Основы беспроводных сетей

Устройство, преобразующее электрический ток в электромагнитную волну, как это было показано в уроке "Основные характеристики радиоволн", называется антенной. Кроме того, антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрический ток в режиме приёма радиосигнала. Возможность использования антенны как для передачи, так и для приёма электромагнитных волн называется свойством обратимости.

Основные характеристики

Диаграмма направленности

Основной характеристикой, отражающей особенности антенн, является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности понимают зависимость поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. Как правило, диаграмму направленности изображают в полярных системах координат, рассматривая в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Важно понимать, что диаграмма направленности демонстрирует распределение в пространстве энергии, подведённой к антенне. Примеры диаграмм направленности представлены на рисунках 1-3:

Рисунок 1 - Диаграмма направленности изотропного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в - трёхмерное изображение

Рисунок 2 - Диаграмма направленности всенаправленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в - трёхмерное изображение

Рисунок 3 - Диаграмма направленности направленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в - трёхмерное изображение

Выраженные максимумы диаграммы направленности называют лепестками. На практике сложно реализовать направленные антенны, излучающие только в нужном направлении: как правило, излучение в рамках основного лепестка будет сопровождаться побочным - боковыми и задними лепестками:
 

Рисунок 4 - Диаграмма направленности с характерно выраженными лепестками излучения

Ширина основного лепестка, азимут, угол места

Под шириной луча понимают угловой сектор, внутри основного лепестка диаграммы направленности антенны, в пределах которого излучается наибольшая часть энергии сигнала. Величина измеряется по уровню половинной мощности, что соответствует снижению уровня напряжённости на 3 дБ.

Эффективная эксплуатация беспроводных систем связи достигается при выполнении условия качественной юстировки - сонаправленности основных лепестков антенн приёмника и передатчика. Для достижения этого условия, в процессе предварительного планирования и монтажа используют следующие параметры:

• азимут - угол, образуемый направлением антенны и направлением на север в горизонтальной плоскости;
• угол места - наклон антенны относительно горизонта в вертикальной плоскости.

Рисунок 5 - Иллюстрация понятий угла места и азимута

Уровень боковых лепестков

Параметр "уровень боковых лепестков" показывает насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка и рассчитывается по формуле:

Коэффициент защитного действия

Под коэффициентом защитного действия понимают отношение напряжённости поля, излученного антенной в главном направлении, к напряжённости поля, излучённого в противоположном направлении:

Коэффициент усиления

Антенна является пассивным устройством и передаваемый сигнал не усиливает в буквальном смысле, однако, за счёт неоднородной диаграммы направленности, устройство совершает перераспределение энергии. Перераспределение энергии позволяет на передающей стороне увеличить интенсивность излучения, а на приёмной - улучшить чувствительность по некоторым направлениям в пространстве по сравнению с изотропной антенной. Важно помнить, что перераспределение энергии осуществляется не только в направлении основного лепестка, относительно которого рассчитывается коэффициент усиления, но также и в направлении боковых и задних лепестков.

Таким образом, коэффициент усиления характеризует во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны при замене данной антенны на изотропную, чтобы значение плотности потока мощности излучаемой антенной электромагнитной волны в точке наблюдения не изменилось. Коэффициент усиления учитывает потери подводимой энергии через коэффициент полезного действия:

Коэффициент стоячей волны по напряжению

При распространении электрического тока по фидеру часть энергии может отражаться от нагрузки, в роли которой выступает антенна. Причиной является несогласованность сопротивлений фидера с нагрузкой, причём количество отражённой энергии зависит от соотношения сопротивлений. Коэффициент стоячей волны по напряжению показывает какая доля подведённой энергии будет отражаться обратно в фидер.

Например, если к антенне с входным сопротивлением 100 Ом подключается ВЧ-кабель сопротивлением 50 Ом, то КСВ=2:1, а значит половина энергии при передаче будет отражаться обратно в ВЧ-кабель.

Частотный диапазон

В уроке "Основные характеристики радиоволн" был рассмотрен механизм формирования электромагнитной волны для вибратора. При этом электрический ток, протекающий по вибратору, образовывал стоячую волну, узел которой располагался посередине, а амплитудные значения тока наблюдались на краях вибратора. Таким образом, максимальные значения напряжённости поля будут наблюдаться в случае, если длина вибратора равна половине длины волны колебаний, что свидетельствует о зависимости между длиной волны излучения и габаритами антенны. Согласно свойству обратимости, связь между длиной волны и габаритами также характерна для приёмной антенны.

