Czy interesowaliście się kiedyś, czym jest tłumienie sygnału? Mamy nieograniczony dostęp do sieci, a tak naprawdę wiele użytkowników nie zna podstawowych zasad rządzących nią. W dobie fake newsów w sieci powstają nieporozumienia i strach. Co za tym idzie, powielanie tych informacji doprowadza do ogólnonarodowej paniki. Ci, którzy mają wiedzę technologiczną, reagują różnie: obśmiewają problem, hejtują lub ignorują. Ja postanowiłem walczyć z naukową dezinformacją inaczej. Będziemy na łamach SpeedTest publikować wam artykuły dotyczące działania sieci i zabezpieczeń. Wszystko po to, abyście mogli zrozumieć, co dzieje się wokół was, bez zbędnego strachu.

Rozwój technologiczny następuje tak szybko, że naprawdę ciężko jest wiedzieć wszystko i rozumieć każdy temat. Nic więc dziwnego, że ludzie, którzy nie są zaznajomieni z różnego rodzaju nowinkami, zwyczajnie się ich boją. Strach nie jest niczym dziwnym i szkodliwym, ale paranoja już tak. Ludzie nie mają pojęcia, jak funkcjonują sieci bezprzewodowe i dlatego powielają różnego rodzaju fake newsy, na których ktoś robi sobie pozorną sławę i całkiem realne pieniądze. Myślę, że taki cykl publikacji, związanych z działaniem tego medium może sprawić, że wiele osób zrozumie idee i przestanie się bać nieznanego.

Dzisiaj chciałem zająć się takim tematem, jak tłumienie sygnału.

Jeżeli miałbym, tak na chłopski rozum napisać, czym jest tłumienie, to powiedziałbym, że sygnał dociera z nadajnika do odbiornika pewną drogą, która w świecie idealnym byłaby bez jakichkolwiek przeszkód. Nie mamy jednak świata idealnego. Sygnał, który jest wysyłany, natrafia na różnego rodzaju utrudnienia, które powodują, że jego moc maleje. To jest właśnie tłumienie sygnału. Moc, która dociera do odbiornika, jest pomniejszona o wartość tłumienia na trasie. W zależności od tego, z jakiego materiału wykonane są przeszkody, to mogą one tłumić bardziej, mniej, lub nawet w stu procentach i wcale. Do opisu zachowania tłumionego sygnału używa się współczynników tłumienia, które zależą od medium, które albo pochłania, albo rozprasza sygnał.

Tłumienie sygnału występuje w przypadku każdego medium.

Zjawisko pojawia się zarówno w kablach, światłowodach, jak i w powietrzu. Zależy ono też od odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Energia jest bowiem zużywana na przemieszczanie sygnału, a także oddawania poprzez promieniowanie. Musimy też pamiętać, że tłumienie nie stanowi problemu wtedy, kiedy medium jest stosunkowo krótkie, a moc nadawania na tyle wysoka, aby przebyć drogę pomiędzy punktem nadawczym i odbiorczym. Parametrem, który opisuje zdolność danego łącza do transmisji sygnału, jest tłumienność. Parametr ten określa spadek mocy sygnału przepływającego przez dane łącze transmisyjne.

Jeżeli chcemy policzyć tłumienie sygnały radiowego, musimy wziąć pod uwagę, że mamy różne modele, aby takie obliczenia wykonać.

Nie ma jednego, uniwersalnego wzoru, dzięki któremu otrzymacie wynik. Zależy on od wielu czynników. Pierwszym z nich jest rodzaj przestrzeni. Innych modeli użyjemy, kiedy mówimy o tłumieniu „na powietrzu”, a o innych, kiedy to tłumienie chcemy policzyć w mieszkaniu. W języku telekomunikacji mamy do czynienia modelem propagacyjnym indoor i outdoor (wewnątrz- i zewnątrz- budynkowym). Propagacja jest to zwyczajne rozchodzenie się fal radiowych w środowisku. W zależności od tego, z jakim otoczeniem mamy do czynienia, w grę wchodzą inne przeszkody: w przypadku outdoor mamy budynku, drzewa, wzniesienia itp., a w przypadku indoor ściany, stropy, sufity, meble, urządzenia elektroniczne itp. Dzisiaj zajmiemy się jednak modelami propagacyjnymi w budynkach.

