Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi. Version 1.0, februari 26, 2015 korte Nederlandse vertaling

Transcriptie

1 Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi Version 1.0, februari 26, 2015 korte Nederlandse vertaling

2 Colofon Documentname Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0.docx Referencenumber Title Research into the License Exempt Spectrum of the Netherlands Version, date Version 1.0, February 26, 2015 Korte Nederlandse vertaling Authors ir. Eildert H. Van Dijken (Strict), ir. Frank Brouwer (FIGO), ir. Tom Lippmann (FIGO) Project Research 2.4 & 5 GHz for Radiocommunications Agency Netherlands Ministry of Economic Affairs This is an open access article, which permits others to distribute, remix, adapt, build upon this work non-commercially, and license their derivative works on different terms, provided the original work is properly cited and the use is non-commercial. Contactdetails for this publication Strict b.v. Lange Dreef 11-f 4131 NJ Vianen the Netherlands T KvK number: Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 2 of 13

3 Report Colofon Overview of Changes Date Description Status First Draft Draft Review Draft Concept v0.9 first concept for Agentschap Telecom Concept Concept v0.95 internal version with major revisions Concept Concept v0.99 second concept for Agentschap Telecom Concept Final v0.9 release candidate for final version Concept Official Release v1.0 Final Reviewers Name Function Organisation Taco Kluwer Senior Advisor Innovation Agentschap Telecom Paul Wijninga Advisor Innovation Agentschap Telecom Ben Smith Senior Advisor Spectrummanagement Agentschap Telecom Erik van Maanen Technical Expert Agentschap Telecom Carel Lanting Principal Consultant Strict Consultancy Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 3 of 13

4 INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING CONCLUSIES Algemene conclusies Conclusions gerelateerd aan de onderzoeksopdracht AANBEVELINGEN REFERENTIES Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 4 of 13

5 SAMENVATTING Er zijn zorgen over de snelle groei van WiFi-netwerken. Het gebruik van deze radiotechnologie is belangrijk voor onze samenleving. Agentschap Telecom heeft opdracht gegeven aan Strict Consultancy en FIGO om onderzoek te verrichten naar het gebruik van de 2,4 GHz and 5 GHz banden. Er is onderzocht of congestie en/of interferentie aanwezig zijn. Metingen zijn uitgevoerd door Radio Frequencyscanning (gebruik en interferentieniveaus), Access Pointscanning (aantal APs), data-doorvoermetingen (bepalen datasnelheid) en radio frame sniffing. Meetlocaties zijn publieke gebieden in stadscentra, bedrijventerreinen en woonwijken (zowel laagbouw als hoogbouw). Metingen van meer dan 180 locaties zijn gebruikt als input. Er zijn locaties waar de beschikbare capaciteit (datadoorvoer) sterk beperkt is en waar congestie serieuze vormen heeft aangenomen. Dit is vooral het geval in stadscentra (meer dan 25% van de locaties), woonwijken met rijtjeshuizen (meer dan 25% ) en in woonwijken met flats en appartementen (meer dan 57% van de testlocaties). Op een aantal locaties zijn hoge niveaus van interferentie gemeten met overeenkomende lagere datasnelheden. Vooral in winkelcentra zijn de interefentieniveaus en het aantal actieve netwerken extreem hoog (gemiddeld werden meer dan 50 Access Points gevonden), waardoor er grote performanceproblemen zijn op de 2,4 GHz band. In gebieden met relatief veel netwerken, zijn de Access Points vaak evenredig verdeeld over de kanalen 1, 6 and 11. Helaas voorkomt dit niet dat er interferentie is en congestie optreedt. De metingen laten een significant aantal netwerken (SSIDs) zien van publieke WiFi-operators zoals UPC, Ziggo en KPN (FON). Het hoger aantal SSIDs geeft meer overhead in de WiFi-band. In het algemeen is de datadoorvoer van WiFi veel lager dan door de standaard wordt genoemd. Gebruikers verwachten in principe 300 Mbit/s omdat zij een n 300 Mbit/s Access Point gebruiken. Helaas zijn de radio-omstandigheden zelden ideaal, er is transmissietijd nodig voor for control frames, er is transmissietijd nodig om ruimte te geven aan andere gebruikers (random access) en de totale transmissietijd moet worden gedeeld met alle andere gebruikers en netwerken in de omgeving die gebruik maken van hetzelfde kanaal. De werkelijke datasnelheid is daardoor mogelijk slechts 10 20% van de geadverteerde datasnelheid zelfs als er weinig congestie is. Door achterwaartse compatibiliteit ( backwards compatibility ) en het hoge aantal Access Points dat gemeten werd op bijna alle testlocaties, wordt de beschikbare transmissietijd sterk gereduceerd. Tot zelfs 37% van de tijd wordt gebruikt voor beacon -signalen van Access Points. Een aanbeveling is om achterwaartse compatibiliteit met b zoveel mogelijk te verwijderen in drukke radio-omgevingen. Het wordt ook aanbevolen om te onderzoeken hoe de herhaalfrequentie van beaconsignalen (normaal 10x per seconde) kan worden verlaagd. Dit zou meer ruimte moeten bieden voor datatransport Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 5 of 13

