Существует несколько вариантов использования радиодиапазона 2,4 ГГц ISM . Между устройствами, работающими на частоте 2,4 ГГц, могут возникать помехи . В этой статье подробно описываются различные пользователи диапазона 2,4 ГГц, как они создают помехи другим пользователям и как они подвержены помехам от других пользователей.
Многие [ quantify ] беспроводных телефонов и радионянь в Соединенных Штатах и Канаде используют частоту 2,4 ГГц, [1] ту же частоту, на которой работают стандарты Wi-Fi 802.11b , 802.11g , 802.11n и 802.11ax . Это может привести к значительному снижению скорости, а иногда [ когда? ] и к полной блокировке сигнала Wi-Fi при разговоре по телефону. [2] Есть несколько способов избежать этого [ по мнению кого? ] , однако некоторые [ которые? ] простые, а некоторые [ которые? ] более сложные.
Последнее иногда [ когда? ] не будет успешным, так как многочисленные [ количественно ] беспроводные телефоны используют Digital Spread Spectrum . Эта технология была разработана для защиты от подслушивающих устройств, но телефон будет менять каналы случайным образом, не оставляя ни одного канала Wi-Fi, защищенного от телефонных помех.
Устройства Bluetooth , предназначенные для использования в персональных сетях малого радиуса действия, работают в диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц. Чтобы уменьшить помехи с другими протоколами, использующими диапазон 2,45 ГГц, протокол Bluetooth делит диапазон на 80 каналов (пронумерованных от 0 до 79, каждый шириной 1 МГц) и меняет каналы до 1600 раз в секунду. Более новые версии Bluetooth также поддерживают функцию адаптивной перестройки частоты , которая пытается обнаружить существующие сигналы в диапазоне ISM , такие как каналы Wi-Fi , и избегать их, согласовывая карту каналов между взаимодействующими устройствами Bluetooth.
Было доказано, что стандарт компьютерного кабеля USB 3.0 создает значительное количество электромагнитных помех, которые могут мешать работе любых устройств Bluetooth, подключенных пользователем к тому же компьютеру. [3]
Wi-Fi ( / ˈ w aɪ f aɪ / ) [4] — технология беспроводной локальной сети радиоустройств на основе стандартов IEEE 802.11 . Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance , которая ограничивает использование термина Wi-Fi Certified продуктами, которые успешно прошли сертификационные испытания на совместимость . [5]
Устройства, которые могут использовать технологии Wi-Fi, включают настольные компьютеры и ноутбуки , игровые консоли , смартфоны и планшеты , смарт-телевизоры , цифровые аудиоплееры, автомобили и современные принтеры. Устройства, совместимые с Wi-Fi, могут подключаться к Интернету через WLAN и беспроводную точку доступа . Такая точка доступа (или точка доступа ) имеет радиус действия около 20 метров (66 футов) в помещении и больший радиус действия на открытом воздухе. Зона покрытия точки доступа может быть такой маленькой, как одна комната со стенами, которые блокируют радиоволны, или такой большой, как несколько квадратных километров, достигаемых при использовании нескольких перекрывающихся точек доступа.
Существуют различные версии Wi-Fi с различными диапазонами, радиодиапазонами и скоростями. Wi-Fi чаще всего использует радиодиапазоны 2,4 гигагерца (12 см) UHF и 5,8 гигагерца (5 см) SHF ISM ; эти диапазоны подразделяются на несколько каналов. Каждый канал может быть разделен по времени несколькими сетями. Эти длины волн лучше всего работают в условиях прямой видимости . Многие распространенные материалы поглощают или отражают их, что еще больше ограничивает диапазон, но может помочь минимизировать помехи между различными сетями в многолюдных местах. На близком расстоянии некоторые версии Wi-Fi, работающие на подходящем оборудовании, могут достигать скорости более 1 Гбит/с.
Любой, кто находится в зоне действия контроллера беспроводного сетевого интерфейса , может попытаться получить доступ к сети; из-за этого Wi-Fi более уязвим для атак (называемых подслушиванием ), чем проводные сети. Wi-Fi Protected Access (WPA) — это семейство технологий, созданных для защиты информации, передаваемой по сетям Wi-Fi, и включает решения для персональных и корпоративных сетей. Функции безопасности WPA включают более надежную защиту и новые методы безопасности, поскольку ландшафт безопасности со временем изменился.
