Как поднять уровень сигнала и скорость беспроводного интернета Skylink до приемлемой величины.

Антенны для Skylink (CDMA-450 / CDMA2000)

Кому и зачем это нужно

В командировках по России выяснилось, что по состоянию на 2011 г в дачно-сельской местности, не отягощенной оптическими и проводными линиями, только Skylink (сети стандартов CDMA-450 / CDMA2000) обеспечивает доступ в Интернет по вменяемому соотношению трафик/цена (это не реклама Skylink`а, в чём вы убедитесь ниже).

Обещанная скорость выглядит красиво. Но она делится на число абонентов. В результате,  при максимальной загрузке Сети скорость может упасть до 40...60 Кбит/с вместо рекламируемых максимальных 2,4 Мбит/с.


На первый взгляд кажется, что в рамках применяемой технологии EV-DO (полное название CDMA-2000 1x EV-DO) на скорость влияет только количество одновременно подключенных абонентов, а уровень радиосигнала не очень важен. Ведь используется временнoе разделение абонентов: каждому выделяется свой интервал времени (слот), в течение которого базовая станция обслуживает абонента всей своей мощностью.

Однако все же "размер имеет значение". Абонентский модем постоянно измеряет отношения сигнал/шум и сигнал/помехи и сообщает эти значения (т.е. условия своего приема) базовой станции. А она, в зависимости от полученной информации устанавливает скорость передачи для данного абонента в данном слоте от 38,4 Кбит/с до 2457,6 Кбит/с (в самом деле, какой смысл передавать данные с максимальной скоростью, если данный приемник находится в таких условиях, что едва принимает даже минимальную скорость?). Скорость передачи данных от модема к базовой станции тоже соответственно меняется от 9,6 Кбит/с до 153,6 Кбит/с.

Т.е. если если сигнал на входе приемника мал, то базовая станция может понизить скорость для данного абонента до 38,4 Кбит/с (download), а  модем понизить скорость передачи (upload) до 9,6 Кбит/с.

И это еще не всё. Если условия радиосвязи настолько плохи, что идут потери пакетов (например часть пакета была поражена помехой), то протокол TCP/IP начинает переспросы, что еще более снижает скорость и приема,  и передачи.


В результате при сигналах вида 1...2 "палки" на индикаторе (а это типичная картина в глубинке, при USB-модеме, вставленном непосредственно в РС) вечерами реальная средняя скорость падает до нескольких Кбит/с, что фактически лишает возможности пользоваться Интернетом (даже простейшие страницы грузятся по несколько минут, Skype заикается до полной неразборчивости, ну разве что текстовый чат остается). И это в тех зонах, где карта покрытия обещает высокую скорость.


Вывод очевиден: для повышения скорости и устойчивости соединения уровни радиосигналов надо повышать. И чем больше, тем лучше. Как минимум до тех пор, пока индикатор уровня радиосигнала модема не покажет полную шкалу. Ниже рассмотрим варианты, как это сделать.

USB-модем в роли внешней антенны

Простейший (но дающий хорошие результаты) способ состоит в том, чтобы поднять USB-модем на максимальную высоту в свободное от посторонних предметов место (крайне желательно до получения устойчивой прямой видимости с антенной базовой станции). Для УКВ-связи на относительно небольшие расстояния (до 20..30 км) высота установки антенны сильнее всех остальных параметров (усиление антенны, мощность передатчика, и т.д.) влияет на уровни сигналов.

Построить профиль радиотрассы и определить требуемую для прямой видимости высоту установки нашего модема-антенны можно на www.linktest.ru. Это просто: на картах google отмечаете положение обеих антенн (базовой станции и своей), указываете их высоту и задаете частоту среднюю частоту Skylink 0,46 ГГц. Пример расчета показан на следующем рисунке. По горизонтали отмечены километры, по вертикали - высота в метрах над уровнем моря.

Видно, что при низком расположении первой (левой на рисунке) антенны модема она оказывается затененной рельефом местности. Подъем этой антенны на 3 ... 4 м обеспечит прямую видимость и значительный рост  сигналов.

Изготовление. Включаем USB-модем не прямо в компьютер, а через USB-удлинитель. Скорости невелики, поэтому USB-удлинитель длиной до 4 м применим. Можно набрать его из 2...3 более коротких.

Если требуется большее расстояние РС до точки установки USB-модема, то используем USB-хаб (это небольшие дополнительные расходы, даже учитывая блок питания хаба), позволяющий удвоить общую длину.

В этом варианте USB-модем устанавливается как внешняя антенна (на крышу, на чердак, клеится скотчем изнутри на стекло окна, высовывается на штанге за пределы дома, на стропила, и т.д.). Если модем оказался на улице, гидроизолируем его половиной пластиковой бутылки, надетой сверху.

Уточнение положения (в пределах + 15..30 см) нашего модема-антенны потребуется обязательно. Дело в том, что совсем в свободное пространство  вы модем скорее всего не поднимете. Кроме прямой волны от базовой станции к модему придут еще и волны, отраженные от земли и местных предметов. Ими можно пренебречь только если зона Френеля (на предыдущем рисунке она показана зеленым эллипсом) целиком не касается земли и местных предметов.

Но это редкий случай. Как правило, отраженные волны имеются. Складываясь с прямо волной они создадут интерференционное распределение (по типу ряби на воде). Расстояние между интерференционными максимумами ("горбами") и минимумами ("впадинами") составляет половину длины волны, т.е. 32... 33 см для частот Skylink (частотный диапазон 452,5 - 467,7 МГц).

Ориентируясь на уровень принятого сигнала (вертикальные "палки", как в телефоне), а также на индикатор EV-DO (горизонтальная полоска, меняющая цвет) надо найти такое положение модема (в пределах + 15..30 см) , в котором сигнал будет наибольшим, т.е. попасть в интерференционный максимум. При этой процедуре имейте в виду, что индикатор уровня сигнала  показывает изменения однозначно и сразу. А индикатор EV-DO во-первых делает это с задержкой, а во-вторых, зависит не только от уровня сигнала, но и от загрузки базовой станции, поэтому может дергаться на несколько делений даже при неподвижной антенне. Поэтому ориентироваться на индикатор EV-DO можно только усредненно за несколько минут.


Описанный способ хорош всем, кроме того, что USB-модем снаружи крепится относительно постоянно, и не может быть оперативно снят (например, при  отъезде).

Внешняя антенна

Если USB-модем должен быть постоянно доступен физически, то лучшим выходом является внешняя антенна.

Лучшим для доступа к модему, но отнюдь не всегда для уровня сигнала и суммы затрат. Нет, хорошая направленная антенна с высоким усилением, повышает уровни сигналов. Но это на выводах антенны.

А сигнал от антенны надо еще донести до модема. А для этого требуются:

  1. Вход внешней антенны в модеме (что бывает далеко не во всех модемах, т.е. скорее всего придется покупать новый модем).
  2. Коаксиальный кабель 50 Ом с малыми потерями на частоте Skylink  (452,5-467,7 МГц).  А это штука дорогая - цены начинаются от 2...3 евро за метр. Использовать же дешевый бытовой RG58 практически бессмысленно. На этих частотах при длине 10 м затухание в RG58 составит 3,5 ... 4 дБ, а при длине 20 м - 7 ... 8 дБ. Т.е. затухание в кабеле RG58 съест половину или всё усиление внешней антенны. В связи с этим мне представляется странным (чтоб не сказать сильней) использование длинного RG58 во внешних антеннах, продаваемых самим Skyliтk`ом.
  3. Адаптер. Это название носит коммерческое жлобство от Skylink: 10-ти сантиметровый хвостик кабеля с двумя коаксиальными разъемами: стандартным F-типа (применяется в спутниковых ТВ комплектах и потому распространен и дешев) и уникальным, используемым только в модемах Skylink. Вот за эту уникальность разъема Skylink и дерет по 11...12 евро за упомянутый хвостик-переходник (для сравнения: в Германии за эти деньги можно купить простой сотовый телефон).

Если вы выбрали этот вариант, то покупки адаптера избежать не удастся ("куда они денутся с подводной лодки", приговаривает коммерческий отдел Skylink). А вот с кабелем и антенной есть варианты.

Используем хороший и относительно недорогой (в районе 1 евро за метр), SAT-коаксиал, применяемый для связи спутниковых головок с ТВ тюнерами (с  дополнительным экраном из алюминиевой фольги и вспененной внутренней изоляцией). Его затухание на частотах Skylink не превышает 1 и 2 дБ на длине 10 и 20 м соответственно, что уже приемлемо. Однако волновое сопротивление такого кабеля 75 Ом, а модем имеет 50 Ом. Но это по идее. На практике же измеритель импедансов показал на обоих, имевшихся у меня, модемах модуль импеданса от 56 до 64 Ом  в полосе 452,5 - 467,7 МГц, что дает КСВ не выше 1,3 в кабеле 75 Ом. Даже если КСВ поднимется до 1,5... 1,6 (при меньших входных сопротивлениях модема), то дополнительные  (из-за повышенного КСВ) потери при 10-ти метровом SAT-кабеле составят всего несколько %.

