Jak zapojíme síť: WiFi bez tajemství
7.10.2009, Martin Kuchař, článek
Připravili jsme článek podrobně rozebírající všechny technické aspekty bezdrátových sítí pracujících v pásmu 2,4GHz. Podívejte se, jak vlastně WiFi pracuje, jaké má parametry, jaký máte zvolit aktivní a pasivní hardware a kde je potřeba co a jak nastavit.
Kapitoly článku:
V této oblasti se vyskytuje mnoho technických a odborných parametrů a každý z nich má na výslednou kvalitu vysílaného signálu jistý vliv. Pro naše potřeby a v rámci rozsahu toto článku se budu zabývat těmi nejpodstatnějšími, jako jsou zisk antény, síla signálu, míra pokrytí a vyzařovací diagram.
Ostatní parametry (např. koeficienty odrazu a impendační přizpůsobení) nepovažuji za natolik podstatné, aby bylo nutné je zde rozebírat a celé vysvětlení problematiky bezdrátových sítí si jimi komplikovat.
Nejdříve si objasníme, co je to zisk. Ten je dán mnoha parametry, avšak největší vliv na jeho hodnotu má samotná anténa, která převádí elektro-magnetické vlnění vycházející z WiFi adaptéru na záření přenášené vzduchem.
Zisk je tedy schopnost kvalitně přenést signál a opět jej získat. Samotný zisk se vždy vztahuje k nějaké referenční anténě - tou bývá nejčastěji klasický izotropní zářič (ve skutečnosti je to pouze matematické vyjádření vyzářeného signálu jedním bodem - fyzicky neexistuje, neboť není možné zkonstruovat anténu o tak malém rozměru se zcela ideální vyzařovacím diagramem) a pak je intenzita signálu udána v dBi. Izotropní zářič vyzařuje ve všech směrech úplně stejně a tudíž jeho diagramem je koule.
I u televizních antén se měří a zobrazuje zisk
V praxi se však častěji používá pro referenci klasický vlnový dipól se ziskem 2,4dB - je lepší porovnávat s něčím, co ve skutečnosti existuje a funguje, a tudíž si může každý relativně snadno a rychle udělat o své anténě představu.
Samotná charakteristika zisku antény by se pak dala popsat následovně - je to poměr mezi energií vyzářenou v určitém konkrétním směru k intenzitě vyzařování, kterou bychom získali při vyzařování do všech směrů současně. V praxi to tedy vypadá například tak, že anténa, která má zisk 3 dBi a vysílá do 50% prostoru, potřebuje mít na přijímači generováno 17 dBm. Na rozdíl od izotropní antény, která by ke stejnému signálu potřebovala mít generováno 20 dBm.
Zisk a kvalita signálu je dána z velké části také směrovostí. Je to poměr mezi výkonem vyzářeným do směru hlavního maxima vyzařování a jiným bodem, který může být zvolen kdekoliv jinde. Počítá se tedy tzv. předozadní poměr, předoboční poměr a také šířka svazku, jež je dána úhlem, o který se musí odchýlit místo měření od osy maxima vyzařování, aby došlo k poklesu signálu o 3 dB.
V praxi to pro nás znamená pouze to, že anténa s přesnou směrovostí dokáže mít vyšší zisk, než anténa všesměrová (například síto s vyzařovacím úhlem 5° může mít zisk i 24 dBi, kdežto všesměrová anténa má pouhé 4 dBi, jelikož se její výkon musí rozprostřít do výrazně většího prostoru).
Pro znázornění zisku a směrovosti konkrétních antén se používají takzvané vyzařovací diagramy. Z těch je jasně patrné, do kterého směru anténa vyzařuje a jakou intenzitou a díky tomu můžeme snadno určit, jak ji máme natočit či nasměrovat. Diagramy se nejčastěji provádějí pro horizontální a vertikální rovinu, avšak někdy lze nalézt i diagramy provedené v 3D.
Zde je záznam z programu měřícího vyzařovací diagram. -3 dBi a úhel poklesu 106°.
Horizontální rovina - zisk 14,2dBi s předozadním poměrem na -18,9 dBi.
Pro ideální názornost lze vše zobrazit v 3D modelu.
Druhým podstatným pojmem, který je třeba si objasnit, je polarizace. Tato hodnota nám udává rovinu, ve které se budou rádiové vlny šířit. Je však třeba myslet na to, že polarizace nemusí být udána pouze jednou rovinou - může být cirkulární, eliptická či smíšená, avšak v praxi se nejvíce používají klasické roviny horizontální a vertikální. Polarizace můžeme s výhodou využít v oblasti, kde je pásmo zahlceno.
