Peatükk 5 Antennid ja suunadiagrammid PDF

ANTENNID JA SUUNADIAGRAMMID 5. TEEMA Ülevaade Juttu tuleb antennide suunadiagrammist, polaarkaartidest, eri tüüpi antennidest ja paigaldamise põhialustest Hurmi Jürjens [email protected] ANTENNID JA RAADIOLEVI Sisukord Vertikaalne ja horisontaalne suunadiagramm (antenni kiirgusmustrid).....

ANTENNID JA SUUNADIAGRAMMID 5. TEEMA Ülevaade Juttu tuleb antennide suunadiagrammist, polaarkaartidest, eri tüüpi antennidest ja paigaldamise põhialustest Hurmi Jürjens [email protected] ANTENNID JA RAADIOLEVI Sisukord Vertikaalne ja horisontaalne suunadiagramm (antenni kiirgusmustrid)............................. 5 Polaarkaartide tõlgendamine ........................................................................................... 7 Peakiire laius .................................................................................................................... 9 Antennitüübid ................................................................................................................ 12 RINGSUUNALISED ANTENNID .................................................................................................. 13 VÄIKESE SUUNATEGURIGA ANTENNID .................................................................................... 16 SUURE SUUNATEGURIGA ANTENNID ....................................................................................... 18 SEKTORANTENNID .................................................................................................................. 20 ANTENNIVÕRE........................................................................................................................ 21 Staatiline kiiremoodustamine ...................................................................................................................... 21 Dünaamiline kiiremoodustamine ................................................................................................................. 21 Edastava kiire moodustamine (Transmit Beamforming) .............................................................................. 22 Visuaalne otsenähtavus .................................................................................................. 23 Raadiosageduslik otsenähtavus ...................................................................................... 23 Fresneli tsoon ................................................................................................................. 23 Maa kumerus ................................................................................................................. 27 Antenni polarisatsioon.................................................................................................... 29 Antenni hajuvastuvõtt (antenna diversity) ...................................................................... 29 Multiple-Input, Multiple-Output ..................................................................................... 31 MIMO-ANTENNID ................................................................................................................... 31 Sisetingimustesse sobivad MIMO-antennid ................................................................................................. 31 Välipaigalduseks sobivad MIMO-antennid ................................................................................................... 32 Antenni ühendamine ja paigaldamine ............................................................................ 33 SEISULAINETEGUR .......................................................................................................... 33 SIGNAALI KADU (Signal Loss)................................................................................................... 34 2 ANTENNI PAIGALDAMINE ............................................................................................... 35 ANTENNI PAIGUTUS ............................................................................................................... 35 Siseruumidesse antennide paigaldamise kaalutlused .................................................................................. 36 Välitingimustes paigaldamise kaalutlused ............................................................................... 36 Sobiv kasutus ja keskkond ...................................................................................................... 36 IP-kaitseaste................................................................................................................... 37 ATEXi suunised ............................................................................................................................................. 39 Antennide orienteerimine ja joondamine ........................................................................ 40 Ohutus ................................................................................................................................... 40 Hooldus .................................................................................................................................. 41 Antennitarvikud ............................................................................................................. 42 KAABLID ......................................................................................................................... 42 PISTIKUD ................................................................................................................................ 43 JAGURID ................................................................................................................................. 44 VÕIMENDID............................................................................................................................ 45 SUMBLÜLID ............................................................................................................................ 46 VÄLGUKAITSED ....................................................................................................................... 46 KASUTATUD ALLIKAD .................................................................................................................................... 47 3 SISSEJUHATUS Selleks, et kaks või enam transiiverit omavahel sidet saaks pidada, tuleb raadiosageduslikku (RF) signaali saatja antennist kiirata piisava võimsusega, et vastuvõtja saaks selle vastu võtta ning selle sisu tõlgendada. Antennide paigaldamisel on levi kvaliteedi tagamiseks suurim osakaal side õnnestumises. Antenni paigaldamiseks vajalik tegevus võib mõnel puhul piirduda pöörduspunkti paigutamisega väikese kontori keskele, et ettevõtte kontor katta piisava leviga, või osutuda küllalt keeruliseks juhul, kui paigalduses tuleb kasutada suundantenne. Kui mõistate õigesti eri tüüpi antennide konstruktsiooni ja nende toimimist, võib aga sellest tegevusest kujuneda oskuslik ja rahuldust pakkuv ülesanne. See peatükk keskendub antennikategooriatele ja -tüüpidele ning erinevatele viisidele, kuidas need saavad raadiosagedussignaali suunata. Antennide valik ja paigaldamine on nagu valgustite valimine ja paigaldamine koju. Koduvalgustuse paigaldamisel on teil palju valikuid: laualambid, laevalgustid, punkt- või kohtvalgustuslampide suundvalgustid. 4. peatükk "Raadiosageduslikud komponendid, mõõtmised ja matemaatika" tutvustas teile raadiosagedussignaali fokusseerivate antennide kontseptsiooni. Selles peatükis saate teada erinevat tüüpi antennidest, nende kiirgusmustritest ja sellest, kuidas kasutada erinevaid antenne erinevates keskkondades. Samuti saate teada, et kuigi me kasutame raadiosagedusliku kiirguse levikäitumise selgitamiseks sageli analoogiana valgust, on nende kahe kiirguse levimise vahel mõningaid erinevusi. Saate teada antennide orienteerimise ja suunamise kohta ning veenduda, et see, mida näete, pole tingimata see, mis tegelikult juhtub. Lisaks antennide tundmaõppimisele saate teada tarvikutest, mida võib vaja minna antenni õigeks paigaldamiseks. Kontorikeskkondades peate võib-olla lihtsalt antenni ühendama pöörduspunkti vastava liitmikuga. Välitingimustes aga paigaldatakse spetsiaalsed kaablid ja pistikud, liigpingepiirikud ja spetsiaalsed kinnituskronsteinid. Tutvustame teile antenni edukaks paigaldamiseks vajalikke komponente. Kokkuvõtteks: Saate teadmisi, mis võimaldavad teil antenne õigesti valida, püstitada ja suunata. Need oskused aitavad teil edukalt rakendada traadita võrku, olgu see siis punkt-punkt-tüüpi võrk kahe hoone vahel või võrk, mis pakub traadita leviala kogu kontorihoones. 4 Vertikaalne ja horisontaalne suunadiagramm (antenni kiirgusmustrid) On olemas mitut tüüpi antenne, mis on mõeldud paljudeks erinevateks eesmärkideks, nagu on ka mitut tüüpi valgusteid, mis on mõeldud eri vajadusteks. Oma kodu valgustust ostes on lihtne võrrelda kahte lampi, lülitades need sisse ja vaadates, kuidas kumbki valgust koondab või hajutab. Kahjuks ei ole võimalik antenne samamoodi võrrelda. Antennide tegelikuks kõrvuti võrdlemiseks peaksite liikuma RF-signaalimõõtjaga antenni ümber, tegema suurel hulgal signaalimõõtmisi ja seejärel joonistama mõõtmistulemused aluskaardile. Lisaks sellele, et see on aeganõudev ülesanne, võivad saadavaid tulemusi moonutada raadiosagedussignaali välised mõjud, näiteks hoonesse paigutatud mööbel või muud RF-signaalid uuritavas piirkonnas. Antennide valiku hõlbustamiseks avaldavad antennitootjad oma valmistatud antennide jaoks horisontaalseid ja vertikaalseid polaarkoordinaadistikul esitatud suunadiagramme, mida nimetatakse ka kiirgusmustriteks. Need kiirgusmustrid on saadud kontrollitud keskkondades läbiviidud mõõtmiste põhjal, kus tulemusi ei saa välismõjud kallutada, ja need esindavad tüüpilist signaalimustrit, mida kiirgab antud konkreetne antennimudel. Neid diagramme nimetatakse tavaliselt polaarkaartideks või antenni kiirgusmustriteks. Lisaks antenni polaarkaartidele on arvukalt ettevõtteid, kes pakuvad tarkvara, mis võimaldab ennustada traadita võrgu kavandamisetapil oodatava levitugevuse jaotumist simulatsiooni abil. Sellist tüüpi tarkvara kasutab teadaolevaid antenni kiirgusmustreid koos hoone struktuurist tulenevate raadiosageduse läbivust vähendavate omadustega, et luua projitseeritud traadita leviala plaan. Joonisel 5.1 on kujutatud ringsuundtüüpi antenni asimuut- ja kõrguskaardid. Asimuutdiagramm (Hplane) näitab antenni kiirgusmustri pealtvaadet. Kuna tegu on ringsuunalise antenniga, nagu näete asimuutkaardilt, on selle kiirgusmuster peaaegu ümmargune. Kõrgusdiagramm (E-plane) näitab antenni kiirgusmustri külgvaadet. Kahjuks puudub standard, mis nõuaks antennitootjatelt diagrammi kraaditähiste joondamist antenni suunaga, nii et lugeja ülesandeks jääb seda mõista ja tõlgendada iseseisvalt. 5 JOONIS 5.1 Asimuut- ja külgvaatekaardid Siiski saame anda mõned näpunäited, mis aitavad teil kiirgusmustreid tõlgendada: • Mõlemal diagrammil asetatakse antenn diagrammi keskele. • Asimuutdiagramm = H-plane = pealtvaade • Külgvaatediagramm = E-plane = külgvaade Diagrammil kujutatud välispiirjoonega kujutatakse tavaliselt antenni kõige tugevamat signaali. Kujutatu ei esita kauguse ega võimsuse või tugevuse taset; see kujutab ainult võimsuse suhet erinevate punktide vahel tabelis. 6 Ühe võimalusena võib diagrammil kujutatut käsitleda nagu varju käitumist. Kui valgustate kätt taskulambiga ja liigutate taskulampi käe suhtes lähemale või kaugemale, muutub käe vari vastavalt suuremaks või väiksemaks. Vari ei kujuta käe suurust vaid käe suhtelist kuju. Olenemata sellest, kas vari on suur või väike, jäävad käe varju kuju ja tekkivad mustrid alati samaks. Antenni puhul kasvab või väheneb kiirgusmuster sõltuvalt sellest, kui palju võimsust antenni satub, kuid mustritega esitatud kujutised ja suhted jäävad alati samaks. Joonisel 5.2 on kujutatud teise ringsuunalise antenni levimudeli ruumilist kujutist. See pilt genereeriti iBwave'i ennustava modelleerimislahendusega (www.ibwave.com (http://www.ibwave.com)). Töölaua vasakul küljel on antenni kiirgusmustri tasapinnalised lõiked H-tasapinnas ja E-tasapinnas. Põhivaates on antenni katvuse 3-mõõtmeline renderdus. JOONIS 5.2 Ringsuunaline antenn: 3-mõõtmeline vaade. Allikas: iBwave Polaarkaartide tõlgendamine Nagu eelnevalt mainitud, nimetatakse antenni asimuudi (H-tasapind) ja kõrguse (E-tasapind) kaarte tavaliselt polaarkaartideks. Neid graafikuid tõlgendatakse sageli ekslikult. Üks suurimaid põhjuseid, miks nii juhtub, on see, et joonistel on esitatud antenni tekitatavat levikatvust detsibellides (dB). Tõepoolest – selline dB ühikutes kaardistamine kujutab antenni kiirgusmustrit; kuid oluline on mõista, et lineaarse skaala asemel on signaalitugevus esitatud logaritmilisel skaalal. Logaritmiline skaala aga on muutuva sammuga skaala, mis põhineb eksponentsiaalsetel väärtustel. Heitke pilk joonisele 5.3. Vasakus ülanurgas oleva nelja ruudu sees olevad numbrid näitavad, ruudu küljepikkusi. Seega, kuigi visuaalselt kujutasime oma joonisel ruute sama suurusega, siis tegelikult on kõrvutiasetsevate ruutude pindala kordades erinev. Lihtsam on joonistada neli ruutu sama füüsilise suurusega ja lihtsalt numbriga tähistada, kui et ruudu tegelikku suurust eksponeerida. Joonise keskosas on toodud ruudud, mis näitavad nelja ruudu tegelikku suhtelist suurust. 7 JOONIS 5.3 Logaritmiline/lineaarne võrdlus Mis siis, kui meil oleks pildil veelgi rohkem ruute, näiteks 10? Esitades ruute ühesuguse suurusega, on neid lihtsam joonisele paigutada, nagu on näidatud vasakus alanurgas olevate ruutudega. Selles näites, kui püüdsime näidata tegelikke suuruse erinevusi, nagu me tegime joonise keskel, ei suutnud me seda joonist juba nelja eri väärtuse puhul ühele leheküljele mahutada. Tegelikult ei pruugi isegi ruumis, kus viibite, olla piisavalt ruumi, et saaksite üles joonistada tegelikku kiirgusmustrit esitava diagrammi, kuna logaritmilise skaala jaotise väärtused muutuvad niivõrd drastiliselt. Üks reeglitest, mida juba selgeks õppisite, oli 6 dB reegel, mis ütleb, et 6 dB võrra võimsuse vähenemine vähendab signaali efektiivset levikaugust poole võrra. Võimsuse vähenemine 10 dB võrra vähendab signaali läbitavat efektiivset kaugust ligikaudu 70 protsendi võrra. Joonisel 5.4 kuvatakse vasakpoolsel polaarkaardil ringsuunalise antenni kõrgusdiagrammi logaritmiline kujutis. Tavaliselt leiate sellise diagrammi antenni brošüürist või spetsifikatsioonilehelt. Logaritmilise diagrammi lugemisel peate meeles pidama, et iga 10 dB suuruse vähenemise korral signaalitugevuse maksimumist kahaneb tegelik levikaugus 70 protsenti. Iga kontsentriline ring sellel logaritmilisel diagrammil tähistab muutust 5 dB võrra. Joonisel 5.4 on kujutatud ringsuunalise antenni kõrgusdiagrammi logaritmiline muster koos selle katvuse lineaarse ümberesitusega. Pange tähele, et suunadiagrammi esimene kõrvalleht on umbes 10 dB nõrgem kui pealeht. Ärge unustage võrrelda, kus asetsevad mustrilehed kontsentriliste ringide suhtes. Jooniselt nähtuv 10 dB suurune langus logaritmilise skaalaga diagrammil on võrdne lineaarsel skaalal esitatava vahemiku 70-protsendilise võimsuse kahanemisega. Mõlemat diagrammi võrreldes näete, et (vasakpoolsel) logaritmilisel diagrammil 8 olulistena tunduvad külglehed näivad lineaarsele normaliseeritud diagrammile ümberviimisel sisuliselt ebaolulistena. Nagu näha, on sellel ringsuunalisel antennil väga vähe vertikaalset katvust. JOONIS 5.4 Ringsuunaline polaarkaart (E-tasapind). Allikas: blogi @AmitPindoria Veel ühe võrdluse andmiseks on joonisel 5.5 näidatud suundantenni kõrgusdiagrammi logaritmiline muster koos selle antenni vertikaalse leviala lineaarse esitusega. Pöörasime polaarkaarti selle küljele, et tekiks paremini visualiseeritud seos hoone külgseinale paigaldatud antenniga, mis on suunatud teisele hoonele. JOONIS 5.5 Suundantenni polaarkaart (E-tasapind). Allikas: blogi @AmitPindoria Peakiire laius Paljudel taskulampidel on reguleeritav reflektor, mis võimaldab kasutajal valguse kontsentratsiooni valgustataval alal laiendada või koondada. RF-antennid on võimelised fokusseerima neist kiirgavat võimsust, kuid erinevalt taskulampidest pole tavapärased antennid reguleeritavad. Kasutaja peab enne antenni ostmist otsustama, kui suurele alale signaali saate- või vastuvõtu fokusseeritust soovitakse. 9 Pealehe laius on üheks mõõdetavaks suuruseks, mis näitab, kui lai või kitsas on antenni fookus — ja seda mõõdetakse nii horisontaalselt kui ka vertikaalselt. Selle mõõtmine toimub antennisignaali pealehe teljelt või tugevaima signaaliga punkti suhtes igas suunas piki horisontaal- ja vertikaaltelge, kus signaal väheneb poole võimsuseni (–3 dB), nagu on näidatud joonisel 5.6. Neid –3 dB punkte nimetatakse sageli poolvõimsuspunktideks. Kahe poolvõimsuspunkti vahelist kaugust horisontaalteljel mõõdetakse kraadides, mistõttu neis ühikutes saab esitada ka pealehe ulatust. JOONIS 5.6 Antenni pealehe laius Enamasti tuleb selleks, et teada saada, kas antenn vastab teie sidevajadustele, vaadata antenni tehnilist kirjeldust tootja antud spetsifikatsioonilehelt. Tootja lisab tehniliste kirjelduste juurde tavaliselt antenni horisontaalsete ja vertikaalsete pealehtede arvväärtused. Oluline on mõista, kuidas need numbrid arvutatakse. Protsessi illustreerib joonis 5.7. 10 JOONIS 5.7 Pealehe piirjoonte arvutamine 1. Määrake polaardiagrammi skaala. Sellel diagrammil tähistab välimine pidevjoon signaali tippväärtuse taset (X dB). Liikudes suunas 1 ringi keskpunkti poole, on järgmine pidevjoon –10 dB vähem kui tippsignaali tase, järgmine keskele lähemal on –20 dB vähem kui tippsignaali tase ja viimane pidevjoon on –30 dB vähem kui tippsignaali tase. Ringi keskele liikudes tähistavad punktiirjooned –5 dB, –15 dB ja –25 dB vähem kui tippsignaali taset. 2. Selle antenni pealehe piirjoonte määramiseks leidke diagrammilt punkt, kus antenni signaal on kõige tugevam. Selles näites on signaal kõige tugevam seal, kus number 1 nool osutab. 3. Liikuge mööda antenni kiirgusmustrit tippväärtusest eemale (nagu on näidatud kahe number 2 noolega), kuni jõuate punktini, kus antennimuster on 3 dB diagrammi keskpunktile lähemal (nagu on näidatud kahe number 3 noolega). Sellepärast pidite kõigepealt teadma diagrammi ulatust. 4. Joonistage igast punktist joon polaardiagrammi keskele (nagu on näidatud tumedate punktiirjoontega). 5. Antenni pealehe arvutamiseks mõõtke nende joonte vaheline kaugus kraadides. 11 Selles näites on kujutatud antenni pealehe laius umbes 28 kraadi. Oluline on mõista, et kuigi suurem osa genereeritavast RF-signaalist on fokuseeritud antenni pealehe ulatusse, võib märkimisväärne hulk signaali siiski kiirguda väljapoole seda ala, nn antenni külg- või tagakonstruktsioonidelt (kõrvallehtedesse). Kui vaatate erinevate antennide asimuutkaarte, märkate, et mõned neist külg- ja tagakülgede kiirgusnivoodest on üsna märkimisväärsed. Kuigi nende kõrvallehtede signaal on drastiliselt väiksem kui pealehe signaal, on need töökindlad ja teatud rakendustes väga funktsionaalsed. Kui joondate punkt-punkt-lingi antenne, on oluline, et veenduksite, et need on tegelikult joondatud pealehe, mitte mõne kõrvallehe teljega. Tabelis 5.1 on näidatud 802.11 sides kasutatavate antennide tüübid. TABEL 5.1 Antenni peakiire laius Antenni tüüp Horisontaalne pealeht Vertikaalne pealeht (laius kraadides) (laius kraadides) Ringsuunaline 360 7 kuni 80 Paneel 30 kuni 180 6 kuni 90 Jagi 30 kuni 78 14 kuni 64 Sektor 60 kuni 180 7 kuni 17 Parabool 4 kuni 25 4 kuni 21 Antennitüübid Antennid jaotuvad kolme peamisse kategooriasse: Ringsuunalised Ringsuunalised antennid kiirgavad raadiosageduslikke võnkumisi sarnaselt sellega, kuidas lae- või põrandalamp ruumi valgustab. Need on loodud pakkuma üldist katvust horisontaalselt kõigis suundades. Väikese suunateguriga antennid Väikese suunateguriga antennid kiirgavad raadiosagedusi sarnaselt sellega, kuidas seinalamp valgustab ruumi seinast eemale või kuidas tänavalamp valgustab tänavat või parklat, valgustades suurema intensiivsusega mõnd väiksemat ala. Suundantennid 12 Suure suunateguriga suundantennid kiirgavad raadiosagedusi sarnaselt sellega, kuidas auto esilaternate valgusvihk kaugtuledele lülitatult auto ees teed valgustab. Iga antennitüüp on loodud erinevat eesmärki silmas pidades. MÄRKUS. Oluline on siinkohal märkida, et ehkki toome näiteid antennide talitlusest võrdluses valgusallikatega, on tegeliku raadiosageduste spektri (2-6 GHz) ulatusse jäävad signaalid võimelised ka teatud objekte (põõsaid, majaseinu, sõidukeid jt takistusi) läbima. Seetõttu ei saa valgusvihu analoogiat siinkohal pidada päris täpseks leviomaduste kirjeldamise viisiks, ent see võte annab esmakordselt teemaga tutvumisel vihje, kuidas raadiosageduste levikut (mis toimub inimsilmale nähtamatult) lihtsamalt visuaalse analoogia kaudu edasi anda. Lisaks sellele, et antennid töötavad kiirguritena ja fokuseerivad edastatavat signaali, töötavad antennid ka vastupidises suunas – nad koguvad ruumist ka vastuvõetud signaale. Kujutage nüüd ette, et kõnnite öösel linnast väljas ja vaatate pilvitut tähistaevast. Esmapilgul on taevas üsna pime ja selles siravad üksikud valgustäpid (tähed). Kui aga vaataksite sama tähte läbi binokli, tunduks see palju eredam. Kui kasutaksite vaatluseks teleskoopi, tunduks see veelgi eredam. Antennid toimivad sarnaselt. Nad mitte ainult ei võimenda edastatavat signaali, vaid võimendavad ka vastuvõetud signaali. Suundmikrofonid töötavad samamoodi, võimaldades näiteks spordiülekannetel osalejate intervjueerimisel puhtamat heli või sportlaste omavahelist vestlust eemalt paremini salvestada. RINGSUUNALISED ANTENNID Ringsuunalised antennid kiirgavad RF-signaali igas suunas. Väike kummiga kaetud dipoolantenn, on klassikaline näide ringsuunalisest antennist ja on paljude WiFi-ruuteritega kaasas olev antenn. Tänapäeval on küll kummi asemel enamasti plastkate. Täiuslik ringsuunaline antenn kiirgaks raadiosagedussignaali võrdselt kõigis suundades, nagu teoreetiline isotroopne kiirgur. Isotroopse kiirguri lähim reaaleluline vaste on ringsuunaline dipoolantenn. Lihtsaim viis tüüpilise ringsuunalise (omni-antenni) kiirgusmustri olemuse selgitamiseks on hoida oma sõrme otse üles suunatuna (see esindab antenni varrast) ja asetada sellele kujuteldav sõõrik (see esindab raadiosagedusliku signaali levijaotust). Kui lõikaksite nüüd selle sõõriku pooleks horisontaalselt (nagu kavatseksite sellele võid peale määrida), siis sõõriku lõigatud pind esindaks ringsuunalise antenni asimuutjaotust ehk H-tasandit. Kui võtaksite teise sarnase sõõriku ja lõikaksite selle vertikaalselt pooleks, siis lõigatud pind (sõõriku püstlõikepind) esindaks nüüd ringsuunalise antenni vertikaalset levimustrit ehk E-tasandit.. 13 4. peatükist õppisite, et antennid saavad fokuseerida või suunata signaali, mida nad edastavad. On oluline teada, et mida suurem on antenni dBi või dBd väärtus, seda fokusseeritum on signaal. Ringsuunaliste antennide puhul võib tekkida kiusatus küsida, kuidas on võimalik fokuseerida signaali, mis kiirgab igas suunas. Ent suurema võimendusega ringsuundantennidega vähendatakse vaid vertikaalsihis jaotuvat signaali ja suurendatakse selle arvelt horisontaaltasandile kiiratavat võimsust. Joonisel 5.8 on kujutatud kolme teoreetilise antenni levimustrit vertikaaltasandil. Pange tähele, et suurema võimendusega antennide signaal on rohkem ülalt ja alt kokku surutud või teisisõnu fokusseeritud horisontaalselt. Ringsuunaliste antennide horisontaalne peakiir on alati laiusega 360 kraadi, ent vertikaalsihis on peakiire laius sõltuvalt konkreetsest antennist vahemikus 7 kuni 80 kraadi. JOONIS 5.8 Ringsuunaliste antennide vertikaalsed kiirgusmustrid Suurema võimendusega ringsuunaliste antennide kitsama vertikaalse katvuse tõttu on oluline hoolikalt planeerida, kus neid kasutada. Ühe sellise suurema võimendusega antenni paigutamine hoone esimesele korrusele võib tagada sellel korrusel hea katvuse, kuid kitsa vertikaaltasapinnalise pealehe tõttu ei pruugi olla signaali võimsust piisavalt teise ja kolmanda korruse tarvis. Igal konkreetsel juhtumil tuleb lähtuda pigem kasutajate vajadustest. Sisepaigaldistes kasutatakse tüüpiliselt madala võimendusega ringsuunalisi antenne, mille võimendus on umbes 2,14 dBi. Antennide füüsiline konstruktsioon on kõige tõhusam, kui vibraatorelemendi pikkus on lainepikkuse (λ) paarisosa (näiteks 1/4 või 1/2) või lainepikkuse kordne. 2,4 GHz poollaine dipoolantenn (vt joonis 5.9) koosneb kahest elemendist, millest kumbki on 1/4 lainepikkust (umbes 1 toll, 25,4 mm) pikk ja suunatud teineteise suhtes vastassuunas. Suurema võimendusega ringsuunalised antennid konstrueeritakse 14 tavaliselt mitme dipoolantenni üksteise peale kokku ühendamise teel ja neid nimetatakse kollineaarseteks antennideks. Kõrvaloleval joonisel a) ongi kujutatud algset Franklini dipooli, ning b) selle idee füüsilise realisatsiooni eskiisi. Taolise konstruktsiooniga WiFi-antennid olid veel mõned aastad tagasi väga levinud. Joonis 5.9. Kollineaarse ringsuunadiagrammantenni konstruktsioon (Allikas: Polivka, M., Holub, A., & Mazanek, M. (2005). Collinear microstrip patch antenna. RADIOENGINEERING-PRAGUE-, 14(4), 40.) Ringsuunadiagrammiga antennid on tavaliselt kasutusel punkt-multipunkt-tüüpi sidesüsteemides või levikeskkondades. Ringsuunadiagrammiga antenn on ühendatud seadmega (nagu pöörduspunkt), mis asub klientseadmete rühma keskel, pakkudes keskset ühenduvust ümbritsevatele klientidele. Suure võimendusega ringsuunadiagrammiga antenne saab kasutada ka välitingimustes mitme hoone Joonis 5.10. Ringsuunadiagrammiga antenni kasutamine punkt-multipunkt-lahenduses ühendamiseks punkt-multipunkt-konfiguratsioonis. Keskses hoones (A) oleks sel juhul katusel ringsuunadiagrammiga antenn, samas kui ümbritsevatel hoonetel (B, C) oleksid suundantennid, mis on suunatud kesksele hoonele. Selles konfiguratsioonis on oluline tagada, et ringsuunadiagrammiga antenni võimendus oleks piisav, et tagada vajalik leviala, kuid mitte liiga suur, et vertikaalsihis peakiire laius poleks liiga kitsas ja ei tagaks seetõttu piisavat signaali ümbritsevatele hoonetele paigutatud suundantennide tasandis. Näiteks hoone B jääb küll kauguse poolest antenni A pealehe leviulatusse, ent kuna hoone A on suhteliselt kõrgemal, „ei ulata“ hoonele B paigaldatud suundantenn ringsuunadiagrammiga kiiratud energiat ruumist tuvastama, mistõttu ei ole sellisel juhul suurema võimendusteguriga ringsuunadiagrammiga antenni kasutamine otstarbekas. Joonisel 5.10 näidatud probleemi lahendamiseks 15 kasutatakse suure võimendusega ringsuunaliste antennide asemel allapoole kallutatavate sektorantennide massiive. Sektorantenne käsitletakse käesolevas peatükis hiljem. VÄIKESE SUUNATEGURIGA ANTENNID Erinevalt ringsuunalistest antennidest, mis kiirgavad RF-signaali kõigis suundades, on väikese suunateguriga antennid mõeldud signaali suunamiseks kindlas suunas. Väikese suunateguriga antenne kasutatakse lühi - ja keskmaasideks, kaugsidet teenindavad suure võimendusega (suunateguriga) suundantennid. Järgmised kolme tüüpi antennid sobivad väikese suunateguriga antennide kategooriasse: • Planaarantenn (patch antenna) • Paneelantenn • Jagiantenn Planaar- ja paneelantennid, nagu on näidatud joonisel 5.11, on täpsemalt klassifitseeritud või neid nimetatakse tasapinnalisteks antennideks. Planaarantenni nimetus viitab antenni sees olevate kiirgurelementide kujundamise konkreetsele viisile. Täpsemalt on tegu võreantenni eriliigiga, kus võre elemendid on paigutatud ristkülikukujulisele aluspinnale. Kahjuks on saanud tavaks kasutada termineid planaar- ja paneelantenn segiläbi. Kui te pole antenni spetsiifilises konstruktsioonis kindel, on parem seda nimetada planaarantenniks. JOONIS 5.11 Planaarantenni välisvaade ja sisemine antennielement Neid antenne saab kasutada välitingimustes punkt-punktsidelahendustes, kaugusteni kuni umbes 1,5 km, kuid neid kasutatakse veelgi sagedamini keskseadmetel, luues siseruumis üht suunda katvat leviala suuremale hulgale klientidele. Tasapinnalisi antenne saab tõhusalt kasutada raamatukogudes, ladudes ja jaekauplustes, kus on pikad riiulite vahekäigud. Kõrgete ja pikkade riiulite tõttu on ringsuunaliste antennide kasutamisel sageli raskusi raadiosagedusliku leviala tõhusa kindlustamisega. Seevastu tasapinnalised antennid saab paigutada hoone külgseintele kõrgemale, suunates nende peakiire läbi riiuliridade. Antenne saab ridade vahele paigutada vaheldumisi, kusjuures iga teine antenn 16 asetatakse vastasseinale. Kuna tasapinnalise antenni horisontaalne peakiire laius on 180 kraadi või vähem, kiirgab signaali hoonest väljapoole minimaalsel hulgal (ja ka vastupidi). Enne 802.11 MIMO raadiomoodulite tulekut kasutati planaar- ja paneelantenne siseruumides koos pärandtehnoloogia 802.11/a/b/g raadiotega, et aidata vähendada peegeldusi ja loodetavasti vähendada mitmekiirelise levi negatiivseid mõjusid. Väikese suunateguriga antenne kasutati sageli intensiivsema mitmekiirelise levi keskkonnas, näiteks ladudes või jaekauplustes, kus oli palju metallist riiuleid ja/või -kappe. MIMO-tehnoloogia abil ei ole mitmekiirelise levi vähendamiseks enam vaja planaar- ja paneelantenne, sest mitmekiireline levi on MIMO-tehnoloogiaga kooskõlas ja tänapäevasemate standardite kontekstis pigem kasulik. 802.11n ja 802.11ac MIMO-planaarantenne kasutatakse endiselt siseruumides, kuid hoopis teisel põhjusel. Kõige tavalisem kasutusjuhtum MIMO planaarantenni paigaldamiseks siseruumidesse on suure klienditihedusega keskkond. Suure klienditihedusega keskkonda võib kirjeldada kui väikese ulatusega ala, kus on palju WiFi-kliendiseadmeid. Näiteks võib siin olla kooli võimla või koosolekusaal, milles viibijad kasutavad üheaegselt mitut WiFi-seadet. Suure klienditihedusega stsenaariumi korral ei pruugi ringsuunaline antenn olla katvuse jaoks parim lahendus. MIMO planaar- ja paneelantennid on sageli paigaldatud lakke või seinale ja suunatud allapoole, et pakkuda tihedamaid leviala "sektoreid". Arutelu siseruumides asuvate MIMO-planaarantennide kohta leiate peatükist 13 "WLAN-i disainikontseptsioonid". Joonisel 5.12 on näidatud jagiantenni. Sellist tüüpi antenne kasutatakse tavaliselt lühikese kuni keskmise vahemaaga punkt-punkt-lahendustes sidepidamiseks kauguseni kuni umbes 3 km, kuigi suure võimendusega jagiantenne saab kasutada ka veel pikemate vahemaade jaoks. JOONIS 5.12 Yagi antenni väliskülg ja sisemine antennielement Väikese suunateguriga antennide teine eelis on see, et neid saab paigaldada kõrgele seinale ja kallutada allapoole kaetava ala poole. Seda ei saa teha ringsuunalise antenniga, ilma et antenni vastasküljele moodustuva pealehe tasand samaaegselt ülespoole ei kalduks. 17 Joonisel 5.13 on kujutatud tüüpilise väikese suunateguriga paneelantenni kiirgusmustrid. Pidage meeles, et need on konkreetse antenni tegelikud asimuudi- ja kõrguskaardid ning et igal antenni tootjal ja mudelil on veidi erinev kiirgusmuster. JOONIS 5.13 Tüüpilise väikese suunateguriga paneelantenni kiirgusmuster SUURE SUUNATEGURIGA ANTENNID Väga suure suunateguriga antenne kasutatakse rangelt punkt-punkt-tüüpi sidelahendusteks, tavaliselt võrkude kokku ühendamiseks kahe asukoha vahel. Seda tüüpi antennidel on kõige fokusseeritum ja kitsam peakiir. Väga suure suunateguriga suundantenne on kahte tüüpi: paraboolantennid ja võreantennid. Paraboolantennid Paraboolantenni konstruktsioon sarnaneb välimuselt väikeste digitaalsete satelliittelevisiooni antennidega, mida võib näha paljude majade seintel või katustel. Võreantennid Nagu näidatud joonisel 5.14, sarnaneb võreantenn grillirestiga, mille servad on veidi sissepoole kumerad. Võreantenni võresammu määrab sageduste lainepikkus, mille jaoks antenn on mõeldud. 18 JOONIS 5.14 Võreantenn (http://www.ventevinfra.com). Väga suure suunateguriga suundantennid sobivad suure võimenduse tõttu ideaalselt pikemate vahemaade puhul punkt-punkt-tüüpi sideks. Pikkade vahemaade ja kitsa peakiire tõttu mõjutab sellist tüüpi antenne tugevasti tuulekoormus, mis põhjustab antenni hälbimist oma fikseeritud asendist. Suure suunateguriga antenni minimaalseim liikumine võib põhjustada RF-peakiire suunamist vastuvõtuantenni sihilt kõrvale, katkestades või halvendades RF-sidet. Tugevama tuulega paikades (mere lähialad, saared jt) on võreantennide kasutamine eelistatum, kuna nende vastuvõtlikkus tuulekoormusele on traatvõre tõttu väiksem võrreldes paraboolantennidega. 19 Teine võimalus tugevamate tuultega asukohtades on valida laiema peakiirega antenn. See võimaldaks ka juhul, kui antenn peaks veidi sihilt kõrvale kalduma, signaali ikkagi vastu võtta. Ent laiem peakiir tähendab väiksemat võimendust. Kui kasutatakse täismetallist paraboolantenni, on tungivalt soovitatav katta see kaitsekattega (radoomiga), mis aitab teatud määral tuulekoormuse mõju kompenseerida. Olenemata sellest, millist tüüpi antenn on paigaldatud, on kinnituse ja antenni kvaliteedil ülisuur mõju tuulekoormuse vähendamisele. SEKTORANTENNID Sektori antennid on spetsiifilist tüüpi suure võimendusega väikese suunateguriga antennid, mille peakiire kuju meenutab pirukat. Need antennid paigaldatakse tavaliselt soovitava raadiosagedusliku leviala keskele ning ühendatakse teiste samasuguste antennidega omavahel rühmana kokku, moodustades nii sektorantennide maatriksi. Mitme sektorantenni kombineerimise teel saab moodustada 360 kraadi katvusega leviala. Erinevalt teistest väikese suunateguriga antennidest genereerib sektorantenn tagaküljel väga vähesel määral RF-signaali ja seetõttu ei häiri see teisi samasse sektorisse ühendatud antenne. Sektorantenni horisontaalne peakiir on 30 kuni 180 kraadi, kitsam vertikaalsihis peakiir 7 kuni 17 kraadi. Sektorantennide võimendus on tavaliselt vähemalt 10 dBi. Sektorantennide rühmiti sektoriks kokku ühendamine piirkonna ringsuunalise katvuse tagamiseks pakub ühe ringsuundantenni paigaldamisega võrreldes palju eeliseid: • Kõigepealt saab sektorantenne paigaldada looduses kõrgemale (masti tippu) ja kallutada veidi allapoole, kusjuures iga antenni kallet saab valida just selles suunas maastikuga sobiva nurga all. Ringsuundantennni saab samuti paigutada kõrgemale; kui aga ringsuundantenn on ühele küljele kallutatud, kerkib vastaskülje pealehe kesktelg ülespoole. Lisaks võib kõrgemate (sõrestik)mastide puhul osutuda võimatuks antenni viia kõige tippu; sel puhul jääb antenni levialast alles ca 300 kraadi, kuna mastikonstruktsiooni metallsõrestik varjab peakiire osaliselt. • Kuna iga antenn katab eraldi ala, saab iga antenni ühendada eraldi transiiveriga ning see võib edastada ja vastu võtta teistest antennidest sõltumatult. • See annab võimaluse kõigile antennidele edastada üheaegselt, pakkudes palju suuremat läbilaskevõimet. Üks ringsuunaline antenn on võimeline edastama korraga ainult ühele seadmele. 20 • Sektorantennide viimane eelis ühe ringsuunalise antenni ees on see, et sektorantennide võimendus on palju suurem kui ringsuunalise antenni võimendus, pakkudes seetõttu palju suuremat leviala. Valdavalt on sektorantenne laialdaselt kasutusel mobiiltelefonisides ja neid leiab WiFi-lahendustes rakendatuna harva. Sektorantenne kasutavad mõned traadita Interneti-teenuse pakkujad (WISP) mõnikord WiFi lahendustes viimase miili välilevi tagamiseks. Siin aga on oht sattuda pahuksisse kehtivate TTJA sätestatud EIRP piirangutega, seetõttu viimasel ajal selliseid lahendusi kasutatakse äärmiselt vähe. Välisektorantenne kasutatakse WiFi- lahendusteks aeg-ajalt staadionitel. Joonis 5.15. Vaade mobiilsidemastile (pildi autor: H. Jürjens) ANTENNIVÕRE Antennivõre on kahest või enamast antennist koosnev antennirühm, mis on katvuse tagamiseks omavahel integreeritud. Need antennid töötavad koos, et saavutada tulemus, mida nimetatakse kiiremoodustamiseks (ingl k Beamforming). Kiiremoodustamine on meetod raadiosagedusliku energia kontsentreerimiseks teatud kliendiseadmete poole jäävasse ruumiossa. Signaali kontsentreerimine tähendab, et signaali võimsus on sihitud kliendi suunas suurem; seetõttu peaks ka kliendi vastuvõtjas SNR olema suurem, mis võimaldab parema kvaliteediga (kiiremat) andmeülekannet. Kiiremoodustamist on kolme erinevat tüüpi: • Staatiline kiiremoodustamine (ingl k static beamforming) • Dünaamiline kiiremoodustamine (ingl k dynamic beamforming) • Edastava kiire moodustamine (ingl k transmit beamforming) Järgmised lõigud selgitavad kõiki neid kiiremoodustamise meetodeid. Staatiline kiiremoodustamine Staatiline kiiremoodustamine toimub suundantennide abil, et kombineerida fikseeritud kiirgusmuster. Staatiliseks kiiremoodustamiseks kasutatakse mitut suundantenni, mis on klastrisse koondatud, kuid suunatud keskpunktist või pöörduspunkti asukohast eemale. Staatiline kiiremoodustamine on lihtsalt veel üks termin, mida aeg-ajalt kasutatakse siseruumides kasutatavale sektorimassiivile viitamisel. WiFi-seadmete tootja Riverbed/Xirrus toodab siseruumide sektormassiivi pöörduspunkti lahendusena. Dünaamiline kiiremoodustamine Dünaamiline kiiremoodustamine fokusseerib raadiosagedusliku energia kindlas suunas ja kindlal kujul. Nagu staatiline kiiremoodustamine, on peakiire suund ja kuju fokuseeritud. Erinevalt staatilisest kiirgusmustrist võib aga siin signaali kiirgusmuster muutuda kaadripõhiselt. See võib anda igale jaamale 21 sideseansi ajaks optimaalse võimsuse ja signaali. Nagu on näidatud joonisel 5.15, kasutab dünaamiline kiiremoodustamine adaptiivset antennivõret, mis manipuleerib peakiirt edastuse ajaks vastuvõtja suunas. Seda tehnoloogiat nimetatakse sageli nutika antenni (ingl k smart antenna) tehnoloogiaks või kiirejuhtimiseks (ingl k beam steering). Dünaamilise kiiremoodustamise võimalused pole aga kliendi poolel saadaval. JOONIS 5.15 Dünaamiline kiiremoodustamine—adaptiivne antennimassiiv Dünaamiline kiiremoodustamine võib fokuseerida antennivõre peakiire üksikkliendi suunas allalülis unicast-edastuseks pöörduspunkti ja sihitud kliendi vahel. Siiski kõik levisaatekaadrid, näiteks majakapaketid, edastatakse ringsuunalise peakiiremustri abil, nii et pöörduspunkt saaks suhelda kõigi lähedalasuvate kliendijaamadega mis tahes suunas. Ehkki joonis 5.15 illustreerib seda kontseptsiooni, sarnaneb tegelik peakiire muster tõenäoliselt rohkem joonisel 5.13 näidatud antenni tekitatud signaalimustriga. Edastava kiire moodustamine (Transmit Beamforming) Edastava kiire moodustamine (TxBF) viiakse läbi, edastades mitu tahtliku faasinihkega signaali koopiat lootuses ja kavatsusega, et need jõuavad sellesse kohta, kus vastuvõtja asub, faasi nihkununa. Erinevalt dünaamilisest kiiremoodustamisest ei muuda TxBF antenni kiirgusmustrit ja tegelikku konkreetselt kliendi poole suunatud peakiirt ei eksisteeri. Tegelikult ei ole edastava kiire moodustamine isegi mitte antennitehnoloogia, vaid pigem liigitub edastavas seadmes rakendatavaks digitaalseks signaalitöötlustehnoloogiaks, mis dubleerib edastava signaali mitmesse antenni, et kombineeritud signaali saaks kliendi juures optimeerida. Mitmest antennist edastatavate signaalide faasi hoolikas juhtimine parandab aga võimendust, jäljendades selle tehnoloogia rakendamise kaudu justkui suurema võimendusega suundantenni. Edastava kiire moodustamine on seotud seega edastusülekannete faasinurga reguleerimisega. Standardi 802.11n muudatusega määratleti kahte tüüpi edastava kiire moodustamist: ilmutamata (implicit) TxBF ja ilmutatud (explicit) TxBF. Ilmutamata TxBF kasutab saateahelate faasierinevuste optimeerimiseks ilmutamata kanaliekvalaiseri töötlusprotsessi. Ilmutatud TxBF aga nõuab jaamadelt tagasisidet, et määrata iga signaali jaoks vajalik faasinihke suurus. Standard 802.11ac muudatus 22 määratleb ilmutatud TxBF-i, mis nõuab kanali mõõtesignaalikaadrite kasutamist ning nii saatja kui ka vastuvõtja peavad toetama kiiremoodustamist. Standardit 802.11ac käsitletakse üksikasjalikumalt eraldi peatükis. Visuaalne otsenähtavus Kui valgus liigub ühest punktist teise, peetakse selle leviteekonda takistusteta sirgjooneks, mida seetõttu nimetatakse otsenähtavuseks (LOS). Ideaalis peaks see levitee olemagi sirgjoon, kuid valguse murdumise, difraktsiooni ja peegelduse võimaluse tõttu ei pruugi see alati nii olla. Kui olete kuumal suvepäeval vaadanud piki tasast teed kaugusse ja märganud mõnd paigalseisvat objekti, olete võib-olla märganud, et teelt tõusva sooja õhu väreluse tõttu tundus objekt, mida vaatasite, liikuvat. See on näide sellest, kuidas visuaalne otsenähtavus (LOS) mõnikord veidi alt veab. Raadiosageduslik otsenähtavus Punkt-punkti raadiosageduslikul sidel peab olema ka takistusteta vaateväli kahe antenni vahel. Niisiis, esimene samm point-to-point süsteemi paigaldamiseks on veenduda, et ühe antenni paigalduspunktist on teil takistusteta vaba tee teise antennini. Kahjuks ei piisa alati sellest, et RF-side korralikult töötaks. Raadioside toimimiseks on visuaalse otsnähtavuse peatelje ümber olema lisaks veel vaba ruumi, milles puuduvad takistused. Seda visuaalset joont ümbritsevat ruumiosa (ümbritsevat ala) tuntakse Fresneli tsoonina ja seda nimetatakse sageli RF-otsenähtavuseks. Fresneli tsoon Fresneli tsoon on kujuteldav, piklik, ragbipalli (Ameerika jalgpall) kujuline ala, mis ümbritseb visuaalse otsenähtavustee kesktelge kahe punkt-punkt-tüüpi raadiolingi antenni vahel. Joonisel 5.16 on kujutatud Fresneli tsooni jalgpallilaadset kuju. JOONIS 5.16 Fresneli tsoonid 23 Teoreetiliselt on visuaalset LOS-i ümbritsev lõpmatu arv Fresneli tsoone või kontsentrilisi ellipsoide (jalgpalli kuju). Lähim ellipsoid on tuntud kui esimene Fresneli tsoon, järgmine on teine Fresneli tsoon ja nii edasi, nagu on kujutatud joonisel 5.16. Lihtsuse huvides ja kuna need on selle jaotise jaoks kõige asjakohasemad, kuvatakse üldiselt joonistel enamasti ainult kaht esimest Fresneli tsooni. Järgnevad Fresneli tsoonid mõjutavad sidet vähe. Kui esimene Fresneli tsoon muutub isegi osaliselt takistatuks, mõjutab see negatiivselt RF-side terviklust. Lisaks ilmsele peegeldusele ja hajumisele, mis võib tekkida, kui kahe antenni vahel on takistusi, saab RF-signaali difrageerida või painutada, kuna see läbib Fresneli tsooni jäänud takistuse. See signaali difraktsioon vähendab antenni poolt vastu võetava raadiosagedusliku energia hulka ja võib isegi põhjustada sideühenduse täieliku puudumise. Joonisel 5.17 on kujutatud kahe kilomeetri pikkune link. Ülemine pidevjoon on sirgjoon ühe antenni keskteljelt teise antenni keskteljele. Punktiirjoonega on näidatud kaugus, mis jääb 60 protsendi ulatusse esimese Fresneli tsooni alumisest piirjoonest, mida on joonisel näidatud alumise pidevjoonega. Puud on potentsiaalsed takistused selle levitee läheduses. JOONIS 5.17 Fresneli tsooni vahekaugused 60 protsenti ja 100 protsenti Mitte mingil juhul ei tohiks lubada tõkestada enam kui 40 protsenti välitingimustes asuva punkt-punkti sillaühenduse esimest Fresneli tsooni. Takistused, mis varjavad seda tsooni suuremas ulatuses, muudavad sideühenduse tõenäoliselt ebausaldusväärseks. Isegi alla 40-protsendiline takistus kahjustab tõenäoliselt lingi jõudlust. Seetõttu on parimaks soovituseks üldse mitte lubada esimese Fresneli tsooni takistamist, eriti metsastunud aladel, kus puude kasv võib tulevikus Fresneli tsooni varjama hakata. Tüüpilised takistused, millega tõenäoliselt kokku puutute, on puud ja hooned. Oluline on oma linki perioodiliselt visuaalselt kontrollida, veendumaks, et puuoksad ei ole Fresneli tsooni jõudnud sirguda või et pole ehitatud hooneid, mis Fresneli tsooni tõkestavad. Ärge unustage, et Fresneli tsoon eksisteerib visuaalse otsenähtavusjoone ümbruses, nii all, selle külgedel kui ka kohal. Kui Fresneli tsoon on takistatud, peate kas antenni liigutama (tavaliselt tõstma) või leidma mõne alternatiivse viisi raadiolingi ümberehitamiseks. Et teha kindlaks, kas takistus võiks varjata Fresneli tsooni, tuleb end tuttavaks teha veel mõne valemiga, mis võimaldavad teil selle raadiust arvutada. 24 Esimene valem võimaldab teil arvutada esimese Fresneli tsooni raadiuse kahe antenni vahele tõmmatud mõttelise sirgjoone keskpunktis, kus Fresneli tsooni diameeter on suurim. See valem on järgmine: 𝑅 = 17,32 𝐷 , 4𝐹 𝑘𝑢𝑠 D = lingi kaugus (meetrit) F = saatesagedus (GHz) Kuna raadius R on nüüd arvutatav punktis, kus Fresneli tsooni laius on suurim, saab tulemust kasutada antennide minimaalse kõrguse määramiseks maapinnast (või maapinnal olevatest takistustest, kui nende kohta on andmeid). Maksimaalse Fresneli tsooni raadiuse väärtuse teadmine on tähtis, sest kui asetate antennid lingi otspunktides liiga madalale, lõikaks maapind Fresneli tsooni ja põhjustaks side halvenemist. Probleem on selles, et kui antennide vahelisel alal asub teadaolev objekt kusagil mujal kui täpselt kahe antenni vahelises keskpunktis, ei ole selle võrrandi abil võimalik Fresneli tsooni raadiust selles punktis arvutada. Siin tuleb meile appi järgmine valem, mida saab kasutada Fresneli tsooni raadiuse arvutamiseks kahe antenni vahelisel alal mis tahes punktis: 𝑅= 𝑁 ∗ d1 ∗ d2 𝐹∗𝐷 n = millist Fresneli tsooni te arvutate (tavaliselt 1 või 2) d1 = kaugus ühest antennist takistuse asukohani (km) d2 = kaugus takistusest teise antennini (km) D = antennide vaheline kogukaugus (km); (D = d1 + d2) F = sagedus GHz-des Joonisel 5.18 on kujutatud punkt-punkti sideühendus, mis on 10 km pikkusega. Seal on takistus (puu), mis on ühest antennist 3 km kaugusel ja 15 m kõrgune. Niisiis on Fresneli tsooni raadiuse R arvutamise väärtused ja valem antennist 3 km kaugusel asuvas punktis järgmised: N = 1 (esimese Fresneli tsooni puhul) d1 = 3 km; d2 = 7 km. 25 JOONIS 5.18 Punkt-punkti kommunikatsioon potentsiaalse takistusega Oluline on tagada, et vähemalt 60 protsenti Fresneli tsoonist jääks raadiolingi teekonnal takistusteta. Oletame, et peate kontrollima, kas 10 km pikkune raadiolink (D = 10) sagedusel (F=2,4 GHz) olukorras, kus kummalgi pool on antennid 40 m kõrgusel, on teoreetiliselt realiseeritav. Selleks arvutame esmalt välja Fresneli 1. tsooni raadiuse (R). Asendades väärtused valemisse, saame suurimaks raadiuseks 17,68 m. Seega lingi keskel, kaugusel 4,5 km tuleks tagada (ümardatult ülespoole täisarvudes) 60 protsenti maksimaalsest R väärtusest (18st 60% on ligikaudu 12 m). Seega peab antennide absoluutne minimaalne kõrgus olema 12 m (ümardatult ülespoole). Siiski ei saa reaalselt peaaegu kunagi tagada, et 10 km lingi puhul ei satuks kahe antenni vahelisele teele ühtki takistust. Ja lisaks veel – päris kindlasti tõestab järgnev peatükk, et maa ei ole päriselt lapik ja selle pinnal on olemas kumerus, mida tuleb samuti arvesse võtta. Seega tuleb maa kumeruse kompenseerimiseks antennid veelgi kõrgemale tõsta. Kui kasutatakse suure suunateguriga antenne, on signaali peakiire laius väiksem, kuna kiir on enam fokusseeritud. Nii mõnigi võib arvata, et väiksem peakiire ristlõike pindala peaks vähendama Fresneli tsooni suurust. See ei ole üldsegi nii. Fresneli tsooni suurus sõltub aga kasutatavast sagedusest ja lingi kaugusest. Kuna ainsad muutujad valemis on sagedus ja kaugus, on Fresneli tsooni suurus alati sama, olenemata antenni tüübist või peakiire laiusest. Esimene Fresneli tsoon on tehniliselt punktallika lähiümbrus, kus lained on samas faasis (täpsemalt, kuni 90-kraadise nihkega) punktallika signaali suhtes. Teine Fresneli tsoon on siis esimesest Fresneli tsoonist kaugemal asuv ala, kus lained on punktallika signaaliga juba suurema faasinihkega ja seetõttu faasist väljas. Kõik paarituarvulised Fresneli tsoonid on punktallika signaaliga faasis ja kõik paarisarvulised Fresneli tsoonid on faasist väljas. Kui sama sagedusega, kuid primaarsignaaliga faasist väljas olev RF-signaal liitub esmase signaaliga, põhjustab faasist väljas olev signaal primaarsignaali kuhtumist või isegi tühistamist. (Seda demonstreeriti 3. peatükis "Raadiosageduslikud alused", kasutades tarkvara EMANIM.) Üks viis, kuidas faasiväline signaal võib esmase signaali levikut takistada, on peegelduvus. Seetõttu on oluline punktpunkti side loomisel arvestada ka teise Fresneli tsooniga. Kui antennide kõrgus ja geograafia paigutus on sellised, et RF-signaal teisest Fresneli tsoonist peegeldub vastuvõtva antenni suunas, võib link 26 reaalsuses olla ebastabiilne. Ehkki seda võib juhtuda harva, tuleks ühenduse planeerimisel või tõrkeotsingul arvestada teise Fresneli tsooniga, kui kogu lingi ulatuses on tasane maa (kõrb) või ka veepind, samuti peaksite olema ettevaatlik metallpindade osas. Fresneli tsoon on oma olemuselt kolmemõõtmeline. Kui see on nii, siis kas midagi võib Fresneli tsooni takistada peakiire suhtes ülevalt või kõrvalt? Kuigi puud taevast ei kasva, võib mõnikord esineda vajadus ehitada raudtee- või maanteeviadukti alt läbi kulgev punkt-punkt-tüüpi raadiosildühendus. Nendes harvaesinevates situatsioonides tuleks kaaluda esimese Fresneli tsooni peakiirest ülespoole jäävat nõuetekohast kliirensit. Tavalisem stsenaarium oleks punkt-punkt-tüüpi linkide kasutuselevõtt linnakeskkonnas. Sageli tuleb luua hoonetevahelisi ühendusi, kus link kulgeb mõne kõrghoone vahetust lähedusest mööda. Sellistes olukordades võivad teised hooned varjate Fresneli tsooni peakiirest kummalegi poole. Siiani on kogu arutelu Fresneli tsooni üle seotud punkt-punkti kommunikatsiooniga. Fresneli tsoonid esinevad tegelikult kõikjal RF-sides; kuid välitingimustes punkt-punkt-tüüpi sidelahendustes võib selle tõttu tekkida kõige rohkem probleeme. Sisekeskkonnas on nii palju seinu ja muid takistusi, kus on juba nii palju peegeldust, murdumist, difraktsiooni ja hajumist, et Fresneli tsooni olemasolu ei mängi tõenäoliselt suurt rolli lingi õnnestumises või ebaõnnestumises. Maa kumerus Kui paigaldate pikamaa punkt-punkti RF-sidet, on veel üks muutuja, mida tuleb arvestada. Selleks on maapinna kumerus. Kuna maapinna profiil on kogu maailmas erinev, on võimatu määrata täpset kaugust, millal maa kumerus mõjutab sideühendust. Joonis 5.19. Maa kumeruse valemi selgitus Maa raadius on 6371 km (Wikipedia andmetel). Seega on Maa ümbermõõt M = 2 x  x r = 40 030 km. 27 Kuna meid huvitab kõrgus (h), mille võrra Maa kumerus kauguse kasvades meie raadiolinki takistama hakkab, saame ühe kilomeetri Maa pinnal avaldada kraadides: 360  / 40 030 = 0,009. Seega on nurk (a) avaldatav kui A = 0,009 x kaugus (d), millest h = r x (1 – cos a). See seos kehtib mis tahes d väärtuse puhul. Lisame siia lihtsuse huvides tabeli, kuhu on koondatud maa kumeruse suurus sõltuvalt sellest kuidas Maa kumerus kauguse suurenedes kasvab: Kaugus km 1 2 5 10 20 50 Maa kumerus, m 0,08 0,31 1,96 7,85 31,39 196,2 MÄRKUS. Kuna praktilises raadiotehnikas ei ole tihti sedavõrd suurt täpsust Maa kumeruse arvestamisel tarvis, kasutavad insenerid märksa lihtsamat valemit: ℎ= , mille rakendamisel saame järgmised tulemused: Kaugus km 1 2 5 10 20 50 Maa kumerus, m 0,125 0,5 3,125 12,5 50 312 Näeme, et viga küll suureneb kauguse kasvades oluliselt, ent kui arvestada, et enamasti me ei pea arvutama raadiolinke, mille kaugus on üle 20 km, ning kuna viga on alati suurenemise poole (ehk varuga), on see praktikas täiesti kasutatav. Nüüd on olemas kogu info, et hinnata, kui kõrgele antennid tuleb Maa pinnast paigaldada. Pidage meeles, et valemite alusel arvutatu on vaid hinnang, sest eeldatakse, et kahe antenni vaheline maastik ei varieeru. Seega on punkt-punkt-tüüpi lingi antennide paiknemiseks vaja välja arvutada järgmised parameetrid:: • Esimese Fresneli tsooni 60-protsendiline raadius • Maa kumeruse kõrgus • Fresneli tsooni tungida võivate takistuste kõrgus ja nende kaugus antennist 28 Kuigi eelkirjeldatud kolme komponenti määratlevad valemid on kasulikud, on hea uudis see, et te ei pea neid tegelikult peast teadma. Paljud neist valemitest on saadaval ka tasuta veebikalkulaatorite kujul. Üks selline ressurss on saadaval näiteks veebilehel https://www.omnicalculator.com/physics/fresnel-zone Antenni polarisatsioon Teine kaalutlus antennide paigaldamisel on antenni polarisatsioon. Kuigi see on vähem tuntud mure, on see töökindla sidelahenduse tagamiseks äärmiselt oluline. Mis tahes tüüpi antenni paigaldamisel on ülioluline saatja ja vastuvõtja(te) antennide õiges polarisatsioonis joondamine. Kuna lained kiirgavad antennist, võib lainete amplituud võnkuda kas vertikaalselt või horisontaalselt. Tugevaima võimaliku signaali vastuvõtmiseks on oluline, et edastavate ja vastuvõtvate antennide polarisatsioon oleks samamoodi orienteeritud. See, kas antennid on paigaldatud horisontaalse või vertikaalse polarisatsiooniga, ei ole iseenesest tavaliselt oluline, kui mõlemad antennid on joondatud sama polarisatsiooniga. Polarisatsioon ei ole siseruumides side planeerimisel nii oluline, sest RF-signaali polarisatsioon muutub sageli selle peegeldumisel, mis on siseruumides tavaline nähtus. Enamik pöörduspunkte kasutab madala võimendusega ringsuunalisi antenne, mis tuleks lakke paigaldada vertikaalse polarisatsiooniga. Sülearvutite tootjad ehitavad antennid kuvari servadesse. Kui sülearvuti kuvar on püstasendis, on ka sisemistel antennidel vertikaalne polarisatsioon. Kui joondate punkt-punkti või punkt-multipunkt-tüüpi välitingimustes töötavat sidelahendust, on õige polarisatsioon äärmiselt oluline. Kui antennide joondamisel saadud parim vastuvõetud signaali tase (RSL) on 15–20 dB väiksem kui teie hinnanguline RSL, on suur tõenäosus, et teil on ühel pool antenni polarisatsioon vale. Kui aga see erinevus eksisteerib ainult ühele poole keerates, ja teisel pool on suurema amplituudiga signaal, olete tõenäoliselt oma antenni joondanud mõnele kõrvallehele. Antenni hajuvastuvõtt (antenna diversity) Traadita võrgud, eriti sisetingimustes töötavad võrgud, on altid mitmekiirelisele levile. Selle efekti mõju kompenseerimiseks rakendatakse tavaliselt traadita võrguseadmetes, näiteks pöörduspunktides, antenni hajuvastuvõttu, mida nimetatakse ka ruumiliseks hajususeks. Antenni hajuvastuvõtt eksisteerib siis, kui pöörduspunktil on kaks või enam koos ühe vastuvõtja sisendis töötavat antenni, mille rakendamise abil vastuvõtja saab vähendada mitmekiirelise levi negatiivseid mõjusid. Kuna 802.11 traadita võrkudes kasutatavad lainepikkused on väiksemad kui 13 cm, saab antennid paigutada üksteisele väga lähedale ja siiski korraldada tõhusat antennide hajustalitlust. Kui 29 pöörduspunkt detekteerib raadiosageduslikku signaali, võrdleb ta selle signaali amplituudi mõlemas sisendisse ühendatud antennis, ja kasutab andmekaadri vastuvõtmiseks ükskõik kumba antenni, olenevalt sellest, millel on suurem signaalitugevus. See diskreetne otsus võetakse vastu kaadripõhiselt, valides, millise antenniga on parajasti suurem signaalitugevus. Enamik pärandlahendusi enne standardi 802.11n juurutamist kasutab ümberlülitusega hajusvastuvõttu. Sissetuleva transmissiooni vastuvõtmisel „kuulab“ ümberlülitusega hajusvastuvõtja mitme antenni sisendit. Sama signaali mitu koopiat jõuavad kummagi antenni sisendisse erineva amplituudiga. Valitakse parima amplituudiga signaal ja teise antenni signaale ignoreeritakse. AP kasutab ühte antenni jätkuvalt seni, kuni signaal on üle eelmääratletud signaalilävi taseme. Kui signaali amplituud kahaneb alla selle eelmääratletud taseme, proovib AP tuvastada teise antenni abil vastuvõetud signaali. Seda parima vastuvõetud signaali alusel ümberlülitamise meetodit tuntakse ka kui hajusvastuvõttu. Kasutatakse ka ümberlülitatud hajusvastuvõttu, kuid kasutatakse ainult ühte antenni. Saatja kasutab edastushetkel seda antenni, kus viimati õnnestus vastu võtta parima amplituudiga signaali. Seda töörežiimi nimetatakse ka edastavaks hajussideks. Kui pöörduspunktil on kaks antenniporti, tuleb nendesse ühendada identse suuna- ja võimendusteguriga antennid. Kindlasti ei tohiks proovida hajusvastuvõturežiimis portidesse ühendada antenne eri suundadest, sooviga leviala suurust kahekordistada, kuna transiiver lülitab korraga saatmisel sisse ainult ühe antenni (selle mis viimati registreeris kliendi edastuse suurmia amplituudiga). Antennide omavaheline kaugus peaks olema lainepikkuse kordne (1/4, 1/2, 1, 2). Kuna antennid on üksteisele nii lähedal, saab olla kindel, et antennide hajuspaigutus on tegelikult kasulik. Nagu võite 4. peatükist meenutada, on vastuvõetud RF-signaali tugevus sageli väiksem kui 0,00000001 millivatti. Sellel signaalitasemel võib väikseim erinevus signaalide vahel, mida iga antenn saab, olla märkimisväärne. Teine tegur, mida tuleb meeles pidada, on see, et pöörduspunkt suhtleb sageli mitme kliendiga eri asukohtades (suunas). Need kliendid ei ole alati statsionaarsed, mis mõjutab veelgi RF-signaali leviteekonda. Pöörduspunkt peab andmete edastamist käsitlema teisiti kui andmete vastuvõtmist. Kui pöörduspunkt peab andmed kliendile tagasi saatma, ei ole tal võimalik kindlaks teha, millise antenni kaudu klient kõige parema signaali ja müra suhtega vastuvõttu saaks korraldada. Seetõttu kasutab pöörduspunkt saatmisel antenni, mida ta andmete vastuvõtmiseks viimati kasutas. Siiski - kõik pöörduspunktid ei ole selle võimalusega varustatud. Antennide hajusühendusviise on palju erinevaid. Integreeritud raadiomoodulitega sülearvutitel on tavaliselt sülearvuti monitori sisse paigaldatud hajuspaigutusega antennid. Pidage meeles, et RFkeskkonna pool-dupleksse olemuse tõttu töötab antennide hajusühenduses kasutamisel igal ajahetkel ainult üks antenn. Teisisõnu, raadiomoodul, mis edastab kaadrit ühe antenniga, ei saa samal ajal teise antenniga teist kaadrit vastu võtta. 30 Multiple-Input, Multiple-Output Mitme sisendiga, mitme väljundiga (MIMO) on antennide hajusühenduse teine, keerukam vorm. Erinevalt tavapärastest antennisüsteemidest, kus mitmekiireline levimine on kahjulik, kasutavad MIMO-süsteemid ära just selle mitmekiirelise levi efekti. MIMO-d võib julgelt kirjeldada kui traadita raadioarhitektuuri, mis suudab samaaegselt vastu võtta või edastada mitme antenni abil. Keerulised signaalitöötlustehnikad võimaldavad MIMO-süsteemide töökindlust, leviulatust ja sidekanali läbilaskevõimet märkimisväärselt parandada. Need tehnikad saadavad andmeid, kasutades mitut samaaegset raadiosageduslikku signaali. Seejärel rekonstrueerib vastuvõtja nende erinevate signaalidega eri teid pidi kohaletoimetatud andmed. Joonis 5.20. 4x4 MIMO-antennisüsteemi skeem 802.11n ja 802.11ac raadiod kasutavad MIMO-tehnoloogiat. Üks peamisi eesmärke MIMO-seadme paigaldamisel on tagada, et erinevate raadioühenduste signaalid liiguksid erineva signaali polarisatsiooniga. Seda saab teha antennide joondamise või suunamisega nii, et tee, mida iga signaal läbib, on vähemalt veidi erinev. See aitab sisse viia erinevate MIMO signaalide vahelist viivitust, mis parandab MIMO-vastuvõtja võimet töödelda erinevaid signaale. Järgmises osas käsitletakse erinevat tüüpi MIMO-antenne. MIMO-tehnoloogiat uuritakse palju üksikasjalikumalt 10. peatükis, kuna see on standardite 802.11n ja 802.11ac põhikomponent. MIMO-ANTENNID Traadita võrkude läbilaskevõime ja leviulatuse suurendamise vajaduse ja sooviga on 802.11n ja 802.11ac pöörduspunktide paigaldam