Що таке WiFi? Детально про властивості WiFi сигналу

1. Зв'язок частоти сигналу WiFi і довжини хвилі
2. Властивості WiFi сигналу
3. Діапазони і частоти WiFi

на зображенні: графічне відображення WiFi хвиль в місті.

1. Що таке WiFi?

1.1. Зв'язок частоти і довжини хвилі.

2. Властивості WiFi сигналу.

2.1. Поглинання.

2.2. Огібаніе перешкод.

2.3. Природне загасання.

2.4. Відображення сигналу.

2.5. Щільність даних.

2.6. Чому складно дати однозначну відповідь: на яку відстань буде передавати сигнал WiFi обладнання?

3. Діапазони і частоти WiFi

3.1. Смуга пропускання 2,4 ГГц.

3.2. Діапазон 5 ГГц.

Що таке WiFi?

WiFi - бездротовий спосіб зв'язку, заснований на всім нам знайомому електромагнітне випромінювання. Сигнал WiFi відносять до радіохвиль, відповідно, він має такі ж властивості, характеристики і поведінку. Радіохвилі, в свою чергу, підпорядковуються практично тим же фізичним законам, що і світло: поширюються в просторі з такою ж швидкістю (майже 300 000 км в секунду), схильні до дифракції, поглинання, загасання, розсіюванню і т. Д.

Основні характеристики радіохвилі, а значить і сигналу WiFi - це її довжина і частота (частотний діапазон). Останній параметр означає частоту змінного струму, необхідну для отримання хвилі потрібної довжини і використовується для класифікації радіохвиль. Інше визначення частоти - це кількість хвиль, що проходять через певну точку простору в секунду.

Існує розподіл радіохвиль за діапазонами, в залежності від частоти, затверджена Міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ, англійська абревіатура - ITU).

літерні

позначення

діапазону

Назва хвиль.

Назва частот.

Діапазон частот

Діапазон

довжини хвилі

ОНЧ (VLF) Міріаметровиє. Дуже низькі 3-30 кГц 100-10 км НЧ (LF) Кілометрові. Низькі. 30-300 кГц 10-1 км СЧ (MF) Гектометровиє. Середні. 300-3000 кГц 1-0.1 км ВЧ (HF) декаметрового. Високі. 3-30 МГц 100-10 м ДВЧ (VHF) Метрові. Дуже високі. 30-300 МГц 10-1 м УВЧ (UHF) Дециметрові. Ультрависокі. 300-3000 МГц 1-0.1 м СВЧ (SHF) Сантиметрові. Надвисокі. 3-30 ГГц 10-1 см КВЧ (EHF) міліметрові. Вкрай високі. 30-300 ГГц 10-1 мм THF Дециметрові. Гіпервисокі. 300-3000 ГГц 1-0.1 мм

Сфера застосування радіохвиль залежить від частотного діапазону. Це може бути телебачення, радіозв'язок, мобільний зв'язок, радіорелейний зв'язок і т. Д. Взагалі, радіочастотний ефір зайнятий досить щільно: використання всіх діапазонів буквально розписано:

У тому числі це і бездротовий зв'язок WiFi. Для неї використовуються дециметрові і сантиметрові хвилі ультрависокої і надвисокої частоти (УВЧ і СВЧ) в частотних діапазонах 2,4 ГГц, 5 ГГц і та інших редкоіспользуемих: 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц.

Головна перевага WiFi-зв'язку відображено в другому її назві - бездротовий зв'язок. Саме відсутність проводів укупі з дедалі більшою швидкістю передачі даних є ключовим моментом при виборі цього способу з'єднання.

Якщо мова йде про домашніх користувачів - бездротовий зв'язок зручна, вона дозволяє не прив'язуватися до певного місця в квартирі для входу в інтернет.

Якщо ми говоримо про корпоративного зв'язку, про провайдерських послуг, то іноді прокладка кабелю для передачі даних - це дорого, недоцільно або взагалі неможливо. Наприклад, потрібно роздати інтернет в приватному секторі, прокинути магістральний канал через ущелину, в віддалений населений пункт і т. Д. У цьому випадку на виручку приходить WiFi. Проблемна територія долається за допомогою технології бездротового з'єднання.