Для антенны потребуется медный провод диаметром 3,6 мм (купите в электротоварах 2,5 ...3 м одножильного, сечением 10 мм2 и снимите с него изоляцию) и пластиковая труба длиной  0,6 ... 0,8 м (я использовал обрезок водопроводной пластиковой трубы 3/4`).

Антенна Уда-Яги на полосу 450 - 470 МГц показана на следующем рисунке. Красным кружком отмечена точка питания (т.е. место подключения кабеля). Размеры вверху это длины вибраторов, внизу - расстояния между ними.


Зависимость SWR (уровня согласования) от частоты в МГц:


Для далеких от антенной техники скажу, что SWR < 2 соответствует хорошему согласованию, а SWR < 1,5 - очень хорошему. То есть эта антенна в полосе частот Skylink 452.5 ... 467.5 МГц дает очень хорошее согласование.

Усиление антенны  составляет 10,5 ... 11 dBi (на сколько дБ антенна дает больший сигнал, чем всенаправленная антенна - изотропный излучатель, буква i после dB и означает isotrop).

Объемная диаграмма направленности в свободном пространстве (без учета отражений от земли и местных предметов):

Изготовление антенны. Точность настройки антенны по частоте должна быть не хуже 0,5%. Поэтому требования по допускам на размеры довольно жесткие:

Нарезаем куски провода (он должен быть предварительно вытянут и не иметь видимых изгибов) длиной 328, 625, 292, 270, 278, 264, 268 мм. Для точности торцы лучше обработать плоским надфилем.

Сверлом 3,3 мм в водопроводной трубе-траверсе сверлим отверстия в местах расположения элементов. Чтобы обеспечить параллельность лучше воспользоваться кондуктором или станком. В месте расположения питаемого элемента (драйвера) таких отверстий два: одно над другим, на расстоянии 15 мм.

На трении плотно вставляем элементы по местам. Дополнительное крепление пассивных (все, кроме драйвера) элементов не требуется.

Длинные концы драйвера (под который мы отрезали  625 мм) загибаем назад к траверсе, образуя петлевой вибратор. Расстояние  между параллельными проводами петлевого вибратора и форма загиба  краев (прямоугольная или закругленная) особой роли не играет. Главное  - соблюсти периметр и вставить загнутые концы во второе отверстие, так, чтобы расстояние между ними внутри траверсы составило бы 6 ... 8 мм.

Проводим питающий кабель внутри траверсы, и через отверстие в траверсе диаметром 7.... 9 мм выводим его наружу примерно посередине  (некритично) между драйвером и первым директором (тот, который длиной 292 мм) на длину 15...20 см (некритично, но не более 25 см).

Из выведенного наружу отрезка кабеля мотаем симметрирующий дроссель (сворачиваем кабель в бухточку - спиральную катушку) диаметром 3 ... 4 см (некритично, но смотрите, какой радиус изгиба позволяет ваш кабель, чтобы не перегнуть его до нарушения круглого сечения) из 1,5 ... 2,5 (некритично) витков. Фиксируем дроссель от раскрутки пластиковыми кабельными стяжками.  Ими же крепим дроссель к траверсе.

Конец кабеля дросселя должен оказаться прямо у точек питания петлевого вибратора. Разделываем кабель и припаиваем к вибратору. Куда центральную жилу, а куда оплетку совершенно неважно. А вот что отчаянно важно - минимальная длина разделанных концов кабеля  от того места где кабель еще не  разделан до точек питания вибратора.  Максимум по 3...5 мм. По 10 мм уже недопустимо - паразитная индуктивность столь длинных (1 см при длине волны 65 см - это много) выводов расстроит антенну. Так что с узлом питания придется конструктивно помучиться.

После этих мучений разделанный конец кабеля и места паек к вибратору заливаются герметиком. Я использовал сплав из равных частей канифоли и парафина. Этот старый рецепт  герметика проверен многолетней эксплуатацией.  Вероятно можно использовать и  готовые герметики, но неизвестно какие у них потери на наших частотах.

На нижний конец кабеля накручивается разъем F-типа и далее через адаптер подключается ко входу внешней антенны модема.

Установка антенны. Skylink использует вертикальную поляризацию, поэтому вибраторы антенны должны быть тоже расположены вертикально, как на предыдущем рисунке. Азимутальное направление устанавливаем на выбранную базовую станцию с точностью не хуже + 100 (при большей ошибке сигнал будет падать из-за относительно узкой диаграммы направленности антенны).

Подбор точки крепления антенны делается так же, как описано выше для USB-модема.


Фокусирующая структура для модема

Бывают ситуации, когда не подходят оба вышеописанных варианта. И модем поднимать особенно некуда, и выносить его на улицу не хочется. И  идея установки внешней антенны не привлекает: коаксиальный кабель, адаптер, пайка.

