Wenn sich hier schon lange nichts mehr getan hat, so hat dies in erster Linie 2 Gründe.
1. Bin ich derzeit geschäftlich stark eingebunden und komme nur selten dazu, was zu machen
2. Ich bin daran, diesen Blog auf einen eigenen Server zu verlegen und das braucht seine Zeit.
Zudem hilft Punkt Eins hier nicht wirklich.
Freitag, 18. Dezember 2015
Mittwoch, 19. Februar 2014
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 8/8: Fazit und Zusammenfassung
In den Abschnitten 2-7 dieser Serie versuchte ich verschiedene Aspekte aufzuzeigen, welche vorallem bei der Bereichnung von langen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eine Rolle spielen.
Es ist nicht ganz so trivial wie Land-läufig manchmal getan wird.
Aber wie weit komme ich nun wirklich?
Nun, nehmen wir mal den Idealfall an – freies Feld, keine Beeinträchtigung von Fresnel-Zone, etc.
- Wir haben gesehen, dass auf 1km Distanz wir ein Free-Space-Path-Loss von ca. 100dB haben.
- Wir haben auch gesehen, dass die BlackBody-Noise für WLANs bei ca. –100dBm liegt
Nehmen wir jetzt auch noch an, dass wir mit 2.4GHz bei 100mW EIRP senden, bleiben am Schluss noch ca. 20dB Luft zum Rauschen.
Wenn ich auf der Empfängerseite jetzt noch eine Antenne mit hohem Gewinn verwende, verstärke ich das Signal wieder, jedoch verstärke ich auch das Rauschen - womit mein Pegel zwar besser, mein Signal-zu-Rausch-Verhältniss aber grundsätzlich schlechter wird.
Wechsle ich auf die richtigen Frequenzen im 5GHz-Band gewinne ich zusätzliche 10 dBm Sendeleistung und die können richtig was ausmachen.
Ich komme also anstatt 1km ungefähr 10km weit, bevor ich mir wieder gedanken um die gleichen Dinge machen muss.
Gegebenenfalls kommen dann andere Überlegungen hinzu – wie zum Beispiel die Erdkrümmung bezüglich Freznel-Zone.
Innerhalb von Ortschaften werde ich dies Distanzen jedoch nie erreichen – denn hier reden wir nicht von freiem Feld und Free Space Path Loss.
Hier dämpfen Personen und Gebäude und die Reichweite wird deutlich geringer.
Und dazu kommen noch potentielle Störer – andere WLANs, non-WLAN-Geräte, absichtlich oder unabsichtlich.
Eine genaue Antwort auf die Frage: “Wie weit?” lässt siche also nicht geben.
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 7/8: Legal? Illegal? Egal?
Ich habe Freunde die zu verschiedenen Zeitpunkten öfters mal den Spruch “Legal? Illegal? Egal!” zum Besten geben.
Im Titel zu diesem Blog-Eintrag habe ich jedoch habe ich anstelle eines Ausrufezeichens nochmals ein Fragezeichen geschrieben – ist es wirklich egal?
Nun, es gibt Leute di glauben, die Vorschriften im RF-Umfeld sind sowieso zu kompliziert und zu aufwendig um Messungen zu machen.
Das mag ja sein, allerdings wird trotzdem gemessen.
Ich habe Kunden gesehen, welche tausende von Euros Strafe wegen Verstössen gegen die einschlägigen Vorschriften zu bezahlen hatten.
Absolut subjektiv, da ich öfters in Deutschland zu tun habe, sticht für mich besonders die Bundesnetzagentur heraus. Die hat wirklich regelmässig Messwagen auf der Strasse und misst tatsächlich.
Es ist also schlussendlich eine Wahrscheinlichkeits-/Risiko-Abwägung, welcher jeder für sich selber zu treffen hat – ich kann hier aber nur raten sich an die Vorschriften zu halten, da es wirklich um grosse Geld beträge geht.
Nun, was sind denn die wichtigsten gesetzlichen Vorschriften?
Gehen wir die typischen Fehlerfälle mal kurz durch:
1. Sendeleistung im 2.4 GHz BandImmer wieder tauchen fragen auf, nach dem Motto, wie kann ich eine hohe Distanz mittels WLAN überwinden.
Die “Kurzschluss-Empfehlung” einiger Hobby-WLAN-Bastler… Sendeleistung auf Maximum und eine Richtantenne verwenden.
Lasst es mich hier ganz klar formulieren: Das ist so ziemlich überall in Europa verboten!
Der Grund:
ETSI schreibt für Europa eine maximale RF-Abstrahlung von 100mW (20dBm) vor.
Dieser Wert (genannte EIRP) beinhaltet aber bereits einen gewissen Antennengewinn.
Wenn ich also nun eine Antenne mit besonders hohem Gewinn einsetze, dann muss ich gleichzeitig die Sendeleistung zurückdrehen.
--> Dies ist ein Null-Summen-Spiel, da die Maximalleistung immer weniger gleich 20dBm betragen muss.
Zusätzliche Anmerkung:
In Amerika beträgt die maximale Sendeleistung 100mW, dazu kann ich aber noch Antennen von bis zu 6dBi Gewinn anschliessen.
Wir sehen, dass unsere amerikanischen Kollegen also mit rund 4-facher Sendeleistung unterwegs sein können – natürlich kommen die weiter!
2. Sendeleistung im 5 GHz-BandDie Meisten wissen inzwischen, dass im 5GHz deutlich höhere Sendeleistungen erlaubt sind – bis zu 1W (30dBm) sind möglich.
Aber Achtung: Diese Angabe gilt explizit nicht für alle Kanäle im 5GHz-Band.
