Мощность передатчика вай фай роутера

Радиус действия точки доступа напрямую зависит от мощности? Мощность передатчика точки доступа определяет расстояние, на которое будет передаваться сигнал, а также скорость передачи данных. Но это не единственная величина, которая влияет на дальность работы беспроводной сети, она зависит от множества различных факторов:

• Диапазон частот
• Выходная мощность передатчика
• Чувствительность приемника
• Виды антенн, коэффициент усиления сигнала
• Ширина канала
• MIMO
• Техника модуляции
• Расстояние и преграды
• Другие факторы

Разные факторы по разному влияют на распространение сигнала. Например, чем больше расстояние и чем больше поглощение сигнала, тем меньше скорость. В диапазоне частот 2.4 ГГц – длина волны составляет 12.5 см и чем больше длина волны (ниже частота), тем больше проникающая способность сигнала и выше дальность распространения сигнала при одной и той же излучаемой мощности. Соответственно радиосигнал в диапазоне 2.4 ГГц имеет большую проникающую способность, чем в диапазоне 5 ГГц.

Не каждая проблема с подключением возникает из-за слабого уровня сигнала.

Мощность передатчика

Мощность передатчика беспроводного оборудования на территории России, Украины, Белоруссии и других стран СНГ и Европы имеет региональные ограничения и не должна превышать 20 dBm равных 100 mW и 23 dBm = 200 mW при использовании динамического управления излучаемой мощностью сигнала. В реальном оборудовании данные показатели находятся в диапазоне от 15 до 20 dBm. Связано это по большей части с нежеланием производителя “рисковать”, ведь устройство мощностью свыше 20 dBm просто не пройдет сертификацию.

Усиление излучаемой мощности сигнала – означает более надежное соединение, но это не решает все проблемы. Даже если клиент будет слышать точку из-за большого усиления, то точка не услышит клиента, ввиду того, что у него же вы мощность не подняли.

Чувствительность приемника

Чувствительность приемника – это минимальный уровень входящего сигнала для обеспечения приёма данных с клиентского устройства, и влияющий на дальность связи и скорость приема данных. При увеличении излучаемой мощности сигнала радиомодуля, чувствительность незначительно может улучшиться, но при чрезмерном усилении этот показатель может значительно ухудшится, так появится “перекос” в скорости приема и передачи данных, когда скорость передачи клиенту будет выше в несколько раз, чем скорость от клиента к точке доступа.

Чувствительность приемника указывается для конкретной скорости передачи, поскольку каждая схема модуляции имеет свои требования к отношению сигнал/шум (SNR). В общем случае, чем выше скорость передачи данных, тем больше должно быть отношение сигнал/шум (меньший уровень шума), и тем выше чувствительность приемника.

Диапазон частот

Диапазон 2.4 ГГц – это низкая полоса частот и наиболее распространённая, способная легче преодолевать различные преграды, что повышает радиус работы данной сети, но не обладает высокой скоростью передачи данных. Диапазоны 5 ГГц и 6 ГГц – напротив обладают более высокой частотой, достигая высоких скоростей передачи данных, менее загружены, но имеют меньше пробивною способность и меньший радиус работы.

Уровень сигнала

• Самый точный способ выразить это с помощью мBт (миливатт) (mW / 1 mW = 0 dBm)
• Signal (уровень сигнала) – показатель уровня сигнала принимаемым устройством, обычно значения находятся в промежутке от 0 до -100
• RSSI (индикатор мощности принятого сигнала) – это обычное показатель, но большинство поставщиков адаптеров Wi-Fi обрабатывают по разному, поскольку он не стандартизирован. Некоторые адаптеры используют шкалу от 0 до 60, а другие от 0 до 255
• Noise (уровень шума) – показатель допустимого уровня шума, для указанной ширины каналы
• SNR (отношение уровня сигнала к шуму) –  разница между уровнем сигнала и уровнем шума

Изменения мощности сигнала не являются плавными и постепенными, dBm масштабируется логарифмически, а не линейным образом. Правило 3 и 10 подтверждает логарифмическую природу dBm:

• 3 dBm потерь = -3 dBm = уменьшает вдвое мощность сигнала
• 3 dBm усиления = +3 dBm = удваивает мощность сигнала (100 mW = 20 dBm, 200 mW = 23 dBm)
• 10 dBm потерь = -10 dBm = в 10 раз меньше мощности сигнала
• 10 dBm усиления = +10 dBm = в 10 раз больше мощности сигнала (10 mW = 10 dBm, 100 mW = 20 dBm)

Оценка качества сигнала (Signal)

Нужно помнить о значении Signal – работаем с отрицательным значением. -30 – более высокий сигнал, чем -80, потому что -80 – намного меньшее число

• -30 dBm – Максимальный уровень сигнала, вероятно, находитесь рядом с точкой доступа
• -50 dBm – Ниже этого уровня, считать отличным сигналом
• -60 dBm – Ниже этого уровня, хорошим и надежным уровень сигнала
• -67 dBm – Это минимальное значение, требующих бесперебойной и надежной передачи данных, скорость будет низкой, но стабильной
• -70 dBm – Сигнал слабый, скорость передачи крайне низкая
• -80 dBm – Уровень сигнала слишком мал, не возможно поддерживать надежное соединение
• -90 dBm – Подключение практически невозможно, или скорость передачи данных будет слишком мала

dB, dBi, dBm

При расчетах все эти dB, dBi, dBm по сути своей все являются децибелами, т.е. суммируются (если усиление) или вычитаются (если затухание), но dBm имеет приоритет как величина мощности сигнала. Например: Уровень на входе приемника(dBm) = Мощность передатчика(dBm) + Усиление антенн(dBi) – Ослабление сигнала(dB)

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. 

Время на прочтение
4 мин

Количество просмотров 238K

Сейчас многие покупают точки доступа 802.11n, но хороших скоростей достичь удается не всем. В этом посте поговорим о не очень очевидных мелких нюансах, которые могут ощутимо улучшить (или ухудшить) работу Wi-Fi. Всё описанное ниже применимо как к домашним Wi-Fi-роутерам со стандартными и продвинутыми (DD-WRT & Co.) прошивками, так и к корпоративным железкам и сетям. Поэтому, в качестве примера возьмем «домашнюю» тему, как более родную и близкую к телу. Ибо даже самые администые из админов и инженеристые из инженеров живут в многоквартирных домах (или поселках с достаточной плотностью соседей), и всем хочется быстрого и надежного Wi-Fi.
[Внимание!]: после замечаний касательно публикации статья выложена в полном виде здесь. Эта статья оставлена для примера того, как публиковать не надо. Извините за беспорядок

1. Как жить хорошо самому и не мешать соседям.

[1.1] Казалось бы – чего уж там? Выкрутил точку на полную мощность, получил максимально возможное покрытие – и радуйся. А теперь давайте подумаем: не только сигнал точки доступа должен достичь клиента, но и сигнал клиента должен достичь точки. Мощность передатчика ТД обычно до 100 мВт (20 dBm). А теперь загляните в datasheet к своему ноутбуку/телефону/планшету и найдите там мощность его Wi-Fi передатчика. Нашли? Вам очень повезло! Часто её вообще не указывают (можно поискать по FCC ID). Тем не менее, можно уверенно заявлять, что мощность типичных мобильных клиентов находится в диапазоне 30-50 мВт. Таким образом, если ТД вещает на 100мВт, а клиент – только на 50мВт, в зоне покрытия найдутся места, где клиент будет слышать точку хорошо, а ТД клиента — плохо (или вообще слышать не будет) – асимметрия. Сигнал есть – а связи нет. Или downlink быстрый, а uplink медленный. Это актуально, если вы используете Wi-Fi для онлайн-игр или скайпа, для обычного интернет-доступа это не так и важно (только, если вы не на краю покрытия). И будем жаловаться на убогого провайдера, глючную точку, кривые драйвера, но не на неграмотное планирование сети.

Вывод: может оказаться, что для получения более стабильной связи мощность точки придется снизить. Что, согласитесь, не совсем очевидно

Обоснование (для тех, кому интересны подробности):
Наша задача обеспечить как можно более симметричный канал связи между клиентом (STA) и точкой (AP), дабы уравнять скорости uplink и downlink. Для этого будем опираться на SNR (соотношение сигнал-шум).
SNR(STA) = Rx(AP) — RxSens(STA); SNR (AP) — Rx(STA) — RxSens(AP)
где Rx(AP/STA) — мощность принятого сигнала с точки/клиента, RxSens(AP/STA) — чувствительность приема точки/клиента. Для упрощения примем, что порог фонового шума ниже порога чувствительности приемника AP/STA. Подобное упрощение вполне приемлемо, т.к. если уровень фонового шума для AP и STA одинаков — он никак не влияет на симметрию канала.
Далее,
Rx(AP) = Tx(AP) [мощность передатчика точки на порту антенны] + TxGain(AP) [усиление передачи антенны точки с учетом всех потерь, усилений и направленности] — PathLoss [потери сигнала на пути от точки до клиента] + RxGain(STA) [усиление приема антенны клиента с учетом всех потерь, усилений и направленности].
Аналогично, Rx(STA) = Tx(STA) + TxGain(STA) — PathLoss + RxGain(AP).
При этом стоит заметить следующее:

• PathLoss одинаков в обеих направлениях
• TxGain и RxGain антенн в случае обычных антенн одинаков (верно и для AP и для STA). Здесь не рассматриваются случаи с MIMO, MRC, TxBF и прочими ухищрениями. Так что можно принять: TxGain(AP) === RxGain(AP) = Gain(AP), аналогично для STA.
• Rx/Tx Gain антенны клиента мало когда известен. Клиентские устройства, обычно, комплектуются несменными антеннами, что позволяет указывать мощность передатчика и чувствительность приемника сразу с учетом антенны. Отметим это в наших выкладках ниже.

Итого получаем:
SNR(AP) = Tx*(STA) [с учетом антенны] — PathLoss + Gain(AP) — RxSens(AP)
SNR(STA)=Tx(AP) + Gain(AP) — PathLoss -RxSens*(STA) [с учетом антенны]

Разница между SNR на обоих концах и будет асимметрией канала, применяем арифметику: D = SNR(STA)-SNR(AP) = Tx*(STA) — Tx(AP) — (RxSens*(STA) — (RxSens(AP)).

Таким образом, асимметрия канала не зависит от типа антенны на точке и на клиенте (опять же, зависит, если вы используете MIMO, MRC и проч, но тут рассчитать что-либо будет довольно сложно), а зависит от разности мощностей и чувствительностей приемников. При D<0 точка будет слышать клиента лучше, чем клиент точку. В зависимости от расстояния это будет значить либо, что поток данных от клиента к точке будет медленнее, чем от точки к клиенту, либо клиент до точки достучаться не сможет вовсе.
Для взятых нами мощностей точки (100mW=20dBm) и клиента (30-50mW ~= 15-17dBm) разность мощностей составит 3-5dB. До тех пор, пока приемник точки чувствительнее приемника клиента на эти самые 3-5dB — проблем возникать не будет. К сожалению, это не всегда так. Проведем рассчеты для ноутбука HP 8440p и точки D-Link точки DIR-615 для 802.11g@54Mbps:

• 8440p: Tx*(STA) = 17dBm, RxSens*(STA) = -76dBm@54Mbps
• DIR-615: Tx(AP) = 20dBm, RxSens(AP) = -65dBm@54Mbps.
• D = (17 — 20) — (-76 +65) = 3 — 11 = -7dB.

Таким образом, в работе могут наблюдаться проблемы, причем, по вине точки.

[1.2] Также далеко не самым известным фактом, добавляющим к асимметрии, является то, что у большинства клиентских устройств мощность передатчика снижена на «крайних» каналах (1 и 11/13 для 2.4 ГГц). Вот пример для iPhone из документации FCC (мощность на порту антенны).

Как видите, на крайних каналах мощность передатчика в ~2.3 раза ниже, чем на средних. Причина в том, что Wi-Fi – связь широкополосная, удержать сигнал чётко в пределах рамки канала не удастся. Вот и приходится снижать мощность в «пограничных» случаях, чтобы не задевать соседние с ISM диапазоны. Вывод: если ваш планшет плохо работает в туалете – попробуйте переехать на канал 6.

Раз уж речь зашла о каналах — в следующий раз поговорим о них поподробнее.

UPD: мне уже высказали, что заметка слишком короткая. Я уже все понял. Но если я добавлю остаток текста сюда — многие его уже не увидят. Следующим постом выложу все целиком (первую часть уберу под кат). Дополнительные комментарии приветствуются, если они расширяют тему «грамотного» постинга на Хабре. Для эмоций есть вот этот хаб. Спасибо за понимание.