Pokud naší anténu nasměrujeme ve vertikální rovině, pak má oproti horizontální odstup 20 - 30 dB, což je dostačující pro odseparování. Tento rozdíl se nazývá polarizační separace a udává, kdy již separaci použít nelze, neboť signál je tak silný, že na polarizaci nezáleží. Zjednodušeně řečeno můžete tedy v místě, kde je například zcela plno z pohledu volných pasem, zkusit otočit anténu do jiné polarizace a tím prakticky oddělit náš signál od sousedního – v praxi ale vždy záleží především na konkrétních podmínkách.
Neustále se zde zmiňuji o signálu a o jeho síle či kvalitě. Pro nás je nejpodstatnější poměr signál/šum, jehož hodnota by měla být co nejvyšší. Pod pojmem šum rozumíme všechen šum nachytaný po cestě signálu plus šum samotného WiFi adaptéru.
Samotný signál pak udáváme v jednotkách dBm. Je podstatné, jaký je odstup signálu od šumu - získáme-li tedy signál s kvalitou -70 dBm a šum se pohybuje v hodnotách -90 dBm, pak můžeme být poměrně spokojeni. Čím je tedy hodnota signálu blíže nule, tím je lepší a poskytuje velký odstup od jinak nechtěného „šumění“ - v praxi se dá setkat i se sítěmi s úrovní kolem -30 dBm, což je hodnota naprosto vynikající.
Pro potřeby kvalitní komunikace je doporučeno, aby v sítích 802.11b bylo dodrženo alespoň -80 dBm a v 802.11g -70 dBm - avšak tyto hodnoty jsou okrajové a nezajistí prakticky žádnou spolehlivost. Pro dobrou funkci je třeba se dostat alespoň o 10 dBm níže.
Pro měření a monitorování síly signálu vřele doporučuji program Network Stumbler. Jeho funkce jsou opravdu vynikající a naměřená data si můžete snadno uložit a následně s nimi dále pracovat.
Program Network Stumbler - graf ukazuje naměřený signál.
Aby to však nebylo celé tak jednoduché, přidává se nám do výpočtů ještě jeden další pojem, kterým je citlivost. Jelikož rádiových signálů je ve vzduchu mnoho a my nechceme zaznamenávat i nějaké zbytkové stopy z vedlejší vesnice, je na anténě nastaven faktor citlivosti, který udává, na jakou intenzitu začíná anténa reagovat. Je-li například nastavena citlivost na 0,5 mV pro poměr signál/šum 10 dB, pak to znamená, že signál, který má pod 10 dB a 0,5 mV je vyhodnocen jako šum a dále ignorován.
Bohužel je tato problematika natolik obsáhlá a složitá, že nejsme vlastní silou schopni šum přesně určit, a tak jej budeme brát jako samozřejmost, které se nedá vyhnout.
Zbývá nám se podívat na další pojem, velmi často zmiňovaný ve spojitosti s bezdrátovými sítěmi všeho druhu. Je jím pokrytí. To jednoduše udává, v jaké vzdálenosti od access-pointu lze ještě jeho signál zachytit a také jakou má v daném místě kvalitu. Každý výrobce udává nějaké hodnoty, které odpovídají jeho laboratorním měřením.
Bohužel pro naše potřeby jsou vždy pouze orientační a to hned z několika důvodů. Výrobce své měření provádí v laboratorních podmínkách s nejkvalitnějším možným zapojením, nepočítá s rušivými vlivy a také s okolními sítěmi.
Pokud si tedy chcete zjistit, jaké pokrytí má vaše síť, musíte počítat se snižujícími faktory, které jsou dány odrazy, útlumy, refrakcemi a difrakcemi a také dalšími nepříznivými vlivy vnějšího prostředí. Bohužel už je to tak, že nikdy nenastane pouze jeden z nich a je skoro pravidlem, že se kombinují právě tak, že je to pro nás nejméně výhodné. Vliv má bezesporu také členitost terénu, která dokáže navodit takové odrazy signálu, že dochází až k posunům fáze ve vysílaném signálu.
Kvůli těmto všem rušivým parametrům není určovaní pokrytí příliš snadné a nikdy také stoprocentně přesné. Máme tedy několik metod, na jejichž základě dokážeme alespoň částečně simulovat pokrytí dané lokace.
Nejpřesnější metoda je empirická - spočívá v přeměření signálu v různých místech a na základě získaných měření se sestaví grafy. Bohužel je tato metoda velmi časově náročná a vyžaduje dlouhou práci v terénu.
Pohodlnější, avšak méně přesná, metoda je založena na simulaci pomocí speciálních programů. Do těch vložíme data a program již vše vypočte za nás - výsledky je ale potřeba brát spíše orientačně než směrodatně.
