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Guida antenne wi-fi, scritta da Daniele Dellabella (Wgator) per HardwareUpgrade Forum" nel Marzo del 2004

Cominciamo con un accenno ai tipi di antenna pi diffusi, trattazione volutamente semplificatissima inquesta fase, cos possono seguire tutti, approfondiremo strada facendo:

- Antenna omnidirezionale, il classico "bastoncino" che troviamo in dotazione agli AP e ai routerstandard. Ha un guadagno di circa 2 dBi. Ne esistono in commercio con guadagno fino a 8/10 dBi oanche pi. Ricordo che un aumento di guadagno di 3 dB corrisponde esattamente ad un raddoppio dellapotenza trasmessa (un'antenna da 5 dBi trasmetter con potenza EIRP doppia rispetto una da 2 dBi).Ricordo anche che un raddoppio della potenza non corrisponde in nessun modo ad un raddoppio dellaportata utile in metri. Diciamo, molto empiricamente che un raddoppio della potenza potrebbecondurre ad un aumento della portata utile di circa il 20%Le antenne omnidirezionali trasmettono nello stesso modo in tutte le direzioni. Sono utili solo quando siinstalla l'antenna ad esempio al centro di un'area che deve essere coperta integralmente. Immaginiamoche il rettangolino rosso sia la nostra antenna. Lo spazio circolare giallo rappresenta l'area servitadall'antenna omnidirezionale

* Precisazione Un'antenna omnidirezionale (= che trasmette in tutte le direzioni) teoricamente dovrebbe avere undiagramma polare di forma sferica (antenna isotropica) quindi noi possiamo approssimativamenteimmaginare il campo da essa trasmesso come una sfera. Nella realt non esiste un'antenna del genere(per essere isotropica dovrebbe avere dimensione uguale a zero) Anche se il modello teorico, possiamocomunque prendere per buoni questi principi, tenendo conto che in pratica la "sfera" assomiglier di piad una palla schiacciata ai poli o ad una mela

- Antenna direzionale, (o direttiva) In questa categoria si trovano una miriade di prodotti differenti,dal dipolo alla settoriale, dalla yagi alla "cantenna" dalla biquad alla parabola e tante altre. Lacaratteristica principale di queste antenne quella di privilegiare determinate direzioni di trasmissione.Qui andrebbe introdotto il concetto di "diagramma polare" Di questo ne parleremo pi avanti.

Le antenne direttive, vanno usate principalmente quando si desidera fare un link (un collegamento) wi-fitra due punti distanti anche molti chilometri. Io ho un "record" personale di 15.560 metri ma altri hannorealizzato collegamenti ben pi lunghi. Come possiamo decidere quale antenna scegliere per le nostre esigenze? Un'antenna molto direttiva e adelevato guadagno, quale per esempio una yagi da 18 dBi o una parabola da 26 dBi, oltre al vantaggio dipermettere collegamenti pi "lunghi" ha un altro grosso vantaggio: attenua (= quasi blocca) tutti isegnali provenienti da direzioni diverse da quella del suo puntamento. Questo utilissimo nel caso(molto frequente) che ci siano altri servizi a 2,4 GHz che potrebbero disturbarci (o che noi potremmodisturbare) Qui dovremmo parlare, oltre che di "diagramma polare" (o diagramma di irradiazione) anche

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di "rapporto avanti/indietro", "lobi secondari" ecc. ... bene, se interessa lo faremo pi avanti Dall'immagine che segue possibile comprendere il comportamento di un'antenna direttiva (lobo giallo)confrontandola con l'immagine precedente che si riferiva alla omnidirezionale

Stiamo gradualmente introducendo il concetto di diagramma polare. (o di irradiazione) che varianotevolmente da antenna ad antenna. Per una omnidirezionale un cerchio, o meglio, una sfera,(maggiore il guadagno dell'antenna, pi grande il cerchio, quindi pi vasta sar la zona servita) peruna direttiva, assume la forma di un'ellisse che inizia dalla punta dell'antenna e si sviluppa nello spazioantistante ad essa. Maggiore sar il guadagno dell'antenna, maggiore sar la sua direttivit, quindil'ellisse si presenter (all'aumentare del guadagno) via via pi lunga e pi stretta. Ripeto per chiarezza: la parte che ho colorato in giallo l'area di copertura dell'antenna. Al di fuoridell'area gialla, non si riceve il segnale. Cosa significa questo? Se aumento il guadagno dell'antenna, arriver pi lontano (nella direzione in cuiho puntato l'antenna) ma render impossibile o quasi la ricezione da altre direzioni.Facendo un confronto tra le principali tipologie di antenna, ecco cosa ne esce:

