7. Meˇrˇenı´ parametru˚ syste´mu WLAN IEEE802.11b (na´vod ke cvicˇenı´ z 37LBR)
Cı´lem tohoto experimentu je promeˇrˇit parametry prˇ´ıstupove´ho bodu (Access Pointu) Trendnet TEW-510 802.11ag vcˇetneˇ prˇilozˇene´ kabela´zˇe a panelove´ ante´ny. Experiment zahrnuje meˇrˇenı´ vy´stupnı´ho spektra, cˇasovy´ch parametru˚ na´beˇhu a dobeˇhu vysı´lacˇe, parametru˚ pouzˇite´ modulace, deko´dova´nı´ informacı´ vyslany´ch v BEACON impulsu, meˇrˇenı´ impedancˇnı´ charakteristiky panelove´ ante´ny, u´tlumu ante´nnı´ho svodu a oveˇrˇenı´ informacı´ zobrazovany´ch programovy´m vybavenı´m dodany´m k PCMCIA Wi-Fi karteˇ.
´ kol meˇrˇenı´ U 1. Zmeˇrˇte kmitocˇtovou za´vislost impedance a PSV panelove´ ante´ny v pa´smu 2400 MHz azˇ 2500 MHz. 2. Zmeˇrˇte kmitocˇtovou za´vislost impedance a PSV panelove´ ante´ny s ante´nnı´m svodem v pa´smu 2400 MHz azˇ 2500 MHz. 3. Promeˇrˇte signa´l na ante´nnı´m konektoru AP – zjisˇteˇnı´ za´kladnı´ch informacı´. 4. Zmeˇrˇte parametry vysı´lacˇe AP – doba na´beˇhu, doba dobeˇhu, celkova´ doba trva´nı´ BEACON impulsu a jeho opakovacı´ kmitocˇet. 5. Zmeˇrˇte parametry spektra – sˇ´ırˇka pa´sma, vy´kon. 6. Zmeˇrˇte parametry pouzˇ´ıvane´ modulace – chyba nosne´, EVM... 7. Deko´dujte data vysı´lana´ AP v BEACON intervalu. 8. Oveˇrˇte spra´vnost hodnot zı´skany´ch programovy´m vybavenı´m vy´robce pro PCMCIA Wi-Fi kartu.
Doma´cı´ prˇ´ıprava 1. Jaky´ je kmitocˇtovy´ rozsah syste´mu WLAN 802.11b (pa´smo 2,4 GHz)? Jake´ jsou strˇednı´ kmitocˇty pro jednotlive´ kana´ly v Evropeˇ? 2. Jaka´ je sˇ´ırˇka kmitocˇtove´ho pa´sma pro jeden kana´l? Revize 1.0.0 z 18. listopadu 2007
3. Jake´ modulace jsou pouzˇity pro WLAN 802.11b? 4. Jak se realizuje rozprostrˇenı´ spektra? 5. Co to je kmitocˇtova´ maska? Jaka´ je prˇedepsana´ kmitocˇtova´ maska pro syste´m 802.11b? 6. Jake´ informace obsahuje BEACON impuls, jaka´ je struktura ethernet paketu? 7. Jaka´ je symbolova´ rychlost vysı´lane´ho BEACON impulsu? 8. Jaka´ je typicka´ impedance panelove´ ante´ny pro syste´m WLAN 802.11b?
Prˇ´ıstrojove´ vybavenı´ pracovisˇteˇ • AP Trendnet TEW-510 • PCMCIA Avaya silver, PC • Panelova´ ante´na, svodovy´ kabel • Osciloskop Agilent (pro generova´nı´ synchronizace) • Obvodovy´ analyza´tor Advantest R3765CG • Spektra´lnı´ analyza´tor FSQ3 • Detektor, T-cˇla´nek, u´tlumove´ cˇla´nky, kabely,...
Doporucˇena´ literatura [1] ANSI/IEEE Std 802.11: Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY). Specifications 1999 Edition (R2003) [2] Boehr, J.: Direct Sequence Spread Spectrum Physical Layer Specification IEEE 802.11. Lucent Technologies WCND Utrecht, IEEE P802.11-96/49E, March 1996. [3] Zˇalud, V.: Modernı´ radioelektronika. Praha, BEN – technicka´ literatura 2000.