Poslední metodou je pouze náš vlastní odhad na základě zkušeností a znalosti lokace a terénu. Nemůžu zde ani jednu metodu nějak vyzdvihovat - spíše doporučuji jejich vzájemnou kombinaci a nasazení podle rozvahy a potřeby.
Například takto se znázorňuje pokrytí.
Ostatní parametry (např. koeficienty odrazu a impendační přizpůsobení) nepovažuji za natolik podstatné, aby bylo nutné je zde rozebírat a celé vysvětlení problematiky bezdrátových sítí si jimi komplikovat.
Zisk
Nejdříve si objasníme, co je to zisk. Ten je dán mnoha parametry, avšak největší vliv na jeho hodnotu má samotná anténa, která převádí elektro-magnetické vlnění vycházející z WiFi adaptéru na záření přenášené vzduchem.
Zisk je tedy schopnost kvalitně přenést signál a opět jej získat. Samotný zisk se vždy vztahuje k nějaké referenční anténě - tou bývá nejčastěji klasický izotropní zářič (ve skutečnosti je to pouze matematické vyjádření vyzářeného signálu jedním bodem - fyzicky neexistuje, neboť není možné zkonstruovat anténu o tak malém rozměru se zcela ideální vyzařovacím diagramem) a pak je intenzita signálu udána v dBi. Izotropní zářič vyzařuje ve všech směrech úplně stejně a tudíž jeho diagramem je koule.
I u televizních antén se měří a zobrazuje zisk
V praxi se však častěji používá pro referenci klasický vlnový dipól se ziskem 2,4dB - je lepší porovnávat s něčím, co ve skutečnosti existuje a funguje, a tudíž si může každý relativně snadno a rychle udělat o své anténě představu.
Samotná charakteristika zisku antény by se pak dala popsat následovně - je to poměr mezi energií vyzářenou v určitém konkrétním směru k intenzitě vyzařování, kterou bychom získali při vyzařování do všech směrů současně. V praxi to tedy vypadá například tak, že anténa, která má zisk 3 dBi a vysílá do 50% prostoru, potřebuje mít na přijímači generováno 17 dBm. Na rozdíl od izotropní antény, která by ke stejnému signálu potřebovala mít generováno 20 dBm.
Zisk a kvalita signálu je dána z velké části také směrovostí. Je to poměr mezi výkonem vyzářeným do směru hlavního maxima vyzařování a jiným bodem, který může být zvolen kdekoliv jinde. Počítá se tedy tzv. předozadní poměr, předoboční poměr a také šířka svazku, jež je dána úhlem, o který se musí odchýlit místo měření od osy maxima vyzařování, aby došlo k poklesu signálu o 3 dB.
V praxi to pro nás znamená pouze to, že anténa s přesnou směrovostí dokáže mít vyšší zisk, než anténa všesměrová (například síto s vyzařovacím úhlem 5° může mít zisk i 24 dBi, kdežto všesměrová anténa má pouhé 4 dBi, jelikož se její výkon musí rozprostřít do výrazně většího prostoru).
Pro znázornění zisku a směrovosti konkrétních antén se používají takzvané vyzařovací diagramy. Z těch je jasně patrné, do kterého směru anténa vyzařuje a jakou intenzitou a díky tomu můžeme snadno určit, jak ji máme natočit či nasměrovat. Diagramy se nejčastěji provádějí pro horizontální a vertikální rovinu, avšak někdy lze nalézt i diagramy provedené v 3D.
Zde je záznam z programu měřícího vyzařovací diagram. -3 dBi a úhel poklesu 106°.
Horizontální rovina - zisk 14,2dBi s předozadním poměrem na -18,9 dBi.
Pro ideální názornost lze vše zobrazit v 3D modelu.
Druhým podstatným pojmem, který je třeba si objasnit, je polarizace. Tato hodnota nám udává rovinu, ve které se budou rádiové vlny šířit. Je však třeba myslet na to, že polarizace nemusí být udána pouze jednou rovinou - může být cirkulární, eliptická či smíšená, avšak v praxi se nejvíce používají klasické roviny horizontální a vertikální. Polarizace můžeme s výhodou využít v oblasti, kde je pásmo zahlceno.
Pokud naší anténu nasměrujeme ve vertikální rovině, pak má oproti horizontální odstup 20 - 30 dB, což je dostačující pro odseparování. Tento rozdíl se nazývá polarizační separace a udává, kdy již separaci použít nelze, neboť signál je tak silný, že na polarizaci nezáleží. Zjednodušeně řečeno můžete tedy v místě, kde je například zcela plno z pohledu volných pasem, zkusit otočit anténu do jiné polarizace a tím prakticky oddělit náš signál od sousedního – v praxi ale vždy záleží především na konkrétních podmínkách.
