Projekt i wykonanie oprogramowania

Wyższa Szkoła Handlu i Prawa im. Ryszarda Łazarskiego
Praca licencjacka pod tytułem
„ Projekt i wykonanie oprogramowania
liczącego zasięg pokrycia terenu siecią
bezprzewodową”
Pod kierunkiem
prof. dr hab. inż. Radosława Pytlaka
Autor
Marcin Mioduszewski
Nr. Albumu: 23598
Spis treści
1. Technologia bezprzewodowa ............................................................................................... 3
1.1. Technika przesyłu sygnału radiowego......................................................................... 3
1.1.1. Propagacja fal radiowych (dokończyć) ................................................................. 3
1.2. Czynniki wpływające na sieci bezprzewodowe (dokończyć) ...................................... 6
1.3. Standardy sieci bezprzewodowych (dokończyć) ......................................................... 8
1.4. Rodzaje sieci bezprzewodowych(dokończyć) ............................................................ 11
1.5. Urządzenia bezprzewodowe ....................................................................................... 11
1.5.1. Urządzenia aktywne (dokończyć) ........................................................................ 11
1.5.2. Urządzenia pasywne ............................................................................................. 11
1.5.2.1. Anteny ............................................................................................................ 11
1.5.2.1.1. Przykładowe anteny o częstotliwości pracy 2.4 GHz .......................... 16
1.5.2.1.2. Przykładowe anteny o częstotliwości pracy 5.6 GHz .......................... 22
1.5.2.2. Kable ............................................................................................................... 26
1.5.2.3. Wtyki i gniazda .............................................................................................. 29
1.5.2.4. Konektory ...................................................................................................... 30
1.6. Obliczanie poziomu sygnału dla układu nadajnik – odbiornik .............................. 31
2. Opis oprogramowania........................................................................................................ 33
2.1. Opis bazy danych ........................................................................................................ 33
2.1.1. Logiczny model bazy danych .............................................................................. 33
2.1.2. Fizyczny model bazy danych ............................................................................... 33
2.2. Opis funkcji modułu liczącego ................................................................................... 33
2.2.1. Zastosowane algorytmy ....................................................................................... 33
2.2.1.1. Obliczanie strefy Fresnela ............................................................................ 33
2.2.1.2. Wyznaczenie minimalnej wysokości anteny nadawczej ( odbiorczej) ...... 33
2.2.1.3. Obliczanie strat sygnału w przestrzeni swobodnej .................................... 33
2.2.1.4. Obliczenie poziomu sygnału na wejściu anteny odbiorczej ....................... 33
2.2.1.5. Porównanie mocy zestawu z normami obowiązującymi w Polsce ............ 33
2.2.1.6. Podsumowanie obliczeń ................................................................................ 33
2.2.2. Diagram przejść.................................................................................................... 33
3. Implementacja kodu programu ........................................................................................ 33
3.1. Baza danych ................................................................................................................. 33
3.2. Moduł liczący ............................................................................................................... 33
4. Opis testowania oprogramowania .................................................................................... 33
4.1. Testowanie bazy danych ............................................................................................. 34
5. Przyszłe udoskonalenia programu .................................................................................... 34
5.1. Rozszerzenia funkcjonalne ......................................................................................... 34
6. Podsumowanie .................................................................................................................... 34
6.1. Zastosowanie programu ............................................................................................. 34
Spis ilustracji .......................................................................................................................... 34
Źródła ( wykorzystane do tej pory ) ..................................................................................... 34
prace z informatyki
2
1. Technologia bezprzewodowa
1.1. Technika przesyłu sygnału radiowego
Nie jest trudno zrozumieć telegraf bez drutu. Zwykły telegraf to jakby bardzo długi kot.
Jak pociągniesz za ogon w Nowym Yorku, to zamiauczy w Los Angeles. Telegraf bez drutu
działa tak samo, tylko bez kota.
-Przypisywane Albertowi Einsteinowi
Tak samo, jak opisywany przez Einsteina telegraf bez drutu, działają współczesne
sieci komórkowe i
sieci bezprzewodowe. Opierają się na zjawisku promieniowania fal
elektromagnetycznych przez nadajnik do odbiornika bez żadnych widocznych, fizycznych
nośników. Fale elektromagnetyczne przenoszą informację nawet gdy nie ma widoczności
( czyli odcinek pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem zawiera fizyczne przeszkody ) między
nadajnikiem a odbiornikiem.
1.1.1. Propagacja fal radiowych (dokończyć)
Zjawisko przesyłu informacji z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych nie byłoby
możliwe bez współczesnej wiedzy o propagacji, czyli rozchodzenia się fal radiowych
w przestrzeni swobodnej. Istotnym pojęciem w praktycznym wykorzystaniu tych fal jest
pojęcie strefy Fresnela. Strefą tą nazywamy obszar aktywnie uczestniczący w przenoszeniu
energii sygnału radiowego1. Jest to tunel o kształcie elipsy pomiędzy dwoma urządzeniami
połączenia radiowego. Promień jego przekroju zmienia się na całej jego długości osiągając
maksymalną wartość w połowie odległości między urządzeniami nadawczo – odbiorczymi.
