Instalacje sieci bezprzewodowych

Wychodząc naprzeciw zainteresowaniu wielu osób tematem budowy sieci WLAN, postanowiliśmy zebrać w jednym miejscu niezbędną teorię i kilka informacji praktycznych jak szybko i sprawnie wdrożyć sieć bezprzewodową standardu 802.11 w paśmie 2,4 GHz i 5 GHz.

WLAN (ang. Wireless Local Area Network) jest to technologia pozwalająca budować bezprzewodowe sieci danych niskim kosztem, o zadowalających parametrach i sporych zasięgach. Dodatkową zaletą tej technologii jest krótki czas potrzebny na zbudowanie sieci.

Możliwości sieci WLAN i ich wykorzystanie

• bezprzewodowy dostęp do sieci lokalnej w domu, w biurze, w urzędach, itp.
• bezprzewodowy dostęp do ogólnodostępnych punktów dostępu (hot-spot) na lotniskach, w kawiarniach, itp.
• budowa łączy radiowych punkt – punkt, (łączenie sieci LAN, telemetria, telesterowanie, zdalny monitoring)
• świadczenie usług dostępu do Internetu poprzez WLAN (w mieście, na wsi)
• wykorzystanie jako protekcja łączy kablowych

WLAN standardy

W opracowaniu opiszemy standardy:

• 802.11a – standard na pasmo 5 GHz, przepływności do 54 Mbit/s; 5,150 – 5,350 GHz i 5,470 – 5,725 GHz
• 802.11b – standard na pasmo 2,4 GHz, przepływności do 11 Mbit/s; 2,4 – 2,483 GHz
• 802.11g – standard na pasmo 2,4 GHz, przepływności do 54 Mbit/s; 2,4 – 2,483 GHz

Jednak w zakresie tej techniki można się spotkać również ze standardami:

• 802.11f – IAPP – Inter Access Point Protocol – współpraca między punktami dostępowymi
• 802.11i – standard definiujący nowe metody zabezpieczeń sieci bezprzewodowej
• 802.11n – standard do transmisji multimediów w domach. 300 Mbit/s, wykorzystuje techniki MIMO
• 802.11e – standard definiujący QoS – wsparcie dla jakości usług
• 802.16 – WiMax standard dla sieci szkieletowych wysokich przepływności

Zasięg sieci bezprzewodowej

Należy zdać sobie sprawę, że zasięg sieci bezprzewodowej zależy od wielu czynników, na niektóre z nich możemy mieć wpływ a inne są nieznane. Zasięg sieci zależy do:

1. Czynników związanych z zastosowanymi urządzeniami:

• moc wyjściowa urządzenia (podaje producent urządzenia),
• tłumienie kabli (podaje producent kabla),
• zysk anten (podaje producent anteny),
• czułość urządzenia (podaje producent urządzenia),

2. Od czynników zewnętrznych:

• tłumienie między antenami (można oszacować na podstawie modelu FSL);
• zakłócenia od innych urządzeń (nie da się ich przewidzieć – należy uwzględnić pewien zapas mocy kompensujący te zakłócenia).
• wpływu ewentualnych przeszkód (ścian, stropów, drzew itp.)

Tak więc chcąc wiedzieć, na jaką odległość będzie działała nasza sieć należy zgromadzić powyższe informacje i dokonać prostych obliczeń podanych w dalszej części poradnika.

Propagacja fal radiowych

Strefa Fresnela

Strefa Fresnela (czyt. frenela) to jedno z najważniejszych pojęć pojawiające się w tematyce radiowej z którym koniecznie trzeba się zapoznać. Jest nią obszar aktywnie uczestniczący w przenoszeniu energii sygnału radiowego. Kształt tego obszaru w przekroju wzdłużnym jest elipsą, a w przekroju poprzecznym jest okręgiem. Promień tego okręgu zmienia się na długości całego łącza radiowego i przyjmuje wartość maksymalną w połowie odległości między antenami. Największe znaczenie ma pierwsza strefa Fresnela, gdyż to właśnie w niej przenoszona jest prawie cała energia sygnału radiowego.

