Wi-Fi против стен. Оцениваем радиопрозрачность наших помещений

Строить Wi-Fi сети в современных домах и офисах - то еще удовольствие. Очень много написано про пересечение каналов, зашумленность эфира и нередко делают сравнение по дальности 2,4 vs 5 ГГц.

Однако есть еще одна характеристика, которая напрямую влияет на сигнал. Это конфигурация пространства. И вот ей уделяют куда меньше внимания. А зря.

Из чего сделаны стены и окна в нашем помещении? Это бетон, пеноблок или дерево? А стекла обычные или металлизированные? А есть ли дополнительные факторы, вроде повышенной влажности? Давайте разберемся, как все это влияет на работу Wi-Fi. Я постарался написать статью максимально простым языком для широкого круга читателей, объясняя все используемые специфичные термины. Поехали!

Загляни за стену

Представьте, что вы светите фонариком в темной комнате. Луч пронизывает воздух, проходит сквозь тюль, но упирается в кирпичную стену — и за ней уже темнота. Wi-Fi в этом смысле похож на свет: часть энергии проходит, где может пройти, часть отражается, часть поглощается. Ключевой момент здесь - через что именно проходит сигнал: через тюль, кирпичную стену, стекло или дерево. 

Wi-Fi использует волны диапазона 2,4 ГГц (длина волны около 12,5 см) и 5 ГГц (там разброс шире, но для простоты условимся, что это около 6 см). Эти волны умеют проходить сквозь многие материалы, но каждый материал отбирает у сигнала часть энергии. Процесс называется затуханием и измеряется в децибелах (дБ). Если сигнал ослабнет ниже порога чувствительности приемника (обычно –90…–95 дБм), то связь пропадает.

И вот здесь мы подходим к введению ключевого термина.

Радиопрозрачность — это способность материала или конструкции пропускать электромагнитную волну заданной частоты с приемлемыми потерями и искажениями.

Ключевые слова здесь — «заданной частоты». Не существует материала, который был бы просто радиопрозрачным в принципе. Он может быть почти прозрачным для одной частоты и почти непрозрачным для другой. 

Возвращаясь к аналогии с фонариком. Цветовой фильтр может прекрасно пропускать красный цвет, но задерживать зеленый. Мы помним, что цвет — это тоже частота, только световой волны, а не радио. 

Радиопрозрачность конкретной конструкции из конкретного материала — это всегда группа факторов. Главных пять:

1. Металл или диэлектрик. Как известно, все материалы делятся на две большие группы. Но если говорить про стены, то там часто встречаются комплексные истории, например армированный бетон. Значит, нам нужно учитывать обе возможных составляющих. 

   Для диэлектриков важна диэлектрическая проницаемость — это восприимчивость к электрическому полю. У воздуха она равна единице, а у всех остальных материалов — выше. Чем сильнее отличается проницаемость стены от проницаемости воздуха, тем неприятнее для радиоволны встреча с этой стеной. Часть энергии отражается обратно, часть входит внутрь, а сама волна внутри материала распространяется уже с другой скоростью.

   Как это влияет на Wi-Fi: высокая диэлектрическая проницаемость обычно означает более сильное отражение на границе и более сложное прохождение через материал. Волна может частично отразиться от стены еще до того, как начнет в нее проникать. Поэтому две стены одинаковой толщины, но из разных материалов, могут давать совершенно разные потери.

   Помимо диэлектриков — материалов, которые электрическое поле продавливает насквозь, пусть и с потерями, есть целый класс материалов, которые играют совершенно по другим правилам. Это проводники: фольга, арматура, металлизированное напыление на стекле, медная сетка в штукатурке.

   Главное отличие проводника — в нём полно свободных электронов, не привязанных к атомам. Когда приходит радиоволна, её электрическое поле заставляет эти электроны дружно колебаться взад-вперёд у самой поверхности. Возникает ответный ток, который немедленно рождает собственное электромагнитное поле, направленное строго навстречу падающей волне. В результате основная часть энергии отражается, часть теряется в поверхностных токах, а внутрь проходит лишь малая доля.