W praktyce największe znaczenie ma pierwsza strefa Fresnela, ponieważ to w niej
przenoszona jest prawie cała energia sygnału radiowego a co za tym idzie – jest to kluczowa
strefa dla działania sieci bezprzewodowej. Maksymalny promień pierwszej strefy Fresnela
można obliczyć korzystając z wzoru:
Definicja pochodzi z „Poradnika Instalatora WLAN” firmy Dipol, Opracowanie Marcin Wojnicz, Łukasz
Rygiel, Michał Martynkiewicz
1
3
[m]
gdzie:
d1km – odległość od pierwszej anteny w km
d2km – odległość od drugiej anteny w km
dkm - d1km + d2km – odległość między masztami
fGHZ – częstotliwość pracy w GHz
Kolejnym ważnym czynnikiem jaki wpływa na rozprzestrzenianie się fal radiowych jest
krzywizna ziemi. Fale nie odbijają się w znaczący sposób od atmosfery ziemskiej więc,
szczególnie na odległościach wynoszących więcej niż kilometr, trzeba obliczyć na jakiej
wysokości powinna znajdować się antena, żeby sygnał trafiał do anteny odbiorczej.
Można przy tym skorzystać ze wzoru :
HA = HPmax + 0,6 R1 + K [m] gdzie:
HA – wysokość zawieszenia anteny
HPmax – wysokość najwyższej przeszkody na torze wiązki radiowej
R1 – promień pierwszej strefy Fresnela
K – krzywizna ziemi ( 0,2 ? )
Przy większych odległościach należy przeprowadzić bardziej szczegółowe obliczenia
z uwzględnieniem profilu hipsometrycznego terenu oraz refrakcji wiązki fal radiowych.
Dla większych odległości nabiera także znaczenia tłumienie sygnału między nadajnikiem
a odbiornikiem w wyniku przechodzenia sygnału przez atmosferę. Tłumienie to można
obliczyć korzystając z modelu FSL ( ang. Free Space Loss ). Model ten służy do określenia
4
propagacji fal radiowych w wolnej przestrzeni przy założeniach, że pomiędzy nadajnikiem
a odbiornikiem nie ma przeszkód oraz nie jest przysłonięta pierwsza strefa Fresnela
i na odbiornik nie mają wpływu żadne zakłócenia zewnętrzne ( również fale odbite ).
Równanie opisujące model FSL czyli straty sygnału w przestrzeni swobodnej możemy
zapisać następująco:
-L = C + (20 x log(D)) + (20 x log(F))2 [db] gdzie:
L – oznacza stratę sygnału [db]
C – jest stałą wynoszącą 32,5 jeżeli odległość jest mierzona w kilometrach lub 36,6 jeżeli
odległość jest mierzona w milach
D - oznacza odległość między nadajnikiem a odbiornikiem
F – oznacza częstotliwość podaną w megahercach ( MHz )
Bardzo ważnym parametrem jest szerokość wiązki głównej3. Mianem szerokości
określa się kąt zawarty pomiędzy kierunkami promieniowania, dla których natężenie pola
spada do -3 dB w stosunku do wartości w maximum promieniowania.
Trzeba pamiętać, że antena odbiorcza musi znajdować się w polu wiązki głównej, także
ważne jest prawidłowe ustalenie wysokości obu anten oraz ich kąta pochylenia każdej z nich
tak aby emitowana wiązka trafiała jak najbardziej w środek anteny odbiorczej.
Jeżeli w projektowanej sieci używamy anten dookólnych czyli takich których kierunkowość
wynosi 360 stopni, to ustalenie kąta pochylenia nie jest potrzebne gdyż taka antena
ma największy zasięg ustawiona poziomo, wtedy jedynie wysokość bezwzględna anten
powinna być taka sama lub zbliżona, ponieważ anteny dookólne mają zazwyczaj bardzo
wąską pionową charakterystykę promieniowania. Jeżeli natomiast używamy anten
kierunkowych to musimy wziąć pod uwagę zarówno wysokość ustawienia obu anten
jak również ich pochylenie tak aby anteny wypromieniowały wzajemnie, w swoim kierunku
jak największą moc, czyli były ustawione zgodnie ze swoim kierunkiem promieniowania.
(dokończyć)
2
3
Na podstawie Sieci bezprzewodowe A. Engst G. Fleishman Wydawnictwo Helion 2005
Na podstawie materiałów firmy Anex ( www.anex.com )
5
1.2. Czynniki wpływające na sieci bezprzewodowe4
Kluczowym parametrem sieci bezprzewodowych jest jakość sygnału i związany z tym
zasięg poprawnego działania sieci bezprzewodowej. Na niektóre projektant i wykonawca sieci
nie ma wpływu ( np. wilgotność powietrza ) więc zawsze przy projektowaniu sieci
bezprzewodowej trzeba zachować bezpieczny margines pozwalający sieci działać nawet przy
maksymalnym stężeniu niesprzyjających parametrów.
Czynniki, które możemy uwzględnić przy tworzeniu sieci bezprzewodowej, można
podzielić na dwie grupy:
- Czynniki związane z zastosowanymi urządzeniami;
- Czynniki związane z warunkami zewnętrznymi w których dana sieć będzie działać.
