Niezawodne działanie sieci bezprzewodowej zależy częściowo od rodzaju transmitowanego sygnału, potencjalnych przeszkód na drodze przesyłu oraz niedoskonałości konstrukcyjnych systemu.
Jednym z najistotniejszych czynników w projektowaniu systemu sieci bezprzewodowej jest to, w jaki sposób sygnał częstotliwości radiowej (RF) przebywa drogę między nadajnikiem a odbiornikiem. Celem, do którego dąży się przy projektowaniu systemu, jest uzyskanie tzw. kontaktu wzrokowego (line-of-sight – LOS), czyli linii nieprzesłoniętej widoczności nadajnika z punktu widzenia odbiornika. Takie założenie bywa jednak niepraktyczne, zwłaszcza w przypadku architektury przemysłowej. Ponadto tereny pozamiejskie cechują się sezonowymi trudnościami wpływającymi na rozchodzenie się sygnału. Układy bez linii kontaktu wzrokowego NLOS i poza linią kontaktu wzrokowego BLOS to osobne przypadki rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, z którymi można sobie poradzić, uzyskując niezawodne i zabezpieczone połączenie bezprzewodowe.
Wizualny kontakt wzrokowy a radiowy kontakt wzrokowy
Linia kontaktu wzrokowego oznacza dokładnie to, co wyraża; z punktu lokalizacji nadajnika można zobaczyć odbiornik, a przynajmniej widoczne są między sobą anteny obu tych urządzeń. To jest optyczny kontakt wzrokowy. Jednakże najkrótsza długość fali radiowej jest kilka tysięcy razy dłuższa niż największa długość fali optycznej. Oznacza to, że bezpośredni wizualny kontakt wzrokowy nie oznacza idealnie „czystej drogi” dla fal radiowych i odwrotnie.
Aby uzyskać niezawodne połączenie bezprzewodowe z wykorzystaniem częstotliwości radiowej, należy uważnie zaplanować prace konstrukcyjne, włącznie z analizą drogi sygnału radiowego oraz doborem sprzętu i wyborem miejsca instalacji anten. Nadajnik może być wyposażony w antenę dookolną, transmitującą sygnał we wszystkich kierunkach. Odbiornik również może być wyposażony w antenę dookolną, jednak w większości wypadków, ze względu na zwiększenie prawdopodobieństwa przesłania użytecznego sygnału, stosowane są anteny kierunkowe.
W przypadku konkretnych zastosowań, w których sygnał przesyłany jest z punktu do punktu po linii prostej, stosuje się anteny kierunkowe w celu zawężenia szerokości wysyłanego sygnału, unikając tym samym interferencji i zwiększając efektywność nadawania. Wszystkie te czynniki należy uwzględnić przy konstrukcji systemu sieci bezprzewodowej.
Projektanci powinni również zwrócić uwagę na kilka możliwych utrudnień.
Strefa Fresnela
Pierwszym czynnikiem jest strefa Fresnela, która jest obszarem w kształcie elipsoidy obrotowej, rozciągającym się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, które stanowią jej końce. Dla zapewnienia dobrej jakości przesyłu danych obszar ten musi pozostać pusty. Ważnym parametrem jest obszar pierwszej strefy Fresnela. Jest to wydłużona elipsoida otaczająca nadajnik, odbiornik i obszar znajdujący się pomiędzy nimi.
Przeszkody znajdujące się w pierwszej strefie Fresnela nie muszą być zlokalizowane bezpośrednio na linii kontaktu wzrokowego pomiędzy punktami przesyłu, a mimo to mogą powodować zakłócenia sygnału i okresowe pogorszenie jego jakości. Zachowanie sygnału będzie się różnić w zależności od polaryzacji anteny: pionowo spolaryzowany sygnał napotykający obiekt w pierwszej strefie Fresnela odwróci się i powróci do nadajnika przesunięty w fazie, pogarszając transmisję. Odwrotnie stanie się w przypadku sygnału poziomo spolaryzowanego. Odległość pomiędzy punktami nadania i odbioru transmisji oraz długość fali sygnału określają rozmiar strefy Fresnela.
Odbicie sygnału radiowego od podłoża i wody
Kolejnymi utrudnieniami dla transmisji są odbicia sygnału nadajnika od ziemi i wody. Odbicia od powierzchni lądu powodują wielodrogowe interferencje i pogarszają jakość sygnału. W przypadku transmisji sygnału krótkofalowego na bliską odległość problem propagacji wielodrogowej rozwiązuje się poprzez wykorzystanie anten typu „diversity” i zaawansowanych algorytmów do odrzucania lub łączenia sygnałów, w zależności od tego, czy są one przesunięte w fazie (interferencja pożądana i szkodliwa). Dla transmisji dalekiego zasięgu najczęściej stosowanym zabiegiem przeciwko odbiciu sygnału od podłoża jest zwiększenie wysokości zamocowania anteny. Jakość sygnału przesyłanego zależy wówczas od wysokości, na której znajduje się antena.
