Projektowanie AP

Umiejscowienie AP i środowisko radiowe

Wydajność Wi-Fi zależy od miejsca ustawienia punktu dostępowego oraz od parametrów jego radia. Punkt dostępowy (Access Point - AP) nadaje fale radiowe przenoszące dane. Router w rogu piwnicy za betonową ścianą i metalowymi rurami pozostawi obszary o słabym sygnale.

Projektowanie i rozmieszczanie punktów dostępowych łączy fizykę fal radiowych z warunkami budynku. Obejmuje wybór lokalizacji, konfiguracji i liczby AP dla określonych aplikacji oraz liczby aktywnych klientów. Analiza dotyczy trzech obszarów: Zasięgu, Pojemności i Planowania kanałów. Każdy z nich wpływa na szybkość, opóźnienie i możliwość utrzymania połączenia.

Wewnętrzny AP z anteną dookólną zwykle montuje się przy suficie, nad przeszkodami i blisko środka obszaru obsługiwanego przez radio. Dokumentacja Cisco wskazuje, że montaż na ścianie może ograniczyć pokrycie 360 stopni, ponieważ sama ściana zasłania część promieniowania. Wybór miejsca trzeba więc oceniać razem z typem anteny i oczekiwanym kierunkiem zasięgu.

Filar 1: Planowanie zasięgu i martwe strefy

Celem projektowania AP jest zapewnienie wymaganego poziomu sygnału w obszarach, w których pracują urządzenia bezprzewodowe. Sygnał Wi-Fi jest falą radiową, która słabnie wraz z odległością, odbija się od powierzchni i jest tłumiona przez obiekty budowlane.

Zasięg i przepływność są powiązane z szybkością PHY. Niższe szybkości wymagają prostszej modulacji i mogą działać przy słabszym sygnale, lecz zajmują kanał dłużej. Projekt trzeba więc sprawdzić przy wymaganej minimalnej szybkości, zamiast opierać go na najwyższej wartości podanej w karcie AP.

Umieszczanie pojedynczego punktu dostępowego

W małym mieszkaniu lub parterowym domu może wystarczyć jeden, dobrze umiejscowiony router z AP po sprawdzeniu zasięgu i pojemności. Lokalizacja blisko środka używanego obszaru ogranicza największą odległość do klienta.

• Centralna lokalizacja: Umieść AP blisko środka obsługiwanego obszaru. Sygnał ma wtedy podobną drogę do wielu pomieszczeń, a najdalsze punkty wymagają mniejszego budżetu łącza.
• Wysokość i otwarta przestrzeń: Umieść AP wysoko, na przykład na półce lub przy suficie, z dala od mebli. Położenie na podłodze albo za kanapą zwiększa tłumienie i zmienia charakterystykę anteny.
• Unikanie przeszkód i zakłóceń: Trzymaj router z dala od dużych przeszkód, szczególnie przewodzących i wielowarstwowych. Tłumienie zależy od materiału, grubości i kąta przejścia fali:
  • Metal i beton: Mogą silnie tłumić lub odbijać sygnał. Lodówka, zbrojona ściana i metalowe kanały instalacyjne wymagają sprawdzenia w pomiarach.
  • Cegła i tynk: Zwiększają tłumienie, a wartość zależy od grubości ściany i zawartości wilgoci.
  • Szkło i drewno: Zwykle tłumią mniej niż beton, lecz szkło powlekane i wielowarstwowe może zmienić ten wynik.

  Unikaj też źródeł zakłóceń RF. Pasmo 2.4 GHz współdzieli widmo z kuchenkami mikrofalowymi, starszymi telefonami bezprzewodowymi, elektronicznymi nianiami i urządzeniami Bluetooth.

  Antena nie powinna przylegać do dużej metalowej powierzchni. W materiałach projektowych Cisco zaleca się odstęp rzędu jednej lub dwóch długości fali, ponieważ metal zmienia rozkład pola i może tworzyć lokalne minima sygnału.

Planowanie zasięgu i pomiary terenowe (site survey)

W większych lub złożonych środowiskach, takich jak wielopiętrowe domy, biura czy magazyny, jeden AP rzadko wystarcza. Projekt sieci zaczyna się od pomiarów terenowych (site survey), czyli mapowania środowiska radiowego w celu określenia liczby i rozmieszczenia punktów dostępowych.

