Зона Френеля и CCQ: что нужно знать при проектировании и создании беспроводного моста

 Довольно часто можно услышать даже от начинающих системных администраторов о том, что для нормальной работы беспроводного моста достаточно обеспечить прямую видимость. Что уже говорить про обычных клиентов, для которых очень часто требуется помощь с подключением и настройкой обычного маршрутизатора.

 Представим ситуацию из жизни. Вы создаете беспроводной мост, мощности радиомодуля и антенны достаточно, стандарт передачи новый, прямая видимость есть, а скорость... скорости нет, к тому же CCQ показывает цифры, неприлично далекие от 100%. Почему же это происходит?

Что такое CCQ?

 Практически во всех современных беспроводных устройствах среди параметров беспроводного соединения присутствует параметр CCQ. Что же скрывается под аббревиатурой CCQ?

 CCQ является сокращением от английского «Client Connection Quality», что в переводе означает «качество клиентского соединения». Для беспроводного оборудования Mikrotik и Ubiquiti в статусе соединения отдельно указывается Tx. CCQ (Transmit CCQ) и Rx. CCQ (Receive CCQ), т.е. отдельно качество связи на отправку и прием.

 Дело в том, что принимающее и передающее устройство могут работать при разной мощности, это вообще может быть разное оборудование по обе стороны. К тому же, в ряде случаев, каналы на прием и отправку могут быть разделены на разные частоты (к примеру, FDD - Frequency Division Duplex).

 Говоря простыми словами, CCQ отображает соотношение реальной пропускной способности к максимальной теоретической, выражается этот параметр в процентах. Чем больше значение - тем выше качество. На CCQ влияет много факторов, среди которых можно выделить 3 наиболее важных.

 Первый фактор: юстировка обеих антенн. В идеале, обе антенны должны быть идеально направлены друг относительно друга, чтобы их диаграммы максимально пересекались. Если вы создаете беспроводной мост «Точка-Точка» (Point-to-Point), проблема решается достаточно просто, ведь подстроить можно обе антенны. В случае с соединением «Точка-Многоточка» (Point-to-MultiPoint), когда имеется клиентское оборудование (CPE), подключенное к базовой станции провайдера (WISP), подстроить получится только устройство на стороне клиента, ведь на стороне провайдера используется секторная антенна и изменение её положения затронет всех подключенных клиентов.

 Второй фактор: наличие шума в эфире. Это может быть как шум от перекрывающихся каналов, так и устройства, работающие на той же частоте. Выходом из данной ситуации будет смена рабочего канала. Достаточно проанализировать текущую частоту, в частности параметры SNR (Signal-to-Noise Ratio, соотношение сигнал/шум) и Noise Level (Noise Floor, уровень шума). Чем больше разница между уровнем сигнала и уровнем шума, тем лучше. В идеале, уровень шума не должен превышать -105 дБ, поэтому если у вас уровень шума, скажем -95 дБ - стоит задуматься о смене частоты.

 Третий фактор: зона Френеля. Перед тем как ответить на вопрос, что же такое зона Френеля, давайте вкратце рассмотрим природу радиоволн.

Немного о радиоволнах

Радиоволна - электромагнитное колебание, переносящее в пространстве энергию со скоростью света, благодаря чему и возможно создание беспроводного моста. С ростом частоты длина волны сокращается.

 Электромагнитная волна по своим свойствам похожа на свет и может преломляться, отражаться от предметов и поверхностей или затухать при удалении от источника.

 Поскольку радиоволна это колебание, в атмосфере она движется не точно по прямой, а волнообразно в виде энергии электромагнитного поля. Один из самых важных факторов распространения радиоволны - её длина, которая имеет прямую зависимость от частоты.

 Чем короче волна - тем больше затухание и поглощение в атмосфере, таким образом, устройство с 2.4 ГГц будет работать на большем расстоянии, в сравнении с 5 ГГц. Начиная с длины волны в 1 см, c её уменьшением, на беспроводной канал начинают воздействовать погодные условия - дождь, туман и облака. Именно по этой причине airFiber 24 больше подходит для небольших расстояний, а для больших лучше использовать airFiber 5.

 Начиная с длины волны в 10 метров, волны утрачивают способность к дифракции, т.е. не могут обходить препятствия. Это значит, что беспроводные устройства, работающие в диапазоне 2.4 и 5 ГГц, должны находиться в зоне прямой видимости, т.к. волна на этой частоте не может огибать препятствия.

Что же такое зона Френеля?

 Вот мы плавно и подобрались к зоне Френеля. Давайте опустим все научные объяснения, расчеты и теорию, т.к. это громадный объем информации, который вовсе не обязательно знать и понимать при расчёте зоны Френеля.

