理想的な環境下でWi-Fi接続の範囲をどこまで伸ばせるか？

このプロジェクトでは、単純な問いに答えようとしています。理想的な環境下で、Wi-Fi接続の範囲をどこまで伸ばせるか？これをテストするために、Wi-Fiを使用してロボットを可能な限り遠隔で制御するという目標を設定しました。具体的には、ノートパソコンからPhidget SBC4へコマンドを送信します。しかし、始める前に、いくつかの調査を行う必要がありました。 いくつかの定義 私たちの主な問いを理解するために、いくつかの背景知識を確立する必要があります。Wi-Fiのような無線通信は、特定のパターンで特定の周波数の電波を送信することに依存しています。これらのパターンは受信アンテナによって拾われ、利用可能なデータに変換されます。受信機が着信信号を理解するためには、バックグラウンドノイズから区別できるほど強く、クリアである必要があります。送信機の電力は送信機からの距離とともに減少するため、特定の送信機の範囲を広げるには、信号の電力を増やすことができます。無線通信送信機の電力は、ワット（watts）とdBm（デシベルミリワット）で表されます。dBm単位は対数スケールであり、0dBmは1ミリワットであり、10dBm増加するごとに電力は10倍になります。 アンテナは、無線送信機の有効電力をブーストするために使用できます。これは、全方向に分散されるはずの電力を、より小さな領域に集中させることによって行われます。アンテナがその焦点領域の信号強度を増加させる量は、ゲインと呼ばれます。アンテナのゲインはdBiで指定され、これはアイソトロピックに対するデシベル（decibels over isotropic）を意味し、焦点領域における入力信号のブースト量を示します。これは、全方向に均等に電力を放出する仮想的なアンテナと比較したものです。送信機にアンテナを接続すると、システムの出力電力は等方性放射電力（Equivalent Isotropic Radiated Power）またはEIRPで評価されます。これは、全方向に均等に電力を放出するアンテナと比較して、アンテナの焦点領域における信号の強度を表します。EIRPを計算するには、送信機の電力をアンテナのゲインで掛け合わせます。どちらもデシベルで表されるため、送信機のdBmとアンテナのdBiを加算することで、システムのEIRPを得ることができます。 Wi-Fi信号をどれだけブーストできるか？ これで技術用語がすべて確立されたので、この質問に答えることができます。カナダと米国でWi-Fi送信機が動作することを許可されるためには、2.4GHz Wi-Fi送信機の最大送信機出力電力は1W（30dBm）であり、ライセンスが必要になる前に最大EIRPは4W（36dBi）です。[カナダの規制] [FCCの規制]これらの規制は、固定ポイントツーポイント構成で移動部品のない指向性アンテナを使用している場合はそれほど厳しくありませんが、私たちの目標はWi-Fiでローバーを制御することなので、これは一部の状況で役立つかもしれませんが、私たちのテストには適用されません。より低電力の送信機の場合、送信機のdBmから36dBiを差し引くことができます。残りのdBiは、アンテナに使用できる最大ゲインです。実際には、これは、出力電力が0.1W（20dBm）の標準Wi-Fi送信機を取り、最大16dBiのゲインを持つアンテナに取り付けると、米国とカナダでのライセンス不要のRF運用制限内に収まることを意味します。 5GHz Wi-Fiはどうですか？ 一般的な規則として、送信機の搬送周波数が高くなるにつれて、伝播時の損失が大きくなり、範囲が短くなります。このため、2.4GHz通信は同等の5GHz信号よりも長い範囲を持つため、前者に焦点を当てます。Wi-Fi信号にどれだけの電力を投入できるかという特定の制限を知ることで、その制限にできるだけ近い機器を探すことができます。 部品リスト 802.11n Wi-Fiアダプター 12dBi 2.4GHz無指向性アンテナ 14dBi 2.4GHz八木アンテナ Phidget SBC4 Windowsラップトップ 802.11n Wi-Fiアダプター この実験では、送受信信号用に802.11n USB Wi-Fiアダプターを使用することを選択しました。