В статье пойдет речь о том, как производится расчет дальности распространения радиосигнала Wi-Fi внутри помещения без применения какого-либо программного обеспечения в принципе. Подробно объясняется, что такое модели распространения радиосигнала, и о том, как ее использовать для расчета дальности распространения радиосигнала.
Введение
Порой бывает необходимо хотя бы приближенно оценить дальность работы беспроводного оборудования. Эта оценка может потребоваться и в домашних условиях, когда нужно понять, где проходит граница действия вашей точки доступа, так и в случае проектирования небольшой офисной сети, когда всемогущий системный администратор должен сообщить начальнику, какое количество устройств может потребоваться чтобы в офисе везде "был Wi-Fi".
Вроде как все просто, нужно посчитать насколько далеко полетит сигнал (электромагнитная волна) от антенны точки доступа. Но отличительная особенность расчета затухания электромагнитной волны в свободном пространстве от затухания в кабеле, заключается в том, что кабель, как правило, хорошо экранирован, а в свободном пространстве могут появляться сторонние объекты, либо оно само (пространство) время от времени может менять свои электрофизические свойства. К тому же вследствие интерференции и дифракции радиоволн, направление распространения электромагнитной волны и ее энергетический запас может многократно измениться как в меньшую, так и в большую сторону на пути прохождения волны от передатчика до приемника.
В том случае, если необходимо определить затухание сигнала внутри кабельной сборки, то зачастую достаточно знать погонное затухание кабеля и потери на его (кабеле) коннекторах. Таким образом, формула для расчета суммарного затухания в этом случае может выглядеть довольно просто:
где: P к - затухание на коннекторе (ах);
Р n - погонное затухание в кабеле;
L - длина кабеля.
Если же рассматривается свободное пространство, то предсказать какой уровень электромагнитного сигнала от точки доступа Wi-Fi будет в месте расположения абонента крайне проблематично. В современных реалиях перед проектированием Wi-Fi сети строят ее планируемую электромагнитную карту с помощью различных программных и аппаратных комплексов. К программным комплексам относятся такие как: TamoGraphSiteSurvey, AirMagnet Survey / Planner, Site Survey and Planning Toolот компании Ekahau и др. Например на рисунке ниже изображен внешний вид проекта в одной из перечисленных программ.
В основе этих программ лежит математическое ядро, построенное на базе так называемых моделей распространения радиосигнала (моделях потерь радиосигнала). В некоторых из них применяются и более сложные электродинамические модели.
Модели расчета потерь радиосигнала Wi-Fi
Модели расчета потерь радиосигнала позволяют оценить затухания электромагнитной волны, излучаемой Wi-Fi адаптером, с учетом количества и типа препятствий на пути прохождения сигнала. В данной статье рассматриваются модели распространения сигнала, используемые для расчета уровня сигнала внутри зданий. Моделей, о которых пойдет речь, и их модификаций существует большое множество. В статье рассматриваются наиболее простые, которыми можно воспользоваться даже в полевых условиях без глубоких математических знаний.
Перед началом рассмотрения различных моделей распространения радиосигнала отметим, что в идеальных условиях (отсутствуют препятствия на пути прохождения сигнала, и нет многократных переотражений сигнала) оценить мощность сигнала в любой точке свободного пространства (free space - FS) можно по так называемой формуле Фрииса:
где: - коэффициент усиления антенны передатчика;
- коэффициент усиления антенны приемника;
- длина волны, метров;
- расстояние между приемником и передатчиком, метров.
На рисунке 1 приведен график зависимости затухания L FS с увеличением расстояния для Wi-Fi сигнала на первом частотном канале (центральная частота 2437 МГц) в диапазоне 2.4 ГГц - синяя кривая, и в диапазоне 5 ГГЦ - красная кривая. При этом коэффициенты усиления приемной и передающей антенны были приняты равными единице.
Рисунок 1 - затухание сигнала Wi-Fi с увеличением расстояний
Как правило, большинство моделей распространения используют значение потерь в свободном пространстве в качестве базового, и добавляют к нему переменные, вносящие дополнительное затухание в зависимости от типа препятствий и их электрофизических свойств. К таким моделям относятся, например, One slope и Log-distance. Кроме того, существует стандартизированная Международным союзом электросвязи модель потерь - ITU-R 1238. Перечисленные модели потерь относятся к классу эмпирических статических моделей, то есть для их использования нужно общее описание типа задачи (типа помещения). Перечисленные модели потерь с расшифровкой входящих в них переменных приведены в формулах (3 - 5).
