Jedna z nejčastějších věcí, okolo kterých se točí "odborné" debaty o Wi-Fi, je "jak daleko to dostřelí", případně "na jakou vzdálenost to lapnu". Zároveň je kolem Wi-Fi velmi málo otázek, ve kterých by panovala taková "nejednotnost výkladu" a takové množství "lidových pověstí", jako je právě otázka tato.

Dosah jakéhokoliv rádiového spojení je založen v podstatě na jediné věci: úroveň signálu, který vyjde z výstupu vysílače, může po cestě poklesnout jen natolik, aby byla na vstupu přijímače vyšší, než je jeho citlivost (tedy schopnost ho ještě zpracovat). Úroveň signálu nemusí po cestě jen klesat, např. zisk antén je "do plusu". Ale důležitý je celkový výsledek.
Ve Wi-Fi jsme navíc omezeni ještě něčím: úroveň vysílaného signálu na výstupu z antény nesmí přesáhnout určitou maximální hodnotu. Ta je stanovena Českým telekomunikačním úřadem (ČTÚ) v tzv. Generální licenci č. GL-12/R/2000, naposledy doplněné v letošním roce (2003). Plné texty jsou ke stažení (ve formátu PDF) na stránce ČTÚ (zde). Pro úplnost připomínám, že naprostá většina Wi-Fi zařízení jsou "systémy s rozprostřeným spektrem využívající techniku přímé sekvence" (DSSS). Generální licence užívá poměrně složité pojmy, ale pro další výpočty stačí vyjít z toho, že by neměla být překročena hodnota +17dBm.
Toto číslo (+17dBm), lišící se od "oblíbených" +20dBm, vychází ze spektrální hustoty většiny Wi-Fi zařízení. Vysílání Wi-Fi totiž neprobíhá na jediné frekvenci, ale vysílaný výkon je vždy "rozprostřen" v určitém úzkém rozsahu frekvencí (kanále). No a výše zmíněná Generální licence udává dvě omezení výkonu - jednak výkon celkový, jednak výkon připadající na část vysílacího kanálu, širokou 1MHz (tzv. spektrální hustotu). Podmínka spektrální hustoty vychází (u většiny používaných Wi-Fi zařízení) přísnější (+17dBm) než podmínka maximálního celkového výkonu (+20dBm). Musíme tedy brát jako "legální maximum" těch 17.
Ta "jednotka" dBm je vztažena k výkonu 1 miliwatt (o decibelech viz dále).

Aby se úrovně, zisky a útlumy snadno počítaly, počítají se v decibelech (dB). Příslušnou matematiku k nim lze nalézt poměrně snadno, a tady na WWW stránkách se obtížně píšou vzorce. Takže se zde spokojme s faktem, že je to bezrozměrná jednotka (podobně jako procento), která umožňuje namísto "změna na X procent původní hodnoty" (tedy násobení) používat "změna o Y dB" (tedy sčítání). Kladná hodnota v dB znamená "poměr větší než jedna", záporná hodnota v dB znamená "poměr menší než jedna" (no ano, _má_ to co do činění s logaritmy).
Při vyjadřování úbytku (útlumu) nebo přírůstku (zisku), "nula dB útlum" znamená "žádný útlum", také "nula dB zisk" znamená "žádný zisk", tedy "poměr=1". Tj. v obou případech je na výstupu stejná úroveň, jako na vstupu.
Vyjadřujeme-li v dB i absolutní úroveň (sílu) signálu, pak jsou to vždy dB vztažené k nějaké (dohodnuté, standardní) hodnotě. Tedy "nula dB signálu" neznamená "žádný signál", ale naopak "přesně ta vztažná úroveň signálu". A úroveň signálu, vyjádřená v dB, může být i záporná (je-li signál menší, než ta vztažná hodnota). Vše lze lépe pochopit, když si uvědomíme, že dB vždy určitým způsobem vyjadřuje _poměr_. Jak bylo uvedeno výše, pro nás je vztažnou jednotkou 1 miliwatt výkonu (0 dBm)
Zrovna tak "zisk antény" (v dB) je vyjádřením "poměru", jinak by to bylo perpetuum mobile :-), protože žádná "dodatečná energie" do antény přiváděna není, aby se tam signál nějak "množil" :-). Anténa, která má (kladný) zisk, je vždy anténa nějakým způsobem "směrová", tj. "nahrnuje" svoji vysílací/přijímací schopnost jen do určitého směru, zatímco jiný směr se stává "hluchým". Zisk antény je pak vyjádřením poměru, kolikrát je ten "nejlepší směr" antény "zvýhodněn" oproti situaci, kdy by se anténa chovala ve všech směrech stejně (tj. její tzv. vyzařovací diagram, tedy "oblast pokrytí", by byl ideální koule). Pozor, i tzv. "všesměrová anténa" má zisk. Což ovšem znamená, že je "všesměrová" jen v jedné rovině, a tedy že její vyzařovací diagram je "placka" (více nebo méně "placatější"), nejčastěji umístěná vodorovně (svislé "placky" by asi u pozemních antén neměly smysl, že). To pak ale také znamená, že "všesměrová" anténa příliš nefunguje ani "nad sebe" (kde to ani tak moc nepotřebujeme), ani "pod sebe" (kde už by nám to někdy chybět mohlo).

