Výkony a limity CTU a GL c.12/R/2000
Dosah jakéhokoliv rádiového spojení je založen na jediném principu - úroven signálu, který vyjde z výstupu vysílace, muže po ceste poklesnout jen natolik, aby byla na vstupu prijímace vyšší, než je jeho citlivost (tedy schopnost ho ješte zpracovat). Úroven signálu naštestí nemusí po ceste jen klesat, např. zisk antén je témer vždy kladný a proto signál "zesilují".
Ve Wi-Fi jsme pri plánování bezdrátových spojku omezeni duležitým faktem - úroven vysílaného signálu na výstupu z antény nesmí presáhnout urcitou maximální hodnotu. Ta je stanovena Ceským telekomunikacním úradem (CTÚ) v tzv. Generální licenci c. GL-12/R/2000, naposledy doplnené v minulém roce (2003). Generální licence užívá pomerne složité pojmy, ale pro další výpocty stací pouze vyjít z toho, že by nemela být prekrocena hodnota +20 dBm.
Jednotka dBm je vztažena k výkonu 1 miliwatt, tj. pokud má zařízení výkon 1 mW, rovná se to výkonu 0 dBm; 17 dBm odpovídá výkonu 50 mW a 20 dBm pak výkonu 100 mW neboli maximální hodnote povolené CTU.
O decibelu (dB):
Aby se úrovne, zisky a útlumy snadno pocítaly, používají se decibely (dB). Je to bezrozmerná jednotka , která umožňuje používat místo pojmu změna o Y dB. Kladná hodnota v dB znamená poměr vetší než jedna, záporná hodnota v dB znamená poměr menší než jedna. Pri vyjadrování úbytku (útlumu) nebo prírustku (zisku) znamená 0 dB žádný útlum a žádný zisk, tedy poměr 1:1, tj. v obou prípadech je na výstupu stejná úroven jako na vstupu.
Vyjadrujeme-li v dB i absolutní úroven (sílu) signálu, pak jsou to vždy dB vztažené k nejaké (dohodnuté, standardní) hodnote. Tedy 0 dB signálu neznamená žádný signál, ale naopak presne tu samou úroven, na které jsme se predem domluvili a ke které vše vztahujeme. Úroven signálu vyjádrená v dB muže být i záporná - je-li signál menší, než ta vztažná hodnota. Je treba mít vždy na pameti, že dB vždy vyjadruje pouze poměr!
Zisk antény vyjadrovaný v dB:
Zisk antény (v dB) je vyjádrením pomeru. Do antén není privádena žádná dodatecná energie (pouze VF signál z karty ci access pointu) a tak se tam signál nemuže nijak zesílit (myšleno v absolutních jednotkách). Anténa, která má kladný zisk, je vždy anténa nejakým zpusobem smerová, tj. soustredí svoji vysílací/prijímací schopnost jen do urcitého smeru, zatímco jiný smer se stává
"hluchým". Zisk antény je pak vyjádrením pomeru, kolikrát je ten urcitý preferovaný smer antény zvýhodnen oproti situaci, kdyby se anténa chovala ve všech smerech stejne (tj. její tzv. vyzařovací diagram by byl ideální koule). I všesmerová anténa má zisk, je totiž všesmerová jen v jedné rovine a její vyzařovací diagram je placka (více nebo méne placatejší). Proto všesmerová anténa příliš nefunguje ani nad sebe (kde to ani tak moc nepotrebujeme), ani pod sebe (kde už by nám to nekdy chybet mohlo).
Pri porovnávání antén se dále mužete setkat s jednotkami dBi a dBd - dBi je vztaženo k výkonu izotropního zárice a dBd k výkonu pulvlnného dipólu. Pokud vám tedy bude výrobce antény tvrdit, že jeho anténa má zisk 9 dBd, znamená to, že je cca 3 x výkonnejší, než pulvlnný dipól (každé 3 dB jsou dvojnásobek/polovina). Pro stejnou anténu je velikost zisku v dBi o 2,16 dB vetší než údaj v dBd. Snad také proto vetšina výrobcu uvádí velikost zisku svých antén v dBi.