Do pierwszej grupy możemy zaliczyć:
- moc wyjściową urządzenia ( producent urządzenia ma obowiązek podać moc urządzenia
jako kompletu lub jeżeli urządzenie ma np. odłączane anteny to producent musi podać moc
urządzenia z zainstalowanymi antenami i bez zainstalowanych anten zewnętrznych – jest
to niezbędne do sprawdzenia czy po podłączeniu innych anten niż dołączone do urządzenia,
moc urządzenia nie przekracza dozwolonych norm wypromieniowywanej mocy ( dla Polski
jest to 100 mW ))
- tłumienie kabli ( jest podane przez producenta – w praktyce jest to jeden z najważniejszych
parametrów sieci bezprzewodowej, ponieważ długość kabla między anteną i urządzeniem
połączonym z nią powoduje znaczne straty sygnału)
- zysk anten – jest podawany przez producenta anteny, często, ze względów marketingowych
jego wartość jest zawyżana.
- czułość urządzenia ( jest to czułość radia, które jest integralną częścią urządzenia aktywnego
( generującego sygnał ), trzeba pamiętać że poziom sygnału i czułość radia muszą być dobrze
4
Opracowane na podstawie www.dipol.pl
6
dobrane w każdym węźle sieci, w przeciwnym razie mogą występować miejsca gdzie sygnał
będzie za słaby w stosunku do możliwości jego odbioru przez radio )
Do drugiej grupy czynników zaliczamy:
- tłumienie między antenami ( można oszacować na podstawie modelu FSL ( model
propagacji fal radiowych w wolnej przestrzeni ))
- zakłócenia spowodowane obecnością innych urządzeń w strefie działania projektowanej
sieci bezprzewodowej ( nie da się ich przewidzieć, występowanie tych zakłóceń można
stwierdzić dopiero w lokalizacji w której ma działać sieć, więc trzeba uwzględnić zapas mocy
kompensujący te zakłócenia
- wpływ przeszkód ( czynnik ten występuje tylko kiedy nie ma widoczności optycznej między
badanymi punktami sieci ( przeszkoda znajduje się w I strefie Fresnela ).
Poniższa tabela przedstawia niektóre przeszkody i tłumienie jakie powodują5:
Przeszkoda
Otwarta przestrzeń
Okno ( ramy niemetaliczne )
Okno ( ramy z metalu )
Ściana lekka ( suchy mur )
Ściana średnia ( drewno )
Ściana ciężka ( 15 –
centymetrowa bryła rdzenna)
Bardzo ciężka ściana ( 30 –
centymetrowa bryła rdzenna)
Podłoga lub sufit ( bryła
rdzenna )
Podłoga lub sufit ( ciężka bryła
rdzenna )
Dodatkowa strata sygnału
0
3
5–8
5–8
10
15 – 20
Zakres efektywności sieci
100%
70 %
50 %
50 %
30 %
15 %
20 - 25
10 %
15 – 20
15 %
20 – 25
10 %
5
Sekrety bezprzewodowych sieci komputerowych A. Vladimirov K. V. Gavrilenko A. Mikhailovsky
Wydawnictwo Helion 2005
7
1.3. Standardy sieci bezprzewodowych (dokończyć)
Komunikacja w środowisku może zachodzić jedynie wtedy, gdy wszyscy jej
uczestnicy mówią takim samym językiem. Tak samo jest w bezprzewodowych sieciach
komputerowych. Tyle, że język nazywamy specyfikacją. Jeżeli specyfikacja zostanie
uzgodniona przez wszystkich, lub najbardziej liczących się w danym procesie komunikacji
to wtedy możemy mówić o standardzie. Standardy są podstawowy czynnikiem w łączności
bezprzewodowej, bez ich przestrzegania proces łączenia się urządzeń bezprzewodowych
byłby niemożliwy, gdyż te urządzenia mówiłyby „ językiem ‘‘ który dla innych urządzeń
byłby niezrozumiały. Środowisko producentów urządzeń bezprzewodowych skutecznie
wprowadziło standaryzację wszelkich protokołów komunikacyjnych i dzięki temu urządzenia
różnych producentów mogą ze sobą wymieniać informacje.
Obecnie zasady komunikacji bezprzewodowej są określone przez IEEE ( Institute
of Electrical and Electronics Engineers ), które jest niedochodowym stowarzyszeniem
inżynierów. Misją tego stowarzyszenia jest tworzenie, w porozumieniu z producentami,
standardów
technicznych
w
urządzeniach
elektronicznych.
Problematyką
sieci
bezprzewodowych zajmuje się 802.11 Working Group ( część IEEE 802 Commitee ), a różne
grupy robocze ( Task Group ) są odpowiedzialne za określone typy sieci.
W standaryzacji dotyczącej bezprzewodowych sieci komputerowych ma również
wielki udział stowarzyszenie Wi- Fi Alliance. Stowarzyszenie to, po serii testów
sprawdzających tysiące różnych funkcji, wydaje certyfikaty zaświadczające, że dane
urządzenie jest kompatybilne z innymi i umożliwia przesyłanie danych w określonych
sieciach.
