Chapter 4 Radio Waves and Link Budget PDF

2023 Raadiosageduse komponendid, mõõtmised ja matemaatika 4. TEEMA 1 Sisukord Side ja andmeedastus ..................................................................................................................................... 3 RF komponendid.................................................

2023 Raadiosageduse komponendid, mõõtmised ja matemaatika 4. TEEMA 1 Sisukord Side ja andmeedastus ..................................................................................................................................... 3 RF komponendid............................................................................................................................................ 3 SAATJA ..................................................................................................................................................... 4 ANTENN ................................................................................................................................................... 5 VASTUVÕTJA.......................................................................................................................................... 6 RAADIOSAGEDUSSEADMETE KIIRGUS ........................................................................................... 6 EKVIVALENTNE ISOTROOPNE KIIRGUSVÕIMSUS ........................................................................ 7 Võimsuse ja võimsuste tasemete võrdlemise mõõtühikud ............................................................................. 8 Võimsuse ühikud (absoluutsed) ................................................................................................................. 9 Võrdlusühikud (suhtelised) ........................................................................................................................ 9 VATT ............................................................................................................................................................. 9 MILLIVATT ............................................................................................................................................ 10 DETSIBELL ................................................................................................................................................ 10 DETSIBELLI ISOTROOPSE KIIRGURI SUHTES (DBI) ........................................................................ 12 DETSIBELLID POOLLAINE DIPOOLANTENNI (DBD) SUHTES ................................................... 13 DETSIBELLID 1 MILLIVATI SUHTES................................................................................................ 13 PÖÖRDVÕRDELINE RUUTSÕLTUVUS............................................................................................. 15 RF matemaatika ........................................................................................................................................... 16 10-TE JA 3-DE REEGEL ........................................................................................................................ 16 MÜRAPIIR .................................................................................................................................................. 20 SIGNAALI JA MÜRA SUHE ................................................................................................................. 20 SIGNAALI-INTERFERENTSI-PLUSS-MÜRA SUHE ......................................................................... 21 VASTUVÕETUD SIGNAALI TUGEVUSE INDIKAATOR .................................................................... 21 SEOS LINGI BILANSIGA...................................................................................................................... 25 FADE MARGIN / LINGI MARGINAAL ............................................................................................... 29 2 Side ja andmeedastus Side on infobittide edastamine arvutite vahel. Olenemata sellest, millist suhtlusvormi kasutatakse, on eduka ülekande saavutamiseks vaja palju komponente. Enne üksikute komponentide uurimist hoidkem esialgu asjad lihtsad ja vaadakem eduka suhtluse kolme põhinõuet: • Kaks või enam seadet soovivad andmeid vahetada. • Peab olema kandja (sidemeedium, vahend või meetod), mida nad suhtlemiseks kasutavad. • Peab olema reeglistik, mida nad suhtlemisel kasutavad. Need kolm põhinõuet on samad kõigi suhtlusvormide puhul, olenemata sellest, kas rühm inimesi vestleb õhtusöögil, kaks arvutit edastavad andmeid sissehelistamismodemi kaudu või paljud arvutid suhtlevad (traadita) võrgu kaudu. Arvutivõrgu olemasolu tähendab sisuliselt seda, et esimene tingimus on täidetud. Kui meil ei oleks kahte või enamat seadet, millel on vajadus andmeid ühiselt kasutada, ei oleks meil vaja võrku üldse luua. Eeldatakse, et meil on alati edastatavaid andmeid. Meie mure on nende andmete edastus ja vastuvõtt tehniliselt korraldada. Käesolevas peatükis keskendutakse teisele nõudele: sidevahendile, -vahendile või -viisile. Anname ülevaate raadiosagedussüsteemide (RF) komponentidest, millest moodustub kooslus, mida me nimetame traadita side meediumiks ehk kandjaks. Vaatleme RF-signaali edastamist ning iga seadme ja komponendi rolli ülekande käigus. Samuti näitame, kuidas iga seade või komponent mõjutab ülekannet. Raadiosageduste põhialustest teame, et on palju raadiosageduslikke levikäitumisi, mis mõjutavad signaali, kui see väljub saatjast ja liigub vastuvõtja suunas. Kui signaal liigub läbi erinevate raadiosüsteemi komponentide ja levib seejärel edastuskandja kaudu, muutub signaali amplituud. Mõned komponendid suurendavad signaali võimsust (võimendust), samas kui teised komponendid vähendavad võimsust (tekib kadu). Selles peatükis õpid, kuidas väärtustada ja mõõta raadiolainete võimsust ning arvutada, kuidas laineid mõjutavad nii sise- kui ka välismõjud. Nende arvutuste abil saab kindlaks teha, kas antud tingimustes saab seadmete vahel sisse seada tehniliselt kvaliteetse sidekanali. RF komponendid Paljud komponendid aitavad kaasa RF-signaali edukale transmissioonile ja vastuvõtule. Joonisel 4.1 on näidatud põhikomponendid, mida käsitletakse järgmistes alateemades. Lisaks komponentide funktsiooni tundmisele on oluline mõista, kuidas iga komponent signaali tugevust konkreetselt mõjutab. 3 JOONIS 4.1 RF komponendid Selle peatüki viimases osas, kus käsitleme RF-matemaatikat, näitame teile, kuidas arvutada iga komponendi mõju signaalile. SAATJA Saatja on traadita andmeedastuskandja loomisel algne komponent. Arvuti edastab andmed saatjasse ja saatja ülesanne on alustada RF-sidet. 1. peatükis "Ülevaade traadita ühenduse standarditest, organisatsioonidest ja põhialustest" õppisite tundma kandjasignaale ja modulatsioonimeetodeid. Kui saatja võtab andmevoo vastu, hakkab see selle põhjal genereerima manipuleeritud vahelduvvoolu (AC) signaali. Väljundist eetrisse saadetav vahelduvvoolusignaal määrab edastuseks kasutatava kandjasignaali sageduse. Näiteks 2,4 GHz kandjasignaali puhul võngub vahelduvvoolusignaal umbes 2,4 miljardit korda sekundis, samas kui 5 GHz signaali puhul võngub vahelduvvoolusignaal umbes 5 miljardit korda sekundis. See võnkumine määrab raadioeetrisse kiiratava kandjalaine sageduse. Saatja võtab seega sisendisse esitatud andmevoo ja manipuleerib nendega genereeritavat vahelduvvoolusignaali, kasutades modulatsioonitehnikat. Tulemusena saadav moduleeritud vahelduvvoolusignaal on nüüd kandjasignaal, mis sisaldab (või kannab) endas edastatavaid andmeid. Seejärel transporditakse kandjasignaal kas otse või fiiderkaabli kaudu antenni. Lisaks signaali genereerimisele kindlal sagedusel vastutab saatja selle algse edastusamplituudi (sagedamini nimetatakse seda võimsustasemeks) määramise eest. Mida suurem on laine amplituud, seda võimsam on laine ja seda kaugemal saab seda vastuvõtja abil vastu võtta. Võimsustasemed, mida saatja abil on lubatud genereerida, on määratletud kohalike regulaatorasutuste, näiteks Ameerika Ühendriikides föderaalne sidekomisjon (FCC) ning Eestis Tarbjakaitse ja Tehnilise Järelevalve Amet (TTJA), kehtestatud määruste ja muude õigusaktidega. Eestis kehtivate regulatsioonide kohta saab üksikasjalikku teavet TTJA lehelt. Sageduskasutuse korralduse koondtabel on lühidalt kokku võetud WiFi sageduste kontekstis järgmises tabelis (vt tabel 4.1). 4 5 Tabel 4.1. Eestis WiFi sagedusaladele kehtivad piirangud (Allikas: www.ttja.ee) ANTENN Antenn pakub sidesüsteemis kahte funktsiooni. Saatjaga ühendatuna ergastub see saatjalt vastuvõetud vahelduvvoolusignaali toimel ja suunab või kiirgab RF-laineid antennist eemale antenni tüübile omases mustris (suunadiagrammi kohaselt). Vastuvõtjaga ühendatud antenn võtab raadioeetri kaudu vastuvõetud raadiosageduslained ja annab väljundliitmiku kaudu tekkiva vahelduvvoolusignaali vastuvõtja sisendisse. Vastuvõtja teisendab vahelduvvoolusignaali pärast demoduleerimisprotsessi uuesti bittideks ja baitideks. Nagu näete hiljem selles peatükis, on signaal, mis on vastu võetud, palju väiksema amplituudiga kui saatjas genereeritud esialgne signaal. See signaali kadu on analoogne juhtumiga, kus näiteks kaks jalgpallurit üritavad omavahel teineteisega diagonaalis üle jalgpalliväljaku suhelda. Ainuüksi omavahelise kauguse (vaba ruumi) tõttu võib välja ühest otsast (isegi kõigest jõust karjumisel) olla teisel pool öeldu vaevalt kuulda. Antenni raadiosagedusliku ülekande (võimenduse) võrdlemiseks või selle üle arutledes tuginetakse tavaliselt isotroopsele kiirgurile. Isotroopne kiirgur on teoreetiline punktkiirgusallikas, mis kiirgab signaali võrdselt kõigis suundades. Päike on ilmselt üks parimaid näiteid isotroopsest kiirgurist. See tekitab võrdses koguses energiat kõigis suundades. Kahjuks ei ole võimalik valmistada antenni, mis oleks täiuslik isotroopne kiirgur. Antenni enda füüsiline konstruktsioon mõjutab antenni väljundit, sarnaselt sellega, kuidas lambipirni konstruktsioon mõjutab pirni võimet kiirata valgust võrdselt kõigis suundades. 6 Antenni väljundvõimsuse suurendamiseks on kaks võimalust. Esimene on genereerida saatja väljundisse rohkem energiat, nagu on öeldud eelmises osas. Teine on antennist kiirgava RF-signaali suunamine kitsamasse ruuminurka või selle fokusseerimine. See sarnaneb sellega, kuidas taskulamp valgust fokuseerib. Kui eemaldate taskulambilt valgust suunava reflektori, näete, et taskulamp ei anna pimedas ruumis millegi ülesotsimiseks piisavalt valgust, kuna pirni valgusjõud laotub ühtlaselt üle kogu ruumi. Valgusvihu eredamaks muutmiseks saaks kasutada võimsamaid patareisid (aga ettevaatust, pirni nimipinget ei tohi ületada, muidu põleb hõõgniit läbi!) või panna reflektor lambi ette tagasi. Reflektor ei kasvata lambipirni eredust ega loo tegelikult rohkem valgust; see lihtsalt suunab valguse, mis kiirgas muidu kõigis erinevates suundades, kitsamale alale või väiksemasse ruuminurka. Mõned antennid kiirgavad laineid sarnaselt sellega, kuidas ilma reflektorita pirn valgust emiteerib, samas on teistsuguseid antenne, mis kiirgavad fokusseeritud laineid sarnaselt sellega, kuidas seda teeb reflektoriga taskulamp (või ka auto esilatern). Lähemalt saab eri antennide kohta lugeda 5. teemast. VASTUVÕTJA Vastuvõtja on traadita andmeedastuskandja viimane komponent. Vastuvõtja saab antennilt A vastu võetud kandjasignaali ja eraldab sellest moduleeritud signaalid (1-d ja 0-d). Seejärel edastab vastuvõtja need töötlusplokile. Vastuvõtja töö ei ole alati lihtne, kuna vastuvõetud signaal on palju kordi nõrgem signaal kui see, mida edastati, kuna see on läbinud pika vahemaa tõttu ja signaalile kohaldub vaba ruumi tee kao (FSPL) mõju. Signaalis võivad tekkida sageli tahtmatult ka muutused teiste raadiosagedusallikate ja mitmekiirelise levi häiringute tõttu. RAADIOSAGEDUSSEADMETE KIIRGUS Iga raadiosagedusseade, mis on spetsiaalselt loodud RF-i genereerimiseks, liigitub raadiosaatjaks. RFsagedusi võivad mõned seadmed tekitada oma põhifunktsiooni kõrvalsaadusena, näiteks mootor, mis juhuslikult tekitab raadiosageduslikku müra (elektromagnetilisi häiringuid), või LED-valgusti või kuvari toitemoodul, mille impulsstoiteplokk „müriseb“ kõrgsageduslikult. Reguleerivad asutused, nagu FCC või TTJA, piiravad raadiosagedusseadmete abil lubatud tekitatava võimsuse taset. Raadiosidesõlm koosneb küll mitmetest komponentidest alates saatjast kuni antennini, ent saatja ise ei hõlma antenni, nagu on näidatud joonisel 4.1. Saatja väljundvõimsus on seega kõigi komponentide tekitatava raadiosagedusliku energia summa saatjast antennini (ilma antennita). Saatja moodustavate komponentide hulka kuuluvad saatja, kõik kaablid ja pistikud ning muud lisaseadmed (välgukaitse, liigpingepiirikud, võimendid, summutusfiltrid jne) saatja ja antenni vahel. Saatja võimsust mõõdetakse väljundliitmikul, mis ühendatakse antenni sisendiga. Kuna see on punkt, kus saatja väljundvõimsust tehases mõõdetakse ja reguleeritakse, nimetame selles punktis mõõdetud suurust sageli ainult väljundvõimsuseks. Seda võimsustaset mõõdetakse tavaliselt millivattides (mW) või detsibellides 1 millivati (dBm) suhtes. Taskulambi analoogiat kasutades kuuluvad saatja koosseisu kõik komponendid kuni lambipirni pesani, kuid mitte pirn ega reflektor. Seega on saatja võimsus nn „puhas energia“ ehk signaal, mille edastamisega hakkavad (taskulambi näitel) tegelema lambipirn ja reflektor, et signaali vajalikus suunas fokuseerida. 7 EKVIVALENTNE ISOTROOPNE KIIRGUSVÕIMSUS Ekvivalentne isotroopne kiirgusvõimsus (ingl k Equivalent isotropically radiated power - EIRP) on suurim raadiosagedussignaali võimsustase, mida edastatakse konkreetsest saateantennist. Selle selgitamiseks tuleme taas meie taskulambi näite juurde. Oletame, et ilma reflektorita pirnist eraldub 1 W võimsust. Kui lisada nüüd taskulambile reflektor, fokusseerib see 1 W valgusena eralduva energia kitsamale alale. Kui nüüd võtta kaks ühesugust (ühesuguste võimsustega) taskulampi, millest üks on varustatud reflektoriga, ja teine, millelt see on eemaldatud, siis nende valgusjõu võrdlev vaatlemine kaugemalt annab meile mulje, justkui reflektoriga varustatud taskulambi valgusvihk oleks eredam. Kui nüüd mõõta reflektoriga taskulambi tekitatud valgusvihus kõige eredamas punktis võimsustaset, saame kindlasti oluliselt suurema energiataseme mõõtetulemuse võrreldes teise taskulambi tekitatud valgustasemega samal kaugusel. Kui üritada samaväärset valgustaset samas punktis saavutada ilma reflektorita lambi puhul, peaksime tõenäoliselt meie teise taskulambi (ilma reflektorita) komplekteerima 8 W võimsusega pirniga. Siit tuleneb, et reflektori mõju võib olla ligikaudu võrdne 8 W pirni sissekeeramisega taskulambi pirnipessa. Seega saab valgust fokusseerides meie 1 W võimsusega pirni väljundvõimsust kõige eredamini valgustatud punktis suurendada ekvivalentse isotroopse kiirgusvõimsuse (EIRP) tasemele 8 W. Nagu eeltoodust nähtub, on antennid võimelised raadiosageduslikku energiat fokusseerima või kitsamasse ruuminurka suunama. See võib muuta antenni efektiivse väljundi võimsuse palju suuremaks kui antenni sisendisse saatjast antava signaali võimsus. Kui sellist efekti mitte reguleerida, oleks erinevate raadiosageduslike süsteemide samaaegne käigushoidmine ettearvamatu ja olukord võiks sarnaneda autoliiklusega, kus liikluseeskirjadega poleks kehtestatud liikumiskiiruse lubatud ülempiiri. Seetõttu piiravad reguleerivad asutused ka antennist väljakiiratavat EIRP väärtust, mitte ainuüksi saatja väljundist mõõdetavat võimsustaset. Selle peatüki järgmises osas saate teada, kuidas arvutada, kui palju energiat antennile antakse (saatja väljundvõimsus) ja kui palju energiat antennist lõpptulemusena (EIRP) välja tuleb. MIKS ON SAATJA VÄLJUNDI JA EIRP MÕÕTMISED OLULISED? Maksimaalse edastusvõimsuse reguleerimise eest konkreetse riigi või piirkonna ulatuses vastutab pädev ametiasutus. Kohalikud regulaatorid (Eestis TTJA) määratlevad tavaliselt raadiosaateseadme lubatud maksimaalse väljundvõimsuse ja maksimaalse lubatud ekvivalentse isotroopse kiirgusvõimsuse (EIRP), mis kiirgab antennist. Lihtsamalt väljendudes – TTJA kehtestab ülempiiri maksimaalsele võimsusele, mis edastatakse saatja väljundist antenni, ja maksimaalsele võimsusele, mis antennist väljub. Peaksite teadma saatja väljundvõimsuse ja EIRP mõõtmiste definitsioone. Arvestage, et igas piirkonnas võivad reeglid olla riigiti erinevad. Soovitatav on alati ennast kurssi viia selle riigi maksimaalse ülekandevõimsuse eeskirjade kohta, kus kavatsete WLAN-lahendusi kasutusele võtta, et mitte sattuda vastuollu kehtestatud regulatsioonidega. Enamiku siseruumides kasutatavate WLAN-raadiote edastusvõimsus varieerub vahemikus 1 mW kuni 100 mW. Seetõttu ei pea te tavaliselt siseruumides kasutatavate WLAN-seadmete juurutamisel muretsema võimsuse reguleerimise pärast. Kuid teadmised võimsustaset piiravatest eeskirjadest on väga olulised siis, kui hakkate WLAN-i seadmeid välitingimustes kasutama. Võimsuse ja võimsuste tasemete võrdlemise mõõtühikud Iga 802.11 traadita võrgu projekteerimise käigus on olulised kaks põhinäitajat – leviala ulatus ja läbilaskevõime. Nende näitajate optimeerimiseks on arusaam raadiosageduslikust võimsusest, eri võimsustasemete võrdlemise vahenditest ja RF-matemaatikast võrgu kavandamise etapis väga kasulik. Järgmistes teemades anname ülevaate võimsuse ühikutest ja võrdluseks kasutatavateks ühikutest. Oluline on teada ja mõista erinevaid mõõtühikute tüüpe ja seda, kuidas need omavahel seotud on. Mõned arvväärtused, millega arvutuste juures kokku puutute, tähistavad tegelikke võimsusühikuid, teised aga teised suhtelisi võrdlusühikuid. Tegelikud võimsusühikud on need, mis esindavad teadaolevat või seadistatud väärtust. Öelda, et näiteks auto on 1,5 meetrit kõrge, on näide tegelikust mõõtmisest. Kuna mõõdetud kõrgus on teadaolev väärtus, antud juhul 1,5 meetrit, teate täpselt, kui kõrge on auto. Suhtelised ühikud on aga võrdlevad väärtused, mis võrdlevad ühte üksust sarnast tüüpi üksusega. Näiteks kui soovida võrdlevate mõõtühikute abil kellelegi öelda, kui kõrge on garaažiuks, võiksite öelda, et see on 2 korda auto kõrgusest. Nüüd on teil võrdlusülesanne: kui teate ühe objekti tegelikku kõrgust, saate seejärel kindlaks teha, kui kõrge on teine. Võrdlevad mõõtühikud on kasulikud võimsusühikutega töötamisel. Nagu näete hiljem selles peatükis, saame neid võrdlevaid võimsusühikuid kasutada selleks, et võrrelda leviala, mida üks pöörduspunkt (AP) võib katta, võrreldes teise pöörduspunktiga. Lihtsa matemaatika abil saame kindlaks teha näiteks selle, mitu W tuleks võimsust lisada signaali kauguse kahekordistamiseks pöörduspunktist kaugusel X. 8 Võimsusühikuid kasutatakse saatja väljundsignaali amplituudi ja vastuvõetava signaali amplituudi mõõtmiseks. Teisisõnu on saate- või vastuvõetud võimsuse mõõtmise ühikud kasutusel absoluutse võimsuse mõõtmiseks. Võrdlusühikuid kasutatakse aga sageli selleks, et mõõta, kui palju võimendust või sumbuvust (kadu) tekib kaabelduse või antenni kasutuselevõtu tõttu. Teisisõnu, võrdlusühikud on võimsuse muutumise suuruse mõõtmiseks. Järgnevas toome ära kokkuvõtte absoluutsete ja suhteliste ühikute kohta. Võimsuse ühikud (absoluutsed) 9 • vatt (W) • millivatt (mW) • detsibelli 1 millivati (dBm) suhtes Võrdlusühikud (suhtelised) • detsibell (dB) • detsibelli isotroopse kiirguri suhtes (dBi) • detsibelli poollaine dipoolantenni suhtes (dBd) VATT Vatt (W) on põhiline võimsusühik, mis on nime saanud 18. sajandi Šoti leiutaja James Watti järgi. Võimsus 1 W (vatt) on võrdne 1 A (ampri) vooluga, mis läbib juhi ristlõiget 1 V (volt) pinge juures. Vati mõiste paremaks selgitamiseks kasutame klassikalise veetorustiku analoogiat. Paljud teist on ilmselt tuttavad seadmega, mida tuntakse elektrilise survepesurina. Kui te pole sellega tuttav, on see seadeldis, mille sisendliitmik ühendatakse veetrassiga, näiteks aiavooliku abil, ja mis võimaldab teil näiteks autot suure survega veejoa abil pesta. Survepesur võimaldab seejuures vett säästa. Ehk et mida suurema survega väljub survepesuri otsikust veejuga, seda vähem on vaja tegelikult kulutada vett auto pesemiseks. Tekkivat olukorda saab selgitada kahe komponendi kaudu: voolikust väljuvale veele avaldatav rõhk P ja aja jooksul läbi survevooliku väljunud vee kogus l (hulk), mida nimetatakse ka vooluhulgaks. Need kaks komponenti tagavad veejoa võimsuse. Kui suurendada survet, suurendate ka veevoolu (joa) võimsust. Kui suurendada vee vooluhulka, suureneb samuti veejoa võimsus. Seega on (vee)voolu võimsus võrdne rõhu ja vooluhulga korrutisega: 𝑊 =𝑃∗l (1) Võimsus (W) on väga sarnane survepesuri väljundiga. Seadeldises tekitatud veerõhu asemel on elektrisüsteemides pinge U (potentsiaalide vahe). Vee vooluhulga asemel on elektrisüsteemides vool I, mida mõõdetakse amprites (A). Seega genereeritud võimsus esitatav kujul „volt korda amper“: 𝑃 =𝑈∗𝐼 (2) MILLIVATT Millivatt (mW) on samuti võimsusühik. Lihtsamalt öeldes on millivatt 1/1000 vatti. Põhjus, miks peame millivattidega tegelema, on see, et enamik siseruumides kasutatavaid 802.11 seadmeid edastab signaali võimsustasemel vahemikus 1–100 mW. Pidage meeles, et raadio edastusvõimsuse taset nõrgendab mis tahes kaabel või takistus, seevastu antenn võimendab seda. Kuigi reguleerivad asutused, näiteks FCC või TTJA, võivad lubada tahtliku kiirguri (IR) võimsust kuni 1 vatt, saab ainult üksikutel juhtudel punktpunkti sides, näiteks hoonete vahelistes sillaühendustes, kasutada 802.11 seadmeid, mille edastusvõimsus on üle 300 mW. MIDA KUJUTAVAD ENDAST WIFI-TEENUSEPAKKUJA EDASTUSVÕIMSUSE SÄTTED? Kõik WiFi-seadmetootjad pakuvad võimalust kohandada pöörduspunkti edastusvõimsuse sätteid. Tüüpilisel AP-raadiol on tavaliselt edastusvõimsus 1 mW kuni 100 mW. Kuid mitte iga WiFiteenusepakkuja ei esita edastusvõimsuse väärtusi samamoodi. Enamiku seadmetootjate edastusvõimsuse seaded esindavad IR (tahtliku kiirguri väljundit), samas kui teiste seadmetootjate edastusvõimsuse seaded võivad tegelikult olla hoopis EIRP väärtusena antud. Lisaks võivad Wi-Fi seadmetootjad näidata ka saatevõimsust kas ühikutes mW või dBm - näiteks 32 mW või +15 dBm -, kuid mõned võivad lihtsalt näidata edastusvõimsust protsentuaalse väärtuse kujul, näiteks 32 protsenti. Saatevõimsuse väärtuse täielikuks mõistmiseks peate tutvuma oma konkreetse WiFi-seadme või -lahenduse administreerimise juhendiga. DETSIBELL Esimene asi, mida peaksite detsibelli (dB) kohta teadma, on, et see on võrdlusühik, mitte võimsusühik. Seetõttu kasutatakse seda kahe samaliigilise väärtuse erinevuse esitamiseks. Teisisõnu, dB on suhteline kahe võrreldava suuruse muutumise väljendus ja seda kasutatakse võimsuse muutumise mõõtmiseks. Traadita sidevõrkude kontekstis kasutatakse detsibelli sageli kas kahe saatja või signaali võimsuse omavaheliseks võrdlemiseks või sagedamini saatja antenni EIRP-väljundi ja vastuvõtja antenni vastuvõetud signaali võimsuse erinevuse või kadude suuruste võrdlemiseks. Detsibell on tuletatud terminist „Bell“. Bell Telephone Laboratories'i töötajad vajasid viisi, kuidas esitada telefoniliinides tekkivaid võimsuskadusid suhteühiku kaudu. Nad otsustasid määratleda ühiku „bell“ kui kümnekordse suhte kahe võrreldava heli võimsustaseme vahel. Vaatame näidet: pöörduspunkt edastab kandjasignaali 100 mW võimsusega. Sülearvuti 1 saab AP-lt signaali võimsustasemel 10 mW ja sülearvuti 2 saab AP-lt signaali võimsustasemel 1 mW. 10 Ehk: Antud on: Saatja väljundvõimsus (AP) – 100 mW Sülearvuti 1 sisendis registreeritud signaalitase – 10 mW Sülearvuti 2 sisendis registreeritud signaalitase – 1 mW Arutluskäik 11 Pöörduspunkti (100 mW) ja sülearvuti 1 (10 mW) signaali erinevus on 100:10 või suhe 10:1 ehk 1 bell. Erinevus sülearvuti1 (10 mW) ja sülearvuti 2 (1 mW) signaali vahel on samuti suhe 10: 1 ehk 1 bell. Seega on pöörduspunkti väljastatava ja sülearvuti 2 vastuvõetava võimsustaseme erinevus 2 belli. Belli saab matemaatiliselt kujutada logaritmilisel skaalal. Mitte kõik ei pruugi kunagi läbitud gümnaasiumikursusest mäletada, mis on logaritm, seega vaatame selle siinkohal veel kord üle. Esiteks tuletame meelde astmefunktsiooni – võtame näiteks 10 kuupi: 10 = 10 * 10 * 10 = 1000 Logaritmide arvutamisel te peaksite mõtlema astmefunktsiooni pöördfunktsiooni peale, ehk küsima endalt: „millisesse astmesse peaksin 10 tõstma, et saada vastuseks 1000?“: 10 = 1000 Selles näites on ilmne, et vastuseks on x = 3. Selle võrrandi saate kirjutada ka järgmiselt: y = log10 (1000), seega log10(1000) = 3. Siin on mõned näited logaritmide arvutamisest. 101 = 10 102 = 100 103 =1000 log10 (10) = 1 log10 (100) = 2 log10 (1000) = 3 Nüüd pöördume tagasi ja arvutame bellides pöörduspunktist Sülearvutisse 2 signaalitasemete erinevuse näite logaritmide abil. Pidage meeles, et kahe võimsustaseme vahelise suhte arvutamiseks logaritmilisel skaalal kasutatakse ühikut B (bell). Nimetagem pöörduspunkti võimsust PAP ja sülearvuti 2 sisendisse jõudvat võimsust PL2. Seega oleks selle näite valem, kui arvutaksime bellides, y = log10(PAP/PL2). Detsibell on aga 1/10 belli. Kui nüüd asendada valemis võimsuse väärtused, saame valemist R = log10(100/1) või R = log10(100). Vastuse saamiseks mõtleme – millisesse astmesse tuleks 10 tõsta, et saada tulemus võrdseks 100ga? Vastus on 2 belli (102 = 100). Kui nüüd meenutada, mis oli teema pealkiri – see lubas anda ülevaate detsibellidest. Seni aga oleme käsitlenud ainult belle. Kuna tänapäevased lahendused nõuavad suurema täpsusega võimsustasemete esitamist, kasutatakse sides tänapäeval ühiku B (bell) kümme korda vähendatud versiooni, milleks on detsibell (dB). Detsibell on seega võrdne 1/10 B (belli). Detsibellidega arvutamiseks logaritmilisel skaalal ei ole vaja teha muud, kui korrutada bellides tehtud arvutused 10-ga. Seega on bellide (B) ja detsibellide (dB) omavahelised seosed järgmised: B (bell) = log10(P 1/P2) Detsibell (dB) = 10 × log10 (P 1/P2) Nüüd lähme tagasi ja arvutame detsibellides tasemete erinevuse Sülearvuti 2 – pöörduspunkti AP võimsustasemete võrdluse puhul. Seega saab tasemete erinevuse R (ingl k Ratio) detsibellides avaldada kui R = 10 𝑙𝑜𝑔 ( ) Kui asendada siin võimsuste väärtused, saab valemiks y = 10 × log 10(100/1) või y = 10 × log 10(100). Seega on vastus +20 dB (detsibelli). Tasemete erinevus +20 dB on samaväärne erinevusega +2 B (belli). Nüüd, kui oleme detsibellide olemuse üle korranud, võib jääda endistviisi selgusetuks, miks ei saaks lihtsalt arvutada millivattidega (mW). Tegelikult saab küll ka nii, kuid kuna võimsuse muutused arvutatakse logaritmiliste valemite abil, võivad arvutustes ette tulevad väärtuste erinevused muutuda äärmiselt suureks ja nendega on raskem lineaarsel skaalal toime tulla. Näiteks on palju lihtsam öelda, et 100 mW võimsusega signaal vähenes 70 detsibelli võrra, kui öelda, et see vähenes 0,00001 millivatini. Nüüd mõistate, miks detsibellidega on lihtsam töötada. DETSIBELLI ISOTROOPSE KIIRGURI SUHTES (DBI) Selle peatüki alguses võrdlesime antenni isotroopse kiirguriga. Teoreetiliselt võib isotroopne kiirgur kiirata võrdselt signaali kõigis suundades. Antenn ei saa seda siiski reaalselt teha ehituslike piirangute tõttu. Teisalt võib ka olla soov, et antenn ei kiirgaks igas suunas, sest soovite antenni abil signaali 12 fokuseerida ühes kindlas suunas. Igal juhul on oluline, et oleks võimalik arvutada antenni kaudu ruumi kiiratav võimsus, et saaks prognoosida, kui tugev on signaal antennist teatud kaugusel. Antenni võimsuse suurenemist (või suurenemist võrreldes sellega, mida tekitab isotroopne kiirgur) väljendatakse detsibellides isotroopse kiirguri suhtes (dBi). Kuna antennide puhul peetakse oluliseks signaali võimendust, mitte võimsust (antenn on muide passiivne element!), saab siit järeldada, et dBi on suhteline parameeter, mis pole mõeldud absoluutse võimsuse mõõtmiseks. Seega antenni võimendus ühikutes dBi on lihtsalt antenni konstruktsioonist tuleneva laine fokuseerimise intensiivsuse (võimendus tekib seetõttu, et laiemast ruuminurgast koondatakse energia kitsamasse ruumiossa) mõõt. Antenni võimendust ehk tema dBi väärtust mõõdetakse antennisignaali tugevaimas punktis ehk fookuspunktis. Kuna enamasti antennid fokusseerivad neisse sisenevat energiat rohkem ühes suunas kui teises, on antenni dBi väärtus alati positiivne võimendus, mitte kaotus. Siiski on olemas ka antennid, mille dBi väärtus on 0, mida sageli nimetatakse ühikvõimendusega antennideks. Põhiline antenn, mida kasutatakse pöörduspunktides (AP), on poollaine dipoolantenn. Poollaine dipoolantenn on väike, tavaliselt kummist või plastist ümbrisega üldotstarbeline ringsuunaline antenn. 2,4 GHz poollaine dipoolantenni võimendus on 2,14 dBi. DETSIBELL POOLLAINE DIPOOLANTENNI (DBD) SUHTES Antennitööstus kasutab antennide võimenduse kirjeldamiseks kahte dB skaalat. Esimene skaala, millest just teada saite, on dBi, mida kasutatakse antenni võimenduse kirjeldamiseks teoreetilise isotroopse antenni (kiirguri) suhtes. Teine skaala, mida kasutatakse antenni võimenduse kirjeldamiseks, on antenni võimendus detsibellides dipoolantenni suhtes (dBd). Seega on dBd väärtus antenni võimenduse suurenemise mõõt, võrreldes dipoolantenni signaaliga. Kuna dBd määratlus on nüüd selge, mis juhtub, kui võrrelda kahte antenni, millest ühe võimendus on antud ühikutes dBi ja teine ühikutes dBd? See on tegelikult üsna lihtne. Tavalise dipoolantenni dBi väärtus on 2,14. Kui antenni võimenduse väärtus on 3 dBd, tähendab see, et võimendus on 3 dB suurem kui dipoolantennil. Kuna dipoolantenni väärtus on 2,14 dBi, peate vaid lisama 3 väärtusele 2,14. Seega on 3 dBd antenn oma võimenduselt võrdne 5,14 dBi antenni võimendusega. DETSIBELLID 1 MILLIVATI SUHTES Seni käsitletud bellide (B) ja detsibellide (dB) kasutusalaks oli kahe signaali erinevuse või suhte suuruse kirjeldamine. Sõltumata sellest, millist tüüpi võimsust edastada, saab nii väljendada, et üks signaal on kas 13 suurem või väiksem teisest teatud arvu bellide või detsibellide võrra. Kui võtta aga kasutusele veel ühik dBm, saame samuti kasutada seda võrdluste esitamiseks, ent selle asemel, et võimaldada võrrelda ühe signaali võimsustaset teise signaali võimsustasemega, kasutatakse seda vaadeldava signaali võimsustaseme võrdlemiseks referentsväärtusega – 1 millivatise võimsustasemega. Ühik „dBm“ tähendabki „detsibelli 1 millivati suhtes“. Seega on referentsnivooks antud juhul 0 dBm, mis on võrdustatud 1 mW võimsusega. Kuna dBm kasutamisel on tegemist mõõtmisega, mida võrreldakse teadaoleva väärtusega (1 mW), on see tegelikult absoluutse võimsuse mõõtühik. Kuna detsibelliskaalal (suhteline) viidatakse 1 millivatile (absoluutne), tulekski ühikut dBm käsitleda kui absoluutset hinnangut, mis mõõdab võimsuse muutust võrdlus- ehk referentsnivoo 1 mW suhtes. Nüüd saab öelda, et 0 dBm on võrdne 1 millivatiga. Kasutades valemit dBm = 10 × log 10(P mW), saame tulemuseks, et 100 mW võimsus on võrdne logaritmilisel skaalal väärtusega +20 dBm. Kui teil juhtub olema seadme dBm-väärtus ja soovite arvutada vastava millivattide väärtuse, saate seda ka teha. Valem on PmW = 10(dBm /10) Pidage meeles, et võrdlusnivooks on 1 millivatt ja et 0 dBm võrdub 1 mW-ga. Mis tahes absoluutse võimsuse mõõtmine +dBm suunas näitab amplituudi, mis on suurem kui 1 mW. Mis tahes absoluutse võimsuse mõõtmine –dBm näitab amplituudi alla 1 mW. Näiteks märkisime varem, et enamiku 802.11 raadiomoodulite saatevõimsuse amplituud on tavaliselt vahemikus 1 mW kuni 100 mW. Saatja võimsustase 100 mW on seega +20 dBm. Vaba ruumi kao (FSPL) tõttu aga jõuab vastuvõtjasse alati signaal, mille tugevuseks on vähem kui 1 mW. Väga tugev vastuvõetud signaalitase vastab väärtusele -40 dBm, mis võrdub lineaarskaalal väärtusega 0,0001 mW (1/10000 millivatti). Võib tunduda pisut kummaline, et raadiotehnikas tuleb tegeleda nii millivattide kui ka dBm-iga. Kui millivatid on käigus võimsuse mõõtühikuna, siis miks mitte neid lihtsalt kasutada? Miks on vaja või miks soovitakse kasutada ka dBm-i? Need on head küsimused, mida õpilased sageli küsivad. Üks põhjus on see, et ühikutes dBm väljendatud absoluutseid mõõtmisi on sageli lihtsam mõista kui mõõtmisi ühe millivati miljonites ja miljardites osades. Enamik 802.11 raadioid suudab tõlgendada vastuvõetud signaale alates tasemest –30 dBm (1/1000 mW) kuni –100 dBm (0,0000000001 mW). Inimese aju suudab tekstist –100 dBm mõistet hoomata palju lihtsamalt kui 0,0000000001 millivatti. Saidiuuringu ajal peab WLAN-i insener alati analüüsima leviala ulatust, salvestades vastuvõetud signaalitugevuse tasemed – dBm väärtustes. Ka seda on mugavam teha, kui kasutada ühikut dBm. Veel ühte väga praktilist põhjust, miks dBm-i kasutada, saab uuesti näidata FSPL-i valemi abil. Järgnevalt on toodud kaks FSPL-i võrrandit. Esimene võrrand arvutab 2,4 GHz signaali detsibellikao RF-allikast 14 100 meetri (0,1 kilomeetri) kaugusel ja teine arvutab 2,4 GHz signaali detsibellikao 200 meetri (0,2 kilomeetri) kaugusel RF-allikast: FSPL = 32,4 + 20log 10(2,400) + 20log 10(0,1) = 80,00422 dB FSPL = 32,4 + 20log 10(2,400) + 20log 10(0,2) = 86,02482 dB Selles näites on selgelt näha, et kahekordistades kaugust raadiosagedusliku signaali allikast, väheneb signaal ligikaudu 6 dB võrra. Pole tähtis, millise võimsustaseme juurest mõõtmist alustada – kui vahemaa on kahekordistunud, on detsibellides väljendatav signaalikadu kasvanud 6 dB. See reegel tähendab ühtlasi vastupidi ka seda, et kui suurendada võimsust 6 dB võrra, kahekordistub kasutatav kaugus. See 6 dB reegel on väga kasulik kärjesuuruste võrdlemiseks või saatja leviulatuse hindamiseks. 6 dB reegel on kasulik ka antenni võimenduse mõistmiseks, sest ka 6 dBi võrra antenni võimenduse suurendamine (pigem küll 6 dBi võrra suurema suunateguriga antenni valik) kahekordistab RF-signaali levikaugust. Pidage meeles, et kui töötaksite millivattidega, ei oleks see reegel asjakohane ega inimmõistusega hõlpsalt hoomatav. Teisendades millivatid dBm-deks, on teil praktilisem viis signaalide võrdlemiseks. Logaritmilise dBm-i kasutamine muudab lihtsaks ka antenni võimenduse mõju arvutamise signaalile. Kui saatja genereerib +20 dBm võimsustasemel signaali ja antenn lisab signaalile 5 dBi võimendust, siis on antennist kiirgav võimsus (EIRP) võrdne kahe väärtuse summaga, mis on +25 dBm. PÖÖRDVÕRDELINE RUUTSÕLTUVUS Eeltoodus tutvustasime 6 dB reeglit, mis ütleb, et +6 dB signaali muutus kahekordistab signaali levikaugust ja –6 dB signaali muutus vähendab signaali levikaugust poole võrra. See reegel ja need numbrid põhinevad pöördvõrdelisel ruutsõltuvusel, mille algselt töötas välja Isaac Newton. See seadus sätestab, et võimsuse muutus on võrdne 1 jagatud kauguse muutuse ruuduga. Teisisõnu, kui kaugus signaali allikast kahekordistub, jaotub energia neljakordsele alale, mille tulemusena jõuab sellel kaugusel vastuvõtjani üks neljandik signaali algsest intensiivsusest. See tähendab, et kui mõõdate signaali võimsustaseme teatud kaugusel (D), ning seejärel kahekordistate vahemaad (kauguse muutus = 2), siis uus võimsustase muutub 1/(2)2 võrra. 15 Selle seose põhjal saab välja arvutada EIRP taseme kiirgusallikast vajalikul kaugusel, kasutades valemit 𝑃 , 4π𝑟 kus P võrdub algse EIRP võimsusega ja r võrdub kaugusega kiirgusallikast. Vaatame üle ka vaba ruumi kao arvutamise valemi: FSPL = 32,4 + 20log10(F) + 20log10 (D), kus FSPL = vaba ruumi kadu detsibellides F = sagedus megahertsides (MHz) D = antennide vaheline kaugus kilomeetrites FSPL-i kontseptsioon põhineb samuti Newtoni pöördvõrdelisel ruutseosel, kaugusel ning sisaldab ka teist muutujat: sagedust F. RF matemaatika Kui jutuks tuleb RF-matemaatika, siis enamik inimesi tunneb muret, sest matemaatikakursustest on meeles keerulised, logaritmidega valemid. Siiski on praktiline külg meie vaates oluliselt lihtsam. Selgub, et RF-matemaatikat saab rakendada ka ilma logaritme kasutamata. Kui soovite end enne selle jaotise läbimist värskendada mõne oma matemaatikaoskuse osas, vaadake üle järgmised tehted: • Liitmine ja lahutamine arvude 3 ja 10 abil • Korrutamine ja jagamine numbrite 2 ja 10 abil Kui teate, kuidas 3 ja 10 abil liita ja lahutada ning kuidas korrutada ja jagada 2 ja 10 abil, on teil olemas kõik matemaatikaoskused, mida vajate RF-arvutustes kasutatavaks elementaarmatemaatikaks. Järgnevas on toodud vastavad lihtsustusvõtted. 10-TE JA 3-DE REEGEL Enne kui süvenete täielikult 10-te ja 3-de reeglisse, on oluline teada, et see reegel ei pruugi anda teile samavõrd suure täpsusastmega vastuseid, mida saaksite, kui kasutaksite logaritmilisi valemeid. 10 ja 3 reeglite rakendamisel saate tulemuseks ligikaudsed väärtused. Kui olete insener, kes loob toote, mis peab vastama raadiosagedusliku kiirguse regulatiivsetele juhistele, peate täpsete väärtuste arvutamiseks ikkagi kasutama logaritmimist. Kui olete aga võrgulahenduste disainer, kes planeerib oma ettevõttele traadita sidelahendust, on teile piisav, kui rakendate 10-te ja 3-de reeglit, mis annab teile vastused piisava täpsusega eelseisva ülesande edukaks sooritamiseks. Kõik vajaminevad arvutused põhinevad järgmisel neljal 10-te ja 3-de reeglil: 16 • Iga 3 dB võimenduse (suhtelise) kohta kahekordistub absoluutne võimsus (mW). • Iga 3 dB kao kohta (suhteline) väheneb absoluutne võimsus (mW) poole võrra. • Iga 10 dB võimenduse (suhtelise) kohta tuleb absoluutne võimsus (mW) läbi korrutada teguriga 10. • Iga 10 dB kao (suhtelise) kohta tuleb absoluutne võimsus (mW) jagada teguriga 10. Näiteks kui teie pöörduspunkt on konfigureeritud edastama 100 mW ja antenni passiivne nimivõimendus on 3 dBi, on antennist kiirgava võimsuse (EIRP) tase 200 mW. Järgides reeglit, mida just õppisite, näete, et antenni 3 dB võimendus põhjustas pöörduspunktist kiiratud 100 mW signaali kahekordistumise. Ja vastupidi, kui teie pöörduspunkt on konfigureeritud edastama 100 mW juures ja selle antenn on ühendatud kaabliga, milles antud sagedusel tekib 3 dB suurune kadu, on absoluutse võimsustaseme väärtuseks kaabli teises otsas 50 mW. Siin näete, et kaabli 3 dB kadu põhjustas 100 mW signaali taseme vähenemise poole võrra. Teises näites, kui teie pöörduspunkt on konfigureeritud edastama 40 mW ja antenni passiivseks nimivõimenduseks on 10 dBi, on antennist kiirgav võimsus (EIRP) 400 mW. Siin näete, et antenni 10 dB võimendus põhjustas 40 mW signaali suurenemise pöörduspunkti väljundiga võrreldes 10 korda. Ja vastupidi, kui teie pöörduspunkt on konfigureeritud edastama 40 mW võimsusega, ent selle signaal läbib kaablit, milles tekib antud sagedusel 10 dB kadu, on absoluutse amplituudi suurus kaabli teises otsas 4 mW. Siin näete, et kaabli 10 dB kadu põhjustas 40 mW signaali vähenemise pöörduspunktist 10 korda. Neid seoseid teades saate RF-arvutusi teha pikalt mõtlemata. Pärast nende reeglite ülevaatamist vaadake harjutust 4.1, mis viib teid läbi samm-sammult protseduuri 10s ja 3s reegli kasutamiseks. Samm-sammult protseduuri läbides tuletage meelde, et dBm on võimsuse ühik ja et dB on muutuste ühik. dB on muutuse väärtus, mida saab rakendada dBm-ile. Kui teil on +10 dBm signaal ja see suureneb 3 dB võrra, saate need kaks numbrit kokku liita, et saada +13 dBm signaali tulemus. Enne näitega jätkamist on oluline rõhutada, et ±3 dB muutus võrdub võimsuse kahekordistamise või poolitamisega, olenemata sellest, millist võimsuse mõõtmist kasutatakse. 10s ja 3s reegli kasutamisel on tegemist millivattidega, sest see on tüüpiline signaalitasemete vahemik, mida kasutatakse 802.11 seadmetes. Siiski on oluline meeles pidada, et +3 dB tähendab võimsuse kahekordistamist olenemata kasutatavast võimsusskaalast. Nii et +3 dB rakendatuna tasemele 1,21 gigavatti võimsust annaks tulemuseks 2,42 gigavatti võimsust. 17 Ülesanne. Teil on traadita side seade, mille väljund on seadistatud tasemele 100 mW. Seadme väljund on ühendatud antenniga, mille suunategur on 10 dBi. Ühendus on tehtud kaabliga, milles tekkiva kao suurus on –3 dB. Arvutage võimsus antenni ühendusliitmikul ja antennist väljuv EIRP võimsus, kasutades eeltoodud 10 ja 3 reegleid nii ühikutes dBm kui mW. Näites valitud numbrid olid lihtsad. Reaalses maailmas see aga enamasti nii ei ole. Kasutades väikest loovust, saate arvutada mis tahes täisarvude puhul võimendusi või kadusid. Kahjuks ei tööta 10te ja 3de reegel murdarvude või kümnendarvude puhul. Nende numbrite puhul peate ikkagi kasutama logaritmilist valemit. Võtke arvesse, et dB võimendus või kadu on kumulatiivne. Kui teil oleks näiteks kolm kaabliosa, mis ühendaksid transiiverit antenniga ja iga kaabliosa annaks 2 dB kadu, tekitaksid kõik kolm kaablit summaarselt 6 dB kadu. Kasutades 10te ja 3de reeglit, on 6 dB lahutamine võrdne 3 dB lahutamisega kaks korda. Detsibellidega arvutamine on väga paindlik. Tabelis 4.1 on näidatud, kuidas arvutada täisarvulist dB kadu ja võimendust vahemikus –10 kuni +10, kasutades vaid 10s ja 3s kombinatsioone. Võtke hetk aega, et neid väärtusi vaadata, ja saate aru, et väikese loovusega saate arvutada mis tahes täisarvude võrra tekkiva võimenduse või kao. TABEL 4.1 dB kaod ja võimendused (–10 kuni +10) Kadu või võimendus (dB) 10te ja 3de kombinatsioon –10 –10 –9 –3 –3 –3 –8 –10 –10 +3 +3 +3 +3 –7 –10 +3 –6 –3 –3 –5 –10 –10 +3 +3 +3 +3 +3 –4 –10 +3 +3 18 –3 –3 –2 –3 –3 –3 –3 +10 –1 –10 +3 +3 +3 +1 +10 –3 –3 –3 +2 +3 +3 +3 +3 –10 +3 +3 +4 +10 –3 –3 +5 +10 +10 –3 –3 –3 –3 –3 +6 +3 +3 +7 +10 –3 +8 +10 +10 –3 –3 –3 –3 +9 +3 +3 +3 +10 +10 RF matemaatika kokkuvõte Oluline on meeles pidada, et lõpptulemus on see, et proovite arvutada võimsust RF-süsteemi erinevates punktides ja võimenduse või sumbuvuse põhjustatud mõjusid. Kui soovite teha RF-matemaatika arvutusi logaritmiliste valemite abil, siis need on siin: dBm = 10 × log10(PmW) PmW = 10(dBm /10) Kui soovite kasutada 10-te ja 3-de reeglit, pidage meeles neid nelja lihtsat seost ja kõik tehted on väga hõlpsad: • 3 dB võimendus = mW × 2 • 3 dB kadu = mW ÷ 2 • 10 dB võimendus = mW × 10 • 10 dB kadu = mW ÷ 10 Tabelis 4.2 on esitatud lühijuhend, milles võrreldakse millivattide absoluutvõimsuse mõõtmisi absoluutvõimsuse dBm väärtustega. 19 TABEL 4.2 dBm ja mW teisendused dBm mW Võimsuse tase +36 dBm 4 000 mW 4 vatti +30 dBm 1,000 mW 1 vatt +20 dBm 100 mW 1/10 vatti +10 dBm 10 mW 1/100 vatt 0 dBm 1 mW 1/1,000 vatti –10 dBm 0,1 mW 1/10 millivatti –20 dBm 0,01 mW 1/100. millivatti –30 dBm 0,001 mW 1/1,000 millivatti –40 dBm 0.0001 mW 1/10 000 millivatti –50 dBm 0.00001 mW 1/100 000 millivatti –60 dBm 0,000001 mW 1 miljondik 1 millivatti –70 dBm 0.0000001 mW 1 kümme miljondikku millivatti –80 dBm 0,00000001 mW –90 dBm 20 1 sajamiljondik millivatti 0.000000001 mW 1 miljardik millivatti MÜRAPIIR Mürapiir (ingl k noise ground floor) on konkreetse kanali raadioenergiat ümbritsev või taustamürana (mürafoonina) käsitletav energiatase. See taustenergia võib hõlmata moduleeritud või kodeeritud bitte, mis pärinevad lähedalasuvatest 802.11 edastavatest raadiomoodulitest või mitte-802.11 seadmetest kiiratavat manipuleerimata raadiosageduslikku energiat. Sellist energiat kiirgavad näiteks mikrolaineahjud, Bluetooth-seadmed, kaasaskantavad telefonid, jne. Kõik elektromagnetilised häiringud teistest allikatest võivad tõsta mürapiiri amplituudi konkreetsel kanalil. Mürapiiri amplituud, mida mõnikord nimetatakse lihtsalt "taustamüraks", on erinevates keskkondades erinev. Näiteks 2,4 GHz tööstus-, teadus- ja meditsiinikanali (ISM) mürapiir võib tüüpilises keskkonnas olla umbes tasemel –100 dBm. Kuid mürarikkamas raadiosageduslikus keskkonnas, milleks näiteks võib olla tootmisettevõte, võib tehases töötavate elektrimasinate tõttu olla mürapiir –90 dBm tasemel. Samuti tuleb märkida, et 5 GHz kanalite mürapiir on peaaegu alati madalam kui 2,4 GHz kanalite mürapiir, kuna 5 GHz sagedusalad on vähem üleasustatud. SIGNAALI JA MÜRA SUHE Paljud WiFi-seadmete tootjad määratlevad signaali kvaliteeti signaali ja müra suhtena (ingl k Signal-tonoise Ratio – SNR). Nagu on näidatud joonisel 4.2, on SNR vastuvõetud signaali ja taustamürataseme (mürapiiri) vaheline nivooerinevus logaritmilisel skaalal, väljendatuna detsibellides. Näiteks kui raadio võtab vastu signaali –85 dBm ja mürapiiriks on –100 dBm , on vastuvõetud signaali ja taustamüra nivoode vaheline erinevus 15 dB. Seega – SNR on 15 dB. 21 JOONIS 4.2 Signaali ja müra suhe Andmeedastused võivad väga väikese SNR puhul saada rikutud. Kui mürapiiri tase on vastuvõetud signaali amplituudile liiga lähedal, tekib tõenäoliselt vigane andmete tõlgendamine ja selle tulemuseks omakorda OSI 2. Kihil algatatav kordusedastus. Kordusedastamine mõjutab negatiivselt nii kanali läbilaskevõimet kui ka latentsust. Üldiselt peetakse 25 dB või suuremat SNR-i hea signaali kvaliteedi tunnuseks. Kui sidekanalis on SNR 10 dB või alla selle, peetakse seda väga kehva kvaliteediga sidekanaliks. SIGNAALI-INTERFERENTSI-PLUSS-MÜRA SUHE Aastaid on SNR olnud Wi-Fi võrkudes standardseks mõõdetavaks ja kvaliteedinäitajana kohaldatavaks parameetriks. Viimastel aastatel on ilmunud aga uus termin signaali-häire-pluss-müra (SINR) suhe ja tänapäevastes süsteemides kasutatakse pigem seda parameetrit. SINR on primaarse RF-signaali võimsuse taseme võrdlus RF-häiringute võimsuse ja taustamüra summaga. Seda erinevust mõõdetakse samuti detsibellides. SNR kipub olema väärtus, mida aja jooksul tõlgendatakse ja vaadeldakse, kuna taustamüra raadiosageduslik tase kipub aja jooksul olema mõnevõrra ühtlane. SINR seostab aga esmase RF-signaali nii häiringute kui ka müraga. Kuigi müratase ei kipu eriti kõikuma, on teiste seadmete häired tõenäoliselt sagedasemad ja sagedasemad. Kuna häired võivad esineda sagedamini, väljendab SINR adekvaatsemalt kanali kvaliteeti edastuse ajal. VASTUVÕETUD SIGNAALI TUGEVUSE INDIKAATOR Vastuvõtutundlikkus viitab RF-signaali võimsustasemele, mis on vajalik vastuvõtja raadiomooduli sisendis edastuse edukaks vastuvõtmiseks. Mida madalam on see võimsustase, mille juures vastuvõtja suudab vastuvõetavat signaali edukalt töödelda, seda parem on vastuvõtja vastuvõtutundlikkus. Teisisõnu, see on nõrgim signaal, mida transiiver suudab dekodeerida normaalsetes tingimustes. Arusaadavalt juhul, kui müratase konkreetses piirkonnas on tavalisest suurem, muutub minimaalne tase, mida vastuvõtja edukaks dekodeerimiseks vajab, samuti suuremaks. WLAN-seadmetes määratletakse vastuvõtutundlikkust tavaliselt sidekanali läbilaskevõime funktsioonina. WiFi-seadmete tootjad määravad tavaliselt oma vastuvõtutundlikkuse läved erinevatel andmeedastuskiirustel; 2,4 GHz raadio näidisspetsifikatsioon on toodud tabelis 4.3. Mis tahes vastuvõtja jaoks vajab vastuvõtja raadio suurema andmeedastuskiiruse toetamiseks rohkem energiat. Erineva läbilaskevõime saavutamiseks rakendatakse erinevaid modulatsiooniviise ja kodeerimismeetodeid, ent mida suurem on andmeedastuskiirus, mida kodeerimisviis toetab, seda enam on see vastuvõtlik vigade tekkimisele. Väiksema andmeedastuskiiruse tarvis kasutatavad modulatsiooni-kodeerimismeetodid on edastushäiringutele vähem vastuvõtlikud. TABEL 4.3 Vastuvõtutundlikkuse ja andmeedastuskiiruse seos (tootja spetsifikatsiooni näide) Andmeedastuskiirus Vastuvõetud signaali amplituud MCS7 MCS6 MCS5 MCS4 MCS3 MCS2 MCS1 –77 dBm –78 dBm –80 dBm –85 dBm –88 dBm –90 dBm –90 dBm MCS0 –90 dBm 54 Mbit/s –79 dBm 48 Mbit/s –80 dBm 36 Mbit/s –85 dBm 24 Mbit/s –87 dBm 18 Mbit/s –90 dBm 12 Mbit/s –91 dBm 9 Mbit/s –91 dBm 6 Mbit/s –91 dBm Standard 802.11-2016 määratleb signaalitugevuse suhtelise mõõdikuna vastuvõetud signaali tugevuse indikaatorit (RSSI), mida 802.11 raadiomoodulid mõõdavad. 802.11 RSSI mõõtmisparameetri väärtus võib olla vahemikus 0 kuni 255. RSSI väärtus on mõeldud kasutamiseks WLAN-i riistvaratootja poolt raadiosagedusliku signaali tugevuse suhteliseks mõõtmiseks, mille võtab 802.11 raadiomoodul. RSSI parameetrid vastendatakse tavaliselt tundlikkusläviga, mis on väljendatud absoluut-dBm väärtustes, nagu on näidatud tabelis 4.4. Näiteks RSSI mõõdik 30 võib tähistada –30 dBm tugevusega vastuvõetud signaal 22 amplituudi. RSSI mõõdik 0 võib olla vastendatud –110 dBm-ga vastuvõetud signaali amplituudist. Mõni muu tootja aga võib kasutada RSSI mõõdikuväärtust 255, et esindada –30 dBm vastuvõetud signaali amplituudi ja 0, et esindada –100 dBm vastuvõetud signaali amplituudi. TABEL 4.4 Vastuvõetud signaali tugevuse indikaatori (RSSI) mõõdikud (tootja spetsifikatsiooni näide) RSSI Vastuvõtutundlikkuse Signaali tugevus lävi (%) Signaali ja müra suhe Signaali kvaliteet SNR (%) 30 –30 dBm 100% 70 dB 100% 25 –41 dBm 90% 60 dB 100% 20 –52 dBm 80% 43 dB 90% 21 –52 dBm 80% 40 dB 80% 15 –63 dBm 60% 33 dB 50% 10 –75 dBm 40% 25 dB 35% 5 –89 dBm 10% 10 dB 5% 0 –110 dBm 0% 0 dB 0% Standard 802.11-2016 määratleb veel ühe mõõdiku, mida nimetatakse signaali kvaliteediks (SQ), mis on raadiovastuvõtjas vastuvõetud pseudomüra (PN) koodi korrelatsioonikvaliteedi mõõt. Lihtsamalt öeldes võiks signaali kvaliteet olla signaali omadus, mis võib mõjutada kodeerimistehnikaid, mis on seotud edastuskiirusega. Kodeerimistehnikate kohta saate rohkem teada 6. peatükist. SQ-mõõdikud võivad näidata kõike, mis võib suurendada bitiveamäära (BER), näiteks madalat SNR-i. Nii RSSI kui ka SQ mõõdikute infoparameetreid saab PHY-kihist edasi anda MAC-alamkihile. Mõnda SQ parameetrit võib kasutada ka koos RSSI-ga osana kanali puhtuse hinnangu (CCA) skeemist. Vastavalt standardile 802.11-2016 on "RSSI vastuvõetud raadiosagedusliku energia mõõt. RSSI väärtuste vastendamine tegeliku vastuvõetud võimsusega sõltub konkreetsest rakendusest." Teisisõnu, WLAN-i seadmete tootjad saavad määratleda RSSI mõõdikud endale sobival (tootjaomasel, ingl k proprietary) viisil. RSSI väärtuse tegelik väärtus on vahemikus 0 kuni maksimaalse väärtuseni (väiksem kui 255 või sellega võrdne), mille iga tootja saab eraldi valida (tuntud kui RSSI_Max). Paljud seadmetootjad avaldavad RSSI väärtuste rakendamise üksikasjad oma tootedokumentides ja/või veebisaidil. Mõned WLAN- seadmete tootjad ei avalda üldse oma RSSI mõõdikuid. Kuna RSSI mõõdikute rakendusviis on tootjaomane, on RSSI väärtuste võrdlemisel erinevate tootjate traadita raadiomoodulite vahel kaks probleemi. Esimene probleem on see, et tootjad võivad RSSI_Max tasemeks valida kaks erinevat väärtust. WLAN-i seadmete tootja A võis valida skaala vahemikus 0 kuni 100, samas kui WLAN-i seadmete tootja B võis valida skaala vahemikus 0 kuni 60. Mastaabierinevuse tõttu võib WLAN-i 23 seadmetootja A näidata signaali, mille RSSI väärtus on 25, samas kui seadmetootja B võib näidata sama signaali erineva RSSI väärtusega 15. Samuti võib WLAN-i seadmetootja A valmistatud raadiokaart toetada rohkem RSSI mõõdikuid ja on signaali kvaliteedi ja SNR-i hindamisel tõenäoliselt tundlikum. Teine probleem RSSI-ga on see, et tootjad võiksid võtta oma RSSI väärtuste vahemiku ja võrrelda neid erineva väärtuste vahemikuga. WLAN-i seadmetootja A võib võtta oma 100-astmelise skaala ja seostada selle dBm väärtustega –110 dBm kuni –10 dBm, samas kui WLAN-i seadmetootja B võib võtta oma 60astmelise skaala ja seostada selle dBm väärtustega –95 dBm kuni –35 dBm. Meil pole niisiis tihti võrdluseks mitte ainult erinevad numeratsiooniskeemid, vaid ka erinevad väärtuste vahemikud. 24 Kuigi viis, kuidas WiFi-seadmetootjad RSSI-d rakendavad, võib olla tootjaomane, on enamik seadmetootjaid sarnased, kuna nad kasutavad RSSI lävesid väga oluliste mehhanismide jaoks, nagu rändlus ja dünaamiline ülekandekiiruse ümberlülitamine. Rändlusprotsessi käigus otsustavad kliendid liikuda ühe pöörduspunkti levialast teise. RSSI läviväärtused on klientide jaoks võtmetegurid, kui nad algatavad rändluseks side üleandmise. RSSI läviväärtusi kasutavad ka seadmetootjad dünaamilise ülekandekiiruse ümberlülitusfunktsiooni (DRS) rakendamiseks. DRS (ingl k Dynamic Rate Switching) on protsess, mida 802.11 raadiod kasutavad andmeedastuskiiruste muutmiseks. Rändlust käsitletakse selle raamatu mitmes peatükis ja DRS-i käsitletakse üksikasjalikult 13. peatükis "WLAN-i disainikontseptsioonid". Kuna RSSI võrdlemine seadmetootjate vahel võib olla keeruline, kuna on võimalik kasutada erinevate numeratsiooniskaalade väärtusi, teisendavad paljud võrguseireprogrammid RSSI väärtused protsentideks, luues seal ühise võrdluse. RSSI protsendi arvutamiseks võrdleb tarkvara tegelikku signaali RSSI_Max väärtusega, mis on osa IEEE 802.11 standardist. Enamik tootjaid kasutab oma arvutustes baasväärtusena taset 0. Sealt peavad nad lihtsalt jagama RSSI saadud väärtuse RSSI_Max-ga, nagu on näidatud järgmises valemis: RSSI/RSSI_Max = RSSI protsent Selle jaotise eelmises näites oli tootja A skaala 0–100 ja RSSI väärtus 25, samas kui tootja B skaala oli 0–60 ja RSSI 15. RSSI protsent oleks mõlema seadmetootja puhul sama: 25%. KAS 802.11 VÕRGUKAART SUUDAB MÜRAPIIRI TÕELISELT MÕÕTA? Tuleb mõista, et varasemad 802.11 traadita võrgu liidesekaardid (NIC) ei toetanud spektrianalüsaatori funktsionaalsust ja kuigi nad võisid andmeid edastada ja vastu võtta tohutu kiirusega, ei „näinud“ nad „toorest“ ümbritsevat raadiosageduslikku signaali. Kuna NIC-i kodeerimisfiltrist pääsesid läbi üksnes andmebitid, pidi kogu NIC-i esitatud teave pärinema neist saadud bittidest. Kui aga lülitada traadita NIC-i lähedal sisse mikrolaineahi, ei genereeri mikrolaineahi andmebitte, nii et NIC ei ole võimeline müra esinemist üldse tuvastama, kuna teistest 802.11 seadmetest ei saabu kodeeritud raadiosagedussignaale. Ainus seade, mis võis tõeliselt mõõta kodeerimata raadiosageduslikku energiat, oli spektrianalüsaator. WLAN-i spetsialistid nõudsid signaaliarvutuste tegemiseks müramuutujat, nii et erinevad WiFiseadmetootjate organisatsioonid pakkusid välja ainulaadseid viise mürapiiri äraarvamiseks. Kuna 802.11 traadita NIC-d said töödelda ainult digitaalbitte, pidid nad välja mõtlema algoritmid, et arvutada müramuutuja välja NIC-i läbivate bittide põhjal. Nagu RSSI mõõtmiste puhul, arvutasid erinevad 802.11 seadmete tootjad müra erinevalt. Mõned seadmetootjad loobusid üldse mürataseme väärtuse hindamisest ainult bittide põhjal. Teised seadmetootjad töötasid mürapiiri väärtuse väljaarvutamiseks välja keerukad algoritmid. Hiljuti leidsid aga 802.11 kiibitootjad meetodi, kuidas kodeerimisfiltrid välja lülitada ja kasutada antenni kaudu tulevaid raadiosagedussignaale nii, et pöörduspunkt muuta algeliseks spektrianalüsaatoriks. See funktsioon aga töötab 802.11 andmetöötlusvõimekust ohverdades. Tavaliselt saavad sellised uuemad kiibid lülituda kas kergekaalulise spektrianalüsaatori režiimi või Wi-Fi-andmete töötlemise režiimi, kuid tavaliselt mitte samaaegselt, kuna sisendahela filter tuvastaks 802.11 signaali ja edastaks selle 802.11 protokollistikule, mitte spektrianalüsaatorile. Mõned AP-d võivad töötada režiimis, mida mõnikord nimetatakse hübriidrežiimiks. Need APd suudavad korraga täita nii 802.11 kui ka spektrianalüsaatori funktsioone, kuigi WLAN-i jõudlus seejuures võib halveneda. Lisaks pakuvad mõned WLAN-i seadmetootjad AP-sid integreeritud spektrianalüsaatori kiibistikuga, mis töötab WLAN-raadiost sõltumatult. Mis on siis parim lahendus, et täpselt mõõta mürapiiri mis tahes keskkonnas? Kvaliteetne spektrianalüsaator. Kvaliteetne kaasaskantav spektrianalüsaator kasutab spektrianalüsaatori kiibistikku, mis on võimeline mõõtma kodeerimata raadiosageduslikku energiat, ja selle teisaldatavus muudab selle tõelise mürapiiri mõõtmiseks parimaks tööriistaks. Pidage siiski meeles, et see energiatase, mida spektrianalüsaator mürapiirina tuvastab, võib erineda mürapiiri tõlgendamisest 802.11 raadio poolt WLAN-i kliendis või pöörduspunktis. SEOS LINGI BILANSIGA Raadiolingi bilansi arvutuste eesmärk on tagada, et lõplik vastuvõetud signaali amplituud ületaks vastuvõtva seadme raadiomooduli vastuvõtja tundlikkuse läviväärtust. Lingi bilansi arvutused hõlmavad algset saatja väljundnivood, passiivset antenni võimendust ja RFvõimendite aktiivset võimendust. Arvesse tuleb võtta kogu võimendust – sealhulgas kõik raadiosagedusvõimendid ja antennid – ning arvesse tuleb võtta kõiki kadusid, sealhulgas sumblülisid, võimsusjagureid, FSPL-i ja kadusid kaabelliinides. Iga raadiosüsteemi paigaldatud riistvaraseade põhjustab teatud hulga signaalitaseme vähenemist, mida nimetatakse sumbuvuseks (ingl k insertion loss). Kaabelduse puhul on tootja andnud tavaliselt andmed dB 100 m kohta ja iga ühendusliitmik lisab tavaliselt umbes 0,5 dB sumbuvust. 25 Eelnevast peaks olema juba mõistetav, et raadiosagedussignaal nõrgeneb ka vaba ruumi läbimisel. Joonisel 4.3 on kujutatud punkt-punkt-tüüpi traadita sildühenduse lüli ja näidatud, et kadu tekib signaali kulgemisel läbi erinevate RF-komponentide, samuti FSPL-i põhjustatud signaali kahanemisest. 26 JOONIS 4.3 Eelarveosade seos Joonise ülaosas on komponendid, mis moodustavad punkt-punkt-tüüpi raadiolingi, samas kui joonise alumises osas tähistatakse rohelise joonega signaali amplituudi, kui selle amplituud suureneb, ja punasega, kui väheneb signaali liikumisel saatjalt vastuvõtjale. Saatja alustab protsessi, genereerides konkreetse väärtusega signaali. See signaal väheneb, kui see liigub saateantenni, kuna kaablid, pistikud ja välgukaitse nõrgendavad või vähendavad signaali amplituudi. Antenn fokusseerib edastatud signaali, tekitades passiivset võimendust, mis suurendab signaali amplituudi. Mis tahes raadiosagedusliku ülekande suurim signaalikadu on põhjustatud vaba ruumi kaost (FSPL), kui signaal liigub vastuvõtvasse antenni. See antenn koondab vastuvõetud signaali, tekitades passiivset võimendust ning suurendades signaali. Seejärel väheneb signaal uuesti, kui see liigub läbi kaablite, pistikute ja liigpingepiiriku, kuni see lõpuks jõuab vastuvõtjani. Joonisel kujutatud tase on illustratiivne, mistõttu siin puuduvad arvväärtused. Vaatame 2,4 GHz punkt-punkti traadita sildühenduse lingi bilansi arvutusi, nagu on kujutatud joonisel 4.4 ja tabelis 4.5. Sel juhul on kaks antenni üksteisest 2 kilomeetri kaugusel ja algne saatja võimsuse tase on +10 dBm. Pange tähele iga RF-komponendi põhjustatud sumbuvuse suurust, seda nii kaablites kui liigpingepiirikus. Antennid võimendavad signaali passiivselt ja signaal nõrgeneb, kui see liigub läbi vaba ruumi. Lõplik vastuvõetud signaal sildühenduse vastuvõtja sisendis on –51,5 dBm.