Wieviel Sendeleistung in welchem Kanal erlaubt sind, ist abhängig vom den ländersprezifischen Vorschriften und kann hier eingesehen werden:
http://www.wlan-skynet.de/docs/rechtliches/sendeleistung.shtml
3. Falsche Verwendung der 5GHz-Kanäle
Die oben verlinkte Tabelle zeigt auch sehr schön auf, das zB. die Kanäle im Subband 1 nur für Indoor-Anlagen erlaubt sind (auser in Holland).
Und Indoor ist die erlaubte Sendeleistung in diesem Subband auch nicht wirklich höher.
Man sollte also zum Beispiel Kanal 40 tunlichst nicht für Outdoor-Anlagen verwenden – ansonsten ruft man die Bundesnetzagentur wieder auf den Plan.
4. Fehlender DFS und TPC-SupportWiederum aus der früheren Tabelle konnte man sehen, dass DFS und TPC-Support für grosse Bereiche des 5GHz-Bandes zwingend sind.
Leider Gottes steht das 5GHz-Spectrum nicht exclusive WLAN zur Verfügung – wir sehen in diesen Bereichen vorallen Wetterradar-Anlagen von Flughäfen und auch militärische Anlagen. Und die waren zuerst da.
Damit wir in Europa die Erlaubnis erhielten das 5GHz-Spektrum zu nutzen, musste sich die WLAN-Branche verpflichten, sobald ein RADAR-Signal detektiert wird, den Kanal sofort zu verlassen.
--> Dies ist der Job von DFS
Zusätzlich regelt TPC automatisch die Sendeleistung und auch dies vermindert die Einflüsse auf Systeme in der Umgegung.
Ein Gerät, welches kein DFS oder TPC “spricht”, darf eigentlich nicht wirklich auf den entsprechenden Frequenzen senden – das engt auf ein paar wenige verwendbare Kanäle ein (4 in der Schweiz)
Sicher gibt es noch mehr, was man falsch machen kann – aber dass solls vorerst mal sein.
Im Titel zu diesem Blog-Eintrag habe ich jedoch habe ich anstelle eines Ausrufezeichens nochmals ein Fragezeichen geschrieben – ist es wirklich egal?
Nun, es gibt Leute di glauben, die Vorschriften im RF-Umfeld sind sowieso zu kompliziert und zu aufwendig um Messungen zu machen.
Das mag ja sein, allerdings wird trotzdem gemessen.
Ich habe Kunden gesehen, welche tausende von Euros Strafe wegen Verstössen gegen die einschlägigen Vorschriften zu bezahlen hatten.
Absolut subjektiv, da ich öfters in Deutschland zu tun habe, sticht für mich besonders die Bundesnetzagentur heraus. Die hat wirklich regelmässig Messwagen auf der Strasse und misst tatsächlich.
Es ist also schlussendlich eine Wahrscheinlichkeits-/Risiko-Abwägung, welcher jeder für sich selber zu treffen hat – ich kann hier aber nur raten sich an die Vorschriften zu halten, da es wirklich um grosse Geld beträge geht.
Nun, was sind denn die wichtigsten gesetzlichen Vorschriften?
Gehen wir die typischen Fehlerfälle mal kurz durch:
1. Sendeleistung im 2.4 GHz BandImmer wieder tauchen fragen auf, nach dem Motto, wie kann ich eine hohe Distanz mittels WLAN überwinden.
Die “Kurzschluss-Empfehlung” einiger Hobby-WLAN-Bastler… Sendeleistung auf Maximum und eine Richtantenne verwenden.
Lasst es mich hier ganz klar formulieren: Das ist so ziemlich überall in Europa verboten!
Der Grund:
ETSI schreibt für Europa eine maximale RF-Abstrahlung von 100mW (20dBm) vor.
Dieser Wert (genannte EIRP) beinhaltet aber bereits einen gewissen Antennengewinn.
Wenn ich also nun eine Antenne mit besonders hohem Gewinn einsetze, dann muss ich gleichzeitig die Sendeleistung zurückdrehen.
--> Dies ist ein Null-Summen-Spiel, da die Maximalleistung immer weniger gleich 20dBm betragen muss.
Zusätzliche Anmerkung:
In Amerika beträgt die maximale Sendeleistung 100mW, dazu kann ich aber noch Antennen von bis zu 6dBi Gewinn anschliessen.
Wir sehen, dass unsere amerikanischen Kollegen also mit rund 4-facher Sendeleistung unterwegs sein können – natürlich kommen die weiter!
2. Sendeleistung im 5 GHz-BandDie Meisten wissen inzwischen, dass im 5GHz deutlich höhere Sendeleistungen erlaubt sind – bis zu 1W (30dBm) sind möglich.
Aber Achtung: Diese Angabe gilt explizit nicht für alle Kanäle im 5GHz-Band.
Wieviel Sendeleistung in welchem Kanal erlaubt sind, ist abhängig vom den ländersprezifischen Vorschriften und kann hier eingesehen werden:
http://www.wlan-skynet.de/docs/rechtliches/sendeleistung.shtml
3. Falsche Verwendung der 5GHz-Kanäle
Die oben verlinkte Tabelle zeigt auch sehr schön auf, das zB. die Kanäle im Subband 1 nur für Indoor-Anlagen erlaubt sind (auser in Holland).
Und Indoor ist die erlaubte Sendeleistung in diesem Subband auch nicht wirklich höher.
Man sollte also zum Beispiel Kanal 40 tunlichst nicht für Outdoor-Anlagen verwenden – ansonsten ruft man die Bundesnetzagentur wieder auf den Plan.
4. Fehlender DFS und TPC-SupportWiederum aus der früheren Tabelle konnte man sehen, dass DFS und TPC-Support für grosse Bereiche des 5GHz-Bandes zwingend sind.