где: d - расстояние в метрах, на котором производится оценка затухания;
Lfs- потери на расстоянии d0 метров;
n- коэффициент, зависящий от количества и материала препятствий.
где: - нормальная случайная величина, измеряемая в dB, имеющая стандартное отклонение , dB.
где: d>1, м- расстояние, на котором производится оценка затухания;
f - частота центрального канала Wi-Fi, МГц;
N- коэффициент потери уровня сигнала с расстоянием;
Lf (n)- коэффициент потери мощности сигнала при прохождении через стену (пол);
- количество стен (полов) между приемной и передающей антеннами.
В дальнейшем более подробно рассмотрим модель ITU-R 1238, применим ее для определения дальности связи, и сравним результаты расчетов с результатами эксперимента. О том, какие значения в вышестоящих формулах принимают переменные N, n, подробно расписано непосредственно в самой рекомендации МСЭ-R Р. 1238-5 под названием "Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц - 100 ГГц" (объем - 19 страниц). Для эксперимента, который будет проведен ниже, значения переменных будут выбраны из указанной рекомендации. В разных ситуациях переменные могут принимать различные значения, и чтобы перечислить все возможные случаи пришлось бы разместить в статье минимум 10 страниц документа из 19-ти.
К сожалению, перечисленные модели не учитывают влияния на точку доступа (точнее на излучаемую ей электромагнитную волну) стороннего оборудования, функционирующего в том же частотном диапазоне. Поэтому все расчеты производятся исходя из того, что ваше устройство единственное во всем радиусе его (оборудования) действия. Как показывает практика расчетов, если в радиусе слышимости вашей точки доступа находится 20-30 беспроводных устройств, то радиус действия уменьшается на 15-20%. Но стоит иметь в виду, что эта цифра сугубо приблизительная и в разных ситуация может проявляться по-разному, ибо очень зависит от мощности сигнала, который приходит в ваше устройство, и от того на какой частоте работает окружающее оборудование.
Сравнение результатов эксперимента с моделью ITU-R 1238
Постановка задачи: установленная точка доступа Wi-Fi работает в диапазоне частот 5 ГГц. Приемное устройство (ноутбук) устанавливается в шести точках, схематическое расположение которых изображено на рисунке 2, и регистрирует излучаемую мощность. Выбор расположения точек замера произведен так, чтобы минимизировать влияние эффекта многолучевого распространения на уровень принимаемого сигнала. Предполагается, что максимумы диаграмм направленности приемной и передающей антенны направлены друг на друга.
Рисунок 2 - Комментарии к задаче
Перед тем как приступить к расчетам, следует отметить, что авторы модели ITU-R 1238 сделали ее очень гибкой, в частности за счет того, что входящий коэффициент N может меняться в широких приделах: от 20 до 40 дБ. Чтобы понять какому значению приравнивать N для конкретной ситуации, лучше обратиться непосредственно к первоисточнику рекомендации.
Для рассматриваемого диапазона коэффициент потери мощности сигнала при прохождении через стены для нашего типа задачи - L fn рассчитывается по формуле L fn =15=4(n-1).Таким образом, для точек 1-3 L f(n) =15. для точек 4-6 Lf(n)=19 (таблица 3 рекомендации МСЭ-R Р. 1238-5). Коэффициент N, используемый при расчете потерь на передачу внутри помещения примем равным 30 (таблица 2 рекомендации МСЭ-R Р. 1238-5). С учетом выбранной геометрии задачи, замирания учитываться не будут.
Результаты расчетов в 6-ти точках по формуле ITU-R сведены в таблицу 1, а расстояния до каждой точки измерения от Wi-Fi роутера изображены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Расстояния от точки доступа до точки измерения
Таблица 1
Полученные результаты для более наглядного представления изображены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Результаты расчетов и измерений
Наименьшее отличие экспериментальных и расчетных данных наблюдается в точках измерения 1 и 4. Связано это с тем, что сигнал проходит через препятствия (а данном случае, стены) по кратчайшему пути. И напротив, в точках 2,3 и 5,6 сигнал теряет бо льшую часть энергии проходя через препятствия по более длинному пути. Этот эффект не учитывается в используемой модели распространения сигнала, что и приводит к росту различия расчетных и экспериментальных данных.
