O jakości sieci Wi-Fi w dużej mierze decyduje kmponent "antenowo-radiowy", tj. fizyczna strona komunikacji. Jednocześnie jest to najrzadziej omawiany i zapewne najsłabiej zrozumiany aspekt sieci bezprzewodowych.
W przypadku sieci Wi-Fi w stosunku do sieci przewodowej, tj. Ethernet-u możemy mówić o znaczącym regresie parametrów takich jak: niezawodność, wydajność i bezpieczeństwo - przynajmniej w potocznym odbiorze tych parametrów przez użytkowników, a także większość osób odpowiedzialnych za wdrożenie i nadzór nad siecią. Zrywanie połączeń, skoki przepustowości, niemożność uzyskania dostępu, to zjawiska, z którymi godzimy się w przypadku sieci Wi-Fi i które jednocześnie byłyby całkowicie nie do zaakceptowania w przypadku sieci kablowej (wykonawca okablowania Ethernet funkcjonującego jak przeciętna sieć Wi-Fi z całą pewnością nie otrzymałby wynagrodzenia, a zapewne dość szybko wypadłby z rynku). Wyżej wymienione problemy nie są jednak "wrodzonymi" wadami Wi-Fi - wynikają raczej z niezrozumienia technologii, złego doboru sprzętu lub złego projektu i wykonania - co z kolei wynika w dużej mierze z braku zrozumienia podstaw funkcjonowania transmisji radiowej stosowanej w sieciach Wi-Fi. Poniżej przedstawimy kilka podstawowych pojęć związanych z fizyczną stroną funkcjonowania sieci Wi-Fi ilustrując je przykładami związanymi z konkretnymi przypadkami projektowymi.
Parametry anteny - zysk
Każda antena radiowa, w tym anteny AP Wi-Fi, charakteryzuje się trzema parametrami: zyskiem (wzmocnieniem), kierunkowością i polaryzacją.
Wzmocnienie określa stopień zwiększenia mocy wypromieniowywanego sygnału. Kierunkowość odnosi się do „kształtu” tworzonego pola elektromagnetycznego.Polaryzacja określa kierunek wektora pola elektrycznego. Przyjrzyjmy się dokładniej tym parametrom:
Zysk – antena jest elementem pasywnym i oczywiście jako taka nie wzmacnia sygnału, tj. nie dostarcza do niego dodatkowej energii, jednak poprzez odpowiednie ksztaltowanie pola sygnału osiąga się jego wzmocnienie w określonym kierunku (np. w płaszczyźnie poziomej) i osłabienie w innym (np.w płaszczyźie pionowej). Pole elektromagnetyczne tworzone przez pojedynczą antenę możemy porównać do nadmuchanego balonu – ilość powietrza wewnątrz jest zawsze taka sama, ale ściskając balon można zwiększyć jego długość lub szerokość oraz nadawać mu różne ksztalty – rysunek nr 1. Tak więc dzięki wzmocnieniu anteny możemy zwiększyć zasięg dzialania AP w określonej plaszczyźnie lub osiągnać efekt sektorowy lub kierunkowy.
Zysk anteny określa się w dBi, antena wypromieniowująca sygnał idealnie sferycznie (antena inaczej - izotropowa) posiada wzmocnienie 0 dbi, typowa antena dookólna emitując sygnał w kształcie „oponki” (torusa) ma wzmocnienie 2 do 3 dBi – zobacz rysunek 2 poniżej. dBi to miara logarytmiczna, tak więc np. 3 dBi oznacza wzocnienie dwukrotne, a 7 dBi - wzmocnienie sześciokrotne.
Rysunek 1 – zmieniając kształt pola wypromieniowanego przez antenę zmieniamy jego zasięg i wzmocnienie w różnych kierunkach.
Rysunek 2a – Kształowanie się pola sygnału dla typowej anteny dookólnej dla pasma 2,4 i 5 GHz, linie opisujące pole określają powierzchnię stałej mocy sygnału w płaszczyźnie poziomej (XOY) i pionowej – (XOZ i YOZ). Widoczne jest nieznaczne spłaszczenie sygnału powodujące lepszą propagację w poziomie i gorszą w pionie.
