Стандарт 802.11 и поправки к нему

Отдельные группы внутри IEEE (task groups) работают над разными элементами стандарта, например MAC и PHY уровнями 802.11
Выделяется 3 спецификации физического уровня:
-IR (infrared)
-FHSS (frequency hopping spread spectrum, clause 14 devices)
-DSSS (Direct sequence spread spectrum, clause 16 devices)

Обратить внимание: устройства использующие DSSS не могут взаимодействовать с устройствами, использующими FHSS.

Скорость (data rate) - количество бит в секунду, передаваемых на физическом уровне в одном фрейме. Пропускная способность (throughput) как правило составляет половину скорости или меньше при испоьзовании стандартов a/b/g. В стандартах n и ac доступ к среде организован более эффективно, тем не менее на overhead-трафик приходися 30-40 процентов скорости.

Текущий документ 802.11-2007 включает ряд поправок.

802.11b. Более высокая (по сравнению с предыдущими реализациями) скорость передачи данных. Новая технология расширенного спектра (spread spectrum) - Contemporary Code Keyin (CCK), Barker code. 2.4ГГц. До 11Мбит/с

802.11a - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). U-NII частоты (5ГГц). До 54Мбит/с. В настоящее время производители выпускают точки доступа способные работать как на 2.4  так и а 5 ГГц.

802.11g.  Extended Rate Physical (ERP). 2.4ГГц. До 54Мбит/с. Сохранение совместимости с 802.11 (DSSS) и 802.11b. ERP-DSS/CCK, ERF-OFDM

В соответствии со стандартом, точка доступа 802.11g может рабоать в 3 режимах:
- b-only - только 802.11b
- g-only - только 802.11g.  Реальная пропускная способность - 19-20 Мбит/с
- b,g mode (mixed mode) - к точке могут подключаться как b так и g  клиенты. Обратить внимание: при подключении устройств b, у устройств g падает производительность (примерно до 8 Мбит/с)

802.11d - 2001 - поправка внесшая в исходный стандарт 802.11 (расчитаный на соответствие требований регуляторов США, Японии, Канады и Европы), распространяющая его на области, не упомянутые в исходном стандарте. Код страны содержится в двух фреймах: beacons и probe responses. Эта информация используется устройствами, чтобы удостовериться в том, что они работают в соответствии с требованиями указанной страны к частотному диапазону и мощности (а также FHSS для некоторых стран).

802.11h - 2003 - описывает механизмы DFS (dymanic frequency selection) и TPC (transmit power control). Данные механизмы нужны, чтобы не создавать помех спутниковым системам и радарам на частоте 5ГГц.
Принцип работы DFS:
-Точка доступа разрешает подключения клиентам, работающим в поддерживаемом канале
-Точка доступа может "заглушить" (quiet) канал, чтобы определить присутствие радарам
-Точка доступа может проверить присутствие радара перед тем как использовать канал
-Точка доступа может обнаружить радар в используемом канале или других каналах
-Точка доступа может прекратить работу при обнаружении радара, чтобы избежать помех
-Когда обнаружена помеха, точка доступа может выбрать другой канал для работы и уведомить об этом подключенных клиентов.

TPC используется для регулирования мощности радиомодулей, работающих на частоте 5ГГц. В соответствии с требованиями ERC (европейский регулятор), устройства работающие на частоте 5ГГц должны использовать TPC, чтобы удовлетворять требованиям к максимальной мощности и быть способными уменьшить мощность, чтобы избежать помех.
Принцип работы TPC:
-Клиентские станции могут подключаться к точке доступа с используемой частотой.
-Максимальная мощность передачи в канале должна соответствовать требованиям регулятора
-Точка доступа может указать мощность для одного или всех подключенных клиентов
-Точка доступа может менять мощность передачи на клиентских станциях в зависимости от радиообстановки.

Обмен информацией, используемой DFS и TPC происходит с помощью фреймов управления  (management frames).

802.11i-2004 Исходный стандарт предлагает  только открытую аутентификацию и WEP. 802.11i внес значительыне улучшения в безопасность. Шифрование - CCMP/AES, TKIP. Проверка целостности: ICV, MIC. Аутентификация: 802.1x или PKS (разделяемые ключи). RSN - метод установления соединения, согласования параметров безопасности, генерации ключей для клиентских станций и точек доступа. Сертификация WPA2, созданная Wi-Fi альянсом, по сути отражает 802.11i. WPA версии 1 считалась предшественником 802.11i в то время как WPA2 полностью соответствует данной поправке. Все аспекты 802.11i можно найти в разделе 11 стандарта 802.11-2012.

802.11j - 2004. Поправка, призванная получить одобрение от японского регулятора путем включения дополнительных диапазонов частот, а также ширины канала в 10МГц (в дополнение к 20МГц для 802.11a).

802.11e-2005. Добавление механизмов QoS для Voice over Wlan (VoWiFi).
Исходным стандартом определялось два метода контроля доступа к среде:
-(по умолчанию) Distributed Coordination Function (DCF)
- PCF (point coordination function) - точка доступа на некоторое время берет на себя контроль над средой и опрашивает клиентов (не реализован вендорами)

802.11e описывает улучшенный метод доступа к середе с поддержкой QoS НСF (Hybrid Coordination Function). Включает 2 элемента: EDCA (DCF extension) - приоретизация фреймаов на основе данный протоколов верхнего уровня. HCCA (PCF extension) - отдельные клиентские станции могут получить приоритетное право на передачу.

WMM - сертификация Wi-Fi alliance, отражающая 802.11e

802.11-2012. Включает принятые поправки к 802.11-2004 Несмотря на то, что поправки (например, 802.11b) считаются утратившими силу после включения в стандарт, их продолжает широко использовать Wi-Fi alliance, поэтому они часто встречаются на практике.

802.11r-2008. Fast basic service set transition (FT), fast secure roaming. Описывает быстрое переключение между точками доступа с высоким уровнем безопасности. Особенно важно для голосовых сервисов.