Заключение
Таким образом, в данной работе был показан на практическом примере вариант применения стандартизированной модели расчета затухания сигнала Wi-Fi внутри здания. Эта и другие модели помогут довольно быстро, без применения специализированного ПО, оценить количество необходимого оборудования для Вашего офиса. Конечно, этот подход не заменит качественных проектных расчетов в специализированных программных продуктах, но позволит что называется "сориентироваться на местности", нужно лишь учитываться геометрию здания для получения более корректных результатов.
Неоднократно мне встречались вопросы, суть которых сводилась к тому, можно ли как-нибудь повысить мощность сигнала беспроводной сети, изменив настройки роутера. Обычно этим интересуются те, кто как раз устанавливает и настраивает маршрутизатор. Особенно когда они выявят, что Wi-Fi ловит только в определенных частях квартиры/дома.
Бывает и такое. К примеру, мой роутер (модель TP-Link TL-WR841N) сеть, в принципе держит, но в одной из трех комнат квартиры она нестабильная. Компьютер и ноутбук еще как-то ее находит, а вот телефону (а он у меня в металлическом корпусе) это не удается.
О зоне покрытия стоит думать еще на этапе покупки маршрутизатора. Принять во внимание количество комнат в вашем жилище и толщину стен.
Увеличение мощности Wi-Fi
К сожалению, какие-то определенные, специальные настройки, при помощи которых регулировалась бы мощность сигнала, отсутствуют. По крайней мере, мне о такой возможности ничего не известно. Оптимальные настройки на роутерах устанавливаются по умолчанию.Если так получилось, что вы уже приобрели роутер и установили маршрутизатор, а мощность сигнала неудовлетворительная или в некоторых зонах она вообще отсутствует, можно конечно, поэкспериментировать с настройками, если ничего не получится, то, вероятно, придется покупать дополнительную антенну или репитер.
Что касается экспериментов с настройками, то можно поменять канал и его ширину. Иногда зона покрытия от такой манипуляции немножко увеличивается. От смены канала может измениться даже и скорость интернета (об этом мы говорили в одной из наших предыдущих публикаций ).
Не забудьте сохранить все настройки и перезагрузить маршрутизатор, чтобы изменения вошли в силу.
Антенны и репитеры
Если от смены настроек вы не получили никакого положительного результата, придется вашему маршрутизатору приобрести новую более мощную антенну . Могу вам в таком случае посоветовать TL-ANT2408CL, TL-ANT2405CL. Если у вас роутер например Asus , то лучше взять аксессуары от Asus.
В совсем запущенных ситуациях еще один вариант, это купить специальное устройство, которое называется репитер . Это такие себе усилители беспроводного сигнала. Например TL-WA854RE.
Это устройство вы включаете в комнате, где сигнал вашего Wi-Fi еще есть, но не очень сильный. И репитер усиливает сигнал, тем самым увеличивает радиус действия сети. В качестве репитера может быть настроен еще один роутер, если он поддерживает эту функцию (WDS).
Еще как вариант, попробуйте установить маршрутизатор как можно ближе к центру дома. Если есть возможность. Это позволит более рационально разделить радиус покрытия.
Найти информацию о том, чему равна дальность действия WiFi роутера, в действительности не так-то просто. Обычно приводятся сведения о мощности передатчика, также можно узнать, как изменится интенсивность радиоволн при установке той или иной антенны. Проблема состоит в том, что использовать более совершенную антенну, или даже усилитель, можно только на стороне роутера, но не абонентского устройства. В таком устройстве, как смартфон, установлена внутренняя антенна Wi-Fi, и заменить ее нельзя. Поэтому, кстати, нет смысла наращивать мощность передатчика роутера – последний все равно «не услышит» сигнал, исходящий от маломощного излучателя смартфона. Попытаемся определить, чему равна дальность беспроводной связи для устройств разных классов.
