Link planner voor draadloze netwerken (WLAN)

Inleiding

Met de informatie op deze pagina kun je nagaan op de WLAN link die je voor ogen hebt ook echt kan werken. 

Een radiolink zal het pas doen als de ontvanger een vermogen ontvangt dat groter is dan het minimale dat nodig is voor een goede detectie van het signaal. 
1) Met de zender en de zendantenne kun je het vermogen optimaliseren. Er gelden op dit punt wettelijke beperkingen.
2) Op de weg van zendantenne ontvangstantenne wordt het signaal steeds zwakker. Deze etherverzwakking kun je niet beïnvloeden. Wel kun je ervoor zorgen, althans..., dat er onderweg niets in de weg staat. 
3) Met de ontvangstantenne kun je het vermogen dat bij de ontvanger binnenkomt optimaliseren. De ontvanger zelf kun je zo kiezen dat deze het goed doet bij een zo klein mogelijk signaal. Aan de ontvangerzijde gelden geen wettelijke beperkingen.  

Zolang de ontvanger een overschot aan vermogen heeft kan de radiolink werken. Dit alles kun je in getallen uitdrukken, zo'n berekening wordt een 'link budget' berekening genoemd. Zie hierna

Link-budget berekening

In de link-budget berekening worden alle vermogens, versterking en verzwakking van de gehele transmissieketen in kaart gebracht met als doel na te gaan of de ontvanger voldoende vermogen ontvangt om het ontvangen signaal te kunnen detecteren. 

De drie basiselementen in een transmissieketen zijn:  

• Effectieve zendvermogen, uitgedrukt in [dBm].. Dit is het zendvermogen, [dBm]   minus de kabel- en connectorverliezen, [dB] plus de antenneversterking [dBi]; 
• Etherverlies (verlies dat optreedt bij de voortplanting van de radiogolven door de ether), uitgedrukt in [dB];
• Effectieve ontvanggevoeligheid; uitgedrukt in dBm. Dit is de antenneversterking (ontvangstkant), [dBi] minus de kabelverliezen [dB], minus de ontvangergevoeligheid (ontvangstdrempel) [dBm]

De WLAN-link zal werken als de som van de drie basiselementen groter dan nul is. Voor een betrouwbare verbinding is enige marge noodzakelijk, in de praktijk is minimaal een marge van 6 tot 10 dB  nodig 

Let op 1): WLAN apparatuur verschilt van merk tot merk. Als je twee verschillende apparaten gebruikt, voer de berekening dan altijd uit voor beide richtingen. De verbinding zal niet beter zijn dan de slechtste uitkomst. 
Let op 2): De berekeningen zijn theoretisch. Beter zal het niet worden, meestal wat slechter ten gevolge van storingen van andere apparatuur, luchtvochtigheid, geen echt vrij zicht, reflecties enzovoorts. .

De Link Budget Berekening (klik op de links in de tabel om de detailberekeningen uit te voeren)

Opmerkingen: 
1) Controleer zo nodig de  fresnell  zone (de denkbeeldige 'buis' tussen beide stations die vrij van obstakels moet zijn.  
2) Polarisatiefouten: Helix antennes naar een horizontale of verticale antenne geven een extra verlies van 3dB per zijde. Dus 6 dB in totaal. Horizontaal-naar-verticaal en linksom-naar-rechtsom geeft altijd (meer dan) 30 dB  extra verlies.

Over het maximum bereik met het maximum legale vermogen... 