802.11k-2008 - radio resource management (RRM). Механизмы, с помощью которых точка доступа или контроллер беспроводной сети собирает данные у клиентских  станций. Элементы:
-TPC
-Client statistics - информация о работе физического уровня, например SNR, мощность сигнала, битрейт. Также инфомрация MAC уровня о передаче фреймов, повторах и ошибках.
-Channel statistics - клиенты могут собирать информацию о шумовом пороге основываясь на фоновой энергии радиоволн в канале и передавать эту информацию точке доступа. Также клиентские станции могут собирать и отправлять данные о загрузке канала, которые точка доступа использует для управления каналами.
-Neighbor reports - 802.11k дает клиентским станциям возможность получать от точек доступа или контроллеров
информацию о других точках доступа, к которым потенциально возможно подключиться в рамках роуминга.
Сотовыми системами использвует технология MAHO, позволяющая улучшить переключение между сотами.
В основном клиентские станции принимают решение о переключении основываясь на собственных данных, 802.11k в свою очередь предоставляет клиентской станции дополнительную информацию о соседних точках доступа.

802.11y-2008 - работа устройств 802.11 с другими устройствами на частоте 3650МГц - 3700МГц в США. Dynamic STA enablement (DSE) - когда средствами CSMA/CA избежать помех не получается, работает механизм DSE: устройства 802.11 сообщают свое место расположения и уникальный идентификатор, что помогает избежать создания помех не-802.11 устройствам.

802.11w-2009 защита от спуфинга фреймов управления (популярная атака: злоумышленник подделиывает фреймы асооциации/деассоциации и транслирует их в эфир). Фреймы управления генерируемые в соответствии с данной поправкой называют robus management frame.

802.11n-2009. Высокая пропускная способность (high throughput), улучшения на  PHY и MAC уровнях, позволяющие достичь битрейта до 600 Мбит/с и суммарной пропускной способности (на всех клиентов точки доступа) более 100 Мбит/с. Использует MIMO

802.11p-2010 поддержка ITS (intellignt Transportation System). Обмен данными между транспортными средствами передвигающимися на скорости до 200км/ч и расстоянии до 1000 в диапазоне от 5.850ГГц до 5.925ГГц в северной Америке. Также известен как WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments).

802.11z-2010. Механизм DLS (Direct Link Setup) - позволяет прогонять трафик напрямую между клиентскими устройствами без участия точки доступа.

802.11u-2011. WIEN (wireless internetworking integration) - интергация сетей доступа 802.11 с внешними сетями.

802.11v-2011. Описывает VNM (Wireless Network Management) - возможность станциям 802.11 обмениваться информацией для повышения производительности сети вцелом. Кроме инфрормации о состоянии сети возможет обмен информацией о местонахождении, обеспечивать поддержку нескольких BSSID, а также режим "сна" для точек доступа.

802.11s-2011. WDS. Традиционно точки доступа служат "порталом" для системы распределения (DS). Обычно это проводная среда - 802.3 Ethernet. В соответствии с 802.11-2012 система распределения может быть также беспроводной (WDS). Цель данной поправки - использование протокола для адаптивной, автоконфигурируемой системы, которая способна пропускать широковещательный, а также мультикаст и юникаст трафик через несколько пролетов WDS-сети.

802.11ae-2012 - улучшение работы QoS. За счет QMF (Quality of service management frame) часть управляющего трафика может быть передана с использованием категории доступа (access category) отличной, от назначенной голосовому трафику, что может улучшить качество обслуживание других потоков.

802.11aa-2012 - улучшение работы QoS для надежной передачи аудио и видео.

802.11ad-2012 - описывает VHT (very high throughput). Передача данных на частоте 60ГГц до 7Гбит/с. Меньше дальность, плохо проникает сквозь препятствия. Также описывает GCMP (Galios/Counter Mode Protocol) - который позволяет шифровать указанный поток данных, нагружает процессор меньше, чем CCMP.

802.11ac-2012. VHT на частоте ниже 6ГГц. Более широкие каналы (80 МГц и 160 МГц). Новая модуляция (256-QAM). До 8 потоков. Улучшения MIMO и бимформинга: MU-MIMO и NDP  бимформинг.

802.11af-2014 Позволяет использование частот TVWS (TV white space) частот от 54МГц и 790МГц.

802.11ah - беспроводные сети на частоте до 1ГГц. Меньше пропускная способность, но выше дальность. Для интернета вещей и передача данных M2M (machine to machine).

Проекты поправок:
802.11ai - Fast initial link setup (установление линка менее чем за 100мс)

802.11aj - поддержка работы на частотах CMMW (Chinese Milli-Meter Wave).

802.11ak - GLK (general link) - использование беспроводных технологий в коммутируемых сетях.

802.11aq - Pre association - cстанция получает анонс о сервисах сети до того, как фактически подключится к ней.

Обратить внимание: заглавная буква в названии группы (task group)  IEEE означает, что документ является рекомендуемым и не является частью стандарта.

802.11F. Роуминг. Целью данной поправки был роуминг между автономными точками доступа разных вендоров (протокол IAPP). Данная поправка не была принята и не реализуется вендорами. На практике рекомендуется не смешивать точки доступа разных вендоров.

802.11T - разработка метрик производительности, методов измерения и условий проведения тестов производительности устройств 802.11. WPP (wireless performance prediction) - универсальные правила измерения производительности беспроводных сетей. Не реализовано, развитие прекращено.
Альянсом Wi-Fi определены собственные метрики для лабораторного тестирования устройств.

802.11m - группа ответственная за консолидацию поправок.

Некотороые буквы в названия стандартов пропускаются, например 802.11l или 802.11ab, чтобы избежать ошибок и путаницы.