具体的には、外部アンテナジャックを備えたMOD-WIFI-R5370-ANTアダプター（Phidgetsで販売されている3706_0アダプターのバリアント）を使用しました。これらのアダプターは、20dBiの出力電力と、LinuxベースのPhidget SBC4およびWindowsラップトップの両方との互換性を備えており、Wi-Fiネットワークの両端で使用できるため、実験に適していました。送信機の出力電力が20dBmなので、最大16dBiのゲインを持つアンテナを使用できます。 無指向性アンテナ この実験用に調達した無指向性アンテナは長さ1.2mで、信号を水平円盤に集中させ、ゲインは12dBiです。この円盤は水平から7°の傾斜があると指定されているため、アンテナは水平に保つ必要があり、他のアンテナは最良の結果を得るためにほぼ同じ高さにある必要があります。このアンテナは、大きな移動プラットフォームに取り付けるのに理想的なソリューションとなるでしょう。 八木アンテナ SF映画からそのまま出てきたような見た目の八木アンテナは、特殊な平行素子セットを使用して、非常に集中したビームに沿って無線信号を送受信します。八木アンテナは、固定点間で非常に長距離の無線信号を送信するのに理想的です。この実験で使用したアンテナはゲイン14dBi、長さ0.59mでした。送信するビームは36°幅であると指定されています。 小型無指向性アンテナ テストした最後のアンテナは、USB Wi-Fiアダプターに付属していた小型の2dBi無指向性アンテナでした。このアンテナは、典型的なWi-Fiデバイスの代わりとして機能し、ラップトップや携帯電話から期待できるもののベースラインを提供します。 さまざまな長距離でほぼ理想的な条件下でのWi-Fi信号強度をテストするために、私たちは街の外にある小さな空港へ行きました。これにより、見通しを保証するための非常に平坦な地面と、外部信号からの干渉が最小限に抑えられました。このペアに比較的乾燥した気候を組み合わせることで、実験室の外で期待できるものに最も近い理想的なテストグラウンドを得ることができました。標準GPSを使用して、基地局の場所と、Wi-Fi信号を測定した滑走路脇のさまざまなランドマークの場所をマークしました。使用した基本的なセットアップは、WindowsラップトップでWi-Fiネットワークをホストし、PhidgetSBCを接続するように設定することでした。これは、Phidgets SBCで動作する多数のローバーが単一の中央サーバーによって制御される可能性のあるシナリオを模倣するためでした。簡単にするために、すべての測定でSBC4を静止位置（ベース）に配置し、フィールド内のポイントからポイントへラップトップを移動させました。これにより、テスト期間中、キーボードとマウスに簡単にアクセスできました。Wi-Fi信号は、帯域幅を測定するためにオープンソースのiperf3ソフトウェアを使用し、信号強度を測定するためにSBC4でiwlist wlan0 scan Linuxコマンドを使用して分類されました。ネットワークホストをポイントからポイントへ運んでいたため、PuTTYを使用してSBCに接続し、コマンドラインにアクセスして各ポイントでの信号強度を読み取りました。 議論 このテストの結果は、標準的な0.1W USB Wi-Fiアダプターを使用すると、適切なアンテナを使用すれば、Wi-Fiを現実的に1400mまで拡張できることを示しています。他のアンテナは770mの地点を超えてテストされませんでした。なぜなら、その地点が空港の敷地の端を示していたからです。最も遠い2つの地点は農地の真ん中で取られ、空港を一度だけ出ることにしました。1400mで道路に到達し、そこまで行くことにしました。標準の2dBiアンテナでさえ、430mまで機能的なWi-Fi信号を送信できたことは興味深いです。これは、建物や干渉がWi-Fi信号の範囲に与える影響をきれいに示しています。なぜなら、これは屋内で到達するよりもはるかに遠いからです。430mを超えると、データは技術的に送信されていましたが、受信は断続的であり、成功した送信の間に数秒間のパケットロスが発生しました。私たちのデータは