Budżet łącza

Obliczenie budżetu łącza jest bardzo ważnym elementem podczas projektowania sieci bezprzewodowych. Należy tak dobrać poszczególne elementy sieci, aby moc sygnału wypromieniowanego przez nadajnik jednego urządzenia była wystarczająca do prawidłowego jego odbioru przez drugie urządzenie. Zanim przystąpimy do fizycznego montażu urządzeń warto sprawdzić, czy jest możliwe uzyskanie połączenia w sposób teoretyczny. W rozdziale “Fizyczne komponenty” przedstawiliśmy podstawowe parametry elementów wykorzystywanych do budowy sieci bezprzewodowych. Dysponując wiedzą na temat parametrów wykorzystanych do danego połączenia elementów możemy sprawdzić, czy jest możliwe uzyskanie połączenia. W tym celu należy dodać do siebie wartości wzmocnienia wszystkich elementów uczestniczących w transmisji, następnie odjąć wartości wprowadzanego tłumienia a otrzymany wynik porównać z czułością urządzenia odbiorczego.

Na wielu stronach internetowych opisujących zagadnienia związane z sieciami WiFi znajdują się tzw. kalkulatory zasięgu, które umożliwiają sprawdzenie budżetu łącza dla podanych przez użytkownika parametrów [21]. W przypadku dwóch identycznych zestawów dokonujemy obliczeń tylko raz, natomiast gdy parametry urządzeń różnią się od siebie należy wykonać obliczenia w obie strony. W przypadku poszczególnych urządzeń wymagane parametry znajdują się w ich dokumentacjach, natomiast większy problem sprawia oszacowanie tłumienia w przestrzeni pomiędzy antenami nadajnika i odbiornika. Gdy projektujemy łącze na duże odległości możemy skorzystać z modelu propagacji w wolnej przestrzeni (FSL), który zakłada, że:

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

FSL dla częstotliwości 2,4GHz obliczamy w/g wzoru [23]:

Lp(dB)=100+20Log10(d) , gdzie d jest odległością podaną w km.

Wzór uwzględniający dokładną częstotliwość fali wygląda następująco [3]:

Lp(dB)=20Log10(d)+20Log10(f)+32,4

– gdzie d to odległość w km, f to częstotliwość w MHz. Tabela 3 przedstawia obliczone wartości tłumienia dla wybranych odległości pomiędzy dwoma urządzeniami nadawczymi.
Tabela 3. Zależność tłumienia fal radiowych od odległości pomiędzy nadajnikami.

Dla porównania podano wartości tłumienia dla skrajnych kanałów nadawczych oraz dla kanału środkowego. Jak widać najmniejsze tłumienie występuje na kanale 1, różnice w tłumieniu na poszczególnych kanałach są nieznaczne i można je praktycznie pominąć. Poniżej przedstawiamy przykładowe obliczenie budżetu łącza dla kart D-Link DWL-520+ podłączonych do anten kierunkowych typu Yagi o wzmocnieniu 16 dBi za pomocą kabla H-155 o długości 5 metrów (każdy metr zastosowanego kabla H-155 to zwiększenie tłumienia o 0,49 dB).
Tabela 4. Obliczenie budżetu łącza

Porównując otrzymaną moc sygnału docierającego do odbiornika z jego czułością wynoszącą -80 dB dla prędkości transmisji 22 Mbps, uzyskamy informację o możliwości uzyskania połączenia. Z przykładu wynika, że moc sygnału odbieranego przez nadajnik jest o 14 dB większa od wymaganej do zapewnienia transmisji pomiędzy dwoma urządzeniami z najwyższą prędkością. Jest to bardzo duży zapas uniezależniający jakość połączenia od panujących warunków pogodowych. Niestety w praktyce występuje szereg zakłóceń zewnętrznych, które mogą zmniejszyć rzeczywistą siłę sygnału doprowadzając do zmniejszenia prędkości transmisji lub nawet do uniemożliwienia wykonania połączenia. Warto również zaznaczyć, że większość dostępnych w sprzedaży anten to anteny produkowane w warunkach amatorskich, a ich teoretyczne wzmocnienie odbiega w sposób znaczący od rzeczywistego. W kolejnym przykładzie przedstawiamy nieprawidłowo dobrane elementy toru radiowego, które nie gwarantują uzyskania pewnego połączenia.
Tabela 5. Obliczenie budżetu łącza

