Какую антенну лучше выбрать 4dBi или 5.8dBi?

Мы подготовили пошаговую инструкцию по выбору подходящей антенны для вашего устройства исходя из ваших целей. Для каждой локации требуется хорошо подобранная антенна, которая сможет обеспечить наилучшее покрытие LongFi сети Helium и, следовательно, получить максимальную прибыль с вашего девайса.

Во-первых, не стоит забывать, что выбор правильного местоположения для вашего девайса гораздо важнее, чем-то, какую антенну вы будете использовать, подробнее об этом здесь.

Во-вторых, для тех из вас, кто хочет получить быстрый ответ, не углубляясь в детали: просто возьмите эту антенну и поместите ее на открытом пространстве, как можно выше над зданиями и преградами вокруг вас. Подключите к антенне кабель с минимальными потерями сигнала LMR 400. Используйте кратчайшее расстояние от девайса к антенне. Это, вероятно, даст вам 80% результата, который вы могли бы получить, приложив гораздо больше усилий.

Для тех, кто все же горит желанием разобраться в вопросе более детально, чтобы получить максимальное возможное вознаграждение HNT - продолжаем!

Вводные данные: антенна, которую вы выбираете для размещения точки доступа, должна соответствовать вашей топографии, высоте ее размещения и линии обзора. Линия обзора или визуальная ось — это свободная прямая видимость между наблюдателем и интересующим вас объектом (другим девайсом или девайсами).

Давайте начнем с топографии. К топографии относятся здания, рельеф, земля и вода, которые окружают, пропускают или блокируют распространение ваших радиосигналов. Тема распространения радиоизлучения включает в себя чрезвычайно глубокое погружение, вплоть до основ физики, но мы постараемся сделать это довольно просто.

Если топография вашей местности ровная и вы выбрали одну из самых высоких точек для размещения антенны, которая находится над основными препятствиями - тогда вы можете спокойно использовать антенну с высоким коэффициентом усиления, вплоть до 9dBi.

Помните, что топография — это не только холмы и горы, она включает в себя здания, деревья и другие препятствия.

Ладно, давайте немного углубимся! В общем, рельеф в виде гор или холмов будет блокировать радиосигналы. Даже если визуально на карте вам кажется, что другая точка доступа находится к вам очень близко и при этом, между вами двумя, есть холм, вы, вероятней всего, не станете «свидетелями» друг друга в Helium сети.

Вы можете проверить свое местоположение на карте покрытия Helium Explorer и подумать, что вы идеально расположены в отношении близлежащих хотспотов, например, как на скрине ниже:

Не забудьте проверить рельеф вашей местности в онлайн-сервисе Google Планета Земля в режиме 3D.

Видите, как это место утопает в куче холмов? Единственный случай, в котором установка девайса там будет оправдана, это если антенна будет закреплена над вершинами холмов. В противном случае, холмы будут глушить сигнал и девайс сможет установить связь только с точками в непосредственной близости от вас (а эта область будет невелика).

Холмы и горы = Радиоволны не проходят.

А как насчет зданий? Насколько сильно здания будут блокировать или уменьшать мощность распространения радиосигнала с антенны?

Согласно исследованию, проведенному в 2012 году на широком спектре строительных материалов и ориентированному на диапазон GSM 900MHz, железобетонная стена толщиной 20 см ослабит сигнал на 27dB. Внутренняя штукатурная стена снизит мощность от 0,8 до 3dB.

Также есть экспериментальные данные по прохождению радиоволн через различные препятствия. В нашем случае, нас интересует частотный диапазон 868MHz.

Что это значит?

Снижение мощности сигнала называется «затуханием». В общем, вам нужно избегать затухания радиоволн. Причиной ослабления может стать рельеф, различные строения, оконное покрытие или москитные сетки, а также слишком длинный кабель, который соединяет антенну и девайс.

Постараемся просчитать выходную мощность радиосигнала антенны с учетом известных нам причин затухания сигнала.

Для начала разберемся в понятиях:

dBi — изотропный децибел или децибел, измеренный относительно изотропного излучателя. Характеризует коэффициент усиления антенны.

Изотропный излучатель — источник (антенна), излучающий электромагнитные волны равномерно во всех направлениях.

dBm – абсолютный уровень мощности по отношению к 1 милливатту, выраженный в децибелах.

Милливатт - это тысячная часть ватта.

Хорошо, зачем нам надо было узнавать E.I.R.P. антенны?

Давайте немного поговорим о dBm и мощности.
dBm основана на логарифмической шкале. При каждом увеличении на 3dBm выходная мощность увеличивается вдвое. Каждое увеличение на 10dBm приводит к десятикратному увеличению мощности. Разница в мощности между антенной 3dBi (которая по умолчанию поставляется с большинством Helium девайсов) и антенной 9dBi составляет 4 раза!