Leider Gottes steht das 5GHz-Spectrum nicht exclusive WLAN zur Verfügung – wir sehen in diesen Bereichen vorallen Wetterradar-Anlagen von Flughäfen und auch militärische Anlagen. Und die waren zuerst da.
Damit wir in Europa die Erlaubnis erhielten das 5GHz-Spektrum zu nutzen, musste sich die WLAN-Branche verpflichten, sobald ein RADAR-Signal detektiert wird, den Kanal sofort zu verlassen.
--> Dies ist der Job von DFS
Zusätzlich regelt TPC automatisch die Sendeleistung und auch dies vermindert die Einflüsse auf Systeme in der Umgegung.
Ein Gerät, welches kein DFS oder TPC “spricht”, darf eigentlich nicht wirklich auf den entsprechenden Frequenzen senden – das engt auf ein paar wenige verwendbare Kanäle ein (4 in der Schweiz)
Sicher gibt es noch mehr, was man falsch machen kann – aber dass solls vorerst mal sein.
Donnerstag, 16. Januar 2014
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 6/8: Wir sind nicht alleine
Nun, dies hier ist eigentlich kein spezifisches Thema für WLAN über längere Distanzen – sondern ein Thema für jegliche WLAN-Netze.
”Wir sind nicht alleine!” - dass heisst, wir finden in unsere Umgebung andere WLANs und diese können unser eigenes WLAN negativ beeinflussen.
Und insbesondere bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können diese “anderen” WLANs auch weitere “eigene” WLANs sein.
Und umgekehrt beeinflusst unser WLAN auch die Anderen.
Zusätzlich gibt es auch Nicht-WLAN-Signale, welche die gleichen Frequenzen benutzen.
Diese teilweise absichtlichen, meist jedoch völlig unabsichtlichen Störquellen, spielen natürlich auch eine Rolle.
Also, schauen wir uns diese gegenseitigen Einflüsse an und gruppieren sie dabei in 3 Gruppen:
a) Störungen am Standort des Senders
b) Störungen am Standort des Empfängers
c) Störungen zwischen den Standorten
A) Störungen am Standort des Senders
Nun, wenn wir hier unsere Punkt-zu-Punkt-Verbindung anschauen, dann interessiert uns der Einfluss irgendwelcher Störquellen eigentlich gar nicht.
Allerdings wäre dies ein wenig kurz gegriffen – denn:
- in umgekehrter Richtung ist dieser Standort der Standort des Empfängers, also spielen die Punkte welche unter B) folgen werden auch hier eine Rolle
- ich kann auch eigene andere WLANs stören und daher bin ich interessiert, dies möglichst zu vermeiden.
Auf was muss ich nun also achten?
Es gibt ein paar grundsätzliche Richtlinien zu beachten:
1. Frequenzband
Uns stehen grundsätzlich 2 Frequenzbänder zur Verfügung – das 2.4GHz- und das 5GHz-Band.
Das 5GHz-Band ist derzeit zu bevorzugen, da es (noch) weniger Störquellen aufweist und insbesondere im Aussenbereich höhere Sendeleistungen erlaubt!
2. Kanalwahl
Unabhängig vom Frequenzband sollte unsere Punkt-zu-Punkt-Verbindung Kanäle vermeiden, welche in der Nähe bereits verwendet werden.
Aufgrund der höheren Anzahl von verfügbaren Kanälen im 5GHz-Band ist dieses Band wiederum zu bevorzugen.
3. Antennenwahl
Die richtige Antenne kann sehr viel beitragen.
Zum Einen kann eine gerichtete Antenne helfen, eine grössere Distanz zu überbrücken.
Zum Anderen helfen gerichtete Antennen auch sich von konkurierenden WLAN-Signalen zu differenzieren, da die Signal gerichtet gesendet und auch empfangen werden.
4. Sendeleistung
Es gibt gesetzliche Vorschriften bezüglich Sendeleistung, welche wir aber im nächsten Blog adressieren werden.
Dieser Punkt hängt nun stark mit den beiden Vorhergehenden zumsammen – erhöhe ich die Sendeleistung, erreiche ich höhere Distanzen; gleichzeitig störe ich aber potentiell auch mehr. Eine gerichtete Antenne kann dies in gelenkte Bahnen leiten, verursacht aber gegebenfalls einen Verstoss gegen die Vorschriften.
Wichtig ist das folgende Bewusstsein:
Sobald das Signal gesendet ist, habe ich keinen Einfluss mehr darauf.
Es wird durch den FSPL und anderes abgeschwächt, aber ich kann nichts mehr tun.
B) Störungen am Standort des Empfängers
Störungen am Empfänger sind massiv wichtiger zu behandeln als am Sender – denn am Empfänger ist das Signal bereits geschwächt.
Schwache Signale kann ich nur noch mit einer Antenne mit hohem Gewinn weiterverarbeiten – dieser Gewinn wirkt aber genauso auf das Rauschen und allfällige Störsignale.
Schwache Signale werden also mit hoher Wahrscheinlichkeit zu schlechten Performance-Werten führen, da das Signal-Rausch-Verhältnis schlecht ist. Bei kritischen Verbindungen sollten also immer eine “Dämpfungsreserve” eingerechnet werden.
Antennen mit hohem Gewinn sind jedoch typischerweise gerichtete Antennen; und wie bereits unter a) beschrieben, können gerichtete Antennen auch dabei helfen, sich RF-Technisch von anderen WLAN’s und Störsignalen zu isolieren.
C) Störungen zwischen den Standorten
Störungen zwischen den Standorten sind uns eigentlich egal.
Wenn sie zum Problem werden, dann werden sie eigentlich zu Störungen am Standort des Empfängers und sind gemäss Abschnitt b) zu behandeln.
