Piotr S. Dębicki. Internet Access Point Range Extending Analysis by Individual Users

Transkrypt

1 iotr. Dębicki INTENETOWY UNKT DOTĘOWY ANALI ZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKZENIA ZAIĘU ZEZ KLIENTÓW INDYWIDUALNYCH Internet Access oint ange Extending Analysis by Individual Users The idea of using a reciprocal amplifier equipped with two antennas and placed anywhere between the Internet Access oint and an individual user computer have been analyzed. The range equation for such a case has been introduced. The difficulties of a such solution, which at first seemed to be similar to the radio link, have been analyzed. Other possibilities of solving the problem have been indicated. W pracy poruszono problem zwiększenia zasięgu internetowych punktów dostępowych przez klientów indywidualnych. Wykazano, wyprowadzając odpowiednie równania zasięgów, że nasuwające się rozwiązanie polegające na zastosowaniu systemu wzmacniającego po drodze, podobnie jak ma to miejsce w liniach radiowych, napotyka na poważne trudności. Wskazano na inne możliwości rozwiązania problemu. 1. WOWADZENIE Korzystanie z darmowych internetowych punktów dostępowych (A Access point) rozpowszechnia się coraz bardziej. W związku z ty m pojawia się pytanie, czy istnieje prosty sposób, który by pozwolił użytko w- nikom A na zwięks zenie odległości, z której jeszcze korzystanie z punktu byłoby możliwe. ozwój technologii w ostatnich latach pozwolił na względnie proste skonstruowanie dwukierunkowych niedrogich wzmacniaczy mikrofalowych, które mogą pracować w wykorzystywanym przez A paśmie IM 450 MHz. ównież rozwój WLAN powoduje pojawienie się na rynku wielu konstrukcji antenowych, które można kupić w bardzo przystępnej cenie, a ich parametry raportowane przez producentów i handlowców są bardzo dobre. Celem nin iejszej pracy jest, w pierwszy m rzęd zie, przeanalizowanie mo żliwości zwiększenia zasięgu po - przez zastosowanie, analogicznie do systemów linii radiowych, systemu wzmacniającego () złożonego ze wzmacniacza dwu kierunkowego i dołączonych do niego dwóch dobrze dopasowanych anten o dobrych para - metrach. ystem taki, w pierwotnym zamierzeniu, miałby być instalowany po drodze pomiędzy A a ko mpu terem osobistym (C) użytkownika. Wspomniany warunek dobrego dopasowania jest tu bardzo istotny ze względu na konieczność zapewnienia stabilności wzmacn iacza. W dalszej części, w wyniku wykazanych trudności w realizacji koncepcji pierwotnej, wskazano na inne rozwiązania zwiększające zasięg A.. TAN OBECNY, CZYLI ZYKŁAD ZA IĘÓW W ELACJI A-C Dla zilustrowania aktualnych możliwości komunikowania się klienta indywidualnego z A przeanalizowano poniżej przykład, w którym wykorzystuje się dwa typowe urządzenia dostępne na rynku, a mianowicie: Access oint D-Link DWL 700 A oraz kartę sieciową D-Link DWL 510. oniżej w Tabeli 1 podano parametry obu urządzeń dla standardu 80.11g. Access oint D-Link DWL 700 A Typ anteny: ant. prętowe 5 dbi Czułość: 1Mb/s: -9dBm Mb/s: -89dBm 5.5Mb/s: -88dBm 6Mb/s: -87dBm 9Mb/s: -86dBm 11Mb/s: -85dBm 1Mb/s: -84dBm 18Mb/s: -83dBm Tabela 1. Dane wybranych urządzeń firmy D-Link [1],[] 4Mb/s: -80dBm Karta sieciowa D 36Mb/s: -76dBm Link DWL Mb/s: -71dBm Typ anteny: 54Mb/s: -66dBm Antena prętowa dbi Moc wyjściowa: Czułość: 00mW (3dBm) Mb/s: -90dBm 100mW (0dBm) 6 Mb/s: -87dBm 63mW (18dBm) 54 Mb/s: -66dBm 30mW (15dBm) Moc wyjściowa: 0mW (13dBm) Od 16mW (1dBm) 10mW (10dBm) Do 63mW (18dBm) 5mW (7dBm) 1mW (0dBm)

2 Do dalszej analizy wybrano parametry umieszczone w Tabeli 1 w podwójnych ramkach, zakładając transmisję od A do C: n = 3.16 (5dBi), n = 100mW (0dBm), 0 = 1.58 ( dbi), 0 = pw ( -87dBm), gdzie oznacza zyski anten a moce nadawane lub odebrane; indeksy n i o dotyczą, odpowiednio, nadawania i odbioru. odstawienie tych danych do klasycznego równania zasięgu: w który m dla danej częstotliwości λ n n o o lub 4π 4 db λ 4π n n o o, (1) 0 db, pozwala na obliczenie zasięgu, który w db wynosi: db = ( ) = 37dB, co odpowiada odległości rz = 5000 m. Obliczenie przeprowadzono dla propagacji wolnoprzestrzennej bez uwzględnienia strat związanych z propagacją, np., w zabudowie miejskiej. orównując otrzymaną wielkość z danymi producenta dla tych samych parametrów ( prod = 354 m) uzyskamy współczynnik zmniejszenia zasięgu (WZZ), ze względu na warunki propagacji, stosowany przez producentów WZZ. rz sprzętu: 14 prod 3. ÓWNANIE ZA IĘU DLA ZYADKU ZATOOWANIA YTEMU WZMACNIAJĄCEO Wspomniana możliwość realizacji wzmacniacza dwukierunkowego na pasmo.45 MHz, do którego można dołączyć z dwóch stron dopasowane anteny o zysku, powiedzmy, ok. 15dB, przy możliwym do uzyskania wzmocnieniu ok. 10dB, tworzy układ wzmacniający w sumie ok. 40dB. Wydawałoby się, że umieszczenie takiego niewielkiego układu, który może być zasilany bateryjnie, gdzieś pomiędzy A a C użytkownika pozwoli na istotne zwiększenie zasięgu, z którego możliwe będzie jeszcze skuteczne połączenie. W celu wyprowadzenia równania zasięgu odpowiedniego do analizowanej sytuacji, w której system wzmacniający jest umieszczony gdzieś pomiędzy A i C, i przy założeniu propagacji wolnoprzestrzennej, przyjmijmy następujące oznaczenia parametrów to ru transmisyjnego (rys. 1.): ys. 1. Idea zastosowania systemu wzmacniającego (). Oznaczenia: odległość pomiędzy A i C wynosi, odległość od A do wynosi a, a odległość od do C jest równa (1-a). Współczynnik 0 < a < 1 a) Dla punktu dostępowego (A): na zysk anteny w kierunku systemu wzmacniającego, na moc dostarczona do anteny, oa czułość odbiornika lub moc dostarczona do odbiornika. b) Dla systemu wzmacniającego (): moc odebrana od strony A moc wysłana w kierunku C zysk anteny umieszczonej od strony C, w kierunku C zysk anteny umieszczonej od strony A, w kierunku A W wzmocnienie wzmacniacza dwukierunkowego, s = W sumaryczne wzmocnienie sytemu wzmacniającego. c) Dla komputera osobistego (C):

3 oc zysk anteny w kierunku systemu wzmacniającego, oc czułość odbiornika lub moc dostarczona do odbiornika, nc moc dostarczona do anteny. Ze względu na wzajemność układu wystarczające jest przeprowadzenie analizy dla trans misji jednostronnej; przyjmijmy, od punktu dostępowego do komputera osobistego. W takiej sytuacji gęstość mocy wytworzona przez nadajnik punktu dostępowego przy antenie systemu wzmacniającego wynosi: na na. () π 4 a Obliczenie mocy odebranej przez system wzmacniający wymaga pomnożenia wartości przez aperturę anteny odbiorczej systemu: Otrzymujemy typowe równanie zasięgu: 4π λ A. (3) 4πa λ na na. (4) Moc dostarczona do anteny nadawczej systemu wzmacniającego jest powiększona, w stosunku do o wzmocnienie wzmacniacza dwukierunkowego W: 4πa W λ na na. (5) Analogicznie do () możemy zapisać gęstość mocy wytworzoną przez system wzmacniający przy antenie C: C. (6) 1 a 4π o pomnożeniu przez aperturę anteny C, podobnie do (3), otrzymamy moc odebraną przez C: oc oc 4 1 a λ. (7) o podstawieniu (5) do (7) i uporządkowaniu otrzymujemy ostatecznie następujące równanie zasięgu toru transmisyjnego zawierającego po drodze system wzmacniający: 4 na naoc oc 4, lub: λ 4π a 1 a λ na na oc 4, (8) 4π oc a 1 a przy czym skorzystano tu z zależności na s, podanej wyżej w punkcie b). W przypadku transmisji w przeciwnym kierunku, analogiczne równanie ma postać: oa 4 λ nc ncoa. (9) 4π 4 a 1 a 4. ANALIZA ÓWNANIA ZAIĘU DLA YTEMU WZMACNIAJĄCEO próbujmy przeanalizować, w jakich sytuacjach zastosowanie systemu wzmacniającego jest korzystne. W tym celu porównajmy równanie (8) ze zwykłym równaniem zasięgu dla sytuacji, gdy nie ma po drodze systemu wzmacniającego: ' oc 4π λ na na oc. (10) Dzieląc wyrażenie (7) przez (9) otrzy mamy relację opisującą korzyść (K) z zastosowania systemu wzmacniającego: K odebrc ' odebrc Oznaczmy jeszcze przez Z następującą funkcję: λ 4π 1, (11) a1 a

4 o podstawieniu otrzymamy: Z 1 a1 a λ K 4π Z (1), (13) Wartość K obliczona z wyrażenia (13) powinna być dostatecznie duża, by korzyść z zastosowania systemu wzmacniającego była dostateczna. Istotny wpływ na warunki transmisji ma tutaj wprowadzona funkcja Z. Kształt funkcji Z pokazano na wykresie na rys.. Widać, że umieszczenie systemu wzmacniającego po środku pomiędzy A i C jest rozwiązaniem najgorszym. Dla takiego przypadku a = 0.5 i wartość funkcji Z wynosi 16 (1dB) a w przypadku umieszczenia systemu wzmacniającego w odległości a = 0.01, lub a = 0.99 wartość funkcji Z wynosi (40 db). ys.. Kształt funkcji Z opisanej równaniem (1) dla a z przedziału [0,1]. Wartość minimalna funkcji wynosi 16 dla a = 0.5 Dla analizowanej częstotliwości wyrażen ie 4 db 40 db. Natomiast, praktyczna wartość wynosi około 40 db, czyli jest odwrotnością pierwszej liczby. Dla takich parametrów mamy więc K= Z/. Jeżeli przyjmiemy Z = to wartość, przy której K > 1, musi być mniejsza od 100 m. rzy tym wyniku (a = 0.01) system wzmacniający musi się znajdować w odległości mniejszej od 1 m od A lub C. Niestety, przy takiej odległości powyższe rozważania przestają być słuszne ze względu na prawdopodobne wejście w strefę bliską anten. Na zakończenie tych negatywnych wniosków należy zdać sobie sprawę, że w przypadku powszechnie używanych linii radiowych, których zasada była źródłem opisywanej idei, obowiązują te same relacje i zazwyczaj wartość funkcji Z jest minimalna, ale wzmocnienie całego systemu pośredniego s przekracza znacznie 100 db. Niestety, koszt rozwiązania o takich parametrach nie jest już interesujący dla przeciętnego użytkownika Internetu. 5. INNE OZWIĄZANIA Analizując wy łączn ie równania zasięgu, można dojść do wniosku, że rozwiązan iem ko rzystnym byłoby bezpośrednie połączenie C z systemem wzmacniającym zawierającym tylko jedną antenę i wzmacniacz. Wtedy, przy uzyskaniu wartości około 30 db, uzyskamy teoretycznie ponad 30-krotne zwiększenie zasięgu, ponieważ jest ono proporcjonalne do pierwiastka z. Nawet jeśli uwzględnimy 14-krotny współczynnik zmniejszenia zasięgu, spowodowany propagacją w warunkach miejskich, wzrost zasięgu powinien być przynajmn iej dwu - krotny. Niestety, zastosowanie wzmacniacza o W = 10dB spowoduje przekroczenie przez C dopuszczalnej mocy promieniowania, która wynosi 100mW. ozostaje jedynie dołączenie do C anteny o jak największym

5 zysku. Jeśli antena zostanie umieszczona na dachu i kabel zasilający jest długi, wtedy jest sensowne dołączenie wzmacniacza dwukierunkowego, który skompensuje straty kablowe i zwiększy moc nadawaną z katalogowych 63 mw do dopuszczalnych 100 mw. 6. BIBLIOAFIA [1] [] ftp://ftp.dlink.se/diagrams/dwl-g510_diagram.pdf