 Учеными доказано, что между приемником и передатчиком электромагнитная волна приобретает форму эллипсоида. Эллипсоид формируется вокруг линии видимости (Line-of-Sight).

 Радиус эллипсоида (в максимальной части) зависит от двух параметров - частоты и дальности. Зная рабочую частоту и дальность между точками, можно рассчитать максимальный радиус зоны Френеля в центральной точке между двумя антеннами.

 Вычисления можно провести как с помощью специального онлайн-калькулятора, так и при помощи формул. Если вам требуется вычислить максимальный радиус зоны Френеля, воспользуйтесь нижеприведенной формулой:

Где, D - расстояние в километрах, а f - частота в гигагерцах.

 Использование формул дает больше возможностей в тех случаях, когда необходимо вычислить зону Френеля в конкретной точке на заданном удалении от антенны. Дело в том, что радиус достигает своего максимума в центральной точке, и при приближении к самой антенне он уменьшается. Для того, чтобы рассчитать зону Френеля в конкретной точке, необходимо знать расстояние до неё:

В данной формуле f - частота в гигагерцах, а D1 и D2 - расстояние до точки от обоих устройств. По сути, вам нужно удаление точки от любой из антенн.

 По сути, D1 + D2 дают вам общее расстояние между точками, поэтому зная общее расстояние и расстояние до преграды, вы можете с легкостью вычислить второе расстояние.

 Например, общее расстояние 10 км, вам необходимо вычислить зону над преградой, находящейся на удалении 1 км. В данном примере D1+D2 = 10 км, D1 = 1 км, а D2 = 10-1 = 9 км. Всё просто.

 Практика показывает, что для нормальной работы беспроводного соединения, требуется обеспечить LOS и чистый радиус от линии видимости не менее, чем в 60% от зоны Френеля. Показатель в 80% считается величиной, при которой преграды не сильно будут влиять на пропускную способность канала. Как видите, небольшие преграды, не всегда проблема, тем не менее, расчеты лишними никогда не будут.

 Для лучшего восприятия, мы подготовили для вас небольшую сравнительную таблицу для расстояний от 1 до 20 км, с частотой 2.4, 5.2 и 5.8 ГГц.

 В диапазоне 5 ГГц мы выбрали 2 частоты, т.к. устройства, работающие в этом диапазоне, имеют больше вариантов по выбору частоты. Как видите, разница хоть и не существенная, но она есть, причем с ростом расстояния она становится более заметной. На практике в диапазоне 5 ГГц ощутимая разница в размере зоны Френеля будет только на дальних линках.

 В условиях плотной городской застройки 5 ГГц выглядит куда более предпочтительно, ведь этот диапазон слабо загружен, в нем много свободных каналов, сами каналы шире, общая скорость выше, а требования к чистой зоне Френеля - меньше.

 Говоря о средней и большой дальности, есть правда свои нюансы. С ростом расстояния между точками, на максимальную дальность прямой видимости начинает влиять круглая форма Земного шара (кривизна земной поверхности), которая уменьшает эффективную высоту размещения устройств.

 Максимальная дальность вычисляется по формуле:

 Где h1 и h2 это высота размещения каждой из точек. Казалось бы, какое это имеет отношение к зоне Френеля? Самое прямое, ведь с ростом расстояния уменьшается эффективная высота размещения антенн.

 Для примера рассмотрим таблицу:

 В таблице для каждой дальности указана необходимая высота каждой точки для того, чтобы была обеспечена LOS. Как это понимать и использовать?

Если дальность вашего беспроводного моста составляет 10 км, при расчете зоны Френеля вы должны учесть кривизну земной поверхности. К примеру, для расстояния в 10 км и частоты 5,7 ГГц, максимальный радиус составляет 11,5 метра.

 Казалось бы, достаточно обеспечить 11,5 м над преградами в центральной части беспроводного моста и мы получим 100% зону Френеля? Но нет... при использовании точек размещения по 2 метра с каждой стороны, на расстоянии 10 км, LOS между этими точками пролегает по поверхности земли. Иными словами, для расстояния в 10 км, вам нужно взять про запас 2 метра, иначе ваша зона Френеля на эти самые 2 метра будет перекрыта препятствиями в центральной части.

 Конечно, это грубый расчёт, взятый для одинаковой высоты обеих точек. На практике же антенны обычно размещаются на разной высоте, но т.к. формулы для расчета корректировки с разной высотой размещения довольно сложные, советуем брать именно такой запас. Или же воспользоваться онлайн-калькулятором, учитывающим высоту размещения и ландшафт местности. Правда здания, искусственные преграды и зеленые насаждения (кроны деревьев) нужно будет учитывать самому.

 Надеемся, данная информация будет полезна тем, кто планирует создание беспроводных мостов, но еще не сориентировался в основных нюансах.