1. Что такое Radio Operation

Радиочастотная система состоит из двух основных компонентов: радиоустройств и антенн. Антенны рассматриваются в следующей главе руководства. В этой главе основное внимание уделено характеристикам, определяющим работу радиоустройств Ubiquiti, и тому, как добиться максимально возможной производительности PTP- и PTMP-беспроводных сетей.

Для PTP- и PTMP-сетей особенно важны несколько характеристик: способность приемника работать со слабым сигналом, способность отделять нужный канал от соседних, уровень шума и интерференции, отношение сигнал/шум, ширина канала, используемая модуляция и качество передачи символов. Все эти параметры связаны между собой.

2. Радиотракт: от Ethernet-данных до RF-сигнала

Чтобы передать данные по беспроводной линии, передающее радио формирует несущий сигнал. В процессе, называемом модуляцией, изменяются частота, амплитуда или фаза этого несущего сигнала, чтобы представить различные наборы символов — группы битов данных. На удалённой стороне беспроводной линии приёмное радио демодулирует несущий сигнал и извлекает данные. Типичное радио содержит ряд узлов, выполняющих различные функции для подготовки несущего сигнала.

MAC-процессор

Помимо передачи потока данных от сетевого уровня к baseband-процессору, MAC-процессор также выполняет функции 802.11e/i, включая QoS и безопасность.

Baseband-процессор

Размещает данные с линейным кодированием и независимые наборы данных на физических OFDM-подканалах.

Интерфейс данных и управления

Обеспечивает временную привязку передачи данных между baseband-процессором и RF-устройствами переднего тракта, например усилителями и фильтрами.

D/A и A/D

Преобразуют сигналы соответственно из цифровой формы в аналоговую и из аналоговой в цифровую.

Фильтры

Пропускают сигналы, относящиеся к определённой полосе или частоте, и подавляют сигналы за пределами этой области.

Смеситель

Формирует сигнал более высокой или более низкой частоты на основе входного сигнала и сигнала локального генератора, улучшая избирательность и фильтрацию.

Усилитель

Увеличивает мощность сигнала.

3. Несущая и одноканальный сигнал

Непрерывная волна (CW) является примером одиночного постоянного несущего сигнала. Ни одно из свойств волны — частота, фаза и амплитуда — не изменяется. В ранних радиосетях сигнал CW переключали между состояниями «включено/выключено», передавая информацию подобно азбуке Морзе.

Современные цифровые радиосистемы работают значительно сложнее. Информация кодируется в символах, а характеристики несущей изменяются в соответствии с выбранной схемой модуляции. Поэтому при анализе радиолинии нужно рассматривать не только центральную частоту, но и полосу, спектральную маску, шум, соседние сигналы и качество формирования символов.

4. OFDM: почему канал делится на поднесущие

При использовании современных методов, таких как OFDM, радиосистемы делят ширину канала на множество меньших подканалов, или поднесущих, что позволяет повысить пропускную способность. Использование поднесущих делает OFDM устойчивым к многолучевому распространению — явлению, которое приводит к снижению уровня сигнала в наружных беспроводных сетях.

Благодаря ортогональности (равномерному разнесению) отдельные подканалы не мешают друг другу. Суперпозиция сигналов поднесущих образует очень сложную форму сигнала, отличную от каждой отдельной формы. Это связано с тем, что каждая поднесущая модулируется независимо.

В учебнике отдельно отмечается устойчивость OFDM к многолучевому распространению. Для наружных беспроводных сетей это важно: отражения и рассеяние могут приводить к ослаблению и искажению сигнала, а многонесущая структура помогает радиосистеме работать в таких условиях устойчивее.

5. RF Front-End: чувствительность и избирательность

RF Front-End — это радиочастотная схема, отвечающая за обработку несущего сигнала. Для противодействия шумам и помехам передатчик и приёмник должны использовать качественные компоненты и современные аппаратные технологии, такие как airPrism и airMAX ac. Стабильность и масштабируемость наружной беспроводной сети во многом зависят от высокой чувствительности и избирательности приёмников.

