Зона Френеля та CCQ: що потрібно знати при проектуванні та створенні бездротового мосту

Досить часто можна почути навіть від системних адміністраторів-початківців про те, що для нормальної роботи бездротового мосту достатньо забезпечити пряму видимість. Що вже говорити про звичайних клієнтів, для яких дуже часто потрібна допомога з підключенням та налаштуванням звичайного маршрутизатора .

Уявімо ситуацію з життя. Ви створюєте бездротовий міст, потужності радіомодуля та антени достатньо, стандарт передачі новий, пряма видимість є, а швидкість... швидкості немає, причому CCQ показує цифри, непристойно далекі від 100%. Чому це відбувається?

Що таке CCQ?

Практично у всіх сучасних бездротових пристроях серед параметрів бездротового з'єднання є параметр CCQ. Що ж ховається під абревіатурою CCQ?

CCQ є скороченням від англійської "Client Connection Quality", що в перекладі означає "якість клієнтського з'єднання". Для бездротового обладнання Mikrotik та Ubiquiti у статусі з'єднання окремо вказується Tx. CCQ (Transmit CCQ) та Rx. CCQ (Receive CCQ), тобто. окремо якість зв'язку на відправлення та прийом.

Справа в тому, що приймаючий і передавальний пристрій можуть працювати при різній потужності, це може бути різне обладнання по обидва боки. До того ж, у ряді випадків, канали приймання і відправлення можуть бути розділені на різні частоти (наприклад, FDD - Frequency Division Duplex).

Говорячи простими словами, CCQ відображає співвідношення реальної пропускної спроможності до максимальної теоретичної, виражається цей параметр у відсотках. Чим більше значення - тим вища якість. На CCQ впливає багато факторів, серед яких можна виділити 3 найважливіші.

Перший фактор: юстування обох антен. В ідеалі, обидві антени повинні бути ідеально спрямовані один до одного, щоб їх діаграми максимально перетиналися. Якщо ви створюєте бездротовий міст "Точка-Точка" (Point-to-Point), проблема вирішується досить просто, адже підлаштувати можна обидві антени. У випадку зі з'єднанням «Точка-Многоточка» (Point-to-MultiPoint), коли є клієнтське обладнання (CPE), підключене до базової станції провайдера (WISP), підлаштувати вийде лише пристрій на стороні клієнта, адже на стороні провайдера використовується секторна антена і зміна її положення торкнеться всіх підключених клієнтів.

Другий чинник: наявність шуму ефірі. Це може бути як шум від каналів, що перекриваються, так і пристрої, що працюють на тій же частоті. Виходом із цієї ситуації буде зміна робочого каналу. Достатньо проаналізувати поточну частоту, зокрема параметри SNR (Signal-to-Noise Ratio, співвідношення сигнал/шум) та Noise Level (Noise Floor, рівень шуму). Чим більша різниця між рівнем сигналу та рівнем шуму, тим краще. В ідеалі рівень шуму не повинен перевищувати -105 дБ, тому якщо у вас рівень шуму, скажімо -95 дБ - варто задуматися про зміну частоти.

Третій чинник: зона Френеля. Перед тим як відповісти на запитання, що ж таке зона Френеля, коротко розглянемо природу радіохвиль.

Трохи про радіохвилі

Радіохвиля - електромагнітне коливання, що переносить у просторі енергію зі швидкістю світла, завдяки чому і можливе створення бездротового мосту . Зі зростанням частоти довжина хвилі скорочується.

Електромагнітна хвиля за своїми властивостями схожа на світло і може переломлюватись, відбиватися від предметів та поверхонь або загасати при віддаленні від джерела.

Оскільки радіохвиля це коливання, в атмосфері вона рухається не точно прямою, а хвилеподібно у вигляді енергії електромагнітного поля. Один із найважливіших факторів поширення радіохвилі - її довжина, яка має пряму залежність від частоти.

Чим коротша хвиля - тим більше загасання та поглинання в атмосфері, таким чином, пристрій з 2.4 ГГц буде працювати на більшій відстані порівняно з 5 ГГц. Починаючи з довжини хвилі в 1 см з її зменшенням, на бездротовий канал починають впливати погодні умови - дощ, туман і хмари. Саме тому airFiber 24 більше підходить для невеликих відстаней, а для більших краще використовувати airFiber 5 .

Починаючи з довжини хвилі 10 метрів, хвилі втрачають здатність до дифракції, тобто. не можуть оминати перешкоди. Це означає, що бездротові пристрої, що працюють у діапазоні 2.4 та 5 ГГц, повинні знаходитись у зоні прямої видимості, т.к. хвиля на цій частоті не може огинати перешкоди.

Що таке зона Френеля?

Ось ми плавно підібралися до зони Френеля. Давайте опустимо всі наукові пояснення, розрахунки та теорію, т.к. це величезний обсяг інформації, який не обов'язково знати і розуміти при розрахунку зони Френеля.

