Книга: Wi-Fi. Беспроводная сеть

Внешние антенны

Если вы можете осуществить надежную высокоскоростную передачу данных в любую точку в зоне покрытия сети с антеннами, встроенными в сетевые адаптеры, и антеннами, прикрепленными к вашим точкам доступа, нет абсолютно никакой причины тратить время, деньги или усилия на приобретение внешних антенн. Как только вы достигнете максимально возможной скорости, более дорогая антенна не сможет передавать данные еще быстрее.

Однако, если вы хотите передать радиосигнал на максимально возможное расстояние в условиях приема, далеких от идеальных, отдельная антенна может справиться с помехами, увеличить скорость передачи данных, расширить зону покрытия сети и реализовать надежную связь в местах, где все это было невозможным с простыми внутренними антеннами.

На первый взгляд, наиболее простым способом повышения качества радиосигнала является увеличение мощности, излучаемой передатчиком. Как хотелось бы обычные 30 мВт, выдаваемые большинством беспроводных адаптеров (это 0,030 Вт), превратить в 10–20 Вт или более? Разве это не сделает сигнал гораздо более сильным?

Разумеется, да, но FCC и другие агентства по всему миру, регулирующие работу радиослужб, не позволят вам сделать это. Более мощная радиоаппаратура будет излучать сигналы, которые создадут серьезные помехи на более широкой территории. Это означает, что меньшее количество пользователей сможет использовать один и тот же участок радиоспектра.

Телевизионная станция, использующая канал № 4 в Нью-Йорке, вещает с уровнем выходной мощности 100 000 Вт, но ближайшая станция, использующая тот же канал, находится в Бостоне, в паре сотен миль оттуда. Радиоаппаратура в беспроводной сети использует мощность менее ватта, поэтому сигнал практически пропадает на расстоянии нескольких сотен метров.

Так как вы не можете увеличить мощность, излучаемую радиопередатчиками, наилучшим способом повышения качества сигнала становится оптимизация характеристик антенны.

Выпускаются радиоантенны двух типов: всенаправленные, передающие и принимающие во всех направлениях с равной мощностью, и направленные, фокусирующие свою энергию и чувствительность в заданном направлении.

В беспроводной сети точка доступа с всенаправленной антенной наиболее полезна, если вы хотите охватить большую площадь. Сетевой адаптер с всенаправленной антенной может одинаково хорошо осуществлять связь с любой близлежащей точкой доступа. Если рабочая зона беспроводной сети лежит за пределами области, которую вы можете достичь с помощью внутренних всенаправленных антенн, с помощью внешней антенны можно увеличить площадь примерно на 15 %.

Другими словами, если качество сигнала вашей связи начинает падать на расстоянии дальше 100 м от ближайшей точки доступа, вы можете увеличить зону действия полезного сигнала примерно до 115 м, используя внешнюю всенаправленную антенну либо для точки доступа, либо для сетевого адаптера. Если вы используете внешние антенны на обеих сторонах, можно охватить примерно 132 м. Разумеется, это значение является лишь легким для вычисления примером. Реальная зона действия пары внутренних антенн может быть очень разной, в зависимости от препятствий между обоими устройствами и помех от других радиосигналов. Однако данный 15-процентный показатель улучшения для каждой антенны будет оставаться примерно одинаковым.

Форма зоны покрытия направленной антенны и значение коэффициента усиления (мощность сигнала передатчика и чувствительность приемника) зависят от конкретной конструкции каждой антенны. Некоторые направленные антенны могут обеспечивать лишь умеренное значение коэффициента усиления при широком лепестке (как прожектор), тогда как другие — в три-четыре (или более) раза больший коэффициент усиления при гораздо более узком лепестке (как фара-искатель).

Направленные антенны могут обеспечить значительное улучшение качества сигнала в узкой зоне покрытия. Кроме того, они способны уменьшить помехи от «боковых» зон за пределами данного лепестка. Таким образом, направленные антенны в беспроводной сети могут выполнять несколько функций:

— позволяют пользователю за пределами «нормальной» зоны покрытия подключиться к сети;

— увеличивают эффективную зону покрытия, обслуживаемую точкой доступа, через ограничение зоны покрытия одним направлением;

— снижают или устраняют эффект перекрестных помех от других радиосигналов;

— снижают количество помех, создаваемых беспроводной сетью для другой радиоаппаратуры;

— помогают реализовывать удаленные стационарные соединения точка-точка между зданиями.

Характеристики антенн

В настоящее время выпускаются внешние антенны различных размеров и форм.