Útlumy koaxiálních kabelu
Koaxiální kabel má vždy pouze útlum, tj. k výpoctum nám prispívá zápornými dB. Útlum kabelu je prímo úmerný jeho délce, takže ho klidne můžeme pro každý typ kabelu vyjádrit v dB/m, tuto tabulkovou hodnotu pak v každém jednotlivém konkrétním případe vynásobit délkou kabelu a výslednou hodnotu použít do celkového výpoctu.
Katalogové hodnoty útlumu nejcasteji používaných kabelu:
OEM RLA-10
0,22 dB/m
Belden H1000
0,22 dB/m
Cavel RG-213
0,37 dB/m
Belden H155
0,5 dB/m
Times LMR-195
0,5 dB/m
Andrew CNT-195
0,5 dB/m
OEM LX-195
0,65 dB/m
OEM RG-58
0,99 dB/m
Útlum prostředí
Útlum trasy (tj. kolik se ztratí signálu pri přenosu vzduchem na urcitou vzdálenost) lze také teoreticky vypocítat. V praxi bude útlum souhlasit s teorií (nebo se k ní aspon blížit) v případe, že mezi obema konci trasy (anténami) je prímá optická viditelnost (vubec žádné prekážky), a to nejen v prímce, musí být volná (bez prekážek) i v tzv. Fresnelove zóne (viz. dále). Pro nekteré typické vzdálenosti pak útlum trasy vycházejí v pásmu 2,4GHz takto:
50 m :
- 74 dB
100 m :
- 80 dB
200 m :
- 86 dB
300 m :
- 90 dB
400 m :
- 92 dB
500 m :
- 94 dB
600 m :
- 96 dB
1000 m :
- 100 dB
1500 m :
- 103 dB
2000 m :
- 106 dB
3000 m :
- 109 dB
4000 m :
- 112 dB
5000 m :
- 114 dB
Prijímací citlivost Wi-Fi zařízení se u jednotlivých typu liší, ale jedno mají spolecné - záleží také na rychlosti toku dat, kterou od spoje ocekáváte.
Klesne-li úroven signálu na vstupu prijímace pod urcitou hodnotu (neboli vypoctené císlo je menší než to udávané), nedá se již dosáhnout maximální rychlosti přenosu (např. 11Mbit/s), ale jen rychlostí nižších. Pri určité ješte nižší úrovni pak už neprojde vubec nic.
Citlivosti pro jednotlivé prenosové rychlosti jsou udávány v technických údajích výrobce u každého typu zařízení. Jednotky (dBm), v nichž se citlivost vetšinou udává, jsou vztaženy práve k výkonu (1mW), aby bylo možné snadno provádet celkový výpocet trasy.
Je tedy možno si provést urcitý teoretický výpocet trasy s vedomím, že je to pouze ideální stav a že v praxi muže být hur. Zisky zadáváme kladné a útlumy záporné.
+ výstupní výkon vysílace
- útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 dB)
- útlum bleskojistky (1-3 dB)
- útlum dvou konektoru (cca 2 dB)
- útlum kabelu na vysílací strane
+ zisk vysílací antény
mezivýsledek = vysílaný výkon, nesmí být vetší než +20 dBm (limit CTÚ)!
- útlum trasy
+ zisk prijímací antény
- útlum kabelu na prijímací strane
- útlum dvou konektoru (cca 2 dB)
- útlum bleskojistky (1-3 dB)
- útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 dB)
výsledek
(nesmí být horší než citlivost zařízení)
Konkrétní prípad - 2 x DWL-900AP+ v režimu bridge; 1,5 km
+ 17 dBm výstupní výkon
- 2 dB pigtail
- 2 dB bleskojistka
- 2 dB konektory
- 1 dB 5 m kabelu H1000
+ 7 dB všesmerová anténa
mezivýsledek +17 dBm, pod limitem CTÚ!
