Wireless Antennák Készítette : Sendula Zsolt
Bevezető
A Wireless átviteli technológia jelenleg hazánk és a világ meghatározó hálózati technológiája. Rendkívüli mobilitást tesz lehetővé, mivel nem kell kikábelezni a helységet, illetve nem kell költséges gerinchálózatot kialakítani (telephelyeket összekötő pont-pont kapcsolat). Rendkívül rugalmasan elősegítve a hálózat kialakítását, módosítását (új számítógépek, eszközök hozzáadása a hálózathoz).
A WIFI (Wireless Fidelity) kompatibilis eszközök nehézségek nélkül tudnak kommunikálni egymással, mivel minden szabványosítva van az IEEE 802.11 szabványban. Ez a szabvány több alrészre oszlik, mely a különböző átviteli sebességekhez és átviteli frekvenciához tartozó előírásokat tartalmazza. Ilyen szabványok a 802.11a/b/g/”n”.
A legelső 802.11b szabvány volt, ami 11MBps sebességet tett lehetővé (folyamatosan 6-8MBps) a 2,4GHz-es szabad hullámsávban. Ezek a tipikusan wifi hálózatok, amelyek már annyira elterjedtek, hogy irodákban, sőt otthon is találhatunk ilyeneket. A technológia fejlődésével ezek a wifi eszközök egyre olcsóbbak lettek, így mindenkinek elérhetőek. Hátránya a viszonylagosan kicsi átviteli sebesség, a zavarérzékenység
(mikrohullámú
sütők,
rosszul
beállított
gyújtások,
magasfeszültségű vezetékek stb.), valamint a hullámsáv telítettsége (A belvárosban gyakran tapasztalható wifi rendszerek instabilitása az egyes szolgáltatók sávjainak egymásbacsúszása miatt keletkezik túlnyomó részben).
A 802.11b tovább fejlesztése, a megnövelt sávszélességű 11g szabvány, mellyel 108MBps sebesség érhető el a 2,4GHz-es tartományban. A szabvány tovább hordozza a 11b összes hátrányát, sőt az átviteli sebesség növelése jelentősen csökkentette az adó és vevő közötti távolságot (egy átlagos 40mW körüli készüléknél kb 60méterre szemben a 11MBps 100méterével).
A 802.11a szabvány sajátossága, hogy szakít a már túlterhelt 2,4GHz-es tartománnyal és a sugárzási frekvenciát az 5GHz-es tartományba emeli. Ezekkel a hullámokkal igen pontos sugárzást érhetünk el, ezért is alkalmazzák főleg „gerincvezeték” kialakítására. Viszonylagos hátránya, hogy az átviteli sebesség 54MBps (folyamatos terhelésnél 18-20MBps), valamint a nagyobb távolságú átvitelekhez igencsak drágák az átjátszó állomások (nagy méretű irányított antennák, access pointok, erősítők stb miatt). A szabvány szerint 54MBps sebességgel kb 12m vihető át.
Fejlesztés és tesztelés alatt egy új tervezet, mely ha elnyeri az IEEE ratifikálását a 802.11n névre fog hallgatni. Ezzel, ha minden igaz 600MBps is elérhető lesz és az átvihető távolság is nőni fog.
Fontos megjegyezni, hogy a forgalomban lévő készülékek általában lefelé kompatibilisek, ezért az eszközök tetszés szerint keverhetőek. Az átviteli távolságot optimális körülmények közötti átvitelnél szokták feltüntetni (nincs zavaró jel és van optikai rálátás). Sajnos az hogy hol valósítható meg egy wifi-s hálózat szinte mindig a konkrét helyen történő bemérés dönti el.
Mivel az átviteli közeg a levegő - amihez mindenki hozzáférhet – fontos röviden áttekinteni a wifi biztonsági rendszerét. A beépített biztonsági eszközök az SSID multicast kikapcsolása (a hálózati azonosító sugárzásának kikapcsolása, hogy egy hálózat kereséskor ne lássa mindenki a hálózatunkat, csak az tudjon kapcsolódni, aki ismeri az SSID-t.), MAC address szűrés (a hálózati kártyák fizikai címének különbözőnek kell lennie), WEP kulcsos titkosítás (64/128/152/256 bites), WPA titkosítás. Ezen kívül lehetséges még az antennák pontos megválasztásával és beállításával védeni hálózatunk. A titkosításokat, főleg a WEP kulcsot nagyon sokat vádolták meg azzal, hogy feltörhető a vele védett hálózat. Ez alapjában véve igaz is, és ezért vezették be az egyre nagyobb kulcsokat. A WPA kulcsnál a kapcsolat mindenképpen felépül, de a csomagok a beállított kulcs szerint lesznek dekódolva. A legtöbb általános hálózatnál 128bites kulcsokat használnak. A wifi fő hátránya, hogy az adó és vevő között optikai rálátás szükséges a jó minőségű, és megbízható jelátvitelhez. Minimális optikai zavarás esetén még kivitelezhető egy megbízható átvitel (antennák, erősítők), de nagyobb objektum
(domb, épület) árnyékolása már lehetetlenné teszi átjátszó nélkül a hálózat megvalósítását (wireless bridge, vagy access point repeater módban).