Чувствительность радиоприёмника

Основная задача приёмного радио — «слышать» сигналы нужного передатчика. Потери в свободном пространстве быстро уменьшают интенсивность сигнала по мере его распространения, поэтому на вход приёмника нередко приходит очень слабый сигнал. Чувствительность определяет способность радио принимать ослабленные сигналы: чем выше чувствительность, тем более слабые сигналы оно может принять.

В исходной главе приводится пример: в чистой RF-среде некоторые радиоприемники Ubiquiti способны работать с уровнями вплоть до -103 dBm. Однако сам по себе показатель RX Signal недостаточен: принятый сигнал должен быть сильнее совокупного шума и интерференции.

Избирательность радиоприёмника

Чтобы уменьшить влияние помех соседних каналов, приёмному радио необходима эффективная фильтрация. Избирательность — это способность приёмника «слышать» нужный сигнал, блокируя другие источники в пределах полосы. Для диапазона 2,4 ГГц внутриполосными помехами в руководстве называются нежелательные сигналы на каналах 1–11 (1–13 там, где они доступны).

Плохая избирательность увеличивает влияние интерференции, а вместе с локальным шумом она снижает SNR. Следствием становятся меньшая максимальная скорость передачи и увеличение задержки.

6. Какие показатели контролировать в airOS

airOS сообщает и отслеживает наиболее важные параметры для управления наружными беспроводными сетями. В главе перечислены RX Signal, RX Chain 0/1, Interference и Noise Floor.

7. SNR, тепловой шум и ширина канала

Считается, что для устойчивой высокопроизводительной радиолинии необходим сильный принимаемый сигнал. Однако сильный RX Signal мало помогает, если общий уровень шума столь же велик. Поэтому SNR непосредственно связан с доступными скоростями передачи. В учебнике SNR определяется как разность между уровнем RX Signal и совокупным уровнем Interference/Noise.

SNR (дБ) = RX Signal − (Interference + Noise)

Например, если RX Signal составляет −55 dBm, а совокупный уровень Interference/Noise — −85 dBm, разность равна 30 dB. Чем больше SNR, тем больше запас по качеству радиоканала.

При этом важно не смешивать термины: Noise Floor — это средний уровень энергии от локальных источников шума, включая работу приёмного радио и thermal noise. Interference — энергия, связанная прежде всего с конкурирующими радиосетями. В совокупности они определяют условия, в которых работает полезный сигнал.

Тепловой шум (шум Джонсона–Найквиста)

В оригинале Ubiquiti используется термин Thermal Noise. В радиотехнике его корректный русский эквивалент — «тепловой шум», также известный как шум Джонсона–Найквиста. В учебнике указано, что этот шум ограничивает чувствительность приёмников и связан с тепловым движением электронов в цепях приёмника. При уменьшении ширины канала в принимаемый сигнал попадает меньшая доля этой нежелательной мощности; поэтому каналы 5 и 10 МГц особенно подходят для дальних PTP-линий с низким уровнем принимаемого сигнала, где необходимо сохранить достаточный SNR.

Теорема Шеннона–Хартли

Согласно руководству, максимальная ёмкость информационного канала зависит от двух параметров: SNR и ширины канала. Оба параметра положительно связаны с ёмкостью канала: теоретически при увеличении SNR или ширины канала ёмкость возрастает.

PSD — спектральная плотность мощности

PSD представляет собой количество энергии относительно передаваемого сигнала во всей полосе канала. При большой или малой ширине канала передатчик всё равно работает с заданным уровнем TX Power, поэтому меньшая ширина канала даёт более высокую пиковую PSD. Именно поэтому узкие каналы подходят для дальних PTP-линий: сигнал распространяется дальше, прежде чем потери на трассе ослабят его до уровня, сопоставимого с уровнем шума.

8. Channel Flexing: выбор ширины под задачу

В наружных беспроводных сетях channel flexing — это процесс изменения ширины канала в соответствии с требованиями беспроводной линии. Увеличение ширины канала повышает потенциальную пропускную способность, тогда как уменьшение ширины повышает плотность мощности и, следовательно, уровень сигнала. При проектировании беспроводной сети необходимо учитывать связь ширины канала с доступным спектром, ёмкостью канала и SNR.