• In Europa, dus ook in Nederland,  is een maximum uitgestraald vermogen toegestaan van 20Bi. Ga hier dus nooit overheen, maar lees wel verder als je het bereik van je link legaal wilt optimaliseren. 
• Uit vorenstaand punt volgt dat, bij gebruikelijke apparatuur (15 dBm output), een antenneversterking tot 5 dB legaal blijft. Ga je dan rekenen, dan kun je ongeveer 1 km overbruggen. Is dat dan dan wat er in Nederland maximaal mogelijk is? Nee, je kunt -legaal- veel verder. Zie hierna!
• Als je een antenne met hogere versterking wilt gebruiken, dan moet je, om binnen de legale grenzen te blijven,  het uitgangsvermogen verminderen. Uiteraard moet de ontvangstgevoeligheid intact blijven, dus het zendvermogen moet VOOR de zend-ontvangstschakelaar in de WLAN apparatuur worden verlaagd.  Er bestaat WLAN apparatuur waarbij dat mogelijk is.  Van sommige sommige bestaande apparatuur is, na het upgraden van de firmware, het vermogen alsnog instelbaar te maken. Zie het forum op www.wirelessnederland.nl 
• Merk op dat het uitgangsvermogen bij verschillende apparaten minder varieert dan de ontvangstgevoeligheid. De laatste kan wel 10 dB verschillen. Kijk dus eerst of je de gevoeligheid kunt verhogen voordat je aan 'meer vermogen' denkt!. Realiseer je ook dat 'meer vermogen' een nadeel is voor legale links...
• Voorbeeld 1: Het legale bereik dat met standaard 15 dBm WLAN apparatuur bereikt kan worden is ongeveer 1 km.  
• Voorbeeld  2: Met oudere Breezecom apparatuur kan het vermogen tot 4 mW  (6dBm) verlaagd worden, De antenneversterker mag nu hoger gekozen worden, waardoor een afstand van ongeveer  2.7 km overbrugd kan worden met een link-marge van 10 dB. 
• Voorbeeld 3: Met een 24 dB schotel moet het vermogen tot  -4 dBm gereduceerd worden (dat is slechts 0.4 mW (!)) om binnen de legale limiet van 20 dBm  te blijven. Toch is in dit geval de maximum overbrugbare afstand  8,5 km. Dit komt vanwege de extreem hoge antenneversterking in het ontvangstpad. En dit is GEEN grapje!  
  Apparatuur waarvan het vermogen instelbaar is bestaat sinds kort: Van de de huidige BreezeNET DS.11 kan het vermogen ingesteld worden op -4, -2, 4, 6, 12 en 14 dBm. (met dank aan Kees, PA3HAN). Ideaal dus voor legale long range experimenten 
  Als je nog andere apparatuur kent waarbij de power settings ingesteld kunnen worden, laat het weten op pa0hoo at qsl.net als je wilt. 
• Dan nog een interessant idee, dat wellicht heel goed uitvoerbaar is. Zoals je weet is veel apparatuur voorzien van twee antennes. Een daarvan is voor zenden/ontvangen, de andere is voor 'diversity'  ontvangst. Alleen voor ontvangst dus. Als het signaal op deze antenne sterker is, wordt dat gebruikt. Wat blijkt echter, we hebben op onze apparatuur gemeten dat er tijdens zenden uit deze antenne-aansluiting toch een -klein- signaal komt, dit is ongeveer 20 dB zwakker dan het echte zendsignaal dat aan de andere antenne wordt toegevoerd. Laat dat nu net die 0,4 mW zijn uit het vorige punt! Dus, als we op deze antenne-ingang  onze 24 dBi schotel zouden aansluiten zouden we legaal een grote afstand kunnen overbruggen. Het klinkt gek, maar het zou kunnen.  Wie pakt deze handschoen op?
  Kijk eens op http://seattlewireless.net/index.cgi/HardwareComparison en zoek de apparatuur met de beste ontvangstgevoeligheid en instelbaar uitgangsvermogen. 
• En, tenslotte, heb je toch het idee om illegaal te gaan, met standaard apparatuur en een 24 dBi 60 cm schotel, dan kun je volgens de sommetjes idealiter ongeveer 100 km(!) overbruggen. Dat zal in ons platte land dus niet lukken, want de kromming van de aarde en de fresnell eisen gooien dan dan echt roet in het eten. Praktisch ben je op 'huishoogte-met-mast' na 10 tot 15  km wel uit het vrije zicht, wat je ook doet. 

 (top)

Vermogen

Vermogen wordt in watt of milliwatt uitgedrukt. Vermogen kan ook als relatieve waarde ten opzicht van 1mW worden gegeven, (in (dBm,deciBell ten opzicht van 1 milliwatt') . Het uitgangsvermogen wordt dan uitgedrukt als:

dBm= 10*log10(P/ 0.001))
(P in watt)"

Om het effect van antenneversterking (dBi), voor- en eindversterkers (dB) en kabelverliezen (dB)  na te gaan moet je moet je de waarden hiervan bij het beginvermogen optellen (aftrekken) vanwege de logaritmische schaal.  

Per factor 2 tel je 3 dB op. 2 mW is dus 3dBm,  en 16 mW is 2*2*2*2*1 mW ofwel 3+3+3+3 =12 dBm 

Hieronder een handige tabel:

• WLAN apparatuur heeft meestal ongeveer 15 dBm output. (ongeveer 30 mW) 
• Sommige apparatuur heeft standaard 100mW. En dat kan een nadeel zijn als je legaal een grote afstand wilt overbruggen.  Zie: Over het maximum bereik met het maximum legale vermogen...

Hieronder kun je precies omrekenen van Watt (W) naar decibel ("milliwatt" naar (dBm)) of visa versa.