Obsah dokumentu 1 Strucˇna´ teorie 1.1 Beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Spektra´lnı´ maska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 3
2 Meˇrˇenı´ 2.1 Impedancˇnı´ charakteristika ante´ny . . . . . . . . . 2.2 Soustava panelova´ ante´na s ante´nnı´m svodem . . . 2.3 Meˇrˇenı´ na AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Parametry vysı´lacˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Parametry vysı´lane´ho spektra . . . . . . . . . . . . 2.6 Meˇrˇenı´ vlastnostı´ modulace . . . . . . . . . . . . . 2.7 Deko´dova´nı´ vysı´lany´ch dat . . . . . . . . . . . . . 2.8 Oveˇrˇenı´ programove´ho vybavenı´ k PCMCIA karteˇ
4 4 4 5 6 6 7 8 8
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
U´loha 7 – Meˇrˇenı´ parametru˚ syste´mu WLAN IEEE802.11b
1 Strucˇna´ teorie Fyzicka´ vrstva IEEE802.11b je realizova´na ra´diovy´m prˇenosem. Maxima´lnı´ vy´kon vysı´lacˇe je omezen na 100 mW (20 dBm, v Evropeˇ). Pro prˇenos dat se pouzˇ´ıva´ modulace DBPSK/DQPSK a prˇ´ıme´ho rozprostrˇenı´ spektra (DSSS, ale pu˚vodnı´ definice 802.11 uva´dı´ FHSS). Podrobne´ informace k pouzˇite´ metodeˇ rozprostrˇenı´ spektra, ko´dova´nı´ dat a synchronizaci najdete v literaturˇe [1] a [2].
1.1 Beacon Komunikaci zarˇ´ızenı´ typu 802.11b v rezˇimu infrastruktury inicializuje prˇ´ıstupovy´ bod (Access Point, AP) opakovany´m vysı´la´nı´m BEACON impulsu. BEACON obsahuje synchronizacˇnı´ sekvenci – posloupnost 128 (56) bitu˚ (PLCP Synchronisation), 16 bitu˚ oddeˇlovacˇe (Start Frame Delimiter) a 48 bitu˚ PLCP hlavicˇky vzˇdy na prˇenosove´ rychlosti 1 Mb/s nebo 2 Mb/s – obra´zek 1. Blok prˇena´sˇeny´ch dat MPDU pak mu˚zˇe by´t vysı´la´n rychlostı´ 1 Mb/s nebo 2 Mb/s. Pozor vsˇechna data jsou nejdrˇ´ıve ko´dova´na pomocı´ datove´ho kode´ru – obra´zek 2 a na´sledneˇ rozprostrˇena jedena´ctibitovou Barkerovou sekvencı´ (+1, −1, +1, +1, −1, +1, +1, +1, −1, −1, −1) obra´zek 3 ([2] str. 1). Cely´ vysı´lany´ ra´mec je oznacˇova´n jako PLCP (Physical Layer Convergence Procedure).
Obra´zek 1. PLCP paket
Obra´zek 2. Datovy´ kode´r
1.2 Spektra´lnı´ maska Vzhledem k pouzˇitı´ DBPSK/DQPSK a DSSS je trˇeba kmitocˇtoveˇ omezit vysı´lane´ spektrum s ohledem na koexistenci neˇkolika kana´lu˚ a za´rovenˇ dostatecˇny´ odstup S/N. Prˇedepsana´ kmitocˇtova´ maska je na obra´zku 4. 3
37LBR – Laboratorˇ ra´diove´ komunikacˇnı´ techniky
Obra´zek 3. Rozprostrˇenı´ spektra pomocı´ Barkerovy sekvence
Obra´zek 4. Kmitocˇtova´ maska
2 Meˇrˇenı´ 2.1 Impedancˇnı´ charakteristika ante´ny Na obvodove´m analyza´toru Advantest R3765CG zmeˇrˇte kmitocˇtovou za´vislost impedance a PSV panelove´ ante´ny v kmitocˇtove´m rozsahu 2400 MHz azˇ 2500 MHz. Nezapomenˇte analyza´tor zkalibrovat. Pomocı´ meˇdeˇne´ho prouzˇku na kabelu ante´ny se pokuste minimalizovat PSV ante´ny. Pomocı´ posouva´nı´ meˇdeˇne´ho prouzˇku prˇiblizˇneˇ zmeˇrˇte de´lku vlny v mm. Zapisˇte si nameˇrˇene´ hodnoty (vy´sledky si ulozˇte na disketu) a urcˇete, na ktere´m kana´lu je ante´na nejle´pe a na ktere´m nejhu˚rˇe prˇizpu˚sobena. Vysveˇtlete du˚vod, procˇ ma´ meˇdeˇny´ prouzˇek vliv na PSV. Vypocˇteˇte vy´konovou ztra´tu v du˚sledku odrazu signa´lu na ante´neˇ.