Зв'язок частоти сигналу WiFi і довжини хвилі

Характеристики довжини хвилі порівняно рідко використовуються в параметрах обладнання WiFi. Однак іноді, для розуміння фізичних властивостей і поведінки сигналу бездротового зв'язку в різних умовах непогано розбиратися в зв'язку частоти і довжини радіохвиль.

Загальне правило: чим більша їх кількість, тим коротше довжина хвилі. І навпаки.

Формула для розрахунку довжини хвилі:

Довжина хвилі WiFi сигналу (в метрах) = Швидкість світла (в м / сек) / Частота сигналу (в герцах).

Швидкість світла в м / сек = 300 000 000.

Після спрощення формули отримуємо: Довжина хвилі в метрах = 300 / Частота в МГц.

Властивості WiFi сигналу

Поглинання.

Головна умова для створення бездротового линка на відстань більше, ніж сотня метрів - пряма видимість між точками установки обладнання. Простіше кажучи, якщо ми стоїмо поруч з однією точкою доступу WiFi, то наш погляд, спрямований в бік другої точки, не повинен упиратися в стіну, ліс, багатоповерховий будинок, пагорб і т. Д. (Це ще не все, потрібно також враховувати перешкоди в Зоні Френеля, але про це в іншій статті.)

Такі об'єкти просто-напросто відображають і поглинають сигнал WiFi, якщо не весь, то левову його частина.

Те ж саме відбувається і в приміщенні, де сигнал від WiFi роутера або точки доступу проходить через стіни в інші кімнати / на інші поверхи. Кожна стіна або перекриття "відбирає" у сигналу деяка кількість ефективності.

На невеликій відстані, наприклад, від кімнатного роутера до ноута, у радіосигналу ще є шанси, подолавши стіну, все-таки дістатися до мети. А ось на довгій дистанції в кілька кілометрів будь-яка така ослаблення істотно позначається на якості і дальності WiFi зв'язку.

Відсоток погіршення сигналу вай-фай при проходженні через перешкоди залежить від декількох факторів:

• Довжини хвилі. У теорії, чим більше довжина хвилі (і нижче частота вай-фай), тим більше проникаюча здатність сигналу. Відповідно, WiFi в діапазоні 2,4 ГГц має б о більшу проникаючу здатність, ніж в діапазоні 5 ГГц. В реальних умовах виконання цього правила дуже тісно залежить від того, через перешкоду якої структури і складу проходить сигнал.
• Матеріалу перешкоди, точніше, його діелектричних властивостей.

перешкода

Додаткові втрати при проходженні (dB)

Відсоток ефективного відстані *,%

Відкритий простір

0

100

Нетонированних вікно (відсутній металізоване покриття)

3

70

Вікно з металізованим покриттям (тонуванням)

5-8

50

дерев'яна стіна

10

30

Стіна 15,2 см (міжкімнатні)

15-20

15

Стіна 30,5 см (несуча)

20-25

10

Бетонна підлога або стеля

15-25

10-15

Цільне залізобетонне перекриття

20-25

10

* Відсоток ефективного відстані - ця величина означає, який відсоток від спочатку розрахованої дальності (на відкритій місцевості) зможе пройти сигнал після подолання перешкоди.

Наприклад, якщо на відкритій місцевості дальність сигналу Wi-Fi - до 200 метрів, то після проходження через нетонированних вікно вона зменшиться до 140 метрів (200 * 70% = 140). Якщо наступним перешкодою для цього ж сигналу стане бетонна стіна, то після неї дальність складе вже максимум 21 метр (140 * 15%).

Відзначимо, що вода і метал - найефективніші поглиначі WiFi, т. К. Є електричними провідниками і "забирають" на себе велику кількість енергії сигналу. Наприклад, якщо вдома на шляху вай-фай від роутера до вашого ноута стоїть акваріум, то практично напевно з'єднання не буде.

Саме тому під час дощу та інших "вологих" атмосферних опадів спостерігається невелике зниження якості бездротового з'єднання, оскільки краплі води в атмосфері поглинають сигнал.

Частково цей фактор впливає і на затухання WiFi передачі в листі дерев, т. К. Вони містять великий відсоток води.

