Характеристики WiFi обладнання

Для багатьох, хто тільки-но починає своє знайомство з WiFi, технічні параметри бездротового обладнання можуть здатися не зовсім зрозумілими. Особливо якщо специфікація - англійською мовою, як у випадку з MikroTik, Ubiquiti та іншими вендорами.

Спробуємо розглянути деякі найважливіші параметри - що вони означають, що впливають, у яких випадках і які потрібно звертати увагу.

1. Потужність передавача (Tx Power, Output Power)
2. Чутливість приймача (Sensitivity, Rx Power)
3. Що таке MCS (Modulation and Coding Scheme)?
4. Ширина смуги (Channel Sizes)
5. Посилення антени (Gain)
6. Кут антени, ширина лучу (Beamwidth, degree)

 

ПОТУЖНІСТЬ ПЕРЕДАВАЧА (TX POWER, OUTPUT POWER)

 Різні одиниці виміру . Деякі виробники вказують потужність mW, деякі – dBm. Перевести dBm на mW і наоборот, не забиваючи собі голову формулами перерахунку,  можна за допомогою нашого калькулятора .

Варто зауважити, що залежність між цими двома уявленнями потужності – нелінійна. Це легко побачити при порівнянні готових значень у таблиці відповідностей, яка розташована на тій самій сторінці, де і наведено вище калькулятор:

• Збільшення потужності на 3 dBm дає приріст у мВт у 2 рази .
• Збільшення потужності на 10 dBm дає приріст у мВт у 10 разів .
• Збільшення потужності на 20 dBm дає приріст у мВт у 100 разів .

 

Т. е., зменшивши або збільшивши потужність у налаштуваннях "лише" на 3 дБм, ми фактично знижуємо або підвищуємо її у 2 рази.

 Чим більше тим краще? Теоретично, існує пряма залежність - чим більша потужність, тим краще,  далі "б'є" сигнал, тим більша пропускна спроможність (обсяг даних, що передаються). Для магістральних каналів точка-точка зі спрямованими антенами, що піднімаються на відкритих просторах, це діє. Однак у багатьох інших випадках не все так прямолінійно.

• Перешкоди у місті . Викручена на максимум потужність може швидше зашкодити, ніж допомогти у міських умовах. Надто сильний сигнал, перебиваючись від чисельних перешкод, створює масу перешкод, і в результаті зводити нанівець всі переваги великої потужності.
• Засмічення ефіру.  Невиправдано потужний сигнал "забиває" канал передачі та створює перешкоди для інших учасників WiFi-руху.
• Синхронізація із малопотужними пристроями. Знижувати TX Power може бути необхідно при з'єднанні з малопотужними пристроями. Для хорошої якості з'єднання, особливо двосторонньо ємного трафіку, такого як інтерактивні програми, онлайн-ігри тощо, потрібно добиватися симетрії швидкості для вхідних та вихідних даних. Якщо ж різниця в потужності сигналу між передавальним та приймаючим пристроями буде значною, це позначиться на з'єднанні не найкращим чином.

 Потужності має бути рівне стільки, скільки потрібно. Навіть при налаштуванні точок доступу слід спочатку скинути потужність до мінімуму та поступово підвищувати, домагаючись найкращої якості сигналу. При цьому пам'ятайте про нелінійну залежність між потужністю, вираженою в дБм та фактичною енергетичною потужністю, про що ми говорили на початку статті.

Важливо також враховувати, що дальність та швидкість залежать не тільки від потужності, а й від КУ (коефіцієнта посилення) антени, чутливості приймача і т.д. 

ЧУТЛИВІСТЬ ПРИЙМАЧА (SENSITIVITY, RX POWER)

Чутливість приймача WiFi – це мінімальний рівень вхідного сигналу, який може прийняти пристрій. Від цієї величини залежить, наскільки слабкі сигнали приймач може розшифрувати (демодулювати).

Відповідно до цього можна підібрати обладнання для умів, в яких ви хочете підняти бездротове з'єднання.

"Слабкий" у цьому випадку не обов'язково - "недостатньо потужний". Слабким сигнал може бути як у результаті природного згасання при передачі на дальню відстань (що далі від джерела - тим слабший рівень сигналу), поглинання перешкодами, так і в результаті поганого (низького) співвідношення сигнал/шум. Останнє важливо, оскільки високий рівень шуму заглушує, спотворює основний сигнал, аж до того, що пристрій не зможе його "виділити" із загального потоку і розшифрувати.