- Note Legali: a questo punto necessario aprire una parentesi importante, per evitare che qualcunoinconsapevolmente finisca nei guai con la Polizia Postale. Le Leggi prevedono che la potenza massimatrasmessa da un sistema a 2,4 GHz non ecceda i 20 dBm EIRP ovvero 100 mW irradiati effettivamentedall'antenna. Cosa significano queste sigle, ignote a chi non ha un po' di confidenza con le telecomunicazioni? Bene,20 dBm EIRP significano 20 decibel milliwatt effettivamente trasmessi. Questo si ricava sommando lapotenza del trasmettitore, espresso in deciBelmilliWatt al guadagno dell'antenna, espresso in dBi

Esempio: un qualsiasi router o AP ha una potenza effettiva (misurata sul bocchettone dell'antenna) dicirca 15/17 dBm (valore standard al quale si attengono tutti i costruttori). Per ottenere la potenza EIRP della stazione, dobbiamo sommare alla potenza del trasmettitore ilguadagno dell'antenna che abbiamo visto essere di 2 dBi nei gommini standard in dotazione di serie;quindi, nel caso di un AP che ha una potenza sullo stadio finale di 17 dBm, sommiamo i 2 dBidell'antenna ed otteniamo 19 dBm EIRP. Siamo sotto al massimo permesso dalla legge (20 dBm checorrispondono a 100 milliWatt) -

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N.d.r.: Per trasmettere con potenze maggiori, restando nei parametri di Legge, occorre utilizzare CPEprofessionali, progettate per l'uso specifico. Questo articolo puramente divulgativo, per farcomprendere il funzionamento delle tecnologie wireless. >QUI< possibile trovare una tabella che permette di risalire alla potenza in Watt o in milliWattconoscendo i dBm

Cosa succede se togliamo l'antennina originale e mettiamo un'antenna direttiva da 24 dBi? 17 + 24 = 41 dBm EIRP pari a 12,6 Watt, ben superiori ai 100 milliWatt (0,1 Watt) imposti dalla Legge. Consiglio caldamente di non stazionare per molto tempo e a breve distanza di fronte a questa antenna:non so cosa potrebbe accadere a lungo andare all'organismo umano... A questo proposito, credo di doversconsigliare le antenne direttive per impieghi "indoor" Convogliando queste tutta la potenza in un'unicadirezione, non vorrei che a lungo andare potesse succedere qualche guaio ad un malcapitato che fosseinvestito per molto tempo da queste onde trasmesse a potenza elevata.

- La polarizzazione: sappiamo, per averlo visto anche nelle antenne della televisione, che le antennepossono essere collocate "in piano" (in orizzontale) oppure "di taglio" (in verticale) Questo introduce ilconcetto di "polarizzazione"

la polarizzazione dovrebbe essere scelta in base a criteri di minimizzazione delle riflessioni sfruttandone idiagrammi polari, con il wireless in pratica non cambia molto, almeno in teoria. L'importante cheentrambe le antenne del nostro link siano disposte sullo stesso piano di polarizzazione (= entrambeverticali o entrambe orizzontali)Qualche "trucchetto" che potrebbe essere utile per i collegamenti a lunga distanza:

- facile che in un collegamento a lunga distanza si venga interferiti da un'altra rete. In questo caso sisceglier la polarizzazione opposta per ridurre l'interferenza. Per esempio, se la rete che ci disturbatrasmette in orizzontale, ovvio che noi sceglieremo la polarizzazione verticale. In questo modo migliorail SNR (rapporto segnale/disturbo)

- in caso di collegamenti che attraversano aree con specchi d'acqua, mare, laghi e simili pu essere utileprovare entrambe le polarit anche se l'esperienza insegna che di solito meglio adottare lapolarizzazione verticale.