9. airPrism и работа в загруженном спектре

Плотные и зашумлённые RF-окружения становятся всё более серьёзной проблемой для WISP. Несмотря на простую, недорогую и энергоэффективную конструкцию, распространённые наружные 802.11-приёмники имеют серьёзные ограничения по избирательности при работе в условиях высокого уровня шума. Даже если мешающие сигналы находятся на неперекрывающихся каналах, при достаточно высоком уровне они могут ухудшить работу фильтра и избирательность приёмника. В результате приёмник перестаёт чётко отличать полезный сигнал от шума на других внутриполосных каналах.

Для уменьшения проблемы можно применять пространственную фильтрацию с антеннами большего усиления, RF-экранирование металлическими корпусами и GPS-синхронизацию временных интервалов передачи/приёма соседних радиоустройств. Однако эти меры лишь косвенно улучшают работу радио и не устраняют недостаточную избирательность типичных 802.11-приёмников.

airPrism использует активную радиочастотную фильтрацию и высокоизбирательную RF-схему во входном тракте. В этой схеме несущий сигнал преобразуется вниз на промежуточную частоту (IF), где его легче фильтровать. Затем избирательный фильтр удаляет мешающие сигналы, после чего IF-несущая преобразуется обратно вверх, а baseband-процессор получает очищенный несущий сигнал.

В руководстве указано, что airPrism особенно эффективен при фильтрации помех соседнего канала и в условиях загруженного RF-спектра может обеспечивать подавление шума до 30+ dB.

10. Цифровая модуляция

Модуляция несущего сигнала — это процесс, при котором цифровой набор данных (1 и 0) преобразуется в несущую форму сигнала и обратно для передачи данных по радио. Радиоустройства Ubiquiti используют дискретные изменения фазы и амплитуды несущей, чтобы представить различные группы битов. После модуляции эти группы битов называются наборами символов (symbol sets). Более сложные схемы модуляции позволяют передавать больше битов на один символ и, следовательно, обеспечивают более высокие максимальные скорости передачи.

Чем более сложная схема модуляции используется, тем больше битов можно представить одним символом и тем выше потенциальная скорость передачи. Но одновременно растут требования к качеству RF-канала и SNR.

11. Constellation Diagram и EVM

Радиоустройства Ubiquiti airMAX ac используют специализированные радиочипсеты для отслеживания и мониторинга RF-окружения, включая диаграмму созвездия (constellation diagram) в реальном времени для локального и удалённого приёмников. Диаграмма созвездия наглядно показывает, насколько точно приёмник отображает наборы символов, и даёт представление об устойчивости линии связи в текущем RF-окружении.

Error Vector Magnitude (EVM)

Точность кодирования и декодирования этих модулированных сигналов характеризуется Error Vector Magnitude (EVM), то есть величиной вектора ошибки. EVM измеряет отклонение переданных или принятых символов от их заданных идеальных положений. Если символ правильно отображён приёмником, передача успешна. Если символ отображён неправильно, передатчик должен повторно передать его, часто используя менее сложную модуляцию для компенсации неприемлемого уровня шума. Чем сложнее схема модуляции, тем выше требование к SNR.

При ухудшении условий радиосистема может переходить на менее сложную модуляцию. Это позволяет увеличить расстояние между допустимыми символами и повысить устойчивость передачи. Цена — снижение максимальной скорости.

Факторы, связанные с EVM

• Что такое Radio Operation
• Радиотракт и его основные узлы
• Сигнал с одной несущей
• Многонесущий сигнал OFDM
• RF Front-End: чувствительность и избирательность

12. Как возникает ошибка и почему радио снижает модуляцию

Процесс, при котором два отдельных набора символов модулируются на передатчике, распространяются в виде несущих сигналов в свободном пространстве, а затем демодулируются на приёмнике с правильным или ошибочным результатом, показан на иллюстрациях главы.