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

Антенны

Для того, чтобы оценить излучение антенны в пространстве, производители создают диаграммы направленности (azimuth chart (H-Plane) + elevation chart (E-Plane) = radiation patterns, polar charts, antenna radiation envelopes).
На диаграмме антенна находится в центре.
azimuth chart = H-Plane = вид сверху
elevation chart = E-Plane = вид сбоку

Внешнее кольцо диаграммы, как правило, соответствует самому сильному сигналу. Диаграмма не показывает расстояние или уровень мощности, только взаимосвязь между мощностью и точкой на диаграмме (другими словами, в каком направлении антенна излучает сильнее, в каком - слабее).

Ширина луча (beamwidth).  Измеряется как горизонтально, так и вертикально от центра (или точки где сигнал самый мощный), до точек, на горизонтальных и вертикальных осях, при переходе которых, мощность уменьшается в два раза (-3 дБ). Такие точки также называют half-power points. Угол между ними измеряется в градусах по вертикали и горизонтали, в результате получается ширина горизонтального и ширина вертикального луча.

При юстировке антенн важно убедиться, что попадаешь в основной (main lobe), а не боковой лепесток (side lobe).

Типы антенн:
-Всенаправленные (omnidirectiona, omny) - излучает во всех направлениях.
-Cлабонаправленные (semidirectional) - направленное излучение на большую прощадь
-Направленные (highly directional) - мощное излучение, небольшая область

Антенна фокусирует как отправляемый так и принимаемый сигнал.

Обратить внимание: множественное число слова "antenna" в биологии "antennae", в радиотехнике - "antennas".

Всенаправленные антенны излучают во всех направлениях. Классический пример - маленькая, покрытая резиной антенна-диполь (dipole, rubber duck). Ширина горизонтального луча у всенаправленной антенны всегда 360 градусов, вертикального - от 7 до 80 грасов в зависимости от конкретной антенны. Т.к. покрытие по вертикали у такой антенны узкое, следует тщательно планировать ее расположение (так, например, если антенна установлена на 1 этаже, на втором и треьем покрытие может быть плохим).

Антенна наиболее эффективна, когда длина ее элементов кратна длине волны или наоборот (т.е. равняется 1/2 длины волны, или наоборот, вдвое ее превышает). Диполь, используемый на частоте 2.14 ГГц состоит из 2 элементов, длина каждого равна 1/4 длины волны, направленные в противоположные стороны друг от друга. Всенаправленные антенны с высоким коэффициентом усиления (gain),  обычно состоят из множества соединенных между собой диполей. Такие антенны называют коллинеарными (collinear).

Всенаправленные антенны, как правило, используются для топологии точка-многоточка (point-to-multipoint). Всенаправленная антенна подключается к устройству, например точке доступа, которая расположена в центре группы клиентских устройств. По такому же принципу можно объединить несколько зданий (всенаправленная антенна в центральном узле и направленные антенны на переферии).

Слабонаправленные антенны предназначены для малых и средних расстояний. Для больших расстояний следует использовать направленные антенны. Типичные примеры использования полунаправленных антенн: огранизация моста между зданиями находящимися на небольшм расстоянии друг от друга). К таким антеннам относятся патч-антенны (patch), панельные (panel) антенны, яги (волновой канал, yagi). Часто панельные и патч-антенны используются как синонимы, поэтому, не имея уверенности, какой категории относится конкретная антенна лучше называть ее планарной (planar).

Также такие антенны часто присоединяются к точка доступа, чтобы обеспечить направленное покрытие в здании, например в библиотеках, складах, магазинах с длинными рядами полок, которые не позволяют всенаправленным антеннам обеспечить хорошее покрытие (слабонаправленные антенны в таких случаях монтируются на противоположные стены попеременно, и, так как ширина горизонтального луча у них 180 градусов или менее, сигнал почти не будет распространяться за пределы здания, а внутри здания обеспечивается хорошее покрытие).
Другой вариант: использование слабонаправленных антенн в длинных коридорах с офисами или больничными палатами по обе стороны. Одна слабонаправленная антенна может обеспечить покрытие всего коридора или его части и комнат по обе стороы, а также частичное покрытие соседних этажей.  До внедрения MIMO слабонаправленные антенны использовались для уменьшения многолучевого распространения в помещениях, но сейчас эта функция не актуальна. Сейчас они в основном используются для сред с высокой плотностью (high-density environments), т.е. небольших площадей на которых расположено большое количество беспроводных клиентов. В таких ситуациях всенаправленная антенна предоставляет не лучшее покрытие. Вместо этого часто на потолок монтируется MIMO патч- или панельные антенны, направленные вниз, обеспечивающая узкие "секторы" покрытия.

Антенны Яги-Уда (Yagi-Uda) или просто антенны Яги, как правило, используются для линков точка-точка на небольших расстояниях (до 3 км), хотя антенны данного типа с высоким КУ могут использоваться и на больших дистанциях.

Еще одно преимущество слабонаправленных антенн в том, что их можно смонтировать на стене здания и наклонить  вниз в сторону области покрытия, чего нельзя сделать со всенаправленной антенной, т.к. сигнал с другой стороны будет направлен вверх.

Направленные антенны. Используются только для соединений точка-точка на большом расстоянии. Существует 2 типа направленных антенн: параболические (parabolic dish) и сетчатые (grid).  Сетчатые антенны удобны тем, что менее вероятен сдвиг такой антенны ветром (даже небольшой сдвиг направленной антенны может привести к нарушению юстировки и разрыву линка). Для параболических антенн в условиях сильного ветра рекомендуется использовать специальное сферическое покрытие для защиты антенны - радом (radome, Radio + Dome). Также радом защищает от обледенения.

Секторные антенны  - особый вид слабонаправленных антенн с высоким КУ. Несколько секторных антенн устанавливаются в центре области, в которой нужно обеспечить радио покрытие, обеспечивая покрытие в 360 градусов (sectorized array). Ширина горизонтального луча у таких антенн от 60 до 180 градусов, вертикального - от 7 до 17. Задний лепесток маленький. Преимущества секторных антенн перед всенаправленными в том, что а) секторные антенны можно установить высоко над землей и наклонить вниз на угол, подходящий для данного рельефа и требований к покрытию б)каждая антенна в группе может принимать и передавать независимо от других в)более высокий КУ.