Koaxiální kabel má vždy pouze útlum, tj. k výpočtům nám přispívá "zápornými dB". Útlum kabelu je přímo úměrný jeho délce, takže si ho klidně můžeme pro každý typ kabelu vyjádřit "tabulkově" v dB/m a tuto tabulkovou hodnotu pak v každém jednotlivém konkrétním případě vynásobit délkou kabelu (výslednou hodnotu pak použít do "celkového výpočtu").
Jednotlivé používané typy kabelu jsou na tom v kmitočtovém pásmu 2,4GHz s tím "měrným útlumem" takto:
RLA-10 : 0,22 dB/m
H1000 : 0,22 dB/m
RG-213 : 0,37 dB/m
H155 : 0,5 dB/m
RG-58 : 0,79 dB/m
Kabely jsou zde seřazeny "od nejlepšího k nejhoršímu", což je (bohužel) také "od nejdražšího k nejlevnějšímu". Při malé délce (tak do 4m) je celkem jedno, jaký typ se použije. Ale jsme-li na tom špatně se signálem (daleko od protějšího bodu apod.) a ještě musíme mít dlouhý kabel, pak se nevyplácí na kabelu šetřit. Jeho útlum by se totiž mohl vyrovnat jen anténou s vyšším ziskem - a ty jsou podstatně dražší, než kvalitní kabel. Jen tak pro orientaci: RLA-10 stojí cca 40-50 Kč/m, RG-58 cca 10,- Kč/m.
Pozor na jednu věc: každý kabel má udávaný tzv. "minimální poloměr ohybu", a v "ostřejším oblouku" se ohýbat nesmí (pro RLA-10 je to cca 8cm). Pokud se tato zásada nedodrží, pak útlum kabelu v takovém místě prudce vzroste. Takový kabel pak může vypadat i jako neprůchodný, přitom oblíbenou metodou "žárovková zkoušečka" nezjistíte žádný problém.
Naprosto stejně (prudký vzrůst útlumu) to dopadne, když se do kabelu (nebo do konektoru) dostane i maličká kapka vody (kterou taky "žárovkou" nenaměříte).

Útlum trasy (tedy kolik se ztratí signálu při přenosu vzduchem na určitou vzdálenost), lze také teoreticky vypočítat. V praxi bude útlum souhlasit s teorií (nebo se k ní aspoň blížit) v případě, že mezi oběma konci trasy (anténami) je přímá optická viditelnost (vůbec žádné překážky), a to nejen "v přímce", ale musí být volná (bez překážek) i tzv. "Fresnelova zóna" (viz můj samostatný pokec zde).
Pro některé typické vzdálenosti pak útlum trasy vychází ve "Wi-Fi" pásmu 2,4GHz takto:
50 m : - 74 dB
100 m : - 80 dB
200 m : - 86 dB
300 m : - 90 dB
400 m : - 92 dB
500 m : - 94 dB
600 m : - 96 dB
1000 m : - 100 dB
1500 m : - 103 dB
2000 m : - 106 dB
3000 m : - 109 dB
4000 m : - 112 dB
5000 m : - 114 dB
Je nutno říct, že v praxi to bude většinou _horší_ (větší útlum) než tyto hodnoty, v nejlepším případě stejné. Nikdy to nebude lepší!