Чутливість (RX Power) – це інший важливий фактор, що впливає на дальність зв'язку та швидкість передачі. Чим абсолютніше значення чутливості більше, тим краще (наприклад, чутливість –60 dbm гірше, ніж –90 dBm).

Чому чутливість відображається зі знаком мінус? Чутливість визначається подібно до потужності в dBm, але зі знаком мінус. Причина цього – у визначенні dBm як одиниці виміру. Це відносна величина і відправною точкою для неї служить 1 мВт. 0 дБм = 1 мВт. Причому співвідношення і шкала цих величин улаштовані своєрідним чином: зі збільшенням потужності в мВт у кілька разів, потужність дБм зростає на кілька одиниць (аналогічно до потужності).

• Потужність радіопередавачів більша, ніж 1 мВт, тому виявляється в позитивних величинах.
• Чутливість радіопередавачів, чи точніше – рівень вхідного сигналу, завжди набагато менше 1 мВт, тому її прийнято виражати у негативних величинах.

 

Представляти чутливість у мВт просто неудобно, бо там будуть фігурувати такі цифри, як 0.00000005 мВт, наприклад. А при вираженні чутливості у dBm видно більш зрозумілі -73 dbm, -60dBm.

Чутливість - неоднозначний параметр у характеристиках точок доступу, роутерів тощо (втім, як і потужність, насправді). Насправді він залежить від швидкості передачі сигналу і в характеристиках обладнання зазвичай зазначено не однією цифрою, а цілою таблицею:

На скріншоті зі специфікації Nanobeam M5-300 перераховані різні параметри передачі сигналу WiFi (MCS0, MCS1 і т. д.) і ті, яку потужність та чутливість сигналу показує пристрій із ними.

Тут ми упираємося в ще один питання - що означають всі ці абревіатури ( MCS0, MCS1, 64-QAM і т. д.) у специфікаціях , і як нам все-таки з їхньою допомогою визначити чутливість точки?

ЩО ТАКЕ MCS (MODULATION AND CODING SCHEME)?

MCS у перекладі з англійської розшифровується як "модуляції та схеми кодування". У побуті його іноді називають просто "модуляції", хоча щодо  MCS це не зовсім правильно.

Що таке модуляція? Для узгодження просторових потоків між різними пристроями та підвищення ефективності передачі в радіотехніці вже давно використовуються модуляції сигналу. Модуляція - це коли на частоту, що несе, накладається сигнал з інформацією, видозмінений певним чином (шифрування, зміна амплітуди, фази і т. д.).

В результаті виходить модульований сигнал. Згодом винаходять дедалі нові, ефективніші методи модуляції.

Але MCS-індекс, який встановлюється стандартами IEEE, означає не просто модуляцію сигналу, а сукупність параметрів передачі:

• тип модуляції,
• швидкість кодування інформації,
• кількість використаних при передачі просторових потоків (антен),
• ширину каналу під час передачі,
• тривалість захисного інтервалу.

 

Наприклад, якщо ми виберемо з наведеної вище специфікації краще поєднання потужності (26 dBm) та чутливості (-96 dBm) - це MCS0.

Заглянемо до таблиці відповідності, і подивимося, що це за параметри передачі у MCS0. Скажімо, сумні параметри:

 

• 1 антенна (1 просторовий потік)
• Швидкість передачі від 6,5 Мбіт/с на каналі 20 МГц до 15 Мбіт/с на каналі 40 МГц. 

Тобто вищезгадану потужність і чутливість сигналу точка дає тільки такі низькі швидкості.

Наприклад, у тій самій специфікації на Nanobeam візьмемо MCS15: потужність 23 dBm, чутливість –75 dBm. У таблиці цього індексу відповідає 2 просторові потоки (2 антени) та швидкість від 130 Мбіт/сек на каналі 20 МГц до 300 Мбіт/сек на 40 МГц.

Власне, саме на цих параметрах (2 антени, 20 МГц, 130/144.4 Мбіт/сек) переважно і працює Nanobeam (MCS15 у полі Max Tx Rate в AirOS зазвичай виставлено за умовчанням).

Таким чином, стандартна, тобто найчастіше використовується, чутливість  Nanobeam M5-300 : -75 dBm.

