Begrippenlijst. WiFi signaal- en antennetechniek. Publicatiedatum laatste versie Samenstelling A.M. Gieling

Transcriptie

1 Begrippenlijst WiFi signaal- en antennetechniek Publicatiedatum laatste versie Samenstelling A.M. Gieling

2 Auteur: A.M. Gieling Voor het eerst verschenen op , in de serie Tekst & Copyright Pro Vocem - Alkmaar Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt zonder uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van de uitvoerder / auteur(srechthebbende). Aan de totstandkoming van deze uitgave is de uiterste zorg besteed. Voor informatie die nochtans onjuist is opgenomen, aanvaardt de uitvoerder / auteur(srechthebbende) geen aansprakelijkheid. Voor eventuele verbetering van opgenomen gegevens houdt deze zich gaarne aanbevolen. Verbeteringen kunt u richten aan info@provocem.nl o.v.v. uw offertenummer. 2

3 Begrippenlijst Hieronder op alfabetische volgorde een verklaring van veel voorkomende begrippen (in de rapporten van Pro Vocem) m.b.t. WiFi signaal- en antennetechniek, die mogelijk een toelichting behoeven (a/b/g/n) Dit is de officiële codering van het IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) voor de verzameling standaarden aangaande draadloze netwerken. De term WiFi is min of meer een synoniem. Access Point / AP Met een access point wordt een apparaat aangeduid dat gebruikers in staat stelt draadloos te verbinden met een (meestal bedraad) netwerk. In rapporten van Pro Vocem wordt het, tenzij anders vermeld, gebruikt als abstractie voor alle soorten apparaten die deze mogelijkheid aanbieden en wordt het vaak afgekort als AP. Hieronder vallen dus buiten de veelvoorkomende wireless access points (WAP s) ook draadloze modems, routers, bridges en repeaters / range extenders, etc. Bereik Met het bereik van een AP wordt die afstand vanaf het AP bedoeld, waarop ermee nog verbinding kan worden gemaakt. Voor g geldt binnenspands een maximale afstand van 35 meter (voor n is dat 70 meter). In de praktijk is met muren en obstructies op de helft van die afstand nog werkbaar signaal te vinden, en dan alleen binnen de volle straalbreedte en openingshoek van de antenne. Capaciteit (van draadloze netwerken) Het maximum aantal clients dat op een AP kan worden aangesloten. Dit is afhankelijk van de datarate. Voor een gemiddelde kantoorwerkverbinding ( + internet) is 4 Mbit/s per client ongeveer het minimum. In het geval van g (54 Mbit/s raw symbol rate) betekent dit in de praktijk dat 4 of 5 clients die voortdurend gebruik maken van de verbinding ongeveer het maximum is per AP 3

4 (deze rekensom vindt u terug bij datarate). Bij onderbroken en gedeeld gebruik kan dat oplopen tot clients per AP. Meer dan dat is over het algemeen onverstandig (voor g). De oplossing voor een te kleine capaciteit is het plaatsen van meer AP s. Client Ook wel gebruiker genoemd. Dit is een apparaat zoals een laptop, smartphone, tablet of anderszins WiFi-compatibele device, die voor de verbinding met het netwerk cq. het internet afhankelijk is van draadloze AP s. Datarate De theoretisch maximaal haalbare doorvoersnelheid van een (draadloos) netwerk uitgedrukt in bits per seconde. De datarate van netwerken wordt meestal uitgedrukt in Mbit/s, ofwel Megabit per seconde g heeft een raw symbol rate van 54 Mbit/s. Dit is equivalent aan 54 / 8 = 6.75 Megabyte (MB) per seconde. In de praktijk komt dit in het gunstigste geval door packet overhead (actual data payload is maar een deel van de verstuurde bits), verliezen, interferentie, demping, etc. neer op Mbit/s (tussen 1.25 en 1.9 MB per seconde). Dit heeft invloed op de capaciteit. Decibel(isotropic) / dbi De versterkingsfactor van een antenne vergeleken met de hypothetische isotropische antenne (de ideale puntbron die bolvormig in alle richtingen met uniforme intensiteit energie kan distribueren). Decibel(milliWatt) / dbm Een maat voor de vermogensverhouding in decibel (db) van het gemeten vermogen ten opzichte van 1 milliwatt (mw). 0 dbm refereert dus aan 1 mw uitgestraald vermogen. De logaritmische decibelschaal vergemakkelijkt het uitdrukken van hele grote en hele kleine vermogens aanzienlijk: een afname van 3 db staat voor een halvering van het vermogen. In Nederland is 20 dbm (= 100 mw) het maximale vermogen voor een WiFi RF zender. Een heel nominaal signaalvermogen, waarbij een client nog zinnige data kan oppikken, ligt rond -60 dbm (= 1 nanowatt). 4