Вченими доведено, що між приймачем і передавачем електромагнітна хвиля набуває форми еліпсоїда. Еліпсоїд формується навколо лінії видимості (Line-of-Sight).

Радіус еліпсоїда (у максимальній частині) залежить від двох параметрів - частоти та дальності. Знаючи робочу частоту та дальність між точками, можна розрахувати максимальний радіус зони Френеля у центральній точці між двома антенами.

Обчислення можна здійснити як за допомогою спеціального онлайн-калькулятора, так і за допомогою формул. Якщо вам потрібно обчислити максимальний радіус зони Френеля, скористайтеся наведеною нижче формулою:

Де, D – відстань у кілометрах, а f – частота у гігагерцях.

Використання формул дає більше можливостей у випадках, коли необхідно обчислити зону Френеля у конкретній точці на заданому віддаленні антени. Справа в тому, що радіус досягає свого максимуму в центральній точці, і при наближенні до самої антени він зменшується. Для того щоб розрахувати зону Френеля в конкретній точці, необхідно знати відстань до неї:

У цій формулі f - частота в гігагерцях, а D1 та D2 - відстань до точки від обох пристроїв. По суті, вам потрібно видалити крапку від будь-якої з антен.

По суті, D1 + D2 дають вам спільну відстань між точками, тому знаючи загальну відстань та відстань до перешкоди, ви можете легко вирахувати другу відстань.

Наприклад, загальна відстань 10 км, вам необхідно обчислити зону над перешкодою, що знаходиться на відстані 1 км. У цьому прикладі D1+D2 = 10 км, D1 = 1 км, а D2 = 10-1 = 9 км. Все просто.

Практика показує, що для нормальної роботи бездротового з'єднання потрібно забезпечити LOS і чистий радіус від лінії видимості не менше, ніж у 60% від зони Френеля. Показник у 80% вважається величиною, за якої перешкоди не сильно впливатимуть на пропускну здатність каналу. Як бачите, невеликі перепони, не завжди проблема, проте розрахунки зайвими ніколи не будуть.

Для кращого сприйняття ми підготували для вас невелику порівняльну таблицю для відстаней від 1 до 20 км, з частотою 2.4, 5.2 і 5.8 ГГц.

У діапазоні 5 ГГц вибрали 2 частоти, т.к. пристрої, що працюють у цьому діапазоні, мають більше варіантів на вибір частоти. Як бачите, різниця хоч і не суттєва, але вона є, причому зі зростанням відстані вона стає помітнішою. На практиці в діапазоні 5 ГГц відчутна різниця у розмірі зони Френеля буде лише на далеких лінках.

В умовах щільної міської забудови 5 ГГц виглядає набагато краще, адже цей діапазон слабо завантажений, в ньому багато вільних каналів, самі канали ширші, загальна швидкість вища, а вимоги до чистої зони Френеля - менше.

Говорячи про середню і велику дальність, є правда свої нюанси. Зі зростанням відстані між точками на максимальну дальність прямої видимості починає впливати кругла форма Земної кулі (кривизна земної поверхні), яка зменшує ефективну висоту розміщення пристроїв.

Максимальна дальність обчислюється за такою формулою:

Де h1 та h2 це висота розміщення кожної з точок. Здавалося б, яке це стосується зони Френеля? Найпряміше, адже зі зростанням відстані зменшується ефективна висота розміщення антен.

Наприклад розглянемо таблицю:

У таблиці кожної дальності вказана необхідна висота кожної точки у тому, щоб була забезпечена LOS. Як це розуміти та використовувати?

Якщо дальність бездротового мосту становить 10 км, при розрахунку зони Френеля ви повинні врахувати кривизну земної поверхні. Наприклад, для відстані 10 км і частоти 5,7 ГГц, максимальний радіус становить 11,5 метра.

Здавалося б, чи достатньо забезпечити 11,5 м над перешкодами в центральній частині бездротового мосту і ми отримаємо 100% зону Френеля? Але немає... при використанні точок розміщення по 2 метри з кожного боку, на відстані 10 км, LOS між цими точками пролягає поверхнею землі. Іншими словами, для відстані в 10 км, вам потрібно взяти про запас 2 метри, інакше ваша зона Френеля на ці 2 метри буде перекрита перешкодами в центральній частині.

Звичайно, це грубий розрахунок, взятий для однакової висоти обох точок. Насправді ж антени зазвичай розміщуються різної висоті, але т.к. Формули для розрахунку коригування з різною висотою розміщення досить складні, радимо брати саме такий запас. Або ж скористатися онлайн-калькулятором, що враховує висоту розміщення та ландшафт місцевості. Щоправда будівлі, штучні перепони та зелені насадження (крони дерев) потрібно буде враховувати самому.

Сподіваємося, ця інформація буде корисною тим, хто планує створення бездротових мостів , але ще не зорієнтувався в основних нюансах.