Die Schwierigkeit liegt jedoch oft darin, diese Störungen zu finden.
Störungen an unseren Standorten sind uns häufig bekannt – es ist unser eigenes WLAN oder andere RF abstrahlende Systeme und wir kennen sie.
Non-WiFi-Störungen lassen sich auch leicht mit einfachen Spektrum-Analysern aufspüren.
Jedoch sind Störungen zwischen den Standorten üblicherweise nicht unter unserer Kontrolle und so wissen wir nicht, wann diese Störungen auftauchen oder wieder verschwinden.
Und auch das Aufsprüren ist nicht mehr so einfach, da diese Signale evtl. erst mit gerichteten Antennen zur Geltung kommen.
Und wieder gilt der Grundsatz: Unser Signal und Störsignale sollten auf unterschiedlichen Kanälen liegen – oder zumindest von der Sendeleistung her deutlich unterschiedlich sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen:
WLAN-Verbindungen über lange Strecken sollten idealerweise auf isolierten Kanälen angelegt werden.
”Wir sind nicht alleine!” - dass heisst, wir finden in unsere Umgebung andere WLANs und diese können unser eigenes WLAN negativ beeinflussen.
Und insbesondere bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können diese “anderen” WLANs auch weitere “eigene” WLANs sein.
Und umgekehrt beeinflusst unser WLAN auch die Anderen.
Zusätzlich gibt es auch Nicht-WLAN-Signale, welche die gleichen Frequenzen benutzen.
Diese teilweise absichtlichen, meist jedoch völlig unabsichtlichen Störquellen, spielen natürlich auch eine Rolle.
Also, schauen wir uns diese gegenseitigen Einflüsse an und gruppieren sie dabei in 3 Gruppen:
a) Störungen am Standort des Senders
b) Störungen am Standort des Empfängers
c) Störungen zwischen den Standorten
A) Störungen am Standort des Senders
Nun, wenn wir hier unsere Punkt-zu-Punkt-Verbindung anschauen, dann interessiert uns der Einfluss irgendwelcher Störquellen eigentlich gar nicht.
Allerdings wäre dies ein wenig kurz gegriffen – denn:
- in umgekehrter Richtung ist dieser Standort der Standort des Empfängers, also spielen die Punkte welche unter B) folgen werden auch hier eine Rolle
- ich kann auch eigene andere WLANs stören und daher bin ich interessiert, dies möglichst zu vermeiden.
Auf was muss ich nun also achten?
Es gibt ein paar grundsätzliche Richtlinien zu beachten:
1. Frequenzband
Uns stehen grundsätzlich 2 Frequenzbänder zur Verfügung – das 2.4GHz- und das 5GHz-Band.
Das 5GHz-Band ist derzeit zu bevorzugen, da es (noch) weniger Störquellen aufweist und insbesondere im Aussenbereich höhere Sendeleistungen erlaubt!
2. Kanalwahl
Unabhängig vom Frequenzband sollte unsere Punkt-zu-Punkt-Verbindung Kanäle vermeiden, welche in der Nähe bereits verwendet werden.
Aufgrund der höheren Anzahl von verfügbaren Kanälen im 5GHz-Band ist dieses Band wiederum zu bevorzugen.
3. Antennenwahl
Die richtige Antenne kann sehr viel beitragen.
Zum Einen kann eine gerichtete Antenne helfen, eine grössere Distanz zu überbrücken.
Zum Anderen helfen gerichtete Antennen auch sich von konkurierenden WLAN-Signalen zu differenzieren, da die Signal gerichtet gesendet und auch empfangen werden.
4. Sendeleistung
Es gibt gesetzliche Vorschriften bezüglich Sendeleistung, welche wir aber im nächsten Blog adressieren werden.
Dieser Punkt hängt nun stark mit den beiden Vorhergehenden zumsammen – erhöhe ich die Sendeleistung, erreiche ich höhere Distanzen; gleichzeitig störe ich aber potentiell auch mehr. Eine gerichtete Antenne kann dies in gelenkte Bahnen leiten, verursacht aber gegebenfalls einen Verstoss gegen die Vorschriften.
Wichtig ist das folgende Bewusstsein:
Sobald das Signal gesendet ist, habe ich keinen Einfluss mehr darauf.
Es wird durch den FSPL und anderes abgeschwächt, aber ich kann nichts mehr tun.
B) Störungen am Standort des Empfängers
Störungen am Empfänger sind massiv wichtiger zu behandeln als am Sender – denn am Empfänger ist das Signal bereits geschwächt.
Schwache Signale kann ich nur noch mit einer Antenne mit hohem Gewinn weiterverarbeiten – dieser Gewinn wirkt aber genauso auf das Rauschen und allfällige Störsignale.
Schwache Signale werden also mit hoher Wahrscheinlichkeit zu schlechten Performance-Werten führen, da das Signal-Rausch-Verhältnis schlecht ist. Bei kritischen Verbindungen sollten also immer eine “Dämpfungsreserve” eingerechnet werden.
Antennen mit hohem Gewinn sind jedoch typischerweise gerichtete Antennen; und wie bereits unter a) beschrieben, können gerichtete Antennen auch dabei helfen, sich RF-Technisch von anderen WLAN’s und Störsignalen zu isolieren.
C) Störungen zwischen den Standorten
Störungen zwischen den Standorten sind uns eigentlich egal.
Wenn sie zum Problem werden, dann werden sie eigentlich zu Störungen am Standort des Empfängers und sind gemäss Abschnitt b) zu behandeln.
Die Schwierigkeit liegt jedoch oft darin, diese Störungen zu finden.
Störungen an unseren Standorten sind uns häufig bekannt – es ist unser eigenes WLAN oder andere RF abstrahlende Systeme und wir kennen sie.