- prove di questo genere andrebbero fatte anche in condizione di LoS parzialmente ostruito o zona diFresnel non completamente libera. Ricordatemi di chiarire il concetto di LOS (Line of Sight) ennesimoacronimo anglosassone che sta ad indicare la visibilit tra le antenne. Il discorso delle formule di Fresnel leggermente pi complesso e si potr eventualmente approfondire strada facendo

- nei collegamenti locali tra AP e client, sarebbe opportuno usare (quasi) sempre la polarizzazioneverticale (gommino posto in verticale) perch le antenne dei notebook centrino, di solito sono nelcoperchio monitor in verticale. Questo per non vale sempre; se si usano delle schede wireless USB(dipende se stanno in V o in H) mentre se abbiamo delle schede PCMCIA, esse hanno sempre le antennein orizzontale. Consiglio comunque di scaricare il programma "Netstumbler" che permette di fare un po'di prove

- I canali Wi-Fi: riguardo allo standard Wi-Fi a 2,4 GHz, in Italia sono disponibili 13 canali, ognuno deiquali occupa una porzione di banda larga 22 MHz. Le frequenze di questi 13 canali, sono le seguenti:

01: centro banda 2,412 GHz limiti canale (2,402 - 2,423)02: centro banda 2,417 GHz limiti canale (2,407 - 2,428)03: centro banda 2,422 GHz limiti canale (2,412 - 2,433)04: centro banda 2,427 GHz limiti canale (2,417 - 2,437)05: centro banda 2,432 GHz limiti canale (2,422 - 2,443)06: centro banda 2,437 GHz limiti canale (2,427 - 2,448)07: centro banda 2,442 GHz limiti canale (2,432 - 2,453)08: centro banda 2,447 GHz limiti canale (2,437 - 2,458)09: centro banda 2,452 GHz limiti canale (2,442 - 2,663)

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10: centro banda 2,457 GHz limiti canale (2,447 - 2,468)11: centro banda 2,462 GHz limiti canale (2,452 - 2,473)12: centro banda 2,467 GHz limiti canale (2,457 - 2,478)13: centro banda 2,472 GHz limiti canale (2,462 - 2,483)

Ne consegue che molti di essi sono parziamente sovrapposti, pertanto ne esistono solamente 3 chepossono coesistere nella stessa zona senza interferirsi reciprocamente: 1, 6, 11, oppure 2, 7, 12, oanche 3, 8, 13Quindi? Se nella mia area mi accorgo che esiste una rete wireless che lavora sul canale 11, io dovrusare per precauzione il canale 6 (o inferiore) In pratica, per il massimo delle "performances" della miarete devo mantenere una distanza di almeno 5 canali dalle altre reti.

Trucchetto: a proposito del piano di polarizzazione (orizzontale o verticale) di cui si appena parlato.Ammettiamo di realizzare una rete wireless a lunga distanza in una zona molto affollata, dove nontroviamo un canale libero distante almeno 5 canali dagli altri gi occupati. In questo caso, possiamooccupare un canale distante anche solamente 2 o 3 step da quelli gi esistenti, giocando per sullapolarizzazione. Esempio: se i canali 1, 6, 11 sono tutti occupati, possiamo fare un po' di prove per capirequale polarizzazione usano. Ammettendo di riscontrare che l'1 e il 6 sono in polarizzazione orizzontale,noi potremmo utilizzare il 3 in polarizzazione verticale

Importante: molti notebook "Centrino" non funzionano sul canale 12 e sul canale 13 (in pratica vannosolo i primi 11) Tenetene conto quando impostate il canale di trasmissione nel vostro Router o AP,altrimenti le imprecazioni si sprecano!

- Portata ottica: le onde radio, a queste frequenze hanno un comportamento molto simile alla luce.Immaginiamo una grossa torcia elettrica. Di notte saremo in grado di vedere la sua luce da distanzeanche notevoli ma qualsiasi ostacolo posto tra noi e la torcia elettrica attenuer o impedir la visione delfascio luminoso. Questo serve a far capire che, se tra le nostre antenne c' un condominio o peggio, un monte, sarestremamente difficile, se non impossibile, stabilire un collegamento. Come per la luce, anche per leonde radio, esistono fenomeni di rifrazione, diffrazione e riflessione che potrebbero in qualche modopermettere un collegamento, magari un po' precario, anche in assenza di visibilit ottica, ma moltodifficile prevederli e usarli a nostro vantaggio. I modelli matematici possono solo dare un'idea della cosa,non aiutano a risolvere il problema.