В общем случае, независимо от конструктивного исполнения антенны, длина волны радиосигнала пропорциональна размерам антенны, что является одной из директив для выбора частотного диапазона при проектировании системы связи. По этой причине, одной из характеристик антенны является рабочий диапазон частот, для которого сохраняются заявленные параметры.

К примеру, широкое распространение беспроводных систем передачи данных в диапазоне 5 ГГц обусловлено небольшими размерами антенны - 6 см и приемлемыми показателями затухания.

Поляризация

Поляризация электромагнитной волны, рассматриваемая в рамках  "Основные характеристики радиоволн", определяется конструктивными особенностями и расположением используемой антенны. Важно понимать, что передающая и приёмная антенны должны быть согласованы по поляризации: на рисунке 6 представлены ситуации с согласованием (а) и рассогласованием (б) по поляризации на приёмной и передающей сторонах:

Рисунок 6 - Согласование (а) и рассогласование (б) приёмной и передающей сторон по поляризации

Поскольку электромагнитные волны ортогональных поляризаций не оказывают взаимовлияния, то возможно использования двух радиосигналов разных поляризаций в одной полосе частот. Существуют различные сценарии использования данного инструмента: увеличение пропускной способности,  организация дуплексного канала связи, организация множественного доступа, повышение надёжности канала связи.
 

Конструктив антенн

Изотропная антенна

В теории антенн используется модель изотропной антенны, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, представленную на рисунке 1. Создание такой антенны в реальной жизни невозможно.

Всенаправленная антенна

Используемая на практике антенна, наиболее схожая с изотропным излучателем по диаграмме направленности - всенаправленная антенна. Пример диаграммы направленности всенаправленной антенны представлен на рисунке 2, а конструктивное исполнение - на рисунке 7:

Рисунок 7 - Пример всенаправленной антенны

Направленная антенна

В отличии от рассмотренных вариантов антенн, направленные отличаются выраженным главным лепестком и имеют множество конструктивных вариантов исполнения. Пример диаграммы направленности устройства представлен на рисунке 3, конструктивное исполнение - на рисунке 8.

Может показаться, что из-за сложного конструктивного исполнения направленные антенны превосходят по своим показателям всенаправленные, однако выбор антенны напрямую зависит от решаемой задачи. Например, при построении беспроводного канала "точка-точка" следует использовать узконаправленные устройства, при построении многосекторной базовой станции - антенны с определённой шириной главного лепестка, вплоть до всенаправленной при односекторной конфигурации.

Рисунок 8 - Примеры направленных антенн

Многообразие конструктивных реализаций направленных антенн обусловлено тем, что направленные антенны шире распространены в беспроводных системах связи, чем всенаправленные. Например, в линейке компании "Инфинет" представлены решения с возможностью подключения внешней антенны и с интегрированной антенной, представляющей микрополосковую антенную решётку:
 

Рисунок 9 - Устройства компании "Инфинет": а - с интегрированной антенной, б - с возможностью подключения внешней антенны

Технология формирования луча (beamforming)

Одним из видов антенн по конструктивному исполнению являются фазированные антенные решётки (ФАР), представляющие из себя матрицу излучающих элементов, соединённых между собой, как на рисунке 10. Особенность ФАР заключается в том, что, подавая на излучающие элементы сигналы с разными параметрами амплитуды и фазы, можно формировать различные диаграммы направленности. Таким образом, динамически меняя подводимые к излучающим поверхностям сигналы, можно управлять диаграммой направленности в режиме реального времени.

Рисунок 10 - Пример схемы ФАР

Основываясь на способности ФАР динамически изменять диаграмму направленности, была реализована технология формирования луча, использование которой имеет ряд преимуществ относительно антенн с фиксированной диаграммой направленности.
 

Рассмотрим пример, в котором к сектору базовой станции подключено два абонента и в раскрыве сектора наблюдается помеха, рисунок 11. При использовании сектора с фиксированной диаграммой направленности помеха будет оказывать негативное воздействие, ухудшая производительность базовой станции. В случае, если помеха широкополосная, то смена частотного канала не принесёт результатов, а поиск источника помех на местности является достаточно комплексной задачей, решение которой может носить длительный характер.

Рисунок 11 - Пример воздействия помехи на сектор с фиксированной диаграммой направленности

Заменим секторную антенну на устройство с технологией формирования луча, рисунок 12.
 