Ziemia, powietrze
Kolejnym czynnikiem wpływającym negatywnie na jakość i niezawodność połączenia bezprzewodowego jest krzywizna ziemi. Uważa się, że nadajnik znajdujący się na poziomie morza zapewnia zasięg do odległości 11 km (jeśli po drodze nie ma przeszkód). Kolejnym czynnikiem wpływającym na rozchodzenie się fali jest atmosfera. Ponieważ sygnał nie jest przez cały czas przesyłany na jednakowej wysokości względem poziomu ziemi, zmienne warunki atmosferyczne zależne od wysokości będą oddziaływać na transmitowany sygnał. Dominującym efektem oddziaływania ciśnienia atmosferycznego na sygnał jest zakrzywienie jego drogi w kierunku ziemi, co w efekcie poprawia rozchodzenie się fali o (mnożnik 4/3), czyli o ok. 15%.
Przeszkody dla sygnału
NLOS to nazwa przypadku, w którym połączenie dwóch punktów sygnałowych następuje bez przejrzystego kontaktu wzrokowego pomiędzy elementami. Na drodze sygnału lub wewnątrz pierwszej strefy Fresnela znajdują się przeszkody. Wpływ przeszkód w sytuacji NLOS może być różny. Od pomijalnego do absolutnie utrudniającego transmisję. Fale radiowe uważa się za fale płaskie, ponieważ fale magnetyczne i elektryczne rozchodzą się w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach. Przeszkody mają różny wpływ na rozchodzenie się fali płaskiej, a zależy on od długości fali.
Przeszkody dzielimy na trzy ogólne kategorie: o rozmiarze mniejszym niż długość fali, o długości równej długości fali oraz rozmiarze większym od długości fali. Jeśli przeszkoda na drodze sygnału jest mniejsza niż długość fali, wówczas jej wpływ na sygnał jest pomijalny lub nie istnieje. Jeśli obiekt jest takiej samej wielkości jak długość fali, wówczas fala ulega dyfrakcji i osłabieniu.
Jeśli przeszkoda jest większa od długości fali, sygnał zostanie zatrzymany w stopniu zależnym od materiału przeszkody i jego właściwości elektrycznych.
BLOS ponad NLOS
Transmisja typu BLOS jest specjalnym przypadkiem transmisji NLOS, często występującym w transmisji dalekiego zasięgu, na którego drodze pojawia się krzywizna ziemi, zakrzywienia terenu lub inne przeszkody. Metody radzenia sobie z tego typu przeszkodami bazują na technologiach, które umożliwiają tworzenie trwałych połączeń bezprzewodowych. Najczęstszą metodą stosowaną w przypadku połączeń średnio- i długodystansowych jest użycie pasywnych i aktywnych regeneratorów sygnału, otrzymujących sygnał z początkowego nadajnika (transmitera) i przekazujących go dalej, zwiększając jego zasięg.
Badania rozchodzenia się sygnału
Pierwszym etapem w określaniu jakości połączenia pomiędzy dwoma lub kilkoma punktami jest wykonanie badań. Badania te wykonywane są przez specjalistów, którzy korzystają z różnych narzędzi w celu stworzenia dokładnej mapy pomiędzy punktami nadawania i odbioru sygnału, co umożliwia wskazanie najlepszej drogi, wpływu i rodzaju przeszkód na strefę Fresnela, potrzebę zakupu i ewentualną lokalizację sprzętu pomocniczego takiego jak regeneratory sygnału oraz wymaganą siłę sygnału nadajnika i czułość odbiornika.
Raport zawiera zazwyczaj wizualizację drogi sygnału przedstawioną na mapie topograficznej, z zaznaczeniem potencjalnych przeszkód. Podczas projektowania połączenia zaleca się nawiązać kontakt z miejscowym zarządem budynków (lub urzędem zajmującym się planowaniem przestrzennym) w celu uzyskania informacji, czy na drodze sygnału planowana jest budowa wysokich budynków.
Planowanie systemu komunikacyjnego nie może być robione „na kolanie” lub poprzez złożenie ze sobą różnych elementów bez planu i wsparcia profesjonalisty. Podobnie jak w przypadku innych zagadnień, koszt właściwego planowania zwróci się wielokrotnie w przyszłości.
Daniel E. Capano jest menedżerem projektu w firmie Gannett Fleming Engineers and Architects.