Коэффициенты затухания сигнала wi fi при прохождении через различные среды

Обновлено: 05.07.2024

Возможные источники помех влияющих на на работу беспроводных сетей Wi-Fi

Как известно, в беспроводных сетях в качестве среды распространения сигнала используются радиоволны (радиоэфир), и работа устройств и передача данных в сети происходит без использования кабельных соединений.
В связи с этим на работу беспроводных сетей воздействует большее количество различного рода помех.

Самыми распространенными причинами, влияющими на работу беспроводных сетей Wi-Fi (IEEE 802.11b/g/n), являются:

1. Другие Wi-Fi-устройства (точки доступа, беспроводные камеры и др.), работающие в радиусе действия вашего устройства и использующие тот же частотный диапазон.

Дело в том, что Wi-Fi-устройства подвержены воздействию даже небольших помех, которые создаются другими устройствами, работающими в том же частотном диапазоне.
В беспроводных сетях используются два частотных диапазона - 2,4 и 5 ГГц. Беспроводные сети стандарта 802.11b/g работают в дипазоне 2.4 ГГц, сети стандарта 802.11a - 5 ГГц, а сети стандарта 802.11n могут работать как в диапазоне 2.4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц.
В полосе частот 2,4 ГГц для беспроводных сетей доступны 13 каналов шириной 20 МГц (802.11b/g/n) или 40 МГц (IEE 802.11n) с интервалами 5 МГц между ними. Беспроводное устройство, использующее Wi-Fi один из 13 частотных каналов, создает значительные помехи на соседние каналы. Например, если точка доступа использует канал 6, то она оказывает сильные помехи на каналы 5 и 7, а также, уже в меньшей степени, - на каналы 4 и 8. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их несущие отстояли друг от друга на 25 МГц (5 межканальных интервалов).

На рисунке показаны спектры 11 каналов. Цветовая кодировка обозначает группы непересекающихся каналов – [1,6,11], [2,7], [3,8], [4,9], [5,10]. Разные беспроводные сети, расположенные в пределах одной зоны действия, следует настраивать на непересекающиеся каналы.

Чтобы определить есть ли другие Wi-Fi-устройства, работающие в радиусе действия вашего устройства и использующие тот же частотный диапазон, можете воспользоваться программой InSSIDer .
InSSIDer - бесплатная утилита, которая сканирует доступные Wi-Fi сети и предоставляет массу полезной информации о них, как например мощность сигнала, MAC-адрес роутера, его производителя, использующийся канал, идентификатор SSID или публичное название сети, тип безопасности, скорость сети и многое другое. Кроме того мощность сигнала можно отслеживать с помощью наглядных графиков в режиме реального времени (скачать можно здесь).

2. Bluetooth-устройства , работающие в зоне покрытия вашего Wi-Fi-устройства.

Bluetooth-устройства работают в том же частотном диапазоне, что и Wi-Fi-устройства, - 2.4 ГГц, следовательно, могут оказывать влияние на работу Wi-Fi-устройств.

3. Большие расстояния между Wi-Fi-устройствами .

Необходимо помнить, что беспроводные устройства Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Например, домашний интернет-центр с точкой доступа Wi-Fi стандарта 802.11b/g имеет радиус действия до 60 м в помещении и до 400 м вне помещения.
В помещении дальность действия беспроводной точки доступа может быть ограничена несколькими десятками метров - в зависимости от конфигурации комнат, наличия капитальных стен и их количества, а также других препятствий.

Различные препятствия, расположенные между Wi-Fi-устройствами, могут частично или значительно отражать/поглощать радиосигналы, что приводит к частичной или полной потере сигнала.
В городах с многоэтажной застройкой основным препятствием для радиосигнала являются здания. Наличие капитальных стен (бетон+арматура), листового металла, штукатурки на стенах, стальных каркасов и т.п. влияет на качество радиосигнала и может значительно ухудшать работу Wi-Fi-устройств.
Внутри помещения причиной помех радиосигнала также могут являться зеркала и тонированные окна.

