Контрольно-проверочная работа
Для студентов специальности «Программирование в компьютерных системах» (заочное отделение)
Тема: Расчет параметров беспроводной сети передачи данных
Цель: Изучение методики определения параметров беспроводной сети передачи данных
Теоретическая часть
Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi – Вик Хейз находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Wi-Fi – это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их к Internet. Сети Wireless LAN (WLAN) – это беспроводные сети, где вместо обычных проводов используются радиоволны. Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.
WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:
· WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;
· пользователи мобильных устройств при подключении к локальным беспроводным сетям могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;
|
|
· скорость современных сетей довольно высока, что позволяет использовать их для решения очень широкого спектра задач;
· WLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.
Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная сеть, либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты.
Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi адаптеры (рис. 1) и точки доступа (рис. 2). Wi-Fi адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерами. Такая сеть называется беспроводной одноранговой сетью или Ad Hoc. Адаптер также может устанавливать связь через специальное устройство – точку доступа. Такой режим называется инфраструктурой. Для выбора способа подключения адаптер должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.
Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.
Рис. 1. Адаптеры Рис. 2. Точка доступа
Из всех существующих стандартов беспроводной передачи данных IEEE 802.11 на практике чаще всего используются всего три стандарта, определенные Инженерным институтом электротехники и радиоэлектроники (IEEE): 802.11b, 802.11a и 802.11g.
В стандарте IEEE 802.11b благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных локальных сетей Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.
|
|
Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое снижение скорости при ухудшении качества сигнала.
Стандарт IEEE 802.11a имеет большую ширину полосы из семейства стандартов 802.11 при скорости передачи данных до 54 Мбит/с.
В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11a предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).
К недостаткам 802.11a относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия.
Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с, поэтому на сегодня это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.
При организации беспроводной локальной сети необходимо учитывать некоторые особенности окружающей среды. На качество и дальность работы связи влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал. Обычно расстояние зависит от типа материалов и радиочастотного шума от других электроприборов в помещении. Для улучшения качества связи надо следовать базовым принципам:
|
|
· Сократить число стен и перекрытий между абонентами беспроводной сети – каждая стена и перекрытие отнимает от максимального радиуса от 1 м до 25 м. Расположить точки доступа и абонентов сети так, чтобы количество преград между ними было минимальным.
· Проверить угол между точками доступа и абонентами сети. Стена толщиной 0,5 м при угле в 30 градусов для радиоволны становится стеной толщиной 1 м. При угле в 2 градуса стена становится преградой толщиной в 12 м! Надо стараться расположить абонентов сети так, чтобы сигнал проходил под углом в 90 градусов к перекрытиям или стенам.
· Строительные материалы влияют на прохождение сигнала по-разному – целиком металлические двери или алюминиевая облицовка негативно сказываются на передаче радиоволн. Желательно, чтобы между абонентами сети не было металлических или железобетонных препятствий.
· С помощью программного обеспечения проверки мощности сигнала надо позиционировать антенну на лучший прием.
· Удалить от абонентов беспроводных сетей, по крайней мере, на 1-2 метра электроприборы, генерирующие радиопомехи, микроволновые печи, мониторы, электромоторы, ИБП. Для уменьшения помех эти приборы должны быть надежно заземлены.
· Если используются беспроводные телефоны стандарта 2,4 ГГц или оборудование X-10 (например, системы сигнализации), качество беспроводной связи может заметно ухудшиться или прерваться.
Для усиления радиосигнала часто применяются дополнительные антенны. Антенну можно определить как проводник, используемый для излучения или улавливания электромагнитной энергии из пространства. Для передачи сигнала радиочастотные электрические импульсы передатчика с помощью антенны преобразуются в электромагнитную энергию, которая излучается в окружающее пространство. При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего подается на приемник.
Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлений неодинакова. Наиболее распространенным способом определения эффективности антенны является диаграмма направленности, которая представляет собой зависимость излучающих свойств антенны от пространственных координат. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы (рис. 3).
Рис. 3. Диаграммы направленности
Важной характеристикой антенны является ее поляризация (рис. 4). В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического E и магнитного H полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определенным образом. Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства.
Рис. 4. Вертикальная (а) и горизонтальная (б) поляризации
Коэффициент усиления является мерой направленности антенны. Данный параметр определяется как отношение мощности сигнала, излученного в определенном направлении, к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной в любом направлении.
