Способы доставки интернет-соединения в удаленные области

ГБОУ гимназия г. Сызрань

Научно-исследовательский проект:

«Способы доставки интернет-соединения в удаленные области»

Дисциплина: информатика

Проект разработал:

учащийся 11 «А» класса

ГБОУ гимназии г. Сызрани

Клоков Сергей

Руководитель:

Александрова Елена Алексеевна

Содержание

1. Введение

1.1 Актуальность темы проекта.......................................................................................стр. 3

1.2 Цели, задачи исследования и выдвигаемая гипотеза...............................................стр. 3

2. Теоретическая часть

2.1 История интернета в России.......................................................................................стр. 4

2.2 Состояние интернет-подключения на 2019 год.........................................................стр. 5

2.3 Способы подключения интернета в современности.................................................стр. 6

2.3.1 Проводное соединение.........................................................................................стр. 6

2.3.2 Беспроводное соединение....................................................................................стр. 8

2.4 Перспективы развития интернет-покрытия...............................................................стр. 10

2.5 Особенности Wi-Fi-соединения..................................................................................стр. 10

2.6 Принцип работы антенны............................................................................................стр. 13

2.7 Типы антенн для Wi-Fi-устройств, выбор оптимальной антенны...........................стр. 16

3. Практическая часть

3.1 Расчеты размеров антенны для определенного Wi-Fi-роутера.................................стр. 19

3.2 Написание программы..................................................................................................стр. 21

3.3 Сборка антенны …........................................................................................................стр. 22

4. Заключение.......................................................................................................................стр.25
5. Список используемой литературы.................................................................................стр. 26

Приложение 1..............................................................................................................................стр. 27

Приложение 2 .............................................................................................................................стр. 28

1. Введение

1.1 Актуальность темы проекта.

Повышение роли Интернета в современном мире и обществе обусловлены как стремлением человека понимать других и быть понятым окружающими, так и развитием методов сбора, получения, обработки и передачи информации. Параллельно с этим активно развиваются средства и возможности понимать мысли других, в результате, человечество с каждым десятилетием полнее усваивает информацию о мире природы, техники, общественных процессах, а также о происходящих в мире изменениях. Также это связано со стремлением каждой отдельной личности к увеличению объемов получаемой информации, повышению скорости ее передачи и обработки, а также расширению возможностей использования информации. Интернет охватывает сегодня все формы общения позволяя обеспечивать функционирование взаимодействия между людьми. В период с 2000 г. по 2019 год была создана глобальная информационная инфраструктура, которая посредством современных телекоммуникаций обеспечивает доступ к информации для частных лиц, предприятий, государственных институтов, а также позволяет им осуществлять ее сбор, обработку и передачу. Интернет позволяет осуществлять коммуникацию, которая имеет информационное и символьное содержание, используя для этого речь, текст, графику, изображения, видео, символы, знаки. Таким образом, Интернет охватывает все средства коммуникации. В этом заключается его основная роль в жизни общества. Поиск способов обеспечения интернет-соединением является актуальной проблемой в условиях глобализации общества, ведь лишь 51,2% населения мира обладает доступом к Всемирной сети, которая играет огромную роль в жизни каждого человека.

1.2 Цели, задачи исследования и выдвигаемая гипотеза

Цели проекта: проанализировать методы покрытия интернетом удаленных районов, выбрать один из них и оптимизировать способ для конкретной ситуации.

В данном проекте я попытаюсь найти и проанализировать способы покрытия территорий интернет-соединением, найдя наименее затратный и наиболее эффективный метод. В ходе исследования я познакомлюсь с работой Wi-Fi-роутера, устройств для приема и излучения радиоволн.

Методы исследования: поиск и анализ информации из научных статей, литературы, интернет-изданий, сравнение и структуризация полученной информации.

Задачи:

1. Проанализировать информацию об интернет-соединениях

2. Исследовать принцип работы антенны
3. Проанализировать виды антенн, рассмотреть их преимущества и недостатки
4. Написать программу на языке «Pascal» с целью ускорения расчетов размеров антенны для определенной частоты
5. Создать антенну для конкретных условий

Во время написания исследовательской работы я проверю такую гипотезу: можно  реализовать относительно несложный в сборке способ усиления интернет-сигнала и передачи его на дальнюю дистанцию.