(top)

Kabelverliezen bij 2.45 GHz

Hieronder vind je een lijstje veel voorkomende kabels met hun verliezen:

• RG 58 (algemene zwarte 50 Ohm kabel, gebruikt voor coax ethernet, 'bakkies' e.d.: 1 dB per meter. Geen TV-coax!!
• RG 213 (zwarte dikke kabel, veel vookomend bij zendamateurs): 0.6 dB per meter.
• RG 174 (dunne (teflon) coaxkabel, wordt veel in 'pigtail' verloopkabeltjes toegepast): 2 dB of meer per meter.
• Aircom : 0.21 dB/m.
• Aircell : 0.38 dB/m.
• LMR-400: 0.22 dB/m
• IEEE 802.3 (dikke gele kabel die vroeger in professionele ethernet backbones werd gebruikt) 0.3 dB/m

Hoeveel demping (kabelverlies) je hebt kun je gemakkelijk zelf uitrekenen. Vermenigvuldig het aantal meters kabel met de demping in dB/m. Voor de luiaards onder ons vind je hieronder een calculator 

(top)

Antenne

• Antenneversterking wordt meestal opgegeven in dB ten opzicht van een isotropisch (bolvormig) rondstralend antenne [dBi]. In feite wordt hiermee de versterking ten opzicht van een denkbeeldige bolvormig rondstralende antenne gegeven.
• Soms wordt de versterking in dBd opgegeven. In dat geval wordt de versterking met die van een dipool vergeleken. Je moet dan 2,14 dB (sommigen beweren 3 dB) erbij optellen om de versterking in dBi te krijgen .
• Naarmate de antenneversterking hoger wordt, wordt de openingshoek kleiner. Dat heeft voordelen voor als je een punt-naar-punt verbinding wilt hebben. Immers, alle signalen buiten de denkbeeldige lijn tussen beide stations worden minder versterkt, deze signalen zullen dus minder storing veroorzaken. In een overvolle ISM-band, waar de Wifi IEEE802.11b (toekomstige -g (54 Mb/s) zit,  is dat een groot voordeel. Kijk ook bij  signaal-ruis-verhouding. 
• Kijk ook eens op de link pagina voor een aantal interessante antennebouwprojecten. 

(top)

Connectorverliezen

• Connectorverliezen kunnen heel laag zijn (minder dan 0,1 dB) , maar verwaarloos ze niet. Als je minder goede connectoren gebruikt kunnen de verliezen bij  2,45 GHz, oplopen tot  0,5 dB of meer per connector. Gebruik zo min mogelijk connectoren. Gebruik N connectoren of SMA connectoren. BNC connectoren kunnen alleen gebruikt worden als ze van heel goede kwaliteit zijn.  
• Verloopkabeltjes (pig tails)  kunnen flink dempen. Ons 30 cm lange varkensstaartje had een verlies van 1.5 dB! En dat is veel als je bedenkt hoeveel meter goede kabel dat zou kunnen zijn. Je kunt dan beter een verloopplug gebruiken.  
• Als je connectorverliezen verwacht, tel ze in de berekening van het link budget dan op bij de kabelverliezen (negatief getal) 

(top)

Uitgestraald vermogen

Het uitgestraald vermogen is het zendvermogen in Watt maal de antenneversterking. 
Indien uitgedrukt in dB's tel je de dB's dus op, zie de formule hieronder: 
Dit uitgezonden vermogen wordt   (EiRP) 'Effective Isotropic Radiated Power'  genoemd. 

Uitgestraald vermogen  [dBm] = zendvermogen  [dBm] -kabel- en connectorverliezen  [dB] + antenneversterking [dBi] 

• Let op: de limiet in Europa, dus ook in Nederland en België,  is 100 mW, dus 20 dBm. In Frankrijk geldt een limiet van  5mW, (7 dBm), met wat mitsen en maren, maar dat gaat voor dit verhaal te ver. 

(top) 

Etherverliezen bij 2.45 GHz

Op de weg door de vrije ruimte neemt het vermogen per m2 steeds verder af. Naarmate de ontvangstantenne verder weg staat zal deze minder vermogen kunnen opvangen. Dit effect noemen we de etherverliezen. De etherverliezen zijn te berekenen met de  
(Friis formule)

Lp(dB)= 92,45 + 20log10 F+20 LOG10d 
Lp= padverlies
F= frequentie in GHz
dB= decibel
d= afstand in kilometer
Voorbeeld: een afstand van 6 kilometer geeft een etherverlies van  –116 dB.

