Теория:Беспроводные сети:Измерение сигнала
Введение
Беспроводные сети имеют много параметров, которые могут быть измерены. Основными являются:
- Децибелы (дБ, dB)
- Децибелмиливаты (дБм, dBm)
- Изотропные децибелы (ДБи, dBi)
- Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR)
Децибелы (дБ, dB)
Децибелы - это логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений. Величина, выраженная в децибелах, численно равна десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять.
dB = 10 * log10(P2/P1)
Простым языком: в разрезе Wi-Fi в Децибелах измеряют то насколько беспроводной сигнал стал сильнее или слабее.
Сила радиочастотного (РЧ) сигнала обычно измеряется ее мощностью в Ваттах (Вт) (англ. W - Watt). Например типичная AM-радиостанция вещает с мощностью 50.000 Ватт; FM-радиостанция может вещать с мощностью 16.000 Ватт. Обычный Wi-Fi передатчик обычно имеет мощность до 0,1 Ватт (100 мВатт).
Когда мощность измеряется в Ваттах или милиВаттах, то это считается абсолютным измерением. Иногда надо сравнить мощность двух разных передатчиков. Например 1-ый передатчик (T1) вещает с мощностью 1 мВт, 2-ой передатчик (T2) вещает с мощностью 10 мВт, а 3-ий передатчик (T3) вещает с мощностью 100 мВт.
Итого: T2 больше чем T1 на 9 мВт и в то же время в 10 раз мощнее, T3 больше чем T2 на 90 мВт и в то же время в 10 раз мощнее.
Более интересная картина получится, если мы попытаемся сравнить 4-ый передатчик (T4), который вещает с мощностью 0,00001 мВт и 5-ый передатчик (T5), который вещает с мощностью 10 мВт.
Итого: T5 больше чем T1 на 9,99999 мВт и в то же время в 1.000.000 раз мощнее.
Так какой же способ использовать? Сравнение абсолютных значений в мВт или сравнение относительных значений в "разах"?
По этой причине начали использовать логарифмическую функцию. Используется десятичный логарифм, который обозначает, в какую степень должно быть возведено число 10, что бы получить нужное число. Например:
- log10(10)=1 потому, что 10 в степени 1 равно 10
- log10(100)=2 потому, что 10 в степени 2 равно 100
- log10(1000)=3 потому, что 10 в степени 3 равно 1000
- и т. д.
Децибелы (дБ) - это функция, которая использует логарифмы для сравнения двух абсолютных значений друг с другом. После того, как каждое значение мощностью конвертировано в логарифмическую шкалу два значения могут использоваться для вычисления разницы. Следующая формула используется для вычисления мощности в дБ, где P1 и P2 - это абсолютные значения мощности двух передатчиков:
dB = 10(log10P2 - log10P1)
P2 - это интересующий нас передатчик, а P1 обычно называется относительной мощностью или источником сравнения.
Приведенная выше формула может быть переписана в виде:
dB = 10 * log10(P2/P1)
В таком представлении вначале вычисляется абсолютное отношение мощностью двух передатчиков и затем результат конвертируется в логарифмическую шкалу.
Важные факторы про децибелы для запоминания
| Изменение мощности | Значение в dB |
|---|---|
| /1000 | -30 dB |
| /100 | -20 dB |
| /10 | -10 dB |
| /2 | -3 dB |
| = | 0 dB |
| x2 | +3 dB |
| x10 | +10 dB |
| x100 | +20 dB |
| x1000 | +30 dB |
Децибел-миливатты (дБм, dBm)
Децибел-миливатт показывает, во сколько раз измеряемая мощность больше или меньше 1 милливатта. В случае измерения в децибел-миливаттах точкой отсчета является 1 мВт, которая равна уровню сигнала в 0 dBm. В разрезе Wi-Fi в децибел-миливаттах измеряют мощность сигнала, который отдает или принимает беспроводное устройство.