5 Diffractie Diffractie is het buigen van de reisrichting van een deel van het (radio)golffront dat het resultaat is van de aanwezigheid van een obstructie in het transmissiepad. Signalen maken om de hoeken en randen van obstakels nieuwe signaalpaden in een bepaalde zone achter de obstructie die men de diffractiezone of umbrazone noemt. Vaak lopen deze radiogolven uit fase ten opzichte van de golven in het oorspronkelijke golffront. Deze effecten van diffractie zijn het meest merkbaar wanneer obstructies ongeveer zo groot zijn als één golflengte λ (12,5 cm voor een gemiddeld GHz signaal). Objecten van 60λ of groter (> 7.5 meter) ondervinden er vrijwel geen merkbare effecten meer van. De objecten aan de binnenkant van om het even welk pand introduceren in de regel dus diffractie. De ruimte tussen twee antennes is op te delen in zones. Dit noemen we Fresnel Zones. Diffractie door obstructies die in en rondom de directe line-of-sight staan, zitten in Fresnel Zone 1 en zijn het meest problematisch. Directiviteit (van RF signalen / als antennekarakteristiek) Ook wel eens directionaliteit genoemd. Dit is een karakteristiek van antennes, die iets zegt over de manier waarop het straalpatroon (en dus het vermogen) gericht is. Grofweg onderscheiden we voor WiFi vier soorten antennes, al naar gelang de horizontale openingshoek: - Omnidirectionele antenne Deze antenne heeft een horizontale openingshoek van 360. Het signaal wordt vanaf de antenne alle kanten opgestraald in de vorm van een torus (beter bekend als de donut). Er zijn altijd dode hoeken (in 3D) recht boven en onder de antenne te vinden zijn. Deze antenne heeft dus geen horizontale Half-Power Beam Width (zie HPBW), maar wel een verticale. De verticale openingshoek van omni-antennes is over het algemeen klein, wat wordt versterkt door het feit dat meestal alleen de onderste helft van die hoek, de downtilt, wordt benut (montage ter hoogte van het plafond). Deze antenne is vrijwel altijd verticaal gepolariseerd (zie polarisatie). - Sectorantenne Deze antenne heeft een openingshoek tussen de 90 en 180 en is ervoor bedoeld om grote (open) plekken of ruimtes vanaf een hoek of muurzijde 5

6 te bestralen. De verticale openingshoek van deze antennes is veelal groter dan de downtilt van omni-antennes. Deze antennes hebben zowel een horizontale als verticale HPBW. - Patchantenne (soms ook flatpanel genoemd) Dit is een sectorantenne met een kleine horizontale openingshoek tussen de 10 en 90. Deze is bedoeld om over langere afstanden werkruimtes te bestrijken. De verticale openingshoek is vaak net zo groot als de horizontale, wat deze antennes heel geschikt maakt voor hotspots. - Richtantenne Deze antenne heeft een zeer kleine openingshoek, kleiner dan 10, en is voor WiFi meestal beschikbaar als raster- of schotel(achtige) antenne, hoewel er ook circulair gepolariseerde staafmodellen bestaan. Het vermogen wordt met deze antennes zo nauw mogelijk gericht om het maximale vermogen één bepaalde richting te geven. Deze is bedoeld om voor WiFi begrippen (zeer) grote afstanden te overbruggen. Diversiteit (in de toepassing van antennes) Dit begrip refereert aan het feit dat er op moderne AP s vaak meerdere antennes zijn gemonteerd. Het AP verstuurt namelijk terug naar een gebruiker met de antenne die het sterkste signaal ontving. Er wordt dus altijd maar één van de twee antennes tegelijk gebruikt. Hiermee kan gedeeltelijk worden gecompenseerd voor de verschillen in signaalsterkte die gebruikers op verschillende plekken vanaf het AP ervaren door demping, reflectie, diffractie, interferentie, etc. Dit principe garandeert een egaler bereik rondom een AP. Electromagnetic Field / EM(F) Een statische (stilstaande) elektrische lading veroorzaakt in zijn directe omgeving een krachtwerking. Deze krachtwerking kan worden getypeerd als een verzameling vectoren die naar grootte en richting de uitoefening van elektrische krachten in de ruimte beschrijven, het elektrisch veld. Een bewegende elektrische lading veroorzaakt op gelijke wijze ook een krachtwerking, dit is het magnetisch veld. Deze twee veldsoorten zijn nauw verbonden en worden vaak als een samengesteld geheel voorgesteld: het elektromagnetisch veld. Dit veld is de manier waarop een draadloos RF signaal zich voortplant door de ruimte. 6

7 Far Field Zie Near Field. Tekst & Fresnel Zone(s) In een rechte lijn tussen twee communicerende antennes is de ruimte op te delen in een aantal concentrische elliptische lichamen (ellipsoïden). De binnenste zone, waar zich de kortste afstand tussen de antennes in bevindt, is Fresnel Zone 1. Deze zone is de meest kritieke zone voor signaaloverdracht en dient voor minimaal 60% vrij van obstakels te zijn. De straal van zone N kan als volgt worden bepaald: R n = M N F GHz D bo D od D bo + D od - R n is de straal van de n e Fresnel Zone - M is een constante, 17.3, als R n in meters en D bo,od in kilometers zijn - F GHz is de frequentie in GHz - N is het nummer van de Fresnel Zone - D bo is de afstand van de bron naar de obstructie - D od is de afstand van de obstructie naar het doel Voorbeeld: Een kast staat tussen 2 antennes in. De antennes liggen 12 meter uit elkaar. Het AP staat 5 meter (= km) van de kast en de laptop van de client staat 7 meter (=0.007 km) van de kast. De straal van de 1 e Fresnel Zone is nu: R n = = meter De straal van FZ 1 is dus ongeveer 60 cm. Grofweg moet nu 60% van de conus met diameter 120 cm rechtstreeks tussen de antennes vrij zijn. Dit is op het oog te controleren en is afhankelijk van de precieze omvang van de kast. In het ergste geval moeten er voor een beter signaal wat spullen worden verplaatst! Gain Gain betekent versterking(sfactor). In verband met antennes betekent het signaalvermogenswinst in vergelijking met de hypothetische isotropische antenne 7

8 (zie ook dbi). Het heeft in dat geval niets te maken met actieve versterking, maar slechts met het geven van richting en het sturen van vermogen van een elektromagnetisch signaalveld. Heat Mapping Heat Mapping is het proces van het met de plattegrond en gespecialiseerde software doorlopen van een locatie, waarbij meetpunten worden verzameld die aan het eind van het traject kunnen worden gevisualiseerd in een soortement van warmtebeeld of warmtekaart. In rapporten van Pro Vocem zijn meestal (in de bijlagen) een aantal visuele momentopnames weergegeven om een indruk te geven van de signalen en hun intensiteit zoals ze waargenomen zijn op de locatie. Wat betekenen de kleuren in de heat maps? - Blauwgroen : > -35 dbm - Groen : -35 tot -45 dbm - Lichtgroen : -45 tot -55 dbm - Geelgroen : -55 tot -65 dbm - Geel : -65 tot -75 dbm - Oranje : -75 tot -85 dbm - Rood : -85 tot -95 dbm - Donkerrood : < -95 dbm Bij een typisch achtergrondruisvermogen van -90 dbm (geen interferentie), gelden de volgende kwalificaties: - Lichtgroen, groen en blauwgroen: Goed tot zeer goed signaal. Alles kan en mag bij deze signaalsterktes (mits er voldoende capaciteit is). - Geel en geelgroen Er is eigenlijk altijd wel verbinding, maar niet noodzakelijkerwijs met de hoogste snelheid. Media streamen, netwerkbestanden verplaatsen, online gamen of VOIP zijn niet aan te raden bij deze signaalsterktes. - Donkerrood, rood en oranje Stoplichtconnectiviteit: dan weer wel, dan weer geen verbinding. Verwacht wegvallende verbindingen en trage snelheden. Media 8