Здесь показана таблица потери эффективности сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды.
* Эффективное расстояние - означает, насколько уменьшится радиус действия после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством. Например, если на открытом пространстве радиус действия Wi-Fi до 400 метров, то после прохождения одной межкомнатной стены он уменьшится до 400 м * 15% = 60 метров. После второй еще раз 60 м * 15% = 9 метров. А после третьей 9 м * 15% = 1,35 метров. Таким образом, через три межкомнатные стены, скорее всего, беспроводное соединение установить не получится.
Вне помещений влиять на качество передаваемого сигнала может ландшафт местности (например, деревья, леса, холмы).
Атмосферные помехи (дождь, гроза, снегопад) также могут являться причиной уменьшения производительности беспроводной сети (в случае, если радиосигнал передается вне помещений).

5. Различная бытовая техника , работающая в зоне покрытия вашего Wi-Fi-устройства.

Перечислим бытовую технику, которая может являться причиной ухудшения качества связи Wi-Fi:

Каждый кто собирал, покупал или хотя бы настраивал радиоприёмник, наверное, слышал такие слова как: чувствительность и избирательность (селективность).

Чувствительность — этот параметр показывает, насколько хорошо ваш приёмник может принимать сигнал даже в самых удалённых участках.

А избирательность, в свою очередь, показывает, насколько хорошо приёмник может настраиваться на ту или иную частоту без влияния других частот. Эти «другие частоты», то есть не относящие к передаче сигнала от выбранной радиостанции, в данном случае играют роль радиопомех.

Повышая мощность передатчика, мы заставляем приёмники с малой чувствительностью принимать наш сигнал во что бы то ни стало. Немаловажную роль играет взаимное влияние сигналов от различных радиостанций друг на друга, что усложняет настройку, снижая качество радиосвязи.

В среде Wi-Fi используется радиоэфир в качестве среды для передачи данных. Поэтому многие вещи, которыми оперировали радиоинженеры и радиолюбители прошлого и даже позапрошлого столетий, по-прежнему актуальны и в наши дни.

Но кое-что изменилось. На смену аналоговому формату пришло цифровое вещание, что повлекло изменение характера передаваемого сигнала.

Ниже приводится описание распространённых факторов, которые оказывают влияние на функционирование беспроводных сетей Wi-Fi в рамках стандартов IEEE 802.11b/g/n.

Некоторые нюансы Wi-Fi сетей

Для эфирного радиовещания вдали от крупных населённых пунктов, когда можно принимать на свой приёмник только сигнал местной FM радиостанции и ещё «Маяк» в УКВ диапазоне — вопрос взаимного влияния не возникает.

Другое дело Wi-Fi устройства, работающие только в двух ограниченных диапазонах: 2,4 и 5 ГГц. Ниже описаны несколько проблем, которые приходится если не преодолевать, то знать, как обойти.

Проблема первая — разные стандарты работают с разными диапазонами.

В диапазоне 2.4 ГГц, работают устройства, поддерживающие 802.11b/g/n; в диапазоне 5 ГГц — 802.11a и 802.11n.

Как видим, только устройства стандарта 802.11n могут работать как в диапазоне 2.4 ГГц, так и в диапазоне 5 ГГц. В остальных случаях мы должны либо поддерживать вещание в обоих диапазонах, либо смириться с тем, что какие-то клиенты не смогут подключиться к нашей сети.

Проблема вторая — Wi-Fi устройства, работающие в радиусе ближайшего действия, могут использовать один и тот же частотный диапазон.

Для устройств, работающих в полосе частот 2,4 ГГц, в России доступны и разрешены к использованию 13 беспроводных каналов шириной 20 МГц для стандарта 802.11b/g/n или 40 МГц для стандарта 802.11n с промежутками 5 МГц.

Поэтому любое беспроводное устройство (клиент или точка доступа) создаёт помехи на соседние каналы. Другое дело, что мощность передатчика клиентского устройства, например, смартфона, значительно ниже, чем у самой обычной точки доступа. Поэтому на протяжении статьи мы будем говорить только о взаимном влиянии точек доступа друг на друга.

Наиболее популярный канал, который предлагается по умолчанию клиентам — 6. Но не стоит обольщаться, что, выбрав соседнюю цифру, мы избавимся от паразитного влияния. Точка доступа, работающая на канале 6 даёт сильные помехи на каналы 5 и 7 и более слабые — на каналы 4 и 8. С ростом промежутков между каналами их взаимное влияние снижается. Поэтому для сведения взаимных помех к минимуму крайне желательно, чтобы их несущие частоты отстояли друг от друга на 25 МГц (5 межканальных интервалов).