2. Теоретическая часть

2.1 История интернета в России

Историю русского интернета можно начать с 1990 года, когда была создана общественная организация Гласнет. Эта общественная организация была призвана обеспечить связью учителей, правозащитников, экологов и других гарантов открытого общества. В 1993 году «Гласнет», «Совам Телепорт» и «Телефонная связь Москвы» соединились в ООО «ТелеРосс». 
В августе 1990 года была основана компьютерная сеть «Релком». Уже к концу года к сети были подключены около 30 организаций, среди которых — центры российской науки в Серпухове, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Дубне. Сеть базировалась исключительно на технологии электронной почты UUCP, причем с возможностью переписки и на русском языке.
В 1994 году был зарегистрирован домен .RU, что можно считать официальным началом русскоязычного Интернета. В рамках государственной программы „Университеты России“ начинается создание опорной инфраструктуры, объединяющей университетские сети в различных регионах России — будущей сети RUNNet (Russian Universities Network). Первая очередь охватывала шесть российских регионов и была реализована уже в начале 1995 года. Связь осуществлялась на базе систем спутниковой связи с двумя управляющими центрами в Москве и Санкт-Петербурге. К 1996 году сеть работала в пятнадцати регионах. Правительство России финансирует в объеме 30 миллионов долларов спутниковые или наземные каналы для подключения к российским и международным сетям телекоммуникаций с пропускной способностью 256 килобит в секунду.
В 1997 году  Mirabilis выпустила первую версию программы ICQ, которая в дальнейшем станет популярнейшим инструментом общения в реальном времени, вытеснив на обочину истории технологию IRC. Менее чем через полтора года количество русских пользователей ICQ оценивалось в 65-130 тыс. человек.
Согласно отчету РОЦИТ за 1998 год, количество российских пользователей Интернета составило на конец года около 1,5 млн. Качественный состав пользователей: более 85% — мужчины, около 55% имеют высшее образование; около 80% русскоязычных пользователей живут в России, почти половина из них — в Москве. В стране действует более 300 Интернет-провайдеров; создано свыше 26 тыс. информационных ресурсов; общий объем информации на русском языке в российской Сети — не менее 0,5 терабайта.

Десятилетие 90-ых годов можно смело отнести к наиболее важным для российского сегмента сети. Именно в эти годы был заложен фундамент первых ресурсов, как виртуальных, так и физических, которые в последствии позволили вырасти русскому сегменту до весьма внушительных размеров.

В Приложении 1 представлена таблица динамики проникновения интернета в Федеральных округах.

2.2 Состояние интернет-подключения на 2018 год

К началу 2019 года аудитория Интернет-пользователей в России среди населения старше 16 лет составила 90 миллионов человек (+3 миллиона человек к прошлому году) и достигла отметки 75,4% взрослого населения страны.

Последние годы аудитория Интернета растет уже медленно, и в основном за счет подключения к Сети пользователей старшего поколения. Среди молодежи и людей среднего возраста проникновение Интернета близко к предельному уровню.

Основная же тенденция последних лет – рост мобильного интернета. К началу 2019 года доля пользователей интернета на мобильных устройствах достигла 61%. Годом ранее этот показатель составлял 56%. Прежде всего растет аудитория пользователей, которые выходят в Интернет со смартфонов. Пользование планшетами даже немного сократилось по сравнению с прошлым годом.

Важный качественный сдвиг последнего времени – стремительный рост аудитории пользователей “mobile only” - тех, кто пользуется только мобильным доступом к Сети. Если год назад этот тип пользователей только обнаружил себя на рынке (18% от всех пользователей Интернета), то за год этот сегмент вырос в два раза и сейчас оставляет более трети (35%) от всех пользователей Интернета в России.

В Приложении 1 представлена таблица проникновения интернета в федеральных округах Российской Федерации.

2.3 Способы подключения интернета в современности

На сегодняшний день основными видами соединений с интернетом являются

• проводное
• беспроводное

Все они имеют свои положительные и отрицательные стороны. В каждой ситуации наиболее удобным считается определенный вид соединения. Выбор подключения может зависеть от деятельности пользователя, его потребностей и назначения Интернета. Так же имеет значение местопребывание пользователя (дома, в поездке, за границей), что влияет на выбор возможности подключения к сети Интернет.

1. Проводное соединение

Подключение через Dial-Up модем - cамый старый и широко используемый способ подключения, но в настоящее время постепенно вытесняемый другими. Модемное (dial-up) подключение сейчас используется только там, где есть операторы абонентской телефонной связи, предоставляющие услуги dial-up подключения, и нет других способов подключения. Для подключения этим способом необходимо наличие dial-up модема и стационарного телефона.

