Оборудование беспроводных и спутниковых сетей

Часть беспроводного оборудования была рассмотрена в п.1.1 первой главы. Здесь же приведем обзор дополнительного беспроводного оборудования для Wi-Fi, WiMAX и лазерных сетей. В зависимости от используемой технологии беспроводные сети можно разделить на три типа: локальные вычислительные сети; расширенные локальные вычислительные сети; мобильные сети.

Основные различия между этими типами сетей - параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети, например телефонная сеть или Интернет. Типичная беспроводная сеть выглядит и функционирует практически так же, как кабельная, за исключением среды передачи. Беспроводной сетевой адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем.

Передача «точка-точка». Данный способ передачи несколько выходит за рамки существующего определения сети. Технология передачи «точка-точка» предусматривает обмен данными только между двумя компьютерами, а не между несколькими компьютерами и периферийными устройствами. Чтобы организовать сеть с беспроводной передачей, необходимо использовать дополнительные компоненты, такие, как одиночные трансиверы и хост-трансиверы. Их можно устанавливать как на автономных компьютерах, так и на компьютерах, подключенных к сети. Эта технология, основанная на последовательной беспроводной передаче данных, обеспечивает:

1. высокоскоростную и безошибочную передачу по радиоканалу «точка-точка»;

2. проникание сигнала через стены и перекрытия;

3. скорость передачи от 1.2 до 38.4 Кбит/с на расстояние до 60 м внутри здания и 530 м - в условиях прямой видимости.

Подобные системы позволяют передавать сигналы между компьютерами, между компьютерами и другими устройствами, например принтерами или сканерами штрих-кода, мобильными телефонами. Некоторые типы беспроводных компонентов способны функционировать в расширенных локальных вычислительных сетях так же, как их аналоги - в кабельных сетях. Беспроводной мост, например, соединяет сети, находящиеся друг от друга на расстоянии до 5 километров. Если расстояние, которое преодолевает обычный беспроводной мост, недостаточно, можно установить мост дальнего действия. Для работы с сетями Ethernet и Token Ring на расстояние до 40 км он также использует технологию радиопередачи в рассеянном спектре. Его стоимость (как и обыкновенного беспроводного моста) может оказаться, вполне удовлетворительной, так как отпадут затраты на аренду микроволновых каналов или линий Т1. Линия Т1 - это стандартная цифровая линия, предназначенная для передачи данных со скоростью до 1,544 Мбит/с. По ней можно передавать речь, и данные.

Беспроводной маршрутизатор(рис.5.4).

Рис.5.4. Беспроводной маршрутизатор Netgear (WGR612-100RUS) 54G.

Беспроводной мост. Компонент, называемый беспроводным мостом (wireless bridge) (рис.5.5), помогает установить связь между зданиями без помощи кабеля. Если обычный мост служит людям для перехода с одного берега реки на другой, то беспроводной мост прокладывает для данных путь между двумя зданиями. Мост MR LAN/Bridge Plus, например, использует технологию радиопередачи в рассеянном спектре для создания магистрали, соединяющей две ЛВС. Расстояние между ними, в зависимости от условий, может достигать 5 км. Стоимость такого устройства не будет чрезмерной, т.к. не нужно арендовать линии связи.

Беспроводный роутер (wireless router). Используется для соединения между собой различных сегментов локальной вычислительной сети. Бывают беспроводные (рис.5.6(а)) и смешанные роутеры. Смешанные роутеры (рис.5.6(б)) позволяют соединять проводные и беспроводные сегменты локальной сети. Иногда они также используются как принт-серверы и связаны с модемом для выхода в сеть Интернет.

Антенны для Wi-Fi, WiMAX и спутниковых сетей. Каждый знает, что без антенны не сможет работать ни радиоприемник, ни телевизор. Точно так же без антенны не будет работать беспроводная точка доступа, которая в данном случае выступает одновременно и в роли приемника, и в роли передатчика. Антенна - это и излучатель радиоволн, и их приемник. Конфигурация антенны определяет зону покрытия беспроводной точки доступа, то есть ту зону, где точка доступа излучает сигнал, который способны принять другие клиенты беспроводной сети.

Рис.5.5. Два беспроводных роутера связаны с беспроводным мостом.

а) беспроводной роутер.

б) смешанный роутер объединяет проводной и беспроводной сегменты сети

Рис. 5.6. Беспроводной и смешанный роутеры.

Зона покрытия беспроводной точки доступа определяется именно конструкцией, а не размерами антенны. Основная проблема большинства антенн, поставляемых в комплекте с беспроводными точками доступа, заключается в том, что они имеют недостаточно большую зону покрытия. К примеру, если в пределах комнаты или офиса одна точка доступа в состоянии обеспечить надежную работу беспроводных клиентов, то на устойчивую связь с клиентом, находящимся за стенкой, рассчитывать не приходится. А уж через две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа. Казалось бы, проблема легко разрешима - достаточно приобрести точку доступа с большей мощностью передатчика. Однако не все так просто. Дело в том, что мощность передачи Wi-Fi-устройств регламентирована в частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц. Для создания радиосетей на безлицензионной основе допускается использовать передатчики с мощностью излучения, эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) не больше 100 мВт. В случае превышения данного показателя требуется получение лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных. Соответственно точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 dBm, нет в продаже. Итак, все точки доступа и беспроводные адаптеры имеют одинаковую мощность передатчика, а значит, единственный способ увеличить зону покрытия беспроводной сети - использовать специальные антенны вместо традиционных.

Увеличение зоны покрытия беспроводной сети - это лишь одна из функций антенн для Wi-Fi-устройств. Другое, не менее важное их свойство заключается в том, что они позволяют изменить форму зоны покрытия, обеспечивая повышение безопасности беспроводной сети. Штатные антенны излучают сигнал равномерно во все стороны (в горизонтальной плоскости), и если точку доступа с такой антенной расположить у стены в комнате, то сигнал будет распространяться не только по вашей квартире, но и за стенку к соседу. Это позволит ему обнаружить вашу беспроводную сеть, но и предпринять попытки атаки. Если у вашего соседа вряд ли окажется своя беспроводная сеть или хотя бы ноутбук с беспроводным адаптером, то в офисе, где на одном этаже размещается несколько офисов разных компаний, такая ситуация реальна. Под соседями мы будем подразумевать соседей не только по квартире, но и по офису.

Чтобы обезопасить свою беспроводную сеть от вторжения извне, можно использовать специальные направленные антенны, которые излучают сигнал преимущественно в одном направлении. Это позволит и увеличить дальность распространения сигнала в этом направлении, ослабить или блокировать распространение сигнала в других направлениях. Разница между обычной антенной, излучающей равномерно по всем направлениям, и направленной антенной примерно такая же, как между лампочкой и фонариком. Представьте себе лампочку, освещающую комнату. Свет от нее распространяется приблизительно равномерно по всем направлениям, отчего в комнате становится светло. Однако ту же самую лампочку можно поставить в фонарь или просто установить позади нее зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света. Такой луч не будет освещать все помещение, зато способен передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому принципу работают и внешние антенны.

Характеристики антенн. Одной из важнейших характеристик антенн является коэффициент усиления. Часто название этого параметра приводит к ошибочному предположению, что антенны способны усиливать сигнал. На самом деле это не так - если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала будет такой же. Дело в том, что все антенны подобного рода представляют собой пассивные устройства и брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда. Что же тогда означает коэффициент усиления? Для того чтобы ответить на этот вопрос, прежде ознакомимся с такими важными понятиями, как идеальный изотропный излучатель и диаграмма направленности антенны.

Изотропный излучатель. Антенны излучают энергию в виде электромагнитных волн во всех направлениях. Однако эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности. Для оценки эффективности передачи сигнала по различным направлениям введено понятие изотропного излучателя, или изотропной антенны. Изотропный излучатель - это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерно по всем направлениям. Если мысленно представить себе сферу с центром, совпадающим с изотропным излучателем, то плотность излучаемой изотропным источником энергии будет одинакова в любой точке такой сферы. Поэтому говорят, что изотропный излучатель образует равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не существует. Каждая передающая антенна, даже самая простая, излучает энергию неравномерно - в каком-то направлении ее излучение максимально. Изотропный же излучатель рассматривается исключительно в качестве некоторого эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны.

Коэффициент усиления антенны. Итак, после того как мы получили представление о таких важных понятиях, как идеальный изотропный точечный излучатель и диаграмма направленности антенны, можно сформулировать понятие коэффициента усиления антенны. Коэффициент усиления антенны определяет, насколько децибел плотность потока энергии, излучаемого антенной в определенном направлении, больше плотности потока энергии, который был бы зафиксирован в случае использования изотропной антенны. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi). Напомним, что в физике мощность принято измерять в ваттах (Вт). Однако в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. К примеру, если сравниваются два значения A и B одной и той же физической величины, то отношение A/B показывает, во сколько раз одна величина больше другой. Если же рассмотреть десятичный логарифм того же самого отношения, то мы получим сравнение этих величин, выраженное в белах (Б), а выражение 10Lg(A/B) определяет сравнение этих величин в децибелах (дБ). Например, если говорят, что одна величина больше другой на 20 дБ, то это означает, что она больше другой в 100 раз.

Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для выражения абсолютных значений. Для этого в качестве величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. Например, чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталон принимается мощность в 1 мВт и уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт. Данная единица измерения получила название децибел на милливатт (дБм) и показывает, на сколько децибел мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт. Нетрудно рассчитать, что мощности 100 мВт соответствует мощность 20 дБм, а мощности 50 мВт - мощность 17 дБм. Так, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 dBi, то это означает, что в этом направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях. Конечно, когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 10 dBi, то имеется в виду направление, в котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности). Зная коэффициент усиления антенны и мощность передатчика, нетрудно рассчитать мощность сигнала в направлении главного лепестка диаграммы направленности. Так, при использовании беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае применения изотропной антенны.

Типы антенн для Wi-Fi, WiMax и спутниковых сетей. В плане использования все антенны для беспроводных устройств можно условно разделить на три большие классы: антенны для наружного (outdoor); антенны для внутреннего применения (indoor); спутниковые антенны (outdoor).Они различаются, прежде всего, своими габаритами и коэффициентом усиления. Естественно, антенны для наружного использования больше по размерам и предусматривают форму крепления либо к стене дома, либо к вертикальному столбу. Высокий коэффициент усиления в таких антеннах достигается за счет малой ширины диаграммы направленности (главного лепестка). Внешние антенны применяются, как правило, для связи двух беспроводных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Они устанавливаются в зоне прямой видимости и важно, чтобы каждая из них находилась в зоне главного лепестка диаграммы направленности другой антенны.

Спутниковые антенны являются наружными и в основном используются для обеспечения спутниковой связи, телевидения и спутникового интернета. Обеспечивают мобильную по всем континентам связь в зоне прямой видимости с антеннами, расположенными на орбитальных спутниках.

Антенны для внутреннего использования меньше по размерам и обладают более низким коэффициентом усиления. Такие антенны либо устанавливаются на столе, либо крепятся к стене или непосредственно к точке доступа.

К самой точке доступа антенны могут подсоединяться либо напрямую, либо с помощью кабеля. При этом для подсоединения антенны или кабеля к точке доступа предназначен специальный миниатюрный SMA-разъем. На точках доступа применяется разъем типа Male, а на самой антенне или антенном кабеле - разъем типа Female.

Для соединения антенны наружного применения с кабелем могут использоваться и другие типы высокочастотных разъемов - чаще всего это разъем N-типа (рис.5.7).

Рис.5.7. Разъемы N-типа.

Штыревая антенна. Все точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются штатными миниатюрными штыревыми антеннами, которые могут быть как съемными, так и стационарными. Штыревая антенна представляет собой самый простой вариант антенны. Ее часто называют также несимметричным вибратором. Если штыревую антенну расположить вертикально, то в горизонтальной плоскости она будет излучать энергию во все стороны равномерно, поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной и, естественно, говорить о преимущественном излучении в определенном направлении не приходится. В то же время в вертикальной плоскости такая антенна излучает неравномерно. В частности, излучение вдоль оси антенны вообще отсутствует. Именно поэтому даже в случае простейшей штыревой антенны можно выделить направления, соответствующие максимальному усилению. Для штыревых антенн (рис.5.8.) максимальное усиление достигается в плоскости, перпендикулярной антенне и проходящей через ее середину.

Рис.5.8. Штыревая антенна.

Если разобрать штатную штыревую антенну, то в большинстве случаев окажется, что длина ее активной части составляет всего 31 мм. Естественно, такая длина выбрана неслучайно. Дело в том, что частотный диапазон для Wi-Fi-устройств составляет от 2400 до 2473 МГц. Соответственно длина волны излучения варьируется от 12.12 до 12.49 см, а четверть длины волны приблизительно равна 31 мм. То есть в большинстве случаев длина штыревой антенны выбирается равной четверти длины волны излучения. Отметим, что в силу изотропного характера излучения штыревой антенны, в горизонтальной плоскости точку доступа с такой антенной оптимально устанавливать в центре офиса или квартиры, чтобы максимально охватить беспроводной сетью все пространство квартиры или офиса.

Штыревые антенны хотя и являются наиболее распространенными для Wi-Fi-устройств, но не предоставляют всего разнообразия возможных конструкций Wi-Fi-антенн. В Интернете можно найти не один специализированный ресурс, посвященный самодельным антеннам для частотного диапазона 2,4 ГГц. Это и разнообразные варианты антенн, выполненных из консервных банок, и антенны типа симметричного полуволнового вибратора с рефлектором, и антенны с биквадратным четвертьволновым излучателем и рефлектором, и спиральные антенны, и разнообразные Yagi-антенны и пр. Конечно же, описание всех имеющихся антенн потребовало бы целой книги. Рассмотрим те Wi-Fi-антенны, которые можно купить в российских магазинах.

TP-Link TL-ANT2406A (рис.5.9). Миниатюрная направленная антенна TL-ANT2406A компании TP-Link предназначена для внутреннего использования. Антенна имеет удобную подставку, допускающую крепление на стене, установку на столе или крепление к панели корпуса ПК с помощью магнитов, расположенных в ее днище.

Рис.5.9. Антенна TP-Link TL-ANT2406A

Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель длиной 1 м, снабженный разъемом SMA. Согласно технической документации, антенна TL-ANT2406A имеет коэффициент усиления 6 dBi. Производитель классифицирует данную антенну как вариант Yagi-антенны. Yagi-антенна, или антенна Яги, или антенна Уда-Яги (название образовано от имен двух японских изобретателей - Hidetsugu Yagi и Shintaro Uda), или антенна типа «волновой канал», - это направленная антенна в виде ряда параллельных линейных электрических вибраторов длиной, близкой к половине длины волны излучения (приема), расположенных в одной плоскости вдоль линии, совпадающей с направлением максимального излучения (приема). И если пользоваться именно этим определением Yagi-антенны, то конструкция TL-ANT2406A никак ему не соответствует. Вообще, классифицировать антенну TL-ANT2406A оказалось довольно сложно. В качестве излучающего (приемного) элемента в ней используется прямоугольная металлическая плоскость размером 48x52 мм (рис.5.10)), в которой сделаны небольшие надрезы, а сама излучающая плоскость находится на расстоянии 4 мм от прямоугольного экрана-рефлектора, размеры которого совпадают с размерами излучателя. Центральная жила коаксиального кабеля соединена с излучателем, а оплетка кабеля - с экраном.

Рис. 5.10. Схема антенны TL-ANT2406A

TP-Link TL-ANT2409 (рис.5.11)A. Миниатюрная направленная антенна TP-Link TL-ANT2409A, как следует из надписи на упаковке, предназначена для наружного использования, что показалось нам довольно странным, ведь по своим габаритам она больше подходит для внутреннего применения. Да и заявленный коэффициент усиления, равный 9 dBi, соответствует скорее антеннам внутреннего использования.

Рис.5.11. Антенна TP-Link TL-ANT2409A

Корпус антенны предусматривает ее монтаж на стене или на горизонтальном столбе, для чего в комплекте имеются специальные монтажные скобы и хомуты. Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель, снабженный разъемом SMA. Длина этого кабеля всего 1 м, что для наружных антенн опять-таки может оказаться недостаточным. Производитель классифицирует эту антенну как разновидность Yagi-антенн. Вообще, создается впечатление, что любую направленную антенну компания TP-Link считает вариантом Yagi-антенны. Впрочем, производителю виднее. Внутренняя конструкция антенны довольно простая. Над квадратным заземленным экраном размером 90x90 мм на высоте 7 мм расположен излучающий элемент в виде металлического прямоугольника размером 44x54 мм. Соединение излучающего элемента с коаксиальным кабелем реализовано с обратной стороны экрана, причем для согласования фидера с антенной используется металлизированная полоска определенной конфигурации. Схема антенны TL-ANT2409A показана на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема антенны TL-ANT2409A

D-Link DWL-R60AТ (рис.5.13). Направленная антенна D-Link DWL-R60AT предназначена для внутреннего использования. Она относится к разряду миниатюрных панельных антенн - ее габариты составляют всего 80x85x12,8 мм. Антенна предусматривает непосредственное (без использования кабеля) подключение к точке доступа с помощью разъема SMA.

Рис.5.13. Антенна D-Link DWL-R60AT.

Согласно технической документации, антенна D-Link DWL-R60AT имеет коэффициент усиления 6 dBi. Кроме того, известно, что ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости составляет у нее 90°, а ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости - 60°. Внутренне устройство этой антенны достаточно простое и мало чем отличается от устройства антенны TP-Link TL-ANT2409A. Над металлическим заземленным квадратным экраном размером 70x70 мм на высоте 4,5 мм расположен излучающий элемент, представляющий собой металлический прямоугольник размером 49x52 мм. Подводка фидера к излучающим элементам производится с обратной стороны экрана.

D-Link ANT24-1800 (рис.5.14). Панельная антенна D-Link ANT24-1800предназначена для использования вне помещений. Основное ее назначение - обеспечить беспроводное соединение между двумя удаленными друг от

друга стационарными т очками доступа. Согласно паспортным данным, эта антенна обеспечивает связь на расстоянии до 8 км при скорости соединения 1 Мбит/с и на расстоянии до 3 км при скорости соединения 11 Мбит/с.

Рис.5.14. Антенна D-Link ANT24-1800

Ее размеры составляют 360x360x16 мм. В комплекте с антенной поставляются монтажные скобы, которые позволяют закрепить ее на вертикальной стене или на столбе (рис. 5.15).

Рис. 5.15.Монтажные скобы для антенны D-Link ANT24-1800

Корпус антенны сделан водонепроницаемым - все швы обработаны герметиком. Согласно паспортным данным, коэффициент усиления данной антенны составляет 18 dBi. Столь высокое значение достигается за счет узкой диаграммы направленности антенны. Ее ширина в вертикальной и горизонтальной плоскостях составляет всего 15°. Для подключения кабеля к антенне используется разъем N-типа («мама»). Кроме того, в комплекте прилагается кабель длиной 0,5 м с разъемами N-типа и SMA. Естественно, что длины этого кабеля недостаточно для подключения антенны к точке доступа, поэтому в комплекте также входит переходник с разъемами N-типа («мама» - «папа») для подсоединения кабеля-удлинителя, который в комплекте не поставляется (рис. 5.16.).

Рис. 5.16. Переходник с разъемами N-типа («мама» - «папа»).

Итак, после рассмотрения нескольких моделей антенн можно констатировать, что все направленные антенны устроены примерно одинаково и очень просто. Если антенна относится к панельному типу, то ее конструкция включает экран и излучатель, выполненный в форме прямоугольника и установленный на некотором расстоянии от экрана. Различия между антеннами заключаются лишь в размерах излучателя и экрана, а также в расстоянии между ними. В антеннах, предназначенных для использования внутри помещений, имеется один излучатель, а антенны, предназначенные для применения вне помещений, могут содержать несколько излучателей.