Чтобы гарантировать отсутствие помех при любых обстоятельствах, протокол Wi-Fi требует разделения каналов на 16,25 (11b) или 22 МГц (11g/n) (как показано ниже). Любой оставшийся зазор используется в качестве защитной полосы , чтобы обеспечить достаточное затухание вдоль граничных каналов. Эта защитная полоса в основном используется для размещения старых маршрутизаторов с модемными чипсетами, склонными к полному заполнению канала, поскольку большинство современных модемов Wi-Fi не склонны к чрезмерному заполнению канала.
.svg/1280px-2.4_GHz_Wi-Fi_channels_(802.11b,g_WLAN).svg.png)
Хотя перекрывающиеся частоты можно настроить и они обычно работают, это может вызвать помехи, приводящие к замедлениям, иногда серьезным, особенно при интенсивном использовании. Определенные подмножества частот могут использоваться одновременно в любом месте без помех (см. диаграммы для типичных распределений):
Однако точное расстояние, необходимое, когда передатчики не размещены рядом, зависит от протокола, выбранной скорости передачи данных, расстояний и электромагнитной среды, в которой используется оборудование. [6]
Затухание относительного канала добавляется к этому из-за расстояния и влияния препятствий. Согласно стандартам, для передатчиков на одном канале передатчики должны по очереди передавать, если они могут обнаружить друг друга на 3 дБ выше уровня шума (уровень теплового шума составляет около -101 дБм для каналов 20 МГц). [8] С другой стороны, передатчики будут игнорировать передатчики на других каналах, если ослабленная мощность сигнала от них ниже порогового значения P th , которое для систем, отличных от Wi-Fi 6 , составляет от -76 до -80 дБм. [6] Хотя на приемнике могут быть помехи (битовые ошибки), они обычно незначительны, если принимаемый сигнал более чем на 20 дБ выше ослабленной мощности сигнала от передатчиков на других каналах. [6]
Общий эффект заключается в том, что если есть значительное перекрытие между соседними каналами передатчиков, они часто будут мешать друг другу. В общем, использование каждого четвертого или пятого канала, оставляя три или четыре канала свободными между используемыми каналами, вызывает гораздо меньше помех, чем совместное использование каналов, и более узкий интервал все еще может использоваться на больших расстояниях. [9] [6]
Многие беспроводные сети передачи данных на основе Zigbee / IEEE 802.15.4 работают в диапазоне 2,4–2,4835 ГГц и поэтому подвержены помехам от других устройств, работающих в том же диапазоне. Определение таково: 16 каналов с номерами 11–26 занимают пространство, каждый шириной 2 МГц и разнесены на 5 МГц. F 0 канала 11 установлен на 2,405 ГГц. Схема DSSS используется для расширения спектра (со скорости передачи данных 250 кбит/с) и уменьшения помех. [7]
Чтобы избежать помех от сетей IEEE 802.11 , сеть IEEE 802.15.4 может быть настроена на использование только каналов 15, 20, 25 и 26, избегая частот, используемых обычно используемыми каналами IEEE 802.11 1, 6 и 11. Точный выбор канала зависит от местного популярного канала 802.11. Например, в месте, где используются каналы 1, 7 и 13, предпочтение будет отдано каналам 15, 16, 21 и 22. Сосуществование каналов возможно при условии, что расстояние между точкой доступа 802.11 и устройством 802.15.4 составляет 8 метров. [7]
Некоторые беспроводные периферийные устройства, такие как клавиатуры и мыши, используют диапазон 2,4 ГГц с фирменным протоколом.
Большинство бытовых микроволновых печей работают, испуская очень мощный сигнал в диапазоне 2,4 ГГц. Старые устройства имеют плохое экранирование, [10] и часто испускают очень «грязный» сигнал во всем диапазоне 2,4 ГГц. [a]
Это может привести к значительным затруднениям при передаче Wi-Fi и видео [12] , что приведет к уменьшению дальности или полной блокировке сигнала.