A wifi és a HIF
A magyarországi wifi terjedését nagymértékben hátráltatta a 90-es évek közepén a HIF (Hírközlési felügyelet). A hálózatépítők hátráltatva voltak, mivel a HIF az összes WIFI emblémás eszközt bekérte bevizsgálásra (függetlenül attól, hogy ilyen eszköz volt-e már engedélyezve) a teljes hálózatépítési dokumentációval. Persze a bevizsgálás nem rövid ideig tartott, ráadásul elég drága is volt. Sőt eleinte frekvencia sávot kellett váltania, aki szolgáltatni akart. Hála istennek mára a teljes 2,4GHz-es frekvenciasáv szabad (feltéve, ha még nem telítődött a tartomány), illetve az 5GHz-es tartományban is csak bejelentési kötelezettség van pont-pont kapcsolat esetén. Az ellenőrzés manapság is tart, mivel a hatályos jogszabályok szerint 100mW teljesítményig
áll
az
ingyenesség,
efelett
természetesen
bérelni
kell
a
frekvenciasávot. Természetesen a jelenleg piacon kapható termékek közül csak kevesen érik el a 100mW teljesítményt (Senao, Motorola termékek). Persze léteznek teljesítménynövelő eszközök : erősítők, mikrotik.
Mivel nem sok embernek adatik meg, hogy nagyobb teljesítményű eszközöket vegyenek, és/vagy frekvenciasávot béreljenek, ezért jelentősen javítható az átvitel minősége különböző antennák segítségével.
Antennák méretezése
Manapság már csak a gyártók és rádióamatőrök foglakoznak a témakörrel, pedig nagyon fontos témakör. Főként, hogy a GHz-es hullámok már centiméteres hullámok. Egykoron a rádiózásban igencsak nagy frekvenciasávra lehetett tervezni antennát (1-2mm nem volt nagyon kritikus), ez a wifi korára már csak kb 100150MHz (szemben a televíziózásban 400KHz-900KHz tartományára). Vállalkozó
szellemű emberek - ennek ellenére – házilag is készíthetnek viszonylag egyszerűen antennákat (yagi és körsugárzó). Ennek részletes leírása a linkgyűjteményben megtalálható.
Beépített antennák
Viszonylag kis körben elterjedtek, gyakorlatilag jól hangolt rezgőkörök, melyek wireless-es PCMCIA és USB eszközökben kaptak helyet főleg a méretük miatt. Nyereségük 0-4dBi között mozog, ami elhanyagolható távolságot tud áthidalni (néhány métertől 20 méterig). Karakterisztikájukat tekintve, közel gömb alakban tudnak venni. Jelenleg már készülnek PCMCIA eszközök külső antennával is.
Linksys USB wifi adapter
Linksys PCMCIA Wifi kártya
Külső antennák
Külső antennából rengeteg típus létezik, csoportosításuk több szempont szerint lehetséges. Személy szerint irányításuk szerint szeretném szétszedni őket, de logikailag fizikai elhelyezésük szerint fogom (beltéri, kültéri). Megjegyezve azt, hogy a kültéri antennákat is fel lehet szerelni beltérre.
Beltéri antennák
Ezek általában a készülékek gyári külső antennái. Kiképezésüket tekintve lehetnek integráltak (nem leszerelhetőek), eltávolíthatóak (távolabb helyezhetőek, vagy nem helyezhetőek át). A gyári antennák, csakúgy mint a beépített antennák csekély nyereségűek, főleg rúd alakúak, melyeknek majdnem gömb alakú vételi karakterisztikájuk van (valójában mint egy megpucolt narancs, a kültéri antennáknál pontos karakterisztika). Nyereségi tényezőjük 3-5dBi. Karakterisztikájukat tekintve alkalmasak pont multipont kapcsolatra.
Léteznek reflektoros antennák is, melyeket 1-2 méter kábellel szerelve adnak a készülékhez. Ezek már irányított antennák, tehát fontos, hogy merre néznek (függőleges nyílásszögük típusfüggő általánosan elmondható, hogy 15 fok körüli). A pontos irányítást segíti, a készüléktől való távolabbra helyezés lehetősége (pont – pont kapcsolat). Nyereségük kb 6dBi-ig. A
szerencsésebb
kiépítés
az
eltávolítható
antenna,
mert
ezeket
lecsavarozhatóak és csatlakoztathatunk az eszközhöz egyéb antennákat. A csatlakozás mikéntjéről a kültéri antennáknál lesz szó.
