Привет Хабр! Меня зовут Алексей и я занимаюсь беспроводными технологиями. На написание этой статьи меня сподвиг комментарий уважаемого @NightFlight к статье Большой FAQ про Wi-Fi, который обратил внимание, что многие пользователи ориентируют антенны у роутеров по типу ориентации «заячьи уши» \/ так, как это делали для комнатных телевизионных антенн. В этой статье вспомню немного т��ории, расскажу о разных типах антенн, поляризации, и о том как лучше ориентировать антенны у бытовых роутеров в зависимости от их количества и как ориентация может повлиять на beamforming.

Правильная ориентация антенн Wi-Fi роутера может существенно улучшить качество беспроводного соединения, увеличить скорость передачи данных и расширить зону покрытия сети. Согласно моим тестам, оптимизация расположения антенн способна повысить скорость соединения на 50-300%, а в некоторых случаях улучшить уровень сигнала на 2-4 дБ, что критически важно для устройств, находящихся на границе зоны покрытия. При неправильной ориентации, особенно при несовпадении поляризации передающей и приемной антенн, потери сигнала могут достигать 20 дБ, что фактически делает соединение невозможным.

Теоретические основы беспроводной передачи данных

Зона Френеля: невидимый объем радиоканала

Зона Френеля (Fresnel zone) представляет собой эллипсоидальную область пространства между передающей и приемной антеннами, в которой распространяются радиоволны. Концепция названа в честь французского физика Огюстена-Жана Френеля, который в XIX веке разработал математическое описание дифракции световых волн. Зона Френеля имеет форму трехмерного эллипсоида (напоминающего сигару или сосиску), максимальный диаметр которого находится в центральной точке между антеннами.

О том, что такое зона Френеля и как её рассчитывать написано множество статей и куча гайдов. Я не буду повторяться, но все же объясню, что такое зона Френеля, на простом примере. Возьмите лист бумаги. Нарисуйте напротив друг друга две антенны (пусть это будут направленные антенны) и между ними нарисуйте произвольный эллипс. Вот этот эллипс и будет зоной Френеля. Если вы используете узко направленную антенну, то вертикальный диаметр эллипса будет сужаться и стремиться к прямой. Для того чтобы перейти к 3D миру, нам нужно просто закрутить эллипс вокруг большой оси, и мы получим эллипсоид (ту самую сигару). Если же мы заменим направленную антенну на всенаправленную, то дополнительно нам нужно полученный эллипсоид закрутить вокруг оси антенны, и мы получим область в виде пончика, или, говоря математическим языком, в виде тора.

Давайте подробнее рассмотрим, какие бывают типы антенн. Но если теория вам не интересна, пропустите эту часть и сразу переходите к практическим рекомендациям по ориентации антенн домашних роутеров.

Типы антенн: направленность и диаграммы излучения

Антенны Wi-Fi классифицируются по характеру распределения энергии в пространстве. Основные типы включают:

Всенаправленные антенны (Omnidirectional)

Всенаправленные антенны обеспечивают равномерное излучение сигнала на 360 градусов в горизонтальной плоскости. Это стандартные антенны, установленные в большинстве домашних роутеров. Диаграмма направленности такой антенны в трехмерном пространстве имеет форму тора (пончика), где максимальное излучение происходит перпендикулярно оси антенны.

Если антенна расположена вертикально, то сигнал распространяется преимущественно в горизонтальной плоскости, образуя характерную «мертвую зону» непосредственно над и под антенной. Типичное усиление всенаправленных антенн составляет 2-8 дБи, а дальность действия до 100-300 метров в условиях прямой видимости.

Направленные антенны (Directional)

Направленные антенны концентрируют энергию в определенном секторе, обеспечивая усиление от 8 до 14 дБи и дальность связи до 500-1000 метров. К этому типу относятся панельные антенны и антенны типа «волновой канал» (Yagi). Направленные антенны используются для создания беспроводных мостов между зданиями или для усиления сигнала в определенном направлении.

Узконаправленные антенны (Highly Directional)

Узконаправленные антенны, такие как параболические решетки и параболические рефлекторы, имеют очень узкую диаграмму направленности (10-30 градусов) и высокое усиление (15-26 дБи). Они применяются для организации связи «точка-точка» на расстояниях до 3-10 километров.

Секторные антенны

Секторные антенны обеспечивают покрытие в определенном секторе, обычно 60-180 градусов в горизонтальной плоскости. Типичное усиление составляет 10-18 дБи. Они широко применяются в базовых станциях провайдеров для покрытия определенных территорий.

Поляризация антенн: ключевой параметр эффективности

Поляризация антенны определяется ориентацией вектора электрического поля электромагнитной волны, излучаемой антенной. Для беспроводных систем связи поляризация является критически важным параметром, поскольку максимальная передача энергии происходит только при совпадении поляризаций передающей и приемной антенн.