Схема построения Wi-Fi-сети
Согласно действующему закону РФ, мощность передатчика в абонентском устройстве не может превосходить 100 милливатт. Также предусмотрено, что для точек доступа, в том числе встроенных в роутер, это значение не должно превышать 250 мВт. По шкале дБм (децибел на 1 микровольт) данные значения выражаются другими цифрами: 20 и 24 дБм. Официально в Россию никогда не завозилось и не завозится оборудование, у которого мощность передатчика не соответствует этим цифрам. Нас будет интересовать, как зависит скорость беспроводного соединения от дистанции между роутером и стандартным абонентским устройством, при условии, что выполнены требования закона. Еще мы исходим из условия, что абонентская антенна является штыревой однозвенной (как в большинстве смартфонов).
Методика расчета эффективного расстояния
Допустим, беспроводная связь работает, когда расстояние между точкой доступа и смартфоном равно N метров при отсутствии препятствий на пути сигнала. Таблица, из которой можно выяснить, во сколько раз снижается интенсивность при прохождении того или иного препятствия, есть на нескольких сайтах (например, ZyXEL). В то же время, известно, что снижение интенсивности в 2 раза (на 3 децибела) эквивалентно уменьшению эффективного расстояния N в корень из двух раз. Все просто – квадрат расстояния обратно пропорционален интенсивности.
Что означает число N
При прохождении сигналом стеклянного окна интенсивность снижается как раз на 3 дБ, а значит, эффективное расстояние уменьшается в корень из двух раз. Пользуясь этой методикой, можно рассчитать, на какой дистанции связь Wi-Fi все еще будет работать в той или иной ситуации:
- Окно стеклянное – снижает интенсивность на 3 дБ (в 2 раза)
- Окно с тонировкой – 6 дБ (в 4 раза)
- Стена из дерева – 9 дБ (в 8 раз)
- Межкомнатная стена панельная, бетонный пол – 15-20 дБ (в 32 раза и больше).
Коэффициент, на который Вы разделите значение дистанции, равен корню квадратному из коэффициента уменьшения интенсивности. Рассмотрим пример.
Бетонные стены вносят коррективы
Допустим, N равно 400 м. Теперь мы между роутером и смартфоном «помещаем» одну панельную стену и одну стену из дерева. Сложив децибелы (15+9 дБ), получим 24 децибела. По логарифмической шкале – 24, а по линейной это эквивалентно снижению интенсивности в 251 раз. Теперь, вычисляем, чему равен корень из 251 (это 15,84). Делим 400 метров на 16, получаем 25 м. Как видите, все просто и похоже на правду.
Эффективное расстояние без препятствий
Наверное, читателя интересует, а чему же равно значение N при полном отсутствии препятствий в зависимости от выбора диапазона Wi-Fi. Если мощность передатчика роутера равна 40 мВт, а его антенна «усиливает» сигнал в горизонтальной плоскости на 3 дБ (она многозвенная), то, согласно информации ZyXEL, значение N составляет 400 метров. Смотрите: в роутере установлен менее мощный передатчик, чем в смартфоне, но в нем используется многозвенная антенна. Итого, получаем: связь между двумя устройствами Wi-Fi с мощностью передатчика 100 мВт и обычной штыревой антенной уверенно поддерживается на расстоянии до 400 м. Здесь речь шла о диапазоне 2,4 ГГц.
Теперь у Вас есть методика, позволяющая рассчитать эффективную дистанцию беспроводной связи теоретическим методом.
Тут идет речь о диапазоне 2,4 ГГц, но для более высокочастотных волн сейчас просто нет сведений об уровне влияния тех или иных препятствий. Понятно, что для диапазона 5 ГГц значение N будет меньше, а степень влияния препятствий окажется больше. Если известно, что мощность передатчика смартфона заметно меньше, чем 100 мВт, надо сделать так: необходимо 100 разделить на действительную мощность в милливаттах, и вычислить корень квадратный из полученного числа. У Вас будет поправочный коэффициент, на который требуется поделить расстояние, значение которого получено по рассмотренной методике.