Плюсами такого Интернет соединения являются: простота настройки и установки оборудования (требуется только аналоговый модем), низкая цена оборудования, и множество тарифных планов, предлагаемых провайдерами.

Недостатков у модемного соединения гораздо больше. Занятость телефонной линии абонента во время нахождения в Интернете, низкая скорость передачи данных (обычно 3-4 КБ/с), и низкое качество соединения и передачи данных, из-за изношенности телефонных линий.

Более перспективной по сравнению с dial-up в настоящее время является технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Это технология, позволяющая предоставлять по обычным аналоговым телефонным линиям высокоскоростной широкополосный доступ в Интернет. Скорость при этом достигает величины 8 Мбит/с. Вместо обычного разъема для городского телефона ставится сплиттер для разделения частот Интернета и телефона. Данная технология не загружает телефонную линию абонента, благодаря этому разделению диапазонов сигналов в телефонной линии. Абоненту также не нужно дозваниваться до провайдера.

Минус этого способа подключения – достаточно высокая стоимость трафика – 3 руб/MБайт.

 Зато плюсов больше - качественная, высокая скорость передачи данных, телефон не занят, даже если стоит блокиратор, есть возможность подключиться к безлимитному пакету.

DOCSIS – телевизионный коаксиальный кабель. Технология похожа на ADSL соединение, только модемы разные и вместо телефонной линии телевизионный коаксиальный кабель. (Коаксиал (от англ. coaxial), — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана. Обычно служит для передачи высокочастотных сигналов).

Достоинства:

• свободная телевизионная линия
• высокая скорость соединения.

Недостатки:

• зависимость от наличия кабельного телевидения
• зависимость от провайдера, обслуживающего телевизионную сеть
• более высокая стоимость подключения и обслуживания
• в часы пиковой нагрузки скорость падает

Соединение по выделенной линии (Ethernet) - самый популярный способ соединения с Интернетом. Для подключения к глобальной сети каждому абоненту протягивают кабель (витая пара или оптоволокно) и с помощью сетевой карты подсоединяют к компьютеру. Осуществляют некоторые настройки, и высокоскоростная качественная связь с Интернетом готова. Однако стоимость установки и настройки такого соединения прямо зависит от расстояния компьютера до точки подключения провайдера, и, в любом случае, достаточно велика по сравнению с другими способами соединения. А при переносе компьютера в другое место к нему снова придется прокладывать кабель.

Достоинства:

• не нужны  телевизионные и телефонные линии
• высокая скорость соединения (до 100 Мбит/с)
• возможность обмена большими объемами данных
• в основном всегда безлимитный доступ
• никаких первоначальных вложений на оборудование
• возможность получить тарифы с еще более высокими скоростями (до 1 Гбит/с)
• возможность смены провайдера

Недостатки:

• зависимость от такой сети на вашей территории
• необходимость проведения кабеля.

PON – оптоволокно (FTTB) -почти то же самое, что и Ethernet с витой парой. Тянут оптоволоконный кабель к абоненту. Подключают через специальную сетевую карту или другое оборудование. Отличие только в огромных скоростях и стоимости оборудования. Обычно, оптоволокно используют для организации сетей провайдеров.

2.3.2 Беспроводное соединение

В основе работы таких технологий лежат радиоволны. Обычно их используют для подключения труднодоступных мест, куда невозможно провести кабельные линии, а также для мобильности подключаемых устройств. Такая связь предоставляет абонентам свободу выбора места подключения.

Wi-Fi – радиодоступ

Такой способ возможен, если на вашей территории Интернет-провайдер предоставляет такую услугу. Простой и удобный вариант. Нужен просто компьютер со встроенным или внешним Wi-Fi приемником и данные для  доступа к сети. Через радиоволны компьютер соединяется с точкой доступа провайдера и выходит в Интернет. Обычно, такой способ чаще используют в общественных местах: кафе, ресторанах, торговых центрах, автобусах, и т. д.

Достоинства:

• нет проводов
• свобода выбора места подключения

• возможность подключения нескольких или более пользователей
• высокая скорость соединения (до 54 Мбит/с)

Недостатки

• невысокая стабильность
• малый радиус действия (до 100 - 200 м, с препятствиями до 30 м)

• зависимость от препятствий между компьютером и точкой доступа
• слабая защищенность компьютера в такой сети

WiMAX – радиодоступ

Это новое поколение беспроводных систем. Чем-то схожее с Wi-Fi, но с более дальними расстояниями, покрывающее километры пространства. Есть базовые станции провайдеров и устройства приема у пользователей, в виде USB модемов или сетевых карт. Между ними устанавливается связь. Малая популярность, в основном в крупных городах.

