Тема 4.6. Построение радиосистем фиксированного беспроводного доступа

IEEE 802.11b с внешними антеннами

Требование к знаниям

Студент должен

знать:

· структуру сети беспроводного доступа;

· состав оборудования линии «точка доступа – антенна»;

уметь:

· составить схему линии «точка доступа – антенна»;

· составить уравнение радиосвязи «точка – точка» и провести расчёт по заданным параметрам.

Содержание учебного материала

Задачи по подключению к беспроводному оборудованию дополнительных антенн, усилению мощности передатчика, включению в систему дополнительных фильтров довольно часто встречается в практике построения беспроводных сетей для увеличения дальности связи.

При выносе антенны возникают негативные факторы, такие как затухание сигнала на кабельных сборках и увеличение уровня паразитных шумов, значительно ухудшающих характеристики исходной радиосистемы. Вместе с тем, подключенные антенны (особенно с большими коэффициентами усиления) во многом компенсируют все эти негативные факторы, но несмотря на это, при установке АФУ стараются максимально сократить расстояние от порта активного оборудования до вынесенной антенны и, по возможности, подключить антенну напрямую к точке доступа (или беспроводной карте). Однако бывают случаи, когда длинный антенно-фидерный тракт неизбежен и приходится идти на определённые компромисы. Наиболее часто встречающийся вариант - использование беспроводного оборудования в исполнении, предназначенном для работы в помещениях, а не специализированного, операторского класса. В cвязи с этим, получили распространение схемы, в которых точки доступа или роутеры с несколькими беспроводными картами устанавливаются внутри помещений и при помощи длинного кабеля подключаются к внешним антеннам, которые устанавливаются на улице.

Другой вариант – установка точек доступа в различные термобоксы, в которых они могут быть установлены вне помещения на антенном посту. Выбор варианта определяет проектировщик системы.

На рисунке показана беспроводная система с антенно-фидерным трактом, в который включено множество элементов. Их может быть значительно больше, но показаны наиболее часто используемые. Ниже поясняется для чего используется тот или иной элемент, как он называется и что необходимо учесть при его использовании.

Рис. 30

Точка доступа поз.1(или сетевая карта) со съёмной антенной

Почти всё беспроводное оборудование D-Link комплектуется съемными штатными антеннами 2 – 5 dBi (например DWL-1000AP+, DWL-1040AP+, DWL-700AP, DWL-2000AP+, DWL-520+, DWL-900AP+, DWL-1700AP, DWL-G520 и т.д.).

Это означает, что штатную антенну можно легко снять и подключить вместо неё более мощную антенну с необходимым коэффициентом усиления и диаграммой направленности Несъёмные антенны у CardBus-адаптеров, CompactFlash-адаптеров, USB-адаптеров, некоторых шлюзов с беспроводной частью (DSL-604+). В технических характеристиках беспроводного оборудования всегда сказано каким типом антенн оно комплектуется по умолчанию.

Кроме поддерживаемых технологий и скоростных характеристик точка доступа или беспроводная карта имеют несколько важных физических характеристик, которые являются исходными данными для расчёта антенно-фидерного тракта и энергетических характеристик радиолинка. К таким характеристикам относятся:

· мощность передатчика, которая измеряется или в мВт(mW) или в дБм(dBm). В таблице представлено соотношение наиболее часто используемых значений мощности выраженных в мВт и дБм (можно загрузить более расширенную таблицу)

Табл. 10

дБм
мВт

· чувствительность приёмника для определённой скорости. Типовая характеристика:

Табл.11

Скорость (Mбит/с)	Потери BER	Чувствительность (дБм)
	10-5	-80
	10-5	-79
5.5	10-5	-83
	0-5	-89

Полосовой фильтр [NCS F24XXX] поз.2 показан пунктиром, так как его редко включают в систему, но в системах профессионального уровня присутствует обязательно. Длинный кабель не только вносит затухание (которое можно компенсировать усилителем или применить кабель с меньшим затуханием), но и собирает помехи во всем радиодиапазоне. Поэтому работе линка будут мешать все радиоустройства, способные создать на входе приемника карты достаточно сильную помеху, даже в диапазоне коротких и средних волн, и перегрузить входные цепи по динамическому диапазону входных уровней. Полосовой фильтр включают непосредственно перед входным разъемом точки доступа или радиокарты. Установленный фильтр внесет потери не менее 1,5 дБ (для фильтров NCS F24XXX).