Kształt strefy Fresnela. R₁ jest to promień I strefy.

[m] gdzie:

• d_km = d_1km+d_2km, jest to odległość między masztami
• d_1km – odległość od pierwszej anteny w km
• d_2km – odległość od drugiej anteny w km

Źle wykonana instalacja. Instalator nie zapewnił widoczności radiowej anten. Łącze nie działa.

Kolejny przykład źle wykonanej instalacji. Obecność przeszkód w pierwszej strefie Fresnela powoduje, że łącze radiowe nadal nie działa.

Instalacja wykonana poprawnie. Widoczność anten i brak przeszkód w pierwszej strefie Fresnela. Łącze zostało zestawione.

W praktyce zapewnienie czystości 60% I strefy Fresnela gwarantuje minimalne starty mocy.

Tab. Zależność promienia I strefy Fresnela w funkcji długości łącza radiowego dla systemów działających na częstotliwości 2,4GHz oraz 5GHz.

Krzywizna ziemi

W przypadku dystansów wynoszących parę kilometrów i więcej, należy uwzględniać krzywiznę ziemi. Dla dystansu 5 km wysokość przeszkód w środku łącza wzrasta o 1 m, a dla dystansu 10km już o 4 m. Anteny powinna być zawieszona na wysokości, spełniającej warunek:

zawieszenie anteny = wysokość najwyższej przeszkody na torze + 0,6 R₁ + krzywizna ziemi

Przy dużych odległościach należy stosować bardziej dokładne metody wyznaczania wysokości zawieszenia anten, bazujące na profilu hipsometrycznym terenu oraz metodach uwzględniających refrakcję wiązki radiowej.

Tłumienie w deszczu i w gazie

Zjawiska te powszechnie uznawane za niekorzystne dla działania systemów radiowych, w praktyce dla systemów WLAN 2,4GHz oraz 5GHz są nieszkodliwe.

Model FSL i tłumienie w wolnej przestrzeni

Największy problem sprawia oszacowanie tłumienia między nadajnikiem a odbiornikiem. Gdy projektujemy łącze zewnętrzne możemy skorzystać z modelu FSL, aby oszacować to tłumienie. Model FSL to model propagacji w wolnej przestrzeni, który zakłada że:

• między nadajnikiem a odbiornikiem nie ma przeszkód,
• do odbiornika nie dochodzą fale odbite,
• nie jest przysłonięta 1 strefa Fresnela,
• model nie uwzględnia wpływu zaników ani zakłóceń zewnętrznych,

Tłumienie wolnej przestrzeni jest definiowane jako strata sygnału na skutek sferycznego rozpraszania fal radiowych w przestrzeni.

FSL dla częstotliwości 2,4 GHz dane jest wzorem:

Lp (dB) = 100 + 20log10 D, gdzie D – odległość

FSL dla częstotliwości 5,4 GHz dane jest wzorem:

Lp (dB) = 106 + 20log10 D, gdzie D – odległość

Tłumienie w wolnej przestrzeni i reguła 6dB

Sygnał radiowy propagując w przestrzeni ulega osłabieniu, w miarę jak oddala się od anteny nadawczej. Wyznaczenie poziomu tłumienia sygnału radiowego jest kolejnym krokiem w projektowaniu łączy radiowych.

Reguła 6dB mówi, że dwukrotny przyrost odległości powoduje wzrost tłumienia sygnału o 6dB, a dwukrotny spadek odległości powoduje spadek tłumienia sygnału o 6dB. Prostota tej reguły pozwala na szybkie zapamiętanie zależności tłumienia sygnału radiowego w funkcji odległości. Wystarczy zapamiętać, że na dystansie 1km w paśmie 2,4GHz tłumienie wynosi 100dB.

Czyli po zastosowaniu reguły 6dB dla 2, 4, 8km otrzymuje się wartości tłumienia: 106, 112, 118dB. Dla odległości 500m, 250m, 125m tłumienie wyniesie: 94, 88, 82dB. Reguła 6dB także stosuje się do pasma 5GHz i innych, przy czym tłumnie w paśmie 5GHz dla odległości 1km wynosi 106dB, czyli widzimy, że reguła 6dB przekłada się także na częstotliwości.