Результаты практических наблюдений
Оценим «пробивную способность» Wi-Fi на практике. Для этого возьмем набор точек доступа, поддерживающих связь в диапазоне 2,4 ГГц: это TEW-411BRP+ фирмы TRENDnet, DWL-2100AP от D-Link, и USR 805450 компании US Robotics. В качестве абонентского устройства будем использовать смартфон, мощность передатчика которого равна 100 мВт. На точки доступа установим штатные антенны, а сами они будут располагаться на пятом этаже панельного дома.
Предельная дистанция, уверенный прием
Уже на третьем этаже здания, где установлено наше оборудование, сеть Wi-Fi отсутствует. Волна преодолела 2 железобетонных перекрытия, то есть мы потеряли 30 дБ – и все, связи нет. В действительности, считайте, что при прохождении двух перекрытий теряется 35 децибел. Сюда надо прибавить и затухание, зависящее от длины дистанции, тогда мы получим примерно 36-38 дБ. Значит, именно такое затухание для 100 милливатт является критическим.
Область прямой видимости излучателя
Пробуем поймать сигнал на улице. На расстоянии 150-180 метров наличие сети можно заметить, но это верно, если находиться напротив окна комнаты, где установлено оборудование. А стабильной связь остается на расстоянии 100 метров. Как видим, теория соответствует практике с достаточным уровнем достоверности. Для надежности теоретически полученный результат (одно окно –> 200 метров) лучше делить на 2.
Чего делать не нужно
Всем понятно, что вряд ли стоит повышать мощность одного из передатчиков, когда второй, то есть «абонентский», остается без изменений. То же можно сказать и о применении антенн, позволяющих увеличить интенсивность волны, но сужающих диаграмму. Впрочем, применение секториальных и многозвенных антенн все равно будет эффективно, и вот почему. Роутеры и другие излучатели радиоволн могут быть не только у Вас в квартире, но и у соседей и т.д. А сужая сектор захвата, можно избавить Ваш роутер от посторонних радиочастотных шумов.
Настраивая беспроводную сеть в роутере, необходимо выбирать не максимальное, а оптимальное значение мощности. В интерфейсе многих устройств подобная регулировка есть. Начните с максимума, и шаг за шагом понижайте значение:
Настройка роутера ZyXEL Keenetic
Остановиться стоит, когда в самой дальней точке смартфон перестанет «видеть» сеть. Повысив мощность на одно деление, можете пользоваться сетью Wi-Fi в свое удовольствие.
Секториальная антенна – из обычной
Выбирая беспроводной маршрутизатор, многих интересует вопрос хватит ли его мощности для большой квартиры или дома, не будет ли "мертвых зон", где Wi-Fi не ловит. Давайте разберемся, как выбрать роутер с большим радиусом действия.
Ответ очевиден – выбирать мощный Wi-Fi роутер с большим радиусом действия. Только учтите, что и приемник (ноутбук, планшет или телевизор) тоже должен хорошо реагировать на сигнал.
На какие параметры обращать внимание?
Выбирая роутер, обращайте внимание на стандарты работы устройства, основные из них:
11b – скорость передачи данных до 11 Мбит/с
11g – скорость передачи данных до 54 Мбит/с
11n – скорость передачи данных до 600 Мбит/с
11ac - скорость передачи данных до 6 Гбит/с
Количество антенн
Чем больше антенн, тем лучше. Они могут быть внешние и внутренние. Благодаря антеннам можно получить широкую площадь покрытия сигналом. Роутер лучше выбирать со съемными антеннами, в случае, если вы желаете увеличить радиус действия, замените их на более мощные, например 8 – 12 dbi.
Частотный диапазон
Есть два диапазона, в которых работают беспроводные рутеры – 2,4 ГГц и 5 ГГц. У более дешевых моделей один частотный диапазон – 2,4 ГГц (он очень забит, особенно в многоквартирных домах).
Если устройство работает в двух диапазонах, увеличивается общая пропускная способность. При этом можно выбрать менее загруженный канал. Но следует учитывать, что принимающее устройство также должно иметь возможность работать в режиме 5 ГГц.
Какую марку маршрутизатора выбрать?