6 In het algemeen wordt aanbevolen om belangrijke WiFi-diensten alleen op de 5 GHz band te gebruiken, die op dit moment veel lagere interferentie heeft en meer beschikbare kanalen kent. Het wordt ook aanbevolen om regelmatig te onderzoeken wat de status is van de vergunningsvrije banden voor WiFi, om de verkeersgroei en aantal netwerken te monitoren. Verder onderzoek moet worden verricht hoe achterwaartse compatibiliteit kan worden uitgefaseerd en interferentie van andere netwerken kan worden verminderd, bijvoorbeeld door het zendvermogen te reduceren. Het wordt aanbevolen om gedetailleerde analyse te doen van de onderzoeksresultaten om het gedrag van moderne WiFi nodes in praktische scenarios beter te begrijpen Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 6 of 13

7 1 CONCLUSIES Dit hoofdstuk geeft een overview van de meest belangrijke conclusies die gebaseerd zijn op het onderzoek dat is verricht. De conclusies zijn verdeeld in algemene conclusies (paragraaf 4.1) en conclusies gerelateerd aan de onderzoeksvragen (paragraaf 4.2). 1.1 Algemene conclusies 1. Er zijn locaties waar de beschikbare capaciteit (datasnelheid) enorm beperkt is en waar serieuze congestie is. Dit is het vaakst het geval in stadscentra, winkelcentra en in dichtbebouwde woonwijken (rijtjeshuizen, flats en appartementen). 2. Een WiFi-netwerk bouwen is erg simpel en WiFi wordt steeds meer gebruikelijk in huishoudens. Veel internetproviders leveren een draadloos modem als onderdeel van internettoegang. Er is geen licentie nodig of toestemming om een WiFi Access Point te installeren, wat heeft bijgedragen aan de snelle groei van draadloze netwerken. 3. Het bereik van de WiFi Access Points op 2,4 GHz is vaak groter dan het huishouden of het bedrijf waar de AP is geïnstalleerd, waardoor automatisch interferentie wordt gecreëerd voor anderen. Dit is vaak gemeten in dichtbebouwde woonwijken en winkelcentra. De laatste jaren worden ook veel WiFi-Repeaters of Range-extenders aangeboden, waardoor het aantal netwerkapparaten verder is toegenomen. Omdat ook het aantal user devices blijft groeien (bijvoorbeeld smartphones, tablets, streaming audio devices, smart TVs) en de hoeveelheid draadloze data elk jaar blijft groeien met ongeveer 50%, is de verwachting dat de congestieproblemen die gevonden zijn op de 2,4 GHz band zullen toenemen. 4. Werkelijke datadoorvoer van de WiFi-standaarden is veel lager dan de maximale fysieke datasnelheid die bereikt worden in ideale omstandigheden. Voor g is 54 Mbit/s de fysieke snelheid (bruto), in situaties met weinig interferentie wordt dit 21 Mbit/s werkelijke datasnelheid (netto). Dit is naar verhouding 39% netto werkelijke doorvoer. Deze lagere doorvoer geld ook voor n. Het wordt gedeeltelijk veroorzaakt door management en control, nodig om WiFi-verkeer te besturen en gedeeltelijk omdat zelfs in omgevingen met weinig interferentie, radio-omstandigheden zelden ideaal zijn. Daarnaast moet transmissietijd worden gedeeld met alle andere gebruikers in de omgeving die op hetzelfde kanaal uitzenden. De resulterende datasnelheid is mogelijk slechts 10 tot 20% van de geadverteerde datasnelheid, zelfs als er weinig congestie is. 5. Ervaring leert dat moderne huishoudens van 2 of meer personen al snel 10 of meer apparaten met WiFi hebben. Dit geeft mede het succes aan van deze technologie. In principe kan een Access Point het verkeer van al deze apparaten op hetzelfde moment aan. Maar nabijgelegen netwerken en dataverkeer van anderen kunnen impact hebben Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 7 of 13