Non-WiFi-Störungen lassen sich auch leicht mit einfachen Spektrum-Analysern aufspüren.
Jedoch sind Störungen zwischen den Standorten üblicherweise nicht unter unserer Kontrolle und so wissen wir nicht, wann diese Störungen auftauchen oder wieder verschwinden.
Und auch das Aufsprüren ist nicht mehr so einfach, da diese Signale evtl. erst mit gerichteten Antennen zur Geltung kommen.
Und wieder gilt der Grundsatz: Unser Signal und Störsignale sollten auf unterschiedlichen Kanälen liegen – oder zumindest von der Sendeleistung her deutlich unterschiedlich sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen:
WLAN-Verbindungen über lange Strecken sollten idealerweise auf isolierten Kanälen angelegt werden.
Samstag, 14. Dezember 2013
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 5/8: Hintergrund-Rauschen
Immer und überall finden wir ein gewisses Mass an Rauschen, welches unsere WLAN-Übertragungen beeinflusst.
Ich kenne leider nur den englischen offiziellen Begriff: “Black Body Noise”, wobei es sich um ein thermisches Rauschen handelt.
Analogie:
Stellt Euch ein Stück Eisen vor, dass in einem Feuer zum Glühen gebracht wird.
Dieses Glühen können wir sehen – aufgrund der Temperatur sendet das Eisen Licht aus.
Licht kann aber auch als elektromagnetische Welche bezeichnet werden.
Kühlt das Metall ab, wird das Glühen dunkler – sprich die Frequenz der elektromagnetischen Welle verändert sich.
Aber auch bei Zimmertemperatur wird das Stück Eisen noch weiter elektromagnetische Wellen erzeugen.
Und nicht nur das Eisen, alles um uns herum tut dies.
Um wieviel Rauschen handelt es sich?Wieviel Energie dabei freigesetzt wird, kann man mit Hilfe der Boltzmann-Konstante berechnen.
Über die Details dieser Berechnungen darf man sich gerne mit einem Physikprofessor unterhalten – uns genügt an dieser Stelle die Erkenntniss, dass die “Black Body Noise” im Bereich unserer Normaltemperatur –174dBm/Hz beträgt.
(PS: Die zugrundeliegenden Formeln zeigen, dass der Unterschied der Temperatur zwischen Winter und Sommer den obigen Wert nur äusserst Gering beeinflusst)
Effektiver Einfluss auf das WLAN
Als Beispiel rechnen wir mit einem 802.11g-Kanal, welcher 20MHz breit ist. Ich muss nun also denn Wert von –174dBm/Hz auf eine Kanalbreite von 20MHz hochrechnen. Glücklicherweise lässt sich das Verhältniss zwischen 20MHz und 1Hz auch mit dem Faktor 73dB darstellen.
Somit beträgt das Hintergrund-Rauschen für ein 20MHz breiten Kanal also –174dBm +73dB = –101dBm.
Um ihn uns besser zu merken und da wir sowieso bei der Berechnung mit der Boltzmann-Konstante gerundet haben,
merken wir uns einen Wert von –100dBm.
Was bedeutet nun dieser Wert von –100dBm in der Realität?
Es heisst:
a) je näher ein Signal dem Pegel von –100dBm kommt, desto schlechter wird das Signal-Rausch-Verhältniss
b) jedes Signal das unter einen Pegel von –100dBm fällt, kann nicht mehr vom Hintergrundrauschen unterschieden werden und ist damit verloren!
Wenn wir uns moderne WLAN-Standards wie 802.11n oder 802.11ac anschauen, stellen wir fest, dass deren Kanalbreite sich laufend weiter verdoppelt. Für jede Verdoppelung verdoppelt sich selbstverständlich auch das Hintergrundrauschen.
Bei 802.11ac mit 160MHz breiten Kanälen wäre bezüglich Black Body Radiation also mit einem Wert von –91dBm zu rechnen.
Ich kenne leider nur den englischen offiziellen Begriff: “Black Body Noise”, wobei es sich um ein thermisches Rauschen handelt.
Analogie:
Stellt Euch ein Stück Eisen vor, dass in einem Feuer zum Glühen gebracht wird.
Dieses Glühen können wir sehen – aufgrund der Temperatur sendet das Eisen Licht aus.
Licht kann aber auch als elektromagnetische Welche bezeichnet werden.
Kühlt das Metall ab, wird das Glühen dunkler – sprich die Frequenz der elektromagnetischen Welle verändert sich.
Aber auch bei Zimmertemperatur wird das Stück Eisen noch weiter elektromagnetische Wellen erzeugen.
Und nicht nur das Eisen, alles um uns herum tut dies.
Um wieviel Rauschen handelt es sich?Wieviel Energie dabei freigesetzt wird, kann man mit Hilfe der Boltzmann-Konstante berechnen.
Über die Details dieser Berechnungen darf man sich gerne mit einem Physikprofessor unterhalten – uns genügt an dieser Stelle die Erkenntniss, dass die “Black Body Noise” im Bereich unserer Normaltemperatur –174dBm/Hz beträgt.
(PS: Die zugrundeliegenden Formeln zeigen, dass der Unterschied der Temperatur zwischen Winter und Sommer den obigen Wert nur äusserst Gering beeinflusst)
Effektiver Einfluss auf das WLAN
Als Beispiel rechnen wir mit einem 802.11g-Kanal, welcher 20MHz breit ist. Ich muss nun also denn Wert von –174dBm/Hz auf eine Kanalbreite von 20MHz hochrechnen. Glücklicherweise lässt sich das Verhältniss zwischen 20MHz und 1Hz auch mit dem Faktor 73dB darstellen.