W tym przykładzie nie jest możliwe uzyskanie połączenia pomiędzy dwoma kartami sieciowymi nawet z prędkością 1 Mbps ( czułość karty D-Link DWL-520+ dla prędkości 1 Mbps wynosi -92 dB). Powyższe przykłady odnoszą się do połączeń, w których uwzględniono optyczną widoczność obydwóch anten. Istnieje możliwość zestawienia połączenia w sytuacji, gdy na drodze pomiędzy antenami znajdują się przeszkody, jednakże w tym przypadku możliwa do uzyskania odległość jest znacznie mniejsza. Doświadczalnie uzyskaliśmy połączenie na odległość 3,5 km w sytuacji, gdy na drodze pomiędzy antenami znajdowało się kilka drzew. Należy mieć jednak na uwadze fakt, że takie połączenia są z zasady bardziej narażone na zakłócenia wynikające ze zmiennych warunków pogodowych. Bezpośrednia widoczność anten nie jest warunkiem wystarczającym do zestawienia połączenia radiowego. Bardzo ważnym pojęciem związanym z transmisją radiową jest tzw. Strefa Fresnela [23]. Strefa Fresnela to obszar aktywnie uczestniczący w przenoszeniu energii sygnału radiowego. Jej kształt w przekroju wzdłużnym jest elipsą, a w przekroju poprzecznym jest okręgiem. Rysunek 6.1 przedstawia kształt strefy Fresnela.

Wzór na obliczenie promienia I strefy Fresnela przedstawia się w sposób następujący:

gdzie d1km to odległość od pierwszej anteny, d2km odległość od drugiej anteny, dkm odległość pomiędzy antenami, f częstotliwość w GHz. W praktyce zapewnienie minimum 60% widoczności w I strefie Fresnela gwarantuje minimalne straty mocy nie mające wpływu na jakość ustanawianego połączenia. Rysunek 6.2 przedstawia niewłaściwą instalację anten urządzeń nadawczych.

Jak można zauważyć na rysunku nie została zapewniona optyczna widoczność anten nadawczych. W takiej sytuacji niemożliwe jest uzyskanie połączenia (możliwość taka istnieje tylko w sytuacji, gdy moc wypromieniowana jest znacznie większa niż potrzebna do uzyskania połączenia w warunkach zachowania widoczności). Nie jest to częsty błąd instalacyjny. Bardzo łatwo można sprawdzić, czy z punktu A widoczna jest antena B. Rysunek 6.3 przedstawia brak zachowania widoczności w I strefie Fresnela.

Jak widać na rysunku zachowana została optyczna widoczność anten, natomiast brak jest widoczności w I strefie Fresnela. Uzyskanie połączenia może być utrudnione, a nawet całkowicie niemożliwe. Jest to często spotykany błąd instalacyjny, ponieważ trudno jest określić (szczególnie przy dużych odległościach) zachowanie widoczności w I strefie Fresnela. Rysunek 6.4 przedstawia prawidłowo wykonaną instalację.

Jak widać na rysunku została zachowana widoczność anten, jak również całkowita widoczność w strefie Fresnela. Tabela 4 zawiera zestawienie przykładowych zależności pomiędzy odległościami anten nadawczych oraz odpowiadającym im promieniom I strefy Fresnela.
Tabela 6.Zależność promienia strefy Fresnela od odległości pomiędzy antenami