8 op de beschikbare transmissietijd (en dat is gemeten tijdens dit onderzoek), waardoor er gemakkelijk congestie kan ontstaan. 6. WiFi gebruikt CSMA/CA als planningmechanisme. Hierdoor moet relatief veel ruimte worden gereserveerd zodat gebruikers op willekeurige momenten kunnen binnenkomen. Dit is een van de redenen dat het OFCOM-rapport [ref 6] hoog gebruik van WiFi vaststelt als het spectrum meer dan 20% wordt gebruikt. 7. De beacons die door de Access Points worden verstuurd gebruiken veel zendtijd. In sommige metingen werd meer dan 37% van de beschikbare tijd ingenomen door beacons die worden uitgezonden. Deze beacons worden verstuurd op de laagste datasnelheid (1 Mbit/s) en hebben het grootste bereik, waardoor meer interferentie dan noodzakelijk wordt veroorzaakt. 8. Access Points zijn met de standaardinstellingen achterwaarts compatibel. In sommige APs kan de achterwaartse compatibiliteit met b en g (oudere standaarden) soms niet worden uitgezet. De achterwaartse compatibiliteit vermindert de beschikbare tijd voor datatransmissie, omdat de managementframes uitgezonden worden op de laagste datasnelheid. 1.2 Conclusies gerelateerd aan de onderzoeksopdracht In paragraaf 1.2 zijn de onderzoeksvragen van de opdracht weergegeven, deze zijn het startpunt van het onderzoek. In paragraaf 2.2 is de onderzoeksmethodiek beschreven die geresulteerd heeft in een meetopstelling gebaseerd op de onderzoeksvragen. De eerste twee onderzoeksvragen zijn: (1) Welke meetopstelling is het meest geschikt om de mate van congestie en verstoring van WiFi te meten op basis van huidige wetenschap en best practices? En (2) Welke metrics zijn bepalend voor een assessment van een scenario? 9. Een goede manier om bezetting en congestie te meten op de vergunningsvrije 2,4 GHz en 5 GHz banden, is door een datadoorvoertest uit te voeren. Dit geeft informatie over de werkelijk beschikbare datasnelheid. Dit is een realistische weergave van de radioomstandigheden voor een typische WiFi-gebruiker. 10. Het aantal Access Points heeft correlatie met de doorvoermetingen, maar de aanwezigheid van veel Access Points betekent niet automatisch dat de WiFi-band congestie heeft. 11. Er is een significante correlatie tussen het aantal Access Points en de beschikbare transmissietijd. Wanneer er meer dan 5 APs zijn gemeten, is de tijd benodigd voor de beaconzendtijd meer dan 15%. Als er meer dan 10 APs zijn gemeten, is de beaconzendtijd gemiddeld 25%. Dit heeft impact op de maximale datadoorvoer vanwege de vermindering van beschikbare zendtijd Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 8 of 13