Полосовые фильтры бывают настраиваемыми или с фиксированной центральной частотой, которая настраивается в процессе производства, например как у фильтров NCS F24XXX. Вариант фильтра выбирают от состояния ЭМ обстановки.

Кабельная сборка SMA-RP поз.3 -plug<--->N-type-male (ещё её называют "pigtale") - это небольшой переходник (30-50 см, или больше) с антенного вывода точки доступа или сетевой карты, который называется SMA-RP (реверс SMA), на широко используемый в антенно-фидерном оборудовании высокочастотный разьём N-type. Pigtale-кабель входит в комплект поставки или приобретается дополнительно.

Примечание: SMA коннекторы - серия субминиатюрных коаксиальных разьемов с рабочей частотой до 15 ГГц, полностью герметичны и устойчивы к коррозии. Выпускаются в двух вариантах: нержавеющая сталь плюс фторопласт-4 (тефлон) и фосфористая бронза с покрытием золотoм, диэлектрик - также фторопласт-4. Реверсивные разъемы SMA используются в ISA / PCI радиокартах, а также устанавливаются практически на всех современных офисных точках доступа, D-link производителей «3com», «NetGear» и т.д. Разъемы типа SMA выпускаются для кабелей с диаметром от 1.5 до 14 мм, и рекомендованы к применению в аппаратуре ISM диапазонов.

Инверсным разъемом называется такой разъем, в котором изменена конфигурация центрального контакта с гнезда на штекер (или наоборот).

Инжектор питания поз.4 - включается в тракт между активным оборудованием и входным портом усилителя (вносит затухание не более 0,5 дБ) и подключается к блоку питания, который питается от сети 220В. Инжектор имеет 2 порта - оба N-type-female. Инжектор питания и блок питания входят в комплект поставки усилителей NCS24XX.

Переходник[TLK-NTYPE-MM] поз.5 - переходник N-Type Male-Male - служит для изменения конфигурации порта с male на female. В рассматриваемом варианте АФУ он используется чтобы подключить к инжектору следующую за ним кабельную сборку (стандартные кабельные сборки обычно имеют разьёмы N-type-male<---->N-type-female).

Общепринятым является, что в коаксиальном разъеме, например входы или выходы усилителей, фильтров, генераторов сигналов, разъёмы на антеннах, имеют конфигурацию «гнездо» (female), а разъемы на подключаемых к ним кабелях, имеют конфигурацию «штеккер» (male). Однако данное правило не всегда соблюдается, поэтому иногда возникают проблемы при сборке тракта на элементах от различных производителей. Проблема решается использованием переходника N-type-male<--->N-type-male.

Кабельная сборка [HQNf-Nm15] поз.6 – это 15 метровая кабельная сборка N-type (female)<-> N-type (male). Можно также использовать кабельные сборки больших длин, например последовательно объединив две 15-метровые сборки (или другие длины), важно только чтобы:
- уровень сигнала на входном порту усилителя попадал в допустимый диапазон, который указан в характеристиках усилителя;
- уровень принятого от удалённой точки доступа сигнала и усиленного в усилителе, имел достаточную интенсивность для восприятия приёмником точки после прохождения кабельной сборки..

В любой передающей системе важен такой параметр, как интенсивность сигнала. При распространении сигнала в передающей среде происходит ослабление его интенсивности, или затухание. Для компенсации потерь в антенно-фидерном тракте и получения необходимого уровня сигнала на выходе радиосистемы устанавливают усилители.

Усиление или ослабление , а также его относительные уровни обычно выражаются в децибелах (дБ). Это связано с тем, что:

- интенсивность сигнала часто изменяется по логарифмическому закону, поэтому ослабление проще выражать в децибелах, являющихся логарифмическими единицами.

- суммарное усиление или ослабление сигнала в каскадном канале передачи можно вычислить с помощью простых операций сложения или вычитания(а не умножения и деления).