Достоинства:

• мобильность в пределах охвата базовых станций (до 50 км)
• отсутствие проводов
• высокая скорость соединения (до 70 Мбит/с)

Недостатки:

• невысокая стабильность
• влияние внешних условий – препятствия, другие излучения
• необходимость покупки дополнительного оборудования

• возможность подключения только в зоне доступа
• более высокая стоимость из-за малой распространенности

GPRS соединение – мобильная связь

В этом случае соединение с сетью предоставляют операторы сотовой связи GSM по технологиям доступа GPRS, EDGE, CDMA, WCDMA или каких-то еще. Компьютер подключается к Интернету через специальные USB модемы, как сейчас принято - 3G модемы. Появляются также и 4G. Последнее время это подключение получило достаточно широкое применение, потому что сотовая связь есть практически везде.

Спутниковая связь применяется в тех местах, где нет никакой инфраструктуры, коммуникаций, нет сотовой связи.

Спутниковое соединение бывает односторонним (асинхронным) и двусторонним.

Чаще всего используют асинхронный (или совмещенный) способ доступа – данные к пользователю поступают через спутниковую тарелку, а запросы (трафик) от пользователя передаются любым другим соединением – GPRS или по наземным каналам (ADSL, dial-up). В большинстве случаев лучшим выбором для него является ADSL подключение с бесплатным исходящим трафиком. В Двустороннем соединении обмен данными идет только через спутник, но оно стоит намного дороже.

Преимущества спутникового подключения к Интернету – в первую очередь это очень низкая стоимость трафика – от 10 коп. до 1 руб. за 1 Мб. Стоимость комплекта оборудования и подключения в настоящее время доступна практически для всех (особенно по сравнению с другими способами доступа) и составляет приблизительно 200-300 долларов США. Скорость передачи данных значительно варьируется в зависимости от провайдера и тарифного плана, выбранного пользователем. Провайдеры спутникового Интернета предлагают очень широкий выбор тарифных планов, в том числе и безлимитных. Очень приятным бонусом является также возможность бесплатного приема спутникового телевидения.

Минусами спутникового подключения к Интернету является необходимость наличия канала для исходящего трафика – телефонной линии или телефона с поддержкой GPRS, влияние внешних условий – препятствия, другие излучения, сложность установки и настройки и высокая задержка между отправкой запроса и приемом.

2.4 Перспективы развития интернет-покрытия

Основным направлением сегодня является разработка новых способов беспроводного интернет-соединения.Одним из таких является атмосферная оптическая линия связи (FSO). Она обеспечивает передачу данных на скорости 1,25 Гбит/с с помощью лазеров. Google предлагает использование технологии в рамках своего проекта по созданию сетей.

У оптической линии связи тоже есть «узкие места». FSO осуществляет передачу информации через открытую среду — атмосферу. Поэтому на качество связи влияют такие факторы, как туман и появление физических препятствий.

Также есть и другие проекты в этой области. Например, Facebook разрабатывает беспилотник Aquila, который должен обеспечить интернетом отдаленные уголки мира. Социальная сеть уже подключила 2 млрд жителей планеты. У Google имеется похожий проект Loon, в котором используются высотные аэростаты.

Российские операторы также участвуют в программах по доставке интернета туда, где в экстремальных природных условиях проживает или работает небольшое количество потенциальных абонентов. Так, «Мегафон» разворачивает свои решения в тундре и на рудниках. В работе мобильной станции для шахтеров на Кольском полуострове оператор использует РРЛ. А «Билайн» распространяет фемтосоты, чтобы обеспечить покрытие труднодоступных для сигнала мест.

5. Особенности Wi-Fi-соединения

Так как самым удобным способом покрытия больших областей при всех его недостатках является Wi-Fi, нужно рассмотреть эти технологию подробнее, а также найти способы усиления сигнала.

Wi-Fi — технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Логотип Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Alliance. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводная привязанность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Wi-Fi работает в безлицензионном частотном диапазоне ISM (2402-2480 МГц).

Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.

