm(typical), 21dBm(max.) @ 36Mbps
20dBm(min.), 21dBm(typical), 22dBm(max.) @ 24Mbps
21dBm(min.), 22dBm(typical), 23dBm(max.) @ 6,9,12,18Mbps

[Sensivity]
-92 ~ -85dBm@ 6/9/12Mbps
-91 ~ -84dBm@ 18Mbps
-87 ~ -80dBm@ 24Mbps
-84 ~ -77dBm@ 36Mbps
-79 ~ -72dBm@ 48Mbps
-74 ~ -66dBm@ 54Mbps

Die Angabe der Leistung für 24Mbps wurde extrapoliert und nachträglich hier angegeben. Wie schon erwähnt, ist die Qualität der verfügbaren Datenblätter für günstige Endverbraucherprodukte nicht die beste. Im Datenblatt der Wistron DCMA-82 wurden z.B. auch die Empfängerempfindlichkeitswerte (Sensivity) für 802.11b und 802.11g vertauscht. Mit den Werten aus dem Datenblatt kann man die Linkbudgetberechnung iterativ bestimmen. Für die Linkplanung DB0ZKA <-> DB0GAP (95km) gehen wir von Antennen mit 23dBi Gewinn aus.

Step Durchsatz  TX-Power RX-Pegel notwendiger RX-Pegel
1    54Mbps     18dBm    -85dBm   -74dBm bis -66dBm
2    48Mbps     19dBm    -84dBm   -79dBm bis -72dBm
3    36Mbps     20dBm    -83dBm   -84dBm bis -77dBm
4    24Mbps     21dBm    -82dBm   -87dBm bis -80dBm
5    18Mbps     22dBm    -81dBm   -91dBm bis -84dBm
6    6/9/12Mbps 22dBm    -81dBm   -92dBm bis -85dBm

Die Linkstrecke würde rechnerisch mit stabilen 18Mbps laufen. Vermutlich würde oft auch ein Durchsatz von 24Mbps zur Verfügung stehen. Das Problem an der Rechnung ist, dass die Werte für eine Bandbreite von 20MHz gelten. Unter der Annahme, dass eine Halbierung der Bandbreite eine Halbierung der Übertragungsgeschwindigkeit, aber eine Signalverstärkung von 3dB (bei gleicher Stromaufnahme) bedeutet, ergibt sich folgende Tabelle für 10MHz Bandbreite:

Step Durchsatz   TX-Power RX-Pegel notwendiger RX-Pegel
1    27Mbps      21dBm    -82dBm  -74dBm bis -66dBm
2    24Mbps      22dBm    -81dBm  -79dBm bis -72dBm
3    18Mbps      23dBm    -80dBm  -84dBm bis -77dBm
4    12Mbps      24dBm    -79dBm  -87dBm bis -80dBm
5    9Mbps       25dBm    -78dBm  -91dBm bis -84dBm
6    3/4,5/6Mbps 25dBm    -78dBm  -92dBm bis -85dBm

Die gleiche Iteration noch mal für eine Bandbreite von 5 MHz:

Step Durchsatz   TX-Power RX-Pegel notwendiger RX-Pegel
1    13,5Mbps    24dBm   -79dBm   -74dBm bis -66dBm
2    12Mbps      25dBm   -78dBm   -79dBm bis -72dBm
3    9Mbps       26dBm   -77dBm   -84dBm bis -77dBm
4    6Mbps       27dBm   -76dBm   -87dBm bis -80dBm
5    4,5Mbps     28dBm   -75dBm   -91dBm bis -84dBm
6    1,5/2,25/3  28dBm   -75dBm   -92dBm bis -85dBm