Přijímací citlivost Wi-Fi zařízení se u jednotlivých typů liší, ale jedno mají společné: záleží také na rychlosti toku dat, kterou od toho spoje očekáváte. Klesne-li úroveň signálu na vstupu přijímače pod určitou hodnotu, nedá se již dosáhnout maximální rychlosti přenosu (např. 11Mbit/s), ale jen rychlostí nižších. Při určité ještě nižší úrovni přijímaného signálu pak už neprojde vůbec nic.
Citlivosti (minimální potřebné úrovně signálu) pro jednotlivé přenosové rychlosti jsou udávány v technických údajích výrobce u každého typuWi-Fi zařízení (no, u těch solidnějších výrobců ano). Jednotky (dBm), ve kterých se citlivost většinou udává, jsou vztaženy právě k výkonu (1mW), aby bylo možno snadno provádět celkový výpočet trasy (viz dále).
Např. často používaná karta ZCOMAX XI-626:
-85 dBm (11 Mbit/s)
-88 dBm (5,5 Mbit/s)
-89 dBm (2 Mbit/s)
-92 dBm (1 Mbit/s)
AirWave P24-PCI (AlphaWave) je na tom jen asi o 1 dB hůř.

Je tedy možno si provést určitý teoretický "výpočet trasy", a to s vědomím, že je to "ideální stav" a že v praxi může být jedině hůř :-). Zisky zadáváme kladné (přičítáme), útlumy zadáváme záporné (odečítáme). Celá cesta pak vypadá takto:

výstupní výkon vysílače (nutno regulovat kvůli limitu ČTÚ)
- útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 dB)
- útlum bleskojistky (1-3 dB)
- útlum dvou konektorů (cca 2 dB)
- útlum kabelu na vysílací straně ("měrný útlum" krát metry)
+ zisk vysílací antény
____________________
mezivýsledek = vysílaný výkon, nesmí být větší než +17dBm (limit ČTÚ)!
- útlum trasy
+ zisk přijímací antény
- útlum kabelu na přijímací straně ("měrný útlum" krát metry)
- útlum dvou konektorů (cca 2 dB)
- útlum bleskojistky (1-3 dB)
- útlum pigtailu (redukce SMA/N, typicky 2 dB)
____________________
výsledek ... nesmí být horší (více záporných dB) než citlivost

Jeden konkrétní příklad, zároveň "typický" i "mezní":
14 dBm výstupní výkon (snížený)
- 2 dB pigtail
- 2 dB bleskojistka
- 2 dB konektory
- 1 dB kabel RLA-10, 5 metrů
+ 10 dB všesměrová anténa
____________________
mezivýsledek +17 dBm, maximum limitu ČTÚ
- 103 dB trasa 1500 m
+ 11 dB anténa "ideální přesná plechovka"
- 2 dB kabel H155, 4 metry
- 2 dB konektory
- 2 dB bleskojistka
- 2 dB pigtail
____________________
výsledek -83 dBm ... "tak akorát těsně pro 11 Mbit/s"

Povšimněme si, že díky existenci limitu ČTÚ se nám trasa rozděluje na dvě (relativně nezávislé) části. Limit ČTÚ v ní tvoří jakýsi "pevný bod", se kterým prakticky nemůžeme hnout.
Na straně od vysílače k němu (tj. k vysílací anténě) se samozřejmě budeme snažit dosáhnout maxima (nepřekročit!), tedy vyrovnat ztráty v kabelech a konektorech. Budeme to dělat regulací vysílacího výkonu Wi-Fi zařízení, měli bychom tedy mít (pro optimální výsledky a možnosti) takové zařízení, které tu regulaci umožňuje. V praxi bychom si tedy měli spíš spočítat, na kolik máme (můžeme) výkon ve Wi-Fi zařízení vyregulovat, abychom ve své konkrétní situaci dosáhli (ale nepřekročili) 17dBm "za anténou". Jinak toho na této (vysílací) straně trasy moc nenaděláme, rozhodně tu nemá cenu "honit" nějaký zisk antény.
Na straně přijímací je to něco jiného, tam bychom se měli snažit o co nejcitlivější přijímač, o co nejmenší ztráty (na kabelu a příslušenství) a o co nejziskovější anténu. Jenže ...

