Расчитываем пропускную способность беспроводного моста

Прокладка физических линий (витая пара, оптоволокно) всегда связана с большими капиталовложениями, необходимостью получения множества разрешений на прокладку кабеля. К тому же всегда есть высокий риск повреждения кабеля.
Беспроводные мосты являются достой альтернативой, т.к. они более защищены и требуют меньших вложений и затрат.

Довольно часто возникает вопрос, какую скорость можно получить при использовании определенного беспроводного оборудовании на удалении в Х километров? Для решения того вопроса можно идти разными путями. К примеру, у Ubiquiti есть хороший онлайн-калькулятор airLink, правда расчеты он проводит исключительно для оборудования компании.

У компании Mikrotik также есть свой онлайн-калькулятор, который не привязан к оборудованию компании, но он дает возможность проводить расчеты только тем, кто разбирается в тонкостях беспроводных технологий.

Чуть ранее мы уже публиковали расчетные дальности для оборудования Mikrotik.
В рамках данной публикации мы попробуем описать весь процесс расчётов с кратким пояснением нюансов и тонкостей. Перед тем как приступить к прочтению данного материала, мы настоятельно рекомендуем прочитать предыдущие публикации, кратко описывающие стандарты 802.11b/g/n и 802.11ac.

Ознакомившись с предыдущими материалами, можно прийти к выводу, что беспроводной мост следует создавать с использованием самых новых беспроводных стандартов — 802.11n либо 802.11ac, если он поддерживается выбранным оборудованием. Еще лучше, конечно же, использовать проприетарные (закрытые) протоколы компаний Ubiquiti и Mikrotik — airMAX, airMAX ac и NV2 (Nstreme v2) соответственно. Эти протоколы позволяют обеспечить более высокую стабильность и скорость вашего соединения.
С помощью данной инструкции вы сможете быстро и легко проводить примерные расчеты беспроводных мостов, в частности итоговую пропускную способность и требуемую высоту установки устройств.

Начинать следует исходя из заданного расстояния между двумя точками. Для обеспечения связи, между двумя устройствами необходимо, как минимум, обеспечить зону прямой видимости, т. е. на пути сигнала не должно находиться зданий, металлических конструкций, горных хребтов, крон деревьев (лес).
Линия прямой видимости вовсе не обозначает, что можно установить качественное беспроводное соединение, т.к. радиоволны занимают некое объемное пространство вокруг линии видимости, имеющее форму эллипсоида.

Дальнейшие расчеты мы приведем на примере расстояния 5 км и рабочей частоты 5,7 ГГц. Для расчета зоны Френеля, воспользуемся специальным калькулятором зоны Френеля на нашем сайте. Для расстояния в 5 км и частоты 5,7 ГГц, зона Френеля составляет 8,1 м.

Что обозначает эта цифра? Для того, чтобы получить качественную зону приема, нам необходимо обеспечить в центральной зоне между двумя точками 8-метровый радиус вокруг линии видимости, свободный от объектов, которые могут ослабить или отразить сигнал.
Если речь идет о построении беспроводного моста в городе, это обозначает, что антенну необходимо поднять на такую высоту, чтобы от линии видимости между двумя устройствами до крыш зданий и крон деревьев расстояние составляло не менее 8,1 метра.
На практике далеко не всегда удается обеспечить такие условия, поэтому рассчитываются дополнительные зоны Френеля — 60% и 80%. В нашем случае это будет 4,9 и 6,5 метра соответственно.
Начиная с 60%, качество соединения начинает существенно ухудшатся, поэтому зону в 80% можно считать приемлемой, таковой, которая обеспечивает хорошее качество соединения и существенно не снижает пропускную способность.

Что же получается? Если на пути у вас находятся здания высотой, к примеру, 7 метров, а зона Френеля составляет 8,1 метров, итоговая высота размещения устройства должна составлять от 15,1 метров. Не забывайте, что деревья растут, поэтому по возможности, следует брать высоту с запасом.
Если расстояние между точками очень большое, во внимание следует брать круглую форму земли. Для 5 км это не существенно, но что если расстояние 20 км?