• Кута падіння променя на перешкоду. Крім матеріалу перепони, через яку проходить сигнал вай-фай, важливий також кут падіння променя. Так, якщо сигнал проходить через перешкоду під прямим кутом, це забезпечить менші втрати, ніж якби він падав на нього під кутом 45 градусів. Ще гірше, якщо сигнал проходить через перешкоду під дуже гострим кутом. В цьому випадку, грубо кажучи, можна сміливо множити товщину стіни на 10 і розраховувати втрати WiFi передачі згідно з цією величиною.

Огібаніе перешкод.

По-науковому це поведінка променя WiFi називається дифракцією, хоча насправді поняття дифракції набагато складніше, ніж просте "огибание перешкод".

Загалом можна вивести правило - чим коротше довжина хвилі (вища частота), тим гірше вона огинає перешкоди.

Грунтується це правило на відомому фізичному властивості хвилі: якщо розмір перешкоди менше, ніж довжина хвилі, то вона його огинає. В цілому звідси логічно випливає, що чим коротше довжина хвилі, тим менше залишається варіантів перешкод, які вона може в принципі обійти, і тому приймається, що її огинає здатність гірше.

Огібаніе на практиці означає менше розсіювання хвилі як променя енергії навколо перешкоди, менша кількість втрат сигналу.

Візьмемо популярні частоти 2,4 ГГц (довжина хвилі 12,5 см) і 5 ГГц (довжина хвилі 6 см). Ми бачимо підтвердження правила на прикладі проходження лісового масиву. Стандартні розміри листя, стовбурів, гілок дерев, в середньому будуть менше, ніж 12,5 см, але більше, ніж 6 см. Тому сигнал WiFi 5 ГГц діапазону при проходженні через густе листя "загубиться" практично повністю, в той час як 2, 4 ГГц впорається краще.

Тому WiFi обладнання, що працює в діапазоні 900 МГц, використовується в умовах відсутності прямої видимості сигналу - його довжина хвилі становить 33,3 см, що дозволяє огинати більшу кількість перешкод. Однак треба враховувати розміри передбачуваних перешкод і розуміти, що сигнал 900 МГц не зможе "обійти" бетонну стіну, розташовану перпендикулярно напрямку сигналу. Тут вже зіграють роль проникаючі здібності хвилі, які, як ми вже говорили у сигналів з низькою частотою досить непогані.

Також саме тому для нормальної роботи бездротового обладнання, що використовує частоту 24ГГц (довжина хвилі 1,25 см) необхідна абсолютно чиста видимість, тому що всі перешкоди більше сантиметра відображатимуть і поглинати сигнал.

Як ми вже згадували, щодо проходження сигналу через лісовий масив грає роль також вміст води в листках, а також довжина хвилі.

Природне загасання.

Як далеко міг би передаватися сигнал WiFi, якщо створити йому ідеальні умови прямої видимості? У будь-якому разі не нескінченно, тому що чим більше дальність бездротового "прольоту", тим більше сигнал загасає сам по собі. Відбувається це по 2 причинам:

• Земна поверхня поглинає частину енергії сигналу. Чим вище частота WiFi, тим інтенсивніше йде поглинання.

• Сигнал WiFi навіть із самої вузьконаправленої антени поширюється не прямою лінією, а променем. Відповідно, чим далі відстань, тим ширше стає промінь, тим менша потужність сигналу доводиться на одиницю площі, і тим менше енергії сигналу потрапляє в приймаючу антену.

Відображення сигналу.

Сигнал WiFi, як будь-яка радіохвиля, як світло, відбивається від поверхонь і поводиться при цьому аналогічно. Але тут є нюанси - якісь поверхні будуть поглинати сигнал (повністю або частково), а якісь - відображати (повністю або частково). Це залежить від матеріалу поверхні, його структури, наявності нерівностей на поверхні і частоти WiFi.

Неконтрольовані відображення сигналу погіршують його якість. Частково - через втрату загальної енергії сигналу (до приймаючої антени, спрощено кажучи, "долітає не все" або долітає після перевідбиттів, із затримками). Частково - через інтерференції з негативним впливом, коли хвилі накладаються в протифазі і послаблюють одна одну.