Tłumienie sygnału w budynkach można wyznaczyć za pomocą kilku modeli, ale musimy wybrać najlepszy przeprowadzając wcześniejszą analizę.

Model propagacyjny to taki wzór, który pozwoli nam z pewnym przybliżeniem opisać zachowanie fali radiowej. Musimy oczywiście wybrać ten odpowiedni i uwzględnić czynniki, mające wpływ na wyniki: wysokość zawieszenia anten, odległość pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, ilość przeszkód i materiał, z którego są zbudowane. Modele, które stosujemy do obliczeń, mogą być mniej lub bardziej upraszczające. Są takie, które stosujemy w halach, gdzie pojawienie się przeszkody nie wpłynie na wyniki, albo takie, które sprawdzą się w mieszkaniach lub biurowcach, gdzie pojawiają się ściany i sufity.

Tłumienie sygnału na hali policzymy za pomocą modelu propagacyjnego wolnej przestrzeni.

Sprawdza się on, kiedy projektujemy sieci bezprzewodowych i gdzie mamy znikome i mało istotne przeszkody, lub nie mamy ich w ogóle. Dzięki temu, we wzorze nie uwzględniamy dodatkowego tłumienia od przeszkód i operujemy dwoma zmiennymi: odległością pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem oraz częstotliwością sygnału. To trochę taki model teoretyczny.

Tłumienie sygnału, obliczenia, modele propagacyjne,

Wyniki uzyskane w przypadku tego modelu mogą posłużyć jako swojego rodzaju odniesienie. Policzmy sobie zatem tłumienie dla Wi-Fi w przypadku jakiejś wymyślonej hali produkcyjnej. Załóżmy, że hala ma 100 m, a router Wi-Fi jest, powiedzmy na środku. Policzmy tłumienie, jeżeli pracownik z telefonem odbiera sygnał Wi-Fi przy wejściu na halę. Odległość między nadajnikiem i odbiornikiem to 50 m, Wi-Fi nadaje na częstotliwości 2,4 GHz, i 5GHz – policzmy tłumienie dla obu.

Tłumienie sygnału, obliczenia, modele propagacyjne,

Teraz musimy zamienić skalę decybelową na liniową. Decybeli używamy wtedy, kiedy jednostka zmienia się bardzo szybko w danym zakresie, a zmiany najistotniejsze, są procentowe. Oznacza to, że sygnał od nadajnika do odbiornika w tym przypadku jest tłumiony ponad 100 milionów razy.

Rzadko się jednak zdarza, aby pracować w idealnych warunkach, dlatego mamy modele, które pozwalają liczyć tłumienie sygnału w środowisku z przeszkodami.

Modeli uwzględniających przeszkody jest kilka. Najprostszym jest model One-Slope. Zakłada on, że mamy dwa współczynniki: tłumienia odniesienia od odległości 1 m i indeks odległościowego zaniku mocy. Dobiera się je eksperymentalnie. Używamy go, kiedy chcemy oszacować tłumienie w tej samej kondygnacji lub pomieszczeniu. Mamy też model ITU-R P.1238. Organizacja ITU stworzyła model, który pozwala obliczyć tłumienie w pomieszczeniu, gdzie znajdują się przeszkody. Uwzględnia także częstotliwość fali i oczywiście odległość pomiędzy urządzeniami. Do tego wzoru mamy specjalne tabele, które mają podane tłumienia różnych elementów (w przybliżeniu). Parametry są określanie na podstawie eksperymentu. Jest też model Motleya-Keenana, który jest wzorem bardziej rozbudowanym. Uwzględnia on propagację fali radiowej przez kolejne ściany w stropy budynku. Bliżej nie będę go opisywał, ponieważ jest użyty, jako element innego modelu, który chciałbym umówić poniżej.

Najpopularniejszym modelem do liczenia tłumienia sygnału w budynkach jest obecnie model Multi-Wall.

Jest on połączeniem modelu One-Slope i Motleya-Keenana. Uwzględnia on tłumienie ścian i stropów. Co ciekawe, w tym modelu przeszkody podzielone są na kategorie: ściana zewnętrzna, ściana działowa itp. Wszystko dlatego, że każda z przeszkód wykonana jest z innego materiału i ma inne parametry. Zapis dla tego modelu jest przytłaczający, ale liczenie go wcale nie jest takie ciężkie, jak wygląda.

