MĚŘENÍ VYSÍLACÍHO VÝKONU A ŠÍŘKY KANÁLU Úkol měření: Zobrazte na spektrálním analyzátoru hodnoty vysílacího výkonu a šířky kanálu jednotlivých WIFI zařízení. Určete u každého zařízení vysílací výkon jednotlivých zařízení, frekvenci a šířku kanálu. Zhodnoťte, zda zařízení pracují podle platné legislativy. Výsledky uspořádejte do přehledné tabulky. Teoretický rozbor: Rádiová zařízení (frekvence) jsou v ČR provozovány podle Plánu využití rádiového spektra. Části plánu využití rádiového spektra vydává Český telekomunikační úřad jako příslušný orgán státní správy podle 108 odst. 1 písm. b) zákona č. 127/2005 Sb., o elektronických komunikacích a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o elektronických komunikacích), ve znění pozdějších předpisů, na základě výsledků veřejné konzultace uskutečněné podle 130 zákona, rozhodnutí Rady Úřadu podle 107 odst. 8 písm. b) bod 2 a k provedení 16 odst. 2 zákona opatřeními obecné povahy. 1. Plán využití rádiového spektra Plán je tvořen společnou částí plánu využití rádiového spektra a částmi plánu využití rádiového spektra pro kmitočtová pásma vymezená dolním a horním mezním kmitočtem. ČTÚ v plánu využití rádiového spektra stanoví technické parametry a podmínky využití rádiového spektra radiokomunikačními službami. Plán navazuje na plán přidělení kmitočtových pásem (národní kmitočtová tabulka) a je tvořen společnou částí plánu využití rádiového spektra a částmi plánu využití rádiového spektra pro kmitočtová pásma vymezená dolním a horním mezním kmitočtem. Společná část plánu využití rádiového spektra byla uveřejněna v Telekomunikačním věstníku částce 14/2005. Části plánu využití rádiového spektra pro kmitočtová pásma vymezená dolním a horním mezním kmitočtem vycházejí průběžně v Telekomunikačním věstníku. Pro naše účely je zajímavé : Společná část plánu využití rádiového spektra č. PV/10.2005-35, uveřejněná v částce 14/2005 Telekomunikačního věstníku. Část plánu využití rádiového spektra č. PV-P/14/12.2008-18 pro kmitočtové pásmo 2200 2700 MHz, uveřejněná v částce 18/2008 Telekomunikačního věstníku. Část plánu využití rádiového spektra č. PV-P/24/07.2006-24 pro kmitočtové pásmo 4200 5925 MHz, uveřejněná v částce 21/2006 Telekomunikačního věstníku. 1
Výpis z části plánu využití rádiového spektra č. PV-P/24/07.2006-24 2
Některé frekvence, které jsou využívány na základě VO. 27 MHz 433 MHz Provozování je možné podle VO-R/10/03.2007-4. Provozování je možné podle VO-R/10/03.2007-4 (pouze přenos dat; bezdrátová sluchátka nejsou povolena). 863 865 MHz Provozování akustických aplikací je možné podle VO-R/10/03.2007-4. 868 870 MHz Provozování je možné podle VO-R/10/03.2007-4. 2,4 GHz Provozování (RLAN, RFID, zařízení krátkého dosahu) je možné podle VO- R/12/08.2005-34nebo VO-R/10/03.2007-4. V ČR je povoleno (přiděleno) více frekvencí k volnému využití, např. radioamatérská pásma, pásmo 10GHz, pásma používaná pro RFID čipy a podobně. Nejznámějšího využití se pravděpodobně dostalo pásmu 2,4GHz, kde je používáno nejenom pro datovou komunikaci (internet), ale i pro ovládání zařízení (dálkové ovladače vrat, natáčení satelitních pozicionérů) a pásmu 5GHz, které svou propustností poskytuje dostatečný prostor pro použití i komerčních internetových poskytovatelů. Zařízení pracující v pásmu 2,4GHz a 5GHz používají různé typy modulací, podle toho také lze určit, který typy zařízení se ve vzduchu vidí a jsou spolu schopny komunikovat a které, přestože pracují na stejném kanále, spojení nenavážou. Velký počet modulací postupně vedl k vzniku standartů, známých