Расчет построения беспроводных сетей
Курсовая «Расчет построения беспроводных сетей»
План работы:
- Как работает Wi-Fi:
1.1 Пользовательский Wi-Fi
1.2 Стандарты 802.11 (a/b/g/n)
1.3 Таблица стандартов
- Wi-Fi Антенны:
2.1 Круговые (всенаправленные)
2.2 Направленные
2.3 Децибеллы
- Расчетная формула работы беспроводной сети в идеальном случае; Учет помех при соединении двух сетей (радиомост)
- Свойства СВЧ радио сигнала. (отражение, прохождение сквозь препятствия... И прочая физика)
- Влияние Препятствий на СВЧ волны:
5.1 Кирпич
5.2 Бетон
5.3 Железо-бетон
5.4. Сталь
И прочие (Пользовательские)
- Экспериментальная часть (Пара-тройка случаев описаных и посчитанных)
- Выводы
Как работает Wi-Fi
Для начала, разберемся в том, что же из себя представляет технология Wi-Fi. Технологией Wi-Fi называют один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам. Изначально устройства Wi-Fi были предназначены для корпоративных пользователей, чтобы заменить традиционные кабельные сети.
Для передачи данных Wi-fi использует диапазон частот СВЧ:
Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см — частота 1 ГГц до 1 мм — 300 Ггц).
Радиоволна в процессе распространения в пространстве
занимает объем в виде эллипсоида вращения с
максимальным радиусом в середине пролета, который
называют зоной Френеля (рис. 1). Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.
Рис. 1. Естественные и искусственные преграды,
попадающие в некоторый
объем вдоль линии распространения,
существенно ослабляют сигнал
Понятие зон Френеля основано на принципе Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой доходит возмущение, сама становится источником вторичных волн,
и поле излучения может рассматриваться как суперпозиция всех вторичных волн. На основе этого принципа можно показать, что объекты, лежащие внутри концентрических окружностей, проведенных вокруг линии прямой видимости двух трансиверов, могут влиять на качество как положительно, так и отрицательно. Все препятствия, попадающие внутрь первой окружности (первой зоны Френеля), оказывают наиболее негативное влияние. При создании радиомоста между двумя сетями надо знать тот факт, что пространство вокруг прямой линии, проведённой между приёмником и передатчиком должно быть свободно от отражающих и поглощающих препятствий в радиусе, сравнимом с 0.6 радиуса первой зоны Френеля. Её размер можно рассчитать исходя из следующей формулы:
где r – радиус первой зоны Френеля, м;
f – значение частоты обмена, GHz;
D1 и D2 – расстояния до препятствия от передатчика и приемника, км.
Пользовательский Wi-Fi
Итак, выяснив как работает Wi-fi и какой тип радио-волн используется для передачи данных остановимся по подробнее на пользовательских стандартах. Стандарты wi-fi были разработаны Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers — международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике). Разделяют следующие виды пользовательских стандартов:
802.11 — Изначальный 1 Мбит/с и 2 Мбит/c, 2,4 ГГц и ИК стандарт (1997)
802.11b — Улучшения к 802.11 для поддержки 5,5 и 11 Мбит/с (1999)
802.11g — 54 Мбит/c, 2,4 ГГц стандарт (обратная совместимость с b) (2003)
802.11n — Увеличение скорости передачи данных (600 Мбит/c). 2,4-2,5 или 5 ГГц. Обратная совместимость с 802.11a/b/g . Особенно распространён на рынке в США в устройствах D-Link, Cisco и Apple. (сентябрь 2009)
802.11b/g/n
|
КаналА
|
Центральная частотаБ (ГГц)
|
|
1
|
2,412
|
|
2
|
2,417
|
|
3
|
2,422
|
|
4
|
2,427
|
|
5
|
2,432
|
|
6
|
2,437
|
|
7
|
2,442
|
|
8
|
2,447
|
|
9
|
2,452
|
|
10
|
2,457
|
|
11
|
2,462
|
|
12
|
2,467
|
|
13
|
2,472
|
|
14
|
2,48
|
5 МГц между центральными частотами соседних каналов, исключая 14-й.
Каждый канал занимает полосу частот 20 МГц, поэтому в этом диапазоне невозможна одновременная работа более чем 3-х каналов без взаимного перекрытия.
В таблице ниже представлены опорные частоты и длины волн тринадцати актуальных для нас (принятых в Европе) каналов Wi-Fi диапазона 2,4 ГГц.