Signál
Neustále se zde zmiňuji o signálu a o jeho síle či kvalitě. Pro nás je nejpodstatnější poměr signál/šum, jehož hodnota by měla být co nejvyšší. Pod pojmem šum rozumíme všechen šum nachytaný po cestě signálu plus šum samotného WiFi adaptéru.
Samotný signál pak udáváme v jednotkách dBm. Je podstatné, jaký je odstup signálu od šumu - získáme-li tedy signál s kvalitou -70 dBm a šum se pohybuje v hodnotách -90 dBm, pak můžeme být poměrně spokojeni. Čím je tedy hodnota signálu blíže nule, tím je lepší a poskytuje velký odstup od jinak nechtěného „šumění“ - v praxi se dá setkat i se sítěmi s úrovní kolem -30 dBm, což je hodnota naprosto vynikající.
Pro potřeby kvalitní komunikace je doporučeno, aby v sítích 802.11b bylo dodrženo alespoň -80 dBm a v 802.11g -70 dBm - avšak tyto hodnoty jsou okrajové a nezajistí prakticky žádnou spolehlivost. Pro dobrou funkci je třeba se dostat alespoň o 10 dBm níže.
Pro měření a monitorování síly signálu vřele doporučuji program Network Stumbler. Jeho funkce jsou opravdu vynikající a naměřená data si můžete snadno uložit a následně s nimi dále pracovat.
Program Network Stumbler - graf ukazuje naměřený signál.
Aby to však nebylo celé tak jednoduché, přidává se nám do výpočtů ještě jeden další pojem, kterým je citlivost. Jelikož rádiových signálů je ve vzduchu mnoho a my nechceme zaznamenávat i nějaké zbytkové stopy z vedlejší vesnice, je na anténě nastaven faktor citlivosti, který udává, na jakou intenzitu začíná anténa reagovat. Je-li například nastavena citlivost na 0,5 mV pro poměr signál/šum 10 dB, pak to znamená, že signál, který má pod 10 dB a 0,5 mV je vyhodnocen jako šum a dále ignorován.
Bohužel je tato problematika natolik obsáhlá a složitá, že nejsme vlastní silou schopni šum přesně určit, a tak jej budeme brát jako samozřejmost, které se nedá vyhnout.
Pokrytí
Zbývá nám se podívat na další pojem, velmi často zmiňovaný ve spojitosti s bezdrátovými sítěmi všeho druhu. Je jím pokrytí. To jednoduše udává, v jaké vzdálenosti od access-pointu lze ještě jeho signál zachytit a také jakou má v daném místě kvalitu. Každý výrobce udává nějaké hodnoty, které odpovídají jeho laboratorním měřením.
Bohužel pro naše potřeby jsou vždy pouze orientační a to hned z několika důvodů. Výrobce své měření provádí v laboratorních podmínkách s nejkvalitnějším možným zapojením, nepočítá s rušivými vlivy a také s okolními sítěmi.
Pokud si tedy chcete zjistit, jaké pokrytí má vaše síť, musíte počítat se snižujícími faktory, které jsou dány odrazy, útlumy, refrakcemi a difrakcemi a také dalšími nepříznivými vlivy vnějšího prostředí. Bohužel už je to tak, že nikdy nenastane pouze jeden z nich a je skoro pravidlem, že se kombinují právě tak, že je to pro nás nejméně výhodné. Vliv má bezesporu také členitost terénu, která dokáže navodit takové odrazy signálu, že dochází až k posunům fáze ve vysílaném signálu.
Kvůli těmto všem rušivým parametrům není určovaní pokrytí příliš snadné a nikdy také stoprocentně přesné. Máme tedy několik metod, na jejichž základě dokážeme alespoň částečně simulovat pokrytí dané lokace.
Nejpřesnější metoda je empirická - spočívá v přeměření signálu v různých místech a na základě získaných měření se sestaví grafy. Bohužel je tato metoda velmi časově náročná a vyžaduje dlouhou práci v terénu.
Pohodlnější, avšak méně přesná, metoda je založena na simulaci pomocí speciálních programů. Do těch vložíme data a program již vše vypočte za nás - výsledky je ale potřeba brát spíše orientačně než směrodatně.
Poslední metodou je pouze náš vlastní odhad na základě zkušeností a znalosti lokace a terénu. Nemůžu zde ani jednu metodu nějak vyzdvihovat - spíše doporučuji jejich vzájemnou kombinaci a nasazení podle rozvahy a potřeby.
Například takto se znázorňuje pokrytí.