Беда в том, что из всех каналов с малым влиянием друг на друга каналов доступны всего 3: это 1, 6 и 11.

Приходится искать какой-то способ обойти существующие ограничения. Например, взаимное влияние устройств можно компенсировать снижением мощности.

О пользе умеренности во всём

Как уже было сказано выше, снижение мощности — это не всегда плохо. Мало того, при повышении мощности качество приёма может значительно ухудшаться и дело здесь вовсе не в «слабости» точки доступа. Ниже мы рассмотрим, в каких случаях это может пригодиться.

Загрузка радиоэфира

Эффект загруженности можно увидеть воочию, в момент выбора устройства для подключения. Если в списке выбора Wi-Fi сетей присутствует более трёх-четырёх пунктов — можно уже говорить о загрузке радиоэфира. При этом каждая сеть является источником помех для своих соседей. А помехи влияют на производительность сети, потому что резко увеличивают уровень шума и это приводит к необходимости постоянной повторной отсылки пакетов. В этом случае основная рекомендация — понизить мощность передатчика в точке доступа, в идеале — уговорить всех соседей сделать то же самое, чтобы не мешать друг-другу.

Ситуация напоминает школьный класс на уроке, когда учитель отлучился. Каждый ученик начинает разговаривать с соседом по парте и другими одноклассниками. В общем шуме они плохо слышат друг друга и начинают говорить громче, потом ещё громче и в итоге начинают кричать. Педагог быстренько прибегает в класс, принимает какие-то дисциплинарные меры и восстанавливается нормальная ситуация. Если в роли учителя мы представим сетевого администратора, а в роли школьников — владельцев точек доступа, то получим почти прямую аналогию.

Асимметричное соединение

Как уже было сказано ранее, мощность передатчика точки доступа обычно сильнее в 2-3 раза, чем на клиентских мобильных устройствах: планшетах, смартфонах, ноутбуках и так далее. Поэтому весьма вероятно появление «серых зон», где клиент будет принимать от точки доступа хороший стабильный сигнал, а передача от клиента до точки будет работать «не очень». Такое соединение называют асимметричным.

Для поддержания стабильной связи с хорошим качеством крайне желательно, чтобы между клиентским устройством и точкой доступа было симметричное соединение, когда приём и передача в обе стороны работают достаточно эффективно.

Рисунок 1. Асимметричное соединение на примере плана квартиры.

Во избежание асимметричных соединений стоит избегать необдуманного повышения мощности передатчика.

Когда требуется повышение мощности

Перечисленные ниже факторы требуют повышения мощности ради сохранения устойчивой связи.

Помехи от устройств радиосвязи других типов и другой электроники

Устройства Bluetooth, например, наушники, беспроводные клавиатуры и мыши, осуществляющие работу в частотном диапазоне 2.4 ГГц и оказывающие влияние в виде помех на работу точки доступа и других Wi-Fi устройств.

Перечисленные ниже устройства также могут оказывать негативное влияние на качество сигнала:

микроволновые СВЧ-печи;
детские радионяни;
мониторы с ЭЛТ, беспроводные динамики, беспроводные телефоны и другие беспроводные устройства;
внешние источники электрического напряжения, такие как линии электропередач и силовые подстанции,
электромоторы;
кабели с недостаточным экранированием, а также коаксиальный кабель и разъёмы, используемые с некоторыми типами спутниковых тарелок.

Большие расстояния между устройствами Wi-Fi

Любые радиоустройства имеют ограниченный радиус действия. Помимо конструктивных особенностей беспроводного устройства, максимальное расстояние досягаемости может быть снижено внешними факторами, такими как наличие препятствий, радиопомех и так далее.

Всё это приводит к образованию локальных «зон недосягаемости», где сигнал от точки доступа «не достаёт» до клиентского устройства.

Препятствия для прохождения сигнала

Различные препятствия (стены, потолки, мебель, металлические двери и т.д.), расположенные между Wi-Fi устройствами, могут отражать или поглощать радиосигналы, что приводит к ухудшению или полной потере связи.

Такие простые и понятные вещи, как железобетонные стены, покрытие из листового металла, стальной каркас, и даже зеркала и тонированные стёкла заметно снижают интенсивность сигнала.

Интересный факт: человеческое тело ослабляет сигнал примерно на 3 dB.

Ниже показана таблица потери эффективности сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды для сети 2.4 ГГц.

* Эффективное расстояние — обозначает величину уменьшения радиуса действия после прохождения соответствующего препятствия по сравнению с открытым пространством.

Подведём промежуточные итоги

Как уже было сказано выше, высокая мощность сигнала сама по себе не повышает качество связи по Wi-Fi, но может мешать установлению хорошей связи.

В то же время существуют ситуации, когда требуется обеспечить более высокую мощность для устойчивой передачи и приёма радиосигнала Wi-Fi.

Вот такие противоречивы требования.

Полезные функции от Zyxel, которые могут помочь

Очевидно, нужно использовать какие-то интересные функции, которые помогут выкрутиться из этой противоречивой ситуации.

ВАЖНО! О множестве нюансов при построении беспроводных сетей, а также о возможностях и практическом использовании оборудования можно узнать на специализированных курсах Zyxel — ZCNE. Узнать о ближайших курсах можно здесь.

Client Steering

Как было замечено ранее, описанные проблемы в основном затрагивают диапазон 2.4Ггц.
Счастливые обладатели современных устройств могут использовать частотным диапазон 5Ггц.

Преимущества:

больше каналов, поэтому проще выбрать те, которые будут влиять друг на друга по минимуму;
другие устройства, такие как Bluetooth, не используют данный диапазон;
поддержка каналов шириной 20/40/80 МГц.

радиосигнал сигнал в данном диапазон хуже проходит через препятствия. Поэтому желательно иметь не одну «супер-пробивную», а две-три точки доступа с более скромной мощностью сигнала в разных помещениях. С другой стороны, это даст более ровный характер покрытия, чем ловить сигнал от одной, но «супер-сильной».

Изменить данное обстоятельство поможет функция Client Steering, которая по умолчанию предлагает клиентским устройствам сразу подключиться по 5Ггц. Если этот диапазон клиентом не поддерживается, он всё равно сможет использовать 2.4Ггц.

Данная функция доступна:

в точках доступа Nebula и NebulaFlex;
в контроллерах беспроводной сети NXC2500 и NXC5500;
в межсетевых экранах с функцией контроллера.

Auto Healing

Выше было приведено много аргументов в пользу гибкого регулирования мощности. Однако остаётся резонный вопрос: как же это сделать?

Для этого у контроллеров беспроводной сети Zyxel есть специальная функция: Auto Healing.
Контроллер с её помощью проверяет состояние и работоспособность точек доступа. Если окажется, что одна из них доступа не работает, то соседние получат указание увеличить мощность сигнала, чтобы заполнить образовавшуюся зону молчания. После того, как отсутствующая точка доступа вернулась в строй, соседние точки получают указание уменьшить мощность сигнала, чтобы не создавать помех в работу друг друга.

Эта функция также присутствует в составе специальной линейки контроллеров беспроводной сети: NXC2500 и NXC5500.

Защищённая беспроводная граница сети

Соседние точки доступа из параллельной сети создают не только помехи, но и могут быть использованы в качестве плацдарма для атаки на сеть.

В свою очередь контроллер беспроводной сети должен с этим бороться. В арсенале контроллеров NXC2500 и NXC5500 достаточно средств, таких как стандартная аутентификация WPA/WPA2-Enterprise, различные реализации Extensible Authentication Protocol (EAP), встроенный межсетевой экрана.

Таким образом контроллер не только находит неавторизованные точки доступа, но и блокирует подозрительные действия в корпоративной сети, которые с большой долей вероятности несут в себе злой умысел.

Функция Rogue AP Detection (Rogue AP Containment)

Для начала разберёмся, что такое Rogue AP.

Rogue AP — это чужие точки доступа, которые не подконтрольны сетевому администратору. Тем не менее они присутствуют в пределах досягаемости Wi-Fi сети предприятия. Например, это могут быть личные точки доступа сотрудников, включенные без разрешения в сетевые розетки рабочего офиса. Такого рода самодеятельность плохо сказывается на безопасности сети.

Фактически такие устройства образуют канал для стороннего подключения к сети предприятия в обход основной системы защиты.