Комитет IEEE 802.11 , который разработал спецификацию Wi-Fi, провел обширное исследование потенциала помех микроволновых печей. Типичная микроволновая печь использует самоколебательную вакуумную силовую трубку, называемую магнетроном , и высоковольтный источник питания с однополупериодным выпрямителем (часто с удвоением напряжения ) и без фильтрации постоянного тока . Это создает последовательность радиочастотных импульсов с рабочим циклом ниже 50%, поскольку трубка полностью выключена в течение половины каждого цикла сети переменного тока : 8,33 мс в странах с частотой 60 Гц и 10 мс в странах с частотой 50 Гц.
Это свойство привело к появлению режима «устойчивости к помехам в микроволновой печи» Wi-Fi, который сегментирует большие кадры данных на фрагменты, каждый из которых достаточно мал, чтобы поместиться в периоды «выключения» печи.
Комитет 802.11 также обнаружил, что, хотя мгновенная частота магнетрона микроволновой печи сильно меняется в течение каждого полупериода переменного тока в зависимости от мгновенного напряжения питания, в любой момент она относительно когерентна , т. е. занимает только узкую полосу пропускания. [13] Сигнал 802.11a/g по своей природе устойчив к таким помехам, поскольку он использует OFDM с информацией об исправлении ошибок , перемежаемой между носителями; пока только несколько носителей уничтожаются сильными узкополосными помехами, информация в них может быть восстановлена с помощью кода исправления ошибок из тех носителей, которые пройдут.
Некоторые радионяни используют диапазон 2,4 ГГц. Некоторые передают только аудио, а другие также видео.
Беспроводные микрофоны работают как передатчики. Некоторые цифровые беспроводные микрофоны используют диапазон 2,4 ГГц (например, модель AKG DPT 70).
Беспроводные динамики работают как приемники. Передатчик — это предусилитель , который может быть встроен в другое устройство. Некоторые беспроводные динамики используют диапазон 2,4 ГГц с собственным протоколом. Они могут быть подвержены выпадениям сигнала из-за помех от других устройств.
Видеопередатчики обычно работают с использованием FM- носителя для передачи видеосигнала из одной комнаты в другую (например, спутниковое телевидение или замкнутая система телевидения ). Эти устройства обычно работают непрерывно, но имеют низкую (10 мВт) мощность передачи. Однако некоторые устройства, особенно беспроводные камеры, работают с (часто несанкционированными) высокими уровнями мощности и имеют антенны с высоким коэффициентом усиления . [ необходима цитата ]
Операторы любительской радиосвязи могут передавать двустороннее любительское телевидение (и голос) в диапазоне 2,4 ГГц и на всех частотах ISM выше 902 МГц с максимальной мощностью 1500 Вт в США, если режим передачи не включает методы расширения спектра . [14] [15] Другие уровни мощности применяются в зависимости от региона. В Великобритании максимальный уровень мощности для полной лицензии составляет 400 Вт. [16] В других странах максимальный уровень мощности для излучений без расширения спектра устанавливается местным законодательством. [ необходима ссылка ]
Хотя передатчик некоторых видеокамер, по-видимому, зафиксирован на одной частоте, в нескольких моделях было обнаружено, что камеры на самом деле имеют функцию быстрой перестройки частоты, и частоту можно изменить, разобрав изделие и переместив паяные соединения или DIP-переключатели внутри камеры.
Эти устройства подвержены помехам от других устройств 2,4 ГГц из-за природы аналогового видеосигнала , который очень легко обнаруживает помехи. Для получения «чистого» изображения требуется отношение несущей к шуму около 20 дБ.
Непрерывные передачи создают помехи, вызывая появление «узоров» на изображении, иногда темный или светлый сдвиг или полную блокировку сигнала.
Непостоянные передачи данных, например, по Wi-Fi, приводят к появлению горизонтальных шумовых полос на экране и могут вызывать «треск» или «щелчки» в звуке.
