Оптимизация производительности Wi-Fi Cisco: Antenna Gain, Basic Rates, Bridge-Group, Packet Retries

Коэффициент усиления антенны – это тот самый момент, который может поставить в тупик даже самых продвинутых инженеров, специалистов в области радиочастотных технологий. Даже в законодательстве указано, что «Эффективная излучаемая мощность не превышает…», что опирается на мощность, подводимую ко входу антенны, помноженную на коэффициент усиления антенны. Считается, что в момент проявления коэффициента усиления антенна сама внутри себя магическим образом создает некую энергию. К несчастью, это не так. Если вы посмотрите на антенну, то увидите, что основной материал, из которого она сделана это золото, серебро, медь – эти материалы подходят лучше всего, затем идет алюминий. Сами по себе эти материалы не могут создавать энергию внутри себя.

Прежде чем начать что-то объяснять, сначала необходимо дать определение некоторым терминам, для более доходчивого объяснения, что же такое коэффициент усиления антенны.

Децибел (дБ) - единица измерения затуханий, служит для выражения коэффициента усиления. Коэффициент усиления имеет положительное значение, затухание – отрицательное, вычисляется по формуле:

10* log ( P на выходе/ P на входе)

Коэффициент усиления антенны: относительное увеличение излучения в пиковый момент, величина которого, выраженная в дБ, выше эталонного, в этом случае штатная антенна, антенна диполь в половину длины волны (как в случае с двухполюсными антеннами), которой измеряются все прочие антенны. Используемое обозначение известно как 0дБд (0 децибел относительно диполя). Таким образом, антенна с эффективной излучаемой мощностью в два раза выше входной мощности будет иметь коэффициент усиления 10* log (2/1) = 3дБд

На что стоит обратить внимание: Есть второе обозначение, которое характеризует коэффициент усиления антенны, но используется для того, чтобы просто придать характеристикам антенны более высокие цифры, чем есть на самом деле. Это обозначение – дБи, оно характеризует коэффициент усиления антенны относительно воображаемого изотропного излучателя – антенны, которая равномерно излучает сферические волны, распространяемые по всем направлениям. Это увеличивает коэффициент усиления антенны на 2,14 дБ, что является коэффициентом усиления антенны диполь относительно изотропного излучателя. Но это еще не начало. Об этом более подробно рассказывается в разделе " Как обмануть коэффициент усиления антенны ".

Диаграмма направленности - графическое представление зависимости интенсивности излучения от угла направления антенны от перпендикуляра. Обычно график имеет круглый вид, интенсивность обозначена расстоянием от центра относительно соответствующего угла.

Все диаграммы направленности, которые показаны на этой странице, составлены для антенн с вертикально установленными элементами антенны, вид дан со стороны (т.е. под прямым углом к антенне), как показано на изображении рядом.

Угол излучения: Существует общепринятое мнение, что ширина диаграммы направленности антенны – это угол между двумя точками (в той же плоскости) между которыми излучение происходит в «половину мощности», т.е. на 3дБ меньше максимального излучения. Другие цифры, кроме 3дБ, не позволят улучшить репутацию антенны, поскольку в этом случае возникнет ощущение, что антенна имеет более широкую/узкую ширину диаграммы направленности антенны, а серьезный инженер не стал бы доверять такой конструкции.

Зона уверенного приема: Такая физико-геологическая зона, в которой принимается сигнал, обычно описывается как расстояние по радиусу от места, где расположена антенна.

Для начала давайте сначала возьмем в качестве эталона антенну диполь в половину длины волны и «поместим» ее свободно в пространстве (т.е. не будем учитывать все, что находится рядом, например крепление и т.п., которые могли бы влиять на антенну). Диаграмма направленности такой антенны обычно называется «пончик», она проиллюстрирована ниже на рисунке.

Поскольку материал не может создавать мощность, то единственной альтернативой является концентрация бесполезно израсходованной энергии, например той, которая идет в направление неба, и направление ее по нужному направлению в горизонтальной плоскости. Результат виден на соседнем рисунке. Форма излучения изменилась таким образом, что та энергия, которая расходилась в стороны, теперь сконцентрирована для усиления средней половины. В результате мощность излучаемой энергии удваивается в требуемом направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Такая концентрация энергии может быть усилена еще более, от 6дБ (в 4 раза) до 9 дБ (в 8 раз). Диаграммы видны на рисунках ниже.

Теперь ясно, для того чтобы у антенны появился коэффициент усиления, нужно всего лишь сконцентрировать ее излучение (т.е. изменить «пончик» на диаграмме до формы тонкой «лепешки»), сделав, таким образом, излучение более интенсивным вдоль горизонтальной плоскости. Антенны с излучением по всем направлениям и коэффициентом усиления выше 9дБ непрактичны в с илу того, что концентрация энергии напрямую связана с длиной (с длинах волны) антенны. Однако, есть еще один метод концентрации излучения, который позволяет направить излучение только в одном направлении.

Если рефлектор помещен рядом с антенной диполь, то вся энергия, которая бы направлялась в направлении рефлектора, теперь отражается назад в направлении антенны диполь. Таким образом, вся энергия теперь сконцентрирована только в одной полусфере, в результате излучаемая энергия удваивается в данном направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Дальнейшая концентрация энергии, может быть получена с помощью использования «директоров (направителей)» и, опять же, делая угол все меньше и меньше, фокусируя всю энергию в одном направлении. Таким образом достигается более высокий коэффициент усиления. Обычно достигается коэффициент усиления в 20 дБ. Эффективный угол такой антенны мал (обычно ± 10 градусов)

В случае с антеннами с направленным излучением, нужно знать еще одну величину.