9 De derde vraag is: (3) Wat zijn op basis van de metingen per scenario de uitkomsten van het assessment van de 2,4 GHz en 5 GHz? De resultaten zijn in detail weergegeven in de paragrafen 3.3 tot 3.6. Het totaaloverzicht wordt gegeven in Figuur 3.4 voor 2,4 GHz en in Figuur 3.5 voor de 5 GHz band. De metingen in stadscentra en de laagbouw-woonwijken laten de laagste datadoorvoer zien. Een conclusie hieraan gerelateerd is: 12. Congestie is gecorreleerd met het type omgeving, maar met een significante variatie. De datadoorvoer op vergelijkbare locaties kan grote verschillen vertonen. Deze variatie is mogelijk te correleren naar (groepen van) individuele gebruikers. De vierde vraag is: (4) Wat is per scenario het gemeten effect op de 2,4 GHz / 5 GHz van Wifioperators zoals Ziggo, UPC en KPN? 13. De publieke WiFi-operators (KPN, Ziggo, en UPC) kunnen duidelijk worden gemeten, maar er is geen directe relatie tussen hun aanwezigheid en hogere of lagere interferentie. Alleen het aantal netwerken (SSIDs) is hoger door deze operators, waardoor er significant meer overhead is voor beacontransmissies. In totaal is 22% van de beacontransmissies gerelateerd aan publieke WiFi-operators. De vijfde onderzoeksvraag is: (5) Welke belangrijkste verstoringen voor Wifi kunnen worden afgeleid uit de metingen (MAC en PHY)? Dit is besproken in paragraaf Gerelateerd aan non- WiFi bronnen: 14. Radiospectrummetingen laten duidelijk non-wifi activiteit zien. Dit zorgt voor verstoring van het WiFi-verkeer, maar in de metingen wordt dit niet als problematisch gezien. De zesde vraag is: (6) Hoe ontwikkelt de 5 GHz-band zich in verhouding tot de 2,4 GHz? Wat zijn de aantallen nodes in de 5 GHz in verhouding tot de 2,4 GHz-band? Wat is het feitelijk gebruik van de 5 GHz in verhouding tot de 2,4 GHz-band? 15. Als gekeken wordt naar de metingen in typische stedelijke gebieden of woonwijken, is in de 2,4 GHz-band in bijna 20% van alle metingen de beschikbare datasnelheid slecht of heel slecht. Alle andere metingen (bijvoorbeeld het aantal gemeten Access Points) ondersteunen de uitkomst van de datadoorvoertesten. 16. De 5 GHz-band heeft in de metingen veel minder Access Points of RF-signalen in vergelijking met de 2,4 GHz-band. Deze resultaten lijken realistisch, maar worden waarschijnlijk ook veroorzaakt door de publieke locaties voor de metingen en de kortere reikwijdte van 5 GHz (ongeveer de helft in vergelijking tot 2,4 GHz). Er is geen congestie gezien op de 5 GHz-band, 91% van de datadoorvoertesten heeft als resultaat erg goed en 9% heeft goed als resultaat Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 9 of 13

10 17. Een locatie met sterke congestie op 2,4 GHz was een van de weinige locaties met significant 5 GHz-verkeer. 18. Alle metingen zijn uitgevoerd op openbare locaties, meestal op straat. De mobiele metingen (gebruikmakend van een laptop en rugzak) zijn dichter bij de Access Points uitgevoerd en laten meer interferentie zien. 19. De distributie van de kanalen voor de APs laten zien dat de totale 2,4 GHz-band wordt gebruikt. Kanalen 1, 6, en 11 worden bij voorkeur toegepast. Er is significant gebruik van de tussenliggende kanalen. Kanaal 13 wordt zelden gebruikt Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 10 of 13