pod označením 802.11x. Níže v tabulce uvádíme nejznámější, které se přímo týkají měřené úlohy. Přehled standardů IEEE 802.11 Standard Rok vydání Pásmo [GHz] Maximální rychlost teoretická [Mbit/s] Fyzická vrstva (modulace) původní IEEE 802.11 1997 2,4 2 DSSS a FHSS IEEE 802.11a 1999 5 54 OFDM IEEE 802.11b 1999 2,4 11 DSSS IEEE 802.11g 2003 2,4 54 OFDM IEEE 802.11n 2009 2,4 nebo 5 300 MIMO DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - technika přímého rozprostřeného spektra. Je jednou z metod pro rozšíření spektra při bezdrátovém přenosu dat. OFDM je zkratka z anglického Orthogonal Frequency Division Multiplexing, česky ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením. Jde o přenosovou techniku, pracující s tzv. rozprostřeným spektrem, signál je vysílán na více nezávislých frekvencích, což zvyšuje 3
odolnost vůči interferenci. Nevýhodou je nutnost opakování přenosu celého datového bloku v případě ztráty části dat. S výhodou se používá na krátké vzdálenosti (kanceláře, kavárny a podobně, případně v nezarušeném prostředí). Modulační metoda OFDM spočívá v rozložení vysílání a použití několika nosných kmitočtů. Nosné jsou dále modulovány modulacemi QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM. V automatickém režimu vybírá zařízení vhodnou modulaci podle úrovně signálu. Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních. Multiple-input multiple-output (MIMO), česky více vstupů více výstupů, používá zároveň více vstupů i výstupů (antén). Na trhu existují zařízení, které používají vlastní způsoby modulace (Trango, Motorola, Alvarion) mimo standart 802.11x. Výhodou je vyšší zabezpečení dat pro odposlech je nutno složitější vybavení. Nevýhodou nekompatibilita s jinými systémy. 2. Vysílací výkony zařízení : V pásmu 2,4GHz je povolen maximální výstupní výkon za anténou 100mW což odpovídá hodnotě 20dB. V pásmu 5GHz je povolen maximální výkon 30dB pro zařízení vybavená technikou ATPC (Automatic transmit power control v případě detekce kolize (meteo nebo letištního radaru) automaticky snižuje vysílací výkon o 3dB (polovina vysílacího výkonu). Součastně platí i omezení uvedená ve Všeobecných oprávněních (VO) níže, zejména co se týká hodnot spektrální hustoty, nutnosti použít DFS (dynamic frequency selection) a podobně. V oblasti 5 GHz je možný provoz podle VO-R/12/08.2005-34 a VO-R/10/03.2007-4 v pásmu 5,15 5,35 GHz (pouze uvnitř budov), v pásmu 5,470 5,725 GHz (standard IEEE 802.11a) a s malým výkonem (25 mw e.i.r.p.) též v pásmu 5,725 5,875 GHz. 4
Výpis z VO-R/12/08.2005-34, článek 2, strana 2/5 Měření vysílacího výkonu a šířky kanálu WIFI rádiového zařízení, pracujícího na frekvenci 5,8GHz: Jako zobrazovací jednotka je použit ESPI7. Pro tuto úlohu je třeba zakoupit 3 rádiové jednotky sloužící jako zdroj signálu pro měření. Vzhledem k nutnosti vysoké odolnosti zařízení proti neodborným zásahům jsme vybrali jednotku WLA 5000 společnosti Airlive. Dále použijeme patřičné propojovací kabely s garantovaným PSV lepším než -25dB a propojovací kabely měřené s PSV lepším než -20dB (zahrnuty v ostatním materiálu). Rádiové jednotky mají nastavené různou šířku pásma v režimu 802.11a 5 MHz, 20MHz a 40MHz. Spektrálním analyzátorem studenti vyhodnocují skutečnou šířku pásma používanou zařízením. Vysílací výkon jednotek je zobrazován a odečítán ze stínítka spektrálního analyzátoru a dále vyhodnocován. 3. Rastr, rozteč kanálů. Teoretickou maximální dosažitelnou propustností při použití OFDM je hranice 54Mbit (jde o modulační rychlost druhé linkové vrstvy). S teoreticky dosahovanou propustností 5