2.2 Soustava panelova´ ante´na s ante´nnı´m svodem Na obvodove´m analyza´toru Advantest R3765CG zmeˇrˇte stejne´ parametry jako v prˇ´ıpadeˇ panelove´ ante´ny pro svodovy´ kabel (druhy´ konec kabelu je zakoncˇen charakteristickou impedancı´ 50 Ω) a zmeˇrˇte jeho u´tlum. Oveˇrˇte, zda je kabel stranoveˇ symetricky´, pokud nenı´, urcˇete ktery´ z N konektoru˚ je hu˚rˇe prˇizpu˚sobeny´. Pro soustavu panelova´ ante´na a svodovy´ kabel zmeˇrˇte impedanci na kmitocˇtu strˇednı´ho (sˇeste´ho) kana´lu WLAN 802.11b. Zapisˇte si nameˇrˇene´ hodnoty (ulozˇte na disketu), vysveˇtlete z jaky´ch dı´lcˇ´ıch u´tlumu˚ se skla´da´ u´tlum svodove´ho kabelu. Porovnejte meˇrˇenı´ bez svodove´ho kabelu a s kabelem. Vysveˇtlete rozdı´ly. 4
U´loha 7 – Meˇrˇenı´ parametru˚ syste´mu WLAN IEEE802.11b
2.3 Meˇrˇenı´ na AP AP je nastaven do va´m nezna´me´ho mo´du, vasˇ´ım u´kolem je pomocı´ meˇrˇenı´ na spektra´lnı´m analyza´toru FSQ3 zjistit na jake´m kana´lu AP vysı´la´, tj. urcˇit nosny´ kmitocˇet vysı´lane´ho signa´lu. Celkove´ sche´ma zapojenı´ u´lohy je na obra´zku 5.
Obra´zek 5. Celkove´ sche´ma zapojenı´ u´lohy • Postup pra´ce na spektra´lnı´m analyza´toru: – Po zapnutı´ vycˇkat do u´plne´ho nabeˇhnutı´ prˇ´ıstroje a nic nemacˇkat. – Stiskneˇte tlacˇ´ıtko [PRESET] (obnovı´ vy´chozı´ stav prˇ´ıstroje) a nastavte referencˇnı´ u´rovenˇ na 20 dBm (tlacˇ´ıtko [AMPT] →
[ → 20 dBm). Potom teprve prˇipojte AP k spektra´lnı´mu analyza´toru! – Nastavte frekvencˇnı´ osu analyza´toru tak, aby pokryla kmitocˇty vsˇech kana´lu˚ WLAN 802.11b. – Vzhledem k tomu, zˇe je signa´l pulsnı´, nenı´ pozorovane´ spektrum signa´lu stabilnı´ – obraz blika´ podle toho, zda je v pru˚beˇhu rozmı´ta´nı´ puls pra´veˇ vysı´la´n nebo nikoliv. Cˇa´stecˇny´m rˇesˇenı´m situace je nastavenı´ velmi pomale´ho rozmı´ta´nı´ – naprˇ. 10 s. – Pomocı´ markeru˚ nalezneˇte strˇednı´ kmitocˇet spektra a ten na´sledneˇ nastavte jako strˇednı´ kmitocˇet zobrazova´nı´. Zapisˇte si zmeˇrˇeny´ strˇednı´ kmitocˇet, cˇ´ıslo kana´lu a prˇ´ıslusˇny´ teoreticky´ nosny´ kmitocˇet. 5]
37LBR – Laboratorˇ ra´diove´ komunikacˇnı´ techniky