11 2 AANBEVELINGEN Op basis van de metingen, analyses en conclusies is een aantal aanbevelingen te geven. 1. Terugkijkend op de metingen is er significante interferentie op veel locaties. Gebaseerd op deze constatering, wordt aanbevolen om belangrijke diensten alleen te gebruiken op de 5 GHz-band. Gebruikers die congestie ervaren worden geadviseerd om indien mogelijk gebruik te gaan maken van de 5 GHz-band. 2. Verder onderzoek wordt geadviseerd naar manieren om interferentie door andere WiFinetwerken in bedrijven en huishoudens te verminderen. Misschien kan dit worden gerealiseerd door het zendvermogen te verminderen. 3. Op de 2,4 GHz-band wordt het kanaalpatroon het meest gebruikt. De Europese spectrumallocatie geeft ook ruimte voor het patroon. Het is zinvol om te onderzoeken of dit patroon de werkelijke doorvoer zal verhogen en als dit het geval is, hoe dit patroon in de apparatuur kan worden geprogrammeerd. 4. Achterwaartse compatibiliteit zou beperkt moeten worden tot situaties waarbij dit echt noodzakelijk is. De default-instelling zou zoveel mogelijk n moeten zijn. Een alternatief is achterwaartse compatibiliteit met g zonder b. Achterwaartse compatibiliteit met b moet zoveel mogelijk worden vermeden. 5. Elk Access Point zendt normaal 10 beacons per seconde uit op de laagste datasnelheid vanwege achterwaartse compatibiliteit. Het wordt aanbevolen om te onderzoeken hoe deze herhaalfrequentie kan worden verlaagd, omdat het onnodig hoog lijkt. Hierdoor kan meer tijd vrij komen voor datatransport. 6. Het wordt aanbevolen om regelmatig de status van de vergunningsvrije band te onderzoeken, om zo verkeersgroei en het aantal netwerken te monitoren. Het dataverkeer zal blijven toenemen en dit zal impact hebben op beschikbare capaciteit. 7. Dit onderzoeksproject heeft als doel gehad metingen uit te voeren op veel locaties en antwoord te geven op de onderzoeksvragen. De onderzoeksdata bevat veel meer informatie die hier niet volledig kan worden behandeld. Het wordt aanbevolen om meer tijd uit te trekken voor gedetailleerde analyse, eventueel ondersteund door additionele metingen om de resultaten beter te begrijpen. 8. Round Trip Tijd (RTT) van IP-pakketten over de draadloze verbinding is een interessante meetwaarde. De huidige metingen zijn te kort geweest om voldoende statische data te verzamelen. Langere metingen in drukke omgevingen zouden meer inzicht geven in de gebruikerservaring van WiFi-netwerken met congestie Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 11 of 13

12 9. Voor sommige locaties is meer voorbereidingstijd nodig om toestemming te krijgen voor metingen (bijvoorbeeld in stadscentra, bedrijfsverzamelgebouwen). Op verschillende geplande meetlocaties werd niet toegestaan om metingen uit te voeren, vanwege angst voor verstoring of hacking van het netwerk. 10. Het wordt aanbevolen om verder onderzoek te doen naar de bron van het constant herhalende verticale interferentiepatroon in sommige WiSpy-metingen. Dit is op verschillende locaties voorgekomen. 11. Het wordt aanbevolen om ook metingen uit te voeren binnen in flatgebouwen, appartementen en rijtjeshuizen om nog beter te kunnen vaststellen wat de mate van gebruik is van de 2,4 GHz- en 5 GHz-band. 12. Op sommige locaties is de gemiddelde datasnelheid veel lager dan verwacht (dat wil zeggen, significant anders ten opzichte van andere locaties van hetzelfde type). Het wordt aanbevolen om meer onderzoek te doen naar locaties waar dit is gemeten. Dit kan mogelijk helpen om de bron van de congestie beter te begrijpen. 13. Mobiele Networkoperators zijn de mogelijkheden aan het onderzoeken voor WiFi dataoffload, om de belasting van 3G- en 4G-netwerken te verlagen. Gebaseerd op het huidige gebruik van WiFi in stadscentra en de congestie die op deze locaties is gevonden, wordt mobiele data offloading in veel gevallen niet als een zinvolle optie gezien Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 12 of 13

13 REFERENTIES [1] Opstopping dreigt door wildgroei aan wifi-netwerken [2] Spectrum Utilization and Congestion of IEEE Networks in the 2.4 GHz ISM Band Jan-Willem van Bloem, Roel Schiphorst, Taco Kluwer and Cornelis H. Slump University of Twente / Radiocommunications Agency Netherlands [3] Application-oriented Link Adaptation for IEEE , thesis by Ivaylo Haratcherev, Delft 2006, ISBN-13: [4] Exploring Time Capsule: theoretical speed vs practical throughput al_throughput [5] Harmonized European Standard ETSI EN V1.8.1 ( ) [6] OFCOM, Utilisation of key licence exempt bands and the effects on WLAN performance, June Onderzoek naar de vergunningsvrije banden voor WiFi v1.0 Page 13 of 13