Особенности распространения WIFI-сигнала над водной поверхностью
Я занимаюсь разработкой беспроводных эхолотов в «Практик НЦ». Один из нетипичных, но интересных вопросов, который мы слышали: почему на открытом водоеме, где нет стен и перекрытий, Wi-Fi все равно в какой-то момент начинает терять связь?
На первый взгляд сигналу ничего не мешает: дальность связи в несколько раз больше, чем в квартире, где есть бетон, мебель, соседские сети и другие помехи. На озере между передатчиком и смартфоном почти ничего нет. Но, с другой стороны, расстояния гораздо больше, поверхность воды меняет условия распространения радиоволн, а антенна эхолота находится почти у самой границы воды и воздуха.
Сигнал слабеет уже из-за большого расстояния. В открытом пространстве ослабление пропорционально квадрату расстояния: при увеличении расстояния в два раза сигнал становится слабее в четыре раза. На воде при увеличении дистанции со 100 до 300 метров расчетные потери в свободном пространстве вырастают примерно на 9,5 дБ по мощности. Для компактного радиомодуля разница значительная.
Над водоемом к прямому сигналу добавляется отраженный. Часть радиоволны идет к приемнику по воздуху, часть отражается от поверхности и приходит чуть позже. В зависимости от расстояния и положения антенн два сигнала могут усиливать или ослаблять друг друга, возникает «интерференционная картина».
Поэтому на больших расстояниях уровень сигнала может быть очень неравномерным. Устройство нормально работает на одной дистанции, после небольшого перемещения уровень приема резко падает, а дальше сигнал может снова стать сильнее.
Во время измерений Wi-Fi 2,4 ГГц над пресным водоемом исследователи получили похожую картину. Результаты в целом совпали с двухлучевой моделью, которая учитывает прямую и отраженную радиоволны. Если обе антенны подняты высоко, дальнейшее увеличение высоты не всегда улучшает прием: при определенной геометрии отраженный сигнал приходит в противофазе и ослабляет прямой. Когда одна из антенн находится на минимальной высоте, как в случае с плавающим эхолотом, увеличение высоты приемной антенны расширяет зону уверенного приема и переносит интерференционную картину на большую дистанцию.
На связь влияет и зона Френеля. Радиолиния занимает не тонкую прямую между устройствами, а объемную область. Вода, берег, сам рыбак, борт лодки и другие объекты внутри нее могут менять уровень сигнала. У плавающего эхолота эта область проходит почти вплотную к поверхности, поэтому огромное влияние оказывает даже небольшая волна. Она меняет высоту и угол наклона антенны, а иногда ненадолго накрывает верхнюю часть корпуса. Поэтому на спокойной воде и при равномерном движении связь гораздо стабильнее, чем при рывках, наклонах и даже частичном дополнительном погружении корпуса.
Не меньше качество связи зависит от смартфона. Его антенна спрятана внутри тонкого корпуса рядом с экраном, аккумулятором и другими компонентами. Из-за небольших габаритов и плотной компоновки ее характеристики существенно уступают более крупным внешним антеннам, а диаграмма направленности неоднородна. Иногда достаточно повернуть телефон, взять его другой рукой или немного приподнять над водой, чтобы качество приема значительно улучшилось.
На небольшом расстоянии это почти незаметно благодаря большому запасу мощности. На границе устойчивой связи положение телефона уже может решить, останется ли соединение стабильным или начнет прерываться. Поэтому универсальная рекомендация держать смартфон выше, не делать резких движений и не закрывать его корпус руками имеет понятную физическую причину.
Короткая просадка сигнала не обязательно заканчивается обрывом. В беспроводных эхолотах, которые мы разрабатываем, потерянные пакеты отправляются повторно. При ухудшении связи система может на время снизить детализацию изображения, чтобы уменьшить объем передаваемых данных. Картинка станет менее подробной, но пользователь продолжит получать информацию.
Нагрузка на радиоканал зависит от глубины и выбранного режима. При работе на глубине более 50 метров и с приоритетом дальности частота обновления может снижаться примерно до 6 кадров в секунду. При наблюдении за приманкой рядом с датчиком она доходит до 15 кадров в секунду. Чем чаще обновляется изображение и чем выше его разрешение, тем больше данных приходится передавать по тому же соединению.
Отдельная проблема связана с диапазоном 2,4 ГГц. В нем работают домашние роутеры, камеры, прикормочные кораблики, другие эхолоты и мобильная техника. На удаленном озере эфир может быть почти пустым. На городской набережной или популярном месте рыбалки несколько сетей начинают мешать друг другу.
Одного значения RSSI, то есть силы принимаемого сигнала, недостаточно, чтобы понять причину проблемы. Сигнал может оставаться сильным, но пакеты будут теряться из-за помех. Бывает и наоборот: эфир свободен, однако RSSI низкий из-за расстояния или положения антенн. В приложении «Мой Практик» оба показателя отображаются независимо. Пользователь отдельно видит силу сигнала и качество соединения, рассчитанное по доле успешно принятых пакетов. Это помогает отличить слабый прием от перегруженного канала.
Помимо эхолотов, наша компания разрабатывает внешние WIFI-антенны со встроенным радиомодулем для увеличения радиуса уверенного приема данных от эхолота. Такой радиомодуль подключается к мобильному телефону и работает вместо встроенного WIFI. За счет высокоэффективной направленной антенны удается существенно улучшить связь без увеличения энергопотребления.
Внутренние измерения «Практик НЦ» подтверждают, что дальность связи сильно зависит от высоты и типа приемной антенны. При работе с мобильным телефоном, расположенным на уровне груди, дальность устойчивой связи с эхолотом достигает 100 метров. При использовании фирменной внешней направленной антенны на высоте 2−2,5 метра устойчивая связь с тем же эхолотом достигала 300 метров. Для устойчивой связи на дистанции 500 метров антенну пришлось поднять на высоту 15 метров над водой на высоком берегу. Все тесты проходили на спокойной воде при полном отсутствии волнения.
Пятьсот метров здесь не стоит воспринимать как обычную рабочую дальность. Скорее это наглядный пример того, как одна и та же радиосистема ведет себя при разных высотах, рельефе и состоянии воды.
Таким образом, мощность передатчика остается только одной из частей уравнения. Иногда небольшой волны достаточно, чтобы канал связи, который только что казался устойчивым, начал терять пакеты.
А иногда больший вклад в результат дает поднятый выше приемник, свободный канал и правильное положение смартфона или внешней антенны.