Omnidirectionele antenne vergeleken met directionele antenne

Inleiding

In dit document worden basisdefinities voor antennes gegeven en wordt aandacht besteed aan de voors en tegens van omnidirectionele en directionele antennes.

Voorwaarden

Vereisten

Er zijn geen specifieke vereisten van toepassing op dit document.

Gebruikte componenten

Dit document is niet beperkt tot specifieke software- en hardware-versies.

Conventies

Raadpleeg Cisco Technical Tips Conventions (Conventies voor technische tips van Cisco) voor meer informatie over documentconventies.

Basisdefinities en antenneconcepten

Een antenne biedt het wireless systeem drie belangrijke eigenschappen: versterking, richting en polarisatie. Versterking is een maatstaf voor toename van vermogen. Versterking is de mate van extra vermogen die een antenne toevoegt aan een RF-signaal (radiofrequentie). Richting is de vorm van het zendpatroon. Naarmate de versterking van een directionele antenne toeneemt, wordt de uitstralingshoek doorgaans kleiner. Dit biedt een grotere dekkingsafstand, maar met een verminderde dekkingshoek. Het dekkingsgebied of het uitstralingspatroon wordt in graden gemeten. Deze hoeken worden in graden gemeten en worden bundelbreedten genoemd.

Een antenne is een passief apparaat dat geen extra vermogen aan het signaal geeft. Een antenne leidt het vermogen die het ontvangt van de zender om. Deze omleiding zorgt voor meer vermogen in één richting en minder vermogen in alle andere richtingen.

Bundelbreedten worden gedefinieerd in zowel horizontale als verticale vlakken. Bundelbreedte is de hoekscheiding tussen de halve vermogenspunten (3dB-punten) in het uitstralingspatroon van de antenne in een vlak. Daarom is er bij een antenne sprake van horizontale en verticale bundelbreedte.

Afbeelding 1: bundelbreedte van antenne

Antennes worden beoordeeld in vergelijking met isotrope of dipoolantennes. Een isotrope antenne is een theoretische antenne met een uniform driedimensionaal uitstralingspatroon (vergelijkbaar met een gloeilamp zonder reflector). Met andere woorden: een theoretische isotrope antenne heeft een perfecte verticale en horizontale bundelbreedte van 360 graden of een bolvormig uitstralingspatroon. Het is een ideale antenne die in alle richtingen uitstraalt en een versterking van 1 (0 dB) heeft, d.w.z. geen versterking en geen verlies. Het wordt gebruikt om het vermogensniveau van een bepaalde antenne te vergelijken met die van de theoretische isotrope antenne.

Afbeelding 2: uitstralingspatroon van een isotrope antenne

Antennes kunnen breed worden geclassificeerd als omnidirectionele en directionele antennes, afhankelijk van de richtinggevoeligheid.

In tegenstelling tot isotrope antennes zijn dipoolantennes echte antennes. Het uitstralingspatroon van een dipoolantenne is 360 graden in het horizontale vlak en ongeveer 75 graden in het verticale vlak (als de dipoolantenne verticaal staat) en is donutvormig. Omdat de bundel iets geconcentreerd is, hebben dipoolantennes een hogere versterking dan isotrope antennes: 2,14 dB in het horizontale vlak. In vergelijking met een isotrope antenne hebben dipoolantennes een versterking van 2,14 dBi. Hoe hoger de versterking van de antenne, hoe kleiner de verticale bundelbreedte.

Het uitstralingspatroon van een isotrope antenne is ballonvormig en strekt zich vanaf de antenne in alle richtingen in gelijke mate uit. Stel dat u op de boven- en onderkant van de ballon drukt. De ballon zal uitdijen in buitenwaartse richting en meer gebied in het horizontale patroon bedekken, maar het dekkingsgebied boven en onder de antenne neemt af. Dit levert een grotere versterking op, aangezien de antenne zich lijkt uit te breiden naar een groter dekkingsgebied.

Afbeelding 3: uitstralingspatroon van een omnidirectionele antenne

Omnidirectionele antennes hebben een vergelijkbaar uitstralingspatroon. Deze antennes hebben een horizontaal uitstralingspatroon van 360 graden. Deze worden gebruikt wanneer dekking in alle richtingen (horizontaal) vanaf de antenne nodig is, met variërende niveaus van verticale dekking. Polarisatie is de fysische oriëntatie van het element op de antenne dat het RF-vermogen uitzendt. Een omnidirectionele antenne is doorgaans een verticaal gepolariseerde antenne.