Inne modele propagacyjne

W zastosowaniach profesjonalnych inżynierowie używają bardzo rozbudowanych modeli często opracowywanych do własnych potrzeb:

• model propagacyjny z przesłoniętą strefą Fresnela
• model propagacyjny uwzględniający tłumienie ścian w budynku

Nie jest możliwe wykorzystywanie takich modeli w amatorskich obliczeniach.

Obliczenia RSL

Podstawą do obliczenia zasięgu jest zrobienie bilansu łącza radiowego i obliczenie poziomu odbieranego sygnału RSL:

• TSLdBm – poziom sygnał na zaciskach nadajnika (moc nadajnika)
• RSLdBm – poziom sygnału na wejściu odbiornika
• FSLdB – starty sygnału w wolnej przestrzeni
• GTdBi – zysk anteny nadawczej
• GRdBi – zysk anteny odbiorczej
• CLT – starty sygnału w przewodzie i w złączach
• CLR – starty sygnału w przewodzie i w złączach

Nadajnik wysyła sygnał wielkiej częstotliwości do przyłączonego kabla z mocą TSLdBm. Sygnał po przejściu do zacisków anteny nadawczej ulega stłumieniu o wartość CLT. Następnie antena wypromieniowuje sygnał i jednocześnie ogniskuje go w kącie połowy mocy, uzyskując w ten sposób efekt wzmocnienia. Po przebyciu odległości dkm fala radiowa ulega osłabieniu o FSLdB. Antena odbiorcza zamieniając falę elektromagnetyczną na sygnał w.cz. zwiększa jego poziom o GRdBi. Sygnał po przejściu przez kabel do odbiornika pojawia się na jego zaciskach przyjmując wartość RSLdBm.

RSLdBm = TSL – CLT + GTdB – FSL + GRdB – CLR

Aby uodpornić się na zjawisko chwilowego spadku mocy sygnału wprowadza się do obliczeń parametr e, tj. margines na zanik. Typowa jego wartość wynosi 10dB.

FM = RSL- RSLFM

RSLFM jest to poziom odbieranego sygnału w zaniku. Jeżeli chcemy aby RSLFM = – 80dBm to wymaga się aby projekt łącza radiowego był wykonany na RSL = – 70dBm

Naszym celem jest dobranie takich anten, aby uzyskać przez większość czasu wymagany poziom sygnału – 80dBm. Większość urządzeń bezprzewodowych WLAN pracuje wtedy z największą prędkością.

Dobór sprzętu do wartości EIRP

Czy stosując antenę o dowolnym zysku energetycznym nie łamiemy prawa? Należy podkreślić, że przepisy nie podają informacji o istnieniu granicznej wartości zysku, której przekroczenie jest niedozwolone.

Dlaczego więc jedna osoba może mieć antenę o zysku 15 dBi, podczas gdy inna po instalacji anteny o zysku 10 dBi już łamie prawo?

Dlaczego, niektóre firmy podają w świadectwach zgodności antenę o zysku 15dBi, podczas gdy inne anteny o zysku 10 dBi?

Odpowiedź na to pytanie wynika wprost z jednego z paragrafów rozporządzenia Ministra Infrastruktury, dotyczącego maksymalnej dopuszczalnej wartości promieniowanej mocy EIRP. Bez pozwolenia radiowego można używać instalacji radiowych nieprzekraczających wartości EIRP 100mW, czyli 20dBm dla pasma 2,4 GHz, 200mW dla pasma 5,150-5,250GHz oraz 1 W (30 dBm) dla pasma 5,47 – 5,725 GHz. Tę samą moc EIRP można uzyskać na wiele sposobów:

EIRP[dB] = Moc nadajnika dBm – (tłumienie złączek dB + tłumienie kabla dB) + zysk anteny dBi <= 20dBm (dla 2,4 GHz)

EIRP[dB] = Moc nadajnika dBm – (tłumienie złączek dB + tłumienie kabla dB) + zysk anteny dBi <= 30dBm (dla 5 GHz)

Aby nie przekroczyć granicznej wartości EIRP, należy dobrać stosowne parametry:

• moc nadajnika,
• rodzaj kabla, jego długości
• zysk anten.