Somit beträgt das Hintergrund-Rauschen für ein 20MHz breiten Kanal also –174dBm +73dB = –101dBm.
Um ihn uns besser zu merken und da wir sowieso bei der Berechnung mit der Boltzmann-Konstante gerundet haben,
merken wir uns einen Wert von –100dBm.
Was bedeutet nun dieser Wert von –100dBm in der Realität?
Es heisst:
a) je näher ein Signal dem Pegel von –100dBm kommt, desto schlechter wird das Signal-Rausch-Verhältniss
b) jedes Signal das unter einen Pegel von –100dBm fällt, kann nicht mehr vom Hintergrundrauschen unterschieden werden und ist damit verloren!
Wenn wir uns moderne WLAN-Standards wie 802.11n oder 802.11ac anschauen, stellen wir fest, dass deren Kanalbreite sich laufend weiter verdoppelt. Für jede Verdoppelung verdoppelt sich selbstverständlich auch das Hintergrundrauschen.
Bei 802.11ac mit 160MHz breiten Kanälen wäre bezüglich Black Body Radiation also mit einem Wert von –91dBm zu rechnen.
Dienstag, 19. November 2013
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 4/8: Fresnel-Zone
WLAN-Übertragungen funktionieren grundsätzlich aufgrund von Sichtverbindungen.
Natürlich geht das Signal auch mal durch eine Wand durch, jedoch nicht ohne massive Auswirkungen auf Empfangspegel etc.
MIMO-Technologien helfen uns heutzutage in Gebäuden diese Effekte im Griff zu behalten.
Für lange Punkt-zu-Punkt-Verbindungen helfen uns MIMO-Technologien jedoch nur bedingt und die physikalische Ausbreitung der Radiowellen spielt eine wichtige Rolle.
Der wichtigste Aspekt dabei ist die Fresnel-Zone.
Ich möchte hier nicht alle physikalischen Grundlagen im Detail erörtern – wer daran interessiert ist, findet im Internet massenweise entsprechende Seiten – ich möchte mich hier auf die wichtigsten Fakten begrenzen.
Die Fresnel-Zone kann man sich als langgezogene Elippse zwischen zwei Antennen vorstellen.
(Bild zur Verfügung gestellt von WikiPedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelzone)
Die genaue Form dieser Elippse hängt von der verwendeten Frequenz und dem Abstand der beiden Antennen ab. Je grösser der Abstand und je grösser die Wellenlänge (sprich: je kleiner die Frequenz) desto dicker wird die Elippse der Fresnel-Zone.
Die Frage ist nun aber – wieso interessiert mich dies überhaupt?
Nun, die zu Beginn angesprochene Sichtverbindung ist in Wirklichkeit genau diese Freznel-Zone. Und es sollte idealerweise die ganze Fresnel-Zone frei sein für eine gute Übertragung. Wird die Fresnel-Zone bis zu 40% durch irgendwelche Hinternisse verdeckt (Gebäude, Bäume, Hügel, etc.) wird die Kommunikation in der Regel noch funktionieren, aber es ist bereits mit einem Einfluss auf die mögliche Daten- und Fehlerrate zu rechnen.
Bei mehr als 40% Verdeckung wird es vorerst immer noch funktionieren – hier ist aber bereits eine deutliche Auswirkung auf die Signalqualität zu erwarten.
Ab welchem Punkt – ab welcher Prozentzahl der Verdeckung – die Kommunikation gar nicht mehr funktionieren wird, lässt sich nicht genau vorhersagen – dies hängt sehr stark von der Umgebung ab.
Die verbleibende Frage ist also, wie “dick” wird die Fresnel-Zone maximal und habe ich eventuelle Hindernisse in diesem Bereich – oder kann ich darüber hinweg senden.
Dazu gibt es schöne Formeln, um dies zu berechnen – oder es gibt Webpages im Internet, welche die Berechnung für uns übernehmen.
Eine sehr schöne Webpage ist die folgende:
http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/
Füllen wir das Tool mal gemeinsam aus.
1. Die Einheit stellen wir auf “km, meters” um.
2. Als Frequenz wählen wir erstmal die 2440 MHz, die per default vorgeschlagen sind.
3. k-factor belassen wir auf dem Standardwert.
4. “Percent of 1st FZ” gibt an, wieviele Prozent der Fresnel-Zone frei seien soll. Standardmässig ist hier bereits das Minimum von 60% angegeben. Wir werden 100% verwenden, um die ganze Fresznel-Zone zu “sehen”.
5. “Link Distance” ist der Abstand beider Antennen und wir wählen hier mal 20km.
Bereits jetzt kann ich auf der rechten Seite unter “Equal Antenna Height Solution” ablesen, welchen Radius meine Fresnel-Zone haben wird und die Angabe auf welcher Höhe beide Antennen zu montieren wären.
In unserem Beispiel erkenne ich, dass die Fresnel-Zone einen Radius von rund 25m haben wird … aber wieso muss ich nun die Antennen auf einer Höhe von 31m montieren? (wieso nicht 25m?)
Nun, ich muss auch den Einfluss der Erdkrümmung einrechnen, die bei einer Distanz von 20km doch immerhin schon knappe 6m beträgt.
Interessant an diesem Online-Tool ist jedoch auch die 2. Hälfte, wo ich jetzt manuel angeben kann, auf welcher Höhe meine Antennen tatsächlich montiert sind und in welchem Abstand ein Hinterniss welcher Grösse zu suchen ist.
Ich habe oben zwei Hochhäuser angenommen, wo die Antennen auf 50m bzw. 70m Höhe montiert sind und in 7km Entfernung gibt es ein weiteres Hochhaus im Weg, dass jedoch deutlich kleiner ist (35m) – ich kann da also sehr gut darüber hinweg sehen.
