Инструменты сетевых коммуникаций. Практикум. Учебное пособие

Практическое занятие № 7

Расчет дальности беспроводной сети

Цель работы: рассчитать возможную дальность беспроводной сети в зависимости от различных факторов.

1. Краткие теоретические сведения

Проектирование. Проектирование беспроводной сети начинается, как правило, с выбора места размещения антенн, варианта построения приемопередающего тракта, антенно-фидерных устройств и определения их радиотехнических параметров с точки зрения обеспечения необходимого радиуса действия.

Радиус действия – это расстояние, на котором потери на трассе становятся равными коэффициенту усиления системы. Такие характеристики, как зона уверенного приема и пропускная способность сети, напрямую связаны с радиусом действия и скоростью передачи данных.

Для предварительной оценки характеристик планируемой беспроводной сети определяют энергетический потенциал линии связи (link budget). Для определения энергетического потенциала необходимо знать следующие параметры системы:

мощность передатчика,

чувствительность приемника,

коэффициент усиления антенны передатчика,

коэффициент усиления антенны передатчика,

потери в кабеле и разъемах приемника и передатчика.

При проектировании беспроводной сети внутри и снаружи помещений имеются определенные особенности, но и в том и другом слу-

51

чае необходимо произвести расчет параметров радиоканала. Расчет радиоканала передачи данных включает в себя следующие этапы:

расчет суммарных потерь радиосистемы;

расчет эффективной изотропной излучаемой мощности;

расчет энергетического запаса радиоканала;

расчет суммарного усиления радиосистемы.

Расчет суммарных потерь радиосистемы. Беспроводные сети

имеют специфическую среду передачи данных, кардинально отличающую их от других типов сетей передачи данных – радиоканалы, которые определяют показатели качества передаваемой информации и которые более, чем другие сети подвержены помехам, возникающим как в приемо-передающей аппаратуре, так и поступающим из внешней среды. Поэтому важно знать и учитывать в расчетах дополнительные потери.

Потери при распространении радиоволн в свободном пространстве вычисляются по следующей формуле:

где – это длина волны в метрах; r – расстояние между антеннами приемника и передатчика в метрах, или же по формуле

где f – рабочая частота (Operating Frequency) (МГц) – частота, на которой будет работать оборудование (табл. 3).

Таблица 3

Распределение частот по каналам

Стоит также учитывать вклад атмосферных явлений в потери при распространении радиоволн. Особенно это существенно на больших расстояниях. Проливной дождь ослабляет сигналы в диапазона 2.4 GHz с интенсивностью до 0.05 dB/km, густой туман вносит ослабление 0.02 dB/km. Не стоит забывать о влиянии окружающей среды на работу антенн. Антенны, не имеющие защитного покрытия, из-за дождя могут просто перестать работать, пока не высохнут. Это же относится к обледенению антенн в зимнее время.

Также необходимо учитывать потери на затухание в антеннофидерном тракте передатчика и приемника. Они включают в себя потери в разъемах, которые составляют от 0.5 до 2 дБ на каждый разъем и сильно зависят от качества заделки разъемов, а также затухание кабеля, соединяющего антенну и передающее или приемное устройство. Для учета затухания в кабеле требуется знать его погонное затухание на рабочей частоте, которое зависит от марки кабеля. В общем случае, чем выше частота, тем выше потери в кабеле. Поэтому при использовании удаленных антенн и длинных кабелей необходимо всегда рассчитывать потери в кабеле.

53

При значительной длине кабеля для компенсации затухания ВЧсигнала могут применяться компенсационные приемопередающие усилители.

Расчет эффективной изотропной излучаемой мощности. Эффективная изотропно-излучаемая мощность (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP) – это сумма коэффициента усиления антенны, выраженного в dBi, и выходной мощности передатчика, выраженной в dBm, за вычетом потерь сигнала в антенно-фидерном тракте (АФТ) передатчика.

Lt – потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающе-

го тракта.

Расчет EIRP необходим для выполнения требований Государственной комиссии по радиочастотам Российской Федерации на мощность передатчика.

В соответствии с требованиями ГРКЧ к техническим характеристикам оборудования беспроводной передачи данных диапазона 2,4 ГГц. Мощность передатчиков оборудования сетей и линий передачи данных должна составлять не более 100 мВт без дополнительного усилителя и не более 1 Вт с усилителем.

Для внутриофисного оборудования EIRP составляет не более 100 мВт, и запрещено использование внешних антенн.

В случае превышения указанных значений EIRP требуется дополнительное разрешение.

Расчет энергетического запаса радиоканала. При проектировании беспроводной сети стоит особо отметить такой важный параметр, как энергетический запас радиоканала (System Operating Margin).

Энергетический запас определяется как величина превышения уровня сигнала над чувствительностью приемника, характеризует возможность устойчивой связи при флуктуациях и замиранияx сигнала, возникающих при распространении радиоволны в реальных условиях.

Рассмотрим упрощенную структурную схему интервала радиолинии и соответствующую диаграмму уровней сигнала (рис. 1).

