Jak na instalaci WLAN

Transkript

1 Jak na instalaci WLAN Úvod WLAN (Wireless Local Area Network) je technologie, která umožňuje vybudovat bezdrátové datové sítě s uspokojivými parametry, relativně velkým dosahem a nízkými náklady. Další výhodou této technologie jsou malé časové nároky na její vytvoření. WLAN standardy a standard pro pásmo 5 GHz, umožňuje teoretické rychlosti až do 54 Mbit/s; 5,150 5,350 GHz a 5,470-5,725 GHz b standard pro pásmo 2,4 GHz, umožňuje teoretické rychlosti až do 11 Mbit/s; 2,4 2,483 GHz g standard pro pásmo 2,4 GHz, umožňuje teoretické rychlosti až do 54 Mbit/s; 2,4 2,483 GHz Tato technologie však nabízí ještě další standardy: f IAPP (Inter Access Point Protocol) spolupráce mezi přístupovými body (roaming v rámci jedné sítě) i standard, který definuje nové metody zabezpečení bezdrátových sítí (WPA2) n standard sítě s velkou šířkou pásma nad 108 Mbit/s, používá technologii MIMO e standard, který definuje QoS podpora kvality služeb Dosah bezdrátové sítě Je třeba si uvědomit, že dosah bezdrátových sítí závisí na mnoha faktorech, přičemž některé z nich můžeme ovlivnit, a jiné třeba ani neznáme. Dosah bezdrátové sítě závisí na: faktory spojených s použitými zařízeními: výkon zařízení (dán výrobcem), ztráty na kabelech (dány výrobcem), zisk antén (dán výrobcem), citlivostí zařízení (dán výrobcem), vnější faktory útlum mezi anténami (je možné odhadnout na základě modelu FSL); rušení jinými zařízeními (není možné předvídat toto rušení je možné kompenzovat vyšším výkonem) vliv případných překážek (stěny, stropy, stromy apod.) Pokud tedy chceme zjistit, jaký bude skutečný dosah naší sítě, musíme zjistit výše uvedené informace a provést jednoduché výpočty uvedené v další části této příručky.

2 Šíření rádiových vln Fresnelova zóna Fresnelova zóna je jedním z nejdůležitějších jevů v oblasti rádiového přenosu a je nutné se s tímto pojmem seznámit. Je to prostor, který se aktivně podílí na přenosu rádiového signálu. Na délku má tvar elipsoidu, v příčném řezu pak tvar kruhu. Poloměr tohoto kruhu se mění po celé délce rádiového signálu a nejvyšší hodnota je uprostřed mezi anténami. Největší význam má první Fresnelova zóna, protože právě v této zóně probíhá přenos prakticky celého rádiového signálu. Tvar Fresnelovy zóny. R 1 je poloměr zóny I. [m] kde: d km = d 1km +d 2km, je vzdálenost mezi stožáry d 1km vzdálenost od první antény v km d 2km vzdálenost od druhé antény v km Nesprávně provedená instalace. Ten, kdo antény instaloval, nezajistil jejich rádiovou viditelnost. Rádiové spojení nefunguje.

3 Další příklad nesprávně provedené instalace. Překážky v první Fresnelově zóně způsobují, že rádiové spojení není funkční. Správně provedená instalace. V první Fresnelově zóně je zajištěna viditelnost antén a nejsou tam žádné překážky. Spojení bylo navázáno. V praxi platí, že šedesátiprocentní uvolnění první Fresnelovy zóny zajišťuje minimální ztráty výkonu. Tabulka. Závislost rozsahu první Fresnelovy zóny na délce rádiového spojení u systémů, které pracují na frekvencích 2,4 GHz a 5 GHz. 60% rozsahu Fresnelovy zóny [m] Délka rádiového spojení [km] 2,4 GHz 5 GHz 0,1 1,1 0,7 0,2 1,5 1,0 0,5 2,4 1,6 1 3,4 2,3 2 4,7 3,3 3 5,8 4,0 4 6,7 4,6 5 7,5 5,2 6 8,2 5,7 7 8,9 6,1

