Wi-Fi мост «точка-точка» — расчет дальности связи
В калькуляторе просчитывается максимальное расстояние между точками, при котором достигается устойчивая связь. Запас по энергетике должен составлять не менее 20dB для сохранения устойчивой связи при резком ухудшении условий прохождения радиоволн. Если уменьшить требования к надежности и скорости обмена данными, то дальность связи увеличивается.
Расчет ведется при следующих условиях:
- Предполагается, что антенны приемника и передатчика находятся в зоне оптической прямой видимости. В противном случае необходимо оценить дальность прямой видимости .
- Расчет не учитывает дифракцию и рассеяние радиоволн на препятствиях, находящихся поблизости от пути распространения сигнала. Определить, какое пространство должно быть свободным вокруг воображаемой оси между антеннами можно при помощи калькулятора зоны Френеля.
- Мощность передатчика можно найти в технических характеристиках оборудования. Если указана в mW, то используйте калькулятор mW -> dBm
- Чувствительность приемника для 802.11g:
6 Мбит/с: -90dBm
9 Мбит/с: -84dBm
11 Мбит/с: -85dBm
12 Мбит/с: -82dBm
18 Мбит/с: -80dBm
24 Мбит/с: -77dBm
36 Мбит/с: -73dBm
48 Мбит/с: -72dBm
54 Мбит/с: -72dBm - Потери в фидере зависят от его длины и частоты передаваемого сигнала. Можно рассчитать в онлайн калькуляторе потерь в коаксиальном кабеле .
- Потери в ВЧ разъемах обычно составляют не более 0.5 — 1dB на коннектор.
- Расчет справедлив для Wi-Fi сети работающей в инфраструктурном режиме, т.е. в режиме «клиент-точка доступа». Если же сеть работает в режиме Ad-Hoc, когда компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа, то скорость соединения ограничена 11 Мбит/с.
Для устойчивой работы лучше установить хорошие антенны, а не повышать мощность передатчика.
«Математический расчет дальности Wi-fi сигнала»
Для того чтобы рассчитать дальность беспроводного канала связи нужно ввести некоторые понятия:
Без вывода приведем формулу расчета дальности. Она берется из инженерной формулы расчета потерь в свободном пространстве:
FSL (Free Space Loss) — потери в свободном пространстве (дБ); F- центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц); D — расстояние между двумя точками (км).
FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:
где 
— мощность передатчика; 
— коэффициент усиления передающей антенны; 
— коэффициент усиления приемной антенны; 
— чувствительность приемника на данной скорости; 
— потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта; 
— потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.
Предполагается, что антенны приемника и передатчика находятся в зоне оптической прямой видимости. В противном случае необходимо
оценить дальность прямой видимости
Расчет не учитывает дифракцию и рассеяние радиоволн на препятствиях, находящихся поблизости от пути распространения сигнала. Определить, какое пространство должно быть свободным вокруг воображаемой оси между антеннами можно при помощи расчёта зоны Френеля
Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля. Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.
Радиус первой зоны Френеля над предполагаемой преградой может быть рассчитан с помощью формулы:
, где R — радиус зоны Френеля (м); S, D — расстояние от антенн до самой высшей точки предполагаемого препятствия (км); f — частота (ГГц).
Обычно блокирование 20% зоны Френеля вносит незначительное затухание в канал. При блокировании свыше 40% затухание сигнала будет уже значительным, следует избегать попадания препятствий на пути распространения.
Этот расчет сделан в предположении, что земля плоская. Он не учитывает кривизну земной поверхности.
Мощность передатчика можно найти в технических характеристиках оборудования. Если указана в mW, то используйте таблицу перевода mW в dBm
Потери в фидере зависят от его длины и частоты передаваемого сигнала. Можно рассчитать в профильных программах или онлайн-калькуляторах
Потери в ВЧ разъемах обычно составляют не более 0.5 — 1dB коннектор
Для устойчивой работы лучше установить хорошие антенны, а не повышать мощность передатчика
Зависимость чувствительности от скорости передачи данных
Для каждой скорости приемник имеет определенную чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2 Мегабита) чувствительность наименьшая: от -90 дБмВт до -94 дБмВт. Для высоких скоростей чувствительность намного выше. В качестве примера в таблице выше приведены несколько характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g.
FSL вычисляется по формуле:
где SOM(System Operating Margin) — запас в энергетике радиосвязи (дБ). Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:
— температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
— всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;
— рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом.
Параметр SOM обычно берется равным 10 дБ. Считается, что 10-децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета.
Центральная частота канала F берется из таблицы ниже:
Вычисление центральной частоты
Особенности расчета дальности связи в системах Wi-Fi
Для предварительной оценки дальности связи, которую может обеспечить точка доступа может использоваться инженерная формула расчета потерь в свободном пространстве:
где FSL (FreeSpaceLoss) — потери в свободном пространстве, дБ;
F- центральная частота канала, на котором работает система связи, МГц;
D — расстояние между двумя точками, км.
Величину FSL будем вычислять по формуле:
где Yдб — суммарное усиление системы;
SOM (SystemOperatingMargin) — запас по энергетике радиосвязи, дБ.
Суммарное усиление системы считаем следующим образом:
где Pt., дБмВт – мощность передатчика;
Gt, дБи – коэффициент усиления передающей антенны;
Gr, дБи— коэффициент усиления приемной антенны;
Pmin, дБмВт— чувствительность приемника на данной скорости;
Lt, дБ и Lr, дБ – потери сигнала в кабеле и разъемах передающего приемного тракта.
