Волшебная палочка для Wi-Fi: антенны
Андрей Никишин
Технология Wi-Fi давно стала неотъемлемой частью современной жизни. В свое время мощная кампания, направленная на продвижение беспроводных сетей, дала ощутимые результаты, да и особых усилий для этого не потребовалось: все преимущества организации сети с использованием радиосвязи совершенно очевидны. Дело было за малым - наличием на рынке достаточного количества устройств с приемлемым уровнем цен. Немалую роль в распространении и популяризации Wi-Fi сыграли интегрированные решения - всевозможные портативные компьютеры и КПК, содержащие встроенный беспроводной адаптер.
Когда поутихли первые восторги по поводу Wi-Fi, то все увидели и некоторые недостатки реализации как самих стандартов 802.11b/g, так и конкретных устройств. Оказалось, что заявленная скорость передачи данных, мягко говоря, несколько преувеличена, ведь практически половину значений от цифр «11 Мбит/с» и «54 Мбит/с» занимает служебный трафик. Оставшаяся величина также достижима лишь в идеальных условиях: при отсутствии физических препятствий и электромагнитных помех, чего в реальной жизни не встретишь.
Так, на практике для стандарта 802.11b реальная скорость передачи файла между двумя устройствами с адаптерами Wi-Fi никогда не превышает 500–550 кбайт/ c — а это примерно половина от заявленных 11 Мбит/с. Со своей точки зрения разработчики стандарта правы: полная скорость действительно близка к заявленной, но полезная скорость — важная для пользователя, — оказывается гораздо ниже.
Оставим данный факт на совести разработчиков и подчеркнем, что подобное обстоятельство обусловлено природой самого стандарта, и обратим внимание на более приземленные вещи: радиус действия и зависимость от препятствий и помех. В немалой степени оба параметра взаимосвязаны. Производители предпочитают указывать более оптимистичные характеристики, нежели те, что наблюдаются в реальных условиях — всегда есть возможность сказать: заявленные значения применимы к идеальному случаю. Однако впечатление на потенциального покупателя производят именно цифры на коробке, а не условия, при которых они достигаются.
Принято считать, что в прямой видимости радиус действия Wi-Fi-аппаратуры находится в пределах 100–300 метров, но инсталляция беспроводной сети редко выполняется, как говорится, в чистом поле. Гораздо чаще такая сеть развертывается внутри здания, где нередко установлены железобетонные перекрытия с «фонящей» арматурой, есть множество электроприборов, также оказывающих влияние на качество связи. Как правило, многие вендоры в таких случаях рекомендуют установку дополнительных точек доступа, которые выступают в качестве ретранслятора сигнала от основной точки, но существует более элегантное и идеологически верное решение — подключение внешних антенн. Но прежде чем подробно рассмотреть этот вариант, следует упомянуть наиболее очевидный путь, подразумевающий решение проблемы «в лоб» — установку радиоаппаратуры большей мощности. Казалось бы, что может быть проще: если мощности сигнала недостаточно, просто меняем аппаратуру на более мощную.
Это простое техническое решение на самом деле содержит множество проблем законодательного характера. В соответствии с постановлением № 38 от 16 июля 1998 года Государственная комиссия по радиочастотам санкционировала использование аппаратуры, реализующей технологию расширения спектра, в полосе частот 2400–2483,5 МГц (по сути, устройств стандарта 802.11b/g) на безлицензионной основе при выполнении в том числе следующих условий: максимальная эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) не может превышать значение 100 мВт. В противном случае пользователя соответствующего оборудования ждет бюрократическая волокита с получением лицензии и т. д.
Разумеется, учитывая это обстоятельство, вендоры просто-напросто не продают конечным пользователям устройства с излучаемой мощностью более 100 мВт, вот почему даже при всем желании и попустительском отношении к регламентирующим документам (дескать, кто ж там увидит передатчик в глухой тайге) приобрести такую аппаратуру вряд ли удастся.
Наиболее приемлемый выход, помимо установки ретрансляторов, — применение дополнительных внешних антенн.
В данном случае под термином «внешняя» надо понимать не наружное ее расположение, а то, что антенна подключается взамен штатной, предусмотренной изготовителем. С одной стороны, антенна не нарушает требований относительно эквивалентной изотропно-излучаемой мощности, а с другой — все-таки усиливает сигнал, но тоже не в привычном смысле понятия «усиление». В действительности усиления как такового не происходит, ведь антенна Wi-Fi является полностью пассивным устройством, которому неоткуда брать энергию для усиления. Иначе это была бы не антенна, а полноценный усилитель сигнала.
Точечная антенна распространяет сигнал в пространстве равномерно и прямолинейно, его мощность одинакова в различных направлениях на одинаковом расстоянии от антенны. Но есть способ изменить мощность в зависимости от направления сигнала — с помощью изменения диаграммы направленности антенны. Именно такой эффект и служит основой для использования внешних антенн. Как и любое оборудование, антенна должна быть сертифицирована к применению в России. К счастью, на сегодняшний день с этим проблем нет, хотя оборудование Wi-Fi работает в популярном диапазоне 2–5 ГГц (последний предел будет широко востребован в самое ближайшее время). Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев внешняя антенна представляет собой довольно дорогое устройство, по цене сопоставимое с самой точкой доступа. А если же антенна подключается непосредственно к беспроводному адаптеру, разница в цене оказывается поразительной.
Основная функция антенн заключается в усилении сигнала. Эффект от применения антенн зачастую бывает настолько велик, что есть примеры установки стабильного сетевого соединения на дистанциях от 2 до 10 км в пределах прямой видимости (под прямой видимостью в данном случае надо понимать отсутствие на пути следования сигнала зданий, опор линий электропередач и прочих существенных для сигнала препятствий). Эффект усиления сигнала от изменения диаграммы направленности прекрасно проявляет себя и внутри здания, что во многих случаях позволяет упразднить громоздкую инфраструктуру из множественных точек доступа — повторителей.