   Как это влияет на Wi-Fi: проводник — это практически идеальный щит. Тончайший слой фольги или металлизированного напыления, который вы даже не почувствуете пальцами, способен обрушить сигнал на 20–30 дБ. И что особенно обидно — этот щит работает одинаково хорошо и на 2,4 ГГц, и на 5 ГГц. Продавить его мощностью или сменить диапазон не получится. Единственная тактика — найти край, щель или обходной путь там, где проводящий слой прерывается.

2. Потери в материале. Даже если радиоволна вошла в материал, это не значит, что она спокойно выйдет с другой стороны. Внутри часть ее энергии может поглощаться и превращаться в тепло. Эти потери связаны с проводимостью материала и диэлектрическими потерями. Конечно, от излучения обычного роутера стена заметно не нагревается. Мощности слишком малы. Но для радиоканала важно не то, станет ли стена теплой на ощупь, а то сколько энергии не дойдет до приемника.

   Как это влияет на Wi-Fi: чем выше потери материала, тем быстрее затухает волна внутри него. Влажный бетон, мокрое дерево, металлизированные покрытия и фольгированные утеплители могут «съедать» сигнал намного сильнее, чем сухие и однородные материалы. И еще момент. С ростом частоты потери увеличиваются. Поэтому сигналу 5 ГГц в среднем тяжелее проходить насквозь, чем сигналу 2,4 ГГц. 

3. Толщина. Пожалуй, самый понятный фактор, но его часто недооценивают. Один сантиметр материала и двадцать сантиметров того же материала — это две разные истории. Если материал имеет заметные потери, то чем дольше волна идет внутри него, тем больше энергии она теряет. Кроме того, при прохождении стены под углом путь внутри материала становится длиннее, чем сама геометрическая толщина стены.

   Как это влияет на Wi-Fi: тонкое препятствие может быть почти незаметным, а толстая конструкция из того же материала — уже серьезным барьером.

4. Структура конструкции. Стена редко бывает однородной плитой. Внутри могут быть пустоты, арматура, металлическая сетка, влажные зоны, фольгированный утеплитель, гипс, штукатурка, плиточный клей, керамическая плитка, трубы, кабели и другие включения. Для глаза это незаметно, а волне через это проходить. 

   Как это влияет на Wi-Fi: мы уже знаем, что на каждой границе материалов часть энергии отражается, часть проходит дальше, а часть теряется. Теперь представьте, что внутри стены таких границ несколько. Сложная структура вносит колоссальную погрешность в наши расчеты. 

5. Частота. Wi-Fi в диапазонах 2,4 и 5 ГГц — это волны разной длины. У 2,4 ГГц длина волны около 12,5 см, у 5 ГГц — около 6 см. Поэтому они по-разному взаимодействуют с препятствиями, неоднородностями, краями, щелями и металлическими элементами.

   Как это влияет на Wi-Fi: при прочих равных 2,4 ГГц обычно проходит дальше и часто с меньшими потерями. 5 ГГц чувствительнее к препятствиям и быстрее теряет запас по уровню сигнала. Поэтому в одной и той же комнате 5 ГГц может давать отличную скорость, а за двумя капитальными стенами уже уступить 2,4 ГГц по уровню.

В справочниках и стандартах есть целые таблицы по прохождению конкретной частоты сквозь конкретный материал. Например, рекомендация ITU-R P.2040 посвящена влиянию строительных материалов и конструкций на распространение радиоволн в диапазоне от 1 МГц до 450 ГГц. Именно на нее я буду периодически оглядываться в этой статье. 

Тысячи потерь

На всякий случай важно проговорить еще вот что. В быту мы привыкли мыслить линейно. Была булка хлеба, стало полбулки. Было два кило картошки, стало полкило. Мы редко сталкиваемся с ситуациями, когда что-то уменьшается в тысячи и десятки тысяч раз. Но в радиотехнике совсем другой мир.

Здесь потери измеряют порядками. И чтобы не путаться в числе нулей, используют децибелы. Потери в децибелах не сразу ложатся в голову, потому, на всякий случай, напомню, что:

• Потеря 3 дБ — это потеря половины мощности.

• Потеря 10 дБ — в десять раз меньше мощности.

