Концепции, измерения и расчеты в радиосвязи

Компьютер отправляет данные передатчику, котоый конвертирует их в радиосигнал путем генерирования переменного тока с определенной частотой (например 2.4 ГГц). Передатчик использует модуляцию, чтобы закодировать полученные данные. Модулированный сигнал отправляется на антенну непосредственно, либо с использованием кабеля. Также передатчиком определяется амплитуда передаваемого сигнала или его мощность (чем выше аплитуда, тем выше мощность). Максимальная допустимая мощность сигнала регулируется локальными нормативными актами (например FCC в США).
Несмотря на то, что применик и передатчик это разные компоненты, как правило они реализуются в одном устройстве - трансивере (transciever, transmitter/receiver). Обычно беспроводные устройства имеют встроенные трансиверы.

Антенна имеет 2 основные функции: 1. при подключении к передатчику она излучает сигнал, полученный от передатчика, характерным для данного типа антенны образом. 2. при подключении к приемнику, антенна "собирает" распространяющиеся по воздуху сигналы и отправляет их на приемник, который конвертирует сигнал в биты и байты.
Передаваемый антенной сигнал, как правило, сравнивается с т.н. изотропным излучателем (isotropic radiator), т.е. точечным источником, излучающим одинаково во всех направлениях. Существует 2 способа увеличить мощность сигнала, излучаемого антенной: 1. генерировать больше мощности на передатчике 2. направить (сфокусировать) радиосигнал, излучаемый антенной.

Приемник получает сигнал с антенны и конвертирует модулированный сигнал в 1 и 0, после чего передает данные компьютеру.

Намеренным излучателем (intentional radiator, IR) называется устройство, которо намеренно генерирует и излучает радиоволны, т.е. устройство предназначенное для генерации радиоволн, в отличие от устройств, гнерирующих радиоволны как побочное явление своей работы, например электродвигатель. IR состоит из всех компонентов от передатчика до антенны (влючая все кабели, коннекторы, заземление, грозозащиту (lightning arrestors), усилители, аттеньютаторы и т.п., но НЕ включая антенну). Мощность IR измеряется на выходе коннектора, подключающегося к антенне.

EIRP - максимальная мощность радиосигнала, который может излучаться конкретной антенной. EIRP может расшифровыватсься как effective или equivalent radiated power. Это синонимы.
Как правило, регуляторы ограничивают мощность излучателя (IR)т.е. мощность подаваемую на антенну, и мощность излучаемую антенной (EIRP).

Power = pressure * flow

Обратить внимание: разные вендоры могут указывать в качестве мощности передачи как IR так и EIRP.

дБ  (децибел) - сравнительная единица измерения.
дБи - сравнение мощности сигнана сигналом изотропного излучателя. Измеряется в точке, где излучение антенны самое мощное. Т.к. антенны, как правило, фокусируют сигнал в заданном направлении, значение дБи всегда положительное. Тем не менее, существуют антенны со значением дБи 0, такие антенны называют unity-gain или no-gain антеннами.

В точках доступа как правило изспользуется полуволновой диполь - небольшая всенаправленная антенна, мощностью 2.14дБи.

дБд - сравнительная мощность сигнала антенны в сравнении с диполем. Диполь - всенаправенная антенна, следовательно дБд - величина для измерения всенаправленный антенн.  Для перевода дБд в дБи следует к значению в дБд добавить 2.14 (значение дБи) для стандартного диполя.

дБм - децибел к милливатту. В то время как мощность сигнала, генерируемого передатчиком, как правило  лежит в пределах от 1 до 100 мВт, то мощность принимаемого сигнала меньше 1 мВт. Т.о., учитывая что 1 мВт соответсвует 0дБм, мощность передваемого с, игнала будет иметь положительное значение (например, 100мВт = +20 дБм), а принимаемого - отрицательное (например -40дБм = 1/10000 мВт).

Закон обратных квадратов (inverse square law): изменение мощности равно 1 поделенной на изменение расстояния. Другими словами, если расстояние увеличивается вдвое, мощность сигнала уменьшается в 4 раза.
На этом принципе основана формула для расчета EIRP на заданном расстоянии: Pres = P/(4*pi*r^2), где Pres - значение EIRP на заданном расстоянии, P - изначальное значение EIRP, r - расстояние.
Также на законе обратных квадратов основана формула расчета потерь сигнала в свободном пространстве.

Правило "троек и десяток":
-при изменении относительного значения в дБ на 3, абсолютное значение в мВт следует умножить (разделить) на 2 соответственно.
--при изменении относительного значения в дБ на 10, абсолютное значение в мВт следует умножить (разделить) на 10 соответственно.
Данное правило дает приближенные результаты, которые, тем не менее, позволяют быстро оценить уровень сигнала и произвести расчет. Если нужны точные результаты, следует воспользоваться логорифмическими формулами.
Любое целое значение усиление или потери сигнала, выраженное в дБ можно представить в виде суммы/разности троек и десяток, что позволяет перевести данные значения в мВт без использования логорифмических формул (например: -8 дБ = -10-10+3+3+3+3).