Ist dies aber auch für die Fresznel-Zone so?
Nun, sie können es unten rechts erkennen – dieses dritte Hochhaus ragt doch tatsächlich in die Fresnel-Zone hinein.
Drehe ich nun die Prozentzahl wieder auf die minimalen 60% zurück, so sehe ich, dass das Gebäude doch kein Problem ist – ich habe diesbezüglich noch 2m “Luft”.
Nun, die Realität von WLANs spielt sich üblicherweise nicht im Distanzbereich von 20km ab; eher so um die 1-2 km.
Das Prinip bleibt das Gleiche – allerdings kann üblicherweise die Erdkrümmung in diesem Distanzbereich ignorieren und natürlich bleibt die Fresnel-Zone deutlich schlanker.
ABER es sollte trotzdem nicht unterschätzt werden – verändere ich obiges Beispiel auf nur 1km Distanz, so wird die Fresnel-Zone immerhin einen Radius von 5.5m haben – 60% frei heisst also immer noch 3.3m Radius.
Fazit:Die Fresnel-Zone wird öfters bewusst oder unbewusst ignoriert.
”Komische” Verbingungs- und Performance-Probleme können aber immer wieder auf die Verletzung der Fresnel-Zone zurückgeführt werden.
Natürlich geht das Signal auch mal durch eine Wand durch, jedoch nicht ohne massive Auswirkungen auf Empfangspegel etc.
MIMO-Technologien helfen uns heutzutage in Gebäuden diese Effekte im Griff zu behalten.
Für lange Punkt-zu-Punkt-Verbindungen helfen uns MIMO-Technologien jedoch nur bedingt und die physikalische Ausbreitung der Radiowellen spielt eine wichtige Rolle.
Der wichtigste Aspekt dabei ist die Fresnel-Zone.
Ich möchte hier nicht alle physikalischen Grundlagen im Detail erörtern – wer daran interessiert ist, findet im Internet massenweise entsprechende Seiten – ich möchte mich hier auf die wichtigsten Fakten begrenzen.
Die Fresnel-Zone kann man sich als langgezogene Elippse zwischen zwei Antennen vorstellen.
(Bild zur Verfügung gestellt von WikiPedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelzone)
Die genaue Form dieser Elippse hängt von der verwendeten Frequenz und dem Abstand der beiden Antennen ab. Je grösser der Abstand und je grösser die Wellenlänge (sprich: je kleiner die Frequenz) desto dicker wird die Elippse der Fresnel-Zone.
Die Frage ist nun aber – wieso interessiert mich dies überhaupt?
Nun, die zu Beginn angesprochene Sichtverbindung ist in Wirklichkeit genau diese Freznel-Zone. Und es sollte idealerweise die ganze Fresnel-Zone frei sein für eine gute Übertragung. Wird die Fresnel-Zone bis zu 40% durch irgendwelche Hinternisse verdeckt (Gebäude, Bäume, Hügel, etc.) wird die Kommunikation in der Regel noch funktionieren, aber es ist bereits mit einem Einfluss auf die mögliche Daten- und Fehlerrate zu rechnen.
Bei mehr als 40% Verdeckung wird es vorerst immer noch funktionieren – hier ist aber bereits eine deutliche Auswirkung auf die Signalqualität zu erwarten.
Ab welchem Punkt – ab welcher Prozentzahl der Verdeckung – die Kommunikation gar nicht mehr funktionieren wird, lässt sich nicht genau vorhersagen – dies hängt sehr stark von der Umgebung ab.
Die verbleibende Frage ist also, wie “dick” wird die Fresnel-Zone maximal und habe ich eventuelle Hindernisse in diesem Bereich – oder kann ich darüber hinweg senden.
Dazu gibt es schöne Formeln, um dies zu berechnen – oder es gibt Webpages im Internet, welche die Berechnung für uns übernehmen.
Eine sehr schöne Webpage ist die folgende:
http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/
Füllen wir das Tool mal gemeinsam aus.
1. Die Einheit stellen wir auf “km, meters” um.2. Als Frequenz wählen wir erstmal die 2440 MHz, die per default vorgeschlagen sind.
3. k-factor belassen wir auf dem Standardwert.
4. “Percent of 1st FZ” gibt an, wieviele Prozent der Fresnel-Zone frei seien soll. Standardmässig ist hier bereits das Minimum von 60% angegeben. Wir werden 100% verwenden, um die ganze Fresznel-Zone zu “sehen”.
5. “Link Distance” ist der Abstand beider Antennen und wir wählen hier mal 20km.
Bereits jetzt kann ich auf der rechten Seite unter “Equal Antenna Height Solution” ablesen, welchen Radius meine Fresnel-Zone haben wird und die Angabe auf welcher Höhe beide Antennen zu montieren wären.
In unserem Beispiel erkenne ich, dass die Fresnel-Zone einen Radius von rund 25m haben wird … aber wieso muss ich nun die Antennen auf einer Höhe von 31m montieren? (wieso nicht 25m?)
Nun, ich muss auch den Einfluss der Erdkrümmung einrechnen, die bei einer Distanz von 20km doch immerhin schon knappe 6m beträgt.
Interessant an diesem Online-Tool ist jedoch auch die 2. Hälfte, wo ich jetzt manuel angeben kann, auf welcher Höhe meine Antennen tatsächlich montiert sind und in welchem Abstand ein Hinterniss welcher Grösse zu suchen ist.
Ich habe oben zwei Hochhäuser angenommen, wo die Antennen auf 50m bzw. 70m Höhe montiert sind und in 7km Entfernung gibt es ein weiteres Hochhaus im Weg, dass jedoch deutlich kleiner ist (35m) – ich kann da also sehr gut darüber hinweg sehen.