Daraus geht hervor, dass ein Verzicht auf Bandbreite nicht in jedem Fall große Auswirkungen hat. In unserem Beispiel würde die Linkstrecke auch mit 10 MHz Bandbreite stabil mit 18Mbps laufen. Für die Grenzbereiche gilt dies nicht: Unter Verwendung von 10MHz Bandbreite kann der anliegende Empfangspegel noch so gut sein; man wird nicht über den maximalen Durchsatz von 27Mbps herauskommen. Ist der anliegende Empfangspegel so schlecht, dass mit 20MHz Bandbreite keine Verbindung mehr zustande kommt, kann die Umschaltung auf 5MHz Bandbreite die Verbindung erst ermöglichen (6dB mehr Signalpegel). Der geringe erreichbare Durchsatz könnte in der Praxis zumindest als Ersatz für einen PR-Link dienen. Kritische Linktests sollten auf alle Fälle mit 5MHz Bandbreite durchgeführt werden. Unser Ziel ist es, ein zukunftsfähiges Hochgeschwindigkeitsnetz aufzubauen. Die Angaben über den Durchsatz in den Datenblättern sind Bruttowerte. Für die tatsächlich erreichbaren Durchsatzwerte kann man die Angabe nochmals etwa dritteln. Die Empfehlung lautet daher, sich mehr auf kurze Strecken zu konzentrieren, welche die volle Bandbreite ermöglichen, und nicht auf DXLinks zu setzen. Ein bisher nicht erwähntes Tool zur Linknetzplanung ist Radio Mobile. Eine Einführung würde den Rahmen dieses Skriptbeitrags sprengen. Es sei nochmals erwähnt, dass mit einer verfügbaren Standortdatenbank inkl. Koordinaten und Höhenangaben auch für Radio Mobile eine automatisierte Darstellung von Linkstrecken erreicht werden könnte.

Fazit:

  • Für gute Verbindungsqualität bei maximalem Durchsatz ist sind stabile -66dBm notwendig (Daumenwert, 6cm Band)
  • Die Fresnelzone zwischen den Linkpartner sollte ganzjährig frei sein, Bäume/Blätter erzeugen ggfs. eine starke Dämpfung

Schritt 3: Komponentenauswahl

Gewünschte Eigenschaften:

  • autark arbeitend
  • stabiles System
  • einfach zu konfigurieren
  • preiswert
  • stromsparend
  • alle nötigen Funktionen onboard


Die Auswahl an Komponenten zum Aufbau des HAMNET erscheint riesig. Unter der Maßgabe ein hochbitratiges Netzwerk aufbauen zu wollen, ist zunächst ein Blick auf das Linkbudget sinnvoll. Unter Preis-/Leistungsverhältnissen und Praxiserfahrungen ergibt sich die Kombination einer 23dBi-Antenne und einer WLAN-Karte mit 21dBm Sendeleistung bei 10MHz Bandbreite mit höchstwertiger Modulation (27Mbps) als gute Lösung. Genannte Kombination gibt es als handliche „All-in-One“-Lösungen. Es sind Flachantennen (30x30cm) gleich mit Montagemöglichkeit für WLAN-Boards (Enclosure) erhältlich. Die Speisung mit Strom und Daten erfolgt dabei über die Ethernetleitung (Power-over-Ethernet). Die mechanische Installation der Gesamthardware am HAMNET-Knoten ist leicht zu bewerkstelligen. Bereits ab einer Entfernung von 20km reicht die Signalstärke (-66dBm) allerdings nicht mehr für die maximal mögliche Datenrate aus. Auch für kürzere Entfernungen sind solche Lösungen für Point-to-Point Strecken zu empfehlen, da die Verbindungsstabilität zunimmt, Störungsprobleme abnehmen und die Frequenz in kürzen Abständen an anderen Standorten ohne Beeinflussung wieder verwendet werden kann. Ab 20km Entfernung kann die Verbindungsqualität durch größere Antennen gesteigert werden. Ab 23dBi werden die Antennen schnell sehr teuer. Bei erhöhter Windlast empfiehlt es sich auch noch genauer auf die Qualität der Antenne zu achten. Gitterspiegel werden oft mit guten Leistungsdaten beworben, die aber in der Praxis kaum nachzuvollziehen waren. Im Winter droht die Verbindung aufgrund von Eisbildung am Gitter zusammenzubrechen. Die Montage von größeren Antennen ist an manchen Standorten ein weiteres Problem. Bisher haben wir auch keine größeren Antennen mit Enclosure für vernünftige Preise auf dem Markt entdecken können. Ist man auf ein Outdoor Enclosure angewiesen, muss zusätzlich die hohe Dämpfung der Kabel beachtet werden. Kommerziell genutzte Standorte könnten auch aktive Technik auf dem Antennenträger verbieten. Hochwertige Kabel können hier Abhilfe schaffen. In diesem Fall sollte man die Grenzfrequenz des geplanten Kabels beachten. Eine weitere Möglichkeit ist die Steigerung der Ausgangsleistung, was aber zu Instabilitäten der WLAN-Karte z.B. durch Überhitzung führen könnte. Außerdem muss die notwendige Stromversorgung entweder über das Ethernetkabel oder als extra geführte Leitung gesichert sein. Aus Kostengründen verzichten die meisten Hersteller darauf Power-over-Ethernet nach dem Standard 802.3af zu implementieren. Die Behelfslösung nutzt die freien Adern 4,5,7 und 8 des Ethernetkabels zur Stromversorgung. Der Spannungsabfall auf längeren Ethernetkabeln kann hier zu einem Problem werden. Betriebliche Auflagen können an manchen Standorten auch andere Anforderungen stellen. Unter den Gesichtspunkten begrenzter Antennenzahl und begrenzter Stromaufnahme kann ein Point-to-Multipoint-Link eine ideale Lösung zur Vernetzung mehrerer Standorte sein. Die bisher am HAMNET angeschlossenen Systeme in Bayern verwenden Komponenten von Mikrotik mit dem Basissystem „RouterOS“. Eine nähere Beschreibung des Aufbaus in Franken ist im Internet abrufbar, siehe hier. Die Komponenten von Mikrotik sind aufgrund des Funktionsumfangs und der leichten Bedienbarkeit über ein grafisches Benutzerinterface (GUI) besonders gut für das HAMNET geeignet. Der notwendige BGP-Router beim Einsatz als Router für Linkstrecken über die Grenzen eines AS hinweg ist gleich mit an Bord. Gute Linksammlungen zum Erwerb von HAMNET-Komponenten sind auf dem Wiki des OEVSV zu finden.