Для 20 км, при частоте 5.7 ГГц, зона Френеля составляет уже 13−16 метров. На пути все те же препятствия с высотой 7 метров, по идее, в итоге достаточно высоты размещения в 20−23 метра?
Давайте воспользуемся специальным калькулятором линии видимости (LOS) и попробуем подобрать высоту вышки для обеспечения видимости на расстоянии в 20 км.
Земля круглая, и как показали расчёты, для видимости на расстоянии в 20 км, необходимо 2 точки с высотой 8 метров каждая, при этом линия видимости (LOS) на середине отрезка будет соприкасаться с земной поверхностью. Получается, что для расстояния в 20 км необходимо увеличить высоту каждой из точек размещения на 8 метров, чтобы зона Френеля не пересекалась с преградами и земной поверхностью.

Вернемся к нашему исходному расстоянию в 5 км. Для такого расстояния высота точек составляет по 0,5 метра. Учитывая зону Френеля в 6,5−8,1 метра, значением в 0,5 м. можно пренебречь.
Существуют специальные онлайн-калькуляторы, позволяющие рассчитывать профиль трасс с учетом расстояния, частоты и особенностей местности, например:

• heywhatsthat.com
• linktest.ru
• vhfdx.at.ua
• micran.ru

Ксожалению, у всех этих калькуляторов есть большая погрешность, т.к. они не учитывают искусственные препятствия — дома, здания, промышленные объекты, зеленые насаждения (лес) и т. д. Итоговая погрешность может быть очень существенной. В любом случае, этими инструментами можно пользоваться, т.к. они учитывают особенности ландшафта.

Предположим, у нас есть возможность разместить оба устройства на высоте 25 метров, чем обеспечивается чистая зона Френеля. В реальных условиях, высота обеих точек будет другой, к примеру, одна из точек может располагаться в горах на высоте 900 м., а вторая в долине на высоте 15 м. и т. д.

Следующим шагом следует произвести расчёт энергетического бюджета для выбранного оборудования.
Для нашего примера возьмём LiteBeam 5AC (LBE-5AC-23), производства Ubiquiti Networks. Заходим на официальный сайта производителя и скачиваем Datasheet, в котором содержатся все необходимые нам характеристики устройства.

Для расчёта энергетического бюджета воспользуемся специальным симулятором линков на нашем сайте.
Из документации мы узнаем, что устройство поддерживает стандарт airMAX ac (основанный на 802.11ac), имеет антенну с коэффициентом усиления 23 дБм, а также 2 канала MIMO.

При проведении расчетов нам потребуется подставлять данные мощности и чувствительности в специальный калькулятор. Ряд производителей указывает мощность в мВт, вместо дБм, поэтому для конвертирования мВт в дБм используйте специальный конвертер.

Как видите, для модуляции 256QAM (5/6) используется мощность 21 дБм и чувствительность -65 дБм. При таких параметрах, технически возможно установить соединение, правда, при ухудшении погодных условий скорость будет падать.

Пробуем дальнейший подбор параметров. Стабильное соединение возможно при мощности 24 дБм и чувствительности -77 дБм, что соответствует модуляции 64QAM (¾).
Для конвертирования модуляции в канальную скорость, можно воспользоваться готовыми таблицами.

Первая таблица содержит канальные скорости для стандарта 802.11n, вторая — для стандарта 802.11ac. Для 802.11n заранее проведены расчеты для разных конфигураций MIMO от 1 до 4 потоков. Для 802.11ac данные указаны для одного потока (SS, Spatial Stream), при использовании 2-х потоков, скорость умножается на 2 и так далее.
Обратите внимание, канальная скорость зависит не только от типа модуляции, но и от ширины канала, а также установленного значения защитного интервала (Guard Interval: long / short). Как правило, используется короткий интервал. Ширина канала зависит от уровня шума (Noise Level), чем шире канал — тем большее соотношение сигнал/шум (SNR) требуется обеспечить.