4 8 9,5 6,6 9 10,1 7, ,6 7,3 Zakřivení země U několikakilometrových vzdáleností je zapotřebí vzít v úvahu zakřivení země. U vzdálenosti 5 km vroste výška překážek o 1 m, u 10 km se již jedná o 4 m. Antény by měly být umístěny ve výšce odpovídající tomuto vzorci: Umístění antény = výška nejvyšší překážky na trase + 0,6 R 1 + zakřivení země V případě větších vzdáleností je třeba použít přesnější metody pro výpočet výšky umístění antény, tedy metody založené na hypsometrickém profilu terénu a metody založených na refrakci rádiového paprsku. Ztráty signálu v dešti a plynu Je známo, že tyto jevy nepodporují řádnou funkci rádiových systémů, ovšem v praxi nemají na systémy WLAN 2,4 GHz a 5 GHz žádný nepříznivý účinek. Model FSL a ztráty ve volném prostoru Největším problémem je odhad ztrát mezi vysílačem a přijímačem. Při zpracovávání návrhu venkovního spojení můžeme k odhadu těchto ztrát použít model FSL. Model FSL je model přenosu ve volném prostoru, který předpokládá, že: mezi vysílačem a přijímačem není žádná překážka, odražené vlnění se nedostane k přijímači, první Fresnelova zóna není narušena, model neobsahuje vliv rušení a interferencí Ztráta ve volném prostoru je definována jako ztráta signálu v důsledku sférického rozptýlení rádiových vln v atmosféře. FSL pro frekvenci 2,4 GHz je dána vzorcem: FSL pro frekvenci 5,4 GHz je dána vzorcem: Lp (db) = log10 D, kde D je vzdálenost Lp (db) = log10 D, kde D je vzdálenost

5 Ztráty ve volném prostoru a pravidlo 6 db Ztráta rádiového signálu, který se šíří prostorem, závisí na tom, jakou vzdálenost urazil od vysílače. Dalším krokem v projektování rádiového spojení je odhad úrovně ztrát rádiového signálu. Vzdálenost [km] Ztráta [db] 2,4 GHz 5 GHz 0,1 80,4 86,4 0,2 86,4 92,4 0,5 94,4 100, ,4 106, ,4 112, ,9 116, ,4 118, ,4 120, ,0 122, ,3 123, ,5 124, ,5 125, ,4 126,4 Pravidlo 6 db říká, že dvojnásobná vzdálenost způsobí zvýšení ztrát o 6 db a poloviční vzdálenost znamená snížení ztrát signálu o 6 db. Jednoduchost tohoto pravidla umožňuje rychle si zapamatovat závislost ztráty rádiového signálu na vzdálenosti. Úplně stačí vědět, že vzdálenost 1 km znamená v pásmu 2,4 GHz ztrátu 100 db. Při uplatnění pravidla 6 db získáme pro vzdálenosti 2, 4 a 8 km ztráty: 106, 112 respektive 118 db. Pro vzdálenosti 500 m, 250 m a 125 m to budou hodnoty: 94, 88 a 82 db. Pravidlo 6 db také platí v pásmu 5GHz a v dalších pásmech; ovšem ztráta v pásmu 5 GHz u vzdálenosti 1 km bude 106 db, takže je vidět, že pravidlo 6 db platí také u jiných frekvencí. Další modely šíření U profesionálních aplikací používají inženýři vysoce odborné modely, které si často upraví pro své potřeby: model šíření s narušenou Fresnelovou zónou model šíření, který počítá se ztrátami způsobenými stěnami uvnitř budovy Tyto modely není možné použít při amatérských výpočtech. Výpočty RSL (received signal level, úroveň přijatého signálu) Základem pro výpočet přenosové trasy je útlum signálu a úroveň přijatého signálu RSL:

6 RSLdBm = TSL CLT + GTdB FSL + GRdB CLR Prvky zůstatku energie TSLdBm úroveň signálu na výstupu vysílače (vysílací výkon) RSLdBm úroveň signálu na vstupu přijímače FSLdB ztráta signálu ve volném prostoru GTdBi zisk antény vysílače GRdBi zisk antény přijímače CLT ztráty signálu v kabelech a konektorech CLR ztráty signálu v kabelech a konektorech Vysílač posílá vysokofrekvenční signál do připojeného kabelu s výkonem TSLdBm. Po projití do konektoru antény je signál utlumen o hodnotu CLT. Anténa potom vysílá signál a zároveň jej zaměří do určitého úhlu, čímž se docílí zesílení. Po překonání vzdálenosti dkm se rádiové vlny utlumí o hodnotu FSLdB. Anténa přijímače změní elektromagnetické vlnění na signál a zvýší jeho frekvenci na úroveň GRdBi. Když signál projde kabelem k přijímači, projeví se na jeho konektorech jako hodnota RSLdBm. RSLdBm = TSL CLT + GTdB FSL + GRdB - CLR Do výpočtu je třeba přidat parametr e kvůli krátkým výpadkům výkonu signálu. Tento parametr má obvykle hodnotu 10dB. FM = RSL- RSLFM RSLFM je hodnota síly přijatého signálu v útlumu. Pokud chceme, aby RSLFM = - 80 dbm, musí být rádiové spojení zkonstruováno tak, aby RSL = - 70 dbm. Naším cílem je vybrat takové antény, aby signál většinu času dosahoval požadované úrovně - 80dBm. Většina bezdrátových zařízení WLAN pak pracuje nejrychleji. Výběr zařízení, příklad Antény pro 2,4 GHz jsou charakteristické ziskem v rozmezí od 7 dbi do 24 dbi. Pro toto pásmo se běžně používá kabel H-155 s útlumem 49,6 db/100 m a MWC-10/50 s útlumem 21,5 db/100 m.

7 V pásmu 5 GHz dosahují antény zisku 10 dbi 27 dbi. Jedná se tedy o něco vyšší zisk než v případě pásma 2,4 GHz. Pro toto pásmo lze použít také kabel MWC-10/50 s útlumem 47 db/100 m nebo na kratší vzdálenosti RF -240, do kterých pasují konektory H155. Chceme zajistit rádiové spojení na vzdálenost 2 km a dosáhnout co nejlepších parametrů spojení. Máme zařízení vysílající o výkonu 18 dbm. Délka kabelu propojující anténu se zařízením WLAN je 7 m na obou stranách spojení. Z tabulky můžeme vyčíst, že v těchto podmínkách by součet zisků GT a GR neměl být menší než 21,65. Z další tabulky se dozvídáme, že bychom měli použít antény PAN8. Upozornění. Někteří výrobci z marketingových důvodů záměrně nadsazují zisk antén. Využití takových antén pak může vést ke špatné funkci rádiového spojení, častým poklesům rychlosti přenosu dat a dokonce i k náhlé ztrátě spojení. Nejlepší je používat laboratorně odzkoušené antény s příslušným certifikátem. K degradaci našeho signálu kromě toho může přispět také velké množství sousedních bezdrátových sítí. Někdy je proto lepší zvýšit kritéria na FM a předpokládat, že FM=20dB. Výkon vysílače [dbm] Vzdálenost spojení [km] Typ kabelu Délka kabelu [m] 0, H-155 H-1000 H-155 H-1000 H-155 H ,38 17,38 23,38 26,88 29,38 32,98 35,48 37,38 40, ,34 21,34 27,34 30,84 33,34 36,94 39,44 41,34 44, ,28 29,28 35,28 38,78 41,28 44,88 47,38 49,28 52,78 3 9,79 15,79 21,79 25,29 27,79 31,39 33,89 35,79 39, ,65 17,65 23,65 27,15 29,65 33,25 35,75 37,65 41, ,36 21,36 27,36 30,86 33,36 36,96 39,46 41,36 44,86 3 9,38 15,38 21,38 24,88 27,38 30,98 33,48 35,38 38, ,34 19,34 25,34 28,84 31,34 34,94 37,44 39,34 42, ,28 27,28 33,28 36,78 39,28 42,88 45,38 47,28 50,78 3 7,79 13,79 19,79 23,29 25,79 29,39 31,89 33,79 37,29 7 9,65 15,65 21,65 25,15 27,65 31,25 33,75 35,65 39, ,36 19,36 25,36 28,86 31,36 34,96 37,46 39,36 42,86 3 7,38 13,38 19,38 22,88 25,38 28,98 31,48 33,38 36, ,34 17,34 23,34 26,84 29,34 32,94 35,44 37,34 40, ,28 25,28 31,28 34,78 37,28 40,88 43,38 45,28 48,78 3 5,79 11,79 17,79 21,29 23,79 27,39 29,89 31,79 35,29 7 7,65 13,65 19,65 23,15 25,65 29,25 31,75 33,65 37, ,36 17,36 23,36 26,86 29,36 32,96 35,46 37,36 40,86 Tabulka podle zisku antény, když je známa vzdálenost spojení, výkon vysílače a typ kabelu Celkový zisk antén na konci rádiového spojení Doporučený typ antény 14 PAN-6 22 PAN8 26 YAGI16 28 WA14-24P 33 WA19-24P