Исторически, секторные антенны использовались для сотовой связи, но с распространением 802.11 вне помещений (например на стадионах) область их применения расширилась.

Антенная решетка (antenna array) - группа из 2 или более антенн, соединенных вместе для обеспечения покрытия. Такие антенны работают вместе, выполняя т.н. бимформинг (beamforming). Бимформинг - метод концентрирования энергии радиоволн ддля повышения мощности сигнала и SNR на стороне приемника. Существует 3 типа бимформинга:
-статический (static)
-динамический (dynamic)
-бимформинг передачи (transmit beamforming, TxBF).

Статический бимформинг выполняется с использованием нескольких направленных антенн, располежнных вместее, но "смотрящих" в разные стороны от центра. Термин "статический бимформинг" - другое название sectorized array.

Динамический бимформинг - фокусирвоание сигнала в заданном направлении и придание диаграмме направленности заданной формы.  Для динамического бимформинга используется т.н. адаптивный массив антенн (adaptive antenna array), который направляет луч в сторону клиента. Данная технология также называется smart antenna technology или beamsteering. ! Не работает с клиентской стороны.  Фокусирует луч в сторону клиента для нисходящей (downstream) юникаст передачи данных.

Бимформинг передачи - передача множества сдвинутых по фазе сигналов в расчета на то, что они прибудут в одинаковой фазе в область, где, по данным передатчика, находится приемник. В отличие от динамического бимформинга, TxBF не меняет диаграмму направленности излучения и направленный луч не существует. Фактически, это не технология работы антенны, а технология обработки сигнала на передающем устройстве. Тщательный контроль фаз сигнала на передающем устройстве позволяет улучшить мощность сигнала на приемнике, эмулируя тем самым антенну с более высоким КУ. Т.о. ключевой момент в TxBF - регулирование фазы передаваемого сигнала.
В соответствии с 802.11n сдвиг фаз в процесс TxBF может корректироваться по результатам измерений принимающей стороны (beamformee), которые отправляются передающей стороне (beamformer), т.н. explicit beamforming. Другой вариант, когда сдвиг фаз корректируется по результатам измерений передающей стороны - т.н. implicit beamforming.

Прямая видимость (visual line of sight, visual LOS) - прямая линия без препятствий между пеередатчиками. Нужно понимать, что visual LOS и RF LOS - разные вещи, т.к. антенна может быть не видна, например, из-за тумана, но вполне достижима для радиосигналов.

Зона Френеля (Fresner zone) - эллипсоидная область вокруг линии прямой видимости. Теоретически, таких областей бесконечное множество, первый эллипсоид называется первой зоной Френеля, второй эллипсоид - второй зоной Френеля и т.д. Если в первой зоне Френеля имеются препятствия, это негативно сказываеться на качестве связи. Следует учитывать препятствия находящиеся не только сверху и снизу от линии прямой видимости, но и побокам от нее. Как правило, такими препятствиями являются здания и деревья. Следует периодически проверять не появлились ли новые препятствия в зоне Френеля, т.к. деревья могут вырастать, а новые здания - строиться. Размер зоны Френеля зависит только от частоты и расстояния между антеннами и НЕ ЗАВИСИТ от ширины луча или типа антенны.
Технически, первая зона Френеля - область вокруг источника сигнала, где волны находятся в одинаковой фазе с сигналом источника. Вторая зона Френеля - область, где фаза волн отличается от фазы сигнала источка и т.д.: в каждой четной зоне фазы отличаются от фазы сигнала источника, в каждой нечетной - совпадают с ней.
Следовательно, вторую зону Френеля следует принимать во внимание при расчете линков типа точка-точка, т.к. если сигнал из второй зоны Френеля отражается в сторону принимающей антенны это может привести к ухудшению или полному уничтожению передаваемого сигналаа. Это не частое явление, но его следует иметь ввиду при планировании радиолинков, особенно над плоской, сухой поверхностью, например, пустыней, металлическими поверхностями или неподвижной водой. Учитивать в расчетх зону Френеля имеет смысл только для линков вне помещений, т.к. из-за большого количества отражений, преломлений и дифракции в помещениях ее перекрытие не играет особой роли.

Искривление земной поверхности (earch curvature, earth bulge). Следует принимать во внимание при проектировании линка длинне 11км (земля сама по себе будет попадать в зону Френеля). Для вычисления дополнительной высоты, на которую следует поднять антенны для учета искривления земли, следует воспользоваться формулой:
H=D^2/8, где H - высота в футах, D - расстояние между антеннами в милях
или H=D^2/68, H - высота в метрах, D - расстояние между антеннами в километрах

В итоге, для того, чтобы расчитать высоту подвеса антенны, следует вычислить:
1. 60% радиуса зоны Френеля
2. искривление земли
3. высоту препятствий между антеннами и их удаленность от антенн

Можно использовать формулу:
H = OB + (D^2/8) + (43.3 * sqrt(D/(4*F)), где H - высота в футах, D - расстояние между антеннами в милях, F - частота в ГГц, OB - высота препятствия.


(Пространственное) разнесеие антенн ((spatial) antenna diversity)- используется для устройств с 2 или более антеннами, чтобы уменьшить негативный эффект многолучевого распространения. Точка доступа сравнивает сигнал полученный разными антеннами и выбирает наиболее мощный. Оценивается каждый фрейм. Такой метод называется коммутационное разнесение  (switched diversity, receive diversity). Отправка сигнала с помощью антенны, на которой сигнал слышен лучше всего называется разнесенной передачей (transmit diversity).