Например, чужая точка (RG) доступа формально не находится в сети предприятия, но на ней создана беспроводная сеть с тем же именем SSID, как и на легальных точках доступа. В результате точка RG может использоваться для перехвата паролей и другой секретной информации, когда клиенты корпоративной сети по ошибке пытаются к ней подключиться и пытаются передать свои учетные данные. Вследствие этого учетные данные пользователей будут известны хозяину «фишинговой» точки.

Большинство точек доступа компании Zyxel имеют встроенную функцию сканирования радиоэфира с целью выявления посторонних точек.

ВАЖНО! Обнаружение чужих точек (AP Detection) будет работать только, если хотя бы одна из таких «сторожевых» точек доступа настроена на работу в режиме мониторинга сети.

После того как точка доступа Zyxel, при работе в режиме мониторинга, засечёт чужеродные точки, может быть предпринята процедура блокировки.

Допустим, Rogue AP подражает легальной точке доступа. Как было сказано выше, злоумышленник может продублировать на ложной точке корпоративные настройки SSID. Тогда точка доступа Zyxel попытается помешать опасной активности, внося помехи через рассылку широковещательных фиктивных пакетов. Это приведет к невозможности подключения клиентов к Rogue AP и перехвата их учетных данных. И «шпионская» точка доступа не сможет выполнить свою миссию.

Как видим, взаимное влияние точек доступа не только вносит досадные помехи при работе друг друга, но и может использоваться для защиты от атак злоумышленников.

Заключение

Материал в рамках небольшой статьи не позволяет рассказать обо всех нюансах. Но даже при беглом обзоре становится понятно, что разработка и обслуживание беспроводной сети имеют достаточно интересные нюансы. С одной стороны, нужно бороться с взаимным влиянием источников сигнала, в том числе путём снижения мощности точек доступа. С другой стороны, необходимо поддерживать уровень сигнала на достаточно высоком уровне для устойчивой связи.

Обойти это противоречие можно, используя специальные функции контроллеров беспроводной сети.

Также стоит отметить тот факт, что компания Zyxel работает над усовершенствованием всего того, что помогает добиться качественной связи, не прибегая к большим затратам.

на картинке: графическое отображение WiFi волн в городе.

WiFi - беспроводной способ связи, основанный на всем нам знакомом электромагнитном излучении. Сигнал WiFi относят к радиоволнам, соответственно , он имеет такие же свойства, характеристики и поведение. Радиоволны, в свою очередь, подчиняются практически тем же физическим законам, что и свет: распространяются в пространстве с такой же скоростью (почти 300 000 километров в секунду), подвержены дифракции, поглощению, затуханию, рассеиванию и т. д.

Основные характеристики радиоволны, а значит и сигнала WiFi - это ее длина и частота (частотный диапазон). Последний параметр означает частоту переменного тока, необходимую для получения волны нужной длины и используется для классификации радиоволн. Другое определение частоты - это количество волн, проходящих через определенную точку пространства в секунду.

Существует распределение радиоволн по диапазонам, в зависимости от частоты, утвержденная Международным союзом электросвязи (МСЭ, английская аббревиатура - ITU).

Сфера применения радиоволн зависит от частотного диапазона. Это может быть телевидение, радиосвязь, мобильная связь, радиорелейная связь и т. д. Вообще, радиочастотный эфир занят довольно плотно: использование всех диапазонов буквально расписано:

В том числе это и беспроводная связь WiFi. Для нее используются дециметровые и сантиметровые волны ультравысокой и сверхвысокой частоты (УВЧ и СВЧ) в частотных диапазонах 2,4 ГГц, 5 ГГц и и других редкоиспользуемых: 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц .

Главное преимущество WiFi-связи отражено во втором ее названии - беспроводная связь . Именно отсутствие проводов вкупе со все возрастающей скоростью передачи данных является ключевым моментом при выборе этого способа соединения.

Если речь идет о домашних пользователях - беспроводная связь удобна, она позволяет не привязываться к определенному месту в квартире для входа в интернет.

Если мы говорим о корпоративной связи, о провайдерских услугах, то иногда прокладка кабеля для передачи данных - это дорого, нецелесообразно или вообще невозможно. Например, нужно раздать интернет в частном секторе, прокинуть магистральный канал через ущелье, в удаленный населенный пункт и т. д. В этом случае на выручку приходит WiFi. Проблемная территория преодолевается с помощью беспроводного канала.