Wi-Fi был создан в 1998 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) в Канберре, Австралия. Создателем беспроводного протокола обмена данными является инженер Джон О’Салливан).

Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. С 2011 по 2013 разрабатывался стандарт IEEE 802.11ac, стандарт принят в январе 2014 года. Скорость передачи данных при использовании 802.11ac может достигать нескольких Гбит/с. Большинство ведущих производителей оборудования уже анонсировали устройства, поддерживающие данный стандарт.

27 июля 2011 года Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволяют принимать данные на скорости до 22 Мбит/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика.

В октябре 2018 года «Wi-Fi Alliance» представил новые названия и значки для Wi-Fi: 802.11n — «Wi-Fi 4», 802.11ac — «Wi-Fi 5», 802.11ax — «Wi-Fi 6»

Обычно схема сети Wi-Fi содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта.

Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

• Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные)
• Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные)
• Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера)

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

• Со статическими настройками радиоканалов
• С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов
• Со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов

1. Преимущества Wi-Fi

• Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.
• Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.
• Устройства Wi-Fi широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.
• Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться интернетом в комфортной для вас обстановке.
• В пределах зоны Wi-Fi в интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.
• Излучение от устройств Wi-Fi в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

2. Недостатки Wi-Fi

• В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др., и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.
• Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в сети Wi-Fi всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.
• Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

• Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

Для усиления сигнала роутера, следует создать антенну, рассмотрев принцип ее работы, различные типы антенн, а также выбрав оптимальный вариант.

2.6  Принцип работы антенны

 Антенны представляют собой конструкцию из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобразования радиосигналов в электрические. Для обеспечения эффективного излучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, классификация которых представлена на рисунке.

Назначение передающих и приемных антенны ясно из их наименований. По своим основным электрическим параметрам они не отличаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как передающие или приемные. Однако если к передающей антенне подводится большая мощность, то в ней принимаются специальные меры по предотвращению пробоя между элементами антенны, находящихся под более высоким напряжением.

 Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой антенны близка к L/4, где L- длина рабочей волны. Размеры и конструкция антенн отличаются как для различных диапазонов частот, так и внутри диапазонов.

Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультракоротких волн, то для антенн, устанавливаемых на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональная длина антенны для обеспечения связи на частоте 30 МГц составляет 2.5 м, что неудобно для пользователя. Поэтому применяют укороченные антенны, но при этом уменьшается их эффективность.

По конструкции антенны разделяются на проволочные (вибраторные), рупорные, параболические, рамочные, спиральные, антенные решетки и различные их комбинации.

Возможности антенн как приемных, так и передающих определяются следующими характеристиками:

· диаграммой направленности;

· коэффициентом полезного действия;

· коэффициентом направленного действия;

  ·  коэффициентом усиления;

· полосой частот.

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение уровня излучаемого и принимаемого сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных координатах .

Диаграммы направленности могут иметь разнообразный и изрезанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими параметрами. Лепесток диаграммы направленности с максимумом мощности излучаемого или принимаемого электромагнитного поля называется главным или основным лепестком, остальные боковыми и задними. Соотношение между величинами мощности основного лепестка по сравнению с остальными характеризует направленные свойства антенны. Ширина главного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, проведенными из начала полярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине максимальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигнала приемной антенны. Чем уже ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия.

Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энергетического выигрыша, который обеспечивает направленная антенна по сравнению с ненаправленной.

Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь.

Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффициент усиления антенны (КУ).

Полоса частот, в пределах которых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее пропускания.

Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания представляет основную проблему в области конструирования антенн. Чем выше КУ, тем труднее обеспечить широкополосность антенны. В зависимости от полосы пропускания антенны разделяются на узкополосные, широкополосные, диапазонные и широкодиапазонные.

Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапазоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта величина увеличивается до (10-50)%, у диапазонных антенн коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкодиапазонных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более.

Совокупность однотипных антенн, расположенных определенным образом в пространстве, образуют антенную решетку. Сигнал антенной решетки соответствует сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антенные решетки. Антенные решетки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называют фазированными антенными решетками. Путем изменения фаз суммируемых сигналов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по пространству и ориентацию антенны на источник излучения.

2.7 Типы антенн для Wi-Fi-устройств, выбор оптимальной антенны

Симметричный полуволновый вибратор применяется в УКВ диапазоне при необходимости иметь слабые направленности свойства. Диаграмма направленности вибратора в пространстве имеет вид тора. В горизонтальной плоскости вертикально расположенный вибратор направленными свойствами не обладает. В вертикальной плоскости диаграмма направленности имеет симметричную форму.