А уровня сигнала не хватает.

Тогда можно попробовать третий вариант:  поместить USB-модем в фокус структуры, которая  с большой площади (она называется площадью раскрыва антенны) соберет радиосигналы  в точке, называемой фокусом.

Таких структур возможно только две: параболическое зеркало и собирающая линза (точно так же, как в оптике).

Если у вас случится под руками параболический рефлектор (например, "тарелка" от спутниковой антенны) диаметром от 60 см и выше, то просто установите USB-модем в фокус и направьте рефлектор на базовую станцию. Но, понятно, что это не самый простой в исполнении вариант: рефлектор штука большая и дорогая,  фокус находится перед рефлектором, поэтому модем придется выносить вперед (скорее всего на улицу, хотя я знаю случаи удачного использования такого рефлектора на чердаке, под рубероидной крышей).

Остается собирающая линза. А что это такое? Кусок диэлектрика, обеспечивающий разную задержку распространения электромагнитной волны: максимальную в центре площади раскрыва (в центре толщина линзы максимальна) и минимальную на краях (где толщина линзы уменьшается до нуля). Но делать линзу из обычного диэлектрика, диаметром несколько десятков см, и почти такой же толщиной в центре на редкость неудобно. Нужно много качественного диэлектрика, да и внешний вид такой линзы глаз не обрадует.

Но есть интересный вариант. Оказывается, что если разместить в пространстве определенным образом несколько кусков металла, то такая структура на частотах, близких к собственным резонансным этих кусков, будет обладать свойствами диэлектрика. Отчего и называется металлодиэлектрик.  Металла на линзу  (т.е. замедляющую электромагнитную волну структуру) требуется совсем немного.

Взгляните на предыдущий рисунок: все пассивные элементы, показанной на нем антенны, образуют металлодиэлектрическую линзу, собирающую сигналы  с большой площади в питаемый элемент. И поскольку речь идет  о структурах, сравнимых с длиной волны, то площадь раскрыва такой линзы получается намного больше видимого сечения. Так, например, площадь раскрыва антенны предыдущего рисунка такая же, как у круглого параболического рефлектора диаметром 80 см. Но при намного меньших физических размерах.

Итак, делаем металлодиэлектрическую линзу, а в ее фокус помещаем модем. Поскольку фокус расположен сзади линзы, то очень удобно  приклеить модем скотчем на оконное стекло, а линзу разместить снаружи. При этом никакие кабели на улицу не выходят, а модем  на стекле внутри комнаты доступен. Да, потребуется небольшой  (от РС до подходящего окна) USB удлинитель, но он будет намного короче, чем в первом варианте с выносом модема наружу и вверх.

Конструкция показана на следующем рисунке. От предыдущей она отличается использованием встроенной антенны модема в качестве питаемого элемента и отсутствием пассивного рефлектора позади. Поэтому ее можно называть не только фокусирующей линзой, но и директорной структурой от антенны Уда-Яги. В данном случае это почти одно и то же.

Такая линза в полосе в полосе частот Skylink 452.5 ... 467.5 МГц дает усиление 9,2 ... 9,5 dBi. Диаграмма направленности примерно такая же, как и у предыдущей антенны, за исключением худшего подавления назад (сказалось отсутствие резонансного рефлектора позади активного элемента - модема).

Изготовление мало отличается от предыдущей антенны: тот же провод, те же требования к точности, такая же траверса. Мороки с питаемым элементом и коаксиальным кабелем тут нет, по причине их отсутствия.

А вот конструкция крепления траверсы здесь сложнее. Она должна обеспечивать возможность поворота траверсы по азимуту и регулировку расстояния до  модема (понадобиться при выборе положения нашей линзы). И при этом быть радиопрозрачной.

Для конструкции крепления я использовал обрезки таких же водопроводных труб, как для траверсы, соединенных шарнирно при помощи металлических уголков, плотно вставленных внутрь труб и саморезов. Это всего лишь пример из подручных материалов. Вы можете использовать что-то своё.

Установка  аналогична предыдущим вариантам. Отличия следующие: Сначала изнутри помещения  на оконном стекле ищется место и положение модема, обеспечивающее максимальный сигнал. Затем снаружи окна устанавливается фокусирующая структура и подбором ее положения (расстояние до модема и азимутальный угол) устанавливается максимальный сигнал уже не трогая модем.


Все три вышеописанных способа  были испытаны  и обеспечили рост уровня радиосигнал сигнала с 1...2 делений до полной шкалы,  а также весьма ощутимый пользователями рост скорости соединения.



08.08.2011

На главную - Main page