Связь частоты сигнала WiFi и длины волны

Характеристики длины волны сравнительно редко используются в параметрах оборудования WiFi. Однако иногда, для понимания физических свойств и поведения сигнала беспроводной связи в различных условиях неплохо разбираться в связи частоты и длины радиоволн.

Общее правило: Чем выше частота, тем короче длина волны. И наоборот.

Формула для расчета длины волны:

Длина волны WiFi сигнала (в метрах) = Скорость света (в м/сек) / Частота сигнала (в герцах).

Скорость света в м/сек = 300 000 000.

После упрощения формулы получаем: Длина волны в метрах = 300/ Частота в МГц.

Свойства WiFi сигнала

Поглощение.

Главное условие для создания беспроводного линка на расстояние большее, чем сотня метров - прямая видимость между точками установки оборудования. Проще говоря, если мы стоим рядом с одной точкой доступа WiFi, то наш взгляд, направленный в сторону второй точки, не должен упираться в стену, лес, многоэтажный дом, холм и т. д. (Это еще не все, нужно также учитывать помехи в Зоне Френеля, но об этом в другой статье.)

Такие объекты просто-напросто отражают и поглощают сигнал WiFi , если не весь, то львиную его часть.

То же самое происходит и в помещении, где сигнал от WiFi роутера или точки доступа проходит через стены в другие комнаты/на другие этажи. Каждая стена или перекрытие "отбирает" у сигнала некоторое количество эффективности.

На небольшом расстоянии, например, от комнатного роутера до ноута, у радиосигнала еще есть шансы, преодолев стену, все-таки добраться до цели. А вот на длинной дистанции в несколько километров любое такое ослабление существенно сказывается на качестве и дальности WiFi связи.

Процент ухудшения сигнала вай-фай при прохождении через препятствия зависит от нескольких факторов:

Длины волны . В теории, чем больше длина волны (и ниже частота вай-фай), тем больше проникающая способность сигнала. Соответственно, WiFi в диапазоне 2,4 ГГц имеет большую проникающую способность, чем в диапазоне 5 ГГц. В реальных условиях выполнение этого правила очень тесно зависит от того, через препятствие какой структуры и состава проходит сигнал.
Материала препятствия , точнее, его диэлектрических свойств.

Дополнительные потери при прохождении (dB)

Процент эффективного расстояния*, %

Нетонированное окно (отсутствует металлизированное покрытие)

Окно с металлизированным покрытием (тонировкой)

Стена 15,2 см (межкомнатная)

Стена 30,5 см (несущая)

Бетонный пол или потолок

Цельное железобетонное перекрытие

* Процент эффективного расстояния - эта величина означает, какой процент от первоначально рассчитанной дальности (на открытой местности) сможет пройти сигнал после преодоления препятствия.

Например, если на открытой местности дальность сигнала Wi-Fi - до 200 метров, то после прохождения через нетонированное окно она уменьшится до 140 метров (200 * 70% = 140). Если следующим препятствием для этого же сигнала станет бетонная стена, то после нее дальность составит уже максимум 21 метр (140*15%).

Отметим, что вода и металл - самые эффективные поглотители WiFi, т. к. являются электрическими проводниками и "забирают" на себя большое количество энергии сигнала. Например, если дома на пути вай-фай от роутера до вашего ноута стоит аквариум, то практически наверняка соединения не будет.

Именно поэтому во время дождя и других "влажных" атмосферных осадков наблюдается небольшое снижение качества беспроводного соединения, поскольку капли воды в атмосфере поглощают сигнал.

Частично этот фактор влияет и на затухание WiFi передачи в листве деревьев, т. к. они содержат большой процент воды.

Угла падения луча на препятствие. Помимо материала преграды, через которую проходит сигнал вай-фай, важен также угол падения луча. Так, если сигнал проходит через препятствие под прямым углом, это обеспечит меньшие потери, чем если бы он падал на него под углом 45 градусов. Еще хуже, если сигнал проходит через преграду под очень острым углом. В этом случае, грубо говоря, можно смело умножать толщину стены на 10 и рассчитывать потери WiFi передачи согласно этой величине.