• Потеря 20 дБ — в сто раз.

• Потеря 30 дБ — в тысячу раз.

Теперь представим бетонную стену, которая дает 25–30 дБ потерь. Это значит, что за стеной по мощности может остаться до одной тысячной того, что было бы без нее. И да, это нормально. Такими категориями тут мыслят.

Что ж, добро пожаловать сквозь стены!

Железобетон: противник со стержнем

Бетон — композит из цемента, песка, щебня и воды. Но самое опасное в нем — арматура. Стальные прутья внутри плиты создают подобие клетки Фарадея, отражая радиоволны и практически не пропуская их.

Скрытый текст

Клетка Фарадея — это физическая абстракция, впрочем, часто встречающаяся в реальном мире. 

Представьте себе сетку, внутри которой находится передатчик. Если ячейки этой сетки заметно меньше длины волны, волна не может «протиснуться» сквозь них. Тогда она отражается или превращается в микроскопические токи на поверхности металла. Токи тут же переизлучают энергию обратно. 

Это и есть клетка Фарадея: буквально клетка с таким размером ячеек, что блокирует радиоволны заданной частоты. У бетонной стены роль такой оболочки играет арматура. Поскольку длина волны Wi-Fi  — от 6 до 12,5 см, а шаг арматурной сетки часто составляет 10–20 см, полной блокировки не происходит. Но часть энергии неизбежно гасится или отражается.

Типичные потери для стены толщиной 15–25 см:

• 2,4 ГГц: 10–12 дБ (мощность падает примерно в 10 раз).

• 5 ГГц: 15–20 дБ (ослабление в 30–100 раз).

Если бетон тяжелый и густо армирован, потери могут достигать 22 дБ для 2,4 ГГц и 44 дБ для 5 ГГц. При таких цифрах сигнал за стеной становится ниже -95 дБм, и современные устройства его уже не слышат. Именно поэтому в монолитных многоэтажках с железобетонными стенами так трудно добиться уверенного покрытия в разных помещениях. 

С другой стороны, именно эта особенность хоть как-то спасает наш домашний эфир. Ибо число сетей, которые можно поймать в средней квартире, давно перевалило за несколько десятков.

Любопытно: бетонная стена без арматуры ослабляет сигнал значительно меньше — около 8 дБ для 2,4 ГГц. Встречается чистый бетон не так уж часто. 

Но важно помнить вот еще что. Бетонные стены часто штукатурят. И если у нас штукатурка по металлической сетке, то имеем убийцу сигнала похлеще арматуры. Это справедливо и для других материалов ниже.

Пеноблок: внезапный союзник

Пенобетон и газобетон — пористые материалы без металлических включений (если их не армировали). Их диэлектрическая проницаемость невысока, электропроводность почти нулевая. Поэтому среди всех «каменных» стен пеноблоки — одни из самых радиопрозрачных.

Стена из пеноблока толщиной 20–30 см дает затухание примерно 10 дБ (ослабление в десять раз), что сопоставимо с деревянной перегородкой. Для 5 ГГц потери немного выше, но не критичны.

Однако враг у пеноблока все же есть — влажность. Пористая структура впитывает воду, и радиопрозрачность резко падает. Впрочем, с мокрым пеноблоком Wi-Fi вряд ли будет вашей главной проблемой.

Кирпич: прожженный толстяк

Классический красный кирпич — материал с умеренной диэлектрической проницаемостью и практически нулевой проводимостью, если он сухой. Внутри он состоит из обожженной глины с мельчайшими порами, и именно эта пористость иногда делает его поведение коварным.

Типичная межкомнатная перегородка в полкирпича (около 12–15 см) или несущая стена в один кирпич (25 см) дает следующие потери:

• 2,4 ГГц: 6–10 дБ (то есть сигнал ослабляется в 4–10 раз).

• 5 ГГц: 10–15 дБ (ослабление в 10–30 раз).

Для сравнения, кирпич ведет себя заметно дружелюбнее армированного бетона, но задерживает волны лучше, чем пеноблок или сухое дерево.

Тут важно еще вот что. Стены из кирпича могут быть очень и очень толстыми. И это слабопрогнозируемая история. Я лично видел стены толщиной в два с половиной кирпича (не поперек, а вдоль, т.е. порядка 65 см). Конечно, такие габариты внесут соответствующее затухание.

Как и с пеноблоком, влажный кирпич хуже пропускает сигнал. И вновь осмелюсь предположить, что с промокшими насквозь стенами Wi-Fi вряд ли будет вашей главной проблемой.

Отдельно стоит сказать про пустотный кирпич. Воздушные полости внутри него немного облегчают прохождение сигнала — потери могут быть на 1–2 дБ ниже, чем у полнотелого той же толщины. Но если в эти пустоты набьется строительная пыль или влага, преимущество сходит на нет.

Дерево: пористый добряк

Сухая древесина — диэлектрик и довольно прозрачный материал для радиоволн. Затухание зависит от толщины и породы:

• Межкомнатная дверь (3–5 см): 2–3 дБ для 2,4 ГГц.

• Межкомнатная стена из бруса (8–12 см): 5–6 дБ для 2,4 ГГц.

• Несущая толстая деревянная конструкция: до 10–15 дБ.

Для 5 ГГц потери выше примерно на 30–50%. Например, через 5 см сухой доски сигнал 5 ГГц ослабнет на 4,5 дБ.

При этом дерево сильнее других материалов меняет свои свойства во влажном состоянии. Мокрая древесина теряет прозрачность, потому что вода активно поглощает радиоволны в спектре 2,4–5 ГГц. Потери во влажном дереве могут вырасти в 2–3 раза. 

Стекло: двойной агент

Обычное оконное стекло или стеклянная стена — диэлектрик с малыми потерями:

• Тонкое стекло (3–4 мм): 1–2 дБ для 2,4 ГГц, 2–3 дБ для 5 ГГц.

• Толстое стекло (10–12 мм): до 10 дБ для 2,4 ГГц и до 15 дБ для 5 ГГц.

Но в современных домах все чаще используют стекла низкоэмиссионным (Low-E) покрытием. Это тончайший слой оксида металла (серебра или олова), который отражает тепло обратно в комнату. И этот же слой становится почти идеальным зеркалом для радиоволн.

Затухание Low-E стекла:

• До 24 дБ для 2,4 ГГц.

• До 30 дБ и выше для 5 ГГц.

Металлизированные стекла — самый главный и один из самых неочевидных врагов Wi-Fi. Одно и то же стекло с металлизацией и без пропускает радиосигнал с разницей в сотни раз по затуханию. А увидеть металлизацию глазами можно далеко не всегда. Так что если вам кажется, что при открытом и закрытом окне у вас существенная разница в уровне сигнала — вам не кажется.  

То же самое касается тонированных стекол и зеркал — все они содержат металлические добавки, которые сильно просаживают уровень сигнала.

Тепло и не слышно

Помимо, собственно, материала стены в современных домах можно встретить еще несколько обвесов, которые создадут нам проблемы.

Первый из таких «обвесов» — звукоизоляция. Сейчас это решение все чаще можно встретить в обычной квартире. Встретить и даже не понять этого.

Второй — утеплитель для разделения разных температурных зон. Скажем, жилая комната рядом с неотапливаемой кладовкой, холодным тамбуром или застекленной лоджией. 

Третий — утеплитель для борьбы с плесенью. Внутренняя стена ванной или кухни может потеть. Правильно уложенный утеплитель и пароизоляция сдвигают точку росы и спасают от грибка.

Какой бы ни была причина, на выходе мы получаем межкомнатную перегородку-сэндвич. И для Wi-Fi критически важно, из чего этот сэндвич состоит.

• Всё, что похоже на вату, — каменная, базальтовая, стекловата, специальные акустические марки — это, по сути, воздух в запутанных волокнах. Диэлектрическая проницаемость близка к единице, потери копеечные. Десять–пятнадцать сантиметров такой начинки добавят к затуханию всего 1–2 дБ для 2,4 ГГц и 2–3 дБ для 5 ГГц. Радиоволна проходит, словно стена слегка накрыта марлей. Звук при этом гасится отлично, а сигнал — практически без потерь.