Volendo realizzare un collegamento a lunga distanza, dobbiamo tener conto della "curvatura terrestre"Per esempio: se le nostre antenne sono collocate ad un'altezza di 5 metri, non riusciremo mai a superare8 chilometri di distanza, mentre se le collocassimo ad un'altezza di 20 metri, potremmo raggiungereanche i 16 chilometri. In pratica, maggiore l'altezza dal suolo delle antenne, maggiore la distanzateorica raggiungibile, sempre a patto che non ci siano ostacoli frapposti.Giusto per riportare un esempio pratico, alcuni radioamatori, dopo aver realizzato una cantenna (can-antenna = antenna a barattolo) usano montarla su un cavalletto fotografico (1 metro dal suolo) e, incampagna o in un campo, fanno le loro prove. In condizioni del genere assolutamente impossibilesuperare i 3,5 chilometri

- Gli esperimenti: proviamo a fare qualche esperimento? Ammettiamo di voler realizzare un link di 15chilometri. Prendiamo i nostri due access point (consiglio D-Link DWL-2100AP, poi spiegher perchproprio questi) e due antenne Yagi da 15 dBi. Come abbiamo visto sopra, dobbiamo innanzitutto piazzarele nostre antenne a 20 metri di elevazione sul livello del mare. In questo dobbiamo tener conto anchedell'altezza del suolo SLM della nostra casa. Io per esempio abito a 5 metri SLM, quindi mi bastano 15metri. La mia casa alta 10 metri + 5 del suolo diventano 15. Prendo un palo lungo 5 metri ed horaggiunto il mio obiettivo: 20 metri. (Lo stesso discorso va fatto dall'altra parte del link). Metto l'antennain cima al palo e l'access point subito sotto (in scatola stagna) Il cavo che collegher l'antenna all'APdovr essere pi corto possibile, per ridurre l'attenuazione. L'AP ha una potenza di 17 dBm, l'antenna 15dBi, il mio cavo attenua 1 dB, quindi: 17 + 15 = 32 - 1 = 31 dBm EIRP L'attenuazione di tratta (losspath) su 15 chilometri, alla frequenza di 2,4 GHz di 123,5 dB (poi spiego come faccio a conoscerel'attenuazione di tratta). Come mi comporto ora? Ho 31 dBm EIRP, a questi sottraggo l'attenuazione ditratta (123,5 dB) ed ottengo - 92,5 dBm di campo alla distanza di 15 chilometri, (attenzione: numero

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negativo) nella direzione di puntamento dell'antenna... che dite, funzioner il link? Il seguito allaprossima puntata

Bene: riprendiamo da dove avevamo interrotto. Il "campo" disponibile a 15 chilometri di distanza di-92,5 dBm ed il campo che "raccoglieremmo" con un'antenna con guadagno unitario. La nostra Yagiinstallata nel punto di ricezione per, ha un guadagno di 15 dBi, quindi, -92,5 + 15 = - 77,5 dBmQuesto il segnale che verr inviato al circuito ricevente del nostro DWL-2100AP. Sar sufficiente? Bene,vediamo un po' cosa dicono le specifiche tecniche del DWL-2100AP alla voce "sensibilit di ricezione"

- 54 Mbps -68 dBm - 48 Mbps -71 dBm - 36 Mbps -75 dBm - 24 Mbps -79 dBm - 18 Mbps -82 dBm - 12 Mbps -84 dBm - 11 Mbps -82 dBm - 9 Mbps -87 dBm - 6 Mbps -88 dBm - 5.5 Mbps -85 dBm - 2 Mbps -86 dBm - 1 Mbps -89 dBm

Per approssimazione, possiamo ritenere in via teorica, che il nostro link dovrebbe funzionare ma ad unavelocit massima di circa 24 Mbps. In pratica e nella realt dei fatti, questo link sar un po' troppo "border line", sia perch le sensibilit diricezione dichiarate dai produttori sono ottimistiche (molto ottimistiche) sia perch dobbiamo tener contodi svariati altri fattori: meteorologici e climatici, interferenze, rumore, invecchiamento, ossidazione,piccoli disallineamenti delle antenne ecc.Ora che ci siamo accorti che il nostro link non un gran che... cosa facciamo? Buttiamo via tutto? Forsenon necessario essere cos drastici. Possiamo, con un trucco, aumentare la potenza dei nostri DWL-2100AP (ecco perch ho consigliato questi modelli)Con alcuni firmware, possibile, tramite il comando telnet "set overridetxpower XX" modificare(aumentare) la potenza del dispositivo. Per esempio "set overridetxpower 24" porterebbe la potenza delnostro AP, dagli attuali 17 dBm a 24 dBm... Il link budget in ricezione porterebbe ad un incremento diben 7 dBm (dagli attuali - 77,5 dBm a - 70,5 dBm) e... scusate se poco.

