Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Московский Государственный Институт Электроники и Математики
(технический университет)
Кафедра Информационно-коммуникационных технологий
Курсовая работа на тему
“Математический расчет дальности Wi-fi сигнала”
Работу выполнил:
Студент группы С-64
Кузьмищев А.С.
Работу принял:
Доктор технических наук, профессор
Леохин Ю.Л.
Москва 2011
|
[1]
[2] [3] Пользовательский Wi-Fi [3.0.1] 802.11b/g/n [4] Wi-fi антенны [5] Децибелы [6] Методика и подход [7] Практическая часть [8] Выводы:
[9] |
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.
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 (сентябрь 2009)
|
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 |
30 @ 11 |
30 @ 54 |
|
Расстояние и скорость передачи данных в пределах прямой видимости, метр @ Мбит/с |
30 @ 54 |
120 @ 11 |
120 @ 54 |
|
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) |
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.
Уровень Wi-fi сигнала принято выражать в децибелах. Изначально мощность любого передатчика в настройках wi-fi точки/маршрутизатора выражается в милливатах. Раскроем понятие децибела:
Децибе́л — 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
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:
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.
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:
Мощность передатчика — 18dbm
Мощность антенны - 5dbm
Мощность антенны - 5dbm
Рассчитаем дальность сигнала в идеальном случае:
В качесте рабочей частоты был выбран 13 канал f=2484 МГц, скорость 54MBpsпри которой чувствительность -66dbm.
Найдем суммарное усиление системы:
Y=18dbm + 5dbm + 4dbm + 66dbm - 1dbm - 1dbm = 95dbm
FSL = Y — SOM = 95 — 10 = 85
D= 10^(85/20 -33/20 — lg2472) = 10^-2,05 = 0,165 километров
В теории получилось, что приблизительная дальность действия wi-fi сигнала в нашем случае будет равна 165 метрам.
Проверим данные расчеты на практике.
В качестве полигона для исследований была выбрана следующая территория:
Маршрутизатор подключался к UPS и фиксировался в начальной точке. Вдоль дороги каждые 25 метров останавливался человек и производил замеры с помощью ноутбука. Вот результат замеров:
|
Номер измерения |
Bitrate, mbps |
Signal, дб |
Noise, дб |
Расстояние, м |
|
1 |
54 |
30 |
78 |
25 |
|
2 |
54 |
45 |
82 |
50 |
|
3 |
36 |
55 |
88 |
75 |
|
4 |
24 |
58 |
83 |
100 |
|
5 |
18 |
63 |
73 |
125 |
|
6 |
18 |
72 |
81 |
150 |
|
7 |
1 |
81 |
57 |
200 |
Как видно из таблицы, скорость 54mbps передатчик и приемник перестали поддерживать в промежутке 50 и 75 метрами, а конкретнее, переход на другую скорость был отмечен на расстоянии 55 метров.
Учитывая тот факт, что антенна у нас круговая, то полученное расстояние является радиусом действия, а диаметр действия, то есть дальность, равна 110 метрам.
Расхождение между теорией и практикой объясняется тем, что не все параметры были учтены, но это в нашем случае нормально и не критично.
Таким образом, можно говорить о том, что наш маршрутизатор обеспечивает скорость 54 mbps на расстоянии 110 метров.
Так же следует отметить тот факт, что на расстоянии больше чем 200 метров сигнал продолжает приниматься, но скорость передачи данных равна 1mbps. При такой скорости информация не может нормально передаваться.
Отталкиваясь от этого факта, попробуем посмотреть влияние железо-бетона на wi-fi сигнал:
Чтобы посмотреть как влияет такая преграда было решено использовать следующее здание:
На первом этаже здания был установлен наш маршрутизатор. Таким образом получалось что мы измеряем сигнал из «железо-бетонной коробки». Вот результаты измерений:
|
Номер измерения |
Bitrate, mbps |
Signal, dbm |
Noise, dbm |
Расстояние, м |
|
1 |
54 |
56 |
87 |
4 |
|
2 |
36 |
53 |
84 |
25 |
|
3 |
2 |
53 |
84 |
50 |
|
4 |
1 |
82 |
58 |
100 |
В этом случае скорость 54 мегабит перестала поддерживаться на расстоянии 20 метров. Таким образом радиус действия wi-fi сигнала на данной чкорости равен 40 метрам.
Замечание: Стоит так же обратить внимание на то, что толщина такой стены равна 10 сантиметрам (был произведён замер толщины).
Кирпичное помещение подобного рода пропускает сигнал на расстоянии 50 метров. К сожалению, толщину стены кирпича, зафиксировать не удалось.
Можно ли в этих условиях сформулировать универсальное руководство по выбору
места установки точки доступа? Скорее всего, нет, но некоторые базовые принципы,
обобщающие накопленный опыт, постараемся их назвать.
1. Расположите точки доступа и абонентов беспроводной сети так, чтобы количество преград между ними было минимально. Особенно следует стремиться к сокращению числа стен и перекрытий: каждая преграда уменьшает максимальный радиус зоны покрытия на 1–45 м.
2. Обратите внимание на угол между точками доступа (абонентами сети) и
протяженными препятствиями. Стена толщиной 0,5 м при угле в 45° для радиоволны эквивалентна стене с толщиной 1 м. Но если излучение приходит на нее под углом в единицы градусов, ее эквивалентная толщина будет на порядок выше! Заметим, что не все программы для планирования радиосетей в помещении учитывают этот нюанс. Наиболее предпочтительный и прогнозируемый по результатам вариант, когда
сигнал направляется под прямым углом к перекрытиям или стенам.
3. Строительные материалы влияют на прохождение сигнала по-разному: целиком металлические двери или алюминиевая облицовка сказываются негативно. Старайтесь также, чтобы между абонентами сети отсутствовали железобетонные препятствия.
4. Несмотря на высокую инерционность ПО мониторинга мощности сигнала, не пренебрегайте его помощью и позиционируйте антенну на лучший прием.
5. Творчески относитесь к размещению прилагаемых в комплекте многих PCI-адаптеров выносных антенн: «примагнитив» их к корпусу в неудачном месте, можно потерять до 25% дальности связи.
6. Удалите от абонентов беспроводных сетей, по крайней мере на 1–2 метра,
электроприборы, генерирующие радиопомехи: мониторы, электромоторы, с особым пристрастием отнеситесь к микроволновым печам и беспроводным телефонам диапазона 2,4 GHz.
Для типового жилья обеспечение требуемого покрытия, как правило, проблемой не является. Но если вы обнаруживаете неуверенную связь в пределах квартиры, попробуйте начать свои эксперименты, расположив точку доступа посередине условной линии, соединяющей наиболее удаленные комнаты, в которых необходима беспроводная сеть.
Если данных мер окажется недостаточно, то следует рассмотреть вариант с
применением комнатных всенаправленных и направленных антенн с увеличенным коэффициентом усиления.
Для ангаров, складов, залов, больших офисных помещений с малопоглощающими перегородками зачастую достаточно эффективным средством упрощения организации WLAN являются «потолочные» точки доступа, имеющие форму больших таблеток, в которых использованы антенны со специальной формой диаграммы направленности.
1. http://ru.wikipedia.org/ - статьи: IEEE, СВЧ, Wi-Fi.
2. “WLAN и практика распространения радиоволн” журнал "Компьютерное Обозрение"
3. А. К. Щербаков “Wi-Fi: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить”
4. Джим Гейер “Беспроводные сети. Первый шаг.”
5. http://www.intuit.ru/ - интернет университет информационных технологий.