Величина SOM учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:
· температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
· всевозможные погодные аномалии: туман, снег, дождь;
· рассогласование антенны, приёмника, передатчика с антенно-фидерным трактом.
Параметр SOM обычно берётся равным 10 дБ. Считается, что запас в десять децибел по усилению достаточен для инженерного расчета.
Для различных скоростей приёмник имеет определённую чувствительность. Для скоростей 1-2 мегабита чувствительность используется наивысшая: от –90 дБмВт до –94 дБмВт.
Для более высоких скоростей, чувствительность намного выше. В таблице 3.5 приведены характеристики точек доступа стандарта IEEE802.11.
Таблица 3.5 — Зависимость между скоростью передачи данных и чувствительностью
| Скорость | Чувствительность |
| 54 Мбит/с | -66 дБмВт |
| 48 Мбит/с | -71 дБмВт |
| 36 Мбит/с | -76 дБмВт |
| 24 Мбит/с | -80 дБмВт |
| 18 Мбит/с | -83 дБмВт |
| 12 Мбит/с | -85 дБмВт |
| 9 Мбит/с | -86 дБмВт |
| 6 Мбит/с | -87 дБмВт |
В зависимости от марки радио-модулей максимальная чувствительность может немного варьироваться. Из этого следует, что у разных производителей максимальная дальность будет разной.
В итоге, преобразовав формулу (3.1) относительно D, получим формулу дальности связи:
Исходные данные для расчета дальности работы по беспроводному каналу связи представлены в таблице 3.6.
Таблица 3.6- Исходные данные
| Вид оборудования | Мощность передатчика, дБм | Чувствительность приемника, дБм | Коэффициент усиления антенны, дБи | Потеря сигнала, дБм |
| при 18 Мбит/с | при 36 Мбит/с | |||
| Для 2,4 ГГц | Для 5 ГГц | |||
| Точка доступа D-Link DAP-3662 | -77 | — 70 |
Произведем расчет зоны покрытия точки доступа D-LinkDAP-3662на скорости 18 Мбит/с. Потери сигнала в свободном пространстве составят:
В качестве примера рассчитаем зону действия сети на первом канале:
Пи выборе высоты размещения точек доступа нужно учитывать особенности распространения радиоволн. Радиоволна в ходе распространения имеет вид эллипсоида вращения с наибольшим радиусом по середине, называемый зоной Френеля. Схематичное изображение представлено на рис. 3.7.
Радиус зоны Френеля над предполагаемым препятствием, рассчитывается при помощи формулы:
R − радиус зоны Френеля (в м.);
S и D − расстояние от антенн до максимальной точки предполагаемой преграды (км);
Рисунок 3.7 -Схематичное изображение зоны Френеля
Природные препятствия (естественные возвышенности, деревья) и препятствия искусственного происхождения (строения, столбы), попадающие в данную зону, ослабляют сигнал. Как правило, блокирование 20% зоны Френеля не вносит значительное затухание в канал. Выше 40% — затухание сигнала становится значимым, в этих случаях необходимо минимизировать влияние препятствий, например, выбором альтернативных путей распространения сигнала.
Данный расчет не учитывает кривизну земной поверхности. Для каналов с большой протяженностью, необходимо производить совокупный расчет, учитывающий рельеф и природные препятствия на пути распространения сигнала и следует располагать антенны по возможности выше. Приведем результаты расчета для расстояний 300, 500 и 1000 метров и представим результат в виде таблицы (см. табл. 3.7).
Таблица 3.7 — Результаты расчета первой зоны Френеля
| Расстояние между антеннами (м) | Требуемый радиус первой зоны Френеля для диапазона 2,4 ГГц (м) | Требуемый радиус первой зоны Френеля для диапазона 5 ГГц (м) |
| 4,3 | 2,9 | |
| 7,8 | 5,3 |
Расчет в данном случае выполнен для идеальных условий и не предусматривает наличие различных препятствий. По этому при проектировании конкретных систем беспроводного доступа и выборе мест установки точек доступа необходимо учитывать степень влияния различных препятствий на прохождение радиосигнала.
В таблице 3.8 представлены наиболее часто встречающиеся препятствия, влияющие эффективность передачи сигнала. Системы Wi-Fi, представляют собой достаточно не сложную структуру (см. рис. 3.8) и состоят из точек доступа, объединенных в единую сеть коммутатором, и подключенного к этой сети сервера с установленным на нем программным коммутатором Central WifiManager CWM-100.
Таблица 3.8 — Потери сигнала Wi-Fi при прохождении препятствий
| Препятствие | Дополнительные потери (dB) | Эффективный радиус действия после прохождения |
| Открытое пространство | 100% | |
| Окно без тонировки (отсутствует металлизированное покрытие) | 70% | |
| Пластиковая стенка (Офисная перегородка) | 60% | |
| Стена из гипсокартона | 55% | |
| Окно с тонировкой (металлизированное покрытие) | 5-8 | 50% |
| Деревянная стена | 30% | |
| Межкомнатная стена (15 см) | 15-20 | 15% |
| Несущая стена (30 см) | 20-25 | 10% |
| Бетонный пол/потолок | 15-25 | 10-15% |
| Монолитное железобетонное перекрытие | 20-25 | 10-5% |
Рисунок 3.8 — Структурная схема системы Wi-Fi