8 Výše uvedené úvahy platí teoreticky. V praxi bychom měli vždy pamatovat na to, že vysílací výkon v pásmu 2,4 GHz nemůže překročit 100 mw EIRP (20 dbm). Reálná vzdálenost mezi jednotlivými prvky sítě tedy nepřesáhne 2 km. Dále je třeba věnovat pozornost tomu, že je výhodnější využít méně výkonný vysílač a k němu silnější anténu, než silný vysílač a anténu s malým ziskem. Výběr zařízení do hodnoty EIRP Neporušujeme zákon, jestliže používáme anténu se ziskem? Je třeba poznamenat, že oprávnění nespecifikují maximální zisk, který by nebylo možné překročit. Jak je tedy možné, že někdo má legálně anténu se ziskem 15 dbi, zatímco jiný porušuje zákon, když si nainstaluje anténu se ziskem 10 dbi? Proč některé společnosti uvádějí v homologačním oprávnění anténu se ziskem 15 dbi, když jiní tam mají 10 dbi? Odpověď na tyto otázky přímo vyplývá jednoho odstavce ve vyhlášce Českého telekomunikačního úřadu, který pojednává o maximální přijatelné hodnotě vyzářeného výkonu EIRP. Bez zvláštního povolení je možné používat rádiové systémy nepřesahující hodnotu EIRP 100 mw, což je 20 dbm pro pásmo 2,4 GHz a 1 W (30 dbm) pro pásmo 5,47-5,725 GHz. Téhož výkonu je možné dosáhnout různými způsoby: EIRP[dB] = Výkon vysílače dbm (útlum konektorů db + útlum kabelů db) + zisk antény dbi <= 20dBm (pro 2,4 GHz) EIRP[dB] = Výkon vysílače dbm (conn útlum konektorů db + útlum kabelů db) + zisk antény dbi <= 30dBm (pro 5 GHz) Pokud nemá dojít k překročení EIRP, je třeba vybrat vhodné parametry: - výkon vysílače - typ a délku kabelu - zisk antény. Je třeba poznamenat, že je mnohem výhodnější použít méně výkonný vysílač a silnější anténu spíše než silný vysílač a anténu s malým ziskem. Proč? Z hlediska kvality spojení je sice možné snadno dosáhnout požadované úrovně vysílacího výkonu, ale základní stanice není jen vysílač, ale také přijímač; když potom přijímá signál od klienta, nezáleží na výkonu, ale jen na citlivosti a zisku antény. Zisk antény je tedy důležitý jak pro vysílání, tak pro přijímání, a vysílací výkon pouze pro vysílání. Samostatnou otázkou je použitý vysílací výkon. Obvykle se zdá, že čím vyšší, tím lepší. Avšak pravda je jiná. K vysílání by se mělo vždy použít optimálního výkonu, upraveného podle místa klienta. Pokud bychom použili příliš vysoký výkon, signál by se zbytečně dostal až do míst, kde ho nepotřebujeme. Dokonce bychom tak mohli narušovat jiné sítě. Byli bychom také vystaveni útokům na síť ze strany lidí, kteří jsou daleko, a tudíž by nebylo snadné je vypátrat. I v případě zisku antén klientů je třeba zvolit optimum. Klient, který má velmi silnou anténu a jehož základní stanice je blízko, bude mít pochopitelně z antény silný signál, ale je také možné, že přenos bude narušen jinými sítěmi, které sice fungují daleko, ale on tyto sítě vidí a ty se stávají dodatečným šumem (čím větší šum, tím větší množství chyb a tím menší přenosová rychlost) nebo s nimi sdílí přenosové médium, a to má za následek nižší rychlost. Klienti, kteří mají menší antény, uvidí jen své stanice a takové problémy mít nebudou.