В антеннах с низким коэффициентом усиления, распространение сигнала можно сравнить с распространением света от потолочного светильника. В антеннах с высоким коэффициентом усиления - сигнал распространяется, как лазерный луч. Это означает, что если вы не будете очень тщательно наводить антенну - вы можете случайно направить всю мощность антенны в места, где вообще нет Helium девайсов и у вас будет очень мало «свидетелей».
«Свидетели» — это другие устройства Helium сети, с которыми вы образовываете соединения. Чем больше соединений (свидетелей), тем больше заработок.

Ниже представлен отличный пример антенны с высоким коэффициентом усиления. Правда антенна, как это часто бывает, неточно нацелена на множество близлежащих хотспотов.

Сам девайс расположен на большой высоте, но внутри здания с северной стороны. Большинство свидетелей находятся, как раз таки на севере.

На юге сигналы больше блокируются или ослабляются внутренними и внешними стенами. Хотя должны заметить, что, видимо, там все же есть небольшое окно или отверстие, через которое эти ослабленные сигналы выходят, а затем уходят довольно далеко над водой.

Этот скриншот также является отличным примером того, почему вы никогда не должны устанавливать антенну девайса внутри помещения; вы теряете большую часть мощности радиосигнала, прежде чем радиоволны выйдут за пределы здания.

Кстати, интересный факт: если посмотрите на любой хотспот рядом с водоемом, то увидите, что он соединяется с другими хотспотами на гораздо более дальние расстояниях по воде, чем по суше.

Ну что же, сделаем промежуточные выводы: чем ровнее рельеф вашей местности, тем выше коэффициент усиления антенны вы можете использовать (до 9dBi в 95% случаев). После 9dBi радиосигнал с антенны становится слишком «узконаправленным» и «плоским». Такие антенны рекомендуется использовать крайне редко, в каких то отдельных случаях, где без них просто не обойтись.

Теперь вы знаете, почему многие люди, которые изначально брали антенны 9dBi затем задавались вопросом, почему они «не работают».

Помните, что топография включает в себя не только холмы, горы и воду, но и все здания, мосты и другие сооружения, которые могут блокировать ваш радиосигнал. Города в целом не имеют плоской топографии, даже если они построены на плоском рельефе. Все эти торчащие высокие здания проглотят радиосигналы с ваших антенн.

Так мы плавно подошли к важности такого параметра, как высота размещения устройства. Подумайте об этом: чем выше высота размещения девайса и антенны, тем более ровная относительная топография покрытия и тем более низкий коэффициент усиления антенны (dBi) вы можете использовать.

Еще раз вернемся к тому, что у антенн с высоким dBi радиосигнал слишком сфокусирован («узконаправленный» и «плоский»). Используя такую антенну, в прямом смысле можно «пролететь, как фанера над Парижем». Радиосигнал пройдет прямо над вершинами всех тех девайсов, с которыми вы хотите установить соединение. Давайте рассмотрим 3 примера ниже.

Таким образом, мы можем сделать выводы, что в большинстве случаев нужна антенна со средним коэффициентом усиления. Если вы находитесь на действительно ровной местности, где у вас не так много препятствий, антенна с высоким коэффициентом усиления может стать для вас наилучшим выбором. Тем не менее, большинство людей не живут в «пустыне», и в самой плоской локации есть куча деревьев. Если это ваш случай, установите антенну со средним коэффициентом усиления над вершинами этих деревьев для максимального охвата.

Далее перейдем к завершающему необходимому нам параметру прямая видимость или линия обзора. Помните статью, которую мы цитировали ранее, о том, сколько радиочастотной энергии будет поглощаться строительными материалами? Общий вывод для нас, владельцев Helium точек, таков: сигнал с наших антенн не будет проходить более чем через 1 здание.

Это означает, что если вы устанавливаете антенну ВНУТРИ здания, вы теряете большую часть мощности радиосигнала, пока она банально выйдет за пределы стен. Если ослабленный сигнал попадет еще на одно препятствие, будь то здание, дерево или рекламный щит, он, вероятнее всего, вообще затухнет.

Для понимания того, насколько важное значение имеет линия обзора, рассмотрим детальнее наиболее прибыльное устройство, с хорошо подобранной антенной.

Точка доступа Docile Bone Pony находится на крыше 16-этажного здания в крупном городе с антенной со средним/высоким коэффициентом усиления (8dBi). У нее есть прямой обзор на множество других хотспотов. Но у других хотспотов нету такой же отличной линии обзора для остальных устройств вокруг них.

Это означает, что Docile Bone Pony видит намного больше свидетелей, чем остальные девайсы в той же локации. Владелец устройства Docile Bone Pony зарабатывает как сумасшедший. Это пример невероятного потенциала заработка, который существует при предоставлении экспоненциальной ценности сети.