Линейная поляризация

Линейная поляризация - наиболее распространенный тип в Wi-Fi системах. При линейной поляризации вектор электрического поля колеблется в одной плоскости. Различают:

​Вертикальная поляризация это электрическое поле колеблется вертикально относительно поверхности Земли. Вертикальная поляризация обеспечивает равномерное излучение в горизонтальной плоскости и является стандартом для большинства домашних роутеров.

​Горизонтальная поляризация - электрическое поле колеблется горизонтально. Горизонтальная поляризация часто демонстрирует на 2-3 дБ лучший уровень сигнала по сравнению с вертикальной в определенных условиях, особенно при дальних соединениях.

​Наклонная поляризация (Slant) - электрическое поле ориентировано под углом ±45 градусов к горизонтали. Применяется в некоторых системах точка-точка для снижения помех.​

Двойная поляризация (Dual Polarization)

Двойная поляризация предполагает одновременное использование двух ортогональных поляризаций (например, вертикальной и горизонтальной или ±45°). Это позволяет удвоить пропускную способность канала без увеличения частотной полосы или мощности передатчика, что критично для технологий MIMO (Multiple Input Multiple Output).​

Круговая поляризация

При круговой поляризации вектор электрического поля вращается по кругу в процессе распространения волны. Различают правостороннюю (RHCP) и левостороннюю (LHCP) круговую поляризацию. Круговая поляризация используется в спутниковых системах связи и GPS, но практически не применяется в Wi-Fi.​

Потери при рассогласовании поляризации

Несовпадение поляризаций передающей и приемной антенн приводит к значительным потерям сигнала. При перпендикулярной ориентации поляризаций (например, вертикальная антенна передает на горизонтальную) потери могут достигать 20 дБ и более, что фактически означает полную потерю связи. Даже частичное рассогласование на 45 градусов приводит к потерям около 3 дБ.

Практические рекомендации по ориентации антенн

Думаю, можно закончить с теоретической частью и перейти к практике. На практике же ориентация антенн в бытовых роутерах оказывается сложнее, чем ориентация профессиональных направленных антенн. С одной стороны, здесь меньше вариантов, где можно ошибиться: у тебя только одна направленная антенна, которая вещает в одну сторону, и мы понимаем, что приемник, например, не может оказаться за антенной. В бытовом роутере у нас может быть штук 6 антенн, и клиент может находиться практически в любом месте вокруг роутера. Главное для правильной настройки направленных антенн это учитывать два старых правила. Первое – 60% первой зоны Френеля должно быть свободно от препятствий; в идеале антенна должна быть в прямой видимости. Второе - правильная поляризация. Здесь секретов никаких нет, нужно об этом просто помнить и соблюдать то, что написано в инструкции. Обычно на антеннах присутствует наклейка, напоминающая о поляризации.

Главное для правильной настройки направленных антенн это учитывать два старых правила. Первое – 60% первой зоны Френеля должно быть свободно от препятствий; в идеале антенна должна быть в прямой видимости. Второе - правильная поляризация.

Принципы оптимального размещения антенн бытовых роутеров

Итак, бытовой роутер, как правило, оснащается всенаправлеными антеннами. Диаграмма направленности такой антенны имеет форму тора, где максимальное излучение происходит перпендикулярно оси антенны. Это означает:​

• Вертикальная антенна излучает преимущественно в горизонтальной плоскости

• Горизонтальная антенна излучает в вертикальной плоскости

• Антенна под углом 45° обеспечивает смешанное покрытие

Оптимальная конфигурация зависит от архитектуры помещения, количества этажей и расположения клиентских устройств.

Конфигурация для роутеров с одной антенной

Для одноэтажных помещений (квартиры, офисы на одном уровне) рекомендуется вертикальное положение антенны (90° относительно горизонтали). Это обеспечивает максимальное горизонтальное распространение сигнала, покрывая все помещения на том же этаже.​

Для многоэтажных домов при размещении роутера на одном из этажей следует наклонить антенну под углом 30-45 градусов. Это позволяет частично направить сигнал на верхние или нижние этажи, хотя покрытие будет менее эффективным, чем при использовании нескольких антенн.

Конфигурация для роутеров с двумя антеннами

Для роутеров с двумя внешними антеннами существует несколько оптимальных конфигураций:​

Одноэтажные помещения: Обе антенны устанавливаются вертикально. Это максимизирует горизонтальное покрытие на одном уровне.​

Многоэтажные помещения: Наиболее эффективная конфигурация - одна антенна вертикально, вторая горизонтально (перпендикулярно первой). Вертикальная антенна обеспечивает горизонтальное покрытие на каждом этаже, а горизонтальная - распространение сигнала вверх и вниз между этажами.

Альтернативный вариант - обе антенны под углом 45 градусов в противоположных направлениях. Угол между антеннами должен составлять 90 градусов для максимальной эффективности системы MIMO.

Конфигурация для роутеров с тремя антеннами

Для трех антенн рекомендуется следующая конфигурация:​​

• Центральная антенна - вертикально (90°)

• Боковые антенны - под углом примерно 45 градусов в разных направлениях от центра

Эта конфигурация обеспечивает баланс между горизонтальным покрытием (центральная антенна) и вертикальным распространением сигнала (боковые антенны под углом). Такая схема оптимальна для многоэтажных домов средних размеров и офисов.