54

Рис. 1. Диаграмма уровней сигнала

Очевидно, что качество работы линии связи определяется уровнем сигнала на входе приемника Pr и возможными отклонениями этого уровня при замираниях. На диаграмме уровней видно, что сигнал излучается передатчиком с уровнем Pt, проходит через фидер в передающую антенну с коэффициентом усиления Gt. За счет потерь в фидере Lt уровень сигнала уменьшается, а в передающей антенне увеличится на величину Gt.

При распространении сигнала (на расстоянии протяженностью D, на рабочей частоте f) уровень сигнала упадет за счет ослабления свободного пространства, потерь в газах атмосферы и некоторых дополнительных потерь. Общее ослабление сигнала за счет этих причин может достигнуть 130…140 дБ и больше.

В приемной антенне уровень сигнала увеличится на величину Gr, затем уменьшится в приемной фидерной линии и поступит на вход приемника с уровнем Rx. Это значение получается в отсутствии замираний сигнала.

Энергетический запас радиоканала (SOM) является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника Rx и пороговым значением чувствительности приемника Pr, которая определяется из параметров оборудования:

55

Чувствительность приемника – один из важнейших параметров для оценки энергетического запаса радиоканала, который в конечном счете определяет достижимые скорости передачи данных и радиус действия беспроводного оборудования – это минимальный уровень сигнала, при котором приемник способен удовлетворительно декодировать информацию. Порог приемлемости определяется частотой появления ошибочных битов (BER), частотой появления ошибочных пакетов (packet error rate, PER) или частотой появления ошибочных фреймов (frame error rate, FER). Для стандартов 802.11b и 802.11g значения PER равны 8 и 10 % соответственно. Для каждой скорости передачи значения чувствительности приемника будут различаться. Это объясняется тем, что каждая схема модуляции имеет свои требования к отношению сигнал/шум (signal to noise rate, SNR). В общем случае, чем больше скорость передачи данных, тем больше должно быть соотношение SNR и, следовательно, тем выше чувствительность приемника (табл. 4).

Таблица 4

Чувствительности приемника на различных скоростях передачи

Чувствительность приемника зависит от характера шумов приемника. Все приемники имеют некоторый базовый изначальный уровень шума, определяемый или точностью цифровой обработки, или свойствами аналоговых компонентов. Это – собственный уровень шума приемника. При возрастании собственного шума ухудшается и чувствительность приемника.

Уровень сигнала на входе приемника (Rx, dbm) рассчитывается по формуле

где L0 – потери при распространении радиосигнала (db);

EIRP – эффективная излучаемая мощность передатчика (dbm); Gr – усиление антенны приемника (dbi);

Lr – потери в АФТ приемника (db); Lдоп – дополнительные потери.

Дополнительные потери обусловлены такими явлениями, как замирание сигнала, многолучевое распространение и взаимные помехи.

Таким образом, меняя коэффициенты усиления антенн, мощности передатчиков, диапазон рабочих частот, тип аппаратуры и прочее, можно получить определенный энергетический запас в радиоканале. Величина значения этого запаса определяется в зависимости от условий, в которых эксплуатируются беспроводные устройства.

Расчет суммарного усиления радиосистемы. Для того чтобы иметь возможность рассчитать дальность работы радиоканала, необходимо знать суммарное усиление тракта.

Расчет суммарного усиления тракта осуществляется по формуле

Зная суммарное усиление системы Y по графику (красная кривая для 2.4 GHz) на рис. 2 [ссылка ВДШТЛ], можно определить теоретическую дальность соединения.

57

Рис. 2. Зависимость дальности от суммарного усиления тракта

Стоит отметить, что по данному графику можно определить теоретическую дальность соединения для беспроводных устройств, находя-

щихся в пределах прямой видимости.

Для более точного расчета необходимо воспользоваться следующей формулой:

где D – теоретическая дальность соединения в метрах при суммарном усилении тракта Y db и желаемом энергетическом запасе SOM db.

2. Упражнения

Рассчитайте возможность беспроводной связи согласно условиям, указанным в табл. 5.

58

Таблица 5

Данные для расчетов

59

Практическое занятие № 8

Расчет высоты установки антенн беспроводной связи

Цель работы: рассчитать высоту установки антенн, обеспечивающую наилучшее качество связи.

1. Краткие теоретические сведения

Расчет зоны Френеля. Большинство радиооборудования беспроводных сетей, поступающего в Россию, работает в диапазоне частот 2,4…2,4835 ГГц, что соответствует длине волны 12,5 см. Такие волны распространяются вдоль прямой линии, соединяющей антенны, называемой линией визирования, и занимают в пространстве объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля. Понятие зон Френеля основано на принципе Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой доходит возмущение, сама становится источником вторичных волн, и поле излучения может рассматриваться как суперпозиция всех вторичных волн. На основе этого принципа можно показать, что объекты, лежащие внутри концентрических окружностей, проведенных вокруг линии прямой видимости двух трансиверов, могут влиять на качество как положительно, так и отрицательно. Все препятствия, попадающие внутрь первой окружности, первой зоны Френеля, оказывают наиболее негативное влияние (рис. 3).

60