Децибелом (дБ) называется мера отношения между двумя уровнями сигнала:

Так как мощность в цепи определяется величиной напряжения или тока, возведённой в квадрат, логарифм отношения этих величин должен быть умножен на 20 (а не на 10):

GдБ =20 lg U1/U2 или GдБ=20lg I1/I2

Пример1: Если на входе линии передачи уровень мощности сигнала составляет 100 мВт, а на некотором расстоянии 50 мВт, то ослабление сигнала можно выразить следующим образом:

L дБ=10 lg(100/50)=10 (0,3)=3дБ

В децибелах выражается относительное, а не абсолютное отличие сигналов. Ослабление сигнала с 10Вт на 5Вт также является ослаблением на 3 dB.

Использование децибелов полезно при определении усиления или снижения мощности, происходящего на последовательности передающих элементов.

Пример 2: Рассмотрим последовательность элементов, на вход которой подаётся мощность 4мВт, первым элементом является кабельная сборкой с затуханием 12дБ, второй элемент - это усилитель с усилением 35дБ, а третий - ещё одна кабельная сборка с затуханием 10дБ. Суммарное усиление тракта равно (-12+35-10)=13дБ. Вычислим мощность на выходе:

GдБ=13=10lg(Pвых/4мВт)

Рвых = 4x10 13 мВт = 79,8 мВт

dBd - выражение выигрыша антенны относительно диполя;

dBi – выражение выигрыша антенны относительно изотропного излучателя

Значения в децибелах связаны с относительными амплитудами или изменениями амплитуд, но никак не с абсолютными уровнями. Было бы удобно представить абсолютный уровень мощности также в децибелах, чтобы можно было легко вычислять усиление или снижение мощности по отношению к исходному сигналу. Единица дБВт (децибел-ватт), (децибелы относительно 1 Вт) широко используется для расчёта СВЧ радиолиний. В качестве эталонного уровня выбрана величина 1 Вт, и ей присвоено значение 0 дБВт. Абсолютный уровень мощности в децибел - ваттах определяется следующим образом:

Мощность, дБВт = 10lg мощность, Вт/1Вт

Широко используется и другая производная единица - дБмВт (децибел - милливат), (децибелы относительно 1 мВт). В этом случае за эталонный уровень мощности принимается 1 мВт, т.е. 0 дБмВт соответствует 1 мВт.

Полезно также запомнить следующие соотношения:

+30 дБмВт = 0 дБВт
0 дБмВт = - 30 дБВт

Усилитель 2.4 ГГц [NCS24XX] поз.7 - двунаправленный магистральный усилитель предназначеный для увеличения мощности передаваемого сигнала и повышения чувствительности канала приема в беспроводных сетях передачи данных, а также для компенсации потерь в канале между радиомодемом и антенной. Усилитель имеет внешнее исполнение и может быть установлен непосредственно на антенном посту. Использование усилителя позволяет организовать связь даже при самых неблагоприятных условиях соединения, например: при организации радиолинков в условиях городской застройки, когда обеспечивается "неполная прямая видимость" и работа осуществляется на отражённом сигнале; или же при сильной зашумлённости на используемых частотах. При включении усилителя в радиосистему в значительной степени увеличивается зона её покрытия. Характеристики распространённых усилителей:

табл. 12

NCS 2401	вход 4-100 мВт, выход 100 мВт
NCS 2405	вход 10-100 мВт, выход 500 мВт
NCS 2410	вход 10-100 мВт, выход 800-1000 мВт
NCS 2420	вход 10-100 мВт, выход 2000 мВт
Коэффициент усиления в режиме <прием>: 25дБ ± 3 дБ Коэффициент усиления в режиме <передача>: не менее 20дБ

При использовании усилителей необходимо учитывать следующее:

- если мощность передатчика точки доступа слишком велика и не попадает в диапазон допустимой интенсивности сигнала на входном порту усилителя, то использовать её с усилителем всё-таки можно, но необходимо включить в тракт между усилителем и точкой доступа кабельную сборку или какой-либо специальный элемент, затухание на котором обеспечит необходимое ослабление сигнала, с тем чтобы его интенсивность попала в допустимый диапазон; ослабляя переданный сигнал следует также помнить, что одновременно ослабляется и принятый сигнал. По этой причине усилители NCS24XX в основном используются совместно с точками доступа и беспроводными картами D-link, т.к. мощность их передатчиков – 32 мВт (15дБм), т.е. попадает в допустимый диапазон. Оборудование с более мощными передатчиками (100 – 200 – 250 мВт) как правило дополнительное усиление сигнала не требует.