Огибание препятствий.

По-научному это поведение луча WiFi называется дифракцией, хотя на самом деле понятие дифракции гораздо сложнее, чем простое "огибание препятствий".

В общем можно вывести правило - чем короче длина волны (выше частота), тем хуже она огибает препятствия .

Основывается это правило на известном физическом свойстве волны: если размер препятствия меньше, чем длина волны, то она его огибает. В целом отсюда логично проистекает, что чем короче длина волны, тем меньшее остается вариантов препятствий, которые она может в принципе обойти, и поэтому принимается, что ее огибающая способность хуже.

Огибание на практике означает меньшее рассеивание волны как луча энергии вокруг препятствия, меньшее количество потерь сигнала.

Возьмем популярные частоты 2,4 ГГц (длина волны 12,5 см) и 5 ГГц (длина волны 6 см). Мы видим подтверждение правила на примере прохождения лесного массива. Стандартные размеры листьев, стволов, веток деревьев, в среднем будут меньше, чем 12,5 см, но больше, чем 6 см. Поэтому сигнал WiFi 5 ГГц диапазона при прохождении через густую листву “потеряется” практически полностью, в то время как 2,4 ГГц справится лучше.

Поэтому WiFi оборудование, работающее в диапазоне 900 МГц, используется в условиях отсутствия прямой видимости сигнала - его длина волны составляет 33,3 см, что позволяет огибать большее количество преград. Однако надо учитывать размеры предполагаемых препятствий и понимать, что сигнал 900 МГц не сможет “обойти” бетонную стену, расположенную перепендикулярно направлению сигнала. Здесь уже сыграют роль проникающие способности волны, которые, как мы уже говорили у сигналов с низкой частотой довольно неплохие.

Также именно поэтому для нормальной работы беспроводного оборудования, использующего частоту 24ГГц (длина волны 1,25 см) необходима абсолютно чистая видимость, потому что все препятствия больше сантиметра будут отражать и поглощать сигнал.

Как мы уже упоминали, в отношении прохождении сигнала через лесной массив играет роль также содержание воды в листьях, а также длина волны.

Естественное затухание.

Как далеко мог бы передаваться сигнал WiFi, если создать ему идеальные условия прямой видимости? В любом случае не бесконечно, потому что чем больше дальность беспроводного “пролета”, тем больше сигнал затухает сам по себе. Происходит это по 2 причинам:

Земная поверхность поглощает часть энергии сигнала. Чем выше частота WiFi, тем интенсивнее идет поглощение.

Сигнал WiFi даже из самой узконаправленной антенны распространяется не прямой линией, а лучом. Соответственно, чем дальше расстояние, тем шире становится луч, тем меньшая мощность сигнала приходится на единицу площади, и тем меньше энергии сигнала попадает в принимающую антенну.

Отражения сигнала.

Сигнал WiFi, как любая радиоволна, как свет, отражается от поверхностей и ведет себя при этом аналогично. Но тут есть нюансы - какие-то поверхности будут поглощать сигнал (полностью или частично), а какие-то - отражать (полностью или частично). Это зависит от материала поверхности, его структуры, наличия неровностей на поверхности и частоты WiFi.

Неконтролируемые отражения сигнала ухудшают его качество. Частично - из-за потери общей энергии сигнала (до принимающей антенны, упрощенно говоря, “долетает не всё” или долетает после переотражений, с задержками). Частично - из-за интерференции с негативным влиянием, когда волны накладываются в противофазе и ослабляют друг друга.

Интерференция может иметь и положительное влияние, если волны WiFi накладываются друг на друга в одинаковых фазах. Это часто используется для усиления мощности сигнала.

Плотность данных.

Частота WiFi влияет также на еще один важный параметр - объем передаваемых данных. Здесь существует прямая связь - чем выше частота, тем больше данных в единицу времени можно передать. Возможно, именно поэтому первая высокопроизводительная РРЛ от Ubiquiti - AirFiber 24, а также ее более мощная модификация - Airfiber 24HD были выпущены на частоте 24 ГГц.

Почему сложно дать однозначный ответ: на какое расстояние будет передавать сигнал WiFi оборудование?