Если у точки два разъема для подключения разнесенных антенн, эти антенны должны иметь одинаковый коэффициент усиления, установлены в одном месте и с одинаковой ориентацией, т.к. трансивер будет переключаться между антеннами, и они должны обеспечивать примерно одинаковое покрытие. Расстояние между устройствами должно равляться множителю длины волны (1/4, 1/2, 1,2).

MIMO (multiple input, multiple output) - еще один, более сложный вид разнесения антенн.  В отличие от традиционных систем, где многолучевое распространение являтеся нежелательным фактором, MIMO его активно использует. Данную технологию можно описать как беспроводную архитектуру, которая может осущетсвлять прием или передачу с использованием нескольких антенн одновременно. Сложные технологии обработки сигналов вносят значительные улучшения в надежность, дальность и пропускную способность MIMO-систем. Данные отправляются в виде множества параллельных радиосигналов, приемник в свою очередь, "собирает" данные из полученных сигналов.

MIMO используется в стандартах 802.11n и 802.11ac. Одна из ключевых задач при установке MIMO-устройств состоит в том, чтобы сигналы разные радио цепочек (chain) распространялись с разной поляризацией. Этого можно достичь путем юстировки (align) антенн таким образом, чтобы путь распространения каждого сигнала, отличался, по крайне мере немного, от других. Это позволяет внести задержку в распространение сигналов, что улучшает способность приемника обрабатывать разные сигналы.

Как правило, MIMO-устройства, используемые в помещениях (indoor) имеют интегрированные антенны. Иногда это три всенаправленные антенны, которые можно снять и установить антенны с другим КУ. Некоторые вендоры требуют установки антенн параллельно друг другу. Если такое требование отстуствует, антенны следует установить примерно (но не точно) на одной линии (slightly off parallel). Одна антенна должна быть установлена вертикально, две другие - наклонены. Угол наклона - дискуссионный вопрос, т.к. большое количество отражающих поверхностей внутри помещения с большой долей вероятности обеспечивают необходимое многолучевое распространение. Рекомендованный угол отклонения от вертикального положения - от 15 до 30 градусов. При этом ни одна антенна не должна быть параллельна другой. Цель наклона антенн - помочь многолучевому распространению. Важно, чтобы антенны были одинаковыми.

Большинство уличных (outdoor) устройств имеют по 2 антенны на радиомодуль, распространение получает конфигурация с 3 антеннами.  2 антенны - под 90 градусов друг к другу, 3 атеннны: одна вертикально, одна под 45 градусов, одна под 90. Также возможно сочетание двух всенаправленных антенн с вертикальной и горизональной полирязациями.

Основные элементы, связанные с правильной установкой антенны:
-Коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВН (VSWR, voltage standing wave radio)
-Потери сигнала
-То как фактически установлена антенна

КСВН это величина, с помощью которой измеряется изменение сопротивления (impendance) сигналам, передаваемым переменным током (AC). КСВН существует из-за разницы сопротивлений отдельных элементов радиосистемы. В процессе прохождения переменного тока, генерируемого передатчиком по кабелю к антенне, часть энергии "отражается" обратно в сторону передатчика, если на пути ее распространения есть точка, где сопротивление резко меняется. Отношение напряжения волны, генерируемой передатчиком и отраженной волны в одной точке кабеля называется коэффициентом отражения по напряжению, обычно обозначается греческой буквой ро (ρ). В идеальной системе сопротивление одинаково на всем пути распространения сигнала и вся энергия, отправленная передатчиком (incident energy, падающая энергия?) поступает на антенну (за исключением резистивных потерь (resistive losses)) в самом кабеле. В таком случае о кабеле говорят что это matched cable и отражение по напряжению будет равняться нулю, а потери на отражении (return loss) в дБ  - бесконечности. Потери на отражении - отношения мощности отправленной на антенну и отраженной, т.о. чем выше его значение, тем лучше. Волны сгенерированные передатчиком и отраженнные создают в кабеле т.н. стоячие волны т.е. периодические пики и провалы по напряжению, току и мощности. КСВН - числовое отношение между максимальным напряжением в кабельной линии (сгенерированным передатчиком) и минимальным (полученынм антенной). Следовательно, это величина показывающая разницу сопротивлений, где оптимальным (но, практически, недостижимым) является соотношение 1:1. Обычно значения находятся в диапазоне от 1:1:1 до 1:5:1.

Если сопротивление передатчика, кабеля и антенны совпадает, напряжение в кабельной линии будет постоянным. Такой кабель также называют flat line, т.к. на всем протяжении кабеля отсутствуют пики и провалы напряжения. Чем сильнее отличаются сопротивления, тем выше КСВН, тем меньше энергии подается на антенну.

Если передатчик не защищен от повышенной отраженной мощности, он может перегреться и выйти из строя. Т.о. выстокий КСВН может стать причиной плохого качетсва сигнала и выхода передатчика из строя. При установке антенны следует тщательно подбирать элементы и убеждаться в том, что коннекторы правильно обжаты и хорошо затянуты.