Tłumienie sygnału, obliczenia, modele propagacyjne,

Jestem pewien, że ten wzór was przerazi w pierwszej chwili, ale to tylko dziwny zapis naprawdę bardzo prostych obliczeń. Znak Σ oznacza sumowanie po wszystkich elementach. Czyli, jeżeli mamy w budynku 2 ściany działowe i 10 ścian zewnętrznych oraz jeden strop, to szukamy tłumienia dla każdego z elementów osobno, mnożymy tłumienie przez ilość i sumujemy. Zróbmy to sobie na jakimś przykładzie.

Tłumienie sygnału, obliczenia, modele propagacyjne,

Przeanalizujmy teraz plan pomieszczeń, dla których chcemy policzyć tłumienie sygnału.

Mamy tutaj plan biura, w który mamy router WiFi. Załóżmy, że szef firmy nie zna się absolutnie na sieciach bezprzewodowych i postawił sobie router w sali konferencyjnej (BOARDROOM), a odbiornik w powiedzmy biurze szefa, który narzeka na strasznie źle chodzące WiFi. Dlaczego? Policzmy!

Tłumienie sygnału, obliczenia, modele propagacyjne,

Załóżmy, że pomiędzy pokojem szefa a salą konferencyjną jest około 17 m (powiedzmy). Biuro szefa oddzielone jest od routera kilkoma pokojami i toaletą. Pominiemy na potrzeby chwili to, iż najprawdopodobniej w toalecie są kafelki i one też mogą tłumić. Skupmy się na samych ścianach, aby ogarnąć model. Mamy na drodze 3 ściany działowe i ścianę z oknem. Według wcześniejszej tabeli mają one tłumienia ściana działowa 2 dB i okno (te jest pojedyncze) więc 2,5 dB. Nie mamy żadnych stropów, więc ten współczynnik nam odpada.

Policzmy teraz tłumienie sygnału korzystając z modelu Multi-Wall.

Załóżmy, że WiFi w tej firmie działa na częstotliwości 5 GHz, a tłumienie odniesienia wyliczymy z modelu wolnej przestrzeni. Spójrzcie zatem na moje obliczenia.

W przypadku tego pomiaru, sygnał tłumiony jest ponad 5 milionów razy. Jeżeli chodzi o wolną przestrzeń, to jest on tłumiony „tylko” 50 tysięcy razy. Daje nam to pewne porównanie. Gdyby nie było ścian, to sygnał Wi-Fi byłby dużo mocniejszy. Niestety, ściany tłumią sygnał i jego jakość się pogarsza. Teraz, kwintesencją tego jest, z jaką mocą pracuje router Wi-Fi. Jeżeli moc jest mniejsza lub minimalnie większa, niż tłumienie, to sygnał, który dociera do biura szefa, jest zbyt słaby, aby Internet funkcjonował prawidłowo.

Zapewne znajdą się tacy, który zapytają, po co liczyć tłumienie sygnału.

Jak widzicie, jest to niezbędny parametr w przypadku projektowania różnego rodzaju sieci: zarówno kablowych, jak i bezprzewodowych. Korzysta się z niego nie tylko w budynkach, ale i w przestrzeni. Za to, jakie moce używane są do rozpropagowania sygnału, odpowiada wiele czynników i wszystkie te elementy są dokładnie liczone. Pokazałem wam jeden z najprostszych modeli, dla biura. W przestrzeni także takie obliczenia są wykonywane z należytą dokładnością i zachowaniem niezbędnych norm. Działa to w przypadku WiFi, LTE, 5G, ale działało też, gdy mieliśmy do czynienia z radiem i telewizją. Następnym razem pokaże wam, jak takie obliczenia wyglądają w przypadku przestrzeni, kiedy antenę mamy na dworze, a chcemy odbierać Internet w domu, od operatora.

PJ
Przemek jest mózgiem operacyjnym SpeedTest.pl. Studiował na Politechnice Wrocławskiej elektronikę i telekomunikację. Zarządza projektami IT, relacjami z klientami oraz nadzoruje procesy rozwoju. Prywatnie zaangażowany w rodzinę, wsparcie różnych działalności charytatywnych i projekty ekstremalne.