• Predykcyjne pomiary terenowe:Projektant importuje plan pięter do oprogramowania, takiego jak Ekahau lub NetAlly, a następnie dodaje wirtualne ściany, drzwi i meble z właściwościami materiałów. Symulacja propagacji fal tworzy "mapę ciepła" przewidywanej siły sygnału i pozwala oszacować liczbę AP przed instalacją sprzętu.
• Pomiary na miejscu:Model predykcyjny trzeba sprawdzić w budynku. Metoda "AP-on-a-stick" ustawia zasilany z baterii punkt dostępowy na przenośnym statywie w proponowanym miejscu, po czym projektant mierzy sygnał skanerem Wi-Fi lub laptopem. Powtórzenie pomiaru dla każdej lokalizacji pozwala zweryfikować i dopracować projekt.

Predykcja opisuje założenia, a pomiar sprawdza rzeczywistą propagację. W magazynie trzeba uwzględnić wysokość regałów i poziom zatowarowania, ponieważ metal oraz zmieniająca się zawartość mogą przesunąć granicę komórki. Pomiary wykonuje się z tym samym typem anteny i w miejscach, w których będą pracować klienci.

Podczas pomiarów terenowych zbiera się między innymi dwa wskaźniki jakości zasięgu:

1. RSSI (Received Signal Strength Indicator - wskaźnik siły odbieranego sygnału): Jest to poziom odebranej mocy radiowej wyrażany w dBm. Wartość bliższa zeru oznacza silniejszy sygnał. W wytycznych Cisco dla głosu Wi-Fi cel wynosi $-67$ dBm lub lepiej, na przykład $-60$ dBm jest silniejsze niż $-70$ dBm.
2. SNR (Signal-to-Noise Ratio - stosunek sygnału do szumu): Ta metryka porównuje moc sygnału Wi-Fi z poziomem szumu radiowego. Jest wyrażana w decybelach (dB). Wyższa wartość oznacza większy odstęp od szumu. Dla wdrożeń głosowych Cisco podaje cel co najmniej $25$ dB przy sygnale -67 dBm.

W tej samej dokumentacji poziom szumu -92 dBm przy sygnale -67 dBm daje SNR 25 dB. Dla telefonii Wi-Fi zaleca się także około 20 procent nakładania komórek 2.4 GHz na różnych kanałach, aby klient mógł zmienić AP przed utratą użytecznego sygnału. Wartości te są celami konkretnego profilu usługowego, więc inne aplikacje mogą wymagać odmiennych progów.

Nakładanie daje klientowi drugi AP do wykrycia, zanim bieżący sygnał stanie się bezużyteczny, lecz nie wymusza przełączenia. Klient wybiera moment i miejsce roamingu według logiki zależnej od producenta. 802.11k może przekazać listę sąsiednich AP, a 802.11r może skrócić przejście zabezpieczeń, gdy obsługują je klient i infrastruktura.

Filar 2: Planowanie pojemności i obciążenia

Silny sygnał w każdym pomieszczeniu nie gwarantuje dobrej wydajności. Drugim filarem jest planowanie pojemności, czyli określenie liczby aktywnych urządzeń, rodzaju ich ruchu i liczby AP potrzebnych do obsługi tego obciążenia.

Radio AP ma skończoną przepustowość i współdzieli czas antenowy między klientami. Dodawanie kolejnych urządzeń do jednego AP zwiększa rywalizację o medium, więc szybkość każdego klienta spada, nawet gdy poziom sygnału pozostaje wysoki.

Liczba urządzeń skojarzonych z AP nie określa jeszcze obciążenia. Telefon może pozostawać połączony bez transmisji, a jedna aktywna kopia zapasowa może zużywać więcej czasu antenowego niż kilka urządzeń wysyłających krótkie żądania. Projekt powinien liczyć klientów aktywnych równocześnie i przypisać im wymagania aplikacji.

Czynniki planowania pojemności

• Gęstość użytkowników i urządzeń: Najpierw oszacuj liczbę aktywnych urządzeń w danym obszarze. Sala wykładowa, sala konferencyjna i stadion skupiają setki klientów na małej powierzchni, więc wymagają innego planu.
• Wymagania aplikacji: Ruch sieciowy różni się wymaganiami przepustowości i opóźnienia. Projekt powinien uwzględniać aplikacje używane przez klientów.