Ключевые элементы установки антенны:
-Размещение
Зависит от типа антенны. Всенаправленную антенну следует устанавливать в центре области покрытия. Не следует размещать ее слишком высоко из-за плоской горизонтальной диаграммы.  При установке направленных антенн следует учитывать горизонтальную и вертикальную ширину луча, чтобы правильно их направить. Также следует учитывать мощность сигнала, генерируемого антенной, т.к. если он распространяется за границы нужной области, может возникнуть угроза безопасности. Для уличных линков следует всегда учитывать зону Френеля.
-Крепление
В отдельных случаях следует предусматривать защиту антенны от вандализма, путем установки антенн в специальных отсеках или за фальш-потолками. Уличные антенны необходимо устанавливать так, чтобы их не сдвинуло и не повредило ветром.
-Правильное использование и окружающая среда
Следует подбирать оборудование с учетом окружающей среды (температура, влажносить и т.п.).
Ingress Protection Rating (=International Protection Rating, =IP code). Публикуется IEC. Формат: IP + 2 цифры, либо 1 цифра и 1-2 буквы. Первый символ обозначает класс защиты от попадания твердых объектов, второй - защиту от попадания воды. Если по одному из этих параметров защита не реализована - ставится X. Защита от попадания твердых объектов обозначается цифрой от 0 до 6, где 0 - отстутсвие защиты, 6 - полностю защищено от попадания пыли. Защиты от попадания воды обозначается цифрой от 0 до 8, где 0 отстуствие защиты, 1 - капающая вода, 4 - вода плещущая с любого направления, 6 - мощные потоки воды, 8 - погружение больше чем на 1 метр.
NEMA Enclosure rating  публикуется United states National Eletrical Manufacturer's Association. Данная классификация схожа с IP, но в ней присутствую также такие элементы как устойчивость к коррозии, старение уплотнения (gasket aging) и др.
ATEX 95 - оборудование и защитные системы, расчитанные на использование в потенциально взрывоопасных условияхю. ATEX 137 - для установки на рабочих местах, рассчитано на защиту здоровья и безопасности работников во взрывоопасных условиях (актуально, например, для добывающей промышленности).
National Electronic Code (NEC) - стандарт безопасной установки электрооборудования и кабелей. Не является законом, но используется в качестве основы для таковых. Значительная часть документа посвящена опасным объектам.
-Ориентация и юстировка. Перед установкой обязательно ознакомиться с рекомендациями производителя. Рекомендации: 1. Убедиться что поляризация совпадает на обоих концах линка 2. Определиться с техникой монтажа. 3. Отюстировать антенны. 4.Загерметизировать (waterproof) кабели и коннекторы. 5. Задокументировать каждую инсталляцию и сделать фотографии (упрощает решение проблем и проще понять, если антенна была сдвинута) 6.
-Безопасность. Техника безопасности. Тщательное планирование. Не включать антенну во время установки. Не стоять напротив работающих антенн.
-Обслуживание. Превентивное: защита от повреждения ветром и/или водой. Для герметизации не следует использовать термоусадку (высокая температура может повредить кабель) и силикон (риск образования воздушных пузырьков и накопления влаги).
Петля для стока капель (drip loop) - оставляется небольшая петля (в форме буквы U) ниже коннектора, чтобы вода не текла к коннектору (или не затекала во ввод в стене), а стекала вниз по этой петле.
Также рекомендуется периодически проводить визуальный осмотр антенны (непосредственно или с помощью бинокля/камеры с хорошим зумом).

Аксессуары для антенн:
-Кабель. Следует правильно выбирать кабель, чтобы а) его сопротивление соответствовало сопротивлению антенны и передатчика б) чтобы он поддерживал частоты, которые планируется использовать (как правило производители указывают диапазон поддерживаемых частот - frequency responce) в) снижение мощности сигнала при прохождении его по кабелю соответствовало требованиям к линку (обратить внимание: с ростом частоты растет затухание, следовательно, при переключении с 2.4ГГц на 5ГГц потери в кабеле будут выше). Неправильная установка коннекторов может привести к увеличению потерь сигнала.

-Коннекторы. Следует правильно выбирать коннекторы, т.к. они тоже имеют диапазон поддерживаемых частот и сопротивление. В среднем конекторы добавляют порядка 1/2 дБ потерь (insertion loss).

-Сплиттеры (splitter, signal splitter, RF splittter, power splitter, powerd diveder). Делит радиосигнал на 2 или более отдельных сигнала. Может понадобиться, например, если секторные антенны подключаются к одному передатчику. Сигнал ослабляется при прохождении через сплиттер (through loss). Рекомендуется использовать только для временных решений или измерения мощности сигнала.

-Усилители. Увеличивают мощность сигнала добавляя электрическую энегрию (активное усиление). Могут быть однонаправленными и двунаправленными. Усилители увеличивают мощность сигнала используя один из следующих принципов: 1. Fixed-Gain  усилитель увеличивает сигнал, генерируемый передачиком на определенную величину 2.Fixed-output усилитель генерирует на выходе сигнал определенной мощности независимо от того, сигнал какой мощности сгенерирован передатчиком.
Так как большинство регуляторов ограничивают IR 1 Вт, основная задача усилителя  - компенсировать потери в кабеле, а не увеличить дальность распространения сигнала за счет повышения мощности. Соответственно, усилитель следует устанавливать как можно ближе к антенне. Усилитель повышает не только мощность сигнала, но и шум и может поднять шумовой порог на 10 дБ или более. Как правило, регуляторы требуют сертификации усилителей.

-Аттеньюаторы. Позволяют уменьшить мощность сигнала. Производятся fixed-loss и variable-loss модели. Могут быть полезны при тестировании  уличных линков, чтобы сымитировать потери при разной длине кабеля или проверить запас на замирание.

-Грозозащита (lightning arrestor). Нужны чтобы перенаправить токи, возникающие от ударов молний или статического электричества в землю и не допустить их попадания на оборудование, а также защитить его от всплесков напряжения. Следует монтировать ближе к антенне. Радиочастотные кабели следует заземлять.
В качестве дополнительной защиты можно использовать оптический кабель между беспроводным устройством и остальной сетьт (на случай, если грозозащита не справится).

-Заземление.  Когда молния бьет в предмет, она "ищет" путь наименьшего сопроитвления. Заземление организует путь в землю с низким сопротивлением, чтобы молния прошла по нему, а не через электрооборудование.
Для заземления оборудования достаточно погруженного в землю металлического стержня, к которому крепится кабель заземления.
Для башен (tower structures) какждой опоре должен быть присоединен с помощью сварки и медной проволоки погуженный в землю заземляющий стержень. Такая же проволока должна соединять по кругу все стержни.
О правильной организации заземления можно прочитать в стандартах, например EIA/TIA 222F.