• Серый утеплитель с графитом (Neopor и аналоги) чуть хуже для радиоволн. Графит — это углерод, а углерод слегка проводит ток, добавляя микропотери. Но на практике разница с белым пенопластом — 1–3 дБ. Если им утеплена одна внутренняя стена, вы ничего не заметите. Не критично.

• А теперь — внимание. Сюда же, во внутренние перегородки, иногда закладывают фольгированные материалы: пенофол, вспененный полиэтилен с алюминиевым слоем, отражающую изоляцию. Логика та же, что и с фасадом: блестящий слой отражает тепло обратно в комнату. Но он с той же лёгкостью отражает и радиоволны.

Скрытый текст

Внутренняя стена с фольгой — это локальная клетка Фарадея в масштабе квартиры. Даже тонкий слой в 5–10 мм с алюминиевым напылением добавляет от 20 до 30 дБ потерь. Если фольга с двух сторон — потери могут уйти за 40–50 дБ, сигнал умрет совсем. И самое противное: снаружи это самая обычная стена. Гипсокартон, обои, краска. Никаких внешних признаков беды. А роутер из соседней комнаты не слышно от слова совсем.

Такое часто встречается после утепления балкона, когда фольгированный утеплитель зашивают в перегородку между комнатой и бывшей лоджией. Или когда для лучшей шумоизоляции случайно берут материал с металлизированным слоем — продавцы иногда советуют его для всего подряд. Результат — мертвый Wi-Fi.

Два слова про дождь, вакуум и потери в свободном пространстве

Раз уж взялись говорить про среду, то давайте хотя бы гипотетически вспомним дождь и повышенную влажность воздуха. Например, если Wi-Fi раздается внешней точкой доступа, а вы принимаете его в открытой беседке на даче.

Дождь и высокая влажность работают примерно одинаково — миллиарды водяных капель, каждая из которых поглощает и рассеивает радиоволны. Однако для диапазонов 2,4 и 5 ГГц потери из-за них относительно невелики в сравнении с более высокими частотами:

• 2,4 ГГц: даже тропический ливень (100–150 мм/ч) дает затухание не более 0,05 дБ/км. На 100 метрах вы потеряете всего 0,005 дБ.

• 5 ГГц: сильный дождь добавляет около 1 дБ/км. На 50 метрах — жалкие 0,05 дБ.

Это несопоставимо с потерями от стен. Все проблемы начинаются либо на частотах выше 10 ГГц (например, спутниковая связь Ku- и Ka-диапазонов), либо на расстояниях в десятки километров (которые используют радиоканалы и релейные линии).

Но, конечно, нет ничего лучше старого доброго вакуума! В идеальном вакууме радиоволны не затухают вовсе. Они летят бесконечно, теряя мощность только за счет расхождения фронта волны. В вакууме нет заряженных частиц, которые могли бы поглотить энергию.

Воздух тоже почти идеален: на частотах 2,4 и 5 ГГц потери в атмосфере пренебрежимо малы (менее 0,01 дБ/км) и связаны только с молекулами кислорода и водяного пара. Поэтому радиотелескопы и спутники работают так эффективно — в космосе сигнал не встречает препятствий.

Почти уверен, что у вас сейчас возник вопрос: если воздух вносит столь незначительные потери, то почему на открытом пространстве между роутером и условным ноутбуком не удается выжать больше 300 метров расстояния? Потери ж копеечные?

Дело в том, что есть два совершенно разных механизма ослабления сигнала. 

• Поглощение средой: молекулы воды, кислорода, диэлектрические потери в бетоне или тепловой нагрев арматуры — все то, что мы разбирали выше.

• Геометрическое расхождение фронта волны. Вот он-то в открытом пространстве съедает львиную долю бюджета канала. А Френель доест остальное.

Представьте себе лампочку накаливания мощностью 100 Вт, висящую в абсолютно прозрачном воздухе. На расстоянии вытянутой руки она слепит глаза. Отойдите на 100 метров — и вы уже с трудом различаете ее на фоне других источников света. Воздух при этом остался кристально чистым, он не съел ни одного фотона. Просто одна и та же световая энергия распределилась по огромной площади сферы. Чем дальше от источника, тем больше площадь этой сферы, тем меньше энергии достается каждому квадратному сантиметру. Для радиоволн закон точно такой же: мощность падает пропорционально квадрату расстояния. Это называется потерями в свободном пространстве (Free Space Path Loss, FSPL).