Коэффициент усиления антенны по отношению к дипольной антенне обычно дается в дБ (dB), а по отношению к изотропной – в дБи (dBi).
,
где P1 – измеренная мощность (Вт); P2 – эталонная мощность (Вт); V1 – измеренное напряжение (В); V2 – эталонное напряжение (В).
При распространении сигнал, излученный антенной, может огибать поверхность Земли, отражаться от верхних слоев атмосферы либо распространяться вдоль линии прямой видимости.
При огибании поверхности Земли (рис. 5) путь распространения сигнала в той или иной степени повторяет контур планеты. Передача может производиться на значительные расстояния, намного превышающие пределы прямой видимости. Данный эффект имеет место для частот до 2 МГц. На способность сигналов, принадлежащих данной полосе частот, повторять кривизну земной поверхности влияет фактор дифракции электромагнитных волн. Данное явление связано с поведением электромагнитных волн при наличии препятствий.
Рассеяние электромагнитных волн указанного диапазона в атмосфере происходит таким образом, что в верхние атмосферные слои эти волны не попадают.
Рис. 5. Распространение околоземных волн (частота до 2 МГц)
Если частота радиосигнала превышает 30 МГц, то огибание им земной поверхности и отражение от верхних слоев атмосферы становятся невозможными. В этом случае связь должна осуществляться в пределах прямой видимости (рис. 6).
Рис. 6. Распространение сигнала вдоль линии видимости (частота свыше 30 МГц)
Связь между точками доступа, работающими в стандартах 802.11a, 802.11b и 802.11g обычно рассчитывается на линию прямой видимости.
Искажения сигнала
· Затухание
При передаче сигнала в любой среде его интенсивность уменьшается с расстоянием. Такое ослабление, или затухание, в общем случае логарифмически зависит от расстояния. При рассмотрении затухания важны три фактора.
Полученный сигнал должен обладать мощностью, достаточной для его обнаружения и интерпретации приемником.
Чтобы при получении отсутствовали ошибки, мощность сигнала должна поддерживаться на уровне, в достаточной мере превышающем шум.
При повышении частоты сигнала затухание возрастает, что приводит к искажению.
· Потери в свободном пространстве
Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излученного сигнала к мощности полученного сигнала.
,
где Pt – мощность сигнала передающей антенны; Pr – мощность сигнала, поступающего на антенну приемника;λ – длина волны несущей; d – расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами; Gt - коэффициент усиления передающей антенны; Gr – коэффициент усиления антенны приемника.
· Шум
Шумы можно разделить на четыре категории:
· тепловой шум;
· интермодуляционные шумы;
· перекрестные помехи;
· импульсные помехи.
· Атмосферное поглощение
Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала.
Методика расчета
Формула расчета дальности связи:
,
где FSL (Free Space Loss) – потери в свободном пространстве (дБ); F – центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц); D – расстояние между двумя точками (км).
FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:
YдБ=P(t,дБмВт)+G(t,дБu)+G(r,дБu)–P(min,дБмВт)–L(t,дБ)–L(r,дБ),
где P(t,дБмВт) – мощность передатчика; G(t,дБu) – коэффициент усиления передающей антенны; G(r,дБu) – коэффициент усиления приемной антенны; P(min,дБмВт) – чувствительность приемника на данной скорости; L(t,дБ) – потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта; L(r,дБ) – потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.
Табл. 1. Зависимость чувствительности от скорости передачи данных
Скорость Чувствительность
54 Мбит/с -66 дБмВт
48 Мбит/с -71 дБмВт
36 Мбит/с -76 дБмВт
24 Мбит/с -80 дБмВт
18 Мбит/с -83 дБмВт
12 Мбит/с -85 дБмВт
9 Мбит/с -86 дБмВт
6 Мбит/с -87 дБмВт
Для каждой скорости приемник имеет определенную чувствительность. В качестве примера в таблице 1 приведены несколько характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g.
FSL вычисляется по формуле
FSL=YдБ−SOM,
где SOM(System Operating Margin) – запас в энергетике радиосвязи (дБ).
Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:
· температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
· всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;
· рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом.
Параметр SOM обычно берется равным 10 дБ. Центральная частота канала F берется из таблицы 2.
Табл.2. Вычисление центральной частоты