Шумовой порог (noise floor) - уровень фонового шума в данном канале. Может включать модулированный сигнал, генерируемый находящимися поблизости радиоустройствами 802.11 или немодулированный сигнал, генерируемый такими устройствами, как микроволновые печи и беспроводные телефоны. Амплитуду шума иногда называют просто "фоновым шумом" (background noise). Уровень шума может быть разным: напримем, в районе -100дБм в офисе и -90дБм в производственном помещении. Шумовой порог на частоте 5ГГц, как правило, ниже чем на 2.4 ГГц.

Соотношение сигнал/шум (signagl to noise ratio, SNR). Многие производители беспроводных устройств используют даную характеристику для оценки качества сигнала. SNR предстваляет собой разницу между получаемым сигналом и фоновым шумом в дБ. Например, если получаемый сигнал имеет мощность -85дБм, а шумовой порог -100дБм, SNR будет составлять 15дБ. При низком SNR данные могут повреждаться. Когда амплитуда сигнала близка к амплитуде шумового порга, велика вероятность высокого уровня повторов (retransmissions), что негативно сказывается на задержке и пропускной способности. При SNR 25дБ или больше сигнал считается хорошим, при SNR 10дБ или ниже - очень плохим.

Индикатор мощности принимаемого сигнала (received signal strength indicator, RSSI) определяет уровень сигнала, необходимый для его успешного приема. Производители беспроводного оборудования, как правило, указыват чувствительность приемника для разных битрейтов. Чем выше битрейт, тем более мощный требуется сигнал. Чем ниже битрейт, тем менее сигнал подвержен повреждению.
Стандарт определяет RSSI как относительную метрику, используемую устройствами 802.11 для измерения мощности сигнала. Данный параметр может иметь значение от 0 до 255. Как правило, метрики RSSI назначаются, чтобы получить пороги чувствительности, выраженные в дБм. Следует понимать, что у разных производителей данные метрики могут назначаться по-разному: у одного -30 дБм может соответствовать 255, у другого -30 дБм может соответствовать 0.

Также стандарт 802.11-2012 определяет еще одну метрику: качество сигнала (signal quality, SQ), измеряющую pseudonoise (PN) correlation quality, получаемый радиоустройством. Все, что увеличивает количество ошибок (bit error rate, BER), например низкий SNR, может быть отражено метриками SQ.

Часто об RSSI и SQ говорят как просто об RSSI.

Обратить внимание: RSSI на устройствах разных производителей сравнивать нельзя, т.к. соответствием данной метрики и реальной мощности принимаемого сигнала устанавливается производителями по собственному усмотрению.
RSSI используется для реализации таких важных механизмов как роуминг (roaming) и динамическое изменение битрейта (dynamic rate switching, DRS) в зависимости от качества сигнала, помех и т.п.

Обратить внимание: один и тот же радиомодуль не может одновременно передавать данные и анализировать спектр. Поэтому, как правило, значение SNR, отображаемое устройством, не является результатом реального анализа спектра.

Бюджет линка (link budget) - сумма всех предполагаемых усилений и потерь сигнала. Цель бюджетирования линков в том, чтобы амплитуда принимаемого сигнала была выше порога чувтсвительности приемника. Каждое физическое устройство в радиосистеме добавляет т.н. вносимые потери (insertion loss), которые должны учитываться при бюджетировании линка.

Запас на замирание (fade margin) - "буфер" принимаемого сигнала, превышающий порог чувствительности приемника (как правило от 10 до 25 дБ). Такой буфер всегда необходимо планировать, т.к. мощность принимаемого сигнала может изменяться в зависимости от внешних условий. Ннапример, если чувтсвительность приемника -80 дБм, то планировать линк следует таким образом, чтобы мощность принимаемого сигнала была 55-70 дБм. 10 дБ - минимум (для линков короче 4.5 км). От 4.5 до 8 км рекомендуется 15 дБ, для линков длиннее 12 км - 25 дБ.

Для беспроводных сетей в условиях высокой многопоточности или повышенного шума (в помещениях или на производственных предприятинй) рекомендуется закладывать запас в 5 дБ выше порога чувствительности, заявленного производителем или шумового порога (использовать наибольшую величину из этих двух, т.е. если уровнь шума выше порога чувствительности, ориентироваться следует на уровень шума).

После того, ак линк установлен, следует обязательно провести измерения и определить реальный запас и изменения в уровне сигнала. Такие измерения называют SOM (system operation margin).