SMC asztali körsugárzó Linksys körsugárzó
SMC asztali irányított antenna
Viszonylag nagyobb körben elterjedtek a szektorantennák, kis méretük, egyszerű elhelyezhetőségük és viszonylagosan nagy nyereségi tényezőjük miatt. Ezek 60 - 180 fokos szögben tudnak jeleket továbbítani (tehát irányítottak, mégis pont - multipont kapcsolat építhető fel velük), 10-15dBi nyereséggel. Különösen ajánlottak irodai alkalmazásra. Hasonló felépítéssel találhatunk kültéri szektor sugárzókat is. Karakterisztikák ismertetése a kültéri antennáknál. Elhelyezésük „függőlegesen” történik.
Beltéri szektorsugárzó
Kültéri antennák
Kültéri antennák és a készülékek összecsatlakoztatása. A készülékeken szabványos csatlakozók találhatóak antenna csatlakozás céljából. Ezek az RP-SMA és az RP-TNC (RP= reverse pole = a belső menetes rész az anya csatlakozó).
Léteznek krimpelhető és szelencés változatok. A krimpelhető a megbízhatóbb, ezért manapság ezt alkalmazzák. A készülék és az antenna távolságának áthidalására kábelt használnak. A kábelek lehetnek RG-58, H-155, H-500. Az RG-58 és H-155 kábelek csillapítása viszonylag nagy, ezért 5-6 méternél távolabbra a jelet veszteség nélkül nem képes továbbítani. Ilyenkor alkalmazzák a H-500 kábelt, melynek csillapítása kedvező a távolabbi jelátvitelhez (kb 15-20méterig). A probléma itt merül fel, ugyanis a H-500 kábelre közvetlenül nem szerelhető sem az RP-SMA, sem az RP-TNC csatlakozó. Ekkor készítenek egy úgynevezett pigtail kábelt, mely RG-58 vagy H-155 kábel az egyik felén RP-SMA/RP-TNC a másik N csatlakozó (az antennákon általában N csatlakozó van). Ezzel máris megoldott a konverzió.
RP-SMA csatlakozású PCI-os wifi kártya Csatlakozó típusok
RG-58 H-155
H-500 N-male RP-SMA male pigtail kábel
Szektor sugárzók
Hasonlóan a beltéri szektor sugárzókhoz, a kültéri szektor sugárzókat is egy bizonyos terület beszórására használják (szektor, ezért pont – multipont kialakítású) kis mérete és viszonylagosan jó erősítési tényezője miatt. Kültéri szektor sugárzók esetében is az erősítési tényező 10-15dBi körül alakul. Az antenna horizontális
karakterisztikája hasonló egy szőlőszemhez, függőleges karakterisztikája egy gömb (lásd az ábrán).
180 fokos Szektor antenna
60 fokos Szektor antenna karakterisztika
Yagi antennák
Az irányított antennák rövidebb távú pont-pont kapcsolatát hivatott megoldani. Kitűnően alkalmas 1-4km távolságú átvitelhez. A távolság függvényében nő az antenna nagysága, ezzel biztosítva a minimális jelveszteséget és a nagyobb áthidalható távolságot. Az antenna felhelyezése az arbócrúdra horizontálisan történik (illetve az adó és vevő antennának egy egyenesre kell esnie). Nyereségi tényezőjük 14-20dBi általánosan (50cm-110cmig). Karakterisztikája hasonló egy felfújt lufihoz.
Yagi antenna
Yagi antennák felszerelve
Yagi antenna karakterisztikája
Körsugárzók
A körsugárzó antennák a legelterjedtebbek a kisebb területi szolgáltatók körében. Az antenna segítségével az adó környezetében közel egyenletes körben lehet a jeleket továbbítani. Nyereségi tényezőjük és ezáltal a sugárzási átmérő az antenna méreteivel áll egyenes arányban (55cm hossznál kb 8-9dBi, 110cm-nél elérheti 16-18dBi). Minél nagyobb az antenna, annál nagyobb a hatótávolsága. A
készülék felszerelése az árbócrúddal egy irányba történik függőlegesen. Áthidalható távolság pár km.
Függőleges karakterisztika Körsugárzó Körsugárzó karakterisztika
Grid
A grid nem más, mint egy olyan irányított antenna, melynek van egy kis ívű reflektor hálója, melynek segítségével egy pontba irányítja a rácsra érkezett hullámokat (kis mértékben a háló mögül is képes összeszedni a jelet). A fókuszpontban, pedig egy vevő fej van. Ezzel a technikával 22-25dBi nyereség érhető el (kb 60cm-es tükörrel). Az antenna karakterisztikája hasonló a yagi-hoz, de nyeresége nagyságrendekkel nagyobb. Áthidalható távolság kb 4-10km. A viszonylag nagy áthidalható távolság kicsi függőleges és horizontális nyílásszöggel társul (kb10-15 fok), ezért ez a megoldás pont – pont kapcsolat kialakításakor optimális választás.