Теперь переложим это на язык Wi-Fi. Расчет далее очень примерный и со множеством допущений, скорее для понимания идеи.

Ваш роутер излучает 100 мВт — это 20 дБм. Типичный смартфон или ноутбук способен разобрать сигнал на уровне –90 дБм. Значит, весь наш бюджет линии — 110 дБ. Именно столько мы можем потратить на все виды потерь, прежде чем сигнал утонет в шумах.

Посмотрим, куда эти 110 дБ уходят на открытом воздухе, например, для 2,4 ГГц. Уже на дистанции 10 метров геометрическое расхождение откусывает 60 дБ. На 100 метрах — 80 дБ. На 300 метрах — почти 90 дБ. Дальше 300–400 метров остаток бюджета становится настолько скудным, что любой дополнительный шум, помеха от соседнего роутера или просто неудачный поворот антенны обрывают связь. На 5 ГГц смело может прибавить к падению уровня еще 5–6 дБ. Воздух при этом добавляет лишь сотые доли децибела — им можно пренебречь. Именно геометрия, а не поглощение средой, ограничивает дальность Wi-Fi в поле. 

Но чистая геометрия — это ещё цветочки. Там, где антенны висят невысоко, а земля рядом, в игру вступает зона Френеля. Представьте себе невидимый эллипсоид — как вытянутое веретено, — соединяющий передатчик и приемник. Чтобы сигнал пришёл полным и невредимым, внутренность этого веретена должна быть свободна от препятствий хотя бы на 60%. Для 2,4 ГГц на дистанции 300 метров радиус такой зоны в самой толстой части составляет почти 3 метра. Если точка доступа висит в комнате или на уличной стене на высоте человеческого роста, а вы сидите с ноутбуком на скамейке, земля «вгрызается» в эту зону Френеля снизу. Возникают переотражения, сигнал приходит к антенне несколькими путями с разным фазовым сдвигом и складывается сам с собой в минус — это снижает реальный уровень ещё на 10–20 дБ, даже если формально свободного пространства предостаточно. Вот почему 300 метров на ровном поле без подъема антенн - это де-факто максимум для Wi-Fi на 2,4 ГГц.

Поэтому же в космосе, где нет помех и кислорода, можно использовать остронаправленные антенны. Те же 100 мВт способны покрыть миллионы километров. Вспомните «Вояджеры»: их передатчик имеет мощность всего около 20 Вт, а сигнал доходит до Земли с расстояния более 20 миллиардов километров. Там, в вакууме, потери на расхождение фронта, конечно, чудовищны, но ни одной сотой децибела не теряется на поглощение средой — просто потому, что среды нет. Так что когда мы говорим «воздух радиопрозрачен», мы имеем в виду именно отсутствие молекулярного поглощения. А с законом обратных квадратов, увы, не поспоришь — это фундаментальное свойство нашей Вселенной.

И об этом важно помнить, когда вы проектируете большие помещения. Начиная с 50-100 метров у вас будут проблемы не из-за армированного бетона, а из-за FSPL.

Заключение

Надеюсь, эта статья смогла объяснить вам разницу и некоторые нюансы прохождения Wi-Fi через разные типы материалов. Как вы уже, наверное, поняли, мы взяли очень частный случай, и глобально правильнее рассматривать прохождение радиоволны конкретной частоты сквозь конкретный материал. Впрочем, иногда излишняя теоретизация мешает, а задача с практическим подходом помогает лучше ее понять. 

В конце я оставлю вам сводную таблицу по самым популярным материалам. 

Важно: это не паспортные значения, а ориентиры по порядку величины. Одна и та же бетонная стена в реальном здании, как мы видели выше, может отличаться по потерям в разы: из-за арматуры, влажности, угла прохождения, отделки, пустот, труб и металлического профиля.

И все-таки, в таблице даны ориентиры, к которым можно привязаться. Надеюсь, они вам пригодятся. 

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.