Пример 4: подключим к точке доступа с мощностью передатчика 200 мВт усилитель NCS2405 – выходная мощность 500 мВт, для этого необходимо ослабить исходный сигнал на 100 мВт, т.е. в два раза или на 3 дБ, для этого включаем в схему аттенюатор с 3 –х децибеловым затуханием. Как вариант можно использовать десятиметровую кабельную сборку на основе кабеля с затуханием 0.3 дБ/м на частоте 2.4 ГГц.

Коэффициент усиления усилителей NCS24XX в режиме <передача> является функцией подводимой к нему мощности, т.е. он не является фиксированным; в усилителях используется адаптивное усиление, позволяющее получать приблизительно одинаковую выходную мощность, на которую рассчитан усилитель, при разных уровнях сигнала на входном порту.

Максимальное расстояние, на которое можно вынести усилитель от порта радиомодема, зависит от затухания на используемых элементах тракта. При этом необходимо чтобы уровень сигнала на входном порту усилителя попадал в допустимый диапазон, который указан в характеристиках усилителя, а так же чтобы уровень принятого от удалённого передатчика сигнала и усиленного в усилителе, имел достаточную интенсивность для восприятия приёмником после прохождения данной кабельной сборки

Пример 5: посчитаем максимальное расстояние от активного порта точки доступа (мощность 15дБм) поз.1 до входного порта усилителя NCS2401 поз. 7. Погонное затухание на кабеле на частоте 2.4Ггц возьмём по 0.3 дБ/метр. Найдём суммарное затухание тракта до порта усилителя (считаем схему без фильтра): 0.4дБ (pigtale) + 0.5дБ(инжектор)+5.25дБ (15-метровая кабельная сборка (затухание на кабеле 0.3 дБ/м + 2 коннектора по 0.75дб)=6.15дБ, значит мощность, которая попадёт на вход усилителя, будет равняться примерно 15-6.15=8.85дБм(~8мВт). Для усилителя NCS2401 нижняя граница допустимой интенсивности сигнала на входном порту 4мВт (6дБм), следовательно можно увеличить длину кабельной сборки ещё примерно на 6 метров, что внесёт дополнительное затухание равное 6*0.3=1.8dB. Тогда на вход усилителя попадёт 15-6.15-1.8=7.05дБм (1дБм оставим на запас), следовательно максимальное расстояние приблизительно 21 метр.

Теперь посмотрим что происходит с принятым сигналом.

Предположим, что от удалённого передатчика на усилитель поступает сигнал мощностью -98дБм; в режиме <приём> коэффициент усиления усилителя равен 25дБ; вспомним, что затухание 21-метрового тракта до порта радиомодема равно 7.95дБ (6.15+1.8). Найдём интенсивность сигнала поступившего на приёмник: -90+25-7.95=(-72.95дБм). Смотрим чувствительность приёмника используемого оборудования, например DWL-1000AP+

Табл.13

Скорость (Mбит/с)	Потери BER	Чувствительность (дБм)
	10-5	-80
	10-5	-79
5.5	10-5	-83
	0-5	-89

(-72.95дБм) > (-80дБм), следовательно оставляем длину кабельной сборки без изменений, так как на приёмник поступает допустимая интенсивность сигнала.

Кабельная сборка [HQNf-Nm1,5] поз.8 кабельная сборка 1,5м (QNf-Nm1,5 Кабель (переходник) N-type (female)<-> N-type (male) RG-8U 1,5м (HQ).

Модуль грозозащиты поз.9 Даже при наличии на крыше мачт громоотводов, которые исключают прямое попадание молнии в антенну, мощный грозовой разряд в непосредственной близости от внешней антенны может полностью вывести из строя всё приёмо-передающее оборудование. Все внешние антенны D-Link комплектуются грозозащитным модулем (surge agressor), который включается в антенно-фидерный тракт и заземляется. Разъёмы для подключения - N-type-female<---->N-type-male. Следует обратить внимание на то, что кроме заземления грозоразрядника необходимо также заземлить металлоконструкции (если таковые имеются), на которых устанавливаются антенны (мачты, вышки и т п.).

Переходник[TLK-NTYPE-MM] поз. 10- переходник N-Type Male-Male, служит для изменения типа порта с male на female, используется, чтобы подключить антенну.

