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日志

(转)无线局域网或网络通讯限制与功率计算

已有 1656 次阅读2009-12-24 01:06 |个人分类:无线|系统分类:通信网络| 无线, 局域网, 增益, 功率计算, DBM, DBI, DB

    当我们谈论到无线局域网络,传输功率已是很关键的一部分.对音响有研究的读者应该会有概念,输出功率越大的扬声器(或喇叭),可以将声音传递得越远;相反地,如果本身输出功率不够而碰巧背景杂音又很大的情况,音响的声音就容易被杂音所淹没,稍微远一点的地方很可能就听不太到原来播放的音乐.在我们进一步探讨无线局域网网络通讯的功率限制之前,读者需要先认识两个名词:增益与衰减.   
      所谓的增益,就是增加传输电波的震幅,也就是予以放大的意思,正如同家里的音响大多放大器,在某些情况下我们也被允许使用RF放大器或强波器,抑或使用高增益的外接天线,来增加无线电波的强度。RF放大器或强度器会从外面撷取电源以供给更多的能量,加强电波本身的强度,属于主动式的增益,这点对读者而言应该是无庸置疑。另一种则是被动的增益,通常我们可以更换高增益天线达到某个方向聚焦的加强作用。,对平面X-Y坐标无方向性发射限制的全向天线,,左边那个状似甜甜圈的图形,若加以更大增益的天线,那么电波图形就会变得比较扁平,原来往三度空间四散的能量也会被凝聚更多于X-Y坐标方向。就好比那颗粒甜甜圈被压缩打扁一样,密度也就会比较高。所以坊间很多人以为用了高增益的天线,就能增加发射能量,其实并不见得正确。比较严格地说,只是把能量凝聚浓缩起来往某方向发送,整体来说发射端所放送的能量并没有增加,中介因为聚焦的关系,对接收端而言好像发射功率变强了。
    增益基本上可以对通讯距离有些正面的帮助,但凡事也是有利有弊。读者可能会认为增益越强越好,可是由于法规的限制,过大的发射功率可能会违反无线通讯法规,不仅可能会被电信警察所取缔,甚至有可能会被罚款或没收无线电发射设备。这就好像家里的音响放得太大声,也是会扰乱安宁,故在很多地方使用RF放大器,需另外申请执照。   
    有了增益自然就有反方向的衰减,就好像声音在空气间传递,音量会越来越减弱一样,原因是碰到了阻抗,波的震幅就变得越来越小,所以我们可以说讯号变得越来越微弱。一般来说由于无线局域网设备的发射功率都不大,天线与RF缆线之前的连接处、甚至RF传输线本身都会造成高频讯号的减弱,是我们尽量要避免的,这;就好比我们拿条水管来接水龙头,连接得不够紧密、或者两条管线粗细不同,就容易造成漏水的情况。然而,在某些特殊的情况下,例如您的无线通讯装置发射功率太强了,为了避免违反当地无线电波通讯法规,我们可能会需要用减弱器,也就是将能量耗损,故意削弱无线电波的信号强度,把输出功率压抑在法规许可的范围内。倘若通讯两端点间的障碍造成讯号的减弱,唯有尽量移除障碍,或者增强无线电波的输出,来克服通讯上的障碍。   
    在我们进一步学习RF功率计算前,我们先得认识几个单位标准:瓦是用来表示能量的基本单位,若以电学来说即一安培的电流在一伏特电压下的电能。在我们谈到无线局域网络设备的输出功率时,一般都是用毫瓦,也就是千分之一瓦的功率单位。大多数无线家用路由器的输出功率约在500MW左右,同样使用2.4GHZ频率的微波炉在密闭烘烤下可达500W,也就是相当于一万台无线家用路由器在小区域同是雪射微波,因此各位读者不必过度担心无线局域网对人体健康的影响,要利用无线局域网络把您瞬间烹煮,可以说是不可能的.读者虽然不必杞人忧天,但是在使用无线局域网络时,还是起码跟AP端的天线保持20公分以上的距离,毕竟无线电波的传播能量随着距离平方成反比,虽然我们没有证据说少量微波对人体有严重伤害,暂时也没有办法实验举证说它完全无害,总之大家不必对无线局域网心存恐惧,只要按照FCC等法规使用即可.   
    回归正题,电子业界常以分贝来表示RF高频部分的发射强度,即以1W做为参考所产生的相对DB值.而在无线局域网络的通讯领域中,我们常以1MW作为参考功率,然后对其作对数运算而产生出所谓的DBM值:P=10*(LOG(P))读者可以径自按计算器予以换算,或者参考表,常用对照.若要以DBM反推MW.
    除了用DBM表示无线局域网设备的发射功率,我们也常用DBI来表示天线部分的增益,意即以零增益的理想全向性电波发射器作标准,得到的相对参考增益值.简单地说,每增加3DB就是增加一倍功率MW,每减少3DB就是功率MW减半.此外,每增加10DB就是增加十倍的协率MW;每减少10DB就是将功率MW除以十,这样简单方便的推算法则,有志成为专业无线网络架设规划人员的读者可谨记在心.