Informationen zu Ubiquity HAMNET-Komponenten bei Hamnet Wiki Sachsen. Dies sind kostengünstige Router, bei denen auf Grund ihrer Vielfalt, leicht etwas passendes zu finden ist.

Adacom Empfehlung je Linkstrecke

Je Linkstrecke 1x:

  • min. 23dBi-Antenne mit Enclosure aus Metall
  • High-Power WLAN-Karte (DCMA-82)
  • Mikrotik RB411AH
  • Power-over-Ethernet-Adapter
  • passendes Pigtail

Hinweis: Linkboards werden mit einem Switch verbunden. Es gibt auch andere, stärker integrierte Lösungen (z.B. RB433AH für 3 Linksstrecken). Allerdings wäre es einen Gedanken wert, wie und ob sich mehre eingesteckte Senderkarten gegenseitig beeinflussen, da die MiniPCI-Steckplätze auf dem Board sehr nah angeordnet sind.

Routing

Empfehlung: pro Standort eine BGP-routingfähige Hardware, da ...

  • Mit Routing kann lokaler Datenverkehr auch lokal gehalten werden. Das Linknetz wird dann nicht mit „Broadcasttraffic“ belastet.
  • Das HAMNET ein vermaschtes Netz ist, die Aufteilung des HAMNET in kleine IP-Netze wird mit wachsender Größe des Netzes immer wichtiger.
  • Alternativrouten können nur genutzt werden, wenn Routingprotokolle genutzt werden
  • Zukünftige Entwicklungen sind nicht abzusehen (neue Links)
  • Mehr als ein Router pro Standort steigert Komplexitätsgrad der Konfiguration unnötig

Hinweis: derzeit kein BGP-Router out-of-the-box mit Ubiquiti-Hardware.
Hinweis: Es gibt Firmware mit OLSR für Ubiquiti-Hardware (Das Zonenrouting übernimmt ein Router im Netz der OLSR und BGP kann. Siehe Routing im Hamnet

Das Routing muss ...

  • in sternförmigen, als auch in ringförmigen Netzen funktionieren
  • dafür sorgen, dass Alternativpfade genutzt werden können, wenn eine Linkstrecke bricht (vgl. Packet Radio: Flexnetrouting)
  • automatisch funktionieren
  • schnell auf Änderungen reagieren
  • Strecken qualitativ bewerten können

Netzdesign

  • Alle notwendigen Komponenten zur Beförderung von IP-Paketen im HAMNET bekommen IP-Adressen aus dem zugewiesenen Backbonenetz
  • Jeder Standort bekommt sein eigenes User- bzw. Servicenetz für alle restlichen Komponenten
  • Routen zum Internet sollten händisch gepflegt bzw. nur im eigenen autonomen System verteilt werden
  • Daumenregel: mehr Routing, weniger NAT !!! (vgl. Packet Radio: User sollen connectbar bleiben)

Weblinks

Persönliche Werkzeuge