Если символ неправильно отображается приёмником, передатчик должен повторно передать этот символ. Для компенсации неприемлемого уровня шума при повторной передаче может использоваться менее сложная схема модуляции. Чем сложнее схема модуляции, тем выше требование к SNR.

Это объясняет практическое поведение адаптивных радиолиний: падение модуляции не обязательно означает неисправность оборудования. Очень часто это защитный механизм, который позволяет сохранить связь при ухудшении RF-условий.

13. Адаптивная модуляция и скорость передачи

Чтобы максимально автоматизировать и повысить производительность модулированного радиотракта, радиоустройства Ubiquiti используют probing и auto-adaptive механизмы. Поэтому в руководстве рекомендуется оставлять включёнными автоматический выбор rate и максимального уровня модуляции.

Для airFiber и airMAX в главе перечислены поддерживаемые схемы модуляции в порядке возрастания максимальной ёмкости: Binary Phase-Shift Keying (BPSK), Quadrature Phase-Shift Keying (¼ QPSK, ½ QPSK, QPSK) и Quadrature-Amplitude Modulation (16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM).

Минимальная чувствительность приёма, необходимая для конкретной схемы модуляции, приведена для чистого RF-окружения. Высокая TX Power полезна для распространения сигнала на большие расстояния, однако чрезмерная мощность может привести к насыщению или искажению несущей и вызвать проблемы с EVM. Поэтому выходная мощность является одним из факторов, ограничивающих доступные скорости передачи. SNR и ширина канала совместно определяют, какие схемы модуляции и скорости передачи возможны, в соответствии с теоремой Шеннона–Хартли.

Почему высокая TX Power не решает все проблемы

Высокая мощность передачи полезна для распространения сигнала на большие расстояния, однако пиковая мощность может привести к насыщению или искажению несущего сигнала и вызвать проблемы с EVM. Поэтому выходная мощность является одним из ограничивающих факторов для доступных скоростей передачи.

14. Практический алгоритм диагностики радиолинии

1. Проверьте RX Signal. Убедитесь, что сигнал соответствует расчету и не является неожиданно слабым.
2. Посмотрите RX Chain 0/1. Сильный дисбаланс между цепями может указывать на проблемы в тракте или условиях приема.
3. Оцените Noise Floor (уровень шума). В руководстве он определяется как средний уровень энергии от локальных источников шума, включая работу приёмного радио и тепловой шум.
4. Оцените Interference (помехи). В руководстве этот параметр связывается прежде всего с конкурирующими радиосетями и перекрытием каналов.
5. Рассчитайте SNR. Смотрите не на сигнал отдельно, а на разницу между полезным сигналом и совокупным шумом/помехами.
6. Проверьте ширину канала. Если линк дальний и SNR недостаточен, более узкая полоса может оказаться предпочтительнее.
7. Посмотрите текущую модуляцию. Если она постоянно падает, ищите причину в SNR, интерференции, ширине канала, уровне сигнала или качестве RF-тракта.
8. Оцените EVM/созвездие. Если оборудование предоставляет такие данные, разброс символов помогает понять качество модуляции.
9. Для загруженного спектра рассмотрите избирательность. Направленные антенны, пространственная фильтрация и специализированная RF-фильтрация могут помочь уменьшить влияние соседних сигналов.
10. Не гонитесь за максимальной мощностью. Слишком высокая TX power может ухудшить качество передаваемого сигнала.

PTP и PTMP: разные приоритеты

Ниже приведён практический алгоритм, основанный на параметрах и взаимосвязях, описанных в главе Radio Operation. Он не заменяет исходный материал, а помогает применять его при диагностике радиолинии.

15. Главные выводы главы Radio Operation

Глава III Radio Operation описывает основные узлы радиотракта, формирование и модуляцию несущего сигнала, OFDM, чувствительность и избирательность приёмника, параметры airOS, тепловой шум, SNR и ширину канала, airPrism, EVM, гармоники, TX Spurs, transmit mask и адаптивные режимы модуляции.