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4.2 Infrastrukturschema eines Kommunikationsnetzes aus Kleinstzellen

Derzeit rufen die Nutzer der mobilen Kommunikation bereits mehr an mobilen Datentransferleistungen und qualitativ hochwertigen Diensten ab als der mobile Sektor mit seiner jetzigen Infrastruktur überhaupt physikalisch leisten kann. Experten rechnen mit einem Anstieg der Datentransferleistungen bis 2020 um den Faktor 1000 und mehr.

Die Frage, wie in Zukunft die private und industrielle Nachfrage schneller Informationsverbindungen ohne Unterbrechungen und überall bedient werden kann, kann mit Hilfe der Indoor-/Outdoor-Trennung positiv beantwortet werden:

Die Basisstationen reduzieren ihre Leistung soweit, dass ihre Funkstrahlung an der Haustür endet bzw. im Inneren eines Hauses für eine Nutzung zu schwach ist. Im Indoorbereich kann dann jeder selbst wählen, wie er seine Verbindung zum kabelgebundenen IT-Netz herstellen will: Bis zum Eingang jeder Wohnung in einem Haus und weiter bis zu einem Router sollte der Informationstransport rein kabelgebunden (ob per Lichtleiter/Glasfaser, Coax- oder Kupferkabel) erfolgen (nicht über WLAN oder 5G). Der Router kann sowohl kabelgebundene als auch kabelfreie, möglichst risikoarme Endgeräte in der Wohnung mit allen Punkten und allen Diensten der Welt verbinden.

Worin liegt der Vorteil? Alle kabelbasierten IT-Netzstrecken sind schneller, risikoärmer, energieeffizienter, verbindungsicherer und abhörsicherer als Funkstrecken. Somit sollten Verbindungen zwischen Router und Endgerät nur dort, wo eine kabellose Verbindung wirklich gebraucht wird, mittels sehr sendeleistungsschwacher Funkverbindungen - und in naher Zukunft auch mittels LED-Licht - überbrückt werden. Sobald entsprechende WLAN-Geräte mit einer Sendeleistungs- und Reichweitenbegrenzung zur Verfügung stehen bzw. die neue VLC-Technik erhältlich ist, kann WLAN eine qualitativ gute, leistungsfähige und risikoarme Ergänzung eines lokalen Netzwerkes darstellen. Das heutige oder zukünftige WLAN wird damit immer ein mögliches Glied in der Kette der digitalen lokalen Kommunikationsinfrastruktur bleiben.

Das im Folgenden vorgeschlagene Infrastrukturschema für Schulen zeigt auf, wie eine risikoarme und zukunftsfähige Grundstruktur eines Kommunikationsnetzes aussehen sollte. Seine wichtigsten Merkmale sind:

  • Es unterstützt die Indoor- / Outdoor-Trennung;
  • alle Dienste (TV, Radio, Schularchive usw.) können zur Verfügung gestellt werden;
  • jede Kleinstzelle (Femtozelle) ist durch eine minimierte Sendeleistung (≤ 1 mW) auf einen Raum begrenzt;
  • es werden nur Endgeräte genutzt, die über eine sehr gute Sendeleistungsregelung verfügen;
  • in jedem Raum steht eine enorme, nicht von einem Nachbarn gestörte Transferleistung und Kanalzahl zur Verfügung;
  • das Gesamtsystem und jedes Subsystems ist von autorisiertem Personal steuerbar, insbesondere ist
  • ein zeitgesteuertes Ein- / Ausschalten,
  • das Filtern unerwünschter Websites und ganzer Dienste,
  • personenbezogene Autorisierungen,
  • ein automatisches „Handover“ (auch für ganze Klassen) von einem Raum in den nächsten möglich;
  • die Immissionen von externen Einrichtungen für Lehrkörper und Schüler/-innen werden so gering wie möglich gehalten.

