Расчет радиуса действия точек доступа Wi-Fi
В статье пойдет речь о том, как производится расчет дальности распространения радиосигнала Wi-Fi внутри помещения без применения какого-либо программного обеспечения в принципе. Подробно объясняется, что такое модели распространения радиосигнала, и о том, как ее использовать для расчета дальности распространения радиосигнала.
Введение
Порой бывает необходимо хотя бы приближенно оценить дальность работы беспроводного оборудования. Эта оценка может потребоваться и в домашних условиях, когда нужно понять, где проходит граница действия вашей точки доступа, так и в случае проектирования небольшой офисной сети, когда всемогущий системный администратор должен сообщить начальнику, какое количество устройств может потребоваться чтобы в офисе везде «был Wi-Fi».
Вроде как все просто, нужно посчитать насколько далеко полетит сигнал (электромагнитная волна) от антенны точки доступа. Но отличительная особенность расчета затухания электромагнитной волны в свободном пространстве от затухания в кабеле, заключается в том, что кабель, как правило, хорошо экранирован, а в свободном пространстве могут появляться сторонние объекты, либо оно само (пространство) время от времени может менять свои электрофизические свойства. К тому же вследствие интерференции и дифракции радиоволн, направление распространения электромагнитной волны и ее энергетический запас может многократно измениться как в меньшую, так и в большую сторону на пути прохождения волны от передатчика до приемника.
В том случае, если необходимо определить затухание сигнала внутри кабельной сборки, то зачастую достаточно знать погонное затухание кабеля и потери на его (кабеле) коннекторах. Таким образом, формула для расчета суммарного затухания в этом случае может выглядеть довольно просто:
где: Pк– затухание на коннекторе (ах);
Рn – погонное затухание в кабеле;
L – длина кабеля.
Если же рассматривается свободное пространство, то предсказать какой уровень электромагнитного сигнала от точки доступа Wi-Fi будет в месте расположения абонента крайне проблематично. В современных реалиях перед проектированием Wi-Fi сети строят ее планируемую электромагнитную карту с помощью различных программных и аппаратных комплексов. К программным комплексам относятся такие как: TamoGraphSiteSurvey, AirMagnet Survey / Planner, Site Survey and Planning Toolот компании Ekahau и др. Например на рисунке ниже изображен внешний вид проекта в одной из перечисленных программ.
В основе этих программ лежит математическое ядро, построенное на базе так называемых моделей распространения радиосигнала (моделях потерь радиосигнала). В некоторых из них применяются и более сложные электродинамические модели.
Модели расчета потерь радиосигнала Wi-Fi
Модели расчета потерь радиосигнала позволяют оценить затухания электромагнитной волны, излучаемой Wi-Fi адаптером, с учетом количества и типа препятствий на пути прохождения сигнала. В данной статье рассматриваются модели распространения сигнала, используемые для расчета уровня сигнала внутри зданий. Моделей, о которых пойдет речь, и их модификаций существует большое множество. В статье рассматриваются наиболее простые, которыми можно воспользоваться даже в полевых условиях без глубоких математических знаний.
Перед началом рассмотрения различных моделей распространения радиосигнала отметим, что в идеальных условиях (отсутствуют препятствия на пути прохождения сигнала, и нет многократных переотражений сигнала) оценить мощность сигнала в любой точке свободного пространства (free space — FS) можно по так называемой формуле Фрииса:
На рисунке 1 приведен график зависимости затухания LFS с увеличением расстояния для Wi-Fi сигнала на первом частотном канале (центральная частота 2437 МГц) в диапазоне 2.4 ГГц – синяя кривая, и в диапазоне 5 ГГЦ – красная кривая. При этом коэффициенты усиления приемной и передающей антенны были приняты равными единице.
Как правило, большинство моделей распространения используют значение потерь в свободном пространстве в качестве базового, и добавляют к нему переменные, вносящие дополнительное затухание в зависимости от типа препятствий и их электрофизических свойств. К таким моделям относятся, например, One slope и Log-distance. Кроме того, существует стандартизированная Международным союзом электросвязи модель потерь – ITU-R 1238. Перечисленные модели потерь относятся к классу эмпирических статических моделей, то есть для их использования нужно общее описание типа задачи (типа помещения). Перечисленные модели потерь с расшифровкой входящих в них переменных приведены в формулах (3 – 5).