Коэффициент обратного излучения антенны: Активный вибратор большинства антенн с направленным излучением – антенна диполь с диаграммой направленности в виде классического «пончика», который перпендикулярен ее оси. Задача, как было описано ранее, заключается в том, чтобы этот «пончик» преобразовать в узкий луч по направлению от антенны. Рефлектор чаще всего представляет собой обыкновенный один или несколько стержней. Даже в случае, если рефлектор - это пучок стрежней, то он не будет отражать всю энергию, т.к. она будет проходить через щели! Часть энергии будет направлена назад (или, в случае приема, будет обходить рефлектор и перехватываться антенной диполь). Запомните, в свободном пространстве антенна диполь чувствительна как по своему направлению, так и сзади, диаграмма ее направленности естественно стремиться по свое форме к «пончику».

Даже сплошной кусок металла в качестве рефлектора не сможет полностью изолировать от заднего излучения по причине дифракции. Досадно, но самые кончики металла станут причиной того, что сигнал будет поворачиваться на углах рефлектора в обратном направлении (или, в случае приема, от задней части по направлению к антенне диполь).

Коэффициент такого обратного излучения антенны определяется относительно переднего (требуемого) направления антенны и обычно выражается в дБ.

В заключение:

Антенны вовсе не производят сами собой неким магическим образом энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что возникает ощущение, будто из антенны в требуемое направление выходит больше мощности.

Насколько видно из вышеописанного, коэффициент усиления также является «потерей». Чем выше коэффициент усиления антенны, тем менее угол ее полезного использования. От внимания многих ускользает тот факт, что энергия была «украдена» у прочих направлений, а затем навязана излучению в требуемом направлении.

Существует несколько типов беспроводных стандартов: 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n и 802.11ac. В соответствии с этими стандартами используются различные типы оборудования. Стандарты беспроводных сетей семейства 802.11 отличаются друг от друга и максимально возможной скоростью передачи, и радиусом действия беспроводной сети. Так, стандарт 802.11b подразумевает максимальную скорость передачи до 11 Мбит/с, а стандарты 802.11a и 802.11g – максимальную скорость передачи до 54 Мбит/с. Кроме того, в стандартах 802.11b и 802.11g предусмотрено использование одного и тот же частотного диапазона — от 2,4 до 2,4835 ГГц, а стандарт 802.11a подразумевает использование частотного диапазона от 5,15 до 5,35 ГГц. Соответственно, если точка доступа поддерживает одновременно стандарт 802.11a и 802.11g, то она является двухдиапазонной.

Оборудование стандарта 802.11a, в силу используемого им частотного диапазона, не сертифицировано в России. Это, конечно, не мешает использовать его в домашних условиях. Однако купить такое оборудование проблематично. Именно поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на рассмотрении стандартов 802.11b и 802.11g.

Следует учесть, что стандарт 802.11g полностью совместим со стандартом 802.11b, то есть стандарт 802.11b является подмножеством стандарта 802.11g, поэтому в беспроводных сетях, основанных на оборудовании стандарта 802.11g, могут также работать клиенты, оснащённые беспроводным адаптером стандарта 802.11b. Верно и обратное – в беспроводных сетях, основанных на оборудовании стандарта 802.11b, могут работать клиенты, оснащённые беспроводным адаптером стандарта 802.11g. Впрочем, в таких смешанных сетях заложен один подводный камень: если мы имеем дело со смешанной сетью, то есть с сетью, в которой имеются как клиенты с беспроводными адаптерами 802.11b, так и клиенты с беспроводными адаптерами 802.11g, то все клиенты сети будут работать по протоколу 802.11b. Более того, если все клиенты сети используют один и тот же протокол, например, 802.11b, то данная сеть является гомогенной, и скорость передачи данных в такой сети выше, чем в смешанной сети, где имеются как клиенты 802.11g, так и 802.11b. Дело в том, что клиенты 802.11b «не слышат» клиентов 802.11g. Поэтому для того, чтобы обеспечить совместный доступ к среде передачи данных клиентов, использующих различные протоколы, в подобных смешанных сетях точки доступа должны отрабатывать определенный механизм защиты. Не вдаваясь в подробности реализации данных механизмов, отметим лишь, что в результате использования механизмов защиты в смешанных сетях реальная скорость передачи становится ещё меньше.

Однако следует четко различать полную скорость передачи и полезную скорость передачи. Дело в том, что технология доступа к среде передачи данных, структура передаваемых кадров, заголовки, прибавляемые к передаваемым кадрам на различных уровнях модели OSI, — все это предполагает наличие достаточно большого объема служебной информации. Вспомним хотя бы наличие охранных интервалов при использовании OFDM-технологии. В результате полезная или реальная скорость передачи, то есть скорость передачи пользовательских данных, всегда оказывается ниже полной скорости передачи.

Кроме того, реальная скорость передачи данных зависит и от используемого протокола (TCP или UDP) и от размера длины пакета. Естественно, что протокол UDP предусматривает более высокие скорости передачи. Теоретические максимальные скорости передачи данных для различных типов сетей и протоколов представлены в таблице.

Тип сети	Модуляция	Максимальная скорость соединения, Мбит/с	Теоретическая максимальная скорость передачи по протоколу TCP, Мбит/с	Теоретическая максимальная скорость передачи по протоколу UDP, Мбит/с
802.11b	CCK	11	5,9	7,1
802.11g (совместно с 802.11b)	OFDM/CCK	54	14,4	19,5
802.11g (только)	OFDM/CCK	54	24,4	30,5