Rysunek 2b – Kształowanie się pola sygnału dla anteny kierunkowej, linie opisujące pole określają powierzchnię stałej mocy sygnału w płaszczyźnie poziomej (XOY) i pionowej – (XOZ i YOZ).
Kierunkowość (Charakterystyka promieniowania anteny)
Kierunkowość określa zdolności wypromieniowania energii przez antenę w różnych kierunkach. Charakterystyka promieniowania przedstawiona na wykresie dwuwymiarowym najczęściej posiada okrągły kształt i wyraża intensywność promieniowania przy różnych kątach. Odległością od środka wykresu jest miarą siły promieniowania.
Kierunkowość anteny jest związana z jej zyskiem, wzmocnienie osiągane jest poprzez kształtowanie sygnału. Typowa antena niekierunkowa stosowana w AP Wi-Fi posiada wzmocnienie na poziomie 2-3 dBi, co odpowiada „spłaszczeniu” sygnału w płaszczyźnie pionowej i zwiększeniu zakresu w płaszczyźnie poziomej przy zachowaniu jednorodnej siły sygnału we wszystkich kierunkach w tej płaszczyźnie – rysunek nr 2.
W przypadku sygnału RF o częstościach stosowanych w Wi-Fi nie jest możliwe skupienie sygnału jak w wiązce laserowej – anteny sektorowe i kierunkowe formują sygnał w kształt w przybliżeniu stożkowy o rozpiętości 10, 60, ... 120 itd. stopni – rysunek 2b. Anteny kierunkowe osiągają wzmocnienie na poziomie 17 dBi.
Polaryzacja sygnału
Polaryzacja określa „orientację” pola elektrycznego sygnału w momencie, gdy opuszcza on antenę. Polaryzacji nie należy mylić z kierunkowością, gdyż jest ona związana z „kierunkiem drgań” pola elektromagnetycznego, a nie z jego przestrzennym zasięgiem czy kształem pola. Polaryzacja najbardziej typowej zewnętrznej anteny punktu dostępowego – rysunek 3 niżej jest zgodna z jej kierunkiem. W przypadku pionowego ustawienia anteny będzie pionowa, w przypadku poziomego - pozioma. W przypadku sygnału spolaryzowanego orientacja anten nadawczej i odbiorczej musi być zgodna – antena odbiorcza zorientowana pod kątem prostym do anteny nadawczej nie odbierze nadanego sygnału, zaś antena zorientowana nierównolegle do nadawczej otrzyma sygnał osłabiony. Polaryzacja sygnału zmienia się podczas jego odbicia od przeszkód terenowych (ścian, elementów wyposażenia, a także budynków i powierzchni ziemi) – w przypadku sieci Wi-Fi funkcjonującej wewnątrz pomieszczenia polaryzacja może kilkukrotnie ulec zmianie w drodze między nadawcą i odbiorcą. Zjawisko to ma dodatnie i ujemne strony – zmiana polaryzacji sygnału powoduje, że jego odbiór jest możliwy w przypadku niezgodnej orientacji anten nadajnika i odbiorcy, z drugiej strony zmiana polaryzacji w sposób trudno przewidywalny wpływa na warunki odbioru sygnału. Zjawisko polaryzacji sygnału ma też duże znaczenie w przypadku urządzeń mobilnych (smartphony, tablety). O ile orientacja anten w przypadku AP oraz komputerów stacjonarnych i przenośnych jest stała (w notebooku antena wbudowana jest zwykle w wyświetlacz i jest podobnie jakw AP zorientowana pionowo), o tyle orientacja anten systemów mobilnych nieustannie się zmienia, co stanowi wyzwanie przy konstrukcji AP optymalizowanych pod kątem obsługi tego typu klientów.
Rysunek 3 – polaryzacja sygnału dla typowej anteny dookólnej.
Wnioski
Nawet pobieżny przegląd aspektów komunikacji radiowej związanych z sieciami Wi-Fi pozwala na sformułowanie szeregu wniosków i przy okazji obalenie pewnej liczby mitów związanych z tą technologią:
Więcej anten – dobrze czy źle?