Требования регуляторов (на примере FCC). Все устройства проходят проверку на соответствие требованиям перед тем как запускается серийное производство. Также проверяется антенна, используемая в той или иной системе. Т.о. при замене антенны производитель должен пройти тестирование заново. Поэтому, большинство производителей не продают и не поддерживают антенны, не входящие в список поддерживаемых (читай, прошедших тесты).

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

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

Радиосвязь. Некоторые термины.

Мощность - физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. Измеряется в ваттах (W, Вт).

Уровень сигнала (signal level) - количественная характеристика сигнала, рассматриваемая относительно выбранного опорного значения

Употребляется в документе: Приложение № 1ГОСТ Р 50304-92 Системы для сопряжения радиоэлектронных средств интерфейсные. Термины и определения

Мощность сигнала. В телекоммуникациях – мощность передатчика, измеренная с помощью антенны на некотором расстоянии от передающей антенны. Сигнал с высокой мощностью (например, в телерадиовещании) выражается в децибел-милливольтах на метр (dBmV/m). Сигнал с небольшой мощностью, например, мобильных телефонов, выражается в децибел-микровольтах на метр (dBµV/m) или в децибелах относительно референтного значения в 1 мВт (dBm)

 

Коэффициент усиления (КУ) антенны (antenna gain) — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности. КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (dB, dBi, dBd). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

dB (Decibel) – величина названная в честь Александр Белла. Данная величина показывает различие между уровнями сигнала. Используется, чтобы описать влияние элемента системы на мощность сигнала. Например, кабель с потерей сигнала 5 dB или усилитель c коэффициентом передачи (gain) 16дБ. Это полезно, так как мощность сигнала изменяется логарифмически, а не линейно. Так как шкала логарифмическая, она позволяет пользоваться небольшими простыми числам для больших изменений сигнала. Э то очень удобно, так как потери и коэффициенты передачи можно рассчитывать, оперируя целыми числами.

Каждый раз, когда мощность сигнала увеличивается (или уменьшается) в 2 раза, к уровню сигнала следует прибавить (или отнять от него) 3 dB. Эта величина говорит о росте коэффициента передачи (или потерь) на 50%.  Разница в 10 dB говорит о десятикратном изменении уровня сигнала, в 20 dB – о стократном. Другими словами, при передаче сигнала устройство (например, кабель) с уровнем потерь 20 dB, будет потеряно 99% мощности этого сигнала.

dBm (dB milliWatt) – мощность сигнала. 0 dBm определяется как 1мВт мощности на оконечном устройстве (termination load), таком как антенна или измеритель мощности. Слабые сигналы имеют отрицательные значения (например -83 dBm).

Для примера, беспроводной адаптер 802.11b имеет выходную мощность +15 dBm (32мВт). Другая его характеристика: чувствительность приемника (RX sensitivity) -83 dBm (минимальный уровень сигнала, необходимый для приема данных со скоростью 11Mbps). 125 мВт соответствует 21 dBm  , 250 мВт – 24 dBm.

dBd (dB dipole) Различие коэффициента усиления данной антенны и полуволновым диполем (антенна, состоящая из двух проводников, длина которых равна ¼ длины волны, размещенных на одной линии, в итоге общая длина антенны примерно L = λ/2). Диполь – разновидность антенны с самым низким коэффициентом усиления. Термин dBd (иногда просто dB) как правило, используется, для описания антенн, работающих на частоте до 1 ГГц. Причина, по которой коэффициент усиления антенн измеряется в dBd в том, что производители антенн калибруют оборудование с использованием небольших диполей в качестве эталона, а затем заменяют диполь тестируемой антенной.  Т.о. величина в dBd показывает разницу в коэффициенте усиления между тестируемой антенной и диполем.

dBi (dB isotropic, изотропный децибел)  Изотропный излучатель — воображаемая (идеальная) антенна, излучающая во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности. Диаграмма направленности изотропного излучателя — круговая во всех сечениях (по векторам E и H в частности). Изотропный излучатель излучает без потерь. Изотропный излучатель считается эталоном при проектировании антенн и расчёте их направленных свойств. Коэффициент усиления антенн (свыше 1 ГГц) как правил указывается в dBi. Например, диполь имеет КУ 2.15 dB, изотропная антенна – 0 dB.  Таким образом, если КУ антенны указан в dBd, следует добавить к нему 2.15, чтобы получить КУ в dBi. Так, например, если КУ антенны 5 dBd, он соответствует 7.15 dBi.

Обратить внимание: если КУ антенны указан в dB следует обязательно уточнить у вендора имеется ввиду dBd или dBi.

EIRP (Effective Isotopic Radiated Power, эквивалентная изотропно излучаемая мощность).  Определяется как эффективная мощность, измеренная на главном лепестке (lobe) передающей антенны по отношению к изотропному излучателю имеющему КУ 0 dB. Равно сумме КУ антенны (в dBi) плюс мощность (в dBm) сигнала, подаваемого на антенну. К примеру, если на антенну с КУ 12 dBi подается сигнал мощностью 15dB, EIRP будет равняться 27 dBm (500 мВт).

Передатчик мощностью 15 dBm (250мВт) и всенаправленная антенна с КУ 12 dBi будут иметь EIRP

12 dBi + 24dBm = 36 dBm (500 мВт), что эквивалентно EIRP передатчика мощностью 1Вт (+30dBm) с антенной 6dBi: 6 dBi + 30 dBm = 36 dBm (4 Watts).

Но при этом гораздо лучше иметь антенну с более высоким КУ, так как при одинаковом EIRP КУ антенны влияет также и на прием. Значит, при использовании антенн с более высоким КУ с меньшей вероятностью потребуется усилитель на клиентской стороне.

