HFSS SBR+. Подходы к расчету Mesh сетей и репитеров внутри помещения

В основном пользователи ANSYS HFSS знают, что его можно использовать для подробного расчета антенн и СВЧ-устройств. Однако, в последние несколько лет в это программное обеспечение интегрировано большое количество расчетных возможностей, которое позволяет использовать высокочастотный структурный симулятор для расчета антенн, размещенных на объектах. В качестве объектов может выступать траспорт, вышки сотовой связи и т.д. А это в свою очередь означает, что ANSYS HFSS можно использовать и для расчета распространения радиоизлучения внутри помещений. HFSS интегрирован в ANSYS Electronics Desktop, который содержит внутри себя и другие продукты анализа, например схемный редактор Circuit-designer, аппарат для решения задач электромагнитной совместимости EMIT  и т.д. Таким образом, с пощью Electronics Desktop можно произвести точное моделирование производительности беспроводной сети в комплексе, с учетом рассеивающих свойств среды и определить производительность на уровне системы.

На физическом уровне мы можем рассчитать:

• Мощность излучения,
• Развязку Rx/Tx;
• Поля E и H  внутри помещения.

На уровне систем связи:

• Характеристики модели канала;
• Расчет RSSI (Received signal strength indication);

При расчете антенной системы в реальных условиях нужно перейти от полноволного решения к асимптотическим методам, например SBR+:

Для чего нужно производить расчет излучения внутри помещения? Mesh сети VS Репитеры

Наверняка, каждый из сталкивался с ситуацией, когда в гараже его трехэтажного загородного дома переставал ловить Wi-Fi. Ну а если серьезно, - то многим знакома ситуация, когда сигнал Wi-Fi в одной комнате заметно слабее, чем в соседней. Примеры из данной статьи будут актуальны как для квартир в многоэтажных домах, так и для небольших офисных помещений.

Что может стать причиной ухудшения сигнала Wi-Fi?

• Причина первая: слабый сигнал роутера

У роутера может просто не хватать мощности для того, чтобы обеспечивать стабильный сигнал на всей площади дома/офиса. Решением станет покупка новой точки доступа, либо же установка репитера. Для крупных предприятия логичным будет сначала выполнить необходимые расчеты, перед тем как перехоить к проектированию. 

• Причина вторая: неудачное расположение роутера

В идеале беспроводной роутер должен располагаться в центре комнаты. Однако реальные условия обычно очень далеки от идеальных, поэтому такое расположение чаще всего бывает не самым оптимальным и даже неудобным. Поэтому нередки случаи, когда роутер стоит на шкафу в прихожей, на подоконнике в дальней комнате и в подвале, а в частных домах вообще любят ставить роутеры на чердаке. Во всех перечисленных случаях сигнал встречает на своем пути большое количество препятствий, которые влияют на его мощность. Особо сильно на мощность сигнала влияют композитные материалы вроде железобетона, которые поглощают излучение. А такие препятствия как стекло, наоборот, увеличивают отражение, что также в большинстве случаев не способствует увеличению качества связи. Решением данной проблемы станет перемещение роутера в более подходящее для него место - туда, где сигнал не будет сталкиваться с препятствиями и зона покрытия будет максимальной. Моделирование и расчет радиопокрытия в этом случае также крайне полезно.

• Причина третья: сложная планировка помещения

Как уже упоминалось выше, различные препятствия очень сильно влияют на сигнал, и располагать роутер, например, в ванной или в дальнем углу подвала, будет не лучшим решением. Но на практике довольно часто встречаются ситуации, когда планировка помещения настолько сложная и нестандартная, что расположить роутер более или менее оптимально просто не получается. Конечно, есть вариант снести лишние перегородки, уменьшить количество препятствий и сделать планировку более свободной и комфортной для распространения сигнала, но это решение будет слишком радикальным.

• Причина четвертая, бонусная.

Бывают случаи, когда совмещены все ранее описанные проблемы. Особо часто такое встречается в больших частных домах. Планировка нестандартная, много стекла и камня (или дерева, но это еще не худший случай), а роутер стоит на чердаке, потому что монтажники провайдера протянули оптику только до чердака, и не стали тянуть ее по дому, да еще и роутер поставили самый дешевый, который работает в одном диапазоне и сигнал никак не может дотянуться до дальних углов и уж тем более подвала. 