При выборе антенны вы должны учитывать несколько параметров, включая зону покрытия, коэффициент усиления, форм-фактор и герметизацию.

Диаграмма направленности

Спецификация для каждой антенны содержит диаграмму, показывающую границы зоны покрытия антенны. Вообще диаграмма может быть либо всенаправленной (антенна, которая излучает или принимает одинаково хорошо во всех направлениях), либо направленной (с наибольшим излучением или чувствительностью в одном направлении), либо в виде восьмерки (с сильным излучением впереди и сзади и слабым — по бокам антенны).

Каталоги и спецификации по направленным антеннам также обычно содержат угол апертуры, ширину луча или зону захвата, выраженные в градусах. Апертурный угол представляет собой сектор круга, в котором располагается зона максимального излучения или чувствительности антенны. Например, если антенна имеет апертурный угол 45°, максимальное излучение или чувствительность расширяется по направлению вперед от антенны с идентичным углом.

Направленные антенны излучают во всех направлениях, поэтому большинство производителей информирует вас о ширине луча более чем в одной плоскости. Эта информация может быть важна, когда вы планируете разместить антенну точки доступа на стене, крыше или мачте и осуществлять обмен данными с наземными сетевыми узлами.

Коэффициент усиления

По сравнению со стандартной дипольной антенной коэффициент усиления антенны представляет собой значение передаваемой мощности или приемной чувствительности (диполем является прямая, запитанная в центре полуволновой длины антенна типа Т-образной двухвыводной антенны, поставляемой со многими FM-радиоприемниками и тюнерами). Коэффициент усиления обычно выражается в dBi (децибелы по отношению к изотропной среде). Антенна с высоким значением dBi имеет больший коэффициент усиления, чем такая же с меньшим его значением.

Зачастую между шириной луча антенны и ее коэффициентом усиления существует компромисс. Антенна с узким апертурным углом фокусирует то же самое количество мощности (или чувствительности) в меньшей зоне.

Форм-фактор

Дипольная антенна для радиоаппаратуры диапазона 2,4 ГГц занимает только 2,54 см в длину, однако рефлекторы и другие элементы, увеличивающие коэффициент усиления и направленные характеристики, могут быть гораздо длиннее.

Многие антенны поставляются внутри защитного покрытия, которое не влияет на их работу, сохраняя антенну в чистоте и порядке и упрощая ее монтаж.

Всенаправленные антенны практически всегда представляют собой вертикальные штыри или стержни не более 5–7 см в диаметре. Некоторые антенны с высоким коэффициентом усиления могут достигать двух-трех метров в длину.

Для комнатного использования, особенно в помещениях с подвесными потолками, специальные всенаправленные антенны могут стать прекрасным выбором для беспроводной сети при потолочном монтаже.

Направленные антенны могут иметь множество форм, включая параболические тарелки и панели с рефлектором позади активной части; антенны, напоминающие укороченную версию телевизионных, монтируемых на крыше, и решетки с несколькими излучающими элементами в плоском корпусе, напоминающем детектор дыма, или монтируемые на шарнире для более точного направления антенны.

Герметизация

Внешние антенны обычно нуждаются в защите от дождя, снега и ультрафиолетового излучения, которая может повредить материал самой антенны. Поэтому многие производители предлагают антенны с защищенными элементами внутри герметичных корпусов.

Не имеет смысла применять герметичный корпус в комнатных условиях, где целью является максимально избавить антенну от преград. Некоторые антенны рекомендуются для «комнатного/наружного применения», но единственное, что изменится при их использовании в комнатных условиях, — это цена.

Как выбрать антенну

Важно помнить, что нет особой необходимости устанавливать антенну с большим коэффициентом усиления, чем требуется на самом деле. Если вы можете реализовать чистую связь при помощи антенны с низким коэффициентом усиления, сеть не станет лучше или быстрее передавать данные от того, что точка доступа качественнее отправляет и принимает сигналы. Фактически, и с более совершенной антенной качество сигнала может оставаться невысоким, поскольку она будет принимать больше шума и помех от других сетей и устройств в диапазоне 2,4 ГГц.

Стандартная всенаправленная антенна должна стать вашим выбором до тех пор, пока у вас не появится веская причина использовать другой тип подобного устройства. Если вам нужна направленная антенна, выберите ту, которая покрывает необходимую зону с максимальной эффективностью. Если у вас нет необходимости охватывать обширную зону, не тратьте деньги на антенну с высоким коэффициентом усиления. Наименьшее значение коэффициента усиления, необходимое для доступа ко всем узлам вашей сети, будет лучшим вариантом, чем более дорогие антенны большего размера, передающие сигнал в места, где, кроме неавторизованных пользователей, никто и никогда не будет его использовать.