2.4 Parametry vysı´lacˇe Zmeˇrˇte dobu na´beˇhu a dobeˇhu vysı´lacˇe, jak dlouhy´ je cˇas vysı´la´nı´ a jaky´ je opakovacı´ kmitocˇet vysı´la´nı´. • Postup: – Na FSQ3 zastavı´me rozmı´ta´nı´ volbou [SPAN] → . Tı´m se analyza´tor stane selektivnı´m wattmetrem se schopnostı´ zobrazit cˇasovy´ vy´voj vy´konu v sˇ´ırˇce pa´sma urcˇene´ rozlisˇovacı´m filtrem RBW. – Nastavte dobu rozmı´ta´nı´ [Sweep Time] na 50 ms. – Nastavte sˇ´ırˇku rozlisˇovacı´ho filtru na 50 MHz – [BW] (po meˇrˇenı´ v prˇedcha´zejı´cı´ cˇa´sti je aktua´lneˇ nastavena´ sˇ´ırˇka pa´sma mensˇ´ı). Na analyza´toru by jizˇ meˇl by´t videˇt nezasynchronizovany´ sled impulsu˚. – Pro synchronizaci zobrazenı´ vyuzˇijeme spousˇteˇnı´ rozmı´ta´nı´ vy´konem, [TRIG] → . Je trˇeba zkusmo nastavit vhodnou hodnotu vy´konu, typ. −10 dBm. Na analyza´toru by se meˇl obraz zasynchronizovat na na´beˇzˇnou hranu pozorovany´ch pulsu˚. – Pomocı´ markeru˚ [MKR] → <Marker1>, [MKR] → <Marker2> zmeˇrˇte opakovacı´ periodu pulsu˚. – Upravte dobu rozmı´ta´nı´ tak, aby se puls zobrazil na te´meˇrˇ cele´ sˇ´ırˇce displeje, a zmeˇrˇte de´lku pulsu. – Zmeˇrˇte de´lku na´beˇzˇne´ hrany pulsu. Pro detailnı´ zobrazenı´ na´beˇzˇne´ hrany je trˇeba snı´zˇit dobu rozmı´ta´nı´ (naprˇ. na 10 µs) a posunout pocˇa´tek spousˇteˇnı´ – [TRIG] → (pro spousˇteˇnı´ s prˇedstihem zada´va´me za´porne´ hodnoty). Protozˇe se na´beˇzˇna´ hrana v du˚sledku cˇasoveˇ diskre´tnı´ho meˇrˇenı´ vy´konu chveˇje, nenı´ meˇrˇenı´ kra´tke´ doby na´beˇhu mozˇne´. Proto je nutne´ si pru˚beˇh zastavit – [SWEEP] → <Single Sweep>. – Pomocı´ markeru˚ odecˇteˇte cˇas na´beˇhu – jeden z markeru˚ nastavte na na´beˇzˇne´ hraneˇ na 10 % strˇednı´ho vy´konu, druhy´ nastavte na prvnı´ loka´lnı´ extre´m za na´beˇzˇnou hranou. Prˇi meˇrˇenı´ je vhodne´ zmeˇnit meˇrˇ´ıtko vertika´lnı´ osy na linea´rnı´ (dopsat). – Podobneˇ zmeˇrˇte cˇas dobeˇhu. je tentokra´t trˇeba nastavit prˇiblizˇneˇ na hodnotu odpovı´dajı´cı´ de´lce pulsu (nutno zkusit). Zapisˇte si vsˇechny nameˇrˇene´ cˇasy, nacˇrtneˇte (ulozˇte na disketu) pru˚beˇhy na´beˇhu a dobeˇhu vy´konu a diskutujte tyto pru˚beˇhy. Porovnejte cˇasy s normou (na´beˇh/dobeˇh = 2 µs/2 µs) zda vyhovujı´.