В реальной жизни передатчик может отдавать сигнал мощностью (Tx) 100 мВт, а приемник при этом получать (Rx) 0,000031623. С помощью приведенной выше формулы мы можем вычислить следующее: dB = 10 * log10(0,000031623 мВт / 100 мВт) = -65 dB. Т. е. мы получили, что по мере прохождения сигнала от передатчика к приемнику он изменился на -65 dB.
В децибелах вычисляется отношение мощностей сигналов, а в децибел-миливаттах отношение сигнала и одного миливатта. Таким образом нам ставится удобнее сравнивать каждое абсолютное значение с некоей эталонной точкой отсчета. Если мощность сигнала менее 1 мВт, его уровень отрицателен. Например, чувствительность беспроводного сетевого адаптера стандарта 802.11b при пропускной способности 2 Мбит/с может равняться -90 дБм. Обратите внимание, что dBm может быть добавлена по ходу пути: мощность передатчика dBm + сетевые потери в dB = полученный сигнал в dBm.
| Значение в dBm | Значение в mW |
|---|---|
| 30 | 1000 |
| 20 | 100 |
| 17 | 50 |
| 14 | 25 |
| 11 | 12,5 |
| 8 | 6,25 |
| 5 | 3,13 |
| 2 | 1,56 |
| 0 | 1 |
| -1 | ~0,79 |
| -5 | ~0,32 |
| -10 | 0,1 |
| -20 | 0,01 |
| -30 | 0,001 |
| -40 | 0,0001 |
| -50 | 0,00001 |
| Оценка | Сигнал (дБм) |
|---|---|
| Отличный | > -35 |
| Очень хороший | от -51 до -35 |
| Хороший | от -81 до -50 |
| Плохой | от -101 до 80 |
| Нет соединения | < -100 |
Изотропный децибел (дБи, dBi)
Изотропный децибел (dBi) — Разновидность децибела. Характеризует идеальную антенну, у которой диаграмма направленности выглядит в виде идеальной сферы (идеального шара). Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются относительно усиления изотропной антенны и измеряются в изотропных децибелах. То есть, когда говорят, что коэффициент усиления какой-либо антенны равен 12 децибел, подразумевается 12 dBi.
Правила действий с размерными величинами
Следующие правила являются следствием правил действий с размерными величинами:
- перемножать или делить «децибельные» значения нельзя (это бессмысленно);
- суммирование «децибельных» значений соответствует умножению абсолютных значений, вычитание «децибельных» значений — делению абсолютных значений;
- суммирование или вычитание «децибельных» значений может выполняться независимо от их «исходной» размерности. Например, равенство 10 дБм + 13 дБ = 23 дБм является корректным, полностью эквивалентно равенству 10 мВт · 20 = 200 мВт и может трактоваться как «усилитель с коэффициентом усиления 13 дБ увеличивает мощность сигнала с 10 дБм до 23 дБм». Но в то же время 10 дБм — 7 дБм = 3 дБ, поскольку это эквивалентно 10 мВт / 5 мВт = 2 (раза).
Примеры операций, их результат и значение:
| Операнды | Результат | Значение операции |
|---|---|---|
| дБ + дБ | дБ | Произведение двух чисел |
| дБ − дБ | дБ | Отношение двух чисел |
| дБм + дБм | нет | Произведение мощностей (бессмысленно) |
| дБм − дБм | дБ | Отношение мощностей |
| дБм + дБ | дБм | Увеличение мощности |
| дБм − дБ | дБм | Ослабление мощности |
Вычисления в уме
Операции с децибелами можно выполнять в уме:
- вместо умножения выполнять сложение
- вместо деления выполнять вычитание
- вместо возведения в степень выполнять умножение
- вместо извлечения корня выполняется деление
Для этого полезно запомнить соответствия:
- 1 дБ → в ≈1,26 раза
- 3 дБ → в ≈2 раза
- 10 дБ → в 10 раз
- 20 дБ → в 100 раз
Далее, раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:
- 6 дБ = 3 дБ + 3 дБ → в ≈2·2 = в 4 раза,
- 9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ → в ≈2·2·2 = в 8 раз,
- 12 дБ = 4 · (3 дБ) → в ≈24 = в 16 раз
- 13 дБ = 10 дБ + 3 дБ → в ≈10·2 = в 20 раз,
- 20 дБ = 10 дБ + 10 дБ → в 10·10 = в 100 раз,
- 30 дБ = 3 · (10 дБ) → в 10³ = в 1000 раз
и т. п.