Однак слід урахувати те, що іноді потрібніша якраз не висока швидкість, а стабільність лінка, або дальність, в цих випадках у налаштуваннях можна змінити модуляцію на  MCS0 та інші низькі канальні швидкості.

Таблицю MCS-індексів (або таблицю швидкостей, як її іноді називають) також використовують для зворотного пошуку: прораховують, якої швидкості можна досягти на певній потужності та чутливості Wi-Fi обладнання . 

ШИРИНА СМУГИ (CHANNEL SIZES)

WiFi для передачі даних використовується поділ всієї частоти на канали. Це дозволяє впорядкувати розподіл радіочастотного ефіру між різними пристроями - кожне обладнання може вибрати менш зашумлений канал.

Спрощено такий поділ можна порівняти із шосе. Уявіть, що було б, якби вся дорога була однією суцільною смугою (хай навіть односторонньою) із потоком машин. А вісь 3-4 смуги вже вносять певний порядок у рух.

 Складаємо та ділимо. Стандартна ширина каналу WiFi – 20 МГц. Починаючи з 802.11n було запропоновано та регламентовано можливість об'єднання каналів. Беремо 2 канали по 20 МГц і одержуємо 1 на 40 МГц. Навіщо? Для збільшення швидкості та пропускної спроможності.  Ширша смуга – більше даних можна передати.

Недолік широких каналів: більше перешкод та менша відстань передачі.

Існує також обернена модифікація каналів виробниками: зменшення їх ширини: 5, 10 МГц. Вузькі канали дають більшу дальність передачі, але меншу швидкість.

Модифікована ширина каналу (зменшена чи збільшена) і  ширина смуги . 

На що впливає:  на пропускну здатність і "дальнобійність" сигналу, наявність кількох полос - на можливість тонкого підстроювання цих характеристик.

ПОСИЛЕННЯ АНТЕНИ (GAIN)

Це ще один важливий параметр, який впливає на дальність сигналу та пропускну здатність.

Під посиленням антен WiFi не слід розуміти те, що вона додасть сигналу потужності. Антена - пасивне пристрій, що не споживає електроенергію, і не може "додавати потужність" хоча б за законом збереження енергії.

Коефіцієнт посилення (КУ) – це відносна величина, яка вимірюється в ізотропних децибелах (dBi). За відправну точку для розрахунку цього коефіцієнта (тих самих цифр, які ми бачимо у графі "Посилення антени" в технічних характеристиках) береться віртуальна (неіснуюча) еталонна ізотропна антенна.

Яким чином антенна може посилювати сигнал?

Візьмемо для прикладу фонарик із можливістю зміни фокусування лучу.

 Широкий промінь освітлюватиме велику площу, але недалеко.

 Вузький промінь висвітлюватиме меншу площу, але "дістане" далі.

Приблизно так само працює і посилення антени. 

Подивимося на приклад діаграми спрямованості. 

Діаграма спрямованості (ДН) – графічне відображення поширення потужності сигналу WiFi від джерела. За радіусом діаграми відкладається значення посилення антени. Оскільки промінь поширюється у просторі і горизонтально, і вертикально, і діаграми спрямованості роблять у двох плоскостях: горизонтальній і вертикальній.

ДН еталонної (неіснуючої) ізотропної антени:

Як бачите, тут випромінювання йде на всі боки, і в горизонтальній плоскості, і у вертикальній. У тривимірному вигляді це виглядає приблизно так:

У реальних же антенах - спрямованих, секторних і навіть всеспрямованих - антенна перерозподіляє сигнал, "фокусує" його .

Діаграма всеспрямованої антени.

На малюнку - ДН антени Omni (поляризація антени подвійна, тому представлені "зрізи" горизонтальної та вертикальної площин обох поляризацій).

У вертикальній площині (Elevation) діаграма всеспрямованої антени "стиснулася", звузилася. Перерозподілена енергія пішла на посилення сигналу в горизонтальній площині, антенна "додала" потужності в одному напрямку, "забравши" його до іншого .

Саме тому всеспрямовані антени найчастіше мають найменше посилення, а спрямовані – найбільше (більше потенціалу для перерозподілу сигналу).

Звісно, ​​посилення антени нерівномірне по всій площі покриття. Якщо в параметрах спрямованої антени зазначено, наприклад, 20 dBi, то це посилення відноситься лише до головного лепестка антени, не до бокових. Існують формули розрахунку посилення, і, відповідно, потужності в будь-якій точці діаграми спрямованості, але ми не будемо тут на них зупинятися. 