Рисунок 12 - Пример воздействия помехи на сектор с технологией формирования луча: а - обслуживание CPE1, б - обслуживание CPE2

Технология формирования луча позволяет сформировать узкую диаграмму направленности в направлении конкретного абонента, а со временем переориентировать главный лепесток в сторону других клиентских устройств. Наблюдается улучшение производительности беспроводной системы за счёт двух факторов: снижается восприимчивость к локальным помехам на сектор и увеличивается энергетика канала в сторону каждого из абонентов за счёт перераспределения энергии сектора в более узкий луч диаграммы направленности. Важным дополнением является то, что использование технологии формировании луча не требует поддержки данной технологии со стороны абонентских устройств.
 

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности систем связи или повышения надёжности, можно использовать реализации схем, в которых передача и приём осуществляются несколькими антеннами. Соседние антенны в подобных схемах необходимо изолировать для снижения корреляции за счёт пространственного, поляризационного и др. методов разнесения. Данная технология называется MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Для пояснения принципов технологии MIMO рассмотрим схему на рисунке 13. Передатчик и приёмник используют по две антенны разной поляризации - вертикальной и горизонтальной. На передающей стороне исходный поток данных делится на два подпотока, каждый из которых отправляется в свой канал обработки и, впоследствии, передаётся через отдельную антенну. В приёмнике реализуется обратный процесс - один подпоток данных принимается через антенну горизонтальной поляризации, другой - через антенну вертикальной поляризации. После подпотоки объединяются в единый поток данных и передаются на дальнейшие звенья обработки.

Рисунок 13 - Пример использования схемы MIMO с двумя потоками

Рассмотренная на рисунке 13 схема увеличивает пропускную способность канала связи в два раза. Возможна реализация сценария использования нескольких антенн для повышения надёжности связи - в этом случае подпотоки данных передаются на меньшей скорости, сохраняя общую пропускную способность системы, либо поток данных не делится на подпотоки, а дублируется в каждом из каналов связи.
 

На рисунке 13 представлена схема MIMO с двумя потоками данных, но следует иметь в виду, что число потоков данных может быть произвольным и зависит от числа антенн.

Сценарии построения беспроводных систем связи

При выборе антенных устройств для беспроводной системы связи необходимо отталкиваться от условий, в которых будет разворачиваться система связи. Возможны три сценария:

• беспроводная фиксированная система связи;
• беспроводная мобильная система связи;
• беспроводная система связи с передвижными объектами.

В фиксированных системах связи "точка-многоточка" на выделенной площадке устанавливается базовая станция с одним или несколькими секторами. Диаграмма направленности сектора при этом зависит от конфигурации базовой станции: для обеспечения кругового охвата ширина диаграммы направленности секторных антенн равна 360° при конфигурации с одним сектором, 120° - с тремя секторами, 60° - с шестью и т.д. Используются антенны с широкой диаграммой направленности, поскольку сектор работает в режиме "точка-многоточка" и должен обеспечивать подключение фиксированных абонентов на определённой территории. Абонентские устройства при этом статичны и съюстированы с сектором. Для того, чтобы снизить уровень паразитного излучения, ширину диаграммы направленности клиентского устройства выбирают достаточно узкой.

Рисунок 14 - Пример схемы беспроводной фиксированной системы связи

В мобильных системах связи, в отличие от фиксированных, абоненты могут менять местоположение, поэтому диаграммы направленности клиентских устройств, как правило, выбираются всенаправленными:
 

Рисунок 15 - Примеры схем беспроводных мобильных систем связи

Комбинацией рассмотренных типов систем связи является беспроводная система связи с передвижными объектами. В рамках данного сценария местоположение устройств может изменяться время от времени. При этом, в случае использования узконаправленных антенн, необходимо производить юстировку при изменении местоположения устройства, либо использовать системы с автоматическим слежением.
 

Рисунок 16 - Пример схемы связи с передвижными объектами

Представленная классификация беспроводных систем связи справедлива как для схем "точка-многоточка", так и для схем "точка-точка".
 

Единицы измерения

В соответствии с международной системой единиц, мощность измеряется в Ваттах:

При передаче и приёме радиосигналов, как правило, оперирует меньшими величинами, миливаттами:

Для оценки энергетики каналов связи удобно использовать безразмерную величину - децибел, которая пропорциональна десятичному логарифму отношения двух энергетических величин:
 

Отдельно выделяют величину децибелл-милливатт, в которой измеряемая величина нормируется относительно 1 мВт: