Как работает маяк и зачем он нужен в наше время

Содержание

Введение

Данная статья сфокусирована на описании основных величинах и понятиях, которые требуется знать при проектировании радиосети и настройке беспроводного оборудования Wi-Fi. Настройка оборудования и рекомендации приведены на примере точек доступа серии 1600, 2600, 3600, а так же контроллера 2504.

 Частоты и каналы

Для беспроводных сетей Wi-Fi определено 2 диапазона:

• 2.4 ГГц (2.4 — 2.4835 ГГц)
• 5 ГГц (5.15 — 5.35 и 5.725 — 5.825 ГГц)

Каждый диапазон имеет свои характеристики. Так, диапазон 5 ГГц имеет меньшую площадь покрытия, но при этом большую пропускную способность по сравнению с 2.4 ГГц. В разных странах есть свои ограничения на использования частотного спектра и мощность передатчика. Так появились разные регуляторные домены. Вот основные из них:

У производителя есть обязанность производить продукцию, подходящую под законодательство разных стран, то есть сертификацию в определенных регуляторных доменах.

В диапазоне 5 ГГц есть три поддиапазона:

1.Полоса 5150-5250 МГц имеет следующие каналы:

36: 5180 МГц

40: 5200 МГц

44: 5220 МГц

48: 5240 МГц 

2. Полоса 5250-5350 МГц имеет следующие каналы:

52: 5260 МГц

56: 5280 МГц

60: 5300 МГц

64: 5320 МГц

3. Полоса 5650-5825 МГц имеет следующие каналы:

149: 5745 МГц

153: 5765 МГц

157: 5785 МГц

161: 5805 МГц

Основные термины и величины

дБ (dB). Децибел – это логарифмическое отношение сигнала к условной единице. Например, в таблице ниже происходит сравнение с 1 Вт

дБм (dBm). Децибел милиВатт – это логарифмическое отношение сигнала к 1 мВт

При увеличении мощности на 9 дБм зона покрытия для помещения увеличивается примерно в 2 раза. Соответственно, при уменьшении мощности на 9 дБм – уменьшается примерно в 2 раза.

дБи (dBi). Единица измерения усиления антенн относительно «эталонной» антенны. За такую эталонную антенну принят так называемый изотропный излучатель – идеальная антенна, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, коэффициент усиления которой равен единице и КПД которой равен 100%.

Суммарная излучаемая мощность равняется сумме мощности передатчика и усиления антенны.

Отсюда возникает ответ на один из интересующих многих вопрос: почему Cisco Systems поставляет точки доступа в Россию с ограничением мощности в 18 дБм (63мВт). Ответ заключается вот в чем. Коэффициент усиления антенн варьируется от 2 (у встроенных антенн) до 6 дБи (у направленных внешних антенн). То есть результирующая выходная мощность будет от 20 дБм (100мВт) до 24дБм (250мВт).

При планировании не следует забывать особенность излучателя клиентского устройства: как правило, мощность передатчика сетевой карты клиента не превышает 50мВт. Соответственно, клиентское устройство будет отлично «слышать», но при этом его мощности не хватит для того чтобы точка доступа его «услышала». Таким образом, в общем случае, выставление мощности у точки доступа более 50мВт (17 dBm) не желательно.

Помимо мощности передатчика, в дБм так же измеряется и чувствительность приемника, значения будут отрицательными числами. Чувствительность приемника – это минимальный уровень сигнала, при котором связь будет еще установлена на минимальной скорости.

RSSI (Received Signal Strength Indicatio) – это переведенное в целые числа (от 0 до 255) значения мощности принимаемого сигнала. Для каждого производителя перевод может осуществляться по-своему.

SNR (Signal-to-Noise Ratio) — отношение уровня сигнала к уровню шума, в Дб. Как правило, отношение сигнал-шум должно не превышать 5 дБ для передачи данных и 25 дБ для передачи голоса.

Радиочастотное планирование Wi-Fi

При разворачивании беспроводной сети нет общего шаблона, все индивидуально в каждой инсталляции. Однако есть набор основных правил, которых следует придерживаться. Ниже приведены основные вводные данные для радиочастотного планирования.

При радиочастотном планировании следует учитывать следующие основные характеристики беспроводной сети:

1. Выбор типа сети (передача данных, голоса или позиционирование)
2. Плотность пользователей
3. Требования к покрытию и скорости передачи данных
4. Особенности клиентских устройств (мощности передатчика, поддерживаемые диапазоны и каналы, поддерживаемые скорости передачи данных)
5. Требования к безопасности сети

Эти характеристики могут быть выполнены при помощи манипулирования следующими физическим величинами:

1. Диапазон (2.4 ГГц или 5ГГц)
2. Используемые каналы выбранного диапазона
3. Мощность передатчика
4. Тип и коэффициент усиления антенны
5. Разрешенные скорости передачи данных

Далее, каждый из «рычагов» разберем подробно.

В диапазоне 5 ГГц большее число непересекающихся каналов и большая пропускная способность, но на данный момент не все клиентские устройства поддерживают этот диапазон. В диапазоне 2.4 ГГц имеется только 3 непересекающихся канала: 1, 6 и 11. Соответственно радиочастотное планирование должно быть проведено с учетом этого. Не следует размещать рядом две точки доступа, которые будут работать на одной и той же частоте, это приведет к высокому значению сигнал-шум. В местах высокой плотности пользователей (например, конференц-зал) можно установить до трех точек доступа в целях повышения пропускной способности сети, они будут работать на разных каналах и не мешать друг другу. Следует заметить, что радиус зоны покрытия в диапазоне 5 ГГц существенно меньше чем в диапазоне 2.4 ГГц.

Для сети передачи данных необходимо определить минимальную скорость передачи данных на краях зоны покрытия и производить планирование сети с учетом этих данных. Так, например для одного и того же офиса может понадобится 6 точек доступа, чтобы покрыть со скоростью не ниже чем 11Мбит/с и 12 точек доступа чтобы покрыть со скоростью не ниже 24 Мбит/с. Если же необходимо ограничить радиус действия точки доступа, но при этом не уменьшать мощность и не проиграть в скорости, можно запретить ряд скоростей, например, с 1 по 11 Мбит/с на контроллере. Тогда на границах сети скорость будет не меньше 11 Мбит/с.

Для голосовой сети необходимо перекрытие зон покрытия соседних точек доступа не менее чем 15-20 процентов при уровне сигнала не ниже чем -67дБм, это обеспечит непрерывную связь во время роуминга. При этом рекомендуемые значения мощности точек доступа лежат в диапазоне 35-50 мВт.

Для систем позиционирования применяется более сложный подход к построению сети, так как здесь за основу берется не оптимальное радиопокрытие, а оптимальное расположение точек доступа.

Антенны позволяют увеличить дальность связи, не прибегая к увеличению мощности передатчика точки доступа, а так же передатчика клиента. Таким образом, если есть задача покрытия достаточно большого пространства или длинного коридора с низкой плотностью пользователей, можно воспользоваться внешними антеннами с большим коэффициентом усиления, как направленными (для коридоров) так и всенаправленными (для больших помещений).

Важно помнить, что следует планировать расстановку точек доступа с тем условием, что не рекомендуется одновременное подключение к одной точек доступа более 25 клиентов. В случае большой плотности клиентов или требований к высокой пропускной способности необходимо уменьшать мощность передатчиков и более плотно устанавливать точки доступа.

Настройки радио интерфейса в WLC

Переходим к практической части.

На вкладке WIRELESS, меню 802.11b/g/n, пункт Network можно разрешить, запретить и сделать обязательными скорости передачи данных. В случае, когда необходимо ограничить радиус действия сети, которая бы не выходила за пределы офиса, можно запретить ряд низких скоростей, как на примере ниже.

На вкладке WIRELESS, меню 802.11b/g/n, пункт TCP можно задать минимальную, максимальную мощность передатчика в случае если установлена автоматическая настройка мощности. А так же можно изменить параметр Power Threshold, который участвует в расчетах мощности передачи точки доступа. Параметр Power Threshold задает максимальный уровень мощности, при котором точки доступа могут слушать друг друга на пересекающихся каналах от трех точек доступа. Соответственно, мощность точки доступа будет увеличиваться до тех пор, пока не услышит соседа с мощностью, которая задана в параметре Power Threshold. Это сделано из соображений построения максимально большой зоны покрытия при оптимальном соотношения сигнал/шум.

На вкладке WIRELWSS, меню 802.11b/g/n, пункт DCA можно управлять автоматическим назначением каналов. При аккуратном планировании и не больших размерах сети можно назначить каналы вручную, на точках доступа. При больших размерах сети гораздо удобнее возложить эту задачу на контроллер. На рисунке ниже показано что авто выбор каналов происходит каждые 10 минут, а список доступных каналов: 1, 6 и 11. Не стоит забывать включать технологию CleanAir, которая будет автоматически перестраивать каналы на аппаратном уровне в случае интерференций с посторонними устройствами.

Для диапазона 5 ГГц это будет выглядеть следующим образом. Здесь так же есть возможность выбора разрешенных для использования каналов. Например, это будет актуально для OUTDOOR решений, где есть ограничения на используемые каналы. Здесть рекомендуется обратиться к законодательной базе РФ для уточнения разрешений на используемые диапазоны и каналы.

Заключение

• Увеличение мощности передатчика не всегда приведет к увеличению зоны покрытия по причине ограниченной мощности передатчика у клиента. Клиент будет видеть сеть, но не будет способен отправить пакеты точке доступа
• Установка антенны с большим коэффициентом усиления увеличит зону покрытия
• Увеличение зоны покрытия, а так же числа клиентов в ней приводит к уменьшению емкости беспроводной сети
• Увеличение емкости беспроводной сети достигается уменьшением мощности и увеличением количества точек доступа (уменьшение размеров микро сот)
• Радиус покрытия в диапазоне 5 ГГц примерно в 2 раза меньше
• Ограничение дальности соты достигается при помощи запрета использования минимальных скоростей
• Увеличение количества SSID ведет к сильному уменьшению емкости сети. Например, 8 SSID будут занимать 50% емкости сети, в то время как 2 SSID – менее 10% емкости сети. Причина в том, что вещание SSID ведется на минимальных скоростях. В связи с этим не рекомендуется создавать большое количество SSID

Кадр маяка — это один из кадров управления в WLAN на основе IEEE 802.11 . Он содержит всю информацию о сети. Кадры-маяки передаются периодически, они служат для оповещения о наличии беспроводной локальной сети и синхронизации участников набора услуг. Кадры маяка передаются точкой доступа (AP) в базовом наборе услуг инфраструктуры (BSS). В сети IBSS генерация маяков распределяется между станциями. Для спектра 2,4 ГГц, когда имеется более 15 SSID на перекрывающихся каналах (или более 45 в сумме), кадры маяка начинают потреблять значительное количество эфирного времени и снижать производительность, даже когда большинство сетей простаивают.

Составные части

Кадры маяка состоят из заголовка MAC 802.11 , тела и FCS . Некоторые поля в теле перечислены ниже.

Отметка времени После получения кадра маяка все станции переводят свои местные часы на это время. Это помогает с синхронизацией. </li> Маяк интервал Это временной интервал между передачами маяка. Время, в которое узел (точка доступа, станция в режиме ad hoc или P2P GO) должен отправить маяк, называется целевым временем передачи маяка (TBTT). Интервал маяка, выраженный в единицах времени (TU) . Это настраиваемый параметр в AP и обычно настраивается как 100 TU. </li> Информация о возможностях Поле информации о возможностях имеет длину до 16 бит и содержит информацию о возможностях устройства / сети. В этом поле указывается тип сети, например, одноранговая или инфраструктурная. Помимо этой информации, он объявляет о поддержке опроса, а также подробности шифрования . </li> SSID </li> Поддерживаемые ставки </li> Набор параметров скачкообразной перестройки частоты (FH) </li> Набор параметров Direct-Sequence (DS) </li> Набор параметров без конкуренции (CF) </li> Набор параметров IBSS </li> Карта индикации движения (TIM) </li></ul></dl>

Точки доступа к сети инфраструктуры отправляют маяки с определенным интервалом, который часто устанавливается на значение по умолчанию 100 TU, что эквивалентно 102,4 мс. В случае специальной сети, где нет точек доступа, равноправная станция отвечает за отправку маяка. После того, как специальная станция получает кадр маяка от однорангового узла, она ожидает случайное количество времени. По истечении этого случайного тайм-аута он отправит кадр маяка, если его уже не отправила другая станция. Таким образом, ответственность за отправку кадров радиомаяка перекладывается между всеми одноранговыми узлами в специальной сети, обеспечивая при этом постоянную отправку радиомаяков.

Большинство точек доступа позволяют изменять интервал передачи маяка. Увеличение интервала маяков приведет к тому, что маяки будут отправляться реже. Это снижает нагрузку на сеть и увеличивает пропускную способность для клиентов в сети; однако это имеет нежелательный эффект задержки процессов ассоциации и роуминга, поскольку станции, сканирующие точки доступа, потенциально могут пропустить маяк при сканировании других каналов. В качестве альтернативы, уменьшение интервала маяковых сигналов приводит к более частой отправке маяков. Это увеличивает нагрузку на сеть и снижает пропускную способность для пользователей, но приводит к более быстрому процессу ассоциации и роуминга. Дополнительным недостатком уменьшения интервала между радиомаяками является то, что станции, находящиеся в режиме энергосбережения, будут потреблять больше энергии, так как они должны чаще просыпаться для приема радиомаяков.

Проверка бездействующей сети с помощью инструментов мониторинга пакетов, таких как tcpdump или Wireshark , покажет, что большая часть трафика в сети состоит из маяковых кадров с несколькими смешанными пакетами,

отличными от 802-11

, такими как пакеты DHCP . Если пользователи присоединятся к сети, начнут появляться ответы на каждый маяк вместе с обычным трафиком, генерируемым пользователями.

Станции должны планировать передачу радиомаяков с номинальным интервалом радиобуя. Однако передача может иметь некоторые задержки из-за доступа к каналу. Как и другие кадры, маяки должны следовать алгоритму CSMA / CA. Это означает, что если канал занят (например, другая станция в настоящее время отправляет кадр), когда маяк должен быть отправлен, он должен подождать. Это означает, что фактический интервал маяка может отличаться от номинального интервала маяка. Однако станции могут компенсировать эту разницу, проверяя временную метку в кадре маяка, когда он окончательно отправлен.

Функция

Хотя кадры маяков действительно вызывают некоторые нетривиальные накладные расходы для сети, они жизненно важны для правильной работы сети. Сетевые адаптеры радиосвязи обычно сканируют все радиочастотные каналы в поисках маяков, сообщающих о наличии ближайшей точки доступа. Когда радиостанция принимает кадр маяка, она получает информацию о возможностях и конфигурации этой сети, а также может предоставить список доступных подходящих сетей, отсортированных по мощности сигнала. Это позволяет устройству выбирать подключение к оптимальной сети.

Даже после подключения к сети сетевая карта радиомаяка будет продолжать сканировать радиомаяки. Это дает несколько преимуществ. Во-первых, продолжая сканирование других сетей, у станции есть варианты для альтернативных сетей, если сигнал текущей точки доступа становится слишком слабым для продолжения связи. Во-вторых, поскольку оно все еще принимает кадры маяка от связанной в данный момент точки доступа, устройство может использовать временные метки в этих маяках для обновления своих внутренних часов. Маяки от текущей точки доступа также информируют станции о неизбежных изменениях конфигурации, таких как изменения скорости передачи данных.

Наконец, маячки позволяют устройствам переходить в режимы энергосбережения. Точки доступа будут удерживать пакеты, предназначенные для станций, которые в данный момент спят. В карте индикации трафика кадра маяка точка доступа может информировать станции о том, что у них есть кадры, ожидающие доставки.

Рекомендации

Если у вас то и дело отваливается сеть, файлы скачиваются долго, а любимая онлайн-игра теряет связь с сервером, вот три простых совета, как это исправить.

Для того, чтобы получать удовольствие от серфинга и онлайн игр, нужны два условия. Сигнал Wi-Fi должен быть сильным и стабильным, а скорость канала — достаточной. Если у вас возникли проблемы с беспроводным интернетом, наверняка, одно из условий нарушено. Попробуем обойтись «малой кровью», то есть оптимизировать настройки, а не покупать новое железо и не менять оператора. 

Лайфхак первый: разделите сети 2,4 и 5 ГГц

Современные роутеры являются двухдиапазонными: они могут передавать сигнал на частотах 2,4 ГГц (WLAN b/g/n) или 5 ГГц (WLAN ac). Об этом мы подробно писали в нашей статье по выбору роутера — ознакомьтесь, чтобы разобраться:

Устранить помехи в работе интернета можно, распределив устройства по разным частотам. Разберитесь, какие из устройств в вашей сети могут ловить Wi-Fi 5 ГГц. Обычно это прописано в технических характеристиках.

После этого зайдите в настройки своего роутера и создайте две разных точки Wi-Fi вместо одной. Пусть одна точка работает на частоте 2,4 ГГц, а вторая — на частоте 5 ГГц. Для каждого роутера инструкция по созданию точки индивидуальна, поэтому тут мы рекомендовать ничего не будем.

После этого подключайте устройства, поддерживающие WLAN ac, к точке 5 ГГц, а остальные — к точке 2,4 ГГц. Тем самым вы ускорите сигнал для «пятигигагерцевых» устройств и значительно расчистите канал для «двухгигагерцевых». Интернет станет намного стабильнее.

• 

  Аксессуары

  Берем интернет с собой: 5 надежных 4G-роутеров

Лайфхак второй: найдите свободный канал 2,4 ГГц с мобильного устройства

Тем устройствам, которые не работают на частоте 5 ГГц, тоже можно дать отдельный диапазон Wi-Fi, чтобы они получали достаточную долю сигнала. Для того чтобы выявить его, можно воспользоваться мобильным приложением Wi-Fi Analyzer Open Source. Таких приложений, на самом деле, много, но мы выбрали то, которое поддерживает Android 9.0 Pie.

Откройте приложение и придите в ужас от того, сколько сетей в одном многоквартирном доме одновременно используют Wi-Fi на частоте 2,4 ГГц (доступно в в меню График каналов):

Перейдите в меню Оценка каналов и посмотрите на список. Те каналы 2,4 ГГц, которые имеют больше всего звездочек, меньше всего пересекаются с сетями ваших соседей. В нашем случае, это каналы из конца списка — с 10 по 13.

Зайдите в настройки вашего роутера и настройте вашу точку 2,4 ГГц на работу на одном из наименее загруженных каналов. Эта процедура индивидуальна для каждого роутера — найдите, как сделать это на вашем.

Лайфхак третий: найдите свободный канал c ПК

Если у вас нет под рукой смартфона, свободный канал Wi-Fi можно найти и с персонального компьютера или ноутбука (если вы подключаете его к Интернету по Wi-Fi).

Для этого есть бесплатное приложение WiFi Analyzer для Windows 8/10. Установить его можно прямо из магазина Windows.

Приложение на вкладке Анализ отображает точно такие же графики загруженности каналов, что и мобильное. Перегруженные каналы выделены жирным шрифтом.

Зайдите в настройки своего роутера и переключите точку доступа 2,4 ГГц на один из свободных каналов. Соединение станет намного стабильнее!

Дополнительная информация о том, как ускорить Wi-Fi:

• Ускоряем Wi-Fi: какой канал лучше — 2,4 или 5 ГГц?
• Что такое band steering и как это может ускорить ваш Wi-Fi?
• Как ускорить Wi-Fi с помощью дополнительного оборудования 

Поделиться ссылкойИспользуемые источники:

• https://blog.telecom-sales.ru/osnovy-radiochastotnogo-planirovaniya-primenitelno-k-wi-fi-cisco/
• https://ru.xcv.wiki/wiki/beacon_frame
• https://ichip.ru/sovety/ekspluataciya/uskoryaem-wi-fi-kak-nayti-svobodnyy-kanal-i-zabyt-o-sboyah-566332