9 Konektory Většina zařízení WLAN je vybavena RSMA konektory, zatímco vnější antény mají konektory typu N. Použijeme-li kabel H-155, je třeba na jeden konec umístit konektor RSMA, a příslušný male nebo female konektor podle toho, jaká anténa je na druhé straně. Pokud nemáme krimpovací konektor, můžeme použít šroubovací konektor. Krimpovací konektory se však upřednostňují, protože jsou velmi spolehlivé. Krimpovací konektor Šroubovací konektor Pro kabel H-155 je možné použít krimpovací konektor N male. Kromě krimpování je také zapotřebí pájení. Konektory pro kabel H-155a H1000 typu N Krimpovací Šroubovací Samec Samice Samec Samice N/M-155-KR N/F-155-KR N/M-1000 N/F-1000 Redukce P2RM020 RSMA/N male na kabelu H-155 připájeno Když kabel připravíme, je třeba jej pocínovat. Když potom nasadíme koncovku a zahřejeme ji pájkou.

10 Výběr rádiového kanálu Pásmo 2,4 GHz obsahuje 13 kanálů, ze kterých je jen třetina vzájemně nezávislá. To znamená, že na určitém místě mohou fungovat jen tři sítě WLAN. Ten, kdo chce instalovat novou síť, by se měl ještě před jejím budováním ujistit, zda jsou na daném místě ještě volné kanály. Pokud je to možné, je nejlepší vybrat kanál s nejnižší úrovní šumu. Rozmístění kanálů v pásmu 2,4 GHz. Jen 3 kanály z celkového počtu 13 se nepřekrývají jedná se o 1, 7, 13 nebo 1, 6, 11 Vhodná polarizace Používají se dva druhy polarizace: kruhová a lineární. Kruhová polarizace znamená, že intenzita vektoru elektrického pole má v prostoru tvar kruhu. Kruhová polarizace může být pravotočivá nebo levotočivá. Rádiové systémy pravotočivé polarizace ovlivňují systémy s levotočivou polarizací. Kruhová polarizace: pravotočivá a levotočivá V případě lineární polarizace osciluje intenzita vektoru elektrického pole jen v jedné rovině. Jedná se o horizontální nebo vertikální.