Более сложные примеры:
- уменьшение мощности в 40 раз это в 2*2*10 раз или на −(3 дБ + 3 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;
- увеличение мощности в 128 раз это 27 или на 7·(≈3 дБ) = 21 дБ;
Еще примеры:
Передатчик T1 = 4мВт
Передатчик T2 = 8мВт
Передатчик T3 = 16мВт
Передатчик T4 = 5мВт
Передатчик T5 = 200мВт
В мВт: передатчик T2 = T1*2, а в дБ T2 = T1 + 3 дБ
В мВт: передатчик T3 = T2*2, а в дБ T3 = T2 + 3 дБ
В мВт: передатчик T5 = T4*2*2*10, а в дБ T5 = T4 + 3 + 3 + 10 дБ, т. е. T5 = T4 + 16 дБ
Пример расчета
Итоговую мощность сигнала, которую получит приемник можно рассчитать по формуле:
Сигнал Rx = Мощность передатчика Tx - Потери в кабеле Tx + Усиление антенны Tx - Потери во время передачи по воздуху + Усиление антенны Rx - Потери в кабеле Rx
Для приведенного выше примера:
Сигнал Rx = 20 dBm - 2dB + 4 dBi - 69 dB + 4 dBi - 2dB = -45 dBm
SNR
Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
SNR(dB) = 10 * log10(Psignal/Pnoise)
Где signal - средняя мощность сигнала, а Pnoise - средняя мощность шума.
Чем больше SINR тем лучше. Считается хорошей практикой настраивать точку доступа на работу на канале только если его сигнал больше или равен 19 dBm любому другому сигналу на этом канале. Разделение на 19 dBm помогает поддерживать нормальный уровень SNR.
RSSI
RSSI (англ. received signal strength indicator) (Показатель уровня принимаемого сигнала) — полная мощность принимаемого приёмником сигнала. Измеряется приёмником по логарифмической шкале в дБм (dBm, децибел относительно 1 милливатта). Значение RSSI плохо коррелирует с качеством сигнала, но может использоваться для его приблизительной оценки. Более точную оценку можно получить с помощью параметра индикатор качества сигнала (LQI). Если говорить простым языком, то RSSI - это измерение того насколько "громко" ваше устройство слышит сигнал идущий от точки доступа или маршрутизатора. Важно понимать, что RSSI - это не то же самое, что и мощность передатчика точки доступа. Стандарт IEEE 802.11 определяет, что RSSI может принимать значение между 0 и 255 и каждый производитель беспроводных модулей сам определяет собственное максимальное значение RSSI. Например, у Cisco это значения 0-100, у Atheros 0-60.
RSSI vs dBm
dBm и RSSI это разные единицы измерения, которые представляют одно и то же: уровень сигнала. Разница в том, что RSSI - это относительный индекс, а dBm - это относительное значение представляющие уровень мощности в мВт.
Как определить хороший ли сигнал
При оценке уровня сигнала надо понимать, что это получаемый сигнал в dBm это не единственная характеристика. Вполне реальны ситуации, когда уровень сигнала отличный, но при этом в непосредственной близости имеются другие точки, которые работают на том же канале из-за чего SNR оказывается плохим и, как результат скорость и стабильность работы с точкой будет плохой.