Государственное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение «Республиканский лицей-интернат «Эрудит» – центр для одаренных детей» Министерства образования и науки Донецкой Народной Республики

Исследование пропускной способности Wi-Fi модуля

Донецк – 2021

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        3

РАЗДЕЛ 1  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ WI-FI        4

1.1. Тип связи        4

1.2. Недостатки Wi-Fi        4

1.3. Протоколы Wi-Fi 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n        5

РАЗДЕЛ 2  ЗАВИСИМОСТЬ СИГНАЛА ОТ ЧАСТОТЫ, РАССТОЯНИЯ, ПРЕПЯТСТВИЙ        9

2.1. Коэффициенты затухания сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды        9

2.2. Зависимость сигнала от частоты        9

РАЗДЕЛ 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ        11

3.1. Оборудование        11

3.2. Уровень сигнала        11

3.3. Оптимизация расположения        11

ВЫВОДЫ        12

ИСТОЧНИКИ        13

ПРИЛОЖЕНИЯ        14

ВВЕДЕНИЕ

Со времен своего появления технология передачи данных претерпела множество изменений. В наше время повсеместно распространена технология беспроводных сетей. Беспроводные технологии имеют большое количество проблем с прохождением сигнала в высотных помещениях разной конструкции. Наиболее сложно стоит вопрос о предсказании мощности сигнала беспроводных систем связи в помещениях, в которых появляются дополнительные факторы такие как: фиксированное затенение (перегородки), затенение сигналов оборудованием, мебелью.

Цель: исследовать пропускную способность Wi-Fi модуля через различные препятствия и найти способ оптимизации расположения Wi-Fi роутеров в лицее-интернате “Эрудит”.

Задачи:

1. Исследовать технологию Wi-Fi;
2. Исследовать зависимость сигнала от частоты, расстояния, препятствий;
3. Протестировать прохождение сигнала через препятствия различного типа;
4. Создать модель распространения сигнала;
5. Сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными;
6. Найти способ оптимизации расположения Wi-Fi роутера.

Объект исследования: Wi-Fi модуль.

Предмет исследования: пропускная способность Wi-Fi модуля через различные препятствия.

РАЗДЕЛ 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ WI-FI

1.1. Тип связи

В зависимости от размеров физической зоны, связь в которой они способны обеспечить, беспроводные сети подразделяются на несколько категорий:

• беспроводная персональная сеть (wireless personal-area network, PAN);

• беспроводная локальная сеть (wireless local-area network, LAN);

• беспроводная городская сеть (wireless metropolitan-area network, MAN);

• беспроводная глобальная сеть (wireless wide-area network, WAN) [5].

Технология Wi-Fi относится к типу WLAN. WLAN(беспроводные локальные сети) – радиус действия до 100 м. Основной стандарт для WLAN – 802.11.

На современном этапе развития сетевых технологий, технология беспроводных сетей Wi-Fi является наиболее удобной в условиях требующих мобильность, простоту установки и использования.

1.2. Недостатки Wi-Fi

Одной из основных проблем, характерных для сетей Wi-Fi, является интерференционный характер электромагнитного поля внутри помещений (за счет множества отражений от предметов). Приводит это к уменьшению напряженности поля и изменению исходной плоскости поляризации волн [1]. По причине того, что передача сигнала ведется на свободной частоте, качество связи может значительно понижаться из-за помех от любительского радиооборудования и бытовых приборов, например, микроволновых печей. Кроме того, условия приема и передачи ухудшают стены, железобетонные перекрытия, металлические перегородки и прочее. В диапазоне 2.4 ГГц работает множество устройств, поддерживающие Bluetooth и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость. Таким образом на дальность работы влияет множество физических факторов: число стен, перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал, и радиочастотный шум от других устройств. Кроме этого, уровень сигнала, принимаемого антенной в здании или возле него, будет меняться во времени из-за движения объектов на пути распространения радиоволн [2].