Należy zwrócić uwagę, że chcąc uzyskać połączenie na przykładową odległość 2km, przy zachowaniu całkowitego braku przeszkód pomiędzy antenami (pole, jezioro itp.) należy je zamontować na wysokości minimum 5 metrów. W przypadku wykonywania łącza w terenie zabudowanym wysokość, na której powinny zostać zainstalowane anteny to 5m powyżej dachów zabudowań znajdujących się pomiędzy łączonymi punktami. Ostatnim istotnym zagadnieniem dotyczącym budżetu łącza jest zgodność wykonywanych instalacji z polskim prawem. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 sierpnia 2002 roku w sprawie urządzeń nadawczych, które mogą być używane bez pozwolenia określa szczegółowe zasady korzystania z pasma 2,4 GHz do przesyłania danych w sieciach bezprzewodowych [25]. Zgodnie z tym rozporządzeniem moc zestawu nadawczego wykorzystywanego do bezprzewodowej transmisji danych w sieciach WiFi nie może przekraczać 20 dB. Praktycznie wszystkie dostępne w sprzedaży urządzenia zgodne są z określonym w rozporządzeniu warunkiem dopuszczającym je do użytku. Dotyczy to jednak urządzeń z oryginalnymi zamontowanymi antenami. W przypadku zastosowania anteny zewnętrznej moc wypromieniowana przez stworzony w ten sposób zestaw zależna jest od mocy nadajnika, tłumienia złącz oraz kabla i wzmocnienia anteny. Oszacowanie mocy sygnału wysyłanego przez zestaw określone jest wzorem [3]:

EIRP(dB)=moc nadajnika (dB) - tłumienie złącz (dB) - tłumienie kabla (dB) + wzmocnienie anteny (dBi).

Przykładowo dla karty D-Link DWL-520+ z anteną typu Yagi Z-16Au i 10m kabla H155 moc wypromieniowana wyniesie:

EIRP=15 dBm-1 dB - 4,9 dB+16 dBi = 25,1 dB

natomiast dla zestawu D-Link DWL-520+ z anteną panelową 8dB i 10m kabla H155 moc wypromieniowana wyniesie:

EIRP=15 dBm -1 dB – 4,9 dB + 8 dBi = 17,1 dB

Z powyższych obliczeń wynika, że bardzo łatwo przekroczyć dopuszczalną moc nadawania nadajnika. Projektując połączenie na znaczne odległości należy pamiętać, że korzystniejsze jest zastosowanie urządzenia o mniejszej mocy nadajnika z anteną o większym wzmocnieniu, niż nadajnika o większym wzmocnieniu i anteny o mniejszym wzmocnieniu. Wynika to z faktu, że antena wzmacnia sygnał zarówno wysyłany jak również odbierany przez urządzenie. Przykładowo zastosowanie zestawów o identycznej mocy wyjściowej:
17 dBm + 8 dBi (moc nadajnika 17 dBm, wzmocnienie anteny 8 dBi),
12 dBm + 13 dBi (moc nadajnika 12 dBm, wzmocnienie anteny 13 dBi), spowoduje uzyskanie różnej ich czułości (czyli możliwej do uzyskania odległości). Dodatkowe 5 dB uzyskujemy, ponieważ antena o wzmocnieniu 13 dBi bierze również udział we wzmocnieniu sygnału odbieranego, natomiast moc nadajnika jest istotna wyłącznie w trakcie nadawania. Przy zastosowaniu typowych urządzeń do transmisji bezprzewodowej możemy uzyskać zgodne z polskim prawem połączenie na odległość ok. 1,5 do 2 km. Powstaje w związku z tym pytanie: Czy można w takim razie zestawić zgodnie z prawem połączenie na odległość większą od 2 km? Odpowiedź brzmi TAK, pod pewnymi warunkami:
1 - należy uzyskać certyfikat na zestaw z określoną jego mocą
2 - należy uzyskać stosowne pozwolenie w URTiP [24].
Rozwiązanie to wiąże się z pewnymi kosztami, lecz umożliwia legalne wykonywanie połączeń na duże odległości. Najczęściej wykorzystywane jest do połączeń typu punkt-punkt do dystrybucji połączeń z siecią internet w miejscach, gdzie niemożliwe jest uzyskanie łącza internetowego typu DSL.