11 Rádiové systémy s horizontální polarizací ovlivňují systémy s vertikální polarizací. Je to proto, že tyto polarizace jsou na sebe kolmé. Tento rys umožňuje zdvojnásobit počet rádiových systémů přítomných na jednom místě. Upozornění. Na jednom rádiovém spoji není vhodné používat antény se vzájemně kolmou polarizací, to znamená, abychom na jedné straně spoje použili anténu s horizontální polarizací a na druhé straně anténu s vertikální polarizací. Pokud jde o spolupráci mezi anténami s kruhovou polarizací a anténami s lineární polarizací, je možná, ale dochází při ní ke ztrátě 3 db. Šumy Šumy jsou nežádoucí rádiové signály, jejichž zesílení může vést ke zhoršení kvality spoje nebo dokonce k jeho úplnému zhroucení. I zdánlivě vyrovnaný rádiový spoj může být narušován vysokou úrovní šumů. Tvůrce sítě nemá na úroveň šumu žádný vliv. Můžeme se tedy před šumy chránit? Nejjednodušším způsobem, jak se bránit, je vyzkoušet jiný rádiový kanál. Další možností je vybrat antény s vyšším ziskem, díky čemuž se upraví poměr signálu a šumu (SNR signal noise ratio). Rychlost rádiového spojení závisí na síle přijatého signálu a na poměru signálu a šumu (na obrázku jsou označeny jako signal strength a signal quality). Má-li spoj pracovat maximální rychlostí 11 Mbit/s, měl by se indikátor objevit na zeleném poli (Excellent). Když úroveň šumů vzroste, ani vysoká hodnota přijímaného signálu nás neochrání před poklesem. Reálný přenos Systém WLAN je založen na přístupovém mechanismu CSMA/CA a používá ACK pro potvrzení přenosu, a tak koncový uživatel připojený k síti řekněme s 11 Mbit/s zjistí, že přenosy na takovém spoji (tedy přenosy souborů) jsou na úrovni 5 Mbit/s. Reálný přenos spojů WLAN je tedy vždy nižší ve srovnání s rychlostí rádiového spojení. Pracovní režimy přístupového bodu Přístupový bod (access point) může pracovat v několika různých režimech. Každý režim odpovídá použitým zařízením.

12 Pracovní režimy přístupového bodu Podpora sítě LAN (počet připojených počítačů) Podpora klientů vybavených rádiovými kartami Spolupráce s přístupovými body Bezdrátový most Ano Ne Bezdrátový most Vícečetný most Ano Ne Bezdrátový most Vysílač Ne Ano Přístupový bod Přístupový bod Ano Ano Vysílač, klient přístupového bodu Klient přístupového bodu Ano (až 63 počítačů) Výstavba buněk WLAN a nabídka služeb Ne Přístupový bod Pokrýt území rádiovými signálem WLAN je možné několika způsoby. Vše záleží na tom, jakého rozsahu a jaké propustnosti chceme dosáhnout. Způsoby pokrytí území rádiovým signálem buňka sektorová a buňka všesměrová V případě a) máme území pokryto třemi AP a třemi sektorovými anténami. Každý AP používá jinou frekvenci. V případě b) máme jeden AP s všesměrovou anténou. Systém a) pokrývá šestkrát větší plochu než systém b) a má třikrát více uživatelů. Náklady na připojení klienta bude v obou systémech záviset na jeho vzdálenosti od základní stanice. Klienti blíže základní stanice budou vybaveni anténami s nižším ziskem a pochopitelně také s nižšími náklady. Buňka by měla být tak velká, aby podle zalidnění příslušné oblasti a odhadované poptávky na trhu byla základní stanice využita co nejlépe. Při realizaci je velikost buňky omezena terénem a překážkami, tedy například stromy, komíny či budovami.

13 Problémy se sítěmi WLAN Příčiny selhání spojení Řešení 1. Překážky v 1. Fresnelově zóně Použijte vyšší stožáry, změňte pozici antén. 2. Špatně spočítaná kvalita spoje, nevhodná zařízení Použijte kabely s nižším útlumem, tedy místo H-155 použijte H-1000, použijte antény s vyšším ziskem 3. Nesprávná polarizace antén Vyberte antény se stejnou polarizací 4. Nesprávné nastavení pozice antén 5. Příliš mnoho šumů Při instalaci antény si změřte úroveň signálu. Umístěte antény tam, kde je signál nejsilnější. Vyberte rádiový kanál, ve kterém je co nejméně šumů, změňte polarizaci spoje na opačnou, použijte antény s vyšším ziskem. Jako poslední řešení se pokuste změnit umístění antény. A. B. Nesprávná funkce rádiového systému Diagnóza Řešení Ztráta spojení a nízká šířka pásma rádiového spojení Nízká rychlost přenosu ze základní stanice při maximální rychlosti rádiového spojení Nízká hodnota parametru SNR Časté kolize Body 1-5 v předchozí tabulce Použijte u klientů mechanismus RTS/CTS Dokument byl vytvořen z materiálů a se svolením našeho zákazníka firmy Dipol.