Симметричный полуволновый вибратор (а) и его диаграммы 
направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (в) плоскости

Заземленный четвертьволновой вибратор широко применяется во всех диапазонах волн при необходимости получения ненаправленного излучения. Диаграмму направленности вибратора можно найти, основываясь на принципе зеркального отражения. Роль отражающей поверхности играет поверхность земли или обшивка самолета.

При использовании принципа зеркального отражения рассмотрение заземленного четвертьволнового вибратора можно свести к случаю полуволнового вибратора, одна половина которого находиться в земле.

Симметричный заземленный четвертьволновой вибратор (а)
и его диаграммы направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (в) плоскости

Рамочная антенна используется в длинноволновом, средневолновом и коротковолновом диапазонах для получения направленного приема. Использование рамочной антенны на воздушных судах объясняется ее относительно небольшими размерами при работе на длинных и средних волнах.

Конструктивно рамочная антенна выполняется в виде катушки, расположенной на ферритовом сердечнике. Используются антенны такого типа в радиокомпасах для определения направления на принимаемую радиостанцию (определение пеленга радиостанции).

Рамочная антенна (а) и ее диаграмма направленности
в горизонтальной плоскости (б)

Директорная антенна используется в диапазоне УКВ для получения однонаправленных приема или передачи. В состав антенны входят:

- активный полуволновой симметричный вибратор с длиной l = l/2, служащий для излучения или приема энергии;

- рефлектор, расположен позади активного вибратора на расстоянии 0,25 l и имеет длину l > l/2, в результате чего он представляет собой колебательную систему индуктивного характера;

- директор, расположен спереди активного вибратора на расстоянии 0,25 l и имеет длину l < l/2, в результате чего характер его сопротивления емкостной.

Принцип работы антенны состоит в следующем. Высокочастотный ток активного вибратора создает магнитный поток, распространяющийся в обе стороны от него. Под влиянием этих потоков в директоре и рефлекторе индуктируются э.д.с., создающие свои магнитные потоки. При этом магнитный поток директора совпадает по фазе с магнитным потоком активного вибратора, усиливая его, а магнитный поток рефлектора находится в противофазе с потоком активного вибратора, ослабляя его. Таким образом, рефлектор уменьшает излучение активного вибратора "назад" и создает однонаправленную диаграмму, а директор увеличивает излучение "вперед" и сужает диаграмму направленности. В антенне может быть применено до 8-10 директоров.

Директорная антенна (а) и ее диаграмма направленности
в горизонтальной плоскости (б)

Антенна с параболическим рефлектором используется в сантиметровом диапазоне волн для получения остронаправленных диаграмм и для получения диаграмм направленности специальной формы. Использование параболической антенны основано на использовании свойств параболической поверхности, которая преобразует расходящийся поток лучей в параллельны.

Плоскость, которой антенна соединяется с пространством, носит название раскрыва антенны. При использовании параболического рефлектора в раскрыве антенны образуется синфазное поле с более или менее равномерной амплитудой. Такое поле создает в пространстве узкий луч электромагнитной энергии.

Антенна с параболическим рефлектором (а) и ее диаграмма направленности (б) 

 Мной была выбрана разновидность директорной антенны Patch-Yagi, так как антенна с параболическим рефлектором сложна в изготовлении, а нашей целью является поиск наименее затратной, но наиболее эффективной по дальности конструкции антенны. Антенна Patch-Yagi  представляет собой расположенные на одной оси 7 дисков (рефлектор, активный диск, 5 директоров). Схема ее представлена на рисунке.

3. Практическая часть

3.1  Расчеты размеров антенны для определенного Wi-Fi-роутера

Отметим все возможные расстояния с помощью переменных.

За основу была взята антенна этого типа, расчитанная на частоты GSM/3G/4G (1795 Мгц). Ее размеры таковы:

R=122.56 мм

V=92.62 мм

D1=73.55 мм

D2=51.76 мм

D3=D4=D5=50.39 мм

H0=14.98 мм

H1=16.35 мм

H2=43.59 мм

H3=H4=H5=38.14 мм

S=13.62 мм

Размеры антенны прямо пропорционально зависят от длины волны, а так как λ=с/ν (где ν — частота,  λ — длина волны, с — скорость света), то для всех переменных справедливо выражение N=k/ ν (где N – одна из переменных, k – искомый коэффициент).

