Test Access Pointů: úvod do problematiky
Celý test začneme obecným úvodem, který blíže seznámí s celou problematikou okolo bezdrátových sítí, často kladenými otázkami a užitečnými kalkulátory. Po víkendu si již můžete přečíst recenze jednotlivých Access Pointů.
Kapitoly článku:
První otázka uživatele, který uvažuje o nasazení bezdrátové sítě, je: "Na jakou vzdálenost to vlastně funguje?" A odpověď? Není úplně jednoduchá a může se v závislosti na konkrétních podmínkách výrazně lišit. Nejprve je potřeba ujasnit si některé základní pojmy.
Následující obrázek (obr. 1) nám ukazuje typický rádiový systém. Vysílaná informace jde z vysílače do antény, následně pak v podobě elektromagnetických vln vzduchem do přijímače, kde je informace demodulována do své původní podoby.
Obr. 1
Pro libovolný výpočet je nutné znát používané jednotky a definici souvisejících parametrů. Prvním z nich je výstupní úroveň vysílače a vstupní úroveň přijímače. Hodnota vstupní/výstupní úrovně je vyjádřená ve Wattech případně v dBm, přičemž vztah mezi dBm a Watty může být vyjádřen následovně: PdBm = 10 x logPmw
Příklad: 1 Watt = 1000 mW, tzn. PdBm = 10 x log(1000) = 30 dBm.
V České republice je maximální výstupní úroveň omezena Generálním povolením ČTÚ č. 01/1994 na 100 mW EIRP, tzn. 20dBm: PdBm = 10 x log(100) = 20 dBm
Dalším parametrem je útlum znázorněný na následujícím obrázku (obr. 2). Pin je hodnota na vstupu, Pout je hodnota na výstupu. Útlum se udává v dB a je vyjádřen následujícím vzorcem: PdB = 10 x log(Pin/Pout).
Obr. 2
Příklad: Pokud je vstupní úroveň na přijímači poloviční, tzn. že přenosem dojde ke ztrátě poloviny energie Pout/Pin= 2, potom je útlum 10 x log(2) = 3 dB.
Obr. 3
Na tomto místě je však třeba říci, že vliv počasí je minimální. Například i velmi intenzivní déšť 150 mm/h způsobí zeslabení signálu maximálně o 0,02 dB/km. Mnohem významnější jsou pak nepřímé vlivy, jako je např. mokré listí na stromech, které de facto vytváří "vodní stěnu". Voda vlny v pásmu 2,4 GHz nepropouští – mění je na tepelnou energii. Když už jsme u stromů, pokud budete instalaci provádět např. v zimě, pamatujte, že během roku se díky vegetaci mohou podmínky pro šíření rádiových signálů velice radikálně změnit.
Parametry, které jsme si jmenovaly v minulém díle, způsobují ztráty na přenosové trase. Jedná se o ztrátu energie během přenosu rádiového signálu vyjádřenou v dB. Tyto ztráty jsou závislé mimo výše uvedeného na následujících faktorech:
Ztráty při šíření elektromagnetických vln volným prostorem jsou dány následujícím vzorcem: Ztráta_ve_volném_prostoru = 32.4 + 20 x log F(MHz) + 20 x log R(km), kde F je frekvence v MHz a R je vzdálenost mezi přijímací a vysílací anténou v kilometrech. Protože se jedná o nelicencované pásmo 2,4 GHz, vzorec se nám zjednodušuje na 100 + 20 x log R(km).
Důležité je si uvědomit, co se myslí pojmem přímá viditelnost. Protože se nejedná o laser, nestačí nám optická přímá viditelnost, ale potřebujeme i určitý prostor kolem (obr. 4). Jedná se o tzv. Fresnelovou zónu, která je definována následovně: R1 = ½ Ö(lxD), kde R1 je poloměr první Fresnelovy zóny, l je vlnová délka a D je délka přenosové trasy. Pokud je 80% první Fresnelovy zóny volných, potom je šíření signálu stejné jako ve volném prostoru. Jinými slovy, při rádiovém přenosu nám nestačí pouze optická viditelnost, ale mezi případnými překážkami musí být prostor odpovídající aspoň 80 % Fresnelovy zóny.
Obr. 4
Jedním z nejdůležitějších prvků na kterém závisí kvalita spoje je anténa. Anténu zpravidla definujeme jako prvek, který umožňuje přechod elektromagnetického vlnění přiváděného na elektromagnetické vlnění ve volném prostoru (obr. 5).
Obr. 5
Jedním ze základních pojmů je izotropní anténa. Jde o bod, který rovnoměrně vyzařuje do všech směrů (360°) a to beze ztrát. Jedná se o teoretickou, tj. technicky nerealizovatelnou anténu, která slouží pro výpočty a popis parametrů skutečných antén.