Grid karakterisztika
Grid antenna
Parabola
A parabola hasonló felépítésű a gridhez. A fő különbség, hogy a reflektor funkcióját egy teli fém tükör látja el. Ezzel a megoldással tovább növekszik az átviteli távolság (akár 15-20km). Az antenna hatásfokát a tükör méretének növelésével lehet elérni. Ennél a megoldásnál is él az a törvényszerűség, hogy a függőleges és vízszintes nyílásszög kicsi. A társított nyereségi 24dBi-30dBi (55cm-90cm tükörrel). Szintén nagyobb távolságú pont – pont kapcsolathoz használatos (pl.: átjátszó állomások).
parabola hullám gyűjtési elve
parabola antenna
Antennák elhelyezése, szerelése
Az antennák megismerése után, érdemes pár szót ejteni elhelyezésükről, pontos beállításukról és villámvédelmükről is. A kültéri antennákat főleg árbócrúdra szokták szerelni, ezzel biztosítva a nagyon fontos optikai rálátást (gondoljunk pl a mobilszolgáltatók átjátszó és adótornyaira). A pontos irányt iránymérő műszerrel (lehet egy notebook megfelelő programmal pl.: DU meter, vagy speciálisan erre a célra kifejlesztett térerő mérővel). Szó esett az antennáról nyert jel wifi-s eszközhöz való továbbításának mikéntjéről és korlátjáról (minimális jelveszteséggel viszonylag kis távolságra lehet csak a jelet továbbítani), ezért a gyakorlatban gyakran az antenna környékére (akár az árbócra vagy antennára) helyezik el a vevő egységet (vízmentes műanyag dobozban pl.: bridge, access point) és innen UTP vagy STP kábellel vezetik el az ethernet-et a célszámítógép vagy hálózat felé. Felötlik a kérdés : Ez szép és jó, de honnan kapja az eszköz a villamos áramot? A válasz viszonylag egyszerű : Az erre a célra kifejlesztett Power Over Ethernet (POE) eszközzel (eszközökkel, hiszen 2 darabból áll egy szett). Működésének lényege, hogy az egyébként is szükséges UTP/STP kábelt használva juttatja el a készülék működéséhez elengedhetetlen áramot. Az egyik egységet (leválasztó) a vízhatlan dobozba a vevő egység mellé csomagolják. Ennek feladata, hogy az ethernet
kábelen érkező áramot leválassza „az ethernet adatokról” (pontatlan a kifejezés, de elégedjünk meg ezzel). A másik egység a céleszköz környezetébe van elhelyezve, erre csatlakozik a wifi-s hálózati eszköz áram adaptere. Ezt az áramot kell az UTP/STP kábelre rákevernie, úgy hogy az ethernet kommunikációt ne zavarja és ne tegyen kárt az eszközökben. Fontos kérdés még a villámvédelem is, mivel az árbócrúd kilóg az épületek tetejéről, így fokozottan ki van téve egy esetleges villámcsapásnak. Erre létezik sok megoldás, én ezek közül két megoldást ismertetnék. Az első az egyszerűbb, és költséghatékonyabb, jól lehet nem is a legjobb. Ennek mikéntje az antenna, és az árbócrúd villámhárítóval történő körbefuttatása és csatlakoztatása a földhöz (persze szigetelt tappancsokkal történik a felfogatás). Ennél a megoldásnál nincs garancia, hogy kisebb kárral ússzuk meg a vihart. A második és sokkal jobb megoldás (igaz drágább a kialakítás, de egy villámcsapásnál sokat spórolunk). A lényege, hogy a vevő egység közvetlen közelébe beiktatunk egy média konvertert, ami a vevőből érkező UTP/STP kábelt optikára alakítja. Akár pár méter optikai kábel után jöhet ismét egy média konverter, ami az optikai szálról UTP/STP kábelre alakít (az optikai szálon „nem fog” a villám). Ezzel a kis trükkel amennyire lehet megpróbáltuk megvédeni a hálózat egészét. Kis bökkenő a dologban, hogy ebben az esetben a POE eszköz nem alkalmazható, ezért az eszközök áramellátását külön kábelezéssel kell megoldani.
Linkgyűjtemény
Hálózati eszköz gyártók http://www.linksys.com/ http://www.smc.com/ http://www.senao.com/english/co/home.asp http://www.dlink.com/
Antenna gyártók http://www.skycon.hu/
Antenna házilag http://wireless.gumph.org/articles/homemadeomni.html
Egyéb http://wireless.lap.hu
