在集裝箱碼頭使用高功率AP及高增益天線的缺點

集裝箱碼頭能夠安裝 AP 的位置不多,燈柱、橙塔的位置多基於照明及方便輪胎吊的運作去考慮,一些歷史悠久的集裝箱碼頭更不是每個燈柱、橙塔都有光纖直達,因此無線網設計都傾向採用高功率 Access Point 及高增益天線去提高 Wi-Fi覆蓋範圍,所謂高功率,是指高於20dBm (100mW) 的發射功率。 

高功率 Access Point 的問題 
集裝箱碼頭的無線終端機,其 Wi-Fi卡的標準發射功率都少於 20dBm (100mW) ,手持無線終端機的設計都基於可靠性出發,而採用沒有增益的內置雙天線,因此在採用高功率 Access Point 的 Wi-Fi系統,便會造成不對等的訊號收發情況,Access Point 發出的訊號能到達無線終端機, 但無線終端機發出的訊號便未必能成功到達 Access Point,如果無線終端機來不及漫遊到另一個有更強覆蓋的 Access Point,便會造成脫網現象。

高增益天線的問題
手持無線終端機都是採用沒有增益的內置雙天線,從手持無線終端機發出而到達 Access Point 的訊號,比起由 Access Point 發出而到達無線終端機少,本來,到達 Access Point 的較弱訊號會被 Access Point 端的高增益天線放大,令訊號對等,在一個沒有噪聲的理想操作環境,對等訊號收發情況才能真正出現,但只要噪音存在,高增益天線便會把噪音放大,造成不對等情況,況且,通常在高空的 Access Point 能檢測到的噪音比地面的手持無線終端機大,舉個例子:

假設無線終端機與 Access Point (AP) 同時發射 -50dBm 訊號,無線終端機的天線增益為 0dBi,而 AP 端的天線增益為12dBi , 而空氣衰減 Path Loss 為 20dB,那麼兩端的接收信噪比 (SNR Signal Noise Ratio) 計算如下:



因此,AP 的 SNR 會比手持無線終端機的信噪比少,當手機仍接收到相當強的 SNR,其發出的訊號己不能成功到達 AP 端了,在 AP 的信噪比低於大約10dB 的情況下,如果無線終端機來不及漫遊到另一個有更強覆蓋的 AP,便會造成傳輸失敗,其解決方法是把無線終端機設定為:當仍收到較強的訊號 (roaming threshold signal) 便開始漫遊到另一個訊號更強的 AP,roaming threshold signal 視乎噪音有多大而決定,通常都在 -60dbm 到 -75dbm 之間 。

Wi-Fi 噪音極大的環境下出現的問題
香港的集裝箱碼頭中的 Wi-Fi 無線網肯定是全世界最差的,原因是這些集裝箱碼頭都位於市區,周邊鋪滿倉庫及高密度住宅,加上操作人員也會把手機變身為隨身AP作私人用途,在集裝箱碼頭中檢測到的 AP 隨便都上百個,而不同集裝箱碼頭都是肩並肩,背靠背排在一起,不同碼頭的AP 訊號會無可避免射入鄰近碼頭的場區,因此的香港的集裝箱碼頭中的 Wi-Fi 噪音已由 2000年的 -97dBm 狂升至近年的 -80dBm 或更高。在這樣一個高噪音的操作環境如採用高功率 AP及高增益天線便產生一個經常通訊窒礙難行的情況,如果在手持無線終端機不斷 Ping 伺服器,你會發現隔數分鐘便會出現5到10秒丟 Ping 包的情況,那麼為什麼會出現這樣的情況......請看下文

手持無線終端機基本都是採用 802.11g 操作模式,速度可以是由最高的 54Mbps 去到最低的 1Mbps,當手持無線終端機中的 Wi-Fi 卡看到從 AP 發出來的強訊號如 -60dBm,便會先從 54Mbps 的傳送速度嘗試收發,如失敗便會拾級而下,直至找到一個理想的傳送速度,便會保持在那個速度運作,但如果 Wi-Fi 卡過了一段時間發現訊號仍是那麼強,便會又嘗試採用高傳送速度收發。 

在高 Wi-Fi 噪音的環境下,例如 AP端收到 -80dBm 噪音,如一部手持無線終端機從加了高增益天線的高功率 AP 接收到強訊號,例如 -60dBm 的訊號,便會誤以為訊號好而嘗試以 54Mbps 的傳送速度收發數據,但由於不對等情況,能到達 AP 端的訊號只有 -65dBm , 在 -80dBm 的 Wi-Fi 噪音下,SNR 只有15dB,根本只支持11Mbps 的傳送速度,手持無線終端機的 Wi-Fi 卡從54Mbps 的傳送速度一步一步向下調到 11Mbps 便會花了數秒時間,可惜在 11Mbps 正常維持了一段短時間, Wi-Fi 卡又會重新檢查訊號去找出最好的連線速度,此時, Wi-Fi 卡收到 -60dBm 的接收訊號又重新嘗試以 54Mbps 的傳送速度收發數據,周而復始,萬劫不復,便會出現正常運作隔數分鐘便會出現通訊窒步 5 到10秒的情況。有些碼頭會把 AP 設定在 802.11b 模式操作,
Wi-Fi 卡即使在強訊號下仍是採用低速傳送,便不會出現因為速度上上落落為造成的斷斷續續。但這個設定又產生另一個問題。

傳輸速度令數據收發斷斷續續
2.4G Wi-Fi 的不同信道,就像不同的高速公路,讓數據在上面奔馳,當採用 802.11b 運行時,就像踏著自行車 (載波) 載著外賣飯盒 (數據) ,駛上高速公路 (信道) 上,把外賣飯盒送到目的地,如果高速公路不繁忙,自行車雖然行得不快,但仍可以順風順水把飯盒送到目的地,但當高速公路有很多高速行駛的寶馬及Benz 時,自行車要等很久才找到空檔出高速公路 (CSMA模式) ,但由於自行車行得太慢,當整部自行車仍未完全駛出高速公路,很大機會已被寶馬及Benz 碰撞而失事,需要餐廳另找一部自行車重新送外賣飯盒 (重發),最後用戶在 802.11b 模式下,即使能連上 AP,接收訊號強勁,數據傳輸都非常慢,更差的是當附近來了很多 802.11g/n 運作的用戶, 802.11b 用戶便會出現嚴重收發失敗的情況。

有沒有解決方案? 有,就是放棄大覆蓋 Wi-Fi 設計,採用 " 多 AP/小蜂窩" 的設計,如果一個集裝箱碼頭沒有足夠安裝點,即每個安裝點距離少於 300米 ,流動 Mesh 是一個可行的解決方案。

** 作者有十多年在集裝箱碼頭建設 Wi-Fi 網的經驗

更新日期: 2015.1.25

 
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