Trzeba zauważyć, że znacznie korzystniejsze jest użycie nadajnika o mniejszej mocy z anteną o większym zysku niż nadajnika o dużej mocy i anteny o małym zysku. Dlaczego ? Otóż z punktu widzenia bilansu łącza w dowolny sposób można uzyskać żądany poziom mocy promieniowanej, ale stacja bazowa jest nie tylko nadajnikiem, ale również odbiornikiem, a wówczas, gdy odbiera sygnał od klienta, nie ma znaczenia jaką ma moc, tylko liczy się jej czułość oraz zysk anteny. Tak więc zysk anteny “liczy się” zarówno podczas nadawania jak i odbioru, a moc nadajnika tylko podczas nadawania.

Osobną kwestią jest wykorzystywana moc promieniowana. Zwykle wydaje się, że im większa tym lepsza. A tymczasem, wcale nie jest to prawdą. Zawsze należy nadawać z mocą optymalną, dostosowaną do rozmieszczenia klientów. Zbyt duża moc nadawana to niepotrzebne wysyłanie swojego sygnału poza obszar naszej działalności. Przez to możemy zakłócać sieci, które działają w dalszej odległości. Będziemy też narażać się na ataki na naszą sieć przez osoby znajdujące się w oddali, trudne wówczas do zlokalizowania.

Zyski anten klienckich również powinny być dobrane optymalnie. Klient, który posiada bardzo mocną antenę, a stację bazową ma blisko, oczywiście będzie miał mocny sygnał ze swojej anteny, ale jednocześnie podczas nadawania może zakłócać inne sieci, nawet w dużej odległości, ale poza tym będzie on “widzieć” te sieci, co za tym idzie będzie widział je jako dodatkowy szum (większy szum to większa liczba błędów i mniejsza prędkość transmisji) lub też będzie współdzielił z nimi medium transmisyjne – co zaowocuje mniejszą prędkością. Stacje, z mniejszymi antenami, będą widziały tylko swoją stację i nie będą miały takich problemów.

Dobór kanału radiowego

Pasmo 2,4 GHz składa się z 13 kanałów, z czego tylko 3 kanały są niezależne od siebie. Oznacza to, że w danym miejscu mogą pracować co najwyżej tylko trzy sieci WLAN. Instalator zanim rozpocznie budowę systemu WLAN powinien się zorientować, czy są jeszcze wolne kanały radiowe. W przypadku wolnych zasobów, należy wybrać kanał radiowy o najmniejszym poziomie szumów.

Rozmieszczenie kanałów paśmie 2,4GHz. Z 13 kanałów tylko trzy kanały się nie nakładają: np.: 1,7,13; 1,6,11; 1,6,12, 1,6,13

Przeprowadzone testy pokazały, że wpływ dwóch sieci działających na tym samym obszarze zależy od wybranych kanałów i jest tym mniejszy im kanały są od siebie bardziej oddalone. Gdy dwie sieci działają na tym samym kanale, każda ma dostępną połowę przepływności. Najbardziej niekorzystny przypadek występuje gdy sieci działają na sąsiednich kanałach, gdyż oddziałują wówczas na siebie jak szum o dużej wartości i efektywnie mogą wykorzystać tylko ok. 20% możliwej przepływności. Już odstęp 4 kanałów daje dla każdej z sieci około 70% przepływności teoretycznej. W praktyce widać, że nawet teoretycznie niezależne kanały mają pewien wpływ na siebie.

Dobór polaryzacji

Istnieją dwie popularne odmiany polaryzacji: kołowa i liniowa. Polaryzacja kołowa oznacza, że koniec wektora natężenia pola elektrycznego zakreśla w przestrzeni koło. Polaryzacja kołowa może być albo prawoskrętna, albo lewoskrętna. Systemy radiowe o polaryzacji prawoskrętnej nie oddziaływają na systemy o polaryzacji lewoskrętnej.

Polaryzacje kołowe: prawoskrętna i lewoskrętna

W przypadku polaryzacji liniowej wektor natężenia pola elektrycznego drga tylko w jednej płaszczyźnie. Jest to płaszczyzna albo pozioma, albo pionowa.