In ogni caso, meglio pianificare con attenzione il nostro "link budget" prima di iniziare, questo perparecchie ragioni: innanzitutto meglio pervenire ad un aumento della potenza EIRP usando antenne amaggior guadagno (per es. 24 dBi anzich i 15 dBi del precedente esempio) per evitare di "pompare"troppo il DWL-2100AP (che ricordo, potrebbe essere "tirato" anche fino a 30 dBm). Questo perch unDWL-2100 troppo "pompato" potrebbe trasmettere molte spurie e interferenze, disturbando altre reti. Leantenne ad elevato guadagno, inoltre, come abbiamo visto, sono pi direttive e questo riduce lapossibilit di essere intercettati da altri e in pi proteggono meglio da interferenze provenienti da altredirezioni, per es. laterali o posteriori rispetto al puntamento della nostra antenna.Mi sembra che i calcoli che ho fatto si accordino con i valori deducibili da >QUESTA< tabella di calcoloPrego di verificare e segnalare eventuali discrepanze

- Dettagli pratici: spesso, nella realizzazione di un ponte radio wireless, si presentano alcuni piccoliproblemi di carattere pratico. Cerchiamo di risolvere i pi comuni. Abbiamo visto che, il cavo dicollegamento tra access point ed antenna, deve essere pi corto possibile. In commercio ne esistono,con connettori gi montati, di varie lunghezze. Sono chiamati in gergo "pigtail" Scartiamo subito (possibilmente) quelli lunghi 5 metri, attenuano troppo, usiamo quelli da 3 metri solo incaso di necessit e preferiamo quelli da 50/100 centimetri. I connettori dei pigtail: sul lato di collegamento all'access point non ci sono problemi, oggi sono usatipressoch universalmente gli SMA reverse (o RP SMA) mentre sul lato antenna, sono molto diffusi iconnettori di tipo "N" ma conviene verificare preventivamente l'antenna. Non consigliabile autocostruire i pigtail, non facile, conviene cercarli bell'e pronti.

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In questa foto si pu vedere un pigtail lungo 50 centimetri con SMA reverse da un lato e "N" maschiodall'altro. E' adattissimo per i nostri scopi

Qui sorge un altro problema. L'utilizzo di cavi d'antenna cos corti, impone il montaggio dell'access pointall'aperto, sul palo delle antenne. Naturalmente dovr essere inserito in una scatola di derivazione perimpianti elettrici sufficientemente grande e che sia perfettamente stagna. Servirebbe anche realizzare un"camino" con un tubetto di plastica ricurvo nella parte superiore della scatola che permetta lacircolazione dell'aria per smaltire il calore. Sarebbe utile praticare anche un foro da 2/3 centimetri didiametro nella parte inferiore della scatola. Il foro e il tubo, vanno coperti con una reticella a maglia fineper evitare l'ingresso di insetti.

All'access point montato sul palo, occorer far arrivare direttamente il cavo di rete proveniente dal PC odal router. Per inviare i segnali necessari all'access point, (TX + RX - TX + TX -) sono utilizzati solo 4degli 8 fili presenti all'interno del cavo LAN.Dato che non sempre la linea dei 220 volt presente sul tetto di un'abitazione, i 4 fili in pi (coppia blu ecoppia marrone) possono essere vantaggiosamente impiegati per inviare l'alimentazione elettrica (bassatensione in corrente continua) all'AP. Questa tecnica si chiama PoE (Power over Ethernet)

Nota importante sulla tecnologia "POE" (Power Over Ethernet): Questo articolo statoscritto alcuni anni fa'... nel frattempo stata normalizzata la tecnologia 802.3af, perconsentire l'alimentazione dei dispositivi radio tramite cavetto di rete.