 Тож на скільки збільшилася потужність завдяки посиленню антени? Незважаючи на те, що потужність та посилення антени виражаються, здавалося б, різними величинами (dBm і dBi), насправді і ті, і ті – децибелі, просто відлік ведеться від різних опорних точок. Децибелі можна спокійно складати і віднімати між собою, власне, в цьому їхню красу.

Тому, знаючи потужність передавача (dBm) та коефіцієнт посилення антени (dBi), можна розрахувати якою стала потужність після посилення (по головному лепестку діаграми спрямованості). Складаємо потужність (наприклад 23 dBm) та посилення (наприклад, 30 dBi) та отримуємо 53 dBm .

Перевівши dBm на мВт, бачимо, що потужність зросла з 200 мВт (23 дБм) майже до 200 Вт! 

КУТ АНТЕНИ, ШИРИНА ЛУЧУ (BEAMWIDTH, DEGREE)

Кут антени або ширина лучу – характеристика, яка є важливою для правильного підбору обладнання для різних цілей (створення Wi-Fi мосту, встановлення базової станції тощо).

Наприклад, для базової станції не використовується обладнання з вузькоспрямованим лучом, а для мосту (бридж) наоборот такі точки доступу, як PowerBeam M5-300 , будуть найбільш ефективні.

Іноді ширину лучу чи кут антени називають також діаграмою спрямованості, хоча, на погляд, це зовсім вірно, чи кутом діаграми спрямованості , що більше відповідає дійсності.

Не слід блукати цей параметр з кутом нахилу антени , нижче на зображенні видно різниця між цими двома поняттями.

Сигнал WiFi розповсюджується не прямою лінією, а лучом. Відповідно, якщо зробити зріз такого лучу, ми отримаємо його геометричні уявлення. Приблизно так, як на зображенні.

 Кут антени визначається у двох плоскостях: вертикальній та горизонтальній . У технічних характеристиках це може позначатися як  Azimuth (по горизонталі, грубо кажучи поширення сигналу щодо людини, що стоїть на землі, вправо та вліво) та Elevation (по вертикалі, поширення сигналу WiFi вгору та вниз). Ці характеристики також можуть наводитися окремо для горизонтальної ( H-pol) та вертикальної ( V-pol ) поляризації антени.

Відповідно, при підборі обладнання необхідно враховувати кут антени в обох плоскостях . Наприклад, досить часто всеспрямовані антени мають кут 360° у горизонтальній плоскості і дуже вузький (7°, наприклад, у  AMO-5G13 ) у вертикальній.

Це означає, що якщо по горизонталі клієнтське обладнання можна розташовувати будь-де, і воно буде в зоні покриття WiFi, то по вертикалі потрібно буде підняти його на певну висоту, щоб потрапити до зони дії сигналу.

 Як визначити кут антени (ширину лучу) за діаграмою. Якщо кут антени (ширина лучу) не вказано у технічних характеристиках, її можна визначити за тією самою діаграмою спрямованості. Шириною лучу буде кут, побудований за допомогою трьох точок:

• центру діаграми,
• 2-х точок перетину лінії діаграми антени (пелюстків) з умовним колом на рівні -3 dBi. Чому саме 3 dBi - не вдаватимемося, це прийнята величина половинної потужності.

 

Зрозуміліше буде, якщо побачити це у графічному відображенні.

Наприклад, візьмемо, ДН Mikrotik SXT ac. 

Діаграми спрямованості від MikroTik хороші тим, що кут антени (ширина лучу) там уже промальований (сині лінії).

На інших такий кут можна прокреслити та виміряти самим (школа, уроки геометрії, транспортир :))

 Види антен залежно від ширини лучу (кута).  Як уже згадувалося, антени бувають всеспрямованими, секторними та спрямованими. Визначає це кут антени – тобто ширина лучу сигналу WiFi – у горизонтальній площині. 

• Всеспрямовані антени мають кут лучу 360°
• Секторні – найчастіше 60 ° , 90 ° , 120 ° та ін., вони ділять загальне коло на рівні сектори.
• Вузконаправлені - 3 ° , 5 ° , 8 ° і т.д.

 

Сподіваємося, що інформація була корисною  :).

Про інші параметри (поляризація антени, MIMO, тощо) - у наступній статті .