Інтерференція може мати і позитивний вплив, якщо хвилі WiFi накладаються один на одного в однакових фазах. Це часто використовується для посилення потужності сигналу.

Щільність даних.

Частота WiFi впливає також на ще один важливий параметр - обсяг переданих даних. Тут існує прямий зв'язок - чим вище частота, тим більше даних в одиницю часу можна передати. Можливо, саме тому перша високопродуктивна РРЛ від Ubiquiti - AirFiber 24 , А також її більш потужна модифікація - Airfiber 24HD були випущені на частоті 24 ГГц.

Чому складно дати однозначну відповідь: на яку відстань буде передавати сигнал WiFi обладнання?

Фізичні властивості і поведінку радіохвилі в навколишньому світі досить складні. Не можна взяти якийсь один параметр і по ньому розрахувати дальність бездротового сигналу. У кожному конкретному випадку на дальність будуть впливати різні фактори навколишнього середовища:

• Поглинання сигналу перешкодами, земною корою, поверхнею водойм.
• Дифракція і розсіювання сигналу через перешкод на шляху.
• Відображення сигналу від перешкод, землі, води і виникають в результаті цього інтерференції хвилі.
• На великих відстанях - радиогоризонта, т. Е. Викривлення земної кори.

• Зона Френеля і, відповідно - висота розташування обладнання над поверхнею землі.

Саме тому реальна дальність обладнання, як, втім, і пропускна здатність, може дуже сильно відрізнятися в різних умовах.

Діапазони і частоти WiFi

Як ми вже сказали, для WiFi зв'язку виділено кілька різних частотних діапазонів: 900 МГц, 2,4 ГГц, 3,65 ГГц, 5 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц.

В Україні на даний момент найчастіше застосовуються точки доступу WiFi і антени WiFi 2,4 ГГц і 5ГГц.

Основні відмінності 2,4 ГГц і 5ГГц:

2,4 ГГц. Довжина хвилі 12,5 см. Відноситься до дециметровому хвилях ультрависокої частоти (УВЧ).

• В реальних умовах - менша дальність сигналу через більш широкої зони Френеля, що частіше за все не компенсується тим, що сигнал на цій частоті менше схильний до природного загасання.
• Найкраще подолання невеликих перешкод, наприклад, густих лісових масивів, завдяки хорошій проникаючої здатності і огибания перешкод.
• Менше щодо неперекривающіхся каналів (всього 3), а значить, "пробки на дорогах" - тіснота в ефірі, і як результат - поганий зв'язок.
• Додаткова зашумленность ефіру іншими пристроями, що працюють на цій же частоті, в тому числі мобільних телефонів, мікрохвильових печей і т. П.

5 ГГц. Довжина хвилі 6 см. Відноситься до сантиметровим хвилях надвисокої частоти (СВЧ).

• Більша кількість щодо неперекривающіхся каналів (19).
• Б про більша ємність даних.
• Велика дальність сигналу, в зв'язку з тим, що Зона Френеля менше.
• Такі перешкоди, як листя дерев, стіни хвилі діапазону 5ГГц долають набагато гірше, ніж 2,4.

Діапазони 900 МГц, 3,6 ГГц, 10 ГГц, 24 ГГц для нас швидше екзотика, проте можуть використовуватися:

1. Для роботи в умовах, коли стандартні діапазони щільно зайняті.

2. Якщо потрібно створити бездротове з'єднання між двома точками за відсутності прямої видимості (ліс і інші перешкоди). Це стосується такої частоти, як 900 МГц (в нашій країні її потрібно використовувати з обережністю, так як на ній працюють стільникові оператори).

3. Якщо для використання частоти не потрібно отримувати ліцензію в контролюючих органах. Така перевага часто зустрічається в презентаціях зарубіжних виробників, проте для України це не зовсім актуально, так як умови ліцензування в нашій країні інші.

В IEEE ведуться розробки щодо прийняття нових стандартів і, відповідно, використання інших частот для WiFi. Не виключено, наприклад, що найближчим часом діапазон 60 ГГц також стане використовуватися для бездротової передачі. Точно також, як і можлива ймовірність "віджимання" в майбутньому деяких частот, зараз належать WiFi, на користь, наприклад, стільникових операторів.