Pomocí izotropní antény se definuje např. zisk antény. Jedná se o poměr mezi intenzitou vyzařování v daném směru k intenzitě vyzařování, kterou bychom obdrželi, kdyby energie přijatá anténou byla vyzářena rovnoměrně do všech směrů. Zisk antény se udává v dBi.
Příklad: Anténa ze ziskem 3 dBi vyzařuje do 50 % prostoru (obr. 6), tzn. že na přijímači je generována energie 17 dBm. Pokud by stejnou energii měla generovat izotropní anténa, potřebovala by zdroj o výkonu 20 dBm. Rozdíl je tři, což je právě zisk antény. Někdy se uvádí tato hodnota jako ekvivalent energie vyzářené izotropní anténou (EIRP – Equivalent Isotropic Radiated Power). V našem případě by to bylo 20 dBm EIRP.
Obr. 6
Z obrázku je zřejmé, že zisk antény úzce souvisí se směrovostí a následně pak s dosahem. Tato souvislost je nejlépe patrná při grafickém znázornění vyzařovací charakteristiky (obr. 7).
Obr. 7
Poslední dva parametry, které potřebujeme znát, jsou útlum kabelu a citlivost přijímače. Útlum kabelu je dán typem kabelu. Obyčejný RG-58, koaxiální kabel používaný mj. i pro Ehernet, má útlum 1 dB/m. U kabelu RG-214 je to 0,6 dB/m a u speciálního kabelu typu Heliax pouze 0,11 dB/m. Citlivost přijímače je nutné zjistit u výrobce daného zařízení.
Nyní máme dostatek informací abychom si dokázali odpovědět na naši původní otázku. Na jakou vzdálenost lze tedy použít bezdrátové sítě? Úroveň přijímaného signálu na vstupu přijímače Si musí být minimálně rovna citlivosti přijímače, tedy Si = Pout - Ct + Gt – Pl + Gr – Cr. Pout je výstupní úroveň vysílače, Ct jeútlum na anténním kabelu vysílače, Gt jezisk vysílací antény, Gr je zisk přijímací antény, Pl jsouztráty na přenosové cestě a Cr je útlum na anténním kabelu přijímače. Určitě je rozumné počítat s určitou rezervou např. pro zohlednění vlivu počasí.
Následující obrázek (obr. 1) nám ukazuje typický rádiový systém. Vysílaná informace jde z vysílače do antény, následně pak v podobě elektromagnetických vln vzduchem do přijímače, kde je informace demodulována do své původní podoby.
Obr. 1
Pro libovolný výpočet je nutné znát používané jednotky a definici souvisejících parametrů. Prvním z nich je výstupní úroveň vysílače a vstupní úroveň přijímače. Hodnota vstupní/výstupní úrovně je vyjádřená ve Wattech případně v dBm, přičemž vztah mezi dBm a Watty může být vyjádřen následovně: PdBm = 10 x logPmw
Příklad: 1 Watt = 1000 mW, tzn. PdBm = 10 x log(1000) = 30 dBm.
V České republice je maximální výstupní úroveň omezena Generálním povolením ČTÚ č. 01/1994 na 100 mW EIRP, tzn. 20dBm: PdBm = 10 x log(100) = 20 dBm
Dalším parametrem je útlum znázorněný na následujícím obrázku (obr. 2). Pin je hodnota na vstupu, Pout je hodnota na výstupu. Útlum se udává v dB a je vyjádřen následujícím vzorcem: PdB = 10 x log(Pin/Pout).
Obr. 2
Příklad: Pokud je vstupní úroveň na přijímači poloviční, tzn. že přenosem dojde ke ztrátě poloviny energie Pout/Pin= 2, potom je útlum 10 x log(2) = 3 dB.
Útlum závisí na takových parametrech, jako je:
- vícecestné šíření signálu (obr. 3);
- přímá viditelnost (viz dále);
- počasí, např. vítr, déšť...;
- rušení s jinými systémy ve stejném pásmu.
Obr. 3
Na tomto místě je však třeba říci, že vliv počasí je minimální. Například i velmi intenzivní déšť 150 mm/h způsobí zeslabení signálu maximálně o 0,02 dB/km. Mnohem významnější jsou pak nepřímé vlivy, jako je např. mokré listí na stromech, které de facto vytváří "vodní stěnu". Voda vlny v pásmu 2,4 GHz nepropouští – mění je na tepelnou energii. Když už jsme u stromů, pokud budete instalaci provádět např. v zimě, pamatujte, že během roku se díky vegetaci mohou podmínky pro šíření rádiových signálů velice radikálně změnit.
Parametry, které jsme si jmenovaly v minulém díle, způsobují ztráty na přenosové trase. Jedná se o ztrátu energie během přenosu rádiového signálu vyjádřenou v dB. Tyto ztráty jsou závislé mimo výše uvedeného na následujících faktorech:
- vzdálenost mezi přijímací a vysílací anténou;
- přímá viditelnost mezi příjímací a vysílací anténou;
- vlastní parametry použité antény.