Противники применения внешних антенн нередко акцентируют внимание на том, что микроволновое излучение пагубно влияет на здоровье человека, однако на практике мощность сигнала оказывается на порядки ниже мощности излучения обычного мобильного телефона. А значит, данный фактор, как говорят математики, можно опустить за несущественностью.
Как правило, все производители внешних антенн весьма переживают за сохранность своего ноу-хау, поэтому практически все антенны заключены в герметичные пластиковые корпуса, и определить на первый взгляд, к какому типу относится данное устройство, бывает довольно непросто. Мы же рассмотрим несколько классических типов внешних антенн, а также оценим их эффективность и оправданность применения в различных условиях.
Если есть необходимость установить соединение на большом расстоянии в условиях открытого пространства, для этой цели прекрасно подходит направленная спиральная антенна (Helix antenna) — именно с ее применением возможны варианты связи на расстоянии 2–10 км. Спиральную антенну, изобретенную в конце 1940-х Джоном Краусом (John Crouse), следует назвать самой простой реализацией направленной антенны, которую только можно представить, в особенности для частот в диапазоне 2–5 ГГц. Ее конструкция очень проста, практична и одновременно надежна. Само устройство может быть описано как пружина с количеством витков N и специальным отражателем. Окружность С каждого витка составляет примерно длину волны I, а расстояние между витками антенны — примерно четвертую часть от окружности. Размер отражателя R равен длине волны, форма отражателя представляет собой квадрат либо круг. Конструкция излучающего элемента (пружины), а также некороткозамкнутость антенны обусловливают круговую поляризацию, лево- или правостороннюю, в зависимости от направления закручивания спирали. Необходимо учитывать, что для передачи максимального количества энергии антенны должны иметь одинаковую поляризацию на передающей и приемной сторонах. Хотя если на пути следования сигнала присутствует пассивный отражатель радиоволн, требование касательно одинаковой поляризации не обязательно.
Важнейшая характеристика антенны, коэффициент усиления G относительно изотропии (dBi), определяется в соответствии с формулой:
G = 11.8 + 10 * log {(C/1)^2 * N * d} dBi
(формула Крауса)
а характеристика импеданса Z полученной передающей линии эмпирически описывается формулой:
Z = 140 * (C/1) Ом
Необходимо отметить, что в радиосвязи для характеристики сигнала чаще используется величина «децибел», в отличие от общефизической величины «ватт». Децибел — логарифмическая величина, используемая для сравнения одноименных параметров. То есть, если мощность с внешней антенной и без нее отличается на 30 дБ, это значит — «в тысячу раз». Изотропные децибелы (dBi) показывают, на сколько мощность излучения конкретной (в данном случае — направленной) антенны превышает мощность излучения эталонной точечной (изотропной) антенны. При этом нужно учесть, что выбирается наибольшая мощность по всей диаграмме направленности. Изменение самой диаграммы напрямую влияет на дальность распространения сигнала, а также на максимально достижимую скорость передачи данных — опять-таки в том направлении диаграммы, где наблюдается максимальная изотропная мощность.
Свои варианты спиральных антенн предлагает огромное количество производителей, что свидетельствует о жизнеспособности изобретения Джона Крауса. Хотя имеются и крайне оригинальные разработки — например, компания NETGEAR создала устройство, позволяющее превратить в одну большую антенну Wi-Fi всю электропроводку в здании. Прибор под названием WGXB102 внешне похож на обычный сетевой адаптер и вставляется в стандартную розетку, а после подключения его к локальной сети электропроводка в здании становится излучающим контуром точки беспроводного доступа 802.11b/g.
Большое количество устройств относится к всенаправленным (Omni-Directional) антеннам, которые хорошо зарекомендовали себя в качестве домашних и офисных излучателей. В принципе, штатные антенны подавляющего большинства Wi-Fi-аппаратуры (адаптеров и точек доступа) являются всенаправленными, обеспечивающими равномерное покрытие с равномерно уменьшающейся мощностью.
Как правило, такие антенны выглядят как вертикально устанавливаемый штырь (но существуют и различные вариации — «штырь с лепестками» и т. д.), а эффективность такой антенны при прочих равных условиях заметно уступает эффективности спиральных направленных антенны. При идеально вертикальном положении всенаправленной антенны можно добиться идеальной горизонтальной поляризации сигнала, а диаграмма направленности будет представлять собой практически круг, а не лепестки, как у направленных антенн.
Еще одна широко распространенная конструкция носит название «двойной квадрат» (Bi-Quad), хотя существует и вариация «двойной двойной квадрат» (Double Bi-Quad). Антенна такой конструкции требует тщательного и точного изготовления, поскольку при малейших неточностях эта короткозамкнутая антенна потеряет огромную долю своей эффективности.
Некоторые компании предлагают на рынке комбинированные решения: приемная антенна с встроенным усилителем. Например, InField Technologies выпускает беспроводную антенну, которая расширяет диапазон покрытия сетей Wi-Fi. Разработка получила названия Wi-Fire. Будучи подключенной к USB-порту компьютера, антенна втрое усиливает мощность принимаемого сигнала Wi-Fi (коэффициент усиления составляет 10,4 дБ).
Как видим, вовсе не обязательно перегружать парк аппаратуры лишними повторителями сигнала, чтобы обеспечить широкое покрытие и стабильность связи. Во многих случаях достаточно грамотно выбрать и расположить антенны, и тогда эффективность технологии Wi-Fi проявит себя в полном объеме.
При подготовке статьи использовались материалы компаний
U.S.Robotics и D-Link