Конфигурация для роутеров с четырьмя антеннами

Роутеры с четырьмя внешними антеннами предоставляют максимальную гибкость для покрытия больших и многоэтажных помещений:​

Базовая конфигурация: Все четыре антенны вертикально — для максимального горизонтального покрытия на одном этаже.​

Оптимальная конфигурация для многоэтажных зданий:

• Две антенны - вертикально (обеспечивают горизонтальное покрытие)

• Две антенны - под углом 45 градусов в противоположных направлениях (обеспечивают вертикальное распространение)​

Эта конфигурация создает трехмерную зону покрытия, эффективно обслуживая как устройства на том же этаже, так и на верхних/нижних этажах.

​Простое правило при ориентации антенн. Мысленно одеваете на каждую антенну пончик и начинаете его увеличивать. Если все клиенты находятся внутри пончиков вы достигли правильной ориентации.

Как ориентация антенн влияет на beamforming

Собственно статью можно было бы закончить уже на предыдущем абзаце. Если бы не такая штука как beamforming. Beamforming (формирование луча) - технология, позволяющая точке доступа фокусировать Wi-Fi сигнал в направлении конкретного клиентского устройства, вместо равномерного излучения во всех направлениях. Это достигается за счет манипулирования фазами и амплитудами сигналов, передаваемых через множество антенн.

​Принцип работы beamforming основан на конструктивной интерференции: точка доступа отправляет тестовый сигнал клиенту, получает обратную связь о качестве приема, и на основе этих данных рассчитывает оптимальные фазовые сдвиги для каждой антенны. В результате волны от разных антенн складываются в фазе в точке расположения клиента, создавая усиленный сигнал.

Улучшение производительности:

• Прирост уровня сигнала: +3-4 дБ в идеальных условиях​

• Увеличение дальности связи: до 150-300%​

• Повышение стабильности соединения за счет снижения помех

Beamforming является обязательной частью стандартов 802.11ac и 802.11ax (Wi-Fi 5 и Wi-Fi 6). Важно отметить, что для работы beamforming необходима поддержка со стороны как точки доступа, так и клиентского устройства.

MU-MIMO: многопользовательская передача

MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) это технология, позволяющая точке доступа одновременно передавать данные нескольким клиентским устройствам по отдельным пространственным потокам. Это принципиально отличается от обычного MIMO (SU-MIMO, Single-User MIMO), где все антенны работают с одним устройством в каждый момент времени.

Принцип работы:

• Точка доступа с, например, 4 антеннами может одновременно отправить по одному потоку данных трем разным смартфонам​

• MU-MIMO использует beamforming для направления каждого потока к конкретному клиенту и одновременно для создания «нулей» (минимумов сигнала) в направлении других клиентов, чтобы избежать помех​

• Клиентские устройства группируются по их пространственным характеристикам — устройства, находящиеся в разных физических локациях, могут обслуживаться одновременно

MU-MIMO является обязательной функцией 802.11ac Wave 2 и более поздних стандартов. Важно, что MU-MIMO в Wave 2 работает только в нисходящем канале (от точки доступа к клиентам), тогда как стандарт 802.11ax (Wi-Fi 6) поддерживает MU-MIMO в обоих направлениях.

Ориентация антенн для роутеров с Beamforming и MU-MIMO

Для роутеров, поддерживающих технологии beamforming и MU-MIMO, рекомендации по ориентации антенн кардинально отличаются от роутеров без этих технологий: Ключевая рекомендация: все антенны должны быть установлены ВЕРТИКАЛЬНО (строго перпендикулярно горизонтальной поверхности).

Дело в том алгоритмы beamforming предполагают, что все антенны находятся в стандартной вертикальной позиции для корректного расчета фазовых сдвигов и определения положения клиентских устройств. Изменение угла антенн может нарушить математические расчеты системы beamforming, что приведет к снижению эффективности вместо улучшения. Большинство производителей (TP-Link, Asus, Netgear и другие) прямо указывают в инструкциях к роутерам с beamforming, что антенны должны оставаться в вертикальном положении по отношению к горизонту. То етсь, даже если вы разметаете роутер на стене в вертикальном положении антенны нужно ориентировать четко вверх.

Однако вертикальное расположение антенн будет не совсем оптимальным в многоэтажном доме. Например, прямо над роутером возникнет мертвая зона («дырка от пончика»), и приём там будет хуже. В этом случае можно воспользоваться базовыми рекомендациями и наклонить пару антенн. Да, мы частично потеряем возможности beamforming-а, но донесём сигнал до второго этажа. Оптимально всё же использовать вертикальную ориентацию антенн и разместить на втором этаже ещё один роутер либо поднять первый выше, ближе к центру дома и в такое место, где под и над ним не будет ожидаться клиентских устройств.