Найдем все коэффициенты для расчета размеров антенны для частоты Wi-Fi (2445 МГц) для удобства без перевода в систему СИ.

k(R)=122.56*1 795=220 000

k(V)=92.62*1 795=166 260

k(D1)=73.55*1 795=132 030

k(D2)=51.76*1 795=92 910

k(D3)=k(D4)=k(D5)=50.39*1 795=90 465

k(H0)=14.98*1 795= 26 895

k(H1)=16.35*1 795=29 340

k(H2)=43.59*1 795=78 240

k(H3)=k(H4)=k(H5)=38.14*1 795=68 460

k(S)=13.62*1 795=24 450

Тогда для частоты Wi-fi (2445 МГц) размеры будут равны:

Диаметр рефлектора R=90 мм

Диаметр активного диска V=68 мм

Диаметр 1-го директора D1=54 мм

Диаметр 2-го директора D2=38 мм

Диаметр 3-го, 4-го,5-го директоров D3=D4=D5=37 мм

Расстояние рефлектор - активный элемент H0=11 мм

Расстояние активный элемент - 1-ый директор H1=12 мм

Расстояние 1-2 директоры H2=32 мм

Расстояние 2-3, 3-4, 4-5 директоры H3=H4=H5=28 мм

Расстояние от края активного диска до точки подключения S=10 мм

Cоставим чертеж, который будет использоваться при создании антенны в практической части работы.

3.2 Написание программы

Напишем программу на языке Pascal в программе Pascal ABC, для ускоренного расчета размеров антенны. Назовем переменные, и прочитаем  f – частоту:

program Antenna;

var

f,l,r,v, d1, d2, d3, h0, h1, h2, h3, s: real;

begin

readln (f);

Найдем переменные по формулам и выведем их:

l:=300000/f;

r:=220000/f;

v:=166260/f;

s:=24450/f;

d1:=132030/f;

d2:=92910/f;

d3:=90465/f;

h0:=26895/f;

h1:=29340/f;

h2:=78240/f;

h3:=68460/f;

writeln ('Центральная частота F=',f,' МГц');

writeln ('Длина волны λ=',l,' мм');

writeln ('Диаметр рефлектора R=',r,' мм');

writeln ('Диаметр активного диска V=',v,' мм');

writeln ('Диаметр 1-го директора D1=',d1,' мм');

writeln ('Диаметр 2-го директора D2=',d2,' мм');

writeln ('Диаметр 3-го, 4-го,5-го директоров D3=D4=D5=',d3,' мм');

writeln ('Расстояние рефлектор - активный элемент H0=',h0,' мм');

writeln ('Расстояние активный элемент - 1-ый директор H1=',h1,' мм');

writeln ('Расстояние 1-ый директор - 2-ой директор H2=',h2,' мм');

writeln ('Расстояние 2-3, 3-4, 4-5 директоры H3=H4=H5=',h3,' мм');

writeln ('Расстояние от края активного диска до точки подключения S=',s,' мм');

end.

Полная программа находится в Приложении 2.

3. Сборка антенны

Необходимое оборудование:

• Штангенциркуль
• Дрель
• Ножницы по металлу
• Линейка
• Циркуль
• Кронштейн
• Wi-Fi-адаптер
• Паяльник

Необходимые материалы:

• Железный лист
• Шпилька 5 мм
• Гайки 12 шт
• Коаксиальный кабель 1 метр
• Изолента

Алгоритм сборки:

Нарисуем круги нужного диаметра на листе.

Вырежем круги и сделаем в них отверстия.

Соберем антенну, взяв в расчет расстояния между дисками, припаяем кабель, прикрутим Wi-Fi-адаптер.

Фото готовой антенны:

Тестирование прошло успешно.

 Антенна, подсоединенная к ноутбуку, улавливает дополнительно 3 сети: желтая, фиолетовая, синяя параболы, показанные на графике.

Измерение расстояния  до  точек с помощью Google карт показало, что до Синей сети ≈120 метров, до Желтой  и Фиолетовой ≈260 метров, но Фиолетовая расположена за домом, из-за чего сигнал слабее.