2.5 Parametry vysı´lane´ho spektra Promeˇrˇte parametry vysı´lane´ho spektra – urcˇete sˇ´ırˇku pa´sma pro 90 % a 99 % vy´konu, porovnejte zobrazene´ spektrum s teoretickou spektra´lnı´ vy´konovou hustotou – funkce wlanpsd.m v Matlabu – a se spektra´lnı´ maskou. Vy´kon meˇrˇte pro vsˇechna nastavenı´ vy´konu v AP (ovla´da´no z PC – v IE zvolte stra´nku na adrese 192.168.1.253, user: admin heslo: admin, stra´nka Wireless – Advanced Settings – nastavujte pouze hodnoty pro Wireless B/G). Nameˇrˇene´ vy´sledky takte´zˇ porovnejte s prˇedpokla´dany´mi vlastnostmi AP. Odhadneˇte amplitudovou charakteristiku filtru I/Q slozˇek. Pro synchronizaci vyuzˇijte externı´ synchronizaci z osciloskopu – viz obra´zek 5. • Postup: – Nastavte spektra´lnı´ analyza´tor do stejne´ho rezˇimu, jako v kapitole ??. – Zapneˇte osciloskop – pokud je na osciloskopu videˇt zasynchronizovany´ impulz z diodove´ho detektoru, je zajisˇteˇna signa´l externı´ synchronizace spektra´lnı´ho analyza´toru. 6
U´loha 7 – Meˇrˇenı´ parametru˚ syste´mu WLAN IEEE802.11b – Na FSQ3 nastavte externı´ synchronizaci – [TRIG] → <External>. V tuto chvı´li by se vsˇe meˇlo zacˇ´ıt chovat stejneˇ jako prˇi synchronizaci na vy´kon. Nevy´hodou vsˇak je, zˇe se do zpracova´nı´ prˇida´ i doba, kdy vysı´lacˇ nevysı´la´. Cˇinnost spektra´lnı´ho analyza´toru v rezˇimu externı´ho spousˇteˇnı´ ozrˇejmı´ volba doby rozmı´ta´nı´ 200 ms. – Pro vyrˇ´ıznutı´ cˇasu, kdy vysı´lacˇ skutecˇneˇ vysı´la´, pouzˇijeme funkce hradlova´nı´ – [TRIG] → , v menu nastavı´me teˇsneˇ za zacˇa´tek pulsu, teˇsneˇ prˇed konec pulsu. – Prosty´m stiskem tlacˇ´ıtka [FREQ] prˇepneme spektra´lnı´ analyza´tor do rezˇimu zobrazova´nı´ spektra. Pozorovane´ spektrum by meˇlo by´t stabilnı´. Vy´sledek lze jesˇteˇ zlepsˇit pru˚meˇrova´nı´m – [TRACE] → , <SWEEP COUNT> nastavı´me naprˇ. na 100. – K meˇrˇenı´ vy´konu je trˇeba nastavit typ detektoru na RMS – [TRACE] → → . – Vlastnı´ meˇrˇenı´ vy´konu – [MEAS] → → a nastavit sˇ´ırˇku pa´sma pro meˇrˇenı´ . Strˇednı´ vy´kon se vypisuje v dolnı´ polovineˇ obrazovky. Zapisˇte si nameˇrˇene´ hodnoty vy´konu pro vsˇechna nastavenı´ AP a prˇepocˇteˇte je na skutecˇny´ vy´kon ´ tlumy pouzˇity´ch prvku˚ jsou na´sledujı´cı´: kra´tky´ kablı´k z AP 0,5 dB, rozbocˇovacˇ vycha´zejı´cı´ z AP. U T 6 dB, kabel k spektra´lnı´mu analyza´toru 0,5 dB. Vy´sledky porovnejte s u´dajem na AP.