  Typ Aplikacji	Zapotrzebowanie na Przepustowość	Wrażliwość na Opóźnienia	Przykłady
  Podstawowe Dane	Niskie	Niska	E-mail, przeglądanie stron, czujniki IoT
  Głos przez Wi-Fi (VoWiFi)	Niskie	Bardzo Wysoka	Rozmowy głosowe
  Streaming Wideo	Wysokie do Bardzo Wysokiego	Umiarkowana	Netflix 4K/8K, YouTube
  Interaktywne w Czasie Rzeczywistym	Wysokie	Bardzo Wysoka	Gry online, wideokonferencje, AR/VR

Projektant może przygotować "projekt oparty na pojemności", w którym liczba AP wynika z liczby użytkowników i wymaganego poziomu przepustowości na obszar. Przy założeniu, że sala pomieści $200$ studentów, a jeden AP obsłuży około $40$ aktywnych studentów, obliczenie $200 / 40 = 5$ wskazuje co najmniej 5 AP, nawet gdy jeden lub dwa AP zapewniłyby podstawowy zasięg sygnału.

Wartość 40 aktywnych studentów jest założeniem przykładu. Nie jest stałą cechą każdego AP, ponieważ wynik zależy od szybkości klientów, wielkości ramek, retransmisji i wymaganej jakości usługi. Cisco opisuje podobne reguły jako liczby projektowe, które trzeba potwierdzić pomiarem i ruchem testowym.

Filar 3: Planowanie kanałów i zakłócenia współkanałowe

Po określeniu zasięgu i pojemności trzeba zaplanować kanały. Widmo Wi-Fi jest współdzielonym zasobem, więc AP działające na tym samym kanale słyszą swoje transmisje i dzielą czas antenowy. Takie zakłócenia współkanałowe (CCI) ograniczają przepustowość sieci z wieloma AP.

Pasmo 2.4 GHz

Pasmo 2.4 GHz ma 11 lub 13 dostępnych kanałów, zależnie od domeny regulacyjnej, lecz większość kanałów nakłada się na sąsiednie. Takie użycie powoduje zakłócenia z kanału sąsiedniego (ACI). W typowym planie 20 MHz wykorzystuje się trzy rozdzielone kanały 1, 6 i 11, które ograniczają nakładanie.

Plan wielo-AP w paśmie 2.4 GHz przypisuje kanały 1, 6 i 11 sąsiednim punktom w powtarzalnym wzorze. Odstęp fizyczny między AP używającymi tego samego kanału zmniejsza prawdopodobieństwo wzajemnego słyszenia i ogranicza CCI.

Pasma 5 GHz i 6 GHz

Pasma 5 GHz i 6 GHz dają więcej możliwości planowania niż 2.4 GHz. Liczba użytecznych kanałów 20 MHz w paśmie 5 GHz zależy od domeny regulacyjnej oraz zasad DFS i TPC. W wytycznych Cisco dla 802.11a wymieniono do 23 niepokrywających się kanałów w niektórych obszarach geograficznych. W paśmie 6 GHz dostępnych jest do 59 kanałów 20 MHz w domenie FCC, natomiast unijne pasmo 5945-6425 MHz obejmuje 24 takie kanały. Większa liczba kanałów ułatwia ograniczenie CCI, ale nie usuwa zakłóceń zewnętrznych ani konieczności ponownego użycia kanałów w dużych wdrożeniach.

Szerokość kanału zmienia kompromis między szybkością pojedynczej transmisji a liczbą dostępnych kanałów. Kanał 40 MHz zajmuje dwa bloki 20 MHz, a kanał 80 MHz zajmuje cztery. W gęstym wdrożeniu kanały 20 MHz mogą więc zapewnić więcej możliwości ponownego użycia i mniejsze CCI, choć pojedynczy klient otrzymuje niższą szybkość PHY.

Poziomy mocy i wielkość komórek

Maksymalna moc nadawania nie jest automatycznie właściwym ustawieniem dla każdego AP. W środowisku z wieloma punktami zbyt duże komórki nakładają się, zwiększając CCI i utrudniając klientom wybór właściwego punktu. Skonfigurowana moc EIRP musi także mieścić się w limitach domeny regulacyjnej.

Projektant dostraja moc nadawania, aby krawędź komórki osiągała wymagany RSSI przy małym nakładaniu z komórkami sąsiednich AP na tym samym kanale. Ogranicza to CCI i może poprawić warunki, które klient wykorzystuje przy wyborze bliższego punktu, choć decyzję o roamingu podejmuje sam klient. Zbyt mała moc tworzy luki w zasięgu, dlatego ustawienie trzeba zweryfikować pomiarem.

Bilans łącza obejmuje także nadajnik klienta. AP może nadawać z większą mocą niż telefon lub czujnik, lecz słaby sygnał zwrotny nadal ograniczy jakość połączenia. Dlatego moc i wielkość komórek dobiera się do najsłabszych urządzeń oraz do aplikacji wymagającej najniższego opóźnienia.