Внешняя антенна [ANT24-2100] поз.11 В точке доступа устанавливаются антенны различного типа – вертикальные, с круговой диаграммой направленности, секторные, рупорные. В данной схеме установим направленную антенну с коэффициентом усиления 21 dBi. И с разъёмом N-type-female.

При покупке антенны, кроме её основных характеристик следует обращать внимание на её комплектацию - на то, как сделан антенный вывод. Он может быть выведен кабелем на 30-50 см или установлен непосредственно на антенне, в этом случае производить монтаж затруднительно.

- некоторые внешние антенны (ANT24-0500, ANT24-0801) комплектуются более длинными трёх метровыми pigtale-кабелями, что позволяет достаточно легко инсталлировать их.

Дополнительные примеры подключения внешних антенн

Рассмотрим простую беспроводную систему, в которой отсутствует усилитель, а антенно-фидерный тракт состоит только из пассивных элементов. Расстояние, на которое возможно вынести антенну в данном случае, ограничивается мощностью передатчика точки доступа и затуханием, вносимым пассивными элементами. При выносе антенны на большое расстояние как принятый антенной, так переданный передатчиком сигнал может полностью поглотится кабельными сборками и переходниками.

При использовании даже самой короткой кабельной сборки к антенне подводится мощность значительно меньшая исходной, что незамедлительно отразится на дальности действия радиосистемы. Чем выше будет коэффициент направленности антенны, тем больше скомпенсируется затухание на кабеле. Поэтому рекомендуется использовать в таких схемах кабельные сборки не длиннее 6 метров и, по возможности, антенны с максимальным коэффициентом усиления.

Если подключить точку доступа напрямую к антенне, исключив промежуточную кабельную сборку, то будет достигнута максимальная возможная для данного комплекта оборудования дальность связи. Схема "точка доступа + pigtale + surge_agressor + антенна" или "точка доступа + pigtale + антенна"довольно широко используется совместно с термобоксами - это позволяет установить точку доступа в непосредственной близости от антенного поста и минимизировать потери мощности сигнала.

Рис. 30

1. точка доступа DWL-900AP+
2. pigtale (в комплекте с антенной)
3. модуль грозозащиты (в комплекте с антенной)
4. антенна ANT24-1400

DWL-1000AP+ c двумя комнатными направленными антеннами DWL-R60AT (коэффициент усиления 6dBi). Неоспоримым достоинством этой схемы является то, что полностью исключены кабельные сборки и антенны подключены напрямую к точке доступа.

DWL-900AP+ подключённая к indoor антенне ANT24-1200. Эта антенна комплектуется 3-х метровым антенным кабелем. Антенна устанавливается с внутренней стороны окна на специальных присосках; её высокий коэффициент усиления -12dBi компенсирует все потери в кабеле.

DWL-g520+ совместно с комнатной антенной DWL-M60AT (коэффициент усиления 6dBi). Антенный вывод длинной в 1.5 метра позволяет легко подключить антенну к радиокарте. Затухание сигнала в этой схеме также минимально.

Рис 31

Вопросы самоконтроля

1. Структура сети LAN.
2. Поясните общие принципы построения систем радио-LAN с внешними антеннами.
3. Составьте схему линии «точка доступа – антенна» с активным усилением и поясните назначение включенных элементов;
4. Поясните подход к расчёту коэффициента усиления радиолинии (затухания и усиления сигнала, допуски на входные сигналы усилителей и точек доступа).
5. Сравните затухание в кабеле АФУ систем IEEE 802.11 и систем профессиональной связи PMR диапазонов VHF и UHF. Какие общие принципы необходимо соблюдать при проектировании АФУ, особенно для систем IEEE 802.11?
6. Перечислите возможные варианты установки точки доступа и примеры подключения внешних антенн. Назначение термобокса?
7. Как правильно установить грозозащиту? Перечислите все необходимые устройства для обеспечения грозозащиты внешних антенн и зоны их установки.
8. Какой уровень затухания вносит разъём кабельной сборки в диапазоне 2,4 ГГц?
9. Назовите типы внешних антенн, используемых для организации связи в стандарте IEEE 802.11 и критерии их выбора.
10. Назовите мощность передатчиков точек доступа, мостов IEEE 802.11 и дополнительных усилителей.