Nesmíme ale zapomínat, že u Wi-Fi je spoj "symetrický", tedy každá strana je zároveň vysílací i přijímací. Takže limitem ČTÚ jsme omezeni na obou stranách, a to vždy na rozhraní "anténa-vzduch". Každá anténa má stejný zisk pro vysílání i příjem (ano, je to opravdu tak a nemá smysl o tom pochybovat). Každý další prvek (kabel, konektor, bleskojistka, apod.) má stejný útlum v obou směrech. Totéž platí pro útlum trasy. Tj. s naprosto stejnými prvky musíme ten výpočet provést také "v opačném směru", přičemž tentokrát je ten "pevný bod" (limit ČTÚ) na druhé straně spoje, z původně přijímací strany se stává strana vysílací a naopak (ovšem s původními prvky - anténa, kabely apod.). Z toho pak vyplývá jeden důležitý poznatek: dosah je určen tou "slabší", tedy "více útlumovou" nebo "méně ziskovou" stranou spoje, resp. celkovým ziskem (nebo útlumem) jeho soustavy "anténa, kabel, konektory & spol.". Samozřejmě za předpokladu, že na obou stranách je i stejná citlivost přijímače (což je častý případ, stejné Wi-Fi karty).
Většinou to "slabší" bývá AP, protože potřebuje antény se širším vyzařovacím úhlem, které mají zároveň menší zisk. Jsme-li (jako "klient") při svém připojování na APčko "na mezi" (tj. ani se stejným ziskem soustavy jako je na druhé straně se nepodařilo spojit), pak pokoušet se dosah zvýšit nasazením nějaké velmi výkonné antény jen na jedné (své) straně spoje nemá smysl. A pokud by se to náhodou povedlo (tj. obousměrné spojení by pak bylo funkční), znamená to jedinou věc: že byl pravděpodobně na straně této výkonnější antény porušen vysílací limit ČTÚ.
Pro lepší orientaci lze říci, že na AP, sloužícím k připojení více "klientů" na nějakém území, se používají většinou antény se ziskem od 10dB (všesměrovka) do 16dB (směrovka 30 stupňů), málokdy ziskovější (a tedy "užší"). Vyšší zisk sektorových antén (zejména jeho příznivý vliv na příjem) je jedním z důvodů, proč používat na AP raději sektorové antény (druhým důvodem je omezení rušení). Na druhé ("klientské") straně spoje pak přesně (a to naprosto přesně) provedené "plechovce" lze přiznat zisk cca 11dB.
Jednou (z mála) "legálních" cest zvýšení dosahu AP je použití Wi-Fi zařízení s vyšší přijímací citlivostí, a to právě na straně AP (!). O co větší je přijímací citlivost u AP než u zařízení, které mají "klienti", o to vyšší zisk má pak smysl nasadit u "anténní soustavy" na straně "klienta" - a dosah se zvětší. Na Wi-Fi zařízení AP se tedy nevyplatí šetřit.
Trochu jiná situace je u spojů "bod-bod", tedy většinou u distribučních tras (páteří), např. mezi jednotlivými AP. U těch většinou jejich "tvůrce" může ovlivnit obě strany spoje. Také není potřeba pokrývat signálem nějaký širší prostor (úhel), "protějšek" je jen jeden, v přesně definovaném místě. U takových spojů pak i "hodněziskové" antény (na obou stranách zároveň) smysl mají, vylepšují příjem (a tedy zvětšují dosah). Hodně stará radiotechnická poučka říká, že "anténa je nejlepší zesilovač" :-). Výkon vysílací ale musí být (na obou stranách) utlumen tak, aby byl dodržen limit ČTÚ.
Významem používání "ziskovějších" antén na "klientské" straně spojů "AP-bod", i když to nebude mít vliv na dosah (viz výše), se zabývám v samostatném pokecu (zde).
Je mi jasné, že celý tento obsáhlý odstavec není tak jednoduché "pobrat" :-). To ale neznamená, že je špatně :-)).

Ještě závěrečná poznámka pro ty, kteří by chtěli plnit můj mailbox polemikou typu "to všecko není pravda, já jedu s plechovkou na 5km skrz vokno a jsem v limitu" :-). Odpovím předem a jednou provždy:
"Vážení a milí, tuto teorii jsem nevymyslel já, tu vytvořily a mnohonásobně ověřily v praxi mnohem chytřejší hlavy, než jsme my všichni dohromady, a to už před pěknou řádkou let. Je to pouhý popis přírodních zákonů, které prostě existujou. Díky za pochopení."
Konkrétní připomínky, zejména doplnění, samozřejmě vítám.

No a úplně na závěr bych si dovolil poznamenat, že máme-li "obvyklé" provedení AP pro více klientů (tj. AP s anténou všesměrovou nebo směrovou s vyzařovacím úhlem 65 stupňů), pak výše uvedená teorie odsouvá jakékoliv připojení k tomuto AP na vzdálenost větší než cca 1,5km do říše hospodských bajek, případně nelegálních aktivit (z hlediska limitu ČTÚ). Je to sice smutné, ale je to tak "-).

© Ropáček 2003
ropacek@ropacek.cz