Видеоотправители представляют собой большую проблему для сетей Wi-Fi: в отличие от прерывистого Wi-Fi, они работают непрерывно и обычно имеют полосу пропускания всего 10 МГц. Это вызывает очень интенсивный сигнал, если смотреть на анализатор спектра, и полностью стирает более половины канала. Результатом этого, как правило, в среде типа поставщика услуг беспроводного Интернета , является то, что клиенты (которые не могут слышать видеоотправителя из-за эффекта « скрытого узла ») могут слышать Wi-Fi без каких-либо проблем, но приемник на точке доступа WISP полностью заглушается видеоотправителем, поэтому он крайне глух. Кроме того, из-за природы видеоотправителей им нелегко мешает Wi-Fi, поскольку приемник и передатчик обычно расположены очень близко друг к другу, поэтому эффект захвата очень высок. Wi-Fi также имеет очень широкий спектр, поэтому обычно только 30% пиковой мощности Wi-Fi фактически влияет на видеоотправителя. Wi-Fi не является непрерывной передачей, поэтому сигнал Wi-Fi только периодически мешает видеоотправителю. Сочетание этих факторов - низкая выходная мощность Wi-Fi по сравнению с видеоотправителем, тот факт, что обычно видеоотправитель находится гораздо ближе к приемнику, чем передатчик Wi-Fi, и эффект захвата FM означает, что видеоотправитель может вызывать проблемы с Wi-Fi на большой площади, но блок Wi-Fi создает мало проблем для видеоотправителя. [ необходима цитата ]
Многие видеоотправители на рынке Великобритании рекламируют эквивалентную изотропно излучаемую мощность (EIRP) в 100 мВт. Однако рынок Великобритании допускает ограничение EIRP только в 10 мВт. Эти устройства вызывают гораздо больше помех на гораздо большей площади из-за своей чрезмерной мощности. Кроме того, видеоотправители Великобритании должны работать в полосе пропускания 20 МГц (не путать с отклонением 20 МГц ).
Это более широкое распространение и более высокая мощность означает, что некоторые импортные видеоотправители являются незаконными, поскольку они работают на полосе пропускания 15 МГц или ниже, что приводит к более высокой спектральной плотности мощности, увеличивая помехи. Кроме того, большинство других стран разрешают 100 мВт EIRP для видеоотправителей, что означает, что многие видеоотправители в Великобритании имеют избыточную выходную мощность. [ необходима цитата ]
Многие радиоуправляемые дроны, модели самолетов, модели лодок и игрушки используют диапазон 2,4 ГГц. Эти радиосистемы могут работать на расстоянии до 500 метров в радиоуправляемых автомобилях и более 2,5 километров (1,6 мили) в дронах/самолетах.
Некоторые устройства открывания гаражных ворот используют диапазон 2,4 ГГц.
Некоторые производители автомобилей используют частоту 2,4 ГГц для внутренних датчиков движения своих автомобильных сигнализаций . Эти устройства передают на частоте 2,45 ГГц (между каналами 8 и 9) с мощностью 500 мВт. Из-за перекрытия каналов это вызовет проблемы для каналов 6 и 11, которые обычно используются по умолчанию для подключений Wi-Fi. Поскольку сигнал передается как непрерывный тон, он вызывает особые проблемы для трафика Wi-Fi. Это можно ясно увидеть с помощью анализаторов спектра. Эти устройства из-за своего небольшого радиуса действия и высокой мощности обычно не восприимчивы к помехам от других устройств в диапазоне 2,4 ГГц. [ необходима цитата ]
Некоторые радары используют диапазон 2,4 ГГц.
Некоторые «умные» измерители мощности используют диапазон 2,4 ГГц. [ необходима цитата ]
Некоторые новые по-настоящему беспроводные методы передачи энергии используют диапазон 2,4 ГГц. [ необходима цитата ]
Устройства и кабели USB 3.0 , если они не экранированы должным образом, могут создавать помехи в диапазоне 2,4 ГГц. [17]
Обычно помехи не так уж и сложно обнаружить. На рынок поступают недорогие продукты, которые работают как анализаторы спектра и используют стандартный интерфейс USB в ноутбуке , что означает, что источник помех может быть довольно легко обнаружен с небольшими усилиями, направленной антенной и поездкой в поисках помех.
Лучше использовать Ethernet или PLC , если можно избежать Wi-Fi (но остерегайтесь скачков напряжения , они могут возникнуть через любой токопроводящий кабель).
Общая стратегия для Wi-Fi заключается в использовании только диапазонов 5 ГГц и 6 ГГц для устройств, которые их поддерживают, и отключении радиомодулей 2,4 ГГц в точках доступа, когда этот диапазон больше не нужен.