Несмотря на появление стандарта безопасности WPA, на многих точках доступа применяется оборудование, совместимое исключительно с WEP. Такие потенциально уязвимые хот-споты теоретически могут представлять угрозу для пользователей, чья конфиденциальная информация может попасть в руки злоумышленников.

Нельзя не упомянуть проблему относительно высокого энергопотребления. Она особенно актуальна для владельцев ноутбуков и карманных компьютеров, поскольку при активном использовании беспроводной связи существенно сокращается время работы портативных устройств от аккумуляторных батарей.

Формально скорость соединения, заявленная производителем, даже превосходит скорость проводного соединения. Однако реальная скорость работы в этом случае всегда будет гораздо ниже. Основные ограничения беспроводных сетей Wi-Fi включают в себя:

• Заявленная производителем точки доступа скорость подключения делится между всеми клиентами, то есть при большом количестве клиентов реальная скорость будет значительно ниже заявленной;
• Высокая скорость достигается только при применении нескольких антенн. Но даже если у роутера их 8, то у мобильного устройства вряд ли будет больше двух антенн, соответственно, скорость будет ниже;
• Скорость беспроводного соединения зависит от многих факторов: помех, расстояния до точки доступа, количества стен и других преград между точкой доступа и клиентом и т.д. Для диапазона 5 ГГц влияние этих факторов выше;
• Беспроводные сети при работе мешают друг другу. В местах, где одновременно работает несколько сетей на одинаковом или близком канале передачи, скорость обмена данными в каждой из них будет падать;
• В соответствии со стандартом IEEE 802.11, работа идет в полудуплексном режиме – это значит, что передача данных может идти только в одном направлении в конкретный момент времени, а при активном обмене данными на вход и выход скорость можно делить пополам.

Таким образом, заявленная и реальная скорость для беспроводных сетей – две большие разницы, причем на них еще и может влиять множество динамических факторов – которые сегодня есть, а завтра нет.

Если у мобильных ПК благодаря стараниям Intelс поддержкой Wi-Fi все хорошо, то в стационарных ПК адаптеров Wi-Fi практически никогда нет, их нужно докупать отдельно. Но даже если докупать адаптер отдельно, то дешевые карты, как правило, идут с дешевыми же антеннами, которые работают очень плохо – чтобы получить хотя бы такой же уровень сигнала, как у стоящего рядом ноутбука, приходится докупать внешнюю антенну. Оборудование для Wi-Fi как правило стоит заметно дороже, чем аналогичное оборудование для проводной сети.

1.3. Протоколы Wi-Fi 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n

Исходный стандарт 802.11 определяет два метода передачи на физическом уровне.

1. Технология расширения спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) в диапазоне 2,4 ГГц.
2. Технология широкополосной модуляции с расширением спектра методом (DSSS) в диапазоне 2,4 ГГц. [3]

Wi-Fi 802.11a стал первым высокоскоростным протоколом. Его отличие заключалось в том, что техника могла использовать частоту 5 ГГц. В результате скорость передачи данных выросла до 54 Мбит/с. Проблема же заключалась в том, что с использовавшейся изначально частотой 2,4 ГГц этот стандарт был несовместим. В результате производителям приходилось устанавливать двойной приемопередатчик, чтобы обеспечить работу в сетях на обеих частотах.

Wi-Fi 802.11b. При проектировании этого протокола создатели вернулись к частоте 2,4 ГГц, обладающей неоспоримым достоинством – широкой зоной покрытия. Инженерам удалось добиться того, что гаджеты научились передавать данные на скорости от 5,5 до 11 Мбит/с. Поддержку данного стандарта тут же начали получать все маршрутизаторы. Постепенно начал появляться такой Wi-Fi и в популярных портативных устройствах. Например, его поддержкой обладал смартфон Nokia E65. Что немаловажно, Wi-Fi Alliance обеспечил совместимость с самой первой версией стандарта, благодаря чему переходный период прошел совершенно незаметно.

Вплоть до конца первого десятилетия 2000-х годов многочисленной техникой использовался именно протокол 802.11b. Предоставляемых им скоростей хватало и смартфонам, и портативным игровым консолям, и ноутбукам.

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с, поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи [4]. Релиз стандарта произошел в 2003 году. Некоторое время такая скорость казалась даже избыточной, поэтому многие производители медлили с его внедрением. И все же постепенно протокол завоевал популярность, в основном за счет ноутбуков.

Wi-Fi 802.11n. Стандарт 802.11n для сетей Wi-Fi был утвержден организацией IEEE 11 сентября 2009 года.

В основе стандарта 802.11n:

• Увеличение скорости передачи данных;
• Увеличение зоны покрытия;
• Увеличение надежности передачи сигнала;
• Увеличение пропускной способности.

Стандарт 802.11n включает в себя множество усовершенствований по сравнению с устройствами стандарта 802.11g. Устройства 802.11n могут работать в одном из двух диапазонов 2.4 или 5.0 ГГц.

На физическом уровне реализована усовершенствованная обработка сигнала и модуляции, добавлена возможность одновременной передачи сигнала через четыре антенны.

На сетевом уровне реализовано более эффективное использование доступной пропускной способности. Вместе эти усовершенствования позволяют увеличить теоретическую скорость передачи данных до 600 Мбит/с – увеличение более чем в десять раз, по сравнению с 54 Мбит/с стандарта 802.11a/g.

Одним из основных моментов стандарта 802.11n является поддержка технологии MIMO. С помощью технологии MIMO реализована способность одновременного приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн, вместо одной.

Стандарт 802.11n определяет различные антенные конфигурации «МхN», начиная с «1х1» до «4х4». Первое число «М» определяет количество передающих антенн, а второе число «N» определяет количество приемных антенн.

Чем больше устройство 802.11n использует антенн для одновременной работы передачи/приема, тем будет выше максимальная скорость передачи данных. Однако, само по себе использование нескольких антенн не увеличивает скорость передачи данных или расширение диапазона. Основным в устройствах стандарта 802.11n является то, что в них реализован усовершенствованный метод обработки сигнала, который и определяет алгоритм работы MIMO-устройства при использовании нескольких антенн.

Другой дополнительной особенностью стандарта 802.11n является увеличение ширины канала с 20 до 40 МГц. В беспроводных сетях используются два частотных диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц. Беспроводные сети стандарта 802.11b/g работают на частоте 2.4 ГГц, сети стандарта 802.11a работают на частоте 5 ГГц, а сети стандарта 802.11n могут работать как на частоте 2.4 ГГц, так и на частоте 5 ГГц.

Точки доступа 802.11n используют режим HighThroughput (HT), известный также как «чистый» режим (Greenfield-режим), который предполагает отсутствие поблизости (в зоне покрытия) работающих устройств 802.11b/g, использующих ту же полосу частот. Если же такие устройства существуют в зоне покрытия, то они не смогут общаться с точкой доступа 802.11n. Таким образом, в этом режиме разрешены к использованию только клиенты 802.11n, что позволит воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n.

Данный стандарт имеет три режима работы:

• Режим с высокой пропускной способностью HT. Точки доступа 802.11n используют данный режим, известный также как «чистый» режим, который предполагает отсутствие в зоне покрытия работающих устройств 802.11b/g, использующих ту же полосу частот. Если же такие устройства существуют в зоне покрытия, то они не смогут общаться с точкой доступа 802.11n. Таким образом, в этом режиме разрешены к использованию только клиенты 802.11n, что позволит воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n.
• Режим с невысокой пропускной способностью Non-HT. Точка доступа 802.11n с использованием режима Non-HT, отправляет все кадры в формате 802.11b/g, чтобы устаревшие станции смогли понять их. В этом режиме точка доступа должна использовать ширину каналов 20 МГц и при этом не будет использовать преимущества стандарта 802.11n. Для обеспечения обратной совместимости все устройства должны поддерживать этот режим. Нужно учитывать, что точка доступа 802.11n с использованием режима Non-HT не будет обеспечивать высокую производительность. При использовании этого режима передача данных осуществляется со скоростью, поддерживаемой самым медленным устройством.
• Смешанный режим с высокой пропускной способностью HT Mixed. В этом режиме, усовершенствования стандарта 802.11n могут быть использованы одновременно с существующими станциями 802.11b/g. Режим HT Mixed обеспечивает обратную совместимость устройств, но устройства 802.11n получают уменьшение пропускной способности. В этом режиме точка доступа 802.11n распознает наличие старых клиентов и будет использовать более низкую скорость передачи данных, пока старое устройство осуществляет прием-передачу данных.

       Wi-Fi 802.11ac. Если предыдущие виды Wi-Fi работали в основном в частоте 2,4 ГГц, имеющей ряд ограничений, то здесь используются строго 5 ГГц. Это практически вдвое снизило ширину покрытия. Впрочем, производители маршрутизаторов решают данную проблему установкой направленных антенн.

       Преимущества данного стандарта по сравнению с его предшественниками:

• При передаче данных посредством сети 802.11ас используются более широкие каналы и повышенная частота, что увеличивает теоретическую скорость до 1,3 Гбит/с. На практике пропускная способность составляет до 600 Мбит/с. Кроме того, устройство на базе 802.11ас передаёт больше данных за один такт.
• Модификация 802.11ас оснащена целым ассортиментом частот 5 ГГц. Новейшая технология обладает более сильным сигналом. Адаптер с высоким диапазоном охватывает полосу частот до 380 МГц.
• Этот стандарт предоставляет более широкий радиус действия сети. Кроме того, Wi-Fi подключение работает даже через бетонные и гипсокартонные стены. Помехи, возникающие при работе домашней техники и соседского интернета, никак не влияют на работу вашего соединения.
• 802.11ас оснащён расширением MU-MIMO, которое обеспечивает бесперебойную работу нескольких устройств в сети. Технология Beamforming определяет устройство клиента и направляет ему сразу несколько потоков информации.        

РАЗДЕЛ 2
ЗАВИСИМОСТЬ СИГНАЛА ОТ ЧАСТОТЫ, РАССТОЯНИЯ, ПРЕПЯТСТВИЙ

2.1. Коэффициенты затухания сигнала Wi-Fi при прохождении через различные среды

Различные препятствия (стены, потолки, мебель, металлические двери и т.д.), расположенные между Wi-Fi-устройствами, могут частично или значительно отражать или поглощать радиосигналы, что приводит к частичной или полной потере сигнала. Каждое препятствие, находящееся в зоне распространения сигнала снижает его мощность. Чем больше препятствий, тем хуже становится сигнал. Нужно помнить, что сигнал Wi-Fi не только пытается огибать препятствие, но он проходит и сквозь него, что приводит к дополнительному отражению и поглощению части исходного сигнала.

Существуют материалы с разным коэффициентом поглощения сигнала. Например, дерево, пластик, обычное стекло, гипсокартон – относятся к материалам с низким поглощением. Тонированное стекло, вода (большой аквариум), кирпич, штукатурка – материалы со средним поглощением. Материалы с высоким коэффициентом поглощения, которые оказывают сильное отрицательное воздействие на сигнал – металл (железные двери, алюминиевые и стальные балки), бетон (внутри которого находится арматурная решетка), керамика. Внутри помещения причиной помех радиосигнала также могут являться зеркала (сильно отражают сигнал). Уровень сигнала проходящего через различные препятствия можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1 – Уровень сигнала прошедшего через препятствие

2.2. Зависимость сигнала от частоты

Некоторые модели беспроводные локальные сети имеют двухдиапазонную точку доступа Wi-Fi, т.е. поддерживают работу как в частотном диапазоне 2,4 ГГц, так и в 5 ГГц.

Каждый частотный диапазон имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Основными отличиями между двумя диапазонами являются площадь покрытия и скорость передачи данных. В частотном диапазоне 2,4 ГГц обеспечивается бо́льшая площадь покрытия (дальность распространения сигнала или более широкий охват сигнала), чем при использовании диапазона 5 ГГц, но при этом возможна более низкая скорость передачи данных. В диапазоне 5 ГГц обеспечивается меньшая площадь покрытия, чем при использовании диапазона 2,4 ГГц, но выше скорость передачи данных.

РАЗДЕЛ 3
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Оборудование

В лицее-интернате “Эрудит” в общем доступе имеется 3 Wi-Fi-роутера с частотой 2.4 ГГц (EruditWF1, EruditWF3, EruditWF4).

В момент проведения замеров сигнала возникли сложности. EruditWF3 был в нерабочем состоянии, а также во множество помещений не было доступа, поэтому замеры были проведены с неточностью.

Для измерения сигнала была использована утилита “Ekahau Heatmapper”. При выборе программы были учтены такие факторы как:

1. Доступность;
2. Наличие доступной инструкции использования;
3. Точность получаемых результатов;
4. Поддерживаемые операционные системы.

3.2. Уровень сигнала

Измерения уровня сигнала и создание карты было произведено на первом, втором, третьем и четвертом этажах (приложение 1, приложение 2, приложение 3, приложение 4, приложение 5, приложение 6, приложение 7).

Основываясь на полученных данных была произведена оценка пропускной способности стен, а также других препятствий для сигнала в пределах здания.

3.3. Оптимизация расположения

Основываясь на данных полученных в ходе работы была проведена теоретическая перепланировка расположения Wi-Fi роутеров (приложение 8, приложение 9, приложение 10, приложение 11, приложение 12). Таким образом, при перемещении EruditWF1 из кабинета №7 в кабинет №8 (приложение 8), а EruditWF4 в коридор четвертого этажа (приложение 11) количество слепых зон будет сведено к минимуму, а область покрытия с хорошим уровнем сигнала будет максимальной. Оптимизация расположения роутера EruditWF3 не была проведена в связи с его неисправностью в период выполнения работы.

ВЫВОДЫ

В ходе работы была исследована технология Wi-Fi. Опытным путем выявлена пропускная способность стен и других препятствий в лицее-интернате “Эрудит”, и предложен способ оптимизации покрытия Wi-Fi сети.

Практическая значимость: данные полученные в ходе данной работы позволяют проводить оптимизацию расположения Wi-Fi роутера в любом здании.

ИСТОЧНИКИ

1. Расторгуев Н., Шуклин А. Строим Wi-Fi. // Экспресс-Электроника. – №12, – 2004.– С. 10-17.
2. Немировский М.С., Шорин О.А., Бабин А.И., Сартаков А.Л. Беспроводные технологии от последней мили до последнего дюйма. – М.: Эко – Трендз, 2009. – 196 с.
3. Педжман Рошан, Джонатан Лиэри. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Практическое руководство по изучению,разработке и использованию беспроводных ЛВС стандарта 802.11, 2004.
4. Беспроводные сети Wi-Fi/Пролетарский А.В., Баскаков И.В, 2007.
5. Гейер Джим. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. – 192 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

EruditWF1, 1 этаж

Приложение 2

EruditWF4, 1 этаж

Приложение 3

EruditWF1, 2 этаж

Приложение 4

EruditWF4, 2 этаж

Приложение 5

EruditWF1, 3 этаж

Приложение 6

EruditWF4, 3 этаж

Приложение 7

EruditWF4, 4 этаж

Приложение 8

EruditWF1, 2 этаж

Приложение 9

EruditWF1, 1 этаж

Приложение 10

EruditWF1, 3 этаж

Приложение 11

EruditWF4, 4 этаж

Приложение 12

EruditWF4, 3 этаж