Ist dies aber auch für die Fresznel-Zone so?
Nun, sie können es unten rechts erkennen – dieses dritte Hochhaus ragt doch tatsächlich in die Fresnel-Zone hinein.
Drehe ich nun die Prozentzahl wieder auf die minimalen 60% zurück, so sehe ich, dass das Gebäude doch kein Problem ist – ich habe diesbezüglich noch 2m “Luft”.
Nun, die Realität von WLANs spielt sich üblicherweise nicht im Distanzbereich von 20km ab; eher so um die 1-2 km.
Das Prinip bleibt das Gleiche – allerdings kann üblicherweise die Erdkrümmung in diesem Distanzbereich ignorieren und natürlich bleibt die Fresnel-Zone deutlich schlanker.
ABER es sollte trotzdem nicht unterschätzt werden – verändere ich obiges Beispiel auf nur 1km Distanz, so wird die Fresnel-Zone immerhin einen Radius von 5.5m haben – 60% frei heisst also immer noch 3.3m Radius.
Fazit:Die Fresnel-Zone wird öfters bewusst oder unbewusst ignoriert.
”Komische” Verbingungs- und Performance-Probleme können aber immer wieder auf die Verletzung der Fresnel-Zone zurückgeführt werden.
Mittwoch, 18. September 2013
Wie weit kann ein WLAN senden? Folge 3/8: Free Space Path Loss
Es ist eine physikalische Gegebenheit, dass sich Radiowellen über eine bestimmte Distanz abschwächen.
Selbst wenn wir keinerlei Dämpfung voraussetzen, wird das Signal schwächer.
Folgend der Versuch einer Alltags-tauglichen Erklärung:
Stellt Euch einen Luftballon vor, der nur leicht aufgeblasen ist. Der Gummi hat in diesem Zustand eine bestimmte Wandstärke.
Blasen wir den Ballon jetzt weiter auf, wird er logischerweise grösser - aber Menge des Materials bleibt gleich.
Entsprechend nimmt gezwungernermassen die Wandstärke des Gummis ab.
Auf unsere Radiotechnik übertragen entspricht die Wandstärke des Luftballons der Signalstärke und der Radius des Ballons der Entfernung vom AP.
Also, dass das Signal über Distanz schwächer wird, ist rein schon von der Geometrie vorgegeben.
Aber wie sieht es in der Praxis aus?
Um den genauen Free Space Path Loss für eine bestimmte Frequenz und Distanz auszurechnen, gibt es im Internet mehr als genug Online-Tools.
Ich möchte Euch hier lieber einen Trick für eine grobe Abschätzung weitergeben – ist massiv schneller, kann auch mal im Kopf gerechnet werden und bewährt sich in der Realität relativ gut.
Auf dem ersten Meter könnt Ihr mit einer Abschwächung des Signals um:
- 40 dB im 2.4GHz-Band
- 46 dB im 5GHz-Band
rechnen.
Pro weitere Verdoppelung der Distanz kommen jeweils zusätzliche 6 dB Dämpfung dazu.
Beispiel 1: 5 GHz Signal in 8m Distanz
Für 5GHz würde sich also in 8m Distanz folgende Dämpfungsberechnung ergeben:
1 Meter = 46 dB
2 Meter = +6 dB
4 Meter = +6 dB
8 Meter = +6 dB
==> 46 dB + 6 dB + 6 dB + 6 dB = 64 dB
Auf 8 Meter Distanz muss ich also mit einer Dämpfung von 64 dB für 2.4GHz-Signale rechnen.
Beispiel 2: 2.4 GHZ Signal in ~1km Distanz
1 Meter = 40 dB
2 Meter = +6 dB
4 Meter = +6 dB
8 Meter = +6 dB
16 Meter = +6 dB
32 Meter = +6 dB
64 Meter = +6 dB
128 Meter = +6 dB
256 Meter = +6 dB
512 Meter = +6 dB
1024 Meter = +6 dB
==> 40 dB + (10x +6dB) = 100 dB
Soweit, so gut – aber was ist Free Space?
Nun, ganz offiziell ist diese Berechnung nur gültig im Vakuum – allerdings kann man die Atmosphäre ohne schlechtes Gewissen ignorieren.
Bei unserer “Daumen mal PI”-Berechnung sowieso.
Eine andere Geschichte sind jedoch Hindernisse, diese wurden bisher nicht berücksichtigt – die Berechnungen eignen sich also nur für Verbindungen im offenen Gelände.
Für Gebäude eignet sich es nicht wirklich – Räumlichkeiten mit nur sehr dünnen Wänden (Gibswände) oder Grossraumbüros können auf eine ähnliche Art und Weise angenähert werden, wobei pro Distanz-Verdoppelung anstelle von +6 dB ein Wert von +10 dB eingesetzt werden sollte.
In diesen zusätzlichen 4 dB versuchen wir die Dämpfung verursacht durch Personen, Kleiderständern, Gibswänden, Stehlampen, etc. mit zu Berücksichtigen. Aber Achtung, Beton- und Backsteinwände bringen locker mehr Dämpfung.
Aber aus der Aufzählung zuvor kann man sehr einfach schliessen, dass dies bei jedem Gebäude anders sein wird … daher ist dies wirklich nur als Anhaltspunkt zu nehmen – ein Site-Survey wäre hier trotzdem extrem wichtig!
Ok, egal ob freies Feld oder Grossraumbüro - und was tue ich denn nun mit dieser Zahl?
Nun, ich ziehe diesen Wert von der Sendeleistung des Accesspoints ab und bekomme somit den Signalpegel am vorgegebenen Ort.
In einer späteren Folge dieser Serie werde ich auf diesen “Path Loss” zurückkommen.
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