2.6 Meˇrˇenı´ vlastnostı´ modulace Analyza´tor prˇepneˇte do mo´du VSA, nastavte prˇedpokla´dane´ vlastnosti modulace (strˇednı´ kmitocˇet, typ modulace, symbolovou rychlost, pocˇet vzorku˚ na symbol) • Postup: – Spektra´lnı´ analyza´tor prˇepneme do rezˇimu vaktorove´ho signa´love´ho analyza´toru – tlacˇ´ıtko . – Upravı´me sˇ´ırˇku rozlosˇovacı´ho filtru na 50 MHz. – Zvolte symbolovou rychlost – <Modulation settings> → <Sym. Rate> a nastevte jeho hodnotu (jedna z ota´zek doma´cı´ prˇ´ıpravy). – Natavte spra´vny´ typ modulace – <Modulation Mappings>. – Jako modulacˇnı´ filtr <Modulation Filter> vyberte RRC s koeficientem α/BT = 1,0. – Pro spra´vne´ deko´dova´nı´ je trˇeba opeˇt meˇrˇenı´ synchronizovat – [TRIG] → <External>. Na obrazovce by meˇl by´t konstelacˇnı´ diagram, u´daje o modulacˇnı´ch parametrech a deko´dovana´ data. Prohle´dneˇte si deko´dovana´ data – meˇla by v nich by´t patrna´ Barkerova posloupnost (v prˇ´ıme´ i invertovane´ podobeˇ). Zapisˇte si na´sledujı´cı´ parametry modulace a diskutujte jejich hodnoty: – Velikost chybove´ho vektoru (Error Vector Magnitude, EVM) – Chybu amplitudy (Magnitude Error) – Chybu fa´ze (Phase Error) – Ofset nosne´ frekvence (Carrier Frequency Error) – Pokles amplitudy (Amplitude Droop) – Potlacˇenı´ nosne´ vlny (Origin Offset) – Strˇednı´ vy´kon (Mean Power) – Odstup signa´l-sˇum (Signal-to-Noise Ratio, SNR) 7
37LBR – Laboratorˇ ra´diove´ komunikacˇnı´ techniky
2.7 Deko´dova´nı´ vysı´lany´ch dat Z analyza´toru nahrajte pomocı´ PC a skriptu v Matlabu dostatecˇneˇ dlouhou sekvenci I a Q slozˇek signa´lu a signa´l analyzujte. • Postup v Matlabu: – Analyza´tor je trˇeba prˇepnout zpeˇt do mo´du spektra´lnı´ho analyza´toru. – Do pole nazvane´ho a nacˇteˇte sekvenci IQ slozˇek s pomocı´ funkce fsqgetiq.m. Naprˇ. a = fsqgetiq(44000000,50000000,1000000); zachytı´ vzorkovacı´ frekvencı´ 44 MHz 1000000 vzorku˚ slozˇek I a Q, rozlisˇovacı´ filtr je nastaven na 55 MHz. – Pomocı´ dalsˇ´ıho matlabovske´ho skriptu <wlan80211b.m> deko´dujte vysı´lana´ data – naprˇ. test(a). Zapisˇte deko´dovana´ data a porovnejte je s normou IEEE802.11b.
2.8 Oveˇrˇenı´ programove´ho vybavenı´ k PCMCIA karteˇ AP propojte se vstupnı´m konektorem PCMCIA Wi-Fi karty (instalova´na v PC) – ve sche´matu u´lohy naznacˇeno kde rozpojit a prˇipojit, sestavu nerozpojujte v jiny´ch mı´stech – hrozı´ posˇkozenı´ N konektoru˚! • Postup: – Otevrˇete program pro sledova´ni sı´teˇ Client Manager (ikona na plosˇe), zvolte Site Monitor → Selection (zde by mela by´t jedina´ sı´t’). – Kliknutı´m se zobrazı´ u´daje o sı´ti – nastavte si zobrazenı´ sı´ly signa´lu v dBm. – Prˇepı´nejte vy´stupnı´ vy´kon na AP (prˇesnou hodnotu vy´konu˚ jste nameˇrˇili v prˇedcha´zejı´cı´m meˇrˇenı´) a porovnejte ho s u´dajem zobrazovany´m v programove´m vybavenı´ karty. Zapisˇte hodnoty vy´konu nameˇrˇene´ programovy´m vybavenı´m a porovnejte je s hodnotami nameˇrˇeny´mi spektra´lnı´m analyza´torem. Diskutujte rozdı´ly.
8