Einen Überblick über diese Infrastruktur gibt folgende Abb. 10:

Abb. 10: Ein Breitbandkabel-Zugangsnetz mit Quad-Play-Services zur Schule

Steuerung des Netzwerks durch WLAN-Process-Controller (WPC)

Die Grundstruktur des Kleinstzellennetzes lässt sehr viel Spielraum für Varianten. Das Herzstück dieser Struktur stellt der Netzwerk-Controller – genau: WLAN-Process-Controller (WPC) – dar, der die manuelle und automatische Steuerungsfähigkeit des Gesamtsystems (inkl. Netz- und Dienste-Management) und aller Subsysteme durch autorisierte Personen gewährleistet. Für jeden jeweils verantwortlichen Lehrer muss er ohne große technische Ausbildung nutzbar sein. Weiterhin sollte er nachrüstbar sein, um zukünftigen Anforderungen gerecht werden zu können.

Gemäß den individuell in jeder Schule festgelegten Rahmenbedingungen müssen bestimmte Funktionen, Filter, Downloads, Sprachdienste usw. für jede Femtozelle getrennt über einen Browserdialog von Lehrern steuerbar sein. Dazu ist eine Einweisung des Lehrpersonals zur einfachen und verantwortungsvollen Steuerung von Hardware und implementierten Diensten je (Klassen-) Raum erforderlich. Dazu gehört:

  • Freigeben, Sperren und Filtern von Diensten,
  • Vernetzung von Endgeräten, wie z. B. die Übertragung von Bildschirminhalten auf einen Beamer / Smartboard,
  • Zugriff auf Informations- und Lernmaterial, z. B. von Landesmedienanstalten,
  • Einrichten von Auszeiten der digitalen Mediennutzung,
  • Steuerung der Sendeleistung des Access-Points,
  • Protokollierung aller Up- / Downloadaktivitäten.

Automatische Steuerungsfunktionen im WPC

Darüber hinaus müssen oberhalb der Mobilgeräte auf einer höheren Ebene Access-Controller bzw. Netzwerk-Controller schulweit einheitlich eingestellt und gesteuert werden. Sie bilden die Hardwarebasis des WPC und stellen das Bindeglied zwischen den einzelnen Femtozellen und dem kabelgebundenen (Glasfaser-/Kupfer-) Zugangsnetz dar. Ihre Steuerung sorgt für:

  • ein besseres „internes Roaming“, also ein reibungsfreies automatisches Weiterreichen eines sich bewegenden Endgerätes von einer Zelle in die nächste,
  • Autorisierungsüberwachung,
  • Regelung der einzelnen Access-Points zur Störungsreduzierung,
  • zentrale Zeitsteuerungen.

Es gibt unterschiedlich geeignete technische Möglichkeiten, eine große Anzahl von Nutzergruppen in Gebäuden mit dem hier angestrebten größtmöglichen Umfang an Diensten/Funktionen (Quadplay-Services) zu versorgen. Entweder reichen die Kabel bis zum Endgerät oder aber bis zu einer Kleinstzelle, die wiederum auf verschiedene Weise die mobilen Endgeräte versorgt: Entweder über einen VLC-Router, eine Femtozelle oder einen leistungsbegrenzten WLAN-Router bzw. mit dynamischer Leistungsregelung (TPC). Jede dieser „Lösungen“ hat Vor- und Nachteile. Allen gemeinsam ist die Minimierung der Strahlungsbelastung aller Nutzer (im Downstream, im Upstream bei vielen Notebooks und Laptops, aber nicht unbedingt bei Smartphones und Tablets). Welche Lösung zum Einsatz kommen soll, muss mit technischen Experten im Einzelnen überlegt werden.

Es gibt bereits Hard- und Softwarelösungen auf dem Markt (z. B. www.barracuda.com), mit denen diese schulspezifische Funktionalität – d. h. ein Maximum an Qualität, Leistungsfähigkeit, Diensten und Energieeffizienz – verwirklicht werden kann.