где: d – расстояние в метрах, на котором производится оценка затухания;
Lfs– потери на расстоянии d0 метров;
n– коэффициент, зависящий от количества и материала препятствий.
В дальнейшем более подробно рассмотрим модель ITU-R 1238, применим ее для определения дальности связи, и сравним результаты расчетов с результатами эксперимента. О том, какие значения в вышестоящих формулах принимают переменные N, n, подробно расписано непосредственно в самой рекомендации МСЭ-R Р. 1238–5 под названием «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц – 100 ГГц» (объем – 19 страниц). Для эксперимента, который будет проведен ниже, значения переменных будут выбраны из указанной рекомендации. В разных ситуациях переменные могут принимать различные значения, и чтобы перечислить все возможные случаи пришлось бы разместить в статье минимум 10 страниц документа из 19-ти.
К сожалению, перечисленные модели не учитывают влияния на точку доступа (точнее на излучаемую ей электромагнитную волну) стороннего оборудования, функционирующего в том же частотном диапазоне. Поэтому все расчеты производятся исходя из того, что ваше устройство единственное во всем радиусе его (оборудования) действия. Как показывает практика расчетов, если в радиусе слышимости вашей точки доступа находится 20-30 беспроводных устройств, то радиус действия уменьшается на 15-20%. Но стоит иметь в виду, что эта цифра сугубо приблизительная и в разных ситуация может проявляться по-разному, ибо очень зависит от мощности сигнала, который приходит в ваше устройство, и от того на какой частоте работает окружающее оборудование.
Сравнение результатов эксперимента с моделью ITU-R 1238
Постановка задачи: установленная точка доступа Wi-Fi работает в диапазоне частот 5 ГГц. Приемное устройство (ноутбук) устанавливается в шести точках, схематическое расположение которых изображено на рисунке 2, и регистрирует излучаемую мощность. Выбор расположения точек замера произведен так, чтобы минимизировать влияние эффекта многолучевого распространения на уровень принимаемого сигнала. Предполагается, что максимумы диаграмм направленности приемной и передающей антенны направлены друг на друга.
Перед тем как приступить к расчетам, следует отметить, что авторы модели ITU-R 1238 сделали ее очень гибкой, в частности за счет того, что входящий коэффициент N может меняться в широких приделах: от 20 до 40 дБ. Чтобы понять какому значению приравнивать N для конкретной ситуации, лучше обратиться непосредственно к первоисточнику рекомендации.
Для рассматриваемого диапазона коэффициент потери мощности сигнала при прохождении через стены для нашего типа задачи – Lfn рассчитывается по формуле Lfn=15=4(n-1).Таким образом, для точек 1–3 Lf(n)=15. для точек 4–6 Lf(n)=19 (таблица 3 рекомендации МСЭ-R Р. 1238–5). Коэффициент N, используемый при расчете потерь на передачу внутри помещения примем равным 30 (таблица 2 рекомендации МСЭ-R Р. 1238–5). С учетом выбранной геометрии задачи, замирания учитываться не будут.
Результаты расчетов в 6-ти точках по формуле ITU-R сведены в таблицу 1, а расстояния до каждой точки измерения от Wi-Fi роутера изображены на рисунке 3.
Полученные результаты для более наглядного представления изображены на рисунке 4.
Наименьшее отличие экспериментальных и расчетных данных наблюдается в точках измерения 1 и 4. Связано это с тем, что сигнал проходит через препятствия (а данном случае, стены) по кратчайшему пути. И напротив, в точках 2,3 и 5,6 сигнал теряет б о льшую часть энергии проходя через препятствия по более длинному пути. Этот эффект не учитывается в используемой модели распространения сигнала, что и приводит к росту различия расчетных и экспериментальных данных.
Заключение
Таким образом, в данной работе был показан на практическом примере вариант применения стандартизированной модели расчета затухания сигнала Wi-Fi внутри здания. Эта и другие модели помогут довольно быстро, без применения специализированного ПО, оценить количество необходимого оборудования для Вашего офиса. Конечно, этот подход не заменит качественных проектных расчетов в специализированных программных продуктах, но позволит что называется «сориентироваться на местности», нужно лишь учитываться геометрию здания для получения более корректных результатов.