Обратить внимание: проливной дождь вызывает затухание сигнала примерно 0.05 дБ на километр как на 2.4 ГГц так и на 5 ГГц.

Правильное бюджетирование линка и запаса на замирание необходимы при построении радиолинков вне помещений.

Источник: D. Coleman, D. Wescott - Certified Wireless Network Administratio Official Study Guide

Основы радиосвязи

В соответствии со стандартом 802.11 связь осуществляется на физическом (physical) уровне и подуровне MAC канального (Data-link)уровня модели OSI. Основой работы беспроводных сетей на физическом уровне является радиосвязь (Radio Frequncy communications).

В отличие от проводных  работа беспроводных намного менее предсказуема, т.к. в проводных сетях передача сигнала происходит в т.н. ограниченной среде (bounded medium). В беспродных же сетях сигнал передается в неограниченной среде (unbounded medium), и может распространятся во сех направлениях (если не ограничивается или не перенаправляется за счет внешних воздействий).

Электромагнитный спектр (EM, electromagnetic spectrum) это набор различных видов электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение представляет собой электромагнитные волны, которые могут распространятся в пространстве и материи. В качестве примера электромагнитных волн можно приветси рентгеновское излучение, гамма-излучение, видимый свет, радиоволны.

Радиосигнал создается за счет постоянного тока (AC, alternating current), генерируемого передатчиком. Ток передается через кабель на антену, в результате чего создаются электромагнитые волны. При изменении тока в антенне изменяются свойства электромагнитного поля вокруг нее.

Характеристики радиоволн:
-Длина волны.
-Частота
-Амплитуда
-Фаза

! скорость света в вакууме обозначается латинской буквой "c" (обозначение происходит от латинского celeritas - скорость).
Существует обратно пропорциональая (inverse) зависимость между длиной волны и частотой, которая иллюстрируетс следующей формулой: λ = c/f (где λ - длина волны, c - скорость света в вакууме, f - частота в Гц). Проще говоря: чем выше частота радиосигнала, тем меньше длина волны и наоборот.

Например, AM-радиостанции работают на частотах, гораздо более низких, чем беспроводные сети стандарта 802.11, спутниковая связь - на гораздо более высоких.

Радиосигналы затухают (attenuate) при распространении в пространстве и материи. Антенны имеют эффективную площадь принимаемой мощности, называемую апертурой (aperture).  Энергия радиоволн, улавилваемая апертурой антенны тем меньше тем меньше, тем меньше частота волны. Хотя длина волны и частота напрямую не влияют на затухание, волны с малой длиной затухают быстрее. Теоретически, в вакууме электромагнитные волны могут распространяться бесконечно, но в атмосфере сигнал будет затухать, пока амплитуда не станет малой настолько, что приемник не сможет обнаружить сигнал.

Амплитуда = мощность сигнала. Чем вышем мощность в Вт, тем больше амплитуда.
Если разность фаз сигналов - 0 градусов, они усливают друг друга. Если разница 180 градусов - взанимно "уничтожаются".

Человеческое тело поглощает радиосигнал, т.к. на 50-65% состоит из воды. Это следует учитывать при проектировании беспроводных сетей в помещениях, где находится большое количество людей.

Радиоволны отражаются от плоских поверхностей, размер которых больше длины волны. Металлические поверхности всегда вызывают отражение радиоволн. Также его могут вызвать такие материалы как бетон и стекло.

Для 802.11a/b/g отраженный сигнал может служить причиной падения производительности, в то время как 802.11n и 802.11ac исплользуют его для повышения производительности (MIMO).

Рассеивание (scattering) проще всего описать как множественные отражения. Множественные отражения происходят тогда, когда длина электромагнитной волны больше, чем частицы среды, от которых данная волна отражается.

Можно выделить два вида рассеивания. Первый происходит, когда радиосигнал распространяется в среде и отдельные электромагнитные волны отражаются от мельчайших частиц данной среды. Смог или песчаная буря в пустыне могут вызывать такое рассеивание.
Второй вид рассеивания происходит, когда сигнал на пути своего распространения встречает неровную поверхность и отражается во множестве направлений. Заборы из металлической сетки, металлическая сетка под штукатуркой на стенах, листва деревьев, скалистая поверхность земли обычно вызывают подобное рассеивание. При столкновении с неровной поверхностью, основной сигнал распадается на множество отраженных от чего сильно ухудшается, вплоть до того, что не может быть обнаружен приемником.

При определенных условиях радиосигнал может преломляться, т.е. менять направление распространения на границах сред с различной плотностью. Преломление (рефракция) радиосигнала  как правило связано с состоянием атмосферы.
В случае длинных линков, расположенных вне помещений, рефракционные изменения называют k-фактором (k-factor). K-фактор 1 означает, что преломления нет. K-фактор меньше единицы, например 2/3 означает, что сигнал изгибается вверх (от земной поверхности), K-фактор больше единицы говорит о том, что сигнал изгибается вниз (к земной поверхности). При нормальном состоянии атмосферы K-фактор примерно равен 4/3, т.е. сигнал слегка изгибается к земной поверхности.