Ztráty při šíření elektromagnetických vln volným prostorem jsou dány následujícím vzorcem: Ztráta_ve_volném_prostoru = 32.4 + 20 x log F(MHz) + 20 x log R(km), kde F je frekvence v MHz a R je vzdálenost mezi přijímací a vysílací anténou v kilometrech. Protože se jedná o nelicencované pásmo 2,4 GHz, vzorec se nám zjednodušuje na 100 + 20 x log R(km).
Důležité je si uvědomit, co se myslí pojmem přímá viditelnost. Protože se nejedná o laser, nestačí nám optická přímá viditelnost, ale potřebujeme i určitý prostor kolem (obr. 4). Jedná se o tzv. Fresnelovou zónu, která je definována následovně: R1 = ½ Ö(lxD), kde R1 je poloměr první Fresnelovy zóny, l je vlnová délka a D je délka přenosové trasy. Pokud je 80% první Fresnelovy zóny volných, potom je šíření signálu stejné jako ve volném prostoru. Jinými slovy, při rádiovém přenosu nám nestačí pouze optická viditelnost, ale mezi případnými překážkami musí být prostor odpovídající aspoň 80 % Fresnelovy zóny.
Obr. 4
Jedním z nejdůležitějších prvků na kterém závisí kvalita spoje je anténa. Anténu zpravidla definujeme jako prvek, který umožňuje přechod elektromagnetického vlnění přiváděného na elektromagnetické vlnění ve volném prostoru (obr. 5).
Obr. 5
Jedním ze základních pojmů je izotropní anténa. Jde o bod, který rovnoměrně vyzařuje do všech směrů (360°) a to beze ztrát. Jedná se o teoretickou, tj. technicky nerealizovatelnou anténu, která slouží pro výpočty a popis parametrů skutečných antén.
Pomocí izotropní antény se definuje např. zisk antény. Jedná se o poměr mezi intenzitou vyzařování v daném směru k intenzitě vyzařování, kterou bychom obdrželi, kdyby energie přijatá anténou byla vyzářena rovnoměrně do všech směrů. Zisk antény se udává v dBi.
Příklad: Anténa ze ziskem 3 dBi vyzařuje do 50 % prostoru (obr. 6), tzn. že na přijímači je generována energie 17 dBm. Pokud by stejnou energii měla generovat izotropní anténa, potřebovala by zdroj o výkonu 20 dBm. Rozdíl je tři, což je právě zisk antény. Někdy se uvádí tato hodnota jako ekvivalent energie vyzářené izotropní anténou (EIRP – Equivalent Isotropic Radiated Power). V našem případě by to bylo 20 dBm EIRP.
Obr. 6
Z obrázku je zřejmé, že zisk antény úzce souvisí se směrovostí a následně pak s dosahem. Tato souvislost je nejlépe patrná při grafickém znázornění vyzařovací charakteristiky (obr. 7).
Obr. 7
Poslední dva parametry, které potřebujeme znát, jsou útlum kabelu a citlivost přijímače. Útlum kabelu je dán typem kabelu. Obyčejný RG-58, koaxiální kabel používaný mj. i pro Ehernet, má útlum 1 dB/m. U kabelu RG-214 je to 0,6 dB/m a u speciálního kabelu typu Heliax pouze 0,11 dB/m. Citlivost přijímače je nutné zjistit u výrobce daného zařízení.
Nyní máme dostatek informací abychom si dokázali odpovědět na naši původní otázku. Na jakou vzdálenost lze tedy použít bezdrátové sítě? Úroveň přijímaného signálu na vstupu přijímače Si musí být minimálně rovna citlivosti přijímače, tedy Si = Pout - Ct + Gt – Pl + Gr – Cr. Pout je výstupní úroveň vysílače, Ct jeútlum na anténním kabelu vysílače, Gt jezisk vysílací antény, Gr je zisk přijímací antény, Pl jsouztráty na přenosové cestě a Cr je útlum na anténním kabelu přijímače. Určitě je rozumné počítat s určitou rezervou např. pro zohlednění vlivu počasí.
Zásadní omezení je dáno Generálním povolením ČTÚ č. 01/1994 které říká, že maximální vyzářený výkon může být 100 mW EIRP. Pro zvětšení dosahu lze použít různé zesilovače, ale vždy pouze v souladu s výše uvedeným povolením.
Na závěr důležité upozornění. Žádný teoretický výpočet nemůže zahrnout všechny případné vlivy jako je rušení apod. Co tedy dělat? Pokud chcete mít opravdu jistotu, nezbývá než vyrazit do terénu a provést reálné měření pomocí zařízení, která budou skutečně instalována. Většina výrobců na tuto možnost pamatuje a nabízí tzv. Site Survey software.
Psáno pro časopis Svět sítí, který je členem skupiny SH .