úzce souvisí i šířka použitého kanálu. Platná legislativa umožňuje v ČR použít kanálovou rozteč (šířku pásma) 20MHz a nižší. Pokud bychom použili vyšší šířku pásma, překročíme už na vzdálenosti několika desítek metrů maximální hodnoty spektrální hustoty. V praxi se používá i šířka pásma 10MHz nebo 5MHz. Dosahovaná přenosová rychlost je sice výrazně nižší, ale spojení funguje na delší vzdálenosti, případně je možno použít antény menších zisků (rozměrů). Přestože se jedná o volná pásma, uvedení aktivního zařízení na trh podléhá schvalování a provoz zařízení může (a občas bývá) kontrolován oprávněnými pracovníky ČTU správy kmitočtového spektra. Z výše uvedeného vyplývá povinnost provozovatele provozovat pouze homologovaná zařízení a to v souladu s platnou legislativou. Za provoz zařízení je odpovědný provozovatel, nikoliv prodejce (dodavatel). Za aktivní zařízení se považují veškerá zařízení, která provádějí vlastní modulaci. Antény a kabely se za aktivní zařízení nepovažují, pokud se nejedná o kompletní box aktivního prvku s anténou. Zadání: 1. Seznamte se se základními funkcemi a ovládáním použitého spektrálního analyzátoru Rohde & Schwarz ESPI 7 pro vyhodnocování základních VF parametrů (výkon, frekvence, zisk, útlum). 2. Spektrálním analyzátorem zaznamenejte postupně průběh signálu vysílaného z rádiových jednotek. 3. Z naměřených hodnot určete použitou frekvenci a šířku pásma. 4. Z naměřených hodnot určete vysílací výkon rádiové jednotky, zohledněte případný útlum kabelu. 5. Zhodnoťte, zda zařízení jsou provozována podle platné legislativy (vysílací výkon, použitá frekvence, šířka kanálu). 6. V závěru můžete uvést výpočet naměřené spektrální hustoty vysílacího zařízení a okomentovat jej. Nastavení analyzátoru: Vstupní impedance měřícího konektoru by měla být 50W, v případě, že používáte jinou vstupní impedanci, proveďte přepočet. Nastavte analyzátor pro zaznamenávání maximálních hodnot signálu. Vysílače WIFI signálu pracují v nespojitém režimu, protože je použita pouze jedna rádiová jednotka pro příjem i vysílání, je nutno odečítat maximální hodnoty a pomocí analyzátoru dopočítat obálku signálu. Postup měření 1. Zapojíme spektrální analyzátor ESPI7 do elektrické sítě a zapneme jej. Po cca 10ti minutách je připraven k měření. Při práci s analyzátorem je nutno dbát zvýšené opatrnosti, zejména co se týká statické elektřiny, případně při měření výstupního výkonu zařízení. Maximální vstupní úroveň signálu je 45dB. Překročení vstupní 6
úrovně signálu do analyzátoru vede k jeho poškození, případně zničení (ověřeno, nezkoušet). 2. Na analyzátoru nastavíme měření špičkových hodnot signálu. 3. Zapojíme do napájení měřené rádiové jednotky. Vyčkáme cca 2-5 minut. Poté je zařízení připraveno k měření. 4. Nastavíme na analyzátoru rozsah měřené frekvence 2GHz 6GHz pro hrubé určení vysílací frekvence. 5. Připojíme měřené zařízení pomocí propojovacího pigtailu (kabelu) k analyzátoru. 6. Určíme přibližně vysílací frekvenci. 7. Nastavíme analyzátor pro přesné určení frekvence a šířky pásma 8. Odečteme z obrazovky analyzátoru (počítače) naměřené hodnoty frekvenci, šířku pásma a vysílací výkon. 9. Data uložíme tak, abychom je byli schopni přiložit k protokolu. 10. Body 3 9 opakujeme pro všechny jednotky určené k měření. 11. Zpracujeme protokol Způsob vyhodnocení Do protokolu uveďte: 1. Tabulku naměřených hodnot frekvence, šířky kanálu a výkonu 2. Přiložte grafy naměřených hodnot. 3. Vyhodnocení naměřených hodnot z hlediska dodržení R/12/08.2005-34, VO- R/10/03.2007-4 včetně komentáře. 7