Afbeelding 4: antennepolarisatie

Directionele antennes richten het RF-vermogen in een bepaalde richting. Naarmate de versterking van een directionele antenne toeneemt, neemt de dekkingsafstand toe, maar neemt de effectieve dekkingshoek af. Bij directionele antennes worden de lobben in een bepaalde richting geduwd en is er sprake van weinig vermogen aan de achterzijde van de antenne.

Afbeelding 5: uitstralingspatroon van een directionele antenne

Een ander belangrijk aspect van de antenne is de voor-achterverhouding. Deze meet de richtinggevoeligheid van de antenne. Het betreft de verhouding van het vermogen dat de antenne in een bepaalde richting richt, afhankelijk van het uitstralingspatroon, met het vermogen dat achter de antenne blijft of wordt verspild. Hoe hoger de versterking van de antenne, hoe hoger de voor-achterverhouding. Een goede voor-achterverhouding is 20 dB.

Afbeelding 6: typisch uitstralingspatroon van een directionele antenne met gekalibreerde lobben

Een antenne kan een versterking van 21 dBi, een voor-achterverhouding van 20 dB of een voor-zijverhouding van 15 dB hebben. Dit betekent dat de versterking in de achterwaartse richting 1 dBi is en de versterking naar de zijkant 6 dBi. Om de algehele prestaties van een wireless LAN te optimaliseren, is het belangrijk te begrijpen hoe u de radiodekking kunt maximaliseren met de juiste antenneselectie en -plaatsing.

Effecten bij gebruik in binnenomgevingen

Wireless verspreiding kan in een bepaalde omgeving tot stand worden gebracht via reflectie, refractie of diffractie. Diffractie is het buigen van golven rond de hoeken. RF-golven kunnen ‘multipaths’ nemen tussen de zender en de ontvanger. Een multipath is een combinatie van een primair signaal en een gereflecteerd, gerefracteerd of gediffracteerd signaal. Aan de ontvangerzijde kunnen de gereflecteerde signalen in combinatie met het directe signaal het signaal verstoren of de amplitude van het signaal verhogen, afhankelijk van de fasen van deze signalen. Omdat de afstand die door het directe signaal wordt afgelegd korter is dan het teruggekaatste signaal, zorgt het tijdverschil ervoor dat twee signalen worden ontvangen.

Deze signalen overlappen elkaar en worden gecombineerd in één signaal. De tijd tussen het eerste ontvangen signaal en het laatste echosignaal wordt de ‘delay spread’ (vertragingsspreiding) genoemd. Delay spread is de parameter die wordt gebruikt om multipath aan te geven. De vertraging van de gereflecteerde signalen wordt gemeten in nanoseconden. De mate van delay spread is afhankelijk van het aantal obstakels of infrastructuren die tussen de zender en de ontvanger aanwezig zijn. Delay spread heeft een hogere waarde op de productievloer als gevolg van de aanwezigheid van veel metaalstructuren in vergelijking met de thuisomgeving. Over het algemeen beperkt multipath de datasnelheden of verlaagt de prestaties.

Afbeelding 7: de effecten van multipath op de binnenomgeving

RF-verspreiding in een binnenomgeving is niet hetzelfde als in een buitenomgeving. Dit is het gevolg van de aanwezigheid van vaste obstakels, plafonds en vloeren die bijdragen aan verzwakking en multipath-signaalverliezen. Daarom is multipath of delay spread meer van toepassing op de binnenomgeving. Als de delay spread hoger is, is de interferentie hoger en dat zal leiden tot lagere throughput bij een bepaalde datasnelheid.

De binnenomgeving kan ook worden geclassificeerd als ‘near line-of-sight’ (near LOS) en ‘non line-of-sight’ (non LOS). In near-LOS omgevingen, waar u access points (AP’s) kunt zien, zoals in gangen, is multipath doorgaans beperkt en kan eenvoudig worden aangepakt. De amplitudes van de echosignalen zijn veel kleiner dan die van de primaire. In non LOS-omstandigheden kunnen de echosignalen echter hogere vermogensniveaus hebben omdat het primaire signaal gedeeltelijk of volledig kan worden geblokkeerd en er doorgaans meer multipath aanwezig is.

Multipath is een semi-vaste gebeurtenis. Andere factoren, zoals bewegende objecten, kunnen echter een rol spelen. De specifieke multipath-toestand verandert per meetperiode. Dit wordt tijdvariantie genoemd.