Как видно из таблицы, 256 QAM (5/6) при использовании ширины канала 80 МГц, обеспечивает канальную скорость 433 Мбит/сек. Для ширины канала в 40 МГц, канальная скорость составляет 200 Мбит/сек. Обратите внимание, скорость указана для 1 канала/потока, т.к. у нас 2 потока, общая канальная скорость составит 400 Мбит/сек.
Для модуляции 64QAM (¾) и ширины канала в 40 МГц, канальная скорость составляет 135 Мбит. При использовании 2-х каналов MIMO мы получаем канальную скорость 270 Мбит.

Что в итоге? При заданном расстоянии в 5 км, частоты 5,7 ГГц и ширины канала 40 МГц, выбранное нами оборудование обеспечивает канальную скорость 270−400 Мбит. Реальная скорость передачи данных обычно составляет 60−65% от скорости канала, в нашем случае это будет примерно 150−250 Мбит.

А теперь попробует произвести расчеты на примере более дешевой альтернативы — SXT Lite 5 от компании Mikrotik. Расстояние и частоту оставим без изменений — 5 км и 5.7 ГГц соответственно. Для расчетов нам потребуется Datasheet с техническими характеристиками, размещенный на странице продукта.

Как видно из документации, устройство поддерживает стандарт 802.11n, а также проприетарный протокол NV2. Коэффициент усиления антенны составляет 16 дБм, сама антенна двухполяризационная, т. е. каналов 2 (конфигурация MIMO 2×2).
Что касается мощности и чувствительности, здесь нас ожидает небольшая засада. Дело в том, что инженеры Mikrotik указали данные только для минимальной (MCS0) и максимальной скорости (MCS7).
Пробуем произвести расчеты для 22 дбм / -77 дБм (MCS7).

Итог предсказуем — запас мощности недостаточный. Возвращаемся к нашим таблицам модуляции. Для ширины канала 40 МГц и MCS7 канальная скорость составляет 150 Мбит, с учетом MIMO 2×2 это равно 300 Мбит/сек. Ввиду недостаточного запаса по мощности и чувствительности, такая скорость на практике маловероятна.
Основываясь на исходных данных, можно предположить, что для MCS с 1 по 6, параметры мощности и чувствительности будут следующими:

Т.к. у нас нет достоверной информации по всем скоростям для SXT Lite 5, погрешность может составлять +/- 1 индекс MCS.
При мощности 25 дБм и чувствительности -87 дБм, вы получите гарантированно стабильное соединение. Исходя из наших расчетов это MCS3 (MCS2-MCS4), что при ширине канала в 40 МГц составляет 45−90 Мбит на поток. С учетом MIMO, в итоге мы должны получить минимально гарантированную канальную скорость в 90−180 Мбит, что на практике позволяет прокачать 55−115 Мбит/сек. реальных данных. При использовании протокола NV2, эта скорость может возрасти до 65−135 Мбит/сек.

Большой угол охвата антенны приведет к тому, что устройство будет захватывать слишком много постороннего шума, что может привести к необходимости сужения ширины канала до 20 МГц. При сужении ширины канала до 20 МГц, вы закономерно получите 2-кратное сокращение пропускной способности беспроводного моста.

К чему всё это? Даже при наличии только минимальной и максимальной мощности и чувствительности вы уже можете произвести приблизительные расчёты, которые позволят вам получить ответы на следующие вопросы: 1) будет ли работать мост на выбранном оборудовании 2) будет ли он работать с максимально возможной пропускной способностью 3) какова будет примерная пропускная способность.

Обратите внимание. Данные расчёты являются ориентировочными, на практике оборудование зачастую работает в автоматическом режиме, поэтому, в зависимости от условий, может выбрать разный тип модуляции и параметры. Для получения более высоких результатов вы можете прибегнуть к ручной настройке беспроводного модуля, подбирая параметры опытным путем.