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
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