Multipath-interferentie kan ervoor zorgen dat het RF-vermogen van een antenne zeer hoog is, maar de data niet kan worden hersteld. U moet de analyse niet beperken tot alleen het vermogensniveau. Een laag RF-signaal duidt niet op slechte communicatie, maar lage signaalkwaliteit doet dat wel. U moet de signaalkwaliteit en het Rx-niveau (Rx = ontvangstzijde) naast elkaar analyseren. Een hoog Rx-niveau en lage signaalkwaliteit duidt op veel interferentie. In een dergelijk scenario moet u het kanaalfrequentieplan opnieuw analyseren. Een laag Rx-niveau en lage signaalkwaliteit duidt op veel blokkering.

De golfverspreiding in binnenomgevingen wordt ook beïnvloed door het bouwmateriaal. De dichtheid van het materiaal dat wordt gebruikt bij de constructie van een gebouw bepaalt het aantal muren waar het RF-signaal doorheen kan met behoud van adequate dekking. Muren van papier of vinyl hebben weinig effect op de signaalpenetratie. Vaste muren, vaste vloeren en voorgegoten betonnen muren kunnen de signaalpenetratie beperken tot een of twee muren zonder afnemende dekking. Dit kan breed variëren, afhankelijk van een stalen versterking in het beton. Muren van beton en betonblokken kunnen de signaalpenetratie beperken tot drie of vier muren. Muren van hout of gipsplaat zorgen doorgaans voor adequate signaalpenetratie door vijf of zes wanden. Een dikke metalen muur zorgt ervoor dat signalen terugkaatsen, wat leidt tot slechte signaalpenetratie. Vloeren van met staal gewapend beton beperken de dekking tussen verdiepingen tot wellicht een of twee verdiepingen.

Hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte. Kortere golflengten hebben een grotere kans om geabsorbeerd en vervormd te worden door bouwmateriaal. Daarom is 802.11a, actief in een hogere frequentieband, gevoeliger voor het effect van bouwmateriaal.

Het daadwerkelijke effect op de RF moet op locatie worden getest. Daarom is locatieonderzoek noodzakelijk. U moet locatieonderzoek doen om het signaalniveau te bepalen dat u ontvangt aan de andere kant van de muren. Een verandering in het type antenne en de locatie van de antenne kan een einde maken aan multipath-interferentie.

Voor- en nadelen van een omnidirectionele antenne

Omnidirectionele antennes zijn zeer eenvoudig te installeren. Door het horizontale patroon van 360 graden kunnen deze zelfs ondersteboven worden gemonteerd aan het plafond in een binnenomgeving. Bovendien kunnen deze antennes door de vorm ervan aan producten worden bevestigd. Rubber Duck-antennes kunnen bijvoorbeeld worden bevestigd aan wireless AP’s. Voor omnidirectionele versterking van een isotrope antenne kunnen energiemaxima of lobben vanaf de boven- en onderzijde worden ingeduwd om een donutvormig patroon te realiseren. Als u de uiteinden van de ballon (het patroon van isotrope antenne) blijft duwen, leidt dat tot een ‘pannenkoekeffect’ met zeer kleine bundel in de verticale richting maar grote horizontale dekking. Dit type antenneontwerp biedt zeer lange communicatie-afstanden, maar heeft één nadeel: slechte dekking onder de antenne.

Afbeelding 8: omnidirectionele antenne zonder dekking onder de antenne

Als u probeert een gebied vanaf een hoog punt te bedekken, ontstaat er een groot ‘gat’ onder de antenne zonder dekking.

Dit probleem kan deels worden opgelost in het ontwerp een omlaagkanteling of downtilt toe te passen. De bundelbreedten zullen hierdoor meer dekking bieden onder de antenne dan boven de antenne. Dit is niet mogelijk bij een omnidirectionele antenne als gevolg van de aard van het uitstralingspatroon.

Een omnidirectionele antenne is doorgaans een verticaal gepolariseerde antenne en interferentie kan niet worden beperkt via kruispolarisatie.

Kruispolarisatie met lage versterking zorgt voor perfecte dekking in een binnenomgeving. Er is sprake van een groter dekkingsgebied bij een AP of een wireless apparaat om de kans op het ontvangen van het signaal in een multipath-omgeving te vergroten.

Opmerking: Naast de Cisco Aironet-antennes, die voor grotere implementaties zijn bedoeld, zijn HGA9N en HGA7S omnidirectionele antennes met hoge versterking die door Cisco worden ondersteund voor kleine kantooromgevingen.