Все популярные марки роутеров с одной антенной Asus, TP-Link, D-link имеют практически сходные характеристики:
- частотный диапазон 2,4 ГГц;
- антенны 2-5 dbi;
Этих показателей достаточно для уверенного сигнала WI-FI по всей квартире. Стоимость роутеров с одной антенной от 400 грн, с двумя - от 700 грн.
Маршрутизаторы с двумя и тремя антеннами могут иметь два рабочих диапазона и некоторые дополнительные функции, по техническим характеристикам они такие же, как и описанные выше.
Дорогие WI-Fi роутеры
- Zyxel Keenetic Ultra II
- TP-LINK TL-WDR3600
- Asus RT-AC3200
а также продукцию фирм Linksys, Cisco, Mikro Tik.
В большом частном доме или офисе бюджетные роутеры не справятся с задачей, чтоб покрыть максимальную площадь необходимо использовать репитеры. Но лучше выбрать более дорогую модель роутера с хорошими характеристиками. В таких устройствах используется более мощный передатчик, усиленные антенны и "железо", позволяющее передавать сигнал на расстояние до 100 метров, подключаться к интернету большому количеству пользователей, а также смотреть на Смарт ТВ видео в отличном качестве.
Роутеры высокого класса используют геймеры, так как в них минимальные потери пакетов и можно подключить интернет со скоростью более 1 Гбит/с.
Сейчас в Украине купить хороший роутер можно за 3000-7000 грн. Цена не всегда оправдана, так как некоторые модели напичканы ненужными для обычного пользователя функциями. Бесспорным преимуществом является наличие порта для подключения модема с 3G или 4G интернетом. Это полезно, когда не работает кабельный интернет или его невозможно подключить.
Большим недостатком этих моделей является то, что не многие могут правильно настроить устройство. Мастера интернет провайдеров чаще всего сталкиваются с фирмами TP-LINK, Asus, D-Link, а как настроить роутер другой фирмы многие не знают.
От чего зависит расстояние передачи сигнала роутера
Дальность сигнала и в обычных и мощных Wi-Fi роутерах зависит от некоторых особенностей:
- преграды (кирпичные, или бетонные с арматурой стены, деревья)
- направленность антенны
- помехи радио и бытовых приборов (например, микроволновка)
- загруженность каналов
- версия прошивки маршрутизатора
Что делать, чтоб улучшить качество и дальность приема?
Зона покрытия зависит от того, где установлен маршрутизатор, как направлены антенны. Старайтесь располагать устройство в центре квартиры или дома. Если же Wi-Fi не нужен по всей площади, а только в отдельном помещении, но нет возможности там установить роутер, тогда сделайте из фольги отражатели и оденьте их на антенны. Также можно заменить стандартные антенны на направленные.
Обратите внимание, что некоторый софт может быть представлен в виде демоверсий и иметь условно-бесплатное распространение.
Напоследок сделаем отступление. Один из наших покупателей, ознакомившись с нашим устройством был сильно удивлен его возможным применением и написал нам — вы сделали оборудование для воровства WiFi!
Конечно, злоумышленник может использовать «WiFi Agent» для противоправных целей. Но, с таким же успехом можно обвинить продавцов топоров в том, что новый «Раскольников» купит топор и нападет на старуху-процентщицу. А уж продавцы посуды — это вообще пособники преступников. Тут и ножи, и скалки, и страшное орудие — чугунная сковорода.
В свете последних принимаемых законов, необходимо отметить, что наше устройство не содержит в себе каких-либо криптографических шифровальных средств и не является WiFi роутером. USB WiFi адаптер с направленной антенной «WiFi Agent» не использует какие-либо средства для взлома чужих сетей и не делает процесс «воровства» ни на йоту проще, нежели штатный WiFi адаптер ноутбука.
Мы считаем, что вопрос использования каких-либо устройств в рамках закона это прямая обязанность потребителя. Поэтому, конечно же, совершая любое действие, всегда необходимо помнить о правовой стороне вопроса.
Мы рекомендуем использовать «WiFi Agent» в ситуациях, когда штатный WiFi адаптер вашего ноутбука или ПК принимает сигнал WiFi сети с низким уровнем, а также в случаях, когда вам необходимо пользоваться своей WiFi сетью, находясь на большом удалении от роутера.
Теги:
- РЭМО
- wi-fi
- усиление сигнала