举例来说,若我们要从23DBM反推有几MW的能量,就尽量把DBM数值分成10和3的组合:23DBM=0+10+10+3,由于0DB=1MW,每增加10DBM就是功率增加十倍,增加3DBM=200MW可简单推测.读者若不放心,可以自行按工程计算器验证.再举个例子,除以十,除以二,再除以二,也就是等同于25UW,这样举例读者应该可以很清楚掌握心算的要细.
    我们可以看到一个无线局域网设备的无线电波发射端,在微波天线与无线局域网络卡RF发射器之间,存在着些许金属连接器与RF缆线,读者应该还有印象,这些连接器和缆线会导致功率的减弱,而天线则可能带来增益.总之,天线之前的那些东西在FCC法规中统整称为INTENTIONAL RADIATOR系统,但我们更常讲的是EIRP,这里暂译为等向发射功率,包括天线的增益等发射功率的影响.举例说,INTENTIONAL RADIATOR系统输出是50MW,倘若我们天线的增益是10DBI,那么整个无线通讯系统的EIRP输出功率可以看成是50MW*10=500MW的输出功率,对于一般FCC规定AP用途的1W最大输出功率还差很远,因此可以说是合格的设计.
    读者可藉由这样的推算,得知法规允许的天线最大增益值.值得注意的是:增益与减弱在这样的线性系统,具有可加性.无线局域网络发送端RF电路,发射功率是23DBM或200MW,而两段缆线加起来的功率损失达1DB且考虑金属连接器造成的讯号减弱总和达2DB,则该INTENTIONAL RADIATOR只剩20DBM,亦即在天线前整体的输出功率等于100大规模MW而已,若在不超过FCC规定AP的1W最大EIRP前提下,这个系统能用的天线其最大增益不能超过10DBI。
    假设我们在无线局域网络发送端的输出是P=17DBM,天线端量得的EIRP,也就是P=26DBM,那么天线与RF缆线及连接器之间的效应可简单推得:PF-PI=26-17=9DB,换句话在这个例子中,天线带来的增益扣掉缆线及连接器的减弱,总共达9DB的增益,读者若以MW来想,那么如果我们知道P=50MW而PI=400MW,则这400/50=8=2*2*2*2倍的增益,也就是同等于3DB+3DB+3DB=9DB的整体增益,或者我们可以用以下的公式推导DB的增益增:P=10*LOG(PF/PI)
    读者到这里可能会一头雾水,这发射功率关我们什么事呢?如果您只是家庭无线局域网络使用者,那么这些什么DBM和DBI等对您可能都不重要。但您如果有意成为专业的系统集成业者SI,那么在遵照当地法规的情况下设计符合放射能量标准的无线局域网系统,便是刻不容缓的事。以美国FCC法规而言,一般整个INTENTIONAL
RADIATOR的最大发射能量必须控制在30DBM,也就是说在天线以前的整个系统不得超过1W的最大发射功率。事实上一般家用无线局域网络设备都离1W的限度还很远,譬如说我们常见的市面上号称高功率的无线局域网络设备,也最多是100MV或200MW,也就是20DBM或23DBM,通常应用于户外特殊用途。
    IEEE802.11A所操作的5GHZ UNII频段下,三种不同的频段个别具备其不同的功率限制,IEEE对于发射功率的限制比FCC本身严格,因此IEEE所规范的最大功率都只达FCC当初规范的80%而已,此外,欧州标准亦不尽想同.
    对于架设点对多点的无线局域网络桥接器来说,在2.4GHZ的ISM频段,FCC所限制的EIRP最大功率是4W,但是注意其INDTENTIONAL RADIATOR,最多仍然是1W. 
    尽管如此,FCC有个听起来很奇怪的实行法则:当使用超过6DBI天线时,每增加3DBI天线增益,则IR必须在30DBM以下等同降低3DB,意思是假如我们有个设备它的发射功率高达1W,假如我们要使用一个9DBI的天线作为PTMP点对多点的传输,那么这个设备的INTENTIONAL RADIATOR必须限制在500MW,所以接上那个9DBI天线后,EIRP还是可以限制在4W,亦即36DBM.
    至于2.4GHZ点对点的无线局域网络桥接器,规范上又不同于PTMP的应用.FCC对它也有个听起来很奇怪的实行法则:当使用超过6DBI天线时,每增加3DBI天线增益,则IR必须在30DBM以下等同降低1DB,因此读者可以发现,在PTP时功率规范是比较轻松的,适用于长距离的无线传输,但无论如何整个天线前的IR都必须限制在1W以内.若天线前的IR不能调整输出功率,则我们必须针对该输出功率所对应容忍范围,选择符合法规的最大增益天线.例如说我们有个24DBM输出功率的无线局域网络桥接器,那么当它应用于PTMP点对多点的网络桥接时,最多只能用12DBI的天线,倘若我们应用于PTP点对点的网络桥接下,则我们至多能用24DBI的高增益指向性天线.关于功率限制,请读者多参阅当地通讯法规.


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