Hieronder kun je de verliezen bij een gegeven afstand uitrekenen of, omgekeerd, de afstand bepalen bij een gegeven verlies :

Hieronder kun je dezelfde berekening uitvoeren voor iedere gewenst frequentie, dus ook voor de 5 GHz 802.11a band.

(top)

Ontvangstgevoeligheid

Het woord spreekt voor zich. Onder een bepaalde signaalsterkte zal de ontvanger het signaal niet meer herkennen en kunnen er geen gegevens meer worden overgebracht. De ontvangergevoeligheid is afhankelijk van de bandbreedte; Om deze reden kan een radiopad met lage signalen soms nog wel bij een lagere overdrachtsnelheid functioneren. Hieronder vind je wat fabrieksgegevens  van in de handel verkrijgbare apparatuur. Let op: op deze site vind je een veel uitgebreider en up to date overzicht. 

• Orinocco  PCMCIA Silver/Gold : 11Mbps => -82 dBm ; 5.5Mbps => -87 dBm; 2Mbps=> -91 dBm; 1Mbps=> -94 dBm.
• CISCO  Aironet 350: 11Mbps => -85 dBm ; 5.5 Mbps => -89 dBm; 2 Mbps => -91 dBm; 1 Mbps => -94 dBm.
• Edimax USB client: 11Mbps => -81 dBm; 
• Belkin router/AP: 11 Mbps =>-78 dBm

(top)

Signaal-ruisverhouding

Naast de ontvangergevoeligheid is de signaal ruisverhouding ter plaatse ook een belangrijk gegeven.  Je kunt dit vergelijken met  het houden van een gesprek in een stille bibliotheek (geen ruis) of op een drukbezochte receptie (veel ruis).  Naarmate de ruis  sterker wordt dan het gewenst signaal, is boven een bepaalde grens geen gegevensoverdracht mogelijk. Vooral in stedelijke gebieden, maar ook vlak bij een computer(!!) kan de storing door externe signalen (ruis) zo hoog zijn dat dit de ontvangst merkbaar negatief beïnvloedt. Sommige ontvangers zijn beter in staat het gewenst signaal uit een verruiste omgeving op te pikken dan andere. Van de meeste ontvangers wordt dit getal niet gegeven door de fabrikant. Het beste wat je kunt doen is je WLAN apparatuur niet te dicht bij de computer gebruiken en alert te zijn op stoorbronnen.  

(back)

Signaaloverdracht: De Fresnell ellips

Voor een goede signaaloverdracht moet er tussen de zender (A)  en ontvanger (C) een denkbeeldige ruimte zijn zonder obstakels. Dit is de verboden ruimte. Zo'n ruimte heeft een elliptische vorm. Je kunt hieronder globaal uitrekenen hoeveel meter je vrij moet houden op een gegeven afstand tot de antenne. Berekend wordt de afstand 'r' op afstand D1 uit de figuur hiernaast

• Deze waarden gelden alleen voor 2.45 GHz ! 

(back)

Signaaloverdracht: Buiging

Als er een obstakel tussen zender en ontvanger zit kan er toch enig signaal doorkomen dankzij het effect van buiging (breking). Het  signaal buigt als het ware om de hoek van het object heen. naarmate de frequentie hoger is is het effect minder en komt er dus minder bij de ontvangstantenne aan. (2,45 GHz is een hoge frequentie, dus reken niet te veel op dit verschijnsel).

• Let op: de berekening geldt alleen als de objecthoogte klein is ten opzichte van de afstand tussen antennes en object. 
• Tel de gevonden waarde op bij de gevonden etherverliezen
• Het berekende vermogensverlies geldt voor beide richtingen.
• Referentie: S. Saunders: Antenna and propagation for wireless communication systems.

(top)

Signaaloverdracht: Polarisatie

Radiogolven hebben altijd een bepaalde polarisatie. Deze is afhankelijk van de gebruikte antenne.  De polarisatie kan horizontaal of verticaal,  linksdraaiend of rechtsdraaiend zijn.  Aan de antennevorm is bijna altijd zien wat de bijbehorende polarisatie is. Een verticale spriet, een horizontale dipool, en een links- of rechtsom gewikkelde Helix antenne spreken voor zich. 
Een yagi antenne kan horizontaal of verticaal worden gemonteerd.
Let op: een 'instinker' is de slotted waveguide omni directional antenne. Je zou om zijn vorm geneigd zijn te denken dat ie verticaal gepolariseerd is, maar hij produceert een horizontaal gepolariseerd veld. 

