37MK
Václav KOUŘIL
Wifi sítě – šíření signálu, realizace
Wifi síť je bezdrátová,
standardizovaná podle doporučení IEEE. Nejčastěji se
setkáváme se sítí standardizovanou doporučením IEEE 802.11b, pracující v pásmu 2,4GHz a dosahující maximální rychlosti 11Mb/s resp. 54Mb/s. Svým frekvenčním pásmem se řadí do skupiny vln UHF (frekvence 300MHz – 3 GHz, vlnová délka 1m – 10cm), které mají velmi dobré vlastnosti jako jsou: malé ztráty šířením, dobrá schopnost odrážet se , ohýbat a pronikat překážkami v zástavbě. Signál se šíří přízemní prostorovou vlnou a to buď přímo při přímé viditelnosti mezi oběma anténami spoje, nebo odrazy, ohyby a rozptyly na překážkách. Tyto jednotlivé mechanismy se uplatňují podle typu okolního prostředí, kterým se přízemní prostorová vlna šíří. Pro modelování bezdrátového přenosu jsou určující nejen druh spoje (mobilní spoj, stálý spoj…) a vlastnosti přenosového prostředí, ale i typ a umístění antén. Pro popis pokrytí signálem existují dvě možnosti: úroveň signálu lze popsat jako intenzita elektrického pole v daném místě nebo jako výkonová úroveň přijatá referenční anténou s jednotkovým ziskem (0dB) . V souvislosti v technologií Wifi se nejčastěji setkáme s šířením signálu v zastavěné oblasti (zástavbě). Charakter
šíření signálu tj. i přístup k jeho modelování, je určen
především okolním prostředím a umístěním pevné základnové antény. Tyto dva parametry jsou určeny zejména typem buňky: ● makrobuňka –
pevná anténa je umístěná nad úrovní střech zástavby, poloměr buňky 1 – 30km,
● mikrobuňka –
pevná anténa je pod úrovní okolních střech zástavby, poloměr mikrobuňky typicky 100 – 1000m,
● pikobuňka –
pevná anténa umístěna ve více či méně uzavřeném interiéru (např. uvnitř kancelářské budovy, v nákupní hale, …), rozměry buňky dosahují řádově desítek metrů.
Vedle charakteru buňky lze modely šíření též dělit podle charakteru výpočtů na: ● empirické –
většinou jednoduché, aproximativní vztahy pro daný typ prostředí, kde jsou parametry založeny na statistické analýze velkého objemu naměřených dat,
● deterministické – teoretické modelování na fyzikálním základě šíření vlny pro idealizovaný nebo více či méně zjednodušený popis daného prostředí (terén, geometrie a materiál zástavby,…), ● semi-empirické – (semi-deterministické) – kombinace emripické a deterministické metody, ● stochastické –
na základě vstupních parametrů je náhodně generován průběh signálu pro simulaci přenosového kanálu, když obvykle není přímá vazba na geometrii přenosového prostředí a umístění antén.
V praxi jsou díky své nenáročnosti na výpočetní prostředky, čas a vstupní data nejpoužívanější modely empirické. Dobré výsledky predikce útlumu poskytují zvláště v makrobuňkách a v jisté míře i mikrobuňkách. Tyto modely nejsou schopny předikovat širokopásmové parametry jako např. impulsovou odezvu a úhel dopadu. Složité deterministické modely dokáží modelovat jak útlum šíření, tak širokopásmové parametry s velkou přesností bez ohledu na geometrickou členitost konkrétní situace, přesné výsledky však přímo závisejí na kvalitě vstupních dat, jejichž získání může být velmi obtížné a finančně náročné. V praxi nastupují až v poslední době, kdy s vývojem počítačové techniky přestávají být výpočetní a paměťové nároky problémem. Používají se převážně pro výpočty pro mikrobuňky. Pro predikci penetrace signálu z vnějších základnových stanic do budov (výpočet pokrytí v interiéru uvnitř budovy z vnější základnové stanice makro- či mikrobuňky) je nutné použít k tomu předurčených modelů či úlohu oddělit na dvě části: nejprve spočítat
úroveň signálu na plášti budovy, tuto hodnotu vzít, započítat útlum pláště budovy a použít jako fiktivní zdroj pro vnitřní pokrytí s využitím modelu pro pikobuňku.
Obr 1. Modelování penetrace signálu do budov pomocí fiktivních zdrojů
Přehled modelů pro výpočet šíření vln v zástavbě: ● základní empirický model -
lze použít v prostředí, kde předpokládáme růst útlumu s příslušnou mocninou vzdálenosti, základem pro většinu empirických modelů,
-
+ velmi jednoduchá implementace, rychlý výpočet, - přesnost závislá na empirických parametrech získaných z měření za daných podmínek a daném typu prostředí, ztráty šířením jsou funkcí pouze vzdálenosti od vysílací antény, lze použít jen ve víceméně homogenním prostředí s hladkým nárůstem ztrát šíření se vzdáleností, lze předikovat pouze na ztráty resp. úroveň signálu.