Расчет параметров сети WiFi
Допустим в паспорте выбранной вами точки доступа написано, что она может работать на скорости 150 Мбит/сек.
Эту скорость принято делить на два — именно такая скорость как правило будет в реальной среде.
То есть остается 75 Мбит/сек.
Допустим в вашем офисе эта точка доступа будет обслуживать 10 беспроводных рабочих станций (т.е. 10 абонентов) берем еще +20% на случай, если кто-то забежит со своим IPad’ом, итого = 12
Получается, что при загрузке сети, реальная скорость для каждого абонента будет составлять 75/12 = 6,25 Мбит/сек.
Такой расчет необходимо произвести для каждой точки доступа на этаже.
2) Необходимо определить суммарное усиление системы (2)
— мощность передатчика, дБмВт (Берется из паспорта, выбранной вами точки доступа)
— коэффициент усиления передающей антенны, дБи (Берется из паспорта, выбранной вами точки доступа)
— коэффициент усиления приемной антенны, дБи (Берется из паспорта, выбранной вами встроенной беспроводной сетевой карте абонента)
— чувствительность приемника на данной скорости, дБмВт (определяется из таблицы ниже)
— потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта, дБ (эти значения как правило стандартизированы, предлогаю вам найти их самостоятельно);
— потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта, дБ (эти значения как правило стандартизированы, предлогаю вам найти их самостоятельно);
. Расчет необходимо произвести для каждого абонента и каждой точки доступа.
3) Учет Margin — запаса в энергетике радиосвязи
Смысл Margin (запаса) заключается в следующем: у вас есть мощность системы связи и этот запас можно «тратить» на дальность распространения сигнала. Но всю мощность системы тратить нельзя, потому-что если некоторые факторы, которые отнимают полезную мощность, в таким факторам относится: температурный дрейф чувствительности приемника, или плохая видимость (туман, снег, дождь), или СТЕНА, или рассогласование антенны приемника и передатчика с антенно-фидерным трактом.
Margin можно объяснить так:
1) Представьте, что человек херачит на скутере по воде.
2) Он выключает мотор, но у него остается запас мощности который позволяет ему проехать еще какое-то расстояние, и нам надо узнать это расстояние
3) Margin — запас, в данном случае это та, часть мощности которая НУ ПАЛЮБОМУ тратится, а тратится она на сопротивление воды, встречный ветер и т.д.
4) В Margin также учитываю те факторы, которые периодически появляются. Допустим если радиосигнал распространяется в тумане, то он теряет часть мощности, и его нужно отобразить в запасе Margin. Это как если бы чувак на скутере наехал на дельфина и потерял часть мощности.
Margin в радиосвязи = потери в тумане + потери на препятствиях + тепловой шум + рассогласование и .тд.
Margin при езде на скутере = трение с водой + встречный ветер + наезд на дельфина
Поэтому в конечном итоге мощность сигнала Sl (Space loss) — потери в пространстве будет рассчитано как
В курсовом проекте укажите какие факторы, влияющие на Margin вы бы учли и чему равно их значение (google в помощь). p.s.: Margin Берется порядка 10 дБ.
В результате выполнения этого пункта вы должны предоставить таблицу со значениями для каждой станции
4) Расчет параметров сети Wi—Fi
Для каждой установленной точки доступа рассчитайте потерю мощности сигнала в свободном пространстве (1). Расчет производится для одного этажа, т.к. планировка этажей и количество абонентов на них выбирается примерно одинаковым.
— расстояние от точки доступа в километрах
— частота радиоканала в мегагерцах (учитывать планирование радиочастот, проведенное ранее!)
— коэффициент, зависящий от типа помещения, количества препятствий и их материала. В курсовой чтобы упростить жизнь, берем n равное среднему количеству стен от точки доступа до абонента.
Вы должны подобрать такое значение 
— радиуса распространения сигнала точки доступа, чтобы соблюдалось условие 
. Ну это же логично, что запас мощности сигнала должен быть больше чем потери.
5) Составить карту этажа на которой указать радиусы действия сигнала от всех точек доступа.