Три основных причины преломления сигнала: водяные испарения, изменения температуры воздуха, и изменение атмосферного давления.
Радиосигнал также может преломляться некоторыми типами стекла в помещениях.

Дифракция - огибание сигналом препятствия.  Зависит от формы, размера и материала препятствия, а также поляризации, фазы и амплитуды радиоволны. Непосредственно позади препятствия будет располагаться область называемая тенеью, в которой, в зависимости от того, как изменит направление сигнал, огибающий данное препятствие, сигнал будет невозможно принять или его качество будет сильно снижено.

Затухание (loss, attenuation) сигнала можно описать как уменьшение амплитуды или мощности сигнала. Мощность сигнала может теряться при передаче как по проводу, так и по воздуху. В проводном сегменте, сигнал может терять мощность из-за сопротивления кабеля или других компонентов, например коннекторов. При распрстранении по воздуху затухание может быть вызвано, например, поглощением сигнала материалами, через которые он проходит (в частности стенами).
В некоторых случаях затухание создается искуственно, например, когда добаляются аттеньюаторы, для того чтобы мощность сигнала соответствовала стандартам.

Следует также помнить, про существование потери сигнала в свободном  пространстве (FSPL), т.е. о том, что мощность сигнала будет снижаться даже при распространении в зоне прямой видимости и отсутствии отражения, дифракции, поглощения и т.п. Такие потери вызваны естесвенным расширением волн, также называемым дивергенция (расхождение) луча (beam divergence). Чем дальше от излучателя, тем больше площадь распространения радио сигнала и тем сильнее он затухает. FSPL пристутствует даже в вакууме! (Очень хорошо описано здесь: https://www.cwnp.com/forums/posts?postNum=295865)
Каждый раз при увеличении дистанции вдвое, потери сигнала в свободном пространстве составляют 6dB.

Многопоточное распространение (multipath)  - явление, выражающееся в том, что сигнал поступает на принимающую антенну в виде двух или более лучей в одно и то же время или с небольшими (наносекунды) интервалами. Возникает в результате отражения, преломления, дифракции и т.п. Время между принятием этих сигналов называется задержкой распространения (delay spread). В телевидении многолучевое распространение вызывает появление дублирующего изображения. Для радиоволн эффект может быть как полезным, так и деструктивным (из-за разницы фаз, комбинированный сигнал может усиливаться, затухать или повреждаться. Этот эффект называется замиранием (Rayleigh fading) сигнала).
Возможные результаты многолучевого распространения:
-upfade. небольшая разница фаз лучей (от 0 до 120 градусов) приводит к тому, что сигнал усиливается. Тем не менее он не может быть мощнее переданного из-за потерь в свободном пространстве.
-downfade. при разнице фаз лучей от 121 до 179 градусов, мощность сигнала будет снижаться.
-nulling. при разнице фаз в 180 между лучами и основной волной, сигнал будет уничтожаться (cancel).
-повреждение сигнала.  из-за разницы во времени между основным и отраженными сигналами, а также из-за того, что может существовать множество отраженных сигналов, у приемника могут возникнуть проблемы с демодуляцией. Из-за задержки распространения сигналы могут налагаться друг на друга из-за чего данные повреждаются. Это явление также называется межсимвольной интерференцией (intersymbol interference, ISI).
Поврежденные данные должны быть переданы повторно, т.к. не проходят проверку целостности (CRC).
Для старого 802.11/a/b/g оборудование многопоточное распространение может стать серьезной проблемой. Помочь в таком случае может использование направленных антенн, разнесенный прием. Иногда помогает уменьшение мощности передаваемого сигнала или использование антенны с меньшей чувствительностью.

Усиление (gain). Существует активное и пассивное усиление. Активное усиление обычно обеспечивается передатчиком или усилителем, расположенным между передатчиком и антенной. Многие передатчики могут передавать сигнал с разным уровнем мощности. Усилитель, как правило, работает в обоих направлениях, т.е. усиливает мощность как входящего, так и исходящего сигнала. Устройства активного усиления требуют внешнего источника питания.
Пассивное усиление достигается за счет фокусирования радиосигнала с помощь антенны. Антенна работает так, что сигнал фокусируется в одном направлении. Не требует внешнего источника питания. Антенна усиливает как передаваемый, так и принимаемый сигнал (т.е. коэффициент усиления антенны будет применяться как к передаваемому, так и к принимаемому сигналу).




Источник: D. Coleman, D. Wescott - Certified Wireless Network Administratio Official Study Guide