Waarom dit allemaal zo belangrijk is? Omdat je voor beide stations in principe antennes met dezelfde polarisatie moet gebruiken 
Bij horizontaal naar verticaal verlies je 20 tot 30 dB (soms meer). Eigenlijk gaat dit niet. 
Bij horizontaal of verticaal naar circulair (links- of rechtsdraaiend) verlies je 3dB signaalsterkte over het totale radiopad. Dit kan overigens wel goed werken als er voldoende reserve in het systeem zit. Tel die 3dB op bij het gevonden etherverlies.     

(top)

Reflecties en golffrontspreiding

Als radiogolven, die via objecten gereflecteerd worden, zich mengen met de oorspronkelijke radiogolven, dan zullen de golffronten niet gelijktijdig bij de ontvanger aankomen. Bij snelle pulsvormige modulatie, en dat geldt IEE802.11b, zullen de ontvangen pulsen over de tijd 'uitgesmeerd' worden waardoor een goede herkenning niet (goed)  meer mogelijk is. Er ontstaan extra fouten, als dit te veel wordt, zal de WLAN-apparatuur overschakelen naar een lagere snelheid. (Dit effect kennen we ook van de dubbele beelden die bij TV-ontvangst kunnen worden waargenomen bij slechte opgestelde antennes.) 
Tot op zekere hoogte kan WLAN-apparatuur met deze fout overweg, in veel specificaties staan de maximaal toegestane tijdfouten aangegeven. 
Binnenshuis wordt  een golffrontspreiding van maximaal 50 ns verondersteld (ref), terwijl WLAN apparatuur nog overweg met een golffrontspreiding van 65 ns @ 11Mbps. Dus dat past. 

Vrijwel ieder 802.11b apparaat kent de volgende specificaties:

• 11 Mbit/s: 65 ns, 5,5 Mbit/s: 225 ns, 2 Mbit/s: 400 ns, 1 Mbit/s: 500 ns

Wat betekent dit nu in de praktijk? Voor een hoge snelheid heb je bij korte reflectietijden al problemen.  De golffrontspreiding is eenvoudig uit te rekenen door het wegverschil in het radiopad om te rekenen naar een tijdsverschil. Ook radiogolven verplaatsen zich met de lichtsnelheid door de ether (300.000 km/s):

Het tijdsverschil tussen de golffronten wordt nu berekend door het lengteverschil in meters  tussen het directe pad en het gereflecteerde pad te delen door 300.000.000 (m/s)

Een tijdsverschil van  50 nanoseconde komt overeen met een padlengteverschil van 15 meter.  Als je weet waar de reflecties vandaan komen, dan kun al snel zien of je, zelfs bij een sterk signaal, toch overdrachtsproblemen kunt verwachten. Een beetje goniometrie  toepassen dat wel. Of gewoon op schaal uittekenen en een meetlat gebruiken. 

Om het effect van reflecties te vermijden kun je het best een goed richtantenne gebruiken. De eerste keuze voor een punt-naar-punt verbinding zou een circulair gepolariseerde antenne moeten zijn. Deze heeft  naast goede richteigenschappen als bijkomende eigenschap dat hij ongevoelig is gereflecteerde radiogolven. Immers, gereflecteerde circulair gepolariseerde signalen keren om van richting (linksom draaiend  wordt rechtsom draaiend) en voor deze van richting ongekeerde signalen is de antenne  juist extra ongevoelig. Een helix antenne is daarom de eerste keuze voor een niet te verre 'van punt-naar-punt-verbinding'. 

Reflecties kunnen ook in antennekabels optreden als de antenne een foutieve impedantie heeft of als er veel of verkeerde verlooppluggen in het systeem zitten.  Vanaf een kabellengte van pakweg 5 meter kunnen bij slechte antennes en/of connectoren  op dit punt problemen verwacht worden. 

(top)

Links

(zie ook de linkpagina)

• Voortplanting van radiogolven door VE3JF (zendamateur):VHF/UHF/Microwave Radio Propagation: A Primer for Digital Experimenters
• S.R. Saunders: Antennas and propagation for wireless communication systems, Wiley 1999
• http://www.s3.kth.se/radio/COURSES/RKBASIC_2E1511_2001/lecture_3.pdf
• http://seattlewireless.net/index.cgi/HardwareComparison 
• Pioniers in Nederland op het gebied van WLAN  www.wirelessleiden.nl
• Algemeen Nederlands forum over draadloze netwerken met veel wetenswaardigheden en en links naar lokale initiatieven: www.wirelessnederland.nl 
• Portal (nieuw)  portal.wirelessnederland.nl

Opmerkingen, aanvullingen en eigen ervaringen kun je sturen aan Gerard, [pa0hoo at qsl.net]. Alvast bedankt!