Обратить внимание: ERP измеряется только на главном лепестке. При использовании всенаправленной антенны диаграмма излучения очень узкая и плоская (как блин). Из-за этого, если антенна висит слишком высоко, на клиентской стороне может возникнуть проблема с приемом сигнала, т.к. волна будет распространяться выше, чем находятся приемники. Однако иногда это необходимо, чтобы организовать прямую видимость между WIPOP (Wireless Point Of Presence) антенной и клиентскими устройствами. В таком случае решением являются наклоненные вниз секторные антенны. КУ у них выше, чем у направленных антенн, и главный лепесток можно сфокусировать в желаемой зоне покрытия. Такое расположение также определяет «соту», предотвращающее слишком далекое распространение сигнала, что позволяет минимизировать интерференцию, создаваемую сигналами удаленных WIPOP, а также использовать эту же частоту в другой соте на расстоянии нескольких километров.

Потеря сигнала в свободном пространстве (free-space path loss, FSPL) - это уменьшение мощности электромагнитной волны, распространяющейся в зоне прямой видимости (обычно в воздухе) при отсутствии препятствий, вызывающих отражение или дифракцию. Выражается в децибелах. Рассчитывается по следующей формуле:

L (dB) = 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) + 92.45, где d – расстояние от источника до приемника в метрах, f – частота в ГГц.

System Operating Margin (SOM, Fade Margin). Определяет разницу между уровнем принимаемого сигнала (в dBm) и чувствительностью приемника (в dBm), необходимую для приема без потерь. Например, если уровень принимаемого сигнала -71 dBm, а чувствительность приемника -83 dBm (типичная величина для 11Mbps WLAN) SOM равняется -71dBm -(-83 dBm) = 12 dB SOM. Рекомендуемое значение 10 dB SOM или более. Отличным является значение 20 dB.

Обратить внимание: SOM следует рассчитывать относительно точки с самым слабым TX сигналом. Так, например, если в WIPOP сигнал усиливается, а на клиентском устройстве – нет, SOM следует считать исходя из характеристик клиентского устройства.

RSSI (Received Signal Strength Indicator). Чувствительность приемника связана с уровнем мощности радиосигнала, необходимым для его успешного приема (самый слабый сигнал, который приемник способен декодировать). В стандарте IEEE 802.11-2007 RSSI определен как опциональная метрика, используемая для измерения мощности сигнала со значением от 0 до RSSI Max. Вендоры используют RSSI для измерения мощности радиосигнала, принимаемого антенной. Разные вендоры могу по-разному выбирать значение RSSI Max, и, в соответствии со стандартом, соотнесение уровня RSSI с реальным уровнем принимаемого сигнала зависит от конкретной реализации оборудования и ПО.
Значение RSSI используется для корректной работы важных механизмов, таких как роуминг и DRS.

SNR (Signal to Noise Ratio). Шумовой порог — это фоновый уровень радиоволн в конкретном канале.  Он может включать в себя модулированные радиоволны, создаваемые находящимися поблизости радиоустройствами, работающими по стандарту 802.11, а также немодулированные, создаваемые такими устройствами как микроволновые печи и Bluetooth-адаптеры. Амплитуда шумового порога (также называемого фоновым шумом) меняется в зависимости от условий. Например, шумовой порог на частоте 2.4 ГГц может быть в районе -100 dBm в обычных условиях, и в районе -90 dBm на производственном предприятии из-за работающих там электромеханизмов.  Нужно отметить, что шум на частоте 5 ГГц, как правило, ниже чем на 2.4 ГГц. SNR представляет собой разницу между принимаемым сигналом и шумовым порогом.  Например, если шумовой порог -100 dBm, а мощность принимаемого сигнала -85 dBm, то SNR составит 15 dB. При низком SNR данные будут повреждаться при пересылке, что потребует их повторной отправки и негативно скажется на производительности. Если SNR 25 dB или выше, сигнал считается хорошим, 10 dB или ниже – очень плохим.
Обратить внимание: радио модуль не может одновременно передавать данные и работать как спектроанализатор, поэтому, как правило, определяемый устройствами шумовой порог может отличаться от реального.

EVM (Error Vector Magnitude). Данная характеристика применяется для описания качества модуляции количества ошибок. Когда для модуляции используются созвездия (constellations), каждый сдвиг фазы отображается в двухмерной системе координат и расположение в ней точки соответствует определенной последовательности бит. Однако, в связи с тем, что радиоканалы не бывают идеальными, положение точки, как правило, отличается от идеального. EVM показывает разницу между расположением идеального и реального векторов, т.е. на сколько отличается положение точки на диаграмме, что позволяет судить о качестве сигнала.
EVM измеряется в децибелах. Чем выше значение, тем лучше качество сигнала (ниже уровень ошибок, лучше результаты модуляции). К примеру, -40 dB означает 1% ошибок, в то время как -25 dB означает 5,6% ошибок.

Апертура (aperture). Физическая апертура антенны, по сути, есть площадь поверхности, используемая для отправки и приема сигнала.

Эффективная апертура – параметр, описывающий мощность сигнала, улавливаемого антенной и передаваемого приемнику. Зависимость мощности от апертуры выражается следующей формулой:

P_t=pA_e

Где P_t – мощность в Вт, p – плотность потока мощности в Вт/м², A_e – эффективная апертура в Вт.

Зависимость эффективной апертуры от коэффициента усиления (gain), выражается следующей формулой:

 

Где A_e – эффективная апертура в Вт, λ – длина волны, G – коэффициент усиления антенны.

Эффективная апертура антенны может быть измерена путем сравнения с известной антенной либо с использованием описанной выше формулы.

Прямой зависимости между физической и эффективной апертурой, как правило, нет.

 

Источники:

YDI Wireless. Understanding Decibels and Their Use in Radio Systems by Michael F. Young

ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения

http://www.wikipedia.com

http://www.nado5.ru/e-book/plotnost-potoka-ehlektromagnitnogo-izlucheniya

David D. Coleman, David A. Westcott CWNA: Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide

http://electronicdesign.com/engineering-essentials/understanding-error-vector-magnitude 

Бернард Скляр Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение

http://www.antenna-theory.com/basics/aperture.php