9 streamen, netwerkbestanden verplaatsen, online gamen of VOIP zijn nagenoeg onmogelijk. Zie voor een vergelijking met gewenste SNR waarden ook bij SNR. Als u deze vergelijking maakt en ervan uitgaat dat de aanwezigheid van interferentie / ruis minimaal is (typisch-90 dbm), dan ziet u dat alle gebieden met een groene tint erin (geelgroen t/m blauwgroen) werkbaar signaalbereik zouden moeten hebben. Om comfortabel te kunnen downloaden en streamen, zou de geelgroene band afvallen. Zeer goed signaal is er bij weinig ruis dus alleen te vinden in de blauwgroene, groene en lichtgroene zones. Half-Power Beam Width / HPBW (van antennes) Ook wel de -3 db straalbreedte genoemd. Het is dat deel van de horizontale of verticale openingshoek van de antenne, waarbinnen het vermogen groter is dan de helft van het maximum uitgestraalde vermogen. Hoe dichter men horizontaal of verticaal bij de dode hoek van een antenne komt (zie ook directiviteit), hoe zwakker het signaal wordt. Een omnidirectionele antenne heeft bijvoorbeeld geen horizontale HPBW, maar wel een verticale. Een typische AP met een antennelengte van 1λ (golflengte λ bij 2.45 GHz is ongeveer c/f) = 12.5 cm heeft een verticale HPBW van ongeveer 47. Als deze dicht bij het plafond hangt (zoals gebruikelijk), dan is de hoek tussen het plafond en de onderste HPBW grens dus 23.5 (dit noemt men de downtilt). Bij een plafondhoogte van 3 meter en een werkhoogte van de client van 1 meter, moet de client dus minimaal (3-1) / (tan 23.5 ) = 4.6 meter bij het access point vandaan zitten voor optimale signaalsterkte beleving. Voor een kleine antenne (een shorty van 1/2λ, ongeveer 6,5 cm) is de hoek groter, namelijk ca. 78. In kleine ruimtes waarin gebruikers dicht bij het AP zitten is het dus aan te raden kortere antennes te gebruiken. In het rekenvoorbeeld zou de client dan maar 2.5 meter bij het AP vandaan moeten zitten voor een goed signaal. ISM (Band) De 'industrial, scientific and medical (ISM)' band bestaat uit delen van het radiospectrum die volgens internationale afspraak zijn gereserveerd voor gebruik door industriële, wetenschappelijke en medische toepassingen. Volgens deze 9

10 afspraken is voor WiFi in de meeste landen de MHz band gereserveerd en licentievrij te gebruiken. Near Field, (Reactive ~ / Radiating ~) Het signaalveld dat uit een antenne loopt, is onder te verdelen in grofweg twee delen, het Near Field en het Far Field. De grens tussen die twee wordt de Rayleigh afstand genoemd en is gedefinieerd als: R = 2L2 λ L is hier de lengte van de antenne, en λ de golflengte. Voor een typische WiFi antenne is L = 12.5 en λ = R komt dan op ongeveer 25 cm. Dat deel van het signaalveld waarin signaaloverdracht met een client kan plaatsvinden (het normale deel van het veld), noemt men het Far Field. Dit is het veld vanaf 25 cm van een typische WiFi-antenne. Dit staat tegenover het Near Field, de zone vlakbij de antenne (binnen 25 cm), waarin het gedrag van signalen en de effecten van obstructies heel anders (kan) zijn. Dit nabije veld kan worden onderverdeeld in het reactive near field (ligt tussen de antenne en λ / 2π = de eerste 2 cm er vanaf) en het radiating near field (tussen 2 en 25 cm). Belangrijk is dat ferromagnetische massa s (te magnetiseren metalen objecten) in het reactive near field ernstige energieverliezen kunnen veroorzaken. Deze zelfde objecten kunnen in het radiating near field het verschijnsel re-radiation (ook wel antenna coupling genoemd) veroorzaken: de objecten gaan zich dan gedragen als een extra antenne, wat meestal niet goed uitpakt. Polarisatie (van antennes) Een antenne zet radiogolven uit een EM veld om in een wisselstroom of omgekeerd. De polarisatie van een antenne is de oriëntatie van het E-veld (de E component van het EM veld) van de radiogolven ten opzichte van het aardoppervlak. Het wordt bepaald door de fysieke structuur van de antenne en de manier waarop deze gericht wordt. Horizontaal gepolariseerde signalen hebben minder last van verstoringen en dragen dus verder dan verticaal gepolariseerde signalen. Verreweg de meeste typische WiFi antennes zijn verticaal gepolariseerd. Er zijn ook circulair gepolariseerde antennes op de markt gekomen. Deze hebben 10

11 in ruimten met veel obstakels een goed doordringend vermogen, maar ze zijn anderzijds ook relatief duur. Power over Ethernet / PoE Power over Ethernet of PoE is een technologie om zowel spanning als data te leveren via ethernet netwerkkabels (UTP). Dit kan erg nuttig zijn als er op de locatie van een te plaatsen AP geen stopcontacten voorhanden zijn. Quality of Service / QoS Dit begrip slaat op het mechanisme dat in veel netwerkapparatuur aanwezig is, waarmee het toewijzen van netwerkcapaciteit kan worden beheerst. Het geeft in veel apparaten de mogelijkheid om verschillende prioriteiten in te stellen voor verschillende toepassingen, diensten of gebruikers. Men kan daarmee garanties voor minimale performance vastleggen. Een voorbeeld is VOIP. Het in stand houden van een telefoonverbinding is belangrijker dan het periodiek downloaden van updates voor PC software (dat kan ook even worden uitgesteld). Eenmaal ingesteld op een AP zal het QoS-mechanisme uit zichzelf de downloader 'afknijpen' en meer capaciteit beschikbaar maken om te garanderen dat het telefoongesprek niet onderbroken zal worden. De meeste moderne netwerkapparatuur beschikt over een QoS-mechanisme. Radio Frequency / RF RF is een verzamelnaam voor toepassingen die middels radiogolven, ofwel een EM veld (zie EMF), signalen verzenden en ontvangen. Reciprociteit (van antennes) Dit antenne-basisprincipe komt in het kort hierop neer: Als ik jou kan zien, kun jij mij zien. Randvoorwaarde is dat beide kanten hetzelfde transmissievermogen ter beschikking hebben. Hieruit volgt dat grote verschillen in transmissievermogen tussen AP en client onhandig zijn, de vermogens kunnen het best van (nagenoeg) dezelfde grootte zijn. Ook volgt dat als een richtantenne (zie directiviteit) van een hacker 2 km verderop de omnidirectionele shorty (6.5 cm antenne met klein bereik) van een AP in het pand kan bereiken (beiden met bijv. 100 mw vermogen), deze korte antenne, hoewel deze normaliter een bereik van 20 meter zou hebben, met hetzelfde gemak een signaal (bijv. gestolen data) terug kan 11