Mesh или репитерная сеть?

Решить проблему плохого качества радиопокрытия поможет создание бесшовной Wi-Fi сети. Если вы столкнулись с проблемой плохого Wi-Fi сигнала, то после проведения моделирования слудет подумать о правильной организации бесшовной Wi-Fi сети. На данный момент самыми распространенными являются репитерные сети, и их потихоньку начинают догонять mesh-сети.

Репитерные сети

Эти сети не слишком дорогие, относительно простые в установке, и работают надежно (если роутеры соединены кабелем). Однако, у них имеются свои проблемы:

1. По беспроводу они работают довольно плохо, и наиболее рациональным решением будет прокладка кабеля от основного роутера до каждой точки доступа. И, если дом большой, а портов в роутере мало, то у вас могут возникнуть некоторые проблемы с тем, чтобы установить несколько точек доступа. 
2. Репитерная сеть является многоранговой, то есть, в ней есть определенная иерархия. Это ведет к тому, что в такой сети будет зависимость второстепенных роутеров от основного, а значит, каждая точка доступа будет создавать свою сеть. Что это значит? А то, что у вас в доме будет существовать сразу несколько Wi-Fi сетей. Да, каждый роутер может работать в своем канале, что довольно удобно. Но при этом, возникают проблемы с тем, что смартфон будет постоянно переключаться между сетями.

С одной стороны, это не очень критично, но представьте ситуацию, когда вы разговариваете по Whatsapp с важным клиентом или заказчиком, спускаетесь из кабинета на кухню за очередной чашкой кофе и внезапно телефон перестает ловить сигнал, потому что роутер, расположенный на кухне, сломался и перестал работать. Как минимум, вам будет обидно. 

Итак, что касается беспроводной сети на основе репитеров. Можно выделить следующие плюсы:

• хорошее покрытие;
• надежность, так как все роутеры подключены по проводу;
• несколько сетей, что позволяет использовать сразу несколько каналов.

из минусов:

• многоранговая сеть - каждый роутер создает свою сеть;
• постоянные переподключения;
• отсутствие контроля за сетью;
• обновлять прошивку каждого роутера приходится вручную;
• сложная настройка - нужно настраивать каждый роутер отдельно.

Если вас не смущают все эти минусы и вас не пугает сложность настройки и необходимость соединять все роутеры по проводу то репитерные сети вполне могут стать подходящим для вас решением. Главное, не соединяйте репитеры с основным роутером по Wi-Fi, это значительно снижает скорость передачи данных.

Mesh-сети

Работают иначе по сравнению с репитерными. Каждый роутер дублирует другой роутер в сети, применяя довольно сложные сетевые протоколы. Основное преимущество в том, что такие сети являются одноранговыми. То есть, каждое устройство в такой сети не зависит от других и обладает равными правами с другими устройствами. 
Mesh-сети называют ячеистыми, потому что каждая точка доступа создает вокруг себя ячейку, в которой обслуживаются устройства пользователей. И здесь проявляется их главное отличие от репитерных сетей - в то время, как репитеры создают новую сеть, точки доступа Mesh сетей раздают доступ к одной и той же сети. 
Mesh-сети состоят по принципу сотовых сетей связи. Они состоят из множества ячеек, которые предоставляют доступ к одной и той же сети. Однако, в отличие от сотовых сетей, в mesh-сетях отсутствует такое понятие, как handover - когда абонент покидает зону действия одной базовой станции и переходит к другой. Именно поэтому mesh-сети называют бесшовными, так как ячейки, по сути, образуют единую соту, в которой не существует переподключений от одной точки доступа к другой.