- 103 dB trasa 1500 m vzduchem
+ 15 dB anténa smerová YAGI anténa
- 2 dB 4 m kabelu LX-195
- 2 dB konektory
- 2 dB bleskojistka
- 2 dB pigtail
výsledek -82 dBm
(protože výsledek je vetší císlo než minimální citlivost DWL-900AP+ pro 11 mbps, je pravdepodobné, že na této trase dosáhneme s tímto hardwarem kvalitního spojení rychlostí 11 mbps.)
Tento výpocet je ale správný a konecný pouze v tom případe, že bychom na aktivním prvku (např. access pointu) meli dva konektory - jeden pro výstupní signál (vysílání) a druhý pro vstupní signál (prijímání). Jelikož ale vstupní i vyzarovaný signál jdou vetšinou stejnými cestami (používáme pouze jeden ant. konektor), prekracovali bychom v tomto případe na strane klienta maximální výstupní výkon (zkuste si to vzít obrácene a již u 15 dB směrové YAGi antény prekrocíte max. výstupní výkon o 4 dBm, tedy více než dvakrát!)
Proto bez použití softwarové regulace výkonu ci dalších regulacních prvku (cirkulátory, nemá význam nasazovat u klientu ziskovejší antény než u access pointu. Ci ješte jinak - v případe že výstupní výkon neregulujeme ci nemáme cirkulátor, nemá vzhledem k výstupním výkonum aktivních Wi-Fi prvku (rovnajících se limitu CTU) smysl používat externí ziskové antény a maximálne jimi můžeme kompenzovat ztráty na kabelu, konektorech a bleskojistce.Jak ale víme z predcházející cásti techto stránek, najít kvalitní access point nebo dokonce klienta u kterého by spolehlive fungovala regulace výstupního výkonu je velké umení. Proto se dále na tuto méne obvyklou vlastnost nebudeme vázat
a budeme se snažit najít jiný prostredek, jak stavet dlouhé spoje a pritom dodržet limity CTU.Tímto prostredkem jsou dvoucestné útlumové cleny (tzv. cirkulátory), které mají jedním smerem útlum vetší než smerem druhým. Pomocí techto dvoucestných útlumových clenu lze bez problému dosáhnout kvalitních spojku i na vzdálenost 10 km a více a to vše pri dodržení limitu CTU.
Fresnelova zóna
Jednou z nutných podmínek v pásmu 2,4GHz je prímá viditelnost mezi prijímací a vysílací anténou. Není to však podmínka postacující. Pro kvalitní prenos musí být volná (bez prekážek) ješte tzv. Fresnelova zóna, tedy urcitý prostor kolem spojnice techto dvou bodu (podobný doutníku, odborneji také elipsoid). V prostoru této zóny by se nemela vyskytovat žádná prekážka, ani by do ní nemela treba cástecne zasahovat (např. strecha nejakého domu).Prumer Fresnelovy zóny v jejím nejširším míste (což je v polovine celkové délky trasy) lze vypocítat, ale casto postací tato strucná prehledová tabulka. Je sestavena pro ruzné celkové délky trasy:
100 m :
1,8 m
200 m :
2,5 m
300 m :
3,1 m
400 m :
3,6 m
500 m :
4,0 m
700 m :
4,7 m
1000 m :
5,6 m
1200 m :
6,2 m
1500m :
6,9 m
2000m :
8,0 m
2600 m :
9,1 m
3000 m :
9,8 m
4000 m :
11,3 m
Protože je to elipsoid, je pocátecní nárust prumeru pomerne strmý. Napr. trasa 1 km dlouhá (maximální prumer zóny 5,6m) má již po prvních 100 metrech prumer zóny 3,4m. Pokud tedy instalujeme anténu na strechu domu na 1,5m vysoký stožár a ve vzdálenosti 100m je stejne vysoký dum, zasahuje už jeho strecha do vaší Fresnelovy zóny!