Typowo antena dookólna zapewnia w miarę równomierne pokrycie przestrzeni sygnałem – oczywiście z dokładnością do występujących w otoczeniu przeszkód mogących tłumić, załamywać i odbijać sygnał. Zwiększanie liczby anten nie prowadzi do polepszenia jakości odbioru, a wręcz przeciwnie – interferencje zachodzące po stronie odbiorcy pomiędzy sygnałem wyemitowanym przez różne anteny i docierającym do odbiorcy nieco innymi drogami mogą co najwyżej prowadzić do osłabienia sygnału i pogorszenia współczynnika siły sygnału do szumu. W przypadku korzystania z typowych anten dookólnych każdy z nadajników (o ile AP stosuje więcej niż jeden nadajnik) powinien być zaopatrzony w pojedynczą antenę, zwiększanie ich liczby jest bezcelowe.
Wiele anten o różnej orientacji – dobrze czy źle?
W przypadku anten niekierunkowych dla AP pracujących w typowym środowisku biurowym prawidłowa orientacja anten powinna być pionowa, co wiąże się z opisaną wcześniej charakterystyką anten dookólnych zapewniających wzmocnienie na poziomie 2-3 dBi w płaszczyźnie poziomej, a także z ogólnie przyjętą konwencją pionowej polaryzacji sygnału. Inne orientacje z reguły nie wnoszą poprawy jakości syganału, a zazwyczaj wręcz przeciwnie – patrz rysunek 4.
Rysunek 4 – orientacja anten AP – dobrze, źle i bez sensu.
Anteny dookólne czy kierunkowe?
To pytanie tylko z pozoru jest banalne – na pierwszy rzut oka skłanialibyśmy się do stosowania anten dookólnych w przestrzeniach zamkniętych oraz anten kierunkowych w przypadkach specjalistycznych: budowy radiolinii oraz „oświetlania” sektorowego sygnałem Wi-Fi przestrzeni o bardzo dużej liczbie użytkowników (np. na stadionach). Nasuwa się jednak pytanie, czy nie byłoby możliwe wykorzystanie technologii kierunkowej oraz anten o różnych polaryzacjach w zastosowaniach biurowych. Rzeczywiście – hybrydowe rozwiązania antenowe są wykorzystywane także w AP klasy „biurowej” w ramach technologii BeamFlex opracowanej przez firmę RuckusWireless. W największym skrócie technologia ta polega na zastosowaniu adaptacyjnego zestawu anten o różnej orientacji i różnej polaryzacji – zobacz rysunek nr 5 obok. Zastosowanie kilkunastu anten pozwala na realizację sumarycznej liczby kilku tysięcy kombinacji konfiguracji antenowych. AP nie wykorzystuje wszystkich anten na raz, a tylko pewien ich podzbiór. Konfiguracja anten modyfikowana jest około 1000 razy na sekundę, na podstawie informacji o jakości sygnału. Specjalny algorytm analizuje dane dotyczące jakości otrzymywanych danych i dobiera konfigurację anten. W szczególności, w przypadku użytkowników moblinych (przemieszczających się ze smartphonem lub tabletem) sygnał Wi-Fi będzie „podążał” za użytkownikiem. Jednocześnie AP będzie pracował w standardowej dookólnej konfiguracji anten w przypadku danych rozgłaszanych do wszystkich użytkowników (tj. np. ramek typu „beacon”). Technologia ta pozwala na wzmocnienie sygnału w kierunku aktywnych klientów oraz zmniejszenie mocy sygnału w tych obszarach, w których klientów nie ma. BeamFlex pozwala też na zmianę polaryzacji sygnału. Na rysunku 5. pokazano przykładowe konfiguracje pola Wi-Fi osiągane dzięki technice BeamFlex. Siła technologii Beamflex tkwi w możliwości kształtowania sygnału dla każdego odbiorcy indywidualnie, powoduje to nie tylko bezpośrednią poprawę siły syganłu, ale także redukuje zakłócenia w przypadku korzystania z wielu równolegle pracujących AP (co typowo ma miejsce w środowiskach biurowych).
Rysunek 5 – różne konfiguracje pola sygnału osiagane dzięki technologii BeamFlex
Rysunek 6 – przykład AP o zmiennej polaryzacji anten współpracującego z tabletem.