Примерно так же будут работать и бессотовые 6G сети. Еще одним преимуществом mesh-сетей является простота настройки. Если мы имеем дело с самоорганизующейся сетью, то достаточно просто включить точку доступа и подключить ее к существующей сети Wi-Fi. К тому же, многие производители вместе со своими продуктами поставляют мобильные приложения, в которых регистрация точки доступа в сети происходит буквально в один клик, и еще там содержатся инструкции по оптимальному расположению точки доступа в помещении. То есть, процесс развертывания mesh-сети сводится к простейшему алгоритму: 

1. Включить точку доступа;
2. Нажать кнопку в мобильном приложении

В том же самом мобильном приложении можно задавать приоритет устройства. Например, если вам поступил важный звонок, то по нажатию одной кнопки ваше устройство становится более приоритетным и нагрузка на другие устройства ограничивается. Помимо этого, за такой сетью удобнее следить и проще контролировать количество подключенных устройств - точно так же, как в обычной Wi-Fi сети, можно создавать черный список и блокировать устройства по IP или MAC - адресам. А еще некоторые производители предлагают за отдельную плату дополнительно усилить защиту вашей сети, благодаря использованию дополнительного шифрования данных. 

Кроме того mesh-сети уже достаточно хорошо себя зарекомендовали при работе с устройствами IoT. Они позволяют контролировать все устройства, включенные в систему “умного дома”, в любой точке помещения. Благодаря архитектуре mesh-сетей можно будет без багов и коллизий включать чайник на кухне и телевизор на втором этаже, находясь в прихожей. 
Кроме того Mesh-сети постоянно подключены к интернету, что упрощает необходимость в ручном обновлении. Обновление всех точек доступа может происходить автоматически, а в приложении можно настроить промежуток времени, когда будут скачиваться и устанавливаться обновления.

Вдобавок ко всему вышеперечисленному, у mesh-сетей есть настоящая киллер-фича, которая делает их гораздо удобнее репитерных сетей - это использование отдельного канала связи для соединения точек доступа - backhaul. Обычно для этого используется менее загруженный канал 5 ГГц, что уменьшает задержку до минимума. При этом в основном канале 2.4 ГГц, скорость передачи данных не падает, а остается на одном уровне для каждой точки доступа, точно так же, как если бы вы соединили все точки доступа по проводу. 
 

Теперь давайте вкратце рассмотрим плюсы и минусы mesh-сетей. Из плюсов выделим следующие:

• создается одна сеть, благодаря чему исключаются переподключения;
• скорость передачи данных не снижается от устройства к устройству, благодаря технологии backhaul;
• автоматическое обновление программного обеспечения;
• простота установки устройств;
• удобное приложение;
• полный контроль за сетью;

из минусов:

• дороговизна оборудования;
• не всегда есть возможность использовать backhaul.

Применение различных сетей в реальных условиях.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что mesh-сети гораздо более перспективны и удобны, чем репитерные сети, однако и те, и другие, находят свое применение.
Рассмотрим варианты, когда будет удобнее применить mesh-сети, а когда репитерные. Mesh-сети удобны, когда у вас большое помещение, в котором постоянно перемещаются устройства, которым необходимо подключение к сети - например, небольшой офис или квартира, оборудованные большим количеством умных устройств.

Устройства дублируют друг друга, расширяя существующую сеть

Репитерные сети найдут свое применение в случае, когда в вашем распоряжении сразу несколько помещений, в которых находятся компьютеры или другие устройства, требующие подключения к сети. Соединенные ethernet-кабелем роутеры обеспечат достаточную скорость подключения к сети, при этом будут созданы несколько сетей, благодаря чему устройства в одном кабинете можно объединить в одну локальную сеть. Отличным примером такого использования репитерной сети будет офис крупной компании, занимающей сразу несколько кабинетов/помещений. В каждом из кабинетов будет создана своя сеть, в которую могут быть включены компьютеры, смартфоны, принтеры и другие устройства, при этом они не будут мешать устройствам в соседнем кабинете, в котором будет создана другая сеть. 

Устройства соединены между собой кабелем

Заключение

И mesh, и репитерные сети являются актуальными способами решения проблемы плохого Wi-Fi сигнала, но следует понимать различие между ними, взвешивая все за и против, чтобы выбрать оптимальное решение конкретно для вашего случая. Если в здании много стационарных IoT-устройств, - то Mesh сети очевидно будут идеальным решением. Ну и гибридные решения конечно же никто не отменял. Моделирование и выбор правильного расположения Mesh-устройств и репитеров должно проводится на первых этапах проектирования беспроводной экосистемы. Программное обеспеение ANSYS Electronics Desktop позволяет производить расчеты радиосистемы на физическом уровне (определять электроманиные поля, диаграммы направленности и т.д.), и на систем (расччитывать качество канала связи и разавязку между устройствами).