Физические свойства и поведение радиоволны в окружающем мире довольно сложны. Нельзя взять какой-то один параметр и по нему рассчитать дальность беспроводного сигнала. В каждом конкретном случае на дальность будут оказывать влияние различные факторы окружающей среды:

Поглощение сигнала препятствиями, земной корой, поверхностью водоемов.
Дифракция и рассеивание сигнала из-за преград на пути.
Отражения сигнала от препятствий, земли, воды и возникающие в результате этого интерференции волны.
На больших расстояниях - радиогоризонт, т. е. искривление земной коры.

Зона Френеля и, соответственно - высота расположения оборудования над поверхностью земли.

Именно поэтому реальная дальность оборудования, как, впрочем, и пропускная способность, может очень сильно отличаться в различных условиях.

Диапазоны и частоты WiFi

Как мы уже сказали, для WiFi связи выделено несколько разных частотных диапазонов: 900 МГц, 2,4 ГГц, 3,65 ГГц, 5 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц.

В Украине на данный момент чаще всего применяются точки доступа WiFi и антенны WiFi 2,4 ГГц и 5ГГц.

Основные отличия 2,4 ГГц и 5ГГц:

2,4 ГГц. Длина волны 12,5 см. Относится к дециметровым волнам ультравысокой частоты (УВЧ).

В реальных условиях - меньшая дальность сигнала из-за более широкой зоны Френеля, что чаще всего не компенсируется тем, что сигнал на этой частоте меньше подвержен естественному затуханию.
Лучшее преодоление небольших преград, например, густых лесных массивов, благодаря хорошей проникающей способности и огибанию препятствий.
Меньше относительно неперекрывающихся каналов (всего 3), а значит, “ пробки на дорогах” - теснота в эфире, и как результат - плохая связь.
Дополнительная зашумленность эфира другими устройствами, работающими на этой же частоте, в том числе мобильных телефонов, микроволновок и т. п.

5 ГГц . Длина волны 6 см. Относится к сантиметровым волнам сверхвысокой частоты (СВЧ).

Большее количество относительно неперекрывающихся каналов (19).
Б о льшая емкость данных.
Большая дальность сигнала, в связи с тем, что Зона Френеля меньше.
Такие препятствия, как листва деревьев, стены волны диапазона 5ГГц преодолевают гораздо хуже, чем 2,4.

Диапазоны 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц для нас скорее экзотика, однако могут использоваться:

Для работы в условиях, когда стандартные диапазоны плотно заняты.

Если требуется создать беспроводное соединение между двумя точками при отсутствии прямой видимости (лес и другие препятствия). Это касается такой частоты, как 900 МГц (в нашей стране ее нужно использовать с осторожностью, так как на ней работают сотовые операторы).

Если для использования частоты не требуется получать лицензию в контролирующих органах. Такое преимущество часто встречается в презентациях зарубежных производителей, однако для Украины это не совсем актуально, так как условия лицензирования в нашей стране другие.

В IEEE ведутся разработки по принятию новых стандартов и, соответственно, использованию других частот для WiFi. Не исключено, к примеру, что в ближайшее время диапазон 60 ГГц также станет использоваться для беспроводной передачи. Точно также, как и возможна вероятность “отжатия” в будущем некоторых частот, сейчас принадлежащих WiFi, в пользу, например, сотовых операторов.

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: P_к– затухание на коннекторе (ах);
Р_n – 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:

– расстояние между приемником и передатчиком, метров.

На рисунке 1 приведен график зависимости затухания L_FS 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.

Рисунок 1 – затухание сигнала Wi-Fi с увеличением расстояний

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.

– нормальная случайная величина, измеряемая в dB, имеющая стандартное отклонение

где: d>1, м– расстояние, на котором производится оценка затухания;
f – частота центрального канала Wi-Fi, МГц;
N– коэффициент потери уровня сигнала с расстоянием;
Lf (n)– коэффициент потери мощности сигнала при прохождении через стену (пол);

– количество стен (полов) между приемной и передающей антеннами.

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.

Рисунок 2 – Комментарии к задаче

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 – L_fn рассчитывается по формуле L_fn=15=4(n-1).Таким образом, для точек 1–3 L_f(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.

Рисунок 3 – Расстояния от точки доступа до точки измерения

Полученные результаты для более наглядного представления изображены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результаты расчетов и измерений

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 большую 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.

Читайте также: