Teoria e pianificazione collegamento radio per una LAN wireless (WLAN)
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Potenza
La potenza è espressa in watt o nelle unita' relative di decibel confrontate ai milliwatt (dBm).
Conversione dai watt (w) ai decibel “milliwatt„ (dBm):
(dBm= 10*log10 (p 0.001))
Perdita in un cavo coassiale a 2.45 gigahertz
Alcuni valori di perdita per i cavi coassiali comuni:
Antenna
Antenna parabolica:
Guadagno teorico massimo di un'antenna parabolica:
Potenza irradiata
La potenza irradiata (potenza trasmessa dall'antenna) può essere calcolata facilmente (in dBm):
potenza irradiata [dBm] = potenza del trasmettitore [dBm] - perdita del cavo [dB] + guadagno dell'antenna [dBi]
Perdita nello spazio libero
È la perdita di potenza dell'onda che viaggia nello spazio libero (senza ostacoli).
Relazione fra perdita di guadagno nello spazio libero (in dB) e la distanza (in chilometri):
(Formula di Friis)
Sensibilita' della ricevitore
Il ricevitore ha una soglia minima di potenza ricevuta (sul connettore di scheda) necessaria al segnale per realizzare un certo bitrate. Se la potenza del segnale è più bassa, il bitrate massimo realizzabile sara' diminuito o le prestazioni saranno inferiori. E' meglio quindi avere un ricevitore con soglia bassa. Ecco alcuni esempi di ricevitori con valori tipici di sensibilita' (valori dichiarati dal fornitore):
* Orinocco PCMCIA Silver/Gold : 11Mbps => -82 dBm ; 5.5Mbps => -87 dBm; 2Mbps=> -91 dBm; 1Mbps=> -94 dBm..
Rapporto segnale/disturbo
La sensibilita' della ricevitore non è l'unico parametro importante in ricezione: dobbiamo considerare anche il rapporto fra il segnale ricevuto ed il rumore (rumore termico, rumore industriale dovuto per esempio ai forni a microonde, interferenze dovute ad altre WLAN nella stessa banda). È definito come:
Rapporto del segnale/rumore [dB] = 10 * Log10 (potenza del segnale [W]/potenza del rumore [W])
Se il segnale supera il rumore, il rapporto del segnale/rumore (anche denominato rapporto di S/R) sara' positivo. Se il segnale è sotto al rumore, il rapporto sara' negativo. Per potere funzionare ad un determinato bitrate il sistema ha bisogno di un rapporto di minimo S/R:
Se il livello del rumore è molto basso allora il sistema sara' limitato più dalla sensibilita' del ricevitore che dal rapporto di S/R. Se il livello del rumore è alto allora sara' il rapporto del segnale/rumore che contera' per realizzare un dato bitrate. Se il livello del rumore è alto avremo bisogno di maggiore potenza ricevuta. In condizioni normali, senza WLAN e rumore industriale, il livello del rumore sara' intorno a -100dBm. In questo caso per esempio, per realizzare un bitrate di 11 Mbps con una scheda Orinoco 802.11b avremmo bisogno di un rapporto di potenza S/R superiore a 16dB tale che si abbia un livello di dBm -100+16=-84; però la sensibilita' minima della ricevitore è -82 a dBm, perggiore di -84. Ciò significa che in questo il caso la sensibilita' della ricevitore è il fattore di limitazione per il sistema.
Preventivo di collegamento
Il preventivo di collegamento è il calcolo della catena intera di trasmissione. Ecco un preventivo per le perdite di trasmissione in spazio libero:
Le condizioni per il collegamento è che la somma: trasmissione + propagazione + ricezione deve essere più grande di 0. Il rimanenete formisce un margine al sistema.
Avvertimento: Queste regole sono teoriche. Rappresentano il massimo realizzabile per un sistema. In realta' avremo interferenze (altre reti, bluetooth di WLAN), rumore industriale (forni a microonde), perdite atmosferiche (umidita' dell'aria, diffrazione, rifrazione), l'antenna male orientata, riflessioni,… che interesseranno le prestazioni. È necessario quindi un margine sufficiente di sicurezza (5-6 dB o più sulle grandi distanze).
Propagazione: Elissoide di Fresnel
Una spiegazione semplice e rapida del ruolo dell'ellissoide di Fresnel nella propagazione radio è di vederlo come “un tubo„ virtuale dove ci viaggia la maggior parte dell'energia fra il luogo del trasmittente e quello del ricevente. Per evitare perdite il tubo dovrebbe essere libero da ostacoli all'interno (forbidden region) perché un eventuale ostacolo disturbera' “il flusso di energia„. (la spiegazione è veramente semplificata!).
Per esempio, se la meta' della zona proibita è occultata (antenna al limite della linea ottica), ci sara' una perdita di potenza del segnale di 6 dB (una perdita di potenza di 75%).
(Il raggio della regione proibita in questo caso è 0.6 raggi di x della prima elissoide del Fresnel)
Propagazione: Diffrazione
Quando un ostacolo è situato fra il trasmettitore e il ricevitore, una certa energia riesce ad attraversarlo grazie al fenomeno di diffrazione sul bordo superiore dell'ostacolo. Più alta la frequenza di trasmissione più alta sara' la perdita.
Propagazione: Polarizzazione
La polarizzazione dell'onda è data dal tipo di antenna usata e dal relativo orientamento (degli elementi che irradiano) rispetto al suolo. Per esempio un'antenna a stilo irradiera' un'onda verticale polarizzata quando posta verticale (|) e polarizzazione orizzontale quando ruotata orizzontale (--). Lo stesso per le antenne di tipo Yagi (|-|-|-|). Le antenne elicoidali producono una polarizzazione nè verticale nè orizzontale, ma una polarizzazione circolare. La polarizzazione circolare può girare a destra o a sinistra… come i cavatappi; -)
Praticamente per le migliori prestazioni di un sistema di trasmissione le antenne del ricevitore e del trasmettitore dovrebbero avere la stessa polarizzazione. (Poichè può avvenire un cambiamento di polarizzazione a causa di diffrazioni e riflessioni, questa regola è non sempre applicabile). La polarizzazione verticale è preferibile per la trasmissione a lunga distanza perché l'effetto al suolo attenua la potenza del segnale come avviene nel caso di polarizzazione orizzontale.
Un sistema di trasmissione con le antenne a polarizzazione circolare ha senso quando serve attenuare l'effetto delle riflessioni (principio usato per il GPS).
Le riflessioni e ritardo di diffusione (delay spread)
Le onde radio si riflettono sugli ostacoli con cui vengono a contatto. Al ricevitore possiamo trovare contemporaneamente sia le onde dirette (se nella linea ottica) che le onde riflesse. Ciò comporta potenza annullata a determinate frequenze ed anche ad una differenza di tempo fra i differenti componenti ricevuti che rende il segnale ricevuto sparso nel dominio di tempo. La conseguenza sul sistema è nociva e porta a prestazioni degradate (errori della trasmissione). Per ridurre questo effetto, il ricevitore ha ciò che denominiamo un "compensatore" che neutralizza questi difetti. In ogni modo questo ha una capacita' limitata ed i fornitori dichiarano un limite di delay spread al fine di raggiungere un tasso di errore minimo ad un determinato bitrate:
Vediamo che per un alto bitrate è meglio non avere riflessioni lunghe. La differenza di tempo per una riflessione può essere calcolata facilmente come la corsa dell'onda radio alla velocita' della luce (300.000.000 m/s):
Tempo differenza [s] = differenza fra percorso diretto e riflesso percorso [m]/300.000.000.
Così una differenza di tempo di 50 nanosecondi corrisponde ad una differenza di lunghezza del percorso di 15 metri. Per minimizzare il tasso di riflessione è meglio usare delle antenne direttive, magari in linea ottica. Un'altra possibilita' è inoltre di utilizzare antenne a polarizzazione circolare (antenne elicoidali) che annullano bene le prime riflessioni.
Le riflessioni inoltre possono crearsi nell'insieme cavo-connettore-antenne se questi non sono ben progettati (l'impedenza difettosa, antenna male sintonizzata => onde stazionarie, cattivo SWR) che spesso conducono ad errori di trasmissione.
Avvertimento! Il valore del ritardo di diffusione è determinato da un calcolo che coinvolge i ritardi ed il livello di
ogni componente:
Delay spread [s] = somma su tutti i componenti di {(peso componente) * (ritardo componente)}
Riferimenti, documentazione
Many thanks to Diego in Italy for proposing and making the translation of this page !
© Mathias Coinchon - Ultimo aggiornamento 13.1.2003 v2.0 - Home