|
Номер канала
|
Частота, МГц
|
Длина волны, мм
|
|
1
|
2412
|
124,3
|
|
2
|
2417
|
124,0
|
|
3
|
2422
|
123,8
|
|
4
|
2427
|
123,5
|
|
5
|
2432
|
123,3
|
|
6
|
2437
|
123,0
|
|
7
|
2442
|
122,8
|
|
8
|
2447
|
122,5
|
|
9
|
2452
|
122,3
|
|
10
|
2457
|
122,0
|
|
11
|
2462
|
121,8
|
|
12
|
2467
|
121,5
|
|
13
|
2472
|
121,3
|
|
Сравнение стандартов IEEE 802.11
|
|
Стандарт
|
802.11a
|
802.11b
|
802.11g
|
|
Макс. скорость передачи, Мбит/с
|
54
|
11
|
54
|
|
Поддержка скоростей передачи, Мбит/с
|
6, 12, 24
|
1, 2, 5.5, 11
|
1, 2, 5.5, 6, 11, 12, 24
|
|
Опциональная поддержка скоростей передачи, Мбит/с
|
9, 18, 36, 48, 54
|
-
|
33, 36, 48, 54
|
|
Число не перекрывающихся каналов
|
12
|
3
|
3
|
|
Расстояние и скорость передачи данных в помещении, метр @ Мбит/с
|
12 @ 54
91 @ 6
|
30 @ 11
91 @ 1
|
30 @ 54
91 @ 1
|
|
Расстояние и скорость передачи данных в пределах прямой видимости, метр @ Мбит/с
|
30 @ 54
305 @ 6
|
120 @ 11
460 @ 1
|
120 @ 54
460 @ 1
|
|
Рабочая частота, ГГц
|
5
|
2.4
|
2.4
|
|
Схема модуляции
|
Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (OFDM)
|
Широкополосная модуляция с прямым расширением спектра (DSSS)
|
Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (OFDM)
|
Wi-fi антенны
Внешние Wi - Fi антенны служат для усиления сигнала, что позволяет увеличить зону покрытия Wi-Fi сетей.
В основном распространены пассивные антенны - круговые (всенаправленные) и направленные. Основное различие – характер распространения волн антенной.
Круговая антенна излучает сигнал по кругу 360* (горизонталь) и зона покрытия имеет вид тороида.
Направленная антенна распространяет волны лишь на определенный сектор.
В остальном у антенн есть четыре основные характеристики, на которые нужно обратить внимание:
Поляризация – отражает специфику распространения радиоволн. Бывает горизонтальная(линейная) и вертикальная. При проектировании сети это необходимо учитывать при подборе антенн, поляризация обязательно должна совпадать.
HPBW по горизонтали – угол распространения вол по горизонтали. Для всех круговых антенн равен 360*. Для направленных Wi-Fi антенн значительно меньше.
HPBW по вертикали – угол распространения волн по вертикали. Обратите внимание на этот параметр при подборе антенн, т.к. при малом угле возможно возникновение мертвых зон.
Усиление – выражается в dBi и характеризует усиление сигнала. Чем больше dBi , тем на большем расстоянии можно установить связь с сетью.
Удлинительные провода для антенн – используются, если антенна удалена от точки доступа или сетевой карты. Особое внимание следует уделить разъемам, т.к. у разных производителей они могут различаться. Провода используются специальные СВЧ, длина проводов должна быть как можно меньше.
Децибелы
Уровень Wi-fi сигнала принято выражать в децибелах. Изначально мощность любого передатчика в настройках wi-fi точки/маршрутизатора выражается в милливатах. Раскроем понятие децибела:
Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений.
Децибел — десятая часть бела, то есть десятая часть десятичного логарифма безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную.
Децибел — это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых величин — «энергетических» (мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.) или «силовых» (силы тока, напряжения и т. п.). Иными словами, децибел — это относительная величина. Не абсолютная, как, например, ватт или вольт, а такая же относительная, как кратность («трёхкратное отличие») или проценты, предназначенная для измерения отношения («соотношения уровней») двух других величин, причем к полученному отношению применяется логарифмический масштаб.
Подробно останавливаться на переводе милливат в децибелы не стоит. Уже придуманы специальные калькуляторы которые приводят эти единицы. Вот ссылка на один из них:
http://allcalc.ru/node/347/
Так же следует отметить, что например у производителя d-link существует специальный калькулятор предназначенный на расчет дальности беспроводной связи в идеальном случае, для их оборудования:
http://www.nix.ru/art/swf/wirecalc.swf
Методика и подход
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.
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
|
Канал
|
Центральная частота (МГц)
|
|
1
|
2412
|
|
2
|
2417
|
|
3
|
2422
|
|
4
|
2427
|
|
5
|
2432
|
|
6
|
2437
|
|
7
|
2442
|
|
8
|
2447
|
|
9
|
2452
|
|
10
|
2457
|
|
11
|
2462
|
|
12
|
2467
|
|
13
|
2472
|
|
14
|
2484
|
В итоге получим формулу дальности связи:
Пользуясь всеми вышеперечисленными данными можно расчитать дальность wi-fi сигнала.
Практическая часть
Важное отступление: Сначала планировалось получить в децибелах цифру, которая соответствует затуханию при прохождении сигнала через препятствия. Но данная затея провалилась, т.к. не получилось установить причину по которой передатчик при фиксированном bitrate, например 54mbit, при выходе за границу зоны на которой может быть достигнута эта скорость, переключается на bitrate ниже (48mbit). Поэтому было решено получать результат в метрах.
Для проведения практических экспериментов было взято следующее оборудование:
- wi-fi router ASUS WL500G Premium version 1
Мощность передатчика — 18db
Мощность антенны - 5db
- netbook hp compaq mini 311
Мощность антенны - 3db
- UPS
Рассчитаем дальность сигнала в идеальном случае:
Расчет построения беспроводных сетей