Пока мы изучаем тему линии обзора, давайте поговорим о дальности действия стандартной точки доступа. Согласно, исследованиям пользователя @para1 в Discord, большинство хотспотов имеют большую часть своих свидетелей в радиусе 10 км. Исходя из информации на скриншоте ниже, мы можем сделать вывод: «Оптимизируйте свою антенну для других хотспотов в радиусе 10 км», то есть большинству людей даже не нужна антенна с высоким коэффициентом усиления.

Есть еще одна вещь, о которой нужно помнить: перед антенной требуется некоторая «взлетно-посадочная полоса», в идеале 10-15 м. Таким образом, сигнал успеет достаточно разветвиться и распространиться, дабы потом нормально рассеиваться вокруг препятствий.

Для понимания вышеизложенной концепции, нам нужно изучить азы и понять, что такое «Зона Френеля» и дифракция радиоволн.

Дифракция — это явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.

Радиоволна в процессе распространения в пространстве формирует эллипсоид вращения, в фокусах которого находятся передатчик и приемник. Этот эллипсоид вокруг прямой линии (LoS/Line of Sight/линия обзора), и называется Зоной Френеля. Не менее 60% зоны Френеля должно оставаться чистой от каких-либо препятствий, т.к. иначе начинаются существенные потери сигнала в канале.

На рисунке выше показано, что наличие прямой видимости не является достаточным условием для качественной работы точки доступа. Дело в том, что даже если мы можем видеть противоположную сторону антенны, это не значит, что данное свободное пространство также «прозрачно» для волн радиодиапазона. В результате, если антенны установлены только исходя из наличия прямой видимости, точка доступа будет вести себя следующим образом: детектор качества сигнала будет показывать почти 100%, но скорость передачи информации будет минимальной, потери и повтор пакетов, а также пропадания связи сделают работу девайса невозможной.

Решить проблему можно только путем поднятия антенн на высоту, равную половине зоны Френеля в месте наличия препятствия. После подъема антенн на необходимую высоту на обеих сторонах, хотспот будет работать на максимальной скорости и с максимальной для данного расстояния отдачей.

Иными словами, должно выполняться условие:

Н>=h+R*(1-40%)

Радиус зоны Френеля в нужной точке пространства можно рассчитать по формуле:

Где Freq- частота сигнала в ГЦ, а D1 и D2- расстояние в метрах.

В принципе, вывод таков: чем дальше распространяются ваши радиоволны, тем больше они могут распространяться по своей диаграмме направленности, тем меньше вероятность того, что все волны будут заблокированы, и тем больше вероятность того, что по крайней мере некоторые из них попадут в другую точку доступа.

Если вы настроите антенну так, чтобы вокруг нее было много свободного пространства до того, как она столкнется с препятствиями, эти радиоволны будут достаточно распространены, чтобы начать «огибать» эти препятствия. Это еще одна причина не устанавливать антенну внутри помещения и рассмотреть вариант установки на крыше.

Вот еще один рисунок, демонстрирующий идею «взлетно-посадочной полосы» и дифракции:

Дайте возможность радиоволнам дышать!

Для тех из вас, кто все пропустил и просто хочет знать, какую антенну установить, мы подготовили четыре рекомендации для наиболее распространенных сценариев:

• Для здания в городе. Возьмите 4dBi антенну, поставьте ее снаружи как можно выше, желательно на крыше.
• Для здания в городе, где просто нету возможности установить антенну высоко. Используйте стандартную антенну, которая идет в комплекте с вашим устройством. Кроме того, постарайтесь найти лучшую локацию для размещения. Вы ведь читали об этом, верно?
• Для загородного дома. Возьмите 5.8dBi антенну и установите ее снаружи на крыше дома или на каком то столбе, как можно выше.
• Для размещения на горе, радиовышке или небоскребе используйте 9dBi антенну и тщательно прицельтесь.

Мы завершим на том, чего определенно НЕ СЛЕДУЕТ делать.
Не думайте, что чем выше коэффициент усиления (dBi) антенны, тем лучше.
Наконец, не беспокойтесь слишком сильно о своей антенне. Самая модная, самая крутая, самая высокотехнологичная антенна в мире не принесет вам хороший заработок, если вы находитесь в плохом местоположении, на низкой высоте, та еще и с антенной внутри помещения.
В общей картине заработка ГОРАЗДО важнее иметь хорошую локацию и разместить антенну как можно выше.

Еще раз повторим, не размещайте антенну внутри помещения - лучше размещайте антенну на крыше, желательно многоэтажного здания (если говорим о городской местности).

Таким образом, вы убиваете сразу 3-х зайцев:

1. антенна находится на максимально возможной высоте;
2. получаете хорошую линию обзора, с минимальным количеством препятствий;
3. за счет хорошего покрытия радиосигнала, устанавливается множество соединений с другими устройствами.

Соблюдение всех вышеизложенных рекомендаций ведет к максимизации вашего заработка.

Перевод и адаптация статьи: https://kyk13.com/antennas-for-helium/