Voor- en nadelen van een directionele antenne

Bij een directionele antenne kunt u het RF-vermogen omleiden naar een bepaalde richting om de afstand te vergroten. Er kunnen dan lange bereiken worden bestreken, maar de effectieve bundelbreedte neemt af. Dit type antenne is nuttig bij near LOS-dekking, zoals (lange) gangen, eilandstructuren met ruimten ertussen, enzovoort. Aangezien de hoekdekking echter minder is, kunt u geen grote gebieden bestrijken. Dit is een nadeel bij dekking in een binnenomgeving omdat u een breder hoekgebied rond het AP wilt bestrijken.

Antennereeksen moeten worden gericht in de richting waar dekking gewenst is, en montage kan soms een uitdaging zijn.

Interferentie

Aangezien 802.11-apparaten werken in de niet-gelicentieerde banden zijn deze voor iedereen beschikbaar. WLAN-interferentie is afkomstig van andere vergelijkbare apparaten en andere bronnen, zoals magnetrons, draadloze telefoons, radarsignalen van een nabijgelegen luchthaven, enzovoort. Er is ook sprake van interferentie van andere technologieën die dezelfde band gebruiken, zoals Bluetooth- of security apparaten. In de 2,4-GHz band zonder licentie zijn er beperkte kanalen om interferentie te voorkomen: er zijn slechts drie niet-overlappende kanalen beschikbaar.

Interferentie en multipath zorgen ervoor dat het ontvangstsignaal op een bepaalde frequentie fluctueert. Deze signaalvariantie wordt ‘fading’ (signaalsterkeschommeling) genoemd. Fading is ook frequentieselectief omdat de verzwakking varieert per frequentie. Een kanaal kan worden geclassificeerd als ‘fast fading’ (snelle schommeling van signaalsterkte) of ‘slow fading’ (langzame schommeling van signaalsterkte). Dit is afhankelijk van hoe snel het verzonden basisbandsignaal verandert. Een mobiele ontvanger in een binnenomgeving kan snelle signaalschommelingen ontvangen die worden veroorzaakt door toevoegingen en annuleringen van de directe signalen bij intervallen van een halve golflengte.

Interferentie verhoogt de vereiste van een signaal/ruisverhouding (SNR) voor een bepaalde datasnelheid. Het aantal nieuwe pogingen van pakketten neemt toe in een gebied waar interferentie of multipath zeer hoog is. Een verandering in het type antenne en de locatie van de antenne kan een einde maken aan multipath-interferentie. Antenneversterking draagt bij aan de systeemversterking en verbetert de vereisten van signaal en interferentie/ruisverhouding (SINR) zoals hier wordt getoond:

Afbeelding 9: ruisvloer en signaal en interferentie/ruisverhouding

Hoewel directionele antennes het vermogen in een bepaalde richting concentreren waardoor problemen met fading en multipath worden weggenomen, vermindert multipath zelf de focuskracht van een directionele antenne. De hoeveelheid multipath die door een gebruiker op lange afstand van het AP wordt waargenomen kan veel meer zijn.

Directionele antennes die in binnenomgevingen worden gebruikt, hebben doorgaans een lagere versterking en daarom een lagere voor-achterverhouding en voor-zijverhouding. Dit resulteert in minder vermogen om de interferentiesignalen die worden ontvangen vanuit richtingen buiten het primaire lobgebied af te wijzen of te verminderen.

Conclusie

Directionele antennes kunnen voor bepaalde toepassingen in binnenomgevingen van grote waarde zijn, maar de meeste installaties in binnenomgevingen gebruiken omnidirectionele antennes (om de in dit document genoemde redenen). De keuze van een antenne, directioneel of omnidirectioneel, moet worden bepaald via een correct en gepast locatieonderzoek.

Gerelateerde informatie

• Cisco Aironet Antennas and Accessories Reference Guide (Referentiehandleiding Cisco Aironet-antennes en -accessoires)
• Antenna Cabling (Antennekabels)
• WLAN Radio Coverage Area Extension Methods (Methoden voor uitbreiding van WLAN-radiodekkingsgebied)
• Wireless Site Survey FAQ (Veelgestelde vragen over wireless locatieonderzoek)
• Connectiviteitsproblemen in een wireless LAN-netwerk troubleshooten
• Multipath and Diversity (Multipath en diversiteit)
• Outdoor Bridge Range Calculation Utility (Hulpprogramma voor berekening van bereik van bruggen in buitenomgevingen)
• Troubleshooting Problems Affecting Radio Frequency Communication (Problemen met radiofrequentiecommunicatie troubleshooten)
• Technische ondersteuning en documentatie – Cisco Systems