Карта проведенных испытаний антенны (а — место установки антенны, б — Синяя Wi-fi-точка, в — Желтая Wi-fi-точка, б — Фиолетовая Wi-fi-точка, д — дом, частично пропускающий радиоволны)

4. Заключение

Проанализировав состояние интернет-покрытия в Российской Федерации, можно сделать вывод, что существуют населенные пункты, в которых отсутствует, либо плохо развито интернет-покрытие, именно поэтому проблема остается актуальной и по сей день. После исследования способов интернет-соединения, я выбрал Wi-Fi-соединение, как наилучший способ покрытия больших пространств, а также рассмотрел способы усиления сигнала.

Теоретическая значимость исследовательской работы заключается в том, чтобы обобщить теоретические представления  о типах интернет-соединений, усилительных антенн. В ней непосредственно было доказано, что обеспечить интернет-соединением отдельные населенные пункты, с малым количеством проживающих там людей, несложно и малозатратно.

Практическая значимость исследовательской работы заключается в том, что данные схемы можно использовать  не только для обеспечения интернет-соединением, но и распостранением радиоволны любой частоты на дальнее расстояние. Предложенный мной способ может быть преобразован и улучшен.

Мне удалось с помощью материалов, которые находились в моем распоряжении, без приобретения новых, увеличить интернет-покрытие 1 Wi-Fi-роутера на 260 метров.  

Выбор оптимальной антенны, ее сборка и  тестирование позволяют подвердить выдвинутую мной ранее гипотезу: можно  реализовать относительно несложный в сборке, но эффективный способ усиления интернет-сигнала и передачи его на дальнюю дистанцию.

5. Библиографический список

1. И 73 Интернет в России. — М.: Типография «Форвард Принт», 2018. — 96 с
2. https://tass.ru/info/2546068 
3. http://mosmetod.ru/metodicheskoe-prostranstvo/klassnyj-chas/klass-chas-istoria-interneta-v-rossii-2016.html 
4. https://habr.com/company/vasexperts/blog/344120/
5. https://blog.onlime.ru/2018/03/13/zaoblachnaya_set/
6. https://www.itu.int/en/ITU-D/Statistics/Pages/facts/default.aspx 
7. https://www.gfk.com/fileadmin/user_upload/dyna_content/RU/Documents/Press_Releases/2016/Press_Release-GfK_Study_Internet_Usage_In_Russia_2015.pdf 
8. https://www.gfk.com/fileadmin/user_upload/dyna_content/RU/Documents/Press_Releases/2019/GfK_Rus_Internet_Audience_in_Russia_2018.pdf 
9. https://wearesocial.com/global-digital-report-2019 
10. https://datareportal.com/reports/digital-2019-russian-federation 
11. https://datareportal.com/reports/digital-2018-russian-federation 
12. https://thenextweb.com/contributors/2019/01/30/digital-trends-2019-every-single-stat-you-need-to-know-about-the-internet/ 
13. https://wciom.ru/news/ratings/polzovanie_internetom/
14. http://mirsovetov.ru/a/hi-tech/network/choose-connect-www.html 
15. https://hobbyits.com/sposoby-podklyucheniya-interneta/ 
16. https://fom.ru/SMI-i-internet/13999 
17. https://studopedia.ru/8_181013_svoystva-radiovoln.html 
18. https://znatock.org/s6195t1.html 

Приложение 1

Приложение 2

program Antenna;

var

f,l,r,v, d1, d2, d3, h0, h1, h2, h3, s: real;

begin

readln (f);

l:=300000/f; r:=220000/f; v:=166260/f; s:=24450/f;

d1:=132030/f; d2:=92910/f; d3:=90465/f;

h0:=26895/f; h1:=29340/f; h2:=78240/f; h3:=68460/f;

writeln ('Центральная частота F=',f,' МГц');

writeln ('Длина волны λ=',l,' мм');

writeln ('Диаметр рефлектора R=',r,' мм');

writeln ('Диаметр активного диска V=',v,' мм');

writeln ('Диаметр 1-го директора D1=',d1,' мм');

writeln ('Диаметр 2-го директора D2=',d2,' мм');

writeln ('Диаметр 3-го, 4-го,5-го директоров D3=D4=D5=',d3,' мм');

writeln ('Расстояние рефлектор - активный элемент H0=',h0,' мм');

writeln ('Расстояние активный элемент - 1-ый директор H1=',h1,' мм');

writeln ('Расстояние 1-ый директор - 2-ой директор H2=',h2,' мм');

writeln ('Расстояние 2-3, 3-4, 4-5 директоры H3=H4=H5=',h3,' мм');

writeln ('Расстояние от края активного диска до точки подключения S=',s,' мм');

end.