Часто устранение помех так же просто, как смена канала нарушающего устройства. Этот метод считается частью процесса установки. Если канал одной системы, например беспроводной точки доступа, не может быть изменен, и ему мешает что-то вроде видеоотправителя , владелец видеоотправителя может сменить используемый им канал.
Другим лекарством является предложение владельцу альтернативного продукта бесплатно. Обычно это проводная камера, которая обычно имеет гораздо лучшую производительность, чем беспроводные камеры, кабель для замены видеоотправителя или альтернативный видеоотправитель, который был жестко подключен к альтернативному каналу без возможности переключить его обратно на проблемную частоту.
Еще одним решением является переход с 2,4 ГГц на другую частоту, которая не подвержена помехам, присущим этой частоте, например, на частоту 5 ГГц для 802.11a/n.
Если устройство, использующее фирменный протокол, создает или испытывает помехи, замена его на другое, использующее другую схему связи (фирменную или стандартную), может решить проблему.
В крайних случаях, когда помехи либо преднамеренные, либо все попытки избавиться от нарушающего устройства оказались тщетными, можно рассмотреть возможность изменения параметров сети. Замена коллинеарных антенн на направленные антенны с высоким коэффициентом усиления обычно работает очень хорошо, поскольку узкий луч от антенны с высоким коэффициентом усиления физически не «увидит» помехи. Часто секторные антенны имеют острые «нули» в своей вертикальной диаграмме направленности, поэтому изменение угла наклона секторных антенн с помощью анализатора спектра, подключенного для контроля силы помех, может поместить нарушающее устройство в нуль сектора. Антенны с высоким коэффициентом усиления на передающем конце могут «пересилить» помехи, хотя их использование может привести к тому, что эффективная излучаемая мощность (ERP) сигнала станет слишком высокой, и поэтому их использование может быть незаконным.
Помехи, создаваемые сетью Wi-Fi для ее соседей, можно уменьшить, добавив больше базовых станций в эту сеть. Каждый стандарт Wi-Fi предусматривает автоматическую регулировку скорости передачи данных в соответствии с условиями канала; плохие соединения (обычно те, которые охватывают большие расстояния) автоматически работают на более низких скоростях. Развертывание дополнительных базовых станций вокруг зоны покрытия сети, особенно в существующих зонах с плохим или отсутствующим покрытием, уменьшает среднее расстояние между беспроводным устройством и его ближайшей точкой доступа и увеличивает среднюю скорость. Тот же объем данных отправляется быстрее, снижает занятость канала и дает больше времени простоя соседним сетям, улучшая производительность всех задействованных сетей. Однако существует максимальное количество базовых станций, которые можно добавить, после чего они больше мешают работе сети, чем помогают: любая дополнительная емкость затем истощается управляющим трафиком. [18]
Альтернатива увеличения покрытия путем добавления усилителя мощности RF к одной базовой станции может принести аналогичные улучшения в беспроводную сеть. Дополнительная мощность, предлагаемая линейным усилителем, увеличит отношение сигнал/шум на клиентском устройстве, увеличивая используемую скорость передачи данных и сокращая время, затрачиваемое на передачу данных. Улучшенное качество связи также уменьшит количество повторных передач из-за потери пакетов, что еще больше снизит занятость канала. Однако необходимо соблюдать осторожность при использовании высоколинейного усилителя , чтобы избежать добавления чрезмерного шума к сигналу.
Все базовые станции в беспроводной сети должны быть настроены на один и тот же SSID (который должен быть уникальным для всех других сетей в пределах досягаемости) и подключены к одному и тому же логическому сегменту Ethernet (один или несколько концентраторов или коммутаторов, напрямую подключенных без IP-маршрутизаторов). Затем беспроводные клиенты автоматически выбирают самую мощную точку доступа из всех тех, у которых указан SSID, передавая управление от одной к другой по мере изменения их относительной силы сигнала. Во многих аппаратных и программных реализациях такое переключение может привести к кратковременному сбою в передаче данных, пока клиент и новая базовая станция устанавливают соединение. Это потенциальное нарушение следует учитывать при проектировании сети для услуг с низкой задержкой, таких как VoIP .