Всегда лучше приобретать антенны от поставщика используемой вами радиоаппаратуры, чтобы предотвратить поиск двух или более виновных, когда оборудование отказывается работать надлежащим образом. Тем не менее, если сеть требует некоторой разновидности специальной антенны, которую невозможно достать у производителей или продавцов вашей радиоаппаратуры, не бойтесь обратиться к продавцу-консультанту.

Не разоряйте сами себя

Некоторые разработчики беспроводных сетей спроектировали целый класс экспериментальных кустарных антенн для работы в диапазоне 2,4 ГГц, используя дешевые и легкодоступные материалы, сопоставимые по цене с полной банкой картофельных чипсов Pringles. Об этих антеннах более подробно мы расскажем в главе 10.

До тех пор, пока у вас не появится мастерская, полная инструментов и тестового оборудования, такие кустарные антенны не обеспечат каких-либо преимуществ по сравнению с покупной антенной с хорошо продуманными рабочими характеристиками. После подсчета стоимости материалов и времени, необходимого для создания и испытания кустарной антенны (включая непременное посещение местной лавочки по продаже комплектующих, где вы потратите по меньшей мере 45 мин на поиски необходимых деталей), цена магазинной антенны уже не покажется вам слишком высокой.

Например, примерно за 50 долларов можно приобрести направленную антенну с более высоким коэффициентом усиления, чем стандартная Pringles-версия от HyperGain (http://www.hyperlinktech.com/web/antennas).

Где используется направленная антенна

Существует три способа использования направленных антенн: для точки доступа, для сетевого адаптера или для обоих устройств.

Для точки доступа

Направленная антенна для точки доступа будет обеспечивать более мощный сигнал для всех сетевых узлов, находящихся в пределах зоны покрытия.

Поэтому можно обслуживать пользователей, находящихся далеко от точки доступа, и одновременно улучшить качество сигнала для ближних пользователей. В сети, требующей нескольких точек доступа для обеспечения полной зоны покрытия, более эффективной может стать точка доступа с направленной антенной на одном конце предполагаемой зоны покрытия. Как показано на рис. 2.11, направленная антенна может концентрировать весь сигнал в местах, где он должен использоваться, а не равномерно распространять его во всех направлениях.

Рис. 2.11

В данном примере угол раскрытия направленной антенны составляет примерно 90°, поэтому она распространяет сигнал внутрь здания, не расходуя энергию на подачу сигналов в другие зоны.

Направленные антенны также могут быть полезны для расширения зоны покрытия в одном направлении и распространения сигнала в мертвые точки и места, где точки доступа с всенаправленными антеннами не обеспечивают приемлемого сигнала.

Для сетевого адаптера

При высоком уровне шума другим вариантом является размещение направленной антенны в беспроводном сетевом адаптере и ориентирование ее на точку доступа с всенаправленной антенной. Это наилучший способ добавить узел в сеть через точку доступа, которая также обслуживает других, ближе расположенных сетевых клиентов. Чтобы ликвидировать затраты и неудобство установки другой точки доступа или прокладки Ethernet-кабеля к отдельному изолированному пользователю, попытайтесь использовать направленную антенну для сетевого адаптера данного пользователя.

Дпя точки доступа и сетевого адаптера

Сеть, в которой используются направленные антенны с высоким коэффициентом усиления на обеих сторонах, как правило, охватывают большое пространство. При сохранении прямой видимости без помех от деревьев или зданий передача с крыши на вершину холма может вестись на несколько километров.

Направление антенн друг на друга для максимальной силы сигнала весьма критично для связей на длинные дистанции — поворот одной антенны (или обеих) всего на пару градусов может внести разницу между сильным сигналом и его полным отсутствием. Углы раскрытия дисковых и параболических антенн могут быть предельно узкими.

При отдельном перемещении каждого из обоих концов связи возникают две дополнительные сложности. Если антенны размещены недостаточно высоко, кривизна Земли и электромагнитный феномен, называемый зонами Френеля (Fresnel Zone), могут оказать серьезное влияние на качество связи.

На частоте 2,4 ГГц высота подвеса двух антенн должна быть не менее 13 м над землей или иными препятствиями для организации связи на расстоянии в километр. Для пяти километров минимальная высота подвеса увеличивается до 35 м, а для десяти километров минимальная высота составляет 57 м.

Оглавление книги