Do obecnie stosowanych lub rozwijanych standardów należą:
- 802.11a
Pojawił się w 2001 roku i został zaprojektowany jako szybszy niż 802.11b.
Nie może się z komunikować z 802.11b ponieważ wykorzystuje inne pasma częstotliwości
( 5 GHz), jest mniej podatny na zakłócenia wewnątrz budynków, ale może działać na krótsze
odległości niż 802.11b. Do transmisji wykorzystuje 3 pasma 5 GHz, zajmujące w paśmie
8
nieciągłym kilkaset kiloherców. Nominalna prędkość transmisji wynosi 54 Mb/s,
w rzeczywistości transfer wynosi około 25 Mb/s
- 802.11b
Powstał w 1999 roku. Korzysta z częstotliwości 2.4 GHz. Obecnie jest najbardziej
popularnym standardem na rynku urządzeń bezprzewodowych.
Jest w nim stosowane rozpraszanie widma z wykorzystaniem sekwencji bezpośredniej
do nadawania i odbioru danych z szybkością do 11 megabitów na sekundę ( Mb/s ).
Ta szybkość określa szybkość ruchu komunikacji między urządzeniami także zawiera dane
oraz wszelkie narzuty wytworzone przez sieć takie jak nagłówki i stopki pakietów,
synchronizację sieci i inne. Teoretyczna przepustowość transmisji w sieciach typu b wynosi
7 Mb/s. Jednak przez znaczne zakłócenia innymi sygnałami wielkość ta wynosi około
4 – 5 Mb/s. Standard 802.11b obsługuje pięć szybkości transmisji: 11 Mb/s, 5,5 Mb/s, 2 Mb/s,
1 Mb/s i 512 kb/s. Sieć samoczynnie przełącza się na niższą transmisję, jeżeli zakłócenia
lub niski poziom odbieranego sygnału uniemożliwiają prawidłowe połączenie przy szybszej
transmisji. Sieć negocjuje najwyższą możliwą szybkość transmisji automatycznie także przy
pełnym sygnale sieć powinna działać z szybkością 11 Mb/s a przy niskim poziomie sygnału,
występującym na przykład na dużych odległościach – sieć może działać z szybkością
1 Mb/s lub mniejszą, wtedy priorytetem jest utrzymanie połączenia a nie szybkość transmisji
danych.
- 802.11g
Powstał w 2003 roku. Jest równie szybki co 802.11a w sieciach bez urządzeń
standardu b ( przepływność do 54 Mbit/s). Jeżeli działa w sieciach mieszanych ( występują
urządzenia standardów b i g ) może być nawet o 40 % wolniejszy od standardu a .
Ma zachowaną zgodność ze wszystkimi urządzeniami standardu 802.11b ponieważ pracuje
na tych samych częstotliwościach. Lepiej niż poprzednicy niweluje zakłócenia transmisji
spowodowane odbiciami sygnałów. Przewidywany następca standardów a i b.
- 802.11d
9
Standard zawiera ustalenia dotyczące tworzenia sieci radiowej pomiędzy krajami
(dokończyć)
- 802.11e
Standard opisujący QoS ( Quality of Service ) czyli gwarantowaną jakość usług
w sieciach bezprzewodowych. Standard ten jest niezwykle ważny wszędzie tam, gdzie
kluczowym kryterium jest brak opóźnienia i przerw w komunikacji ( np. Voice over Wireless
IP – VoWIP ). Standard przewiduje różne klasy jakości dla przesyłania danych, głosu
i strumieni video.
- 802.11f
IAPP – Inter Access Point Protocol – Definiuje zasady i metody współpracy między
punktami dostępowymi. (dokończyć)
- 802.11h
Jest to standard opisujący zmiany w technologii sieci o częstotliwości 5 GHz tak aby
połączenia były bardziej chronione przed zakłóceniami oraz żeby same jak najmniej zakłócały
pracę innych urządzeń w pobliżu. Standard ten opisuje mechanizmy kontroli mocy nadawania
( ang. Transmission Power Control – TCP ) oraz dynamicznego wybierania częstotliwości
( Dynamic Frequency Selection – DFS ). Zadaniem tych mechanizmów będzie kontrola
parametrów łącza tak żeby urządzenia mogły się komunikować z najdalszymi użytkownikami
z minimalną mocą oraz taki wybór kanału nadawania, żeby urządzenie nie zakłócało działania
innych urządzeń w pobliżu, również wojskowych sieci i radarów6.
- 802.11i
6
http://www.devx.com/wireless/Door/11412
10
Standard definiujący nowe metody zabezpieczeń dla sieci bezprzewodowych.
Wprowadza nowe mechanizmy zabezpieczeń, uwierzytelniania i kodowania transmisji,
między innymi:
- Temporal Key Integrity Protocol ( TKIP ),
- AES ( Advanced Encryption Standard ),
- EAP (Extensible Authentification Protocol),
- Radius (Remote Authentication Dial In User Service),
- Kerberos.
- 802.11n Wimax (dokończyć)
1.4. Rodzaje sieci bezprzewodowych(dokończyć)
1.5. Urządzenia bezprzewodowe
Komponenty do tworzenia sieci bezprzewodowych możemy podzielić na dwie główne
grupy, są to:
- Urządzenia aktywne, czyli generujące, odbierające i przetwarzające sygnał oraz
- Urządzenia pasywne, czyli takie które tylko biernie przenoszą sygnał, nie wpływając
na zmiany jego znaczenia lub informacji jakie zawiera.
1.5.1. Urządzenia aktywne (dokończyć)
1.5.2. Urządzenia pasywne
1.5.2.1. Anteny
Anteny w sieciach bezprzewodowych są jednym z najważniejszych elementów
i często wybór prawidłowej anteny warunkuje poprawne działanie całej sieci. Anteny mają
11
określone charakterystyki i parametry według których jest oceniana ich przydatność
do określonych zastosowań:
- charakterystyka promieniowania – opisuje wartość natężenia pola dla różnych kierunków
promieniowania anteny, określoną w tej samej odległości od anteny;
- zysk anteny – określa mnożnik anteny, czyli ile razy moc wypromieniowana przez antenę
jest większa od mocy promieniowanej przez antenę wzorcową ( teoretyczną ),
którą zazwyczaj jest antena izotropowa ( bezkierunkowa );
- impedancja anteny – obciążenia jakie reprezentuje antena;
- polaryzacja – płaszczyzna w której zmienia się pole elektryczne mające wpływ
na przesyłanie sygnału przez antenę;
- pasmo – zakres częstotliwości w którym antena zachowuje swoje nominalne parametry.
Charakterystyka promieniowania anten jest zależna od kierunku w którym
jest wypromieniowywana energia z anteny, jeżeli energia jest promieniowana w jednym
kierunku to mówimy o antenie kierunkowej a jeżeli energia jest wypromieniowywana
z jednakową mocą w każdym kierunku to mówimy o antenie dookólnej. Szczególnym
przypadkiem anteny dookólnej jest antena izotropowa, której charakterystyka jest w kształcie
kuli. Antenę izotropową uznaje się za antenę wzorcową ( teoretyczną ) do której porównuje
się wszelkie anteny rzeczywiste.
Zysk anteny jest to stosunek kierunkowego promieniowania anteny rzeczywistej
w kierunku maksymalnego promieniowania w porównaniu do anteny wzorcowej
z założeniem, że moc doprowadzona do obu anten jest taka sama.
Impedancja anteny jest to charakterystyka obciążenia jakie antena przedstawia
dla urządzenia aktywnego będącego generatorem sygnału. Impedancja zależy od parametrów
anteny ( geometrii i częstotliwości nadawania ) oraz od czynników zewnętrznych
( wpływ innych anten i obiektów znajdujących się w pobliżu anteny. Impedancja powinna być
taka sama w całym układzie nadawczym, dopiero wtedy cała moc nadawanego sygnału
12
( oczywiście wyłączając tłumienie poszczególnych elementów ) jest wypromieniowana przez
antenę. W skrajnych przypadkach zbyt duża różnica w impedancji poszczególnych elementów
układu może być przyczyną awarii urządzeń. Problem ten dotyczy tylko urządzeń nadających
z dużą mocą ( ok. kilku Watów ).
Polaryzacja określa płaszczyznę drgania fal elektromagnetycznych. Jeżeli fale drgają
tylko w jednej płaszczyźnie to mówimy o polaryzacji poziomej lub pionowej. Jeżeli fale
drgają w obu płaszczyznach to mówimy o polaryzacji kołowej lub eliptycznej ( prawoskrętnej
i lewoskrętnej ). Anteny nadają w jednej, określonej polaryzacji ale przy przejściu sygnału
przez przeszkody lub odbić od ziemi lub budynków jego polaryzacja ulega zmianie,
w związku z czym do anteny odbiorczej dochodzi sygnał w obu polaryzacjach. Powoduje
to duże zniekształcenia sygnału i utrudnia pracę dwóch systemów o polaryzacji ortogonalnej
( przeciwnej ) na jednym kanale w tej samej lokalizacji.
Pasmo anteny to zakres w którym antena zachowuje nominalne czyli deklarowane
parametry. Wyznaczając pasmo pracy najważniejsze jest dopasowanie obu urządzeń
do optymalnego pasma. Zazwyczaj producenci podają niższe wartości deklarowanego pasma
pracy anten.
Anteny typu Yagi
Jest to idealna antena abonencka. Charakteryzuje się niską ceną i łatwym montażem.
Nie musi być tak dokładnie ustawiana jak inne anteny a jednocześnie eliminuje większość
zakłóceń przychodzących z innych kierunków.
13
Rysunek 1 Parametry zysku typowej anteny typu Yagi
Anteny panelowe
Są przeznaczone głównie do zastosowań abonenckich, czasami mają zastosowanie
jako anteny bazowe dla małych obszarów lub w miejscach gdzie ważna jest ich prosta i łatwa
do ukrycia budowa.
Rysunek 2 Parametry zysku typowej anteny panelowej
Anteny paraboliczne
14
Są to anteny o najwyższej mocy i kierunkowości. Zazwyczaj są wykorzystywane
w długodystansowych połączeniach punkt – punkt, lub jako anteny klienckie przy dużych
odległościach od AP ( ang. Access Point -Punktów dostępowych ). Rozróżniamy anteny
paraboliczne symetryczne i offsetowe ( żeby działać poziomo anteny te muszą być pochylone
w kierunku ziemi o kąt offsetu )
Rysunek 3 Parametry zysku typowej anteny parabolicznej
Anteny dookólne
Są to anteny promieniujące poziomą wiązkę o szerokości 360 stopni i pionową zwykle
ok. 15 stopni. Zwykle są stosowane jako anteny do stacji bazowych lub połączeń punkt
– wielopunkt. Przy połączeniach wykorzystujących anteny dookólne należy pamiętać
o ustawieniu anten na tych samych wysokościach gdyż mały kąt promieniowania pionowego
może powodować, że główna wiązka nie będzie trafiać w antenę odbiorczą.
Anteny sektorowe
Są to anteny o szerokim kącie promieniowania poziomego i wąskim kącie
promieniowania pionowego. Wykorzystuje się je zazwyczaj w obszarach gęstego ruchu
sieciowego. Można także zestawić kilka anten sektorowych tak aby promieniowały
w 360 stopniach dając w sumie układ odpowiadający antenie dookólnej o wyższej
przepustowości.
15
1.5.2.1.1. Przykładowe anteny o częstotliwości pracy 2.4 GHz7
- Kierunkowe
- panelowe ( panel 14 )
Dane techniczne
Zysk
14 dBi
Częstotliwość pracy
2400 - 2500 MHz
Polaryzacja
pozioma lub pionowa
Izolacja polaryzacji
>21 dB
Tłumienie wsteczne
>20 dB
Typowe tłumienie boczne (H/V)
>28/12 dB
(-3dB) w poziomie
30°
(-3dB) w pionie
30°
Impedancja
50 OHm
Polaryzacja
Pozioma
Pionowa
7
Specyfikacje techniczne anten pochodzą ze strony producenta: firmy Interline Sp. z o.o.
16
- sektorowe (sektor hp)
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Tłumienie wsteczne
Typowe tłumienie boczne (H/V)
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
Polaryzacja
Pozioma
17 dBi
2400 - 2500 MHz
pozioma
>35 dB
>-/20 dB
87°
7°
50 OHm
Pionowa
17
- typu Yagi ( Babu Yaga )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Izolacja polaryzacji
Tłumienie wsteczne
Typowe tłumienie boczne (H/V)
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
Polaryzacja
14 dBi
2400 - 2500 MHz
pozioma lub pionowa
>21 dB
>20 dB
>28/12 dB
30°
33°
50 OHm
18
Pozioma
Pionowa
- paraboliczne (maxi )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Izolacja polaryzacji
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
Polaryzacja
Pozioma
27 dBi
2400 - 2500 MHz
pozioma lub pionowa
>20 dB
4°
6°
50 OHm
Pionowa
19
- Dookólne
- dookólne ( horizon maxi )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
12 dBi
2400 - 2500 MHz
pionowa
360°
6°
50 OHm
Polaryzacja
20
Pozioma
Pionowa
- dwu sektorowe ( ranger hp)
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
Polaryzacja
Pozioma
15 dBi
2400 - 2500 MHz
pozioma
2 x 84°
7°
50 OHm
Pionowa
21
1.5.2.1.2. Przykładowe anteny o częstotliwości pracy 5.6 GHz
Kierunkowe
- panelowe ( panel 23 )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Izolacja polaryzacji
23 dBi
5150 - 5850 MHz
pozioma lub pionowa
>24 dB
22
Tłumienie wsteczne
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
Polaryzacja
Pozioma
>35 dB
10°
10°
50 OHm
Pionowa
- sektorowe (sektor hp)
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Tłumienie wsteczne
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
16 dBi
5470 - 5725 MHz
pozioma
>35 dB
90°
8°
50 OHm
23
Polaryzacja
Pozioma
Pionowa
- paraboliczne (maxi )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
Izolacja polaryzacji
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
Impedancja
32 dBi
5100 - 5900 MHz
pozioma lub pionowa
>20 dB
2°
3°
50 OHm
24
Polaryzacja
Pozioma
Pionowa
Dookólne
- dookólne ( horizon 5 GHz maxi )
Dane techniczne
Zysk
Częstotliwość pracy
Polaryzacja
(-3dB) w poziomie
(-3dB) w pionie
12 dBi
5450 - 5850 MHz
pionowa
360°
6°
25
Impedancja
Polaryzacja
Pozioma
50 OHm
Pionowa
1.5.2.2. Kable
Kable, jako medium fizyczne łączące urządzenie generujące sygnał i antenę która ten
sygnał wypromieniowuje, są bardzo ważnym składnikiem sieci bezprzewodowej. Są również
jednym z jej największych ograniczeń. Największe straty sygnału są spowodowane właśnie
tłumieniem kabli antenowych, dlatego właściwe dobranie rodzaju kabla i jego długości jest
jednym z czynników zapewniających pomyślne działanie sieci bezprzewodowej.
26
W poniższej tabeli8 ujęto najczęściej używane rodzaje kabli antenowych
i ich parametry użytkowe. Warto zwrócić uwagę, że podane niżej rodzaje kabli są nazwane
według standardów fizycznych ( elektrycznych ) jakie muszą spełnić. Różni producenci
stosują różne materiały oraz grubości kabli , żeby uzyskać te same charakterystyki kabla,
więc nie można rozróżniać kabli na podstawie ich wyglądu zewnętrznego. ( interline )
Typ kabla
H-155
H-1000
RF-200
Właściwości elektryczne
RF-240
RF-400
Przekrój
Impendancja
[Ohm]
Współczynni
k skrócenia
[%]
Tłumienie
dla 2.4 GHz
[dB/100 m]
Tłumienie
dla 5.6 GHz
[dB/100 m]
Materiał żyła
Średnica żyła [mm]
Materiał diaelektryk
Średnica diaelektryk
[mm]
Ekran
Folia owinięcie
Średnica
całkowita
[mm]
Minimalny
promień
skrętu [mm]
8
50
81
83
85
86
86
52,3
23,6
49,0
38,0
21,0
-
<40
79,0
62,0
35,0
BC-Bare Copper
BCCA - Bare
Copper Covered
Aluminum
2,743
Miękka plecionka
z wyżarzonej miedzi
1,40
miedź
Budowa i wymiary
BC-Bare Copper
2,62
gazowo wtryskiwany polietylen
1,12
1,45
Gas-injected FHDPE - Foam High Density Polyethylene
3,90 +/- 0,15
7,15 +/- 0,20
2,94
3,81
7,239
Al-PET-Al
Cu
2 razy
-
5,4 +/- 0,2
10,3 +/- 0,3
4,95
6,09
10,236
35
100
48
61
101
Duobond® II:
Tape/Braid
Tape: Bonded Duofoil® Bonded Aluminum Foil-Polyester TapeAluminum Foil Braid: TC - Tinned Copper
100% / 95%
Dane pochodzą ze strony internetowej firmy Interline ( www.interline.pl)
27
Rysunek 4 Porównanie kabli H- 155 i H- 1000
Rysunek 5 Porównanie kabli RF 200, RF 240 i RF 400
Jak wynika z powyższych wykresów, najlepszym kablem do połączeń między anteną
a urządzeniem aktywnym jest kabel H - 1000 ponieważ odznacza się najniższym tłumieniem.
Niestety nie zawsze możemy wykorzystać ten typ kabla. Zazwyczaj jest to spowodowane jego
grubą średnicą, dość dużą wagą i bardzo małą elastycznością ( odpornością na wygięcia )
przez którą można w bardzo prosty sposób uszkodzić kabel po prostu wyginając go bardziej
28
niż jest to dopuszczalne. Inne kable cechuje znacznie mniejszy przekrój i waga, dzięki temu
są stosowane na krótkich odległościach, wszędzie tam gdzie wygoda i łatwość montażu jest
bardziej pożądana niż mała tłumienność. Z kabli H – 155 zazwyczaj robi się różnego rodzaju
przejściówki i konektory ponieważ mają dużą odporność na skręcanie i wyginanie i są bardzo
elastyczne.
1.5.2.3. Wtyki i gniazda
W początkach powstawania sieci bezprzewodowych ustalono, że urządzenia różnych
producentów będą miały inne wejścia i wyjścia. Miało to zapobiec łączeniu urządzeń różnych
producentów
w
celu
nadawania
sygnału
z
mocą
większą
od
dopuszczalnej.
Producenci zastosowali się do tego nakazu i dlatego też jest taka różnorodność gniazd i
wtyków na rynku.
Nazwa
Złącza
antenowe(N)
Gniazda
MC Card
MMCX
MCX
TNC
Stosowany
tylko w
urządzeniach
Wtyki
Nazwa
Gniazda
TNC/RP
SMA
SMA/RP
Wtyki
29
1.5.2.4. Konektory
Konektory pojawiły się jako odpowiedź na zróżnicowanie rynku pod względem
gniazd i wtyków. Służą do łączenia niekompatybilnych urządzeń różnych producentów.
Zazwyczaj konektory są wykonane z dwóch złączek i kabla ( przeważnie jest to kabel
H – 155 ), mogą też mieć formę jednolitej przejściówki, która charakteryzuje się mniejszym
tłumieniem a co za tym idzie – mniejszymi stratami sygnału i większym ogólnym zasięgiem
sieci. W tabeli przedstawiono najpopularniejsze typy konektorów.
Konektor wt.
SMA RP/wt.N
Konektor wt.
SMA RP/gn.N
Konektor wt.
TNC RP/wt.N
Konektor wt.
Konektor wt.
MC CARD/wt.
AP600-C/wt.N
N na RG-174
Konektor wt.
Konektor wt.
SMA RP
MC CARD/gn.
KĄTOWY/wt.N SMA R/P
Konektor gn.
uF/gn.N
Konektor gn.
Konektor wt.
uF/gn.SMA/RP
N/gn. N na H155 3m
Przejście wtyk
SMA R/P gniazdo N
Przejście
gniazdo SMA zł. SE237
Przejście wtyk
SMA R/P - wtyk
N
Gniazdo
podwójne N
Przejście
wtyk SMA gniazdo N
Przejście
Przejście
gniazdo SMA
gniazdo SMA
R/P - wtyk N
R/P - gniazdo N
Wtyk podwójny
N
30
1.6. Obliczanie poziomu sygnału dla układu nadajnik – odbiornik
Poprzednie podrozdziały służyły do przybliżenia techniki radiowej z punktu widzenia
zestawiania łącza radiowego dla dwóch punktów z których każdy pełni funkcje zarówno
nadajnika jak i odbiornika. Takie podejście jest niezbędne w projektowaniu sieci
bezprzewodowej gdyż w każdym miejscu sieci węzeł musi być w stanie odbierać sygnał,
który jest dla niego przeznaczony jak i móc nadawać sygnał, który będzie odbierany przez
urządzenie docelowe. W celu obliczenia odpowiednich parametrów połączenia linią radiową
posłużymy się wiedzą z zakresu fizyki radiowej oraz znajomością odpowiednich parametrów
urządzeń, które będziemy chcieli wykorzystać w badanej sieci. Wartość sygnału na wejściu
zdalnej lokacji jest wyrażona wzorem:
Gdzie:
S – poziom sygnału [dBm]
MA - Moc sygnału z urządzenia aktywnego [dBm]
Tkl - Tłumienie kabla lokalnego na 1 [m]
Dkl - Długość kabla lokalnego [m]
Tzl - Tłumienie złączy i konektorów lokalnych [dB]
ZAl - Zysk lokalnej anteny [dBi]
31
L - Straty sygnału w przestrzeni swobodnej [dB]
ZAz - Zysk zdalnej anteny [dBi]
Tkz - Tłumienie kabla zdalnego na 1 [m]
Dkz - Długość kabla zdalnego [m]
Tzz - Tłumienie złączy i konektorów zdalnych [dB]
Zp - Zapas mocy sygnału ze wzglądu na warunki pogodowe [dB]
n – ilość kabli, złącz lub konektorów w układzie
Łączność radiowa jest możliwa tylko kiedy moc sygnału ( S ) na wejściu urządzenia
aktywnego jest większa od czułości radia ( R )w które jest wyposażone to urządzenie
aktywne. Obliczenia te należy przeprowadzić dla obu lokalizacji.
Czyli jeżeli:
S1 > R2 i S2 > R1 gdzie:
S1, S2 są to poziomy sygnału na wejściu do odpowiednich urządzeń aktywnych;
R1, R2 są to czułości radia odpowiednich urządzeń aktywnych,
To tylko wtedy możemy zestawiać łącze radiowe. Jeżeli S = R dla którejś ze stron,
to możemy podejrzewać, że łączność radiowa nie będzie możliwa lub, że będzie bardzo
zawodna, ponieważ poziom sygnału może się wahać w zależności od czynników których
możemy nie przewidzieć.
prace z informatyki
32
2. Opis oprogramowania
2.1. Opis bazy danych
2.1.1. Logiczny model bazy danych
2.1.2. Fizyczny model bazy danych
2.2. Opis funkcji modułu liczącego
2.2.1. Zastosowane algorytmy
2.2.1.1. Obliczanie strefy Fresnela
2.2.1.2. Wyznaczenie minimalnej wysokości anteny
nadawczej ( odbiorczej)
2.2.1.3. Obliczanie strat sygnału w przestrzeni swobodnej
2.2.1.4. Obliczenie poziomu sygnału na wejściu anteny
odbiorczej
2.2.1.5. Porównanie mocy zestawu z normami
obowiązującymi w Polsce
2.2.1.6. Podsumowanie obliczeń
2.2.2. Diagram przejść
3. Implementacja kodu programu
3.1. Baza danych
3.2. Moduł liczący
4. Opis testowania oprogramowania
33
4.1. Testowanie bazy danych
4.2. Testowanie modułu liczącego
5. Przyszłe udoskonalenia programu
5.1. Rozszerzenia funkcjonalne
5.2. Rozszerzenia interakcji z użytkownikiem
6. Podsumowanie
6.1. Zastosowanie programu
6.2. Wynik pracy
Spis ilustracji
Rysunek 1 Parametry zysku typowej anteny typu Yagi ........................................................... 14
Rysunek 2 Parametry zysku typowej anteny panelowej .......................................................... 14
Rysunek 3 Parametry zysku typowej anteny parabolicznej ..................................................... 15
Rysunek 4 Porównanie kabli H- 155 i H- 1000 ....................................................................... 28
Rysunek 5 Porównanie kabli RF 200, RF 240 i RF 400 .......................................................... 28
Źródła
( wykorzystane do tej pory )
Sekrety bezprzewodowych sieci komputerowych, A. Vladimirov, K. V. Gavrilenko, A.
Mikhailovsky, Wydawnictwo Helion 2005
Sieci bezprzewodowe, A. Engst, G. Fleishman, Wydawnictwo Helion 2005
http://www.interline.pl
http://www.dipol.com.pl
http://wi-fi.org/
http://wifinetnews.com
34
http://searchmobilecomputing.techtarget.com
http://www.anex.pl
http://www.devx.com/wireless/Door/11412
1)
Daniel Józef Bem – „Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”
2)
M.P. Dołuchanow – „Rozchodzenie się fal radiowych”
Jarosław Szóstka – „Fale i anteny
prace z informatyki
35