Systemy radiowe o polaryzacji poziomej nie oddziaływają na systemy o polaryzacji pionowej. Są to bowiem polaryzacje ortogonalne. Cecha ta pozwala podwoić ilości systemów radiowych występujących w jednym miejscu.

Szumy

Szumy są niepożądanymi sygnałami radiowymi, których nasilenie może prowadzić do pogorszenia pracy łącza radiowego, a nawet do jego całkowitego unieruchomienia. Nawet dobrze zbilansowane łącze radiowe może okazać się bezużyteczne na wskutek obecności wysokiego poziomu szumów. Na wartość poziomu szumów projektant nie ma wpływu. Czy można więc się bronić przed szumami? Najprostszym sposobem obrony przed szumami jest zestawienia połączenie na innym kanale radiowym. Innym sposobem jest dobranie anten o większym zysku, aby poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR – signal noise ratio).

Szybkość pracy łączą radiowego zależy od poziomu mocy odbieranego sygnału i stosunku sygnału do szumu (na rysunku oznaczone jako signal strength i signal quality). Aby łącze pracowało z maksymalną szybkością 11Mbit/s wskaźnik powinien znaleźć się na zielonym polu (Excellent). Jeżeli poziom szumu wzrośnie w kanale to nawet wysoka wartość odbieranej mocy sygnału nie uchroni nas przed spadkiem przepływności.

Efektywna przepływność

Ponieważ system WLAN opiera się na technice dostępu CSMA/CA oraz korzysta z techniki wysyłania potwierdzeń ACK, w efekcie użytkownik końcowy przyłączony np. łączem 11Mbit/s do sieci odczuwa, że ruch przenoszony takim łączem (np. transfer plików) jest na poziomie 5Mbit/s. Efektywna przepływność łączy WLAN’owych jest dwukrotnie niższa niż szybkość łącza radiowego.

Tryby pracy punktu dostępowego

Punkt dostępowy (access point) może pracować w kilku różnych trybach. Każdy tryb charakteryzuje się obsługą specyficznych urządzeń.

Istnieje kilka możliwości pokrywania obszaru sygnałem radiowym WLAN. Wszystko zależy od tego jakie chcemy uzyskać zasięgi i pojemności.

Sposoby pokrywania terenu sygnałem radiowym komórka sektorowa i komórka dookólna

W przypadku a) mamy teren pokryty za pomocą trzech AP i trzech anten sektorowych. Każdy AP używa innej częstotliwości. W przypadku b) mamy jeden AP z zastosowaną jedną anteną dookólną. System a) obejmuje 6 razy większy obszar niż obszar b) i 3 razy większą ilość abonentów. Koszt przyłączenia abonenta w obu systemach będzie zależeć od odległości abonenta od stacji bazowej. Abonenci, którzy znajdują się bliżej stacji bazowej będą wyposażani w anteny o małym zysku, a co za tym idzie o małym koszcie.

Rozmiar komórki powinien zostać tak dobrany, aby dla danej gęstości zaludnia terenu oraz spodziewanej penetracji rynku w pełni wykorzystać możliwości stacji bazowej.

W praktycznych realizacjach rozmiar komórki jest ograniczony przez ukształtowanie terenu oraz występujące przeszkody np. drzewa, kominy, budynki.

Urządzenia zintegrowane z anteną

Co raz częściej stosuje się urządzenia, które posiadają zintegrowane urządzenie aktywne (Access Point) w antenie. Do takiego urządzenia należy doprowadzić skrętkę komputerową (w przypadku tradycyjnej instalacji był to kabel koncentryczny, który miał ograniczoną długość (tłumienie)), mogącą posiadać długość do 30m (jest to uzależnione od zastosowanego zasilacza, który ma na celu zasilić access pointa w antenie (zasilanie PoE)). Rozwiązanie takie pozwala uniknąć problemu z trudnym prowadzeniem kabla koncentrycznego (mała giętkość) oraz duże na nim straty sygnału.

Problemy z sieciami WLAN.

0

0