● One-Slope model -
implementace základního empirického modelu v pikobuňkách, výsledky nutno považovat pouze za orientační, při použití vhodných parametrů se směrodatná odchylka od reálně změřených hodnot typicky blíží k 10dB.
● model ITU-R P.1238 -
rozdíl od One-Slope modelu je způsob vyjádření referenčního útlumu, klasifikace typu interiérů a zahrnutí šíření mezi podlažími do výpočtu.
● Multi-Wall model -
semi-empirický model,
bere v úvahu konkrétní členění interiéru → zpřesnění
výpočtů, poskytuje přijatelné výsledky za rozumných požadavků na vstupy i náročnost výpočtu, selhává v případě šíření v dlouhých zahýbajících chodbách, kde není schopen modelovat vlnovodný efekt. ● Dual-Slope model -
pro mikrobuňky či větší pikobuňky při přímé optické viditelnosti mezi oběma koncemi spoje, vychází se základního empirického modelu se zahrnutím Fresnelova zlomu, tj. spádový koeficient modelu se liší podle toho, jde-li o úsek před či za zlomem.
Další modely pro mikro- a makrobuňky: ● Model ITU-R P.1411 ● Bergerův rekurzivní model ● Hatův model ● Lee model ● Walfish-Ikegami model …
Konkrétní příklad výpočtu pokrytí: V hustě členitém interiéru odhadneme velikost buňky pro přístupový bod standardu 802.11b/g. 1) shromáždíme nezbytná vstupní data: ● pro přístupový bod (vysílač): výstupní výkon: PV=15 dBm, externí anténa: horizontálně všesměrová, zisk GV=4 dBi. ● kabel k externí anténě: potřebná délka: dk = 10m, specifický útlum na frekvenci: 2,5 GHz: LSK = 0,5 dB/m.
● WLAN karta v notebooku (přijímač): citlivost (prahová hodnota přijímané úrovně): pro rychlost do 1Mb/s: PP = -97 dBm, pro rychlost do 2Mb/s: PP = -91 dBm, pro rychlost do 5,5 Mb/s: PP = -87 dBm, pro rychlost do 11Mb/s: PP = -83 dBm. ● prostředí – pikobuňka, silně členitý interiér
2) zvolíme vhodný model šíření – není k dispozici přesný plánek podlaží → volíme One-Slope model, pro frekvenci 2,5 GHz vybereme příslušné hodnoty parametrů L1 (referenční hodnota ztrát pro vzdálenost 1m) a n (spádový koeficient) a dosadíme do vzorce pro predikovanou hodnotu ztrát šířením :
L(d ) = L1 + 10n log(d ) = 40,2 + 42 log(d ) Do rovnice dosadíme přenosovou rychlost 1Mb/s: − 97 = 15 + 4 − (40,2 + 42 log(d )) − 5 ,
kde poslední člen byl získán vynásobením délky kabelu a jeho specifického útlumu v daném frekvenčním pásmu. Vyjádříme hledanou vzdálenost d = 48,5 m. Podobně pokračujeme pro další přenosové rychlosti tj. požadované hodnoty PP, dostaneme d = 48,5; 34,9; 28,0 a 22,5 pro PP = 1; 2; 5,5 a 11Mb/s.
Je však také potřeba pamatovat na náhodné kolísání úrovně signálu – úniky – vlivem neustále se měnícího prostředí (procházející lidé, změna orientace notebooku, zastínění notebooku uživatelem,…) pomocí tzv.. rezervy na únik, o kterou se zvýší prahová hodnota PP ve výkonové bilanci. V profesionálních spojích se tato hodnota stanoví na základě tzv. spolehlivosti spoje dle konkrétního požadavku dané služby. Zde je možno se spokojit s odhadnutou rezervou na únik např. 10dB, což výsledný poloměr buňky sníží na 28m.
Pro možnost rychlého odhadu poloměru pikobuňky pro požadovanou bilanci spoje zobrazíme dosah graficky: Závislost poloměru pikobuňky d na prahové hodnotě PP 60 55 50 45
d [m]
40 35 30 25 20 15 10 -100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
PP [dBm]
Výkonovou bilanci spoje je možno vylepšit použitím směrových antén z větším ziskem. Ve výpočtu je předpokládán modelový případ pro jednosměrný přenos – downstream. Jelikož se ve skutečnosti jedná o obousměrný přenos, mohli bychom obdobně analyzovat i výkonovou bilanci pro směr upstream. V příkladě byla použita všesměrová anténa, pro směrovou anténu (zisk antény daný vyzařovacím diagramem se mění podle azimutu) by bylo nutno pro získání výsledné buňky provést výpočet pro každý azimut zvlášť.
Literatura: [1]
Pechač P.: Šíření vln v zástavbě. Nakladatelství BEN, Praha, 2005. 108str. ISBN 80-7300-186-1.
[2]
Server Lupa, http://www.lupa.cz
[3]
Oranže&Green, http://www.og.cz