12 sturen naar de richtantenne van de hacker. Deze symmetrie zorgt er bovendien voor dat we alleen hoeven te kijken of een client in de HPBW van een AP zit. Andersom is volgens dit basisprincipe immers niet meer nodig. Roaming, (Full ~) Het voortzetten van een netwerkdienst zelfs nadat de client buiten het bereik is gekomen van het AP waarbij het oorspronkelijk geregistreerd stond. Een ander AP binnen hetzelfde netwerk moet in dat geval de client overnemen, uiteraard. Om in WiFi-netwerken roaming te implementeren, dienen alle SSID s van de AP s in de roaming-zone exact (hoofdlettergevoelig!) hetzelfde te zijn. De kanalen van aangrenzende of overlappende AP s dienen zo ver mogelijk uit elkaar te liggen. Full roaming slaat op een algehele dekkingsgraad over de gehele locatie. Rogue AP Dit is een bij de opdrachtgever van de survey (mogelijk) onbekende access point, die zich volgens de heat mapping software binnen in het gebouw zou kunnen bevinden. Merk op dat dit niet met 100% zekerheid kan worden aangegeven. Het is ook mogelijk dat een access point in de buurt van de locatie een richtantenne gebruikt om het signaal voorbij de locatie te sturen. De heat mapping software gaat uit van omnidirectionele antennes en zal deze AP opmerken als binnen in het pand, terwijl dit in werkelijkheid niet zo hoeft te zijn. De kans op een veiligheidslek is echter wel aanwezig. Het advies is dan ook om altijd even te controleren wat er nu eigenlijk aan de hand is. Signal-to-Noise Ratio / SNR / Signal-to-Noise Margin Verhouding tussen het vermogen van het signaal en het vermogen van de achtergrondruis. Bij een typische achtergrondruis van -90 dbm en een zwak WiFi signaal van -70 dbm, is de SNR: signaalvermogen delen door ruisvermogen = -70 / -90 = 0,78. Hoe dichter de SNR de 1 nadert, hoe slechter het bereik van het WiFi signaal zal zijn (hoger dan 1 kan ook, maar dan is er meer ruis dan signaal). In het algemeen is het voor vergelijken van signaal-ruis waarden makkelijker om niet de verhouding, maar het verschil (signaal in dbm minus ruis in dbm) te nemen. Dit wordt veelal de SNR Margin genoemd. Voorbeeld: Bij een typische achtergrondruis van -90 dbm en een sterk WiFi signaal van -50 dbm, is de SNR 12

13 Margin: = 40 db, wat een waarde is die aangeeft dat de verbinding zeer goed zal zijn. Merk op dat de verschilwaarde dimensieloos is, en dus als relatief verschil tussen twee logaritmische waarden wordt uigedrukt: in db, en niet in dbm. Deze waarde is dus NIET gerelateerd aan een absoluut verschilvermogen in milliwatt o.i.d. Het is een indicator voor de relatieve omvang van het verschil. In rapporten van Pro Vocem wordt met de aanduiding SNR altijd deze SNR Marge bedoeld. Hieronder een ruwe indeling van deze waarden in categorieën: - > 40 db : Uitmuntend signaal, verbinding op maximale snelheid db : Goed signaal, snelle verbinding db : Matig zwak signaal, matige tot redelijke verbinding db : Zeer zwak signaal, trage verbinding, valt soms weg - < 10 db : Geen signaal, geen verbinding meer Het doel van de survey is een advies te geven, zodanig, dat op alle gewenste plaatsen deze verschilwaarde boven de 20 db uitkomt voor onbezorgd interneten gebruik, en boven de 25 db voor diensten als Voice Over WLAN en Mediastreaming Over WLAN (Cisco recommendation). Deze waarden garanderen samen met een voldoende datarate (throughput) een voor de wensen gepaste (netwerk)capaciteit. Spectrum (Analyzer) Een spectrum analyzer is een meetinstrument waarmee het frequentiespectrum van een signaal kan worden weergegeven. Versterking(sfactor) Zie Gain. WiFi / WLAN In het dagelijks taalgebruik is de term WiFi (of wifi ) synoniem voor alles dat met draadloze netwerken te maken heeft. Dit is dan ook de term die in rapporten van Pro Vocem wordt gebezigd. Wi-Fi is een gedeponeerde merknaam van de Wi-Fi Alliance. De Wi-Fi Alliance is een handelsassociatie die draadloze LAN technologie promoot en certificeert op interoperabiliteit (alles waar 'Wi-Fi' op staat moet, fabrikant-onafhankelijk, zonder problemen onderling kunnen functioneren). Niet 13

14 alle fabrikanten van volgens IEEE specificatie geproduceerde apparatuur zijn aangesloten bij de Wi-Fi Alliance. Zie ook