Как идет сигнал от wifi роутера

Примечание: сразу уточню – речь идет о типичном «домашнем» применении Wi-Fi роутеров или точек доступа, а не о специализированных решениях, требующих дальней связи и т.п.

Сила есть – ума не надо?

Темная сторона силы 

Итак, пусть изначально у нас есть некий стандартный роутер/точка доступа с официально разрешенными для нашей страны параметрами по мощности сигнала, который работает «в полную силу», то есть на мощности передатчика 100%. Напоминаю, это 23 дБм / 200 мВт в диапазоне 5ГГц или 20 дБм / 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц.

Примечание: единица измерения мощности беспроводного сигнала измеряется в дБм или мВт. 

Излучаемый роутером/ТД сигнал распространяется вокруг, и попадает на приемные устройства, существенно ослабнув «по пути». Какой примерно сигнал мы имеем на стороне клиента (смартфона, планшета, ноутбука и т.д.)? Ну, к примеру, -50 дБм / 0.00001 мВт или -67 дБм / 0.0000002 мВт.

В то же время беспроводной клиент, который обычно представляет собой мобильное устройство, имеет задачу не только подключиться к сети, но и подольше проработать от батареи. Поэтому клиент не «выбрасывает» напрасно энергию в эфир. Мощность передатчика клиентов обычно находится на уровне 11-17 дБм (12.5-50 мВт). То есть, эта мощность в от 8 до 2 раз меньше, чем мощность сигнала роутера, если говорить об устройствах в  2,4 ГГц диапазоне.

При этом у беспроводных роутеров/ТД всегда есть CCA Threshold – порог слышимости сигнала, и если уровень сигнала не превышает этот порог, роутер/ТД считает его шумом. Предположим, этот порог — 82 дБм. Таким образом, наш условный роутер с 5 дБи антеннами будет работать с устройствами, уровень сигнала от которых в точке размещения роутера не менее -87 дБм (-87 дБм сигнал + 5 дБи коэффициент усиления антенны роутера = -82 дБм). 

Примечание: разумеется, это чисто условный пример, в котором все параметры условно-типичные и даны для понимания ситуации; ваш роутер может иметь антенны с коэффициентом усиления отличающимся от 5 дБи, и иной порог, например — для определенного оборудования Ubiquiti в целом стабильная связь гарантируется при уровне сигнала до -70дБм; порог для сетей 5ГГц ниже чем для 2,4 ГГц даже на одном и том же оборудовании и т.п., но это нюансы, в которые мы углубляться не будем.

В целом для роутера и клиента можно руководствоваться простым правилом: при прочих равных условиях, сигнал теряет 6 дБ мощности (т.е. в 4 раза) при увеличении расстояния от передатчик в 2 раза.

Однако, как было сказано выше, мощность сигнала роутера/ТД обычно в 2-8 раз выше, чем на клиентах. И с отдалением от роутера/ТД неизбежно возникнет ситуация, когда клиент будет слышать сигнал роутера хорошо, а вот роутер будет слышать более слабый сигнал клиента на «грани» возможностей или не слышать вообще (так как уровень сигнала клиента будет опускаться за порог слышимости CCA Threshold). И возникнет странная ситуация, когда сигнал Wi-Fi от роутера на клиентском устройстве вроде бы ловится, но связи нет или она постоянно «отваливается». 

Причина в асимметрии «силы» связи: к примеру, когда клиент мощностью 14 дБм слышит роутер/ТД на -84 дБм (-84 дБм + 2 дБи коэффициент усиления антенны клиента = условный порог слышимости -82 дБм), до роутера/ТД доходит сигнал от клиента лишь на уровне -90 дБм, что находится ниже порога слышимости. При указанных условиях беспроводная связь гарантированно оборвется. 

То есть, в каналах беспроводной связи уже при типичных стандартных параметрах работы роутеров/ТД возникает существенная проблема со связью, вызванная асимметрией мощностей Wi-Fi излучателей. И если дополнительно поднять мощность сигнала на одной стороне (роутере/ТД), то проблема только усугубится. Перемещаясь с мобильными клиентами, вы все более часто будете сталкиваться с ситуацией, когда Wi-Fi роутер «теряет» устройства, и именно потому, что у него существенно более сильный сигнал. Клиент «услышит» роутер/ТД, а роутер клиента – нет. Вот почему серьезные производители оборудования не рекомендуют использовать Wi-Fi роутеры и точки доступа на максимальной мощности. Привожу в доказательство фрагмент презентации Cisco (с полной презентацией можно ознакомится здесь).

Даже наоборот, для устранения асимметрии и получения стабильной связи рекомендуется понизить мощность Wi-Fi передатчика в роутере/ТД. 

Но если не мощность сигнала, то что же тогда определяет скорость и надежность Wi-Fi соединения?

Скорость подключения, которая ни о чем не говорит.

Скорость подключения по Wi-Fi определяют три параметра: тип модуляции, количество потоков (зависит от количества антенн) и ширина радиоканала.  

Но «теоретическая» скорость подключения на основе вышеуказанных параметров имеет мало общего с реальной скоростью работы беспроводной сети. Что же оказывает влияние на эту скорость?

Дело в том, что модуляция в сети непостоянна. Самые прогрессивные модуляции на сегодня — 256 QAM и 1024 QAM (модуляция определяет, сколько бит передается в одном радиосимволе). Но! Эти плотные модуляции очень чувствительны к шуму. И достигаются они только при высоком соотношении сигнал/шум (SNR), когда клиент находится близко к Wi-Fi роутеру/ТД. С удалением от роутера/ТД растет шум, SNR падает, модуляция упрощается для надежности соединения и, как следствие – падает скорость связи. Плюс свою лепту в проблемы сети добавляет интерференция.

Интерференция и шум

Причиной коллизий из-за интерференции в Wi-Fi сетях являются беспроводные устройства, работающие на том же или близком канале. Это вполне могут быть соседские Wi-Fi устройства, а не ваши, и повлиять на их работу вы не сможете. 

Примечание: в частности, поэтому рекомендуется использовать непересекающиеся каналы для соседних Wi-Fi роутеров; непересекающиеся каналы помогают избегать интерференции (хотя полностью проблему, конечно, не решают – проблемы растут по мере удаления от передатчиков).

Итак, интерференция – это помеха, вызываемая радиоволнами соседних Wi-Fi устройств.  

Источником шума в беспроводных сетях являются не Wi-Fi устройства, использующие для работы тот же радиочастотный диапазон, что и Wi-Fi оборудование. Это различные Bluetooth устройства, 2,4ГГц и 5 ГГц ресиверы, радиотелефоны, микроволновые печи и другое оборудование. 

Примечание: впрочем, поврежденные пакеты Wi-Fi и сигналы от устройств за пределами порога CCA Threshold тоже считаются шумами. Сигналы от Wi-Fi устройств, работающих отдаленно от роутера на том же канале, не считаются интерференцией, поскольку сигналы таких устройств не могут быть демодулированы.

Как уменьшить интерференцию и шум в Wi-Fi сети? Для домашнего пользователя я вижу только два варианта действий: перейти на другой канал и провести деагрегацию каналов. Так как объединение каналов уже само по себе ухудшает SNR: каждый дополнительный 20 MГЦ канал отнимает примерно 3dB у показателя SNR.

Примечание: уменьшение ширины канала в 10 раз увеличивает соотношение сигнал-шум в те же 10 раз. Вот почему в стандарте 802.11ax реализована идея разделения канала на дополнительные поднесущие. Сужение канала повышает соотношение сигнал/шум, что и дало возможность использовать прогрессивную кодировку 1024 QAM.

Но решающее влияние на быстродействие вашей сети будет оказывать не соотношение сигнал/шум, не интерференция как таковая, не мощность беспроводного сигнала, и уж тем более не количество беспроводных сетей вокруг, как ошибочно думают многие. Быстродействие вашей беспроводной сети будет в значительной степени определяться утилизацией канала. Ну, если вы живете не в тайге среди медведей, конечно. Там Wi-Fi каналы утлилизировать будет некому, кроме вас. 

Проблемы утилизации

Что такое утилизация канала? И почему она сильно влияет на скорость работы Wi-Fi сети? Утилизация — это доля эфирного времени, которую занимают все работающие на данном канале устройства, и чьи сигналы могут быть демодулированы нашим Wi-Fi роутером/ТД, то есть энергия которых выше за CCA Threshold. По сути, пакеты нашей сети «втискиваются» в доступные узкие эфирные рамки между пакетами других сетей, работающих в этом же радиодиапазоне. Увы, но с максимальной производительностью наша беспроводная сеть работает лишь тогда, когда соседские сети на используемом канале не слишком активны или простаивают (а лучше всего – если они на нем отсутствуют). Вот почему настоятельно рекомендуется уходить на самые «незанятые» Wi-Fi радиоканалы. Там банально меньше «утилизаторов» сети. 

Примечание: утилизация важна потому, что в Wi-Fi сетях доступ эфирному диапазону реализован по протоколу CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), согласно которому беспроводные устройства периодически «слушают» свою частоту на канале, и если она занята, передача данных откладывается, а затем через некоторое время устройство снова делает попытку прослушивания частоты.

Отметим, что утилизация канала никак не влияет на отображаемую в системе скорость беспроводного подключения, но в то же время имеет огромное влияние на реальную практическую производительность беспроводной сети. 

Живой пример: стоит одному из беспроводных пользователей поставить на закачку какой-нибудь крупный файл (не говоря уже о торрентах), не выставив разумных ограничений на темп загрузки, как скорость работы всех остальных пользователей на используемом таким юзером Wi-Fi канале существенно упадет, именно из-за утилизации канала. Причем неважно, подключены пользователи к этой же сети, или же к ближайшим сетям использующим тот же Wi-Fi канал. Более того, эффект негативно скажется и на соседних Wi-Fi каналах тоже. 

Какой уровень утилизации канала может быть приемлем? Компания Cisco полагает что при утилизации канала более 80%, «ловить» в сети уже нечего. Нет, сеть, конечно, будет работать и при такой утилизации. Но о работе в чем-то близком к реалтайму речь уже не идет. 

Низкая утилизация канала — отлично

Средняя утилизация канала — приемлемо

Примечание: не факт, что на канале, на котором меньше всего Wi-Fi сетей, самая низкая утилизация канала — все зависит от сценариев эксплуатации сетей. Установить канал(ы) с самой низкой утилизацией можно только эмпирическим путем.   

Одним из эффективных средств уменьшения канальной утилизации (речь идет о средствах, доступных для домашних пользователей), являются: переход на другой канал, уменьшение количества подключенных клиентов в сети, особенно медленных (возможно стоит перевести их в отдельную сеть), уменьшения количества неподключенных Wi-Fi клиентов в зоне действия сети, а также — уменьшение радиуса действия беспроводного роутера, то есть уменьшение мощности передатчика (это отсечет самых дальних и медленных клиентов, которые долго занимают канал и «тормозят» сеть, а также дальние неподключенные устройства,  которые регулярно отправляющие менеджмент-фреймы, в том числе не ваши устройства). 

Примечание: для устранения конфликтов с соседними сетями Wi-Fi сейчас введен идентификатор BSS Color (Base Service Station), который помечает каждый пакет, что позволяет роутерам и клиентам определить, какие пакеты передаются от соседних сетей, и просто игнорировать их.  Это снижает интерференцию от соседних беспроводных сетей и ускоряет передачу данных, но эта возможность доступна только в новейшем стандарте 802.11ах. 

Итог

Как видим, использование роутера с большой мощностью Wi-Fi сигнала вовсе не означает, что ваша сеть будет работать лучше, станет надежнее или «дальнобойнее». Скорее наоборот. Чем более мощный Wi-Fi роутер/ТД и чем больше радиус его покрытия – тем больше интерференции и шумов такое устройство наловит, тем больше будет утилизация беспроводных каналов и меньше – производительность сети. Да еще и соседям такой гаджет будет создавать лишние помехи. Как-то так.

Ну а если вам есть что прибавить к вышесказанному – прошу в комментарии. 

Слабый сигнал WiFi — актуальная проблема для жителей квартир, загородных домов и работников офисов. Мертвые зоны в сети WiFi свойственны как большим помещениям, так и малогабаритным квартирам, площадь которых теоретически способна покрыть даже бюджетная точка доступа.

Планшет

Радиус действия WiFi роутера — характеристика, которую производители не могут однозначно указать на коробке: на дальность WiFi влияет множество факторов, которые зависят не только от технических спецификаций устройства.

В этом материале представлены 10 практических советов, которые помогут устранить физические причины плохого покрытия и оптимизировать радиус действия WiFi роутера, это легко сделать своими руками.

Сумка для ноутбука

Установить антенны в вертикальное положение

Излучение точки доступа в пространстве представляет собой не сферу, а тороидальное поле, напоминающее по форме бублик. Чтобы покрытие WiFi в пределах одного этажа было оптимальным, радиоволны должны распространяться в горизонтальной плоскости — параллельно полу. Для этого предусмотрена возможность наклона антенн.

На практике: Установить антенну вертикально — простейший способ оптимизировать зону покрытия WiFi внутри помещения.

Охлаждающая подставка

Разместить роутер ближе к центру помещения

Очередная причина возникновения мертвых зон — неудачное расположение точки доступа. Антенна излучает радиоволны во всех направлениях. При этом интенсивность излучения максимальна вблизи маршрутизатора и уменьшается с приближением к краю зоны покрытия. Если установить точку доступа в центре дома, то сигнал распределится по комнатам эффективнее.

На практике: Установка точки доступа в “центре” дома далеко не всегда осуществима из-за сложной планировки, отсутствия розеток в нужном месте или необходимости прокладывать кабель.

Акустическая система

Обеспечить прямую видимость между роутером и клиентами

Частота сигнала WiFi — 2,4 ГГц. Это дециметровые радиоволны, которые плохо огибают препятствия и имеют низкую проникающую способность. Поэтому радиус действия и стабильность сигнала напрямую зависят от количества и структуры препятствий между точкой доступа и клиентами.

Величина ослабления сигнала зависит от материала, который преодолевают радиоволны.

Напольная акустика

*Эффективное расстояние — это величина, определяющая как изменяется радиус беспроводной сети в сравнении с открытым пространством при прохождении волной препятствия.

Пример расчета: Сигнал WiFi 802.11n распространяется в условиях прямой видимости на 400 метров. После преодоления некапитальной стены между комнатами сила сигнала снижается до величины 400 м * 15% = 60 м. Вторая такая же стена сделает сигнал еще слабее: 60 м * 15% = 9 м. Третья стена делает прием сигнала практически невозможным: 9 м * 15% = 1,35 м.

Такие расчеты помогут вычислить мертвые зоны, которые возникают из-за поглощения радиоволн стенами.

Следующая проблема на пути радиоволн: зеркала и металлические конструкции. В отличие от стен они не ослабляют, а отражают сигнал, рассеивая его в произвольных направлениях.

Держатель для кабелей проводов зарядок 5 разъемов

На практике: Крайне редко удается достичь идеальных условий, когда все гаджеты находятся на прямой видимости с роутером. Поэтому в условиях реального жилища над устранением каждой мертвой зоной придется работать отдельно:

• выяснить что мешает сигналу (поглощение или отражение);
• продумать куда переместить роутер (или предмет интерьера).

USB-ХАБ

Разместить роутер подальше от источников помех

Диапазон 2,4 ГГц не требует лицензирования и поэтому используется для работы бытовых радиостандартов: WiFi и Bluetooth. Несмотря на малую пропускную способность, Bluetooth все же способен создать помехи маршрутизатору.

В этом же частотном диапазоне излучает магнетрон микроволновой печи. Интенсивность излучения этого устройства велика настолько, что даже сквозь защитный экран печи излучение магнетрона способно “засветить” радиолуч WiFi роутера.

Универсальная беспроводная зарядка

На практике:

• При использовании вблизи роутера Bluetooth-аксессуаров, включаем в настройках последних параметр AFH.
• Микроволновка — мощный источник помех, но она используется не так часто. Поэтому, если нет возможности переместить роутер, то просто во время приготовления завтрака не получится позвонить по скайпу.

USB Hub разветвитель

Отключить поддержку режимов 802.11 B/G

В диапазоне 2,4 ГГц работают WiFi устройства трёх спецификаций: 802.11 b/g/n. N является новейшим стандартом и обеспечивает большую скорость и дальность по сравнению с B и G.

О том, как увеличить скорость wifi соединения, мы рассказали дополнительно.

флешка

Роутеры 802.11n поддерживают предыдущие стандарты WiFi, но механика обратной совместимости такова, что при появлении в зоне действия N-роутера B/G-устройства, — например, старый телефон или маршрутизатор соседа — вся сеть переводится в режим B/G. Физически происходит смена алгоритма модуляции, что приводит к падению скорости и радиуса действия роутера.

На практике: Перевод маршрутизатора в режим “чистого 802.11n” однозначно скажется положительно на качестве покрытия и пропускной способности беспроводной сети.

Однако девайсы B/G при этом не смогут подключиться по WiFi. Если это ноутбук или телевизор, их можно легко соединить с роутером через Ethernet.

ноутбук трансформер

Выбрать оптимальный WiFi канал в настройках

Почти в каждой квартире сегодня есть WiFi роутер, поэтому плотность сетей в городе очень велика. Сигналы соседних точек доступа накладываются друг на друга, отнимая энергию у радиотракта и сильно снижая его эффективность.

Беспроводные сети работают в пределах диапазона на разных каналах. Таких каналов 13 (в России) и роутер переключается между ними автоматически.

Умная колонка Яндекс Станция

Чтобы минимизировать интерференцию, нужно понять на каких каналах работают соседние сети и переключиться на менее загруженный.
Подробная инструкция по настройке канала представлена здесь.

На практике: Выбор наименее загруженного канала — эффективный способ расширить зону покрытия, актуальный для жильцов многоквартирного дома.

Но в некоторых случаях в эфире присутствует сетей настолько много, что ни один канал не даёт ощутимого прироста скорости и дальности WiFi. Тогда имеет смысл обратиться к способу № 2 и разместить роутер подальше от стен, граничащих с соседними квартирами. Если и это не принесет результата, то стоит задуматься о переходе в диапазон 5 ГГц (способ № 10).

подставка для ноутбука

Отрегулировать мощность передатчика роутера

Мощность передатчика определяет энергетику радиотракта и напрямую влияет на радиус действия точки доступа: чем более мощный луч, тем дальше он бьет. Но этот принцип бесполезен в случае всенаправленных антенн бытовых роутеров: в беспроводной передаче происходит двусторонний обмен данными и не только клиенты должны “услышать” роутер, но и наоборот.

На практике: Рекомендуемое значение мощности передатчика — 75%. Повышать ее следует только в крайних случаях: выкрученная на 100% мощность не только не улучшает качество сигнала в дальних комнатах, но даже ухудшает стабильность приема вблизи роутера, т. к. его мощный радиопоток “забивает” слабый ответный сигнал от смартфона.

О том, как рассчитать мощность блока питания для компьютера, мы собрали материал дополнительно.

Контроллер скорости для вентиляторов

Заменить штатную антенну на более мощную

Большинство роутеров оснащены штатными антеннами с коэффициентом усиления 2 — 3 dBi. Антенна — пассивный элемент радиосистемы и не способна увеличить мощность потока. Однако повышение коэффициента усиления позволяет перефокусировать радиосигнал за счет изменения диаграммы направленности.

Чем больше коэффициент усиления антенны, тем дальше распространяется радиосигнал. При этом более узкий поток становится похож не на “бублик”, а на плоский диск.

нештатные колонки для ноутбука

На рынке представлен большой выбор антенн для роутеров с универсальным коннектором SMA.

планшет с ручкой

На практике: Использование антенны с большим усилением — эффективный способ расширить зону покрытия, т. к. одновременно с усилением сигнала увеличивается чувствительность антенны, а значит роутер начинает “слышать” удаленные устройства. Но вследствие сужения радиолуча от антенны, возникают мертвые зоны вблизи пола и потолка.

Наушники с микрофоном, компьютерная гарнитура

Использовать повторители сигнала

В помещениях со сложной планировкой и многоэтажных домах эффективно использование репитеров — устройств, повторяющих сигнал основного маршрутизатора.

Чехол для внешнего диска

Простейшее решение — использовать в качестве повторителя старый роутер. Минус такой схемы — вдвое меньшая пропускная способность дочерней сети, т. к. наряду с клиентскими данными WDS-точка доступа агрегирует восходящий поток от вышестоящего маршрутизатора.

Подробная инструкция по настройке моста WDS представлена здесь.

Специализированные повторители лишены проблемы урезания пропускной способности и оснащены дополнительным функционалом. Например, некоторые модели репитеров Asus поддерживают функцию роуминга.

На практике: Какой бы сложной ни была планировка — репитеры помогут развернуть WiFi сеть. Но любой повторитель — источник интерференционных помех. При свободном эфире репитеры хорошо справляются со своей задачей, но при высокой плотности соседних сетей использование ретранслирующего оборудования в диапазоне 2,4 ГГц нецелесообразно.

Кресло компьютерное

Использовать диапазон 5 ГГц

Бюджетные WiFi-устройства работают на частоте 2,4 ГГц, поэтому диапазон 5 ГГц относительно свободен и в нем мало помех.

На практике: “Переезд” на новую частоту — радикальный вариант, требующий покупки дорогостоящего двухдиапазонного роутера и накладывающий ограничения на клиентские устройства: в диапазоне 5 ГГц работают только новейшие модели гаджетов.

Проблема с качеством WiFi сигнала не всегда связана с фактическим радиусом действия точки доступа, и ее решение в общих чертах сводится к двум сценариям:

• В загородном доме чаще всего требуется в условиях свободного эфира покрыть площадь, превышающую эффективный радиус действия роутера.
• Для городской квартиры дальности роутера обычно достаточно, а основная трудность состоит в устранении мертвых зон и интерференционных помех.

Представленные в этом материале способы помогут выявить причины плохого приема и оптимизировать беспроводную сеть, не прибегая к замене роутера или услугам платных специалистов.

моноблок

Как вам статья?

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Вы с довольной улыбкой возвращаетесь из магазина с новеньким Wi-Fi-роутером, предвкушая быстрый доступ для всех устройств. Что дальше? А вот здесь вам придется проделать немалую работу — маршрутизатор нужно правильно установить и даже сделать некоторые настройки. Все это напрямую влияет на качество сигнала и, соответственно, скорость подключения. В этой статье мы расскажем, как установить и настроить маршрутизатор. 

Как определить зону покрытия Wi-Fi

Первоочередной вопрос пользователей — как далеко будет добивать сигнал Wi-Fi? Ответ на этот вопрос зависит от множества факторов — количества и наличия преград в вашем доме или квартире, мощности и коэффициента усиления антенны, рабочей частоты Wi-Fi-сигнала.

Например, для роутера с антенной мощность 20 дБм и коэффициентом усиления 5–7 dBi на частоте 2,4 ГГц (стандарт 802.11n) в идеальных условиях зона покрытия ограничивается 100 метрами. На практике даже на открытом пространстве антенны добивают не дальше 50 метров. В помещениях все зависит от типа и количества преград. Обычно этот показатель сокращается до 10–15 метров.

Стандарт 802.11ac (5 ГГц) имеет еще меньшую зону покрытия и сильно уязвим к препятствиям. Например, при удалении от роутера на одно и то же расстояние мы получаем абсолютно разное падение сигнала в сравнении с предыдущим стандартом. Для 2,4 ГГц ухудшение составило с -60 dBm до -82 dBm. Для 5 ГГц сигнал упал с -63 dBm до -90 dBm.

Определить зону покрытия конкретно для вашей модели роутера можно несколькими способами. Мы расскажем о двух из них на примере типичного бюджетного TP-Link TL-WR840N — пара антенн мощностью 20 дБм с коэффициентом усиления 5 dBi, устройство работает на частоте 2,4 ГГц. Для тестов можно поставить роутер в геометрическом центре вашего жилья.

Первый способ подойдет для тех, у кого есть ноутбук. Вам необходимо использовать приложение NetSpot. Софт позволяет определить зону покрытия Wi-Fi и наложить ее на вашу карту помещения. Первый шаг — нарисовать максимально точный план помещения. В нашем случае это двухкомнатная квартира с лоджией.

Далее необходимо установить NetSpot на ваш ноутбук и подключиться к домашнему Wi-Fi. В программе выберите пункт New Survey и в качестве источника Map location укажите нарисованный ранее план. Программа работает с форматами .jpg и .bmp.

Запустив проект, вам необходимо кликнуть на карте в том месте, где вы находитесь сейчас. Как только будет выполнен замер — переходите в другую часть квартиры и повторите клик на карте. Рекомендуем посетить как минимум углы вашего дома или квартиры, а также сделать несколько замеров в каждой из комнат. По итогу в нашем случае получилась следующая карта.

Расставив необходимое количество точек, закончите сканирование (Stop Scan) и дождитесь, пока софт проведет необходимые расчеты и сформирует карту. Ваш роутер должен быть отмечен галочкой. Чтобы получить уровень сигнала в каждой точке, достаточно навести курсор в нужном месте карты и посмотреть результат.

Что можно понять по этой схеме? Обратите внимание на шкалу силы сигнала. Она измеряется от — 10 dBm до -96 dBm. Чем ближе показатель к нулю, тем лучше качество сигнала.

Возле роутера наш ноутбук принимает сигнал на уроне -37 dBm, а в самых удаленных точках -62 dBm. Если использовать шкалу в самой программе, то можно сделать вывод, что качество сигнала выше среднего.

Чтобы вам было проще, можете ориентироваться на следующее соответствие уровня сигнала для домашних роутеров:

Таким образом, покрытия от -30 до -60 dBm вполне хватает для большинства задач. Естественно, это касается только качества сигнала — какие именно скорости вам будут доступны уже зависит от характеристик роутера (наличие и тип MIMO, стандарт Wi-Fi) и даже принимающих гаджетов.

NetSpot позволяет получить максимально подробную карту, но софт платный, а для использования вам потребуется устройство на базе Windows или MacOS.

Более доступный способ замерить силу сигнала — воспользоваться вашим смартфоном и специализированным приложением. Подойдет приложение Wi-Fi Analyzer, которое можно скачать бесплатно в Play Market. Программа имеет несколько окон, отличающихся способом отображения данных.

Давайте выполним замеры сигнала с помощью мобильного в тех же точках и построим карту:

Как видно, замеры с помощью смартфона приблизительно соответствуют тем данным, которые мы получили с помощью программы NetSpot. Разницу в результатах можно оправдать разными типами приемников в каждом устройстве и особенностями ПО.

Если все комнаты находятся в зоне покрытия и сигнал не опускается ниже -60 dBm, то все хорошо. В нашем случае роутера TP-Link TL-WR840N полностью хватает на двухкомнатную квартиру. Обратите внимание, что модели на 5 ГГц более чувствительны к преградам, поэтому могут не покрывать площадь двух- или трехкомнатных квартир.

Что делать, если где-то нестабильный и очень плохой сигнал? Здесь мы переходим к следующему пункту.

Выбираем место установки роутера

Как мы говорили ранее, для начала можно поставить Wi-Fi-маршрутизатор в геометрическом центре вашего жилища. Для небольших домов и квартир это оптимальный вариант, поскольку сигнал от антенн будет равномерно распределен на всю площадь. Однако если роутер куда-то не «добивает», то нужно составить карту расположения устройств.

Определите на карте обычное расположение мобильных устройств.  Например, чаще всего мы пользуемся смартфонами, когда лежим на диване, кровати или сидим в кресле. Реже мы пользуемся мобильным и ноутбуком в туалете или на кухне. Как только вы отметите расположение всех гаджетов с Wi-Fi, установите роутер так, чтобы он покрывал все устройства.

Другой распространенный вопрос — как выставлять антенны? Их количество лишь косвенно влияет на силу сигнала, но напрямую определяет сколько конкретно устройств могут взаимодействовать одновременно с роутером. 

Сигнал от роутера распространяется перпендикулярно антенне и имеет форму бублика, как это показано на рисунке. 

Насколько вытянутым будет этот бублик, определяет коэффициент усиления антенны.

Если все устройства находятся в пределах одного этажа, то антенны нужно располагать вертикально, чтобы покрыть максимальную площадь. Если вы живете в двух- или трехэтажном здании, то одну антенну расположите вертикально, а другие — горизонтально или под углом в 45 градусов, чтобы сигнал распространялся вверх и вниз.

Что делать, если сигнал местами слабый?

Вы выбрали оптимальное расположение роутера, но в некоторых местах соединение все равно нестабильное? Не спешите покупать дополнительное оборудование — рассмотрим несколько решений, которые могут помочь.

С минимальными вложениями

Убираем препятствия. Как мы говорили ранее, сигнал уязвим к различным преградам, особенно, если это 5 ГГц.

Наибольшее ослабление сигнала оказывают металлические и бетонные конструкции. Для 5 ГГц также опасны массивные деревянные шкафы и другая мебель. Рекомендуется убрать такие предметы с пути следования сигнала, чтобы избавиться от «слепых зон», как это показано на рисунке ниже.

Выбор оптимального канала. Wi-Fi-сигнал имеет определенную ширину, из-за чего занимает не весь доступный спектр. В многоквартирных домах на один канал могут приходиться по 3–5 роутеров. Сигнал в этом случае будет сильно ослаблен из-за помех со стороны. Чтобы определить оптимальный канал, можно воспользоваться уже описанным приложением Wi-Fi Analyzer. Оно покажет, какие каналы забиты больше всего, а также рассчитает оптимальный выбор за вас.

Установить рабочий канал вы можете в настройках своего роутера через стандартный веб-интерфейс.

Проверить мощность передатчика. В некоторых случаях заводские настройки роутера предполагают не самую высокую мощность передающей антенны. Изменить эту настройку вы также можете в интерфейсе устройства.

Усиливаем антенну роутера. Стандартную антенну маршрутизатора можно модифицировать — в сети есть огромное количество вариантов со схемами. Насколько эффективны такие решения — вопрос открытый, но в большинстве случаев это усовершенствование не ударит по кошельку.

Используем старый маршрутизатор. Наверняка у многих где-нибудь в шкафу лежит еще один старый Wi-Fi-роутер. Он может послужить еще, например, расширяя зону покрытия. Первый способ — соединить его через LAN кабель с первым роутером и покрыть куда большую площадь. Второй вариант — использовать режим моста, но тогда один маршрутизатор должен находиться в зоне покрытия другого.

Если собрались делать по уму

Когда все вышеописанные решения не дают результата, то зону покрытия Wi-Fi придется расширять другими способами и без покупки дополнительного оборудования не обойтись.

Первый способ — поставить более мощную антенну, если в конструкции роутера они съемные. Несмотря на законодательное ограничение, в магазинах можно найти антенны на 30 dBm. Также можно купить модели с направленным лучом, у которых коэффициент усиления 7–12 dBi.

Среди специализированного оборудования вам доступны следующие варианты.

Повторители Wi-Fi. Устройства подключаются к обычной розетке и ретранслируют уже существующую Wi-Fi-сеть. Должны находиться в зоне покрытия основного роутера. Принцип работы аналогичен с роутером в режиме моста.

Mesh-роутеры. Mesh-система — самый технологичный вариант построения большой беспроводной сети. В чем же отличия от обычных усилителей? В Mesh Wi-Fi есть специальные протоколы роуминга, чтобы вы оставались в одной сети при переключении между модулями. Также предусмотрена адаптивная маршрутизация и удобные инструменты для настройки. В таких системах обычно есть функция самовосстановления — поломка одного узла не рушит всю сеть.  

Подробнее о mesh-системах мы рассказали в другом материале. Комплексный подход с использованием mesh будет актуален для больших частных домов, где один роутер и даже несколько усилителей не справляются с поставленной задачей.

Время на прочтение
12 мин

Количество просмотров 33K

В предыдущей статье о Wi-Fi мы рассказывали об истории беспроводных сетей: первой беспроводной сети AlohaNet, коммерческой WaveLan и IEEE, который поспособствовал стандартизации беспроводных устройств. Вот, кстати, ссылочка на первую публикацию. В этой части цикла про Wi-Fi мы расскажем о сигнале, передающем информацию, а именно: как аналоговые электромагнитные волны передают цифровой сигнал, как модулируется сигнал и что такое мультиплексирование.

Аналоговые и цифровые сигналы

Сигнал — это некий носитель информации, с помощью которого передается информация. Это может быть электромагнитная волна, свет, звук, да и в принципе, практически всё, что угодно может выступать в роли сигнала. Если представить сигнал в виде математической функции от времени, то сигнал окажется либо аналоговым, либо цифровым.

Аналоговый сигнал изменяется во времени постепенно и непрерывно: он не имеет разрывов или пауз. В идеализированном понимании цифровой сигнал противопоставляется аналоговому. Цифровой сигнал на некотором интервале имеет постоянную интенсивность и изменяется моментально.

Аналоговый сигнал для непрерывных данных, например записи голоса

Цифровой сигнал для дискретных данных, например набора битов.

Аналоговый сигнал в виде электромагнитной волны может распространяться через множество сред: оптоволокно, витая пара, по воздуху. В то же время цифровой сигнал можно передавать с помощью проводов через напряжения: постоянная положительная величина будет означать 1, а отрицательная 0.

Свойства сигналов

Скорость и качество передаваемых данных зависит как от особенностей самих сигналов (мощность, способ кодирования), так и от характеристик линии связи (задержка, полоса пропускания, частота ошибок). Рассмотрим основные свойства сигналов.

Синусоида

Процессы могут описываться различными функциями: аналоговыми, дискретными, периодическими и непериодическими. Фундаментальным случаем аналоговой периодической функции является синусоида. Её фундаментальность заключается в том, что она описывает многие природные процессы, например, высоту волны в жидкости и уровень напряжения в электрической цепи.

В общем случае синусоида как функция от времени имеет следующие параметры:

Структура синусоиды

Мы рассмотрели синусоиду как функцию от времени в некоторой фиксированной точке пространства. Однако можно использовать представление, когда значения функции изменяются в зависимости от расстояния x. Существует соотношение между двумя синусоидальными сигналами, которое отражает взаимосвязь временной и пространственной периодичности.

У синусоиды есть параметр — длина волны, который является аналогом периода синусоиды . Длина волны () — это расстояние, на которое перемещается волна за время периода . Таким образом, скорость распространения волны . Так как электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, то справедливо соотношение или .

Спектральное разложение

Свойства синусоидальных функций делают их эффективным инструментом изучения сигналов. Из теории гармонического анализа Фурье известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы бесконечного набора синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд. Такой набор называется спектральным разложением, а синусоидальные колебания определенной частоты — гармониками.

Представление периодического аналогового сигнала суммой синусоид

Все информационные сигналы имеют конечную длительность. Если представить, что сигнал бесконечно повторяется снова и снова, то его можно разложить в ряд Фурье. Таким образом, любой процесс, описываемый произвольной функцией может быть представлен в виде некоторого набора синусоидальных функций. На практике во внимание принимается только несколько первых, значимых гармоник, так как амплитуды последующих быстро убывают и вносят незначительный вклад в форму исходного сигнала. Самая первая частота называется основной гармоникой, а разность между максимальной и минимальной частотами значимых гармоник — шириной спектра сигнала.

Затухания и полоса пропускания

Любая передача информации связана с передачей энергии. Следовательно, понятие мощности сигнала является чрезвычайно важным. Мощность синусоидального сигнала пропорциональна квадрату его амплитуды. Интуитивно понятно, что при прохождении среды передачи мощность сигнала уменьшается. Так вот, затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии.

Влияние затухания на форму прямоугольного импульса

Ни один канал связи не может передавать сигналы без потери мощности. Если бы все гармоники ряда Фурье уменьшались при передаче в равной степени, то сигнал уменьшался бы по амплитуде, но не искажался. К сожалению, все каналы связи уменьшают гармоники в разной степени, тем самым искажая передаваемый сигнал. Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты и эта зависимость характеризует линию связи.

Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии без значительных искажений.

Помехи

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал. Наиболее распространенные из них — помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его.

Искажение импульсов в линии связи

Пропускная способность

Пропускная способность — величина, характеризующая максимальную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что она зависит как от характеристик физической среды (затухания и полосы пропускания), так и от способа передачи данных (кодирования). Дело в том, что кодирование определяет спектр передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания, то сигнал будет значительно искажаться, что усложнит распознавание информации.

Соответствие между полосой пропускания и спектром сигнала

В большинстве способов кодирования используется изменение одного или нескольких параметров периодического электрического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же уровня напряжения/тока последовательности импульсов. Эти параметры называют информационными параметрами сигнала. Периодический сигнал, параметры которого подвергаются изменениям, называют несущим сигналом. Процесс изменения информационных параметров несущего сигнала в соответствии с передаваемой информацией называется модуляцией (кодированием). Измененный в результате кодирования несущий сигнал называют информационным сигналом. Изменение информационного параметра сигнала происходит через фиксированный интервал времени, называемый тактом. Величина, обратная значению такта, является тактовой частотой линии.

Резюме

Итак, попробуем теперь собрать все вышеизложенное вместе. В общем случае любой цифровой сигнал имеет бесконечную ширину полосы. Если мы попытаемся передать этот сигнал через какую-то среду, передающая система наложит ограничения на ширину полосы, которую можно передать. Чем больше передаваемая полоса, тем больше стоимость передачи. Поэтому цифровую информацию аппроксимируют сигналами с ограниченной шириной полосы. С другой стороны, при ограничении ширины полосы возникают искажения, затрудняющие интерпретацию принимаемого сигнала. Чем больше ограничена полоса, тем больше искажение сигнала и тем больше потенциальная возможность возникновения ошибок при приеме.

Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную скорость передачи, учитывая помехи и ошибки. В этом помогают различные техники модуляции.

Модуляция сигнала

В системах связи используют как цифровые, так и аналоговые сигналы. Но в рамках беспроводной связи между компьютерами, где в качестве сигнала используется электромагнитная волна, а данные — дискретные, возникает необходимость в модуляции — преобразовании двоичных данных в аналоговый сигнал.

Сама по себе модуляция двоичных данных не ограничивается беспроводной связью. Показательный пример — это передача двоичных данных по телефонным кабелям или каналам тональной частоты. Они имеют полосу пропускания 3.1 КГц и передают частоты в диапазоне от 300 Гц до 3400 Гц. Это меньше, чем воспринимаемый человеком диапазон звуков — от 20 Гц до 20 КГц, но достаточный для передачи большинства звуков. Для передачи цифрового сигнала такой полосы пропускания недостаточно (с приемлемой, на момент применения в качестве канала связи телефонной инфраструктуры, скоростью), поэтому использовалась аналоговая модуляция: данные поступали от компьютера в модем и он модулировал аналоговый сигнал.

В качестве кодирующего параметра можно использовать три характеристики электромагнитной волны: амплитуду, частоту и фазу. Рассмотрим каждый из них.

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции для кодировки разных логических значений используются сигналы несущей частоты с разной амплитудой. В простейшем случае при кодировании 2 значений (логической единицы и логического нуля) используют сигнал с двумя возможными амплитудами: А1 для единицы и А2 для нуля.

Амплитудная модуляция в подвержена помехам и в основном используется в сочетании с другими видами модуляции.

Частотная модуляция

Для частотной модуляции используются несколько сигналов разной частоты, расположенные вблизи к несущей частоте. Одним из вариантов частотной модуляции является бинарная. В ней логический нуль и логическая единица кодируется двумя сигналами с частотами f1 и f2, смещенные относительно несущей частоты на одинаковое расстояние:

Также частотную модуляцию можно осуществлять с помощью нескольких сигналов. Такая схема называется многочастотной модуляцией. Такой вид модуляции в большей степени подвержен ошибкам, чем бинарная, но позволяет закодировать большее количество информации. В ней каждая сигнальная посылка кодирует несколько битов информации. Вот пример четырехуровневой частотной модуляции:

Фазовая модуляция

В фазовой модуляции используются сигналы одинаковой частоты, но со смещением по фазе. Наиболее простым вариантом фазовой модуляции является двухуровневая модуляция. В ней используется два сигнала, смещенные по фазе (один — 0, другой 180). Один из них кодирует логическую единицу, а другой логический нуль.

Другой вариант фазовой модуляции — дифференциальная. Суть метода заключается в сравнении фазы не с эталоном, а с предыдущим пакетным символом. Если следующий символ логический нуль, то фаза не меняется. Если единица — меняется на противоположную:

Также, как и в случае с предыдущими модуляциями, метод можно расширить: использовать не два варианта фаз, а больше.

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)

Для повышения производительности канала связи прибегают к комбинаторным методам модуляции. Один из популярных вариантов, который используется в Wi-FI — это квадратурная амплитудная модуляция (QAM). В ней используется фазовая и амплитудная модуляции.

В квадратурной амплитудной модуляции используется несколько сигналов на одной частоте с разной фазой. В простейшем случае получается 4 возможных состояния: 2 по частоте и 2 по амплитуде. Метод можно расширять, но вероятность ошибки увеличивается. Для их избежания используется следующая схема: запрещено использовать одинаковую амплитуду соседним по фазе сигналам. Например, при использовании 4 амплитуд и 8 фаз будет доступно 16 состояний (0000, 0001, …., 1111).

Физический уровень стандарта IEEE 802.11

Физический уровень стандарта IEEE 802.11 состоит из двух подуровней. PLCP — этот уровень управляет обменом кадров между MAC-подуровнем и физическим уровнем. PMD — подуровень зависимости от физической среды. Этот подуровень обеспечивает интерфейс со средой передачи данных. Он определяет характеристики беспроводной среды и метод передачи данных беспроводными станциями через нее.

Спецификации семейства 802.11 имеют различные характеристики: скорость передачи, диапазон частот, ширину канала и т.д. Ниже приведены технические характеристики спецификаций физического уровня:

Частотные диапазоны

Порядок и правила использования радиочастотного спектра определяется государством. В России роль регулятора выполняет Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). В США за регулирование отвечает FCC, в Европе — ERO и ETSI. Правила использования радиочастотного спектра необходимы для того, чтобы множество беспроводных устройств могло одновременно использовать одну полосу частот, не создавая помех друг другу.

В России для беспроводных сетей стандарта 802.11 выделены одна полоса в диапазоне 2,4 ГГц (2400-2483,5 МГц) и две полосы в диапазоне 5 ГГц (5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц). Частотные диапазоны 2,4 и 5 ГГц, в свою очередь, разбиваются на каналы, ширина и количество которых зависит от спецификации 802.11 и особенностей радиочастотного регулирования в конкретном государстве.

Расширение спектра

Технологии модуляции определяют, каким образом и на какой скорости данные передаются через беспроводную среду. Рассмотрим две основных приема — расширение спектра и мультиплексирование.

Технологии расширения спектра являются базовыми при организации передачи данных в беспроводных сетях стандарта 802.11. Изначально их использовали для разведывательных и военных целей. Основная идея метода состоит в том, чтобы распределить информационный сигнал по широкой полосе радиодиапазона, что в итоге позволит значительно усложнить подавление или перехват сигнала. При этом преобразовании мощность исходного сигнала не изменяется, а распределяется по более широкой полосе пропускания и становится сопоставима с мощностью шумов. Это позволяет сделать сигнал невосприимчивым к различным типам шумов и искажениям, дает возможность скрывать и шифровать сигналы и одновременно использовать одну полосу частот несколькими пользователями.

Первая разработанная схема расширенного спектра известна как метод перестройки частот (FHSS). Её суть заключается в постоянной смене несущей в пределах широкого диапазона частот. В результате мощность сигнала распределяется по всему диапазону, и прослушивание какой-то определенной частоты дает только небольшой шум. Последовательность несущих выбирается псевдослучайно. На каждой несущей частоте для передачи дискретной информации применяются стандартные методы модуляции (например, частотная или фазовая).

Перестройка частоты

Физический уровень FHSS стандарта 802.11 позволяет выполнять передачу данных на скоростях 1 и 2 Мбит/с. В более новых спецификациях (802.11b и 802.11g) используется более совершенный метод прямой последовательности (DSSS), более приспособленный для передачи данных на высоких скоростях. В DSSS также используется весь частотный диапазон, выделенный для одной беспроводной линии связи. В отличие от FSSS весь частотный диапазон занимается не за счет постоянных переключений с частоты на частоту, а за счет того, что каждый бит информации заменяется N битами, так что тактовая скорость передачи сигналов увеличивается в N раз. А это, в свою очередь, означает, что спектр сигнала также расширяется в N раз. Достаточно соответствующим образом выбрать скорость передачи данных и значение N, чтобы спектр сигнала заполнил весь диапазон. Как и в случае FHSS, для кодирования результирующего кода может использоваться любой вид модуляции.

Каналы, используемые в технологии DSSS

Мультиплексирование

Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметром, как пространство, время, частота и код. Задача мультиплексирования — выделить каждому каналу пространства, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальных использованием характеристик передающей среды.

В новых стандартах 802.11 используется механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (OFDM). Его суть заключается в том, что весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N – число поднесущих, назначенных данному передатчику. Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться. Схема OFDM имеет несколько преимуществ: она помогает подавлять межсимвольную интерференцию и бороться с селективным замиранием.

Защита от ошибок

Как говорилось ранее, при передаче данных, особенно по беспроводной среде, непременно будут возникать ошибки. Существуют три наиболее распространенных орудия борьбы с ними:

• Коды обнаружения ошибок. Основан на передаче в составе блока данных избыточной служебной информации (контрольная сумма, FCS), по которой можно судить с некоторой степенью вероятности о достоверности принятых данных.
• Коды с коррекцией ошибок. Позволяет приемнику не только понять, что присланные данные содержат ошибки, но и исправить их. Коды, которые обеспечивают прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
• Протоколы с автоматическим запросом повторной передачи. В простейшем случае защита от ошибок заключается только в их обнаружении. Система должна предупредить передатчик об обнаружении ошибки и необходимости повторной передачи.

Антенны MIMO

Пусть антенна — это проводник, который может излучать и улавливать в/из окружающей среды электромагнитные волны. В 2008 году в новый стандарт Wi-Fi 802.11n вошла новая технология MIMO — multiple-in multiple out. Суть MIMO заключается в использовании нескольких антенн на передатчике и приемнике, передающих сигнал в отдельных пространственных потоках (например с использованием поляризации). При этом передающие и принимающие антенны разносятся таким образом, чтобы их сигналы слабо воздействовали друг на друга. MIMO помогает увеличить пропускную способность